Цель переработки и кондиционирования состоит в том, чтобы сделать отходы пригодными для последующих этапов обращения с ними, которые включают хранение, транспортирование и окончательное захоронение. Переработка включает снижение объема и сортировку на обогащенную фракцию, которая содержит наибольшую часть загрязнителей в отходах, и оставшуюся долю с низким содержанием радиоактивности.
Главная цель кондиционирования состоит в том, чтобы придать обогащенной фракции форму, пригодную для хранения и в конечном итоге для захоронения. Обе цели могут быть достигнуты с помощью либо последовательного выполнения различных операций, либо по отдельным шагам. Кратко рассмотрим существующие процессы по переработке и кондиционированию отходов.
Отходы, не требующие переработки или кондиционирования. Некоторые типы отходов не требуют каких-либо специальных способов переработки или кондиционирования перед их окончательным захоронением. К ним относятся две основные категории отходов:
· отходы, загрязненные только короткоживущими радионуклидами, такими, например, которые используются в некоторых разновидностях медицинской диагностики;
· отходы, содержащие радионуклиды в концентрациях ниже уровня, который регулируется нормативными документами.
Процессы переработки.
Многие процессы переработки, применяемые в настоящее время, направлены на снижение объема отходов, как основной цели. Предпосылкой большинства процессов является сортировка отходов на классы со свойствами, которые являются однородными настолько насколько это возможно. Ниже описываются традиционные и нашедшие широкое применение на практике процессы переработки жидких и твердых радиоактивных отходов.
Жидкие отходы. Переработка жидких радиоактивных отходов (ЖРО) направлена на решение двух главных задач: очистки основной массы отходов от радионуклидов и концентрирования последних в минимальном объеме. Наиболее широко распространенным способом переработки ЖРО является выпаривание. Этот метод предполагает использование тепла для очистки и концентрирования отходов за счет перевода основного компонента отходов – воды – в пар. Установки выпаривания различаются в основном характером парообразования (кипение в объеме или испарение с поверхности), видом теплоносителя (пар, горячие газы, электричество и т.д.) и способом подвода тепла (непосредственный контакт с теплоносителем или передача тепла через стенку аппарата). Характерной особенностью выпаривания как метода переработки ЖРО является высокая степень очистки конденсата от радионуклидов. Опыт с радиохимическими испарителями показал, что в настоящее время достижимым является фактор очистки в диапазоне от 103 до 105. Загрязненность паров и соответственно конденсата радионуклидами, которая определяет степень их очистки, происходит вследствие молекулярного (летучесть, растворимость в паре), капельного (аэрозольного) и пенного уноса. С точки зрения достижения наиболее высокой эффективности при выпаривании важным является контроль подачи на переработку жидких отходов в отношении химического и радиологического содержания. Наличие летучих радионуклидов и присутствие органических веществ снижают эффективность выпаривания.
С начала 1950-х годов во многих формах применялась химическая переработка низкоактивных отходов и иногда среднеактивных отходов. Фактор очистки при такой переработке обычно ниже (не более чем 10-100) по сравнению с выпариванием. Тем не менее, химическая переработка имеет более низкую стоимость и преимущество в отделении концентрата от массы растворимых солей.
В настоящее время применяется ионный обмен, в частности, для химически чистых жидких веществ. Для ионного обмена могут быть использованы как искусственные материалы, так и природные вещества, такие как вермикулит, торф, глинистые минералы.
С различным эффектом применялись также другие процессы, основанные на физических, химических и физико-химических свойствах радиоэлементов. Ультрафильтрация, использующая синтетические мембраны контролируемой пористости, может быть очень эффективной для жидких веществ, в которых радиоактивные компоненты фиксированы на нерастворимых или коллоидных частицах. Электродиализ[1] и обратный осмос[2] могут быть высоко эффективными для жидкостей с высокой концентрацией солей. Однако стоимость таких процессов относительно высока.
Твердые отходы. Одним из наиболее распространенных способов переработки твердых отходов является сжигание горючих отходов, которое применяется с 1950-х годов. В принципе нет больших различий между установками для сжигания радиоактивных и нерадиоактивных отходов. В установках для радиоактивных отходов больше внимание уделяется качеству золы и очистке уходящих газов. Обычно считается, что сжигание РАО должно быть дорогостоящим процессом, особенно вследствие необходимости соблюдения ряда предосторожностей и выполнения вторичных этапов переработки (например, необходимость разделения горючих и негорючих составляющих в отходах). Кроме того, необходимо обеспечить эффективную систему очистки газов, которая сама должна быть совместима с коррозионными свойствами уходящих газов, главным образом, когда отходы содержат хлорированные частицы. Однако, стоимость процесса сжигания с ее важным результирующим свойством уменьшения объема должна быть сопоставлена со стоимостью захоронения, которая неизбежно пропорциональна объему кондиционированных отходов, направляемых на захоронение.
Зола, как конечный продукт процесса сжигания, может потребовать дополнительного кондиционирования в соответствии с требованиями захоронения. Это может быть достигнуто с помощью цементирования или включения золы в битумную матрицу. Кроме того, в зависимости от типа очистки газов могут быть образованы различные виды вторичных отходов, таких как химические скрубберы (газоочистители) или фильтры высокой очистки.
В условиях захоронения могут происходить вторичные явления, например, распад и биологическое разложение органических веществ и возможное влияние продуктов распада на миграционные свойства некоторых нерастворимых радиоактивных веществ. Исследования таких явлений позволили сделать вывод, что высоко эффективное сжигание является важным элементом комплексной системы обращения с РАО, когда предполагается глубокое подземное захоронение отходов. Поэтому высоко эффективное сжигание отходов является полезным способом их переработки, как по соображениям безопасности, так и по экономическим причинам, и может рассматриваться для следующих областей применения:
- низкоактивные отходы, образующиеся при эксплуатации ядерных энергетических установок, применении радиоизотопов, в научных исследованиях и производстве ядерного топлива;
- органические растворители при использовании соответствующих установок сжигания;
- отходы с низким загрязнением плутонием, при условии применения установок, приспособленных для манипуляций с материалами, загрязненными плутонием.
Другим наиболее распространенным способом переработки твердых отходов является прессование, которое используется с самого начала развития атомной промышленности. Прессование - высокотехнологичная и надежная технология уменьшения объема, которая используется для переработки РАО, главным образом, при обращении с твердыми отходами низкого уровня активности. Некоторые страны (Германия, Великобритания и США) также используют эту технологию для уменьшения объема отходов среднего уровня активности и трансурановых отходов. Диапазон установок для прессования может быть достаточно широк: от систем уплотнения с низкой силой сжатия (~5 тонн или выше) до прессов с силой сжатия более 1000 тонн, которые называются суперпрессами. Коэффициенты уменьшения объема обычно находятся между 3 и 10, в зависимости от вида перерабатываемых отходов.
Прессование с низкой силой сжатия осуществляется на гидравлических или пневматических прессах для уплотнения отходов в подходящие для этого контейнеры, например, металлические бочки емкостью в 200 литров. Для достижения суперуплотнения большой гидравлический пресс сжимает непосредственно металлическую бочку или другой приемный резервуар, содержащий различные формы твердых отходов низкого или среднего уровня активности. Металлическая бочка или контейнер удерживается в пресс-форме в течение уплотняющего хода суперпресса, который до минимума уменьшает наружный размер бочки или контейнера. Сжатая металлическая бочка затем снимается с пресс-формы, и процесс повторяется. Две или больше смятых бочек, также называемые таблетками, затем герметизируются внутри контейнера для промежуточного хранения и/или окончательного захоронения.
По своей конструкции установка суперпрессования может быть передвижной или стационарной, снабженной как базовой системой ручного управления, с минимумом вспомогательного оборудования, так и системой компьютерного управления, которая выбирает металлические бочки, предназначенные для переработки, измеряет вес и уровни излучения, сжимает бочки, размещает сжатые бочки в наружные контейнеры, герметизирует наружные контейнеры, записывает данные о содержании бочек и наружных контейнеров в автоматизированные системы памяти. При использовании технологии суперпрессования в ряде случаев отходы сортируется на сгораемые и несгораемые материалы. Сгораемые отходы затем сжигаются, а негорючие отходы суперуплотняются. Нередко зола и пепел на установках для сжигания отходов также суперуплотняются, чтобы достичь максимального уменьшения объема.
В случае долговременного хранения или захоронения присутствие биологически разлагаемых веществ может вызвать проблемы механической стабильности упаковок с отходами. Поэтому в большинстве случаев прессование применяется для негорючих материалов, тщательно отделенных от органических компонентов.