Характеристика твердых радиоактивных отходов

К твердым радиоактивным отходам (ТРО) относятся изделия, материалы, биологические объекты, отработавшие источники ионизирующих излучений ИИИ), которые согласно “Санитарным правилам обращения с радиоактивными отходами (СПОРО-85) имеют удельную активность:

- больше 74 кБк/кг (2·10^-6 Ku/кг) для бета- активных веществ;

- больше 0,2 пГр/м² (с·кг) (1·10^-7 г-экв радия/кг) для гамма- активных веществ;

- больше 7,4 кБк/кг (2·10^-7 Ku/кг) для альфа- активных веществ (для радионуклидов трансурановых элементов больше 0,37 кБк/кг (1·10^-8 Ku/кг);

- уровни загрязнения поверхностей превышают 5 альфа-частиц/(см²·мин), или
50 бета- частиц/(см²·мин), определяемых на площади 100 см².

В России в соответствии с “Санитарными правилами проектирования и эксплуатации атомных станций (СП АС-88/93)” в зависимости от мощности дозы гамма-излучения, измеряемой на расстоянии 10 см от поверхности, удельной активности и уровней фиксированного загрязнения, ТРО делятся на три группы:

I группа - (низкоактивные)	от 0,001 до 0,3 мЗв/ч (от 0,1 до 30 мБэр/ч, содержание бета- нуклидов не более 3,7 МБк/кг (1·10-4 Ки/кг), альфа-нуклидов не более 370 кБк/кг (1·10-5 Ки/кг), загрязнение по бета- нуклидам не более 1·104 частиц/(см2·мин), а по альфа- нуклидам не более 1·103 частиц/(см2·мин);
II группа - (среднеактивные)	от 0,3 до 10 мЗв/ч (от 30 до 1000 мБэр/ч, содержание бета- нуклидов не более 3,7 ГБк/кг (1·10-1 Ки/кг), альфа-нуклидов не более 370 МБк/кг (1·10-2 Ки/кг), загрязнение по бета- нуклидам не более 1·107 частиц/(см2·мин), а по альфа- нуклидам не более 1·106 частиц/(см2·мин);
III группа - (высокоактивные)	выше 10 мЗв/ч (выше 1000 мБэр/ч, содержание бета-нуклидов выше 3,7 ГБк/кг (1·10-1 Ku/кг), альфа- нуклидов выше 370 МБк/кг (1·10-2 Ки/кг), загрязнение по бета-нуклидам выше 1·107 частиц/(см2·мин), а по альфа-нуклидам выше 1·106 частиц/(см2·мин).

 

По физико-химическим свойствам ТРО разделяют на два основных вида:

1. Твердые негорючие отходы: металлы, стекло, керамика, строительной мусор. Этот вид отходов включает тару, используемую для упаковки радиоактивных препаратов; негодное к дальнейшему использованию оборудование, инструмент, детали машин, металлическую мебель; демонтированные металлические строительные конструкции, штукатурку и другие строительные материалы. Встречаются крупногабаритные конструкции и оборудование.

2. Твердые горючие отходы: дерево, пластмасса, резина, полихлорвиниловые изделия, текстиль и т.п. К этому виду отходов относятся негодное к употреблению деревянное и пластмассовое оборудование, мебель, спецодежда, бумага, обтирочные материалы, фильтровальные ткани, строительные деревянные конструкции. Сюда же следует отнести отходы биологических материалов, при транспортировании и захоронении которых необходимо выполнять дополнительные требования безопасности. При сдаче ТРО на захоронение они паспортизируются с указанием вида отходов, удельной и суммарной активности.

По классификации МАГАТЭ в зависимости от радиационной дозы, вида активности и требований к переработке ТРО подразделяют на четыре категории
(см. табл.).

Таблица. Категории твердых отходов.

Категория	Радиационная доза на поверхности отходов D, Зв (Бэр/ч)	Вид активности	Требования к обработке и транспортировке
	D£2·10-3 (0,2)	b, g-излучение с незначительным содержанием a-активности.	Отходы могут перерабатываться и транспортироваться без специальных мер предосторожности.
	2·10-3<D£2·10-2 (0,2<D£2))	То же	Отходы могут транспортироваться в обычных контейнерах, экранированных тонким слоем бетона или свинца.
	D>2·10-2 (2)	То же	Обработка и транспортировка отходов могут производиться только с применением специальных мер предосторожности.
	a-активность, Ки/м3	Доминирующее a- излучение с небольшим содержанием b+g-излучения.	Полагают, что эти отходы не представляют опасности с точки зрения возможности образования критической массы.

Требования к обращению с ТРО и методы их переработки.

 

Транспортирование, переработка и захоронение ТРО производятся пунктами захоронения радиоактивных отходов (ПЗРО) или специализированными комбинатами (СК). Скорость поступления твердых отходов на этих предприятиях достигает 2000-2600 м³/год. Удельная активность основной массы ТРО находится в пределах от 0,1 до 100 МБк/кг, а изотопный состав характеризуется присутствием ⁶⁰Co, ¹³⁷Cs, ⁹⁰Sr, ²³⁹Pu, ²¹⁰Po и др.

ТРО, содержащие короткоживущие радионуклиды с периодом полураспада до 15 суток, согласно СПОРО-85 выдерживают в течении времени, обеспечивающего снижение активности до значений меньших, чем минимальные нормативы ТРО и затем удаляют с обычным мусором на организованные свалки.

Высокоактивные отходы и ИИИ отделяют от остальных отходов и захоранивают в специальных могильниках (железобетонных или чугунных колодцах) на глубине до 6 м, закрываемых сверху специальными крышками или пробками. Для повышения экологической безопасности перед этим их включают в металлические, чаще всего свинцовые матрицы, теплопроводность которых достигает 10 Вт/(м·град) и более, что обеспечивает хороший теплоотвод. Скорость выщелачивания радионуклидов из таких матриц практически не отличается от скорости выщелачивания из стекла.

Низко- и средне- активные отходы захоранивают в специально оборудованных хранилищах, помещаемых в поверхностные слои земли выше уровня грунтовых вод. Это сборные железобетонные емкости вместимостью до 5000 м³, разделенные перегородками на отсеки по 300-500 м³. Однако, при захоронении отходов без предварительной переработки возможно самовозгорание некоторых видов горючих отходов, затопление хранилищ поверхностными водами и вынос ими радионуклидов в окружающую среду, а также эффективное использование не более 40-60% полезного объема хранилищ (из-за наличия пустот при закладке различных по габаритам отходов).

Поэтому СПОРО-85 предусматривается, что захоронение этих ТРО в хранилища должно производиться слоями толщиной не более 1,5 м, после чего производится заливка ТРО цементным раствором, который может быть приготовлен на основе жидких радиоактивных отходов (ЖРО). При этом в хранилище образуется бетонный монолит, занимающий 100% хранилища, исключающий как затопление ТРО, так и их возгорание. Удельная активность таких цементных компаундов согласно нормативным документам может достигать не более 10^-3 Ku/г по b- и g- нуклидам и не более 10^-6 Ки/г по a- нуклидам, а скорость выщелачивания радионуклидов (по ¹³⁷Cs и ⁹⁰Sr) не должна превышать 10^-3 г/см²·сут.

В особых случаях допускается захоронение твердых радиоактивных отходов (загрязненной почвы, строительных материалов, оборудования, изделий и др. в земляных траншеях при удельной b- активности не более 37 кБк/кг (1·10^-6 Ки/кг). Для цементированных блоков такое захоронение допускается при удельной b- активности не более 370 кБк/кг (1·10^-5 Ku/кг), а для битумированных блоков при удельной b-активности не более 3,7 МБк/кг (1·10^-4 Ku/кг). Глубина траншей не менее 5 м и толщина укладки отходов не более 3 м, при последующей заливке траншей цементным раствором и обваловывании слоем грунта толщиной не менее 0,5 м.

Кроме того, перед захоронением ТРО предусматривается их предварительная переработка с целью сокращения объема методами прессования, сжигания и плавления. Прессование - самый простой и экономичный метод, позволяющий сокращать объем отходов в 2 - 10 раз. Сжигание - более дорогой и трудноосуществимый процесс, но он обеспечивает и более существенное сокращение отходов в 20-100 раз. Этот метод позволяет превратить потенциально опасные в пожарном отношении отходы в инертные, безопасные в процессе хранения формы. Плавление - наиболее энергоемкий и аппаратурно сложный метод, позволяющий сократить объем отходов в 5-50 раз. Однако, в отличие от сжигания он не требует при последующем захоронении включения конечного продукта в изолирующую матрицу, т.к. обеспечивает снижение выщелачиваемости радионуклидов в десятки и сотни раз.

При сборе горючих ТРО галогенсодержащие и другие материалы, образующие при сжигании агрессивные и ядовитые газы, сортируются отдельно от дерева, ветоши, бумаги, резины и биологических материалов. Соответственно, запрещается использовать для дезинфекции биологических материалов хлорную известь (рекомендуется лизол или формалин). Негорючие отходы сортируют на металлические, мягкие (сжимаемые) и жесткие (несжимаемые) по степени активности. На практике в мягкие отходы попадает и некоторая часть малоценных металлических тонкостенных изделий (мелкое оборудование, приборы, тара, трубки и т. д.). К мягким ТРО обычно относят и горючие галоген- и серосодержащие отходы, самовозгорание которых практически исключается, т.е. различные изделия из резины и пластмассы, особенно из поливинилхлорида (ПВХ). Крупногабаритное оборудование, как правило, предварительно разрезают на куски размерами не более 900х1200х3000 мм.

Согласно СПОРО-85 метод прессования применяют, если мощность дозы излучения на расстоянии 10 см от поверхности упаковки с отходами не превышает 0,5 мЗв/ч (50 мБэр/ч). Допускается прессование упаковок с большей мощностью дозы при согласовании с органами Госсаннадзора. Метод сжигания применяют для горючих отходов, если их удельная бета- активность не превышает 3,7 МБк/кг
(1·10^-4 Ки/кг), а удельная альфа- активность - 0,37 МБк/кг (1·10^-5 Ku/кг). Установки переработки ТРО рекомендуются при объеме отходов не менее 100 м³/год.

При переплавке металлических отходов возможна их очистка от радионуклидов, переходящих в шлаки. Согласно нормативам Минздрава РФ повторное использование слитков металла в народном хозяйстве без ограничений возможно при остаточной удельной активности до 1·10^-8 г-экв радия /кг, а в атомной промышленности до 5·10^-8 г-экв радия /кг. В тоже время, золы, шлаки и другие алюмосиликатные отходы могут использоваться для изготовления строительных материалов без ограничений при удельной активности до 1·10^-8 г-экв радия/кг, в промышленном строительстве до 2·10^-8 г-экв радия/кг, а в загородном дорожном строительстве до 7,6·10^-8 г-экв радия/кг.

Прессование твердых радиоактивных отходов.

Мягкие (сжимаемые) ТРО подвергают прессованию на пневматических и гидравлических прессах при давлении 3-5 МПа. Максимальный коэффициент сокращения объема в 8-10 раз достигается у металлических отходов и отходов теплоизоляционных минерало- волокнистых материалов, минимальный у резины и полимеров - 2-3. При этом следует учитывать, что резина и часть полимеров обладают значительной упругой деформацией, так что после снятия нагрузки возможно расширение и даже разрушение полученных брикетов. В связи с этим, при обычном прессовании практикуется лишь добавка этих материалов к другим видам прессуемых отходов. В соответствии с СПОРО-85 установки прессования должны быть надежно герметизированы и оборудованы вытяжной вентиляцией с фильтром. Загрузка отходов в узел прессования и выгрузка брикетов из него должны быть автоматизированы.

До последнего времени на отечественных предприятиях эксплуатировали установки прессования “Брикет”, обеспечивающие получение прессованных брикетов 400х400х400 мм, перевязанных проволокой. Позднее стали практиковать запрессовывание отходов на установках “Нукем” в 200 литровые бочки, закатываемые крышкой. При этом исключается распыление отходов, а также разрушение брикетов при разрыве проволоки. Кроме того, облегчается дальнейшее захоронение прессованных отходов. Однако, следует учитывать, что прессование только сокращает объем радиоактивных отходов, но практически не повышает их экологической безопасности. Вследствие этого, при захоронении упаковки с прессованными отходами (как брикеты, так и металлические бочки) подлежат размещению в специальных бетонных контейнерах с последующим заполнением пустот цементным раствором.

Как указывалось ранее, значительную часть прессуемых отходов составляют материалы из поливинилхлорида (ПВХ) - пластикатовое покрытие полов, чехлы оборудования, фильтры “Петрянова”, спецодежда и другие средства индивидуальной защиты. При сжигании 1 кг ПВХ выделяется 0,55 кг паров соляной кислоты (HCl). Хлор является крайне агрессивным газом, который при температуре около 100⁰С разрушает даже легированные стали. Поэтому, переработка изделий из ПВХ методом сжигания недопустима. Прессование же таких отходов при обычной температуре дает лишь незначительное сокращение объема отходов. В то же время, ПВХ термопластичный материал и для его переработки с высокой эффективностью может использоваться метод “горячего” прессования (при температуре близкой к температуре плавления ПВХ).

Загрязненные радионуклидами изделия из ПВХ предварительно измельчают до крупности 1 - 10 мм, что сразу же позволяет сократить объем отходов в 2 - 2,5 раза. Поливинилхлоридную крошку помещают в подогреваемую матрицу и прессуют при температуре 150- 230^о С и давлении от 4 до 40 МПа. В зависимости от температуры, давления и времени выдержки под давлением происходит сплавление либо всего объема блока (получение монолита), либо его поверхностного слоя 10 - 15 мм (получение прочной защитной оболочки упаковки). Прессование сокращает объем отходов в 2 - 3 раза, что с учетом предварительного измельчения обеспечивает суммарный коэффициент сокращения объема в 4 - 6 раз. При этом скорость выщелачивания радионуклидов из проплавленной поверхности ПВХ не превышает 1·10^-4 г/см² сут., т.е. сравнима с битумными компаундами, и не требует дополнительной гидроизоляции. ВО ВНИПИЭТ разработал проект установки (горячего прессования ТРО из ПВХ с удельной активностью до 1·10^-5 Ku/кг для Игналинской и Ленинградской АЭС производительностью 25 - 30 кг/час.

Сжигание горючих твердых радиоактивных отходов

 

Плотность твердых горючих радиоактивных отходов составляет от 100 до 250 кг/м³. Влажность колеблется от 5 - 10 % для целлюлозобумажных изделий до 75% для биологических объектов. Теплотворная способность основных компонентов горючих ТРО с учетом влажности и зольности материала колеблется от 4000 до 40000 кДж/кг. Обычно считается возможным содержание в сжигаемых ТРО негорючих включений не более 1%, а вот наличие галоген- и серосодержащих отходов строго недопустимо, так как приводит к сокращению сроков службы фильтров газоочистки в 10 раз и повышенной до 5 - 6 мкм/м² коррозии оборудования печей.

Процесс сжигания характеризуется в общем случае превращением горючей массы в газообразные продукты в процессе термического разложения и окисления при температуре до 1000^оС, т.е. обеспечивает сокращение не только объема, но и массы ТРО. При сжигании радионуклиды более, чем на 90%, фиксируются в золе и могут быть затем переведены в устойчивые формы путем цементирования, битумирования или остекловывания. В процессе сжигания образуются дымовые газы, содержащие окислы углерода и других веществ. Радиоактивные аэрозоли, а в присутствии биологических материалов и полимеров (полиэтилена) значительного количества сажи и смолистых соединений.

Наибольшей полнотой сгорания характеризуются полимеры (уменьшение объема в 130 раз), наименьшей - плотные упаковки бумаги (в 5 - 7 раз), что связано с большим объемом зольного остатка. Максимальная плотность золы наблюдается при сжигании биологических отходов, при этом образуется и наибольшее количество конденсата, имеющего кислотные свойства. Для повышения эффективности процесса практикуется совместное сжигание горючих ТРО и ЖРО. Например, радиоактивные масла, отработанные в системе ГЦН, добавляют при сжигании к горючим ТРО в соотношении ТРО : ЖРО = 4 : 1, экономя при этом дизельное топливо, используемое в горелках печей.

Наибольшее применение для сжигания ТРО нашли камерные и барабанные печи, причем характерным является наличие нескольких температурных зон: сушки отходов, зажигания и горения, дожигания. Очистку дымовых газов при сжигании ТРО производят мокрым или сухим методами. При мокрой очистке удается решить задачу как предварительного улавливания крупных частиц, так и частичного охлаждения газов и химической сорбции некоторых летучих соединений. Однако, при этом требуются значительные затраты энергии для получения высоких коэффициентов очистки (96 - 98%) и образуются вторичные ЖРО. При сухом методе используют фильтры предварительной и тонкой очистки. Фильтры предварительной очистки снаряжают пористыми, тканевыми или сыпучими материалами различных видов. Фильтры тонкой очистки снаряжают тканью Петрянова, ультратонким стекловолокном, целлюлозно- или стеклянно- асбестовой набивкой с коэффициентом очистки 10³ - 10⁴ при входной концентрации твердой фазы до 1·10^-5 кг/м³.