ИАТЭ НИЯУ МИФИ
Кафедра общей и специальной химии
Актуальные проблемы радиохимии АЭС.
Выполнила:студентка гр.РБ-С09
Орлова К.А.
Проверил: ст. преподаватель
Тихонов Г.В.
Обнинск, 2012г.
Содержание:
1. Введение………………………………………………………………..3
2. Важнейшие проблемы радиохимии…………………………………..4
3. Промышленные реакторы…………………………………………….10
4. Радиохимическое производство……………………………………..11
5. Переработка ОЯТ……………………………………………………...13
6. Заключение……………………………………………………………..15
7. Список использованной литературы…………………………………16
Введение.
Радиохимия – одна из наиболее молодых областей современной науки. В то же время она и все, что связано с радиоактивностью, в значительной мере определило лицо XX века.
Радиохимия всегда была нацелена на решение актуальных задач, которые выдвигало общество. Начиная с открытия плутония в 40-х годах прошлого века, внимание радиохимиков всего мира было направлено на изучение свойств этого химического элемента и разработку методов его выделения из урана, облученного нейтронами в реакторах. В 1953 году в СССР была запущена в промышленную эксплуатацию первая в мире АЭС, которая открыла эру атомной энергетики.
В наступившем веке радиохимия будет играть огромную роль – прежде всего, в разработке и производстве новых радиофармпрепаратов для диагностики заболеваний. Это одно из наиболее перспективных направлений современной радиохимии, так же, как и решение актуальных проблем ядерного топливного цикла. В особенности, работы по созданию новых методов переработки ОЯТ на долгие годы сохранят актуальность. В связи с предстоящим массовым выводом из эксплуатации объектов атомной энергетики радиохимикам также предстоит решать задачи обеспечения безопасности этого процесса.
Россия занимает ведущее положение в мировой радиохимии. Это подтверждается тем, что нашими учеными сделан ряд фундаментальных научных открытий. Так, в 70-х годах прошлого века в Институте физической химии им. А.Н. Фрумкина (ИФХ РАН) была открыта возможность существования плутония, нептуния и америция в семивалентном состоянии окисления. Это стало сенсацией в научном мире и впоследствии привело к разработке целого ряда практически важных и эффективных методов выделения и определения этих элементов с использованием их высших состояний окисления. Недавно в нашей лаборатории в Институте геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского (ГЕОХИ РАН) совместно с Лос-Аламосской лабораторией (США) была впервые доказана возможность существования плутония и в восьмивалентном состоянии.
У российских ученых есть также фундаментальные достижения по изучению поведения радионуклидов в окружающей среде. Так, на основе работ, проведенных специалистами ГЕОХИ РАН совместно с сотрудниками ПО «Маяк», впервые в мире было определено, что плутоний с подземными водами мигрирует в коллоидной форме – а значит, может легко сорбироваться на вмещающих породах.
Важнейшие проблемы радиохимии.
Радиохимия изучает химические свойства и физико-химические закономерности поведения радиоактивных элементов, методы их выделения и концентрирования. Это промышленная отрасль, связанная с получением высокоактивных материалов и регенерацией ядерного горючего, разработкой методов применения радионуклидов. Открытие и изучение практически всех химических элементов, начиная с полония-84 – заслуга радиохимиков.
Специфические свойства объектов исследования радиохимии обусловлены ультрамалыми концентрации радионуклидов (до 10 -12 атомов в дм3 и менее).
Важнейшей проблемы современной радиохимии:
1) Развитие методов подготовки ядерного горючего для ядерных реакторов АЭС и переработки облученного ядерного горючего.
Известно,что применяются три способа использования ядерного горючего:
Первый из них – это деление ядерного горючего (например, урана – 235) без какого-либо использования избыточного нейтрона. Такой способ наименее экономичен, но позволяет создавать установки небольшого веса (например, судовые).
Второй способ отличается тем, что часть нейтронов, образовавшийся при делении ядер, используется для образования нового ядерного горючего (из урана-238, тория -232). Вновь полученное ядерное горючее так же «сгорает», и этот процесс, в свою очередь, сопровождается образованием новой порции горючего. В этом случае, хотя и используются по- прежнему весьма малая часть природного урана, ресурсы ядерного горючего могут быть увеличены в 2-3 раза. Этот способ находит широкое применение.
Третий способ характерен тем, что в принципе может быть использован весь добытый природный уран. Для этого надо «сжигать» ядерное горючее в реакторах на быстрых нейтронах. Несомненно, что это наиболее перспективный метод.
Что касается ресурсов ядерного горючего, то мнение специалистов по этому вопросу очень сильно расходится. Ядерное горючее встречается в природе в весьма малых концентрациях, и разные авторы по-разному оценивают те минимальные концентрации, при которых использование его будет ещё больше рентабельным. По-видимому, можно считать, что в случает полного использования добываемого природного урана его запасы (разработка которых будет рентабельной) по энергетическому эквиваленту не менее запасов химических топлива.
Следует сказать, что точка зрения о целесообразности широкого строительства атомных электростанций претерпевало изменения. После первоначального оптимистического подхода многие специалисты стали выражать сомнения. Главными причинами этих сомнений были: относительно высокая стоимость всех или почти всех реально построенных атомных электростанций по сравнению с проектами(что объясняется в основном новизной дела) и снижение стоимости тепловых электростанций. Можно думать, что ближайшие годы создадут реальные возможности для широкого строительства атомных электростанций. Что касается районов, бедных энергоресурсами и особенно удаленных районов, то там строительство атомных электростанций выгодно и сейчас.
2) Разработка эффективных методов радионуклидной диагностики производственных и исследовательских систем, особенно с применением короткоживущих радионуклидов, быстрый и полный распад которых обеспечивает безвредность последующего использования соответствующих веществ.
Радионуклидный метод - это способ исследования функционального и морфологического состояния органов и систем с помощью радиоактивных нуклидов и меченных ими индикаторов. Эти индикаторы - их называют радиофармацевтическими препаратами (РФП) - вводят в организм больного, а затем посредством различных приборов определяют скорость и характер перемещения, фиксации и выведения их из органов и тканей. Кроме того, для радиометрии могут быть использованы кусочки тканей, кровь и выделения больного. Несмотря на введение лишь ничтожно малых количеств индикатора (сотые и тысячные доли микрограмма), не оказывающих влияния на нормальное течение жизненных процессов, метод обладает исключительной чувствительностью.
Типичная радионуклидная диагностическая система состоит из источника излучения (РФП), объекта исследования, приемника излучения и врача (радиолога-диагноста). Приемник излучения включает в себя детектор, электронный блок для преобразования электрических сигналов от детектора и блок индикации, т. е. систему представления данных исследования.
3) Получение широкого ассортимента медицинских препаратов, содержащих радионуклиды типа 99 TC для диагностики и лечения заболевания.
4) Обеспечение безопасных методов обращения с высокорадиоактивными отходами.
Важность безопасного обращения с радиоактивными отходами для защиты здоровья человека и окружающей среды признано давно и в этой области накоплен значительный опыт. Международное агентство по атомной энергии (МАГАТЭ) разработало и опубликовало нормы и руководства для безопасного обращения с радиоактивными отходами, которые приняты на международном уровне. Радиоактивные отходы могут находиться в трех физических формах:
1.Газообразной, например, вентиляционные выбросы установок, где обрабатываются радиоактивные материалы;
2. Жидкой, начиная от растворов сцинтилляционных счетчиков из исследовательских установок до жидких высокоактивных отходов, образующихся при переработке отработавшего топлива;
3. Твёрдой – загрязненные расходные материалы, стеклянная посуда из больницы, медицинских исследовательских установок и радиофармацевтических лабораторий, остеклованные отходы от переработки топлива или отработавшего топлива от АЭС, когда оно считается отходами.
Способы хранения и захоронения отходов зависят от их формы, радионуклидного состава, а так же от концентрации радиотоксичности радионуклидов, содержащихся в отходах.
Международно признанная цель обращения с радиоактивными отходами состоит в таком обращение с ними, которое обеспечивает защиту здоровья и окружающей среды сейчас и в будущем, не налагая чрезмерного бремени на будущее поколение.
В окружающей среде радиоактивные отходы могут воздействовать не только на человека, но и на другие организмы. Однако, поскольку человек относится к существам, наиболее чувствительным к облучению и ионизирующим излучением, нормам безопасности, признаны достаточными для защиты человека, являются достаточными и для защиты других организмов.
Основные стадии обращения с высокорадиоактивными отходами.
При хранении радиоактивных отходов их следует содержать таким образом, чтобы:
- обеспечивались их изоляция, охрана и мониторинг окружающей среды;
- по возможности облегчались действия на последующих этапах (если они предусмотрены).
В некоторых случаях хранение может осуществляться главным образом по технических соображениям, например, хранение радиоактивных отходов, содержащих в основном короткоживущие радионуклиды в целях их распада и последующего сброса в санкционированных пределах или хранения радиоактивных отходов высокого уровня активности до их захоронения в геологических формациях в целях уменьшения тепловыделения.
Предварительная обработка отходов является первоначальной стадии обращения с отходами. Она включает сбор, регулирования химического состава и дезактивацию и к ней может относиться период промежуточного хранения. Эта стадия очень важна, так как во многих случаях в ходе предварительной обработке представляется наилучшая возможность для разделения потоков отходов.
Обработка радиоактивных отходов включает операции, цель которых состоит в повышении безопасности или экономичности посредствам изменений характеристик радиоактивных отходов. Основные концепции обработки: уменьшение объема, удаление радионуклидов и изменение состава. Примеры:
- сжигание горючих отходов или уплотнение сухих твердых отходов;
- выпаривание, фильтрация или ионный обмен потоков жидких отходов;
- осаждение или флокуляция химических веществ.
Кондиционирование радиоактивных отходов состоит из таких операций в процессе которых радиоактивным отходам предают форму, приемлемую для перемещения, перевозки, хранения и захоронения. Эти операции могут включать иммобилизацию радиоактивных отходов, помещение отходов в контейнеры и обеспечение дополнительной упаковки. Общепринятые методы иммобилизации включают отверждение жидких радиоактивных отходов низкого и среднего уровней активности путем их включения в цемент (цементирования) или битум (битумирование), а так же остекловывание жидких радиоактивных отходов. Иммобилизованные отходы в свою очередь в зависимости от характера и их концентрации могут упаковываться в различные контейнеры, начиная от обычных 200- литровых стальных бочек до имеющих сложную конструкцию контейнеров с толстыми стенками. Во многих случаях обработка и кондиционирование проводятся в тесной связи друг с другом.
Захоронение главным образом состоит в том, что радиоактивные отходы помещаются в установку для захоронения при соответствующем обеспечении безопасности без намерения их изъятия и без обеспечения долгосрочного наблюдения за хранилищем и технического обслуживания. Безопасность в основном достигается посредством концентрации и удержания, что предусматривает изоляцию надлежащим образом концентрированных радиоактивных отходов в установке захоронения.
5) Развитие методов радиохимического анализа и мониторинга радиоактивности окружающей среды.
Методы анализа, основанные на радиоактивности, возникли в эпоху развития ядерной физики, радиохимии, атомной техники и с успехом применяются в настоящее время при проведении разнообразных анализов в том числе, в промышленности и геологической службе.
Основными достоинствами аналитических методов, основанных на измерении радиоактивного излучения, являются низкий порог обнаружения анализируемого элемента и широкая универсальность. Радиоактивационный анализ имеет абсолютно низший порог обнаружения среди всех других аналитических методов. Достоинством некоторых радиометрических методик является анализ без разрушения образца, а методов, основанных на измерении естественной радиоактивности, - быстрота анализа. Ценная особенность радиометрического метода изотопного разведения заключена в возможности анализа смеси близких по химико- аналитических свойствам элементов, таких, как цирконий – гафний, ниобий – тантал и др.
Дополнительные осложнения в работе с радиоактивными препаратами обусловлены токсичными свойствами радиоактивными свойствами, которые не вызывают немедленной реакцией организма и тем самым усложняют своевременное применение необходимых мер. Это усиливает необходимость строгого соблюдения техники безопасности при работе с радиоактивными препаратами. В необходимых случаях работа с радиоактивными веществами происходит с помощью так называемых манипуляторов в специальных камерах, а сам аналитик остается в другом помещении, надежно защищенном от действия радиоактивного излучения.
Радиоактивные изотопы применяются в следующих методах анализа:
1.Метод осаждения в присутствии радиоактивного элемента;
2.Метод изотопного разбавления;
3.Радиометрическое титрование;
4. Радиоактивационный анализ;
5.Определения, основанные на измерении радиоактивности изотопов, встречающихся в природе.
Промышленные реакторы
В отличие от аппаратуры обычного химического производства основным аппаратом промышленной радиохимии является ядерный реактор. Энергетические реакторы на АЭС не подходят для радиохимического производства. Для наработки радионуклидов в промышленном масштабе необходимы промышленные реакторы.
Промышленный реактор (Production reactor) – ядерный реактор, предназначенный главным образом для производства делящихся материалов в промышленном масштабе. Обычно этот термин относится к реакторам для производства плутония, урана-233 и трития.
В СССР промышленные (как правило, военные) уран-графитовые реакторы с высокими потоками тепловых нейтронов использовались для наработки оружейного плутония, других делящихся нуклидов (например, урана-233 и трития). Попутно решались ещё две задачи: получение электроэнергии и снабжение теплом близлежащие населенные пункты (В США военные реакторы применяли исключительно для наработки оружейного плутония). К военным реакторам предъявляются такие требования, как 1) большой коэффициент воспроизводства делящегося материала, 2) высокая энергонапряжённость, 3) короткое время удвоения плутония. Наработка оружейных радионуклидов и расширенное воспроизводство топлива проводится на реакторах-конверторах и реакторах-размножителях.
Реактор-конвертер - ядерный реактор, в процессе работы которого производится новое по изотопному составу ядерное топливо по сравнению со сжигаемым. В связи с малой производительностью ускорителей, промышленная наработка радионуклидов возможна только на ядерных реакторах. Первыми промышленными реакторами (использовались для получения плутония) были канальные реакторы на тепловых нейтронах с графитовым замедлителем и прямым проточным водным охлаждением, работающие на природном металлическом уране при сравнительно низких температурах. Сокращённо такие реакторы называют ПУГР – промышленный урано-графитовый реактор). Для синтеза трансурановых элементов в достаточном количестве, нужны сильнейшие нейтронные потоки. В принципе, любой атомный реактор является источником нейтронов, но для промышленного производства радионуклидов используется специальные. Помимо высоких потоков нейтронов, особенностью промышленного реактора является возможность удаления облучённого материала без остановки реактора.