Проблемы захоронения радиоактивных отходов в геологических формациях
Проблемы захоронения радиоактивных отходов в геологических формациях
Содержание
1. Введение.. 2
2.Радиоактивные отходы. Происхождение и классификация. 4
2.1 Происхождение радиоактивных отходов. 4
2.2 Классификация радиоактивных отходов. 5
3. Захоронение радиоактивных отходов. 7
3.1. Захоронение РАО в горных породах. 8
3.1.1 Основные типы и физико-химические особенности
горных пород для захоронения ядерных отходов. 15
3.1.2 Выбор места захоронения радиоактивных отходов. 18
3.2 Глубокое геологическое захоронение РАО . 19
3.3 Приповерхностное захоронение. 20
3.4Плавление горной породы
21
3.5Прямое закачивание
22
3.6Другие способы захоронения РАО
23
3.6.1Удаление в море
23
3.6.2 Удаление под морское дно.. 23
3.6.3 Удаление в зоны подвижек. 24
3.6.4 Захоронение в ледниковые щиты.. 25
3.6.5 Удаление в космическое пространство.. 25
4. Радиоактивные отходы и отработавшее ядерное топливо
в атомной энергетике России. 25
5. Проблемы системы обращения с РАО в России и
возможные пути ее решения.. 26
5.1 Структура системы обращения с РАО в РФ.. 26
5.2 Предложения по изменению доктрины обращения с РАО.. 28
6. Заключение.. 29
7. Список использованной литературы: 30
Вторая половина ХХ века ознаменовалась резким обострением
экологических проблем. Масштабы техногенной активности человечества в настоящее
время уже сравнимы с геологическими процессами. К прежним типам загрязнений
окружающей среды, получивших экстенсивное развитие, добавилась новая опасность
радиоактивного заражения. Радиационная обстановка на Земле за последние 60-70
лет подверглась существенным изменениям: к началу Второй мировой войны во всех
странах мира имелось около 10-12 г полученного в чистом виде естественного
радиоактивного вещества- радия. В наши дни один ядерный реактор средней
мощности производит 10 т искусственных радиоактивных веществ, большая часть
которых, правда, относится к короткоживущим изотопам.Радиоактивные вещества и
источники ионирующего излучения используются практически во всех отраслях
промышленности, в здравоохранении, при проведении самых разнообразных научных
исследований.
За последние полвека на Земле образовались
десятки миллиардов кюри радиоактивных отходов, и эти цифры увеличиваются с
каждым годом.
Особенно острой проблема утилизации и захоронения РАО атомных электростанций
становится в настоящее время, когда наступает время демонтажа большинства АЭС в
мире (по данным МАГАТЭ, это более 65 реакторов АЭС и 260 реакторов,
использующихся в научных целях). Несомненно, что
самый значительный объем РАО образовался на территории нашей страны в
результате реализации военных программ на протяжении более 50 лет. Во время
создания и совершенствования ядерного оружия одной из главных задач была
быстрая наработка ядерных делящихся материалов, дающих цепную реакцию. Такими
материалами являются высокообогащенный уран и оружейный плутоний. На Земле
образовались самые большие наземные и подземные хранилища РАО, представляющие
огромную потенциальную опасность для биосферы на многие сотни лет.
#"_Toc133133134">2.
Радиоактивные отходы.Происхождение и классификация.
К радиоактивным отходам относятся не подлежащие дальнейшему
использованию материалы, растворы, газообразные среды, изделия, аппаратура,
биологические объекты, грунт и т.п., в которых содержание радионуклидов
превышает уровни, установленные нормативными актами. В категорию «РАО» может
быть включено также отработавшее ядерное топливо (ОЯТ), если оно не подлежит
последующей переработке с целью извлечения из него компонентов и после
соответствующей выдержки направляется на захоронение. РАО подразделяются на
высокоактивные отходы (ВАО), среднеактивные (САО) и низкоактивные (НАО).
Деление отходов по категориям устанавливается нормативными актами.
Радиоактивные отходы представляют собой смесь стабильных
химических элементов и радиоактивных осколочных и трансурановых радионуклидов.
Осколочные элементы с номерами 35-47; 55-65 являются продуктами деления
ядерного топлива. За 1 год работы большого энергетического реактора (при
загрузке 100 т ядерного топлива c 5% урана-235) вырабатывается 10% (0.5 т)
делящегося вещества и производится примерно 0.5 т осколочных элементов. В
масштабах страны ежегодно только на энергетических реакторах АЭС вырабатывается
100 т осколочных элементов. [1]
Основными и наиболее опасными для биосферы элементами
радиоактивных отходов являются Rb, Sr, Y, Zr, Mo, Ru, Rh, Pd, I, Cs, Ba,
La....Dy и трансурановые элементы: Np, Pu, Am и Cm. Растворы
радиоактивных отходов высокой удельной активности по составу представляют собой
смеси азотнокислых солей с концентрацией азотной кислоты до 2,8 моль/литр, в
них присутствуют добавки HF (до 0,06 моль/литр) и H2SO4
(до 0.1 моль/литр). Общее содержание солей конструкционных элементов и
радионуклидов в растворах составляет приблизительно 10 мас%.Трансурановые
элементы образуются в результате реакции нейтронного захвата. В ядерных
реакторах топливо (обогащенный природный уран) в виде таблеток UO2
помещается в трубки из циркониевой стали (тепловыделяющий элемент - ТВЭЛ). Эти
трубки располагаются в активной зоне реактора, между ними помещаются блоки
замедлителя (графита), регулирующие стрежни (кадмиевые) и трубки охлаждения, по
которым циркулирует теплоноситель - чаще всего, вода. Одна загрузка ТВЭЛов
работает примерно 1-2 года.
Радиоактивные отходы образуются:
• при эксплуатации и снятии с эксплуатации предприятий
ядерного топливного цикла (добыча и переработка радиоактивных руд, изготовление
тепловыделяющих элементов, производство электроэнергии на АЭС, переработка
отработавшего ядерного топлива);
• в процессе реализации военных программ по созданию
ядерного оружия, консервации и ликвидации оборонных объектов и реабилитации
территорий, загрязненных в результате деятельности предприятий по производству
ядерных материалов;
• при эксплуатации и снятии с эксплуатации кораблей
военно-морского и гражданского флотов с ядерными энергетическими установками и
баз их обслуживания;
• при использовании изотопной продукции в народном
хозяйстве и медицинских учреждениях;
• в результате проведения ядерных взрывов в интересах
народного хозяйства, при добыче полезных ископаемых, при выполнении космических
программ, а также при авариях на атомных объектах.[ ]
При использовании радиоактивных материалов в медицинских и
других научно-исследовательских учреждениях образуется значительно меньшее
количество РАО, чем в атомной отрасли промышленности и военно-промышленном
комплексе – это несколько десятков кубических метров отходов в год. Однако
применение радиоактивных материалов расширяется, а вместе с ним возрастает объем
отходов.
РАО классифицируют по различным признакам (рис. 1): по
агрегатному состоянию, по составу (виду) излучения, по времени жизни (периоду
полураспада Т1/2), по удельной активности (интенсивности
излучения). Однако, у используемой в России классификации РАО по удельной
(объемной) активности есть свои недостатки и положительные стороны. К
недостаткам можно отнести то, что в ней не учитывается период полураспада,
радионуклидный и физико-химический состав отходов, а также наличие в них
плутония и трансурановых элементов, хранение которых требует специальных
жестких мер. Положительной стороной является то, что на всех этапах обращения с
РАО включая хранение и захоронение главной задачей является предотвращение
загрязнения окружающей среды и переоблучения населения, и разделение РАО в
зависимости от уровня удельной (объемной) активности именно и определяется
степенью их воздействия на окружающую среду и человека. На меру радиационной опасности
влияет вид и энергия излучения (альфа-, бета-, гамма – излучатели), а также
наличие химически токсичных соединений в отходах. Продолжительность изоляции от
окружающей среды среднеактивных отходов составляет 100-300 лет, высокоактивных
– 1000 и более лет, для плутония – десятки тысяч лет. Важно отметить, что РАО
делятся в зависимости от периода полураспада радиоактивных элементов: на
короткоживущие период полураспада меньше года; среднеживущие от года до ста лет
и долгоживущие более ста лет.
Рис.1 Классификация радиоактивных отходов.
Среди РАО наиболее распространенными по
агрегатному состоянию считаются жидкие и твердые. Для классификации жидких РАО был
использован параметр удельной (объемной) активности таблица 1.Жидкими РАО считаются
жидкости, в которых допустимая концентрация радионуклидов превышает
концентрацию установленную для воды открытых водоемов. Ежегодно на АЭС
образуется большое количество жидких радиоактивных отходов (ЖРО). В основном
большинство ЖРО просто сливается в открытые водоемы, так как их
радиоактивность считается безопасной для окружающей среды. Жидкие РАО
образуются также на радиохимических предприятиях и исследовательских центрах.
Таблица 1. Классификация жидких
радиоактивных отходов
Категории РАО
|
Удельная активность, Ки/л (Бк/кг)
|
Низкоактивные
|
ниже 10-5 (ниже 3,7*105)
|
Среднеактивные
|
10-5 – 1 (3,7*105
- 3,7*1010)
|
Высокоактивные
|
выше 1 (выше 3,7*1010)
|
Из всех видов РАО жидкие наиболее распространены,
так как в растворы переводят как вещество конструкционных материалов
(нержавеющих сталей, циркониевых оболочек ТВЭЛов и т.п.), так и технологические
элементы (соли щелочных металлов и др.). Большая часть жидких РАО образуется за
счет атомной энергетики. Отработавшие свой ресурс ТВЭЛы, объединенные в единые
конструкции - тепловыделяющие сборки, аккуратно извлекают и выдерживают в воде
в специальных бассейнах-отстойниках для снижения активности за счет распада
короткоживущих изотопов. За три года активность снижается примерно в тысячу
раз. Затем ТВЭЛы отправляют на радиохимические заводы, где их измельчают
механическими ножницами и растворяют в горячей 6-нормальной азотной кислоте.
Образуется 10% раствор жидких высокоактивных отходов. Таких отходов
производится порядка 1000 т в год по всей России (20 цистерн по 50 т.).
Для твердых РАО был использован вид доминирующего
излучения и мощности экспозиционной дозы непосредственно на поверхности отходов
таблица 2.
Таблица 2. Классификация твердых радиоактивных отходов
Категории
РАО
|
Мощность
экспозиционной дозы, Р/ч
|
Вид
доминирующего излучения
|
альфа-излучатели,
Ки/кг
|
бета-излучатели,
Ки/кг
|
Мощность
дозы гамма-излучения (0,1м от поверхности), Гр/ч
|
Низкоактивные
|
ниже
0,2
|
2*10-7
– 10-5
|
2*10-6
– 10-4
|
3*10-7
– 3*10-4
|
Среднеактивные
|
0,2
– 2
|
10-5
– 10-2
|
10-4
– 10-1
|
3*10-4
– 10-2
|
Высокоактивные
|
выше
2
|
выше
10-2
|
выше
10-1
|
выше
10-2
|
Твердые РАО — это та форма радиоактивных отходов, которая
непосредственно подлежит хранению или захоронению. Существует 3 основных вида
твердых отходов :
остатки урана или радия, не извлеченныме при переработке руд,
искусственные радионуклиды, возникшие при работе реакторов и
ускорителей,
выработавшие ресурс, демонтированные реакторами,
ускорителями, радиохимическим и лабораторным оборудованием.
Для классификации газообразных РАО также
используется параметр удельной (объемной) активности таблица 3.
Таблица 3. Классификация газообразных радиоактивных отходов
Категории РАО
|
Объемная активность, Ки/м3
|
Низкоактивные
|
ниже 10-10
|
Среднеактивные
|
10-10 - 10-6
|
Высокоактивные
|
выше 10-6
|
Газообразные РАО образуются в основном при работе
АЭС, радиохимических заводов по регенерации топлива, а также при пожарах и
других аварийных ситуациях на ядерных объектах.
Это радиоактивный изотоп водорода 3Н
(тритий), который не задерживается нержавеющей сталью оболочки твэлов, но
поглощается (99 %) циркониевой оболочкой. Кроме того при делении ядерного
топлива образуется радиогенный углерод, а также радионуклиды криптона и
ксенона.
Инертные газы, в первую очередь 85Kr
(T1/2 = 10,3 года), предполагают улавливать на предприятиях
радиохимической промышленности, выделяя его из отходящих газов с помощью
криогенной техники и низкотемпературной адсорбции. Газы с тритием окисляются до
воды, а углекислый газ, в котором присутствует радиогенный углерод, химически
связывается в карбонатах.
Проблема безопасного захоронения РАО является одной из тех
проблем, от которых в значительной мере зависят масштабы и динамика развития
ядерной энергетики. Генеральной задачей безопасного захоронения РАО является
разработка таких способов их изоляции от биоцикла, которые позволят устранить
негативные экологические последствия для человека и окружающей среды. Конечной
целью заключительных этапов всех ядерных технологий является надежная изоляция
РАО от биоцикла на весь период сохранения отходами радиотоксичности.
В настоящее время разрабатываются технологии иммобилизации
РАО и исследуются различные способы их захоронения, основными критериями при
выборе которого для широкого использования являются следующие: – минимизация
затрат на реализацию мероприятий по обращению с РАО; – сокращение образующихся
вторичных РАО.
За последние годы создан технологический задел для
современной системы обращения с РАО. В ядерных странах имеется полный комплекс
технологий, позволяющих эффективно и безопасно перерабатывать радиоактивные
отходы, минимизируя их количество. В общем виде цепь технологических операций
обращению с ЖРО может быть представлена в следующем виде : Однако нигде в мире не выбран
метод окончательного захоронения РАО, технологический цикл обращения с РАО, не
является замкнутым: oтвержденные ЖРО, так же как и ТРО, хранятся на специальных
контролируемых площадках, создавая угрозу радиоэкологической обстановке мест
хранения.
На сегодняшний день всеобще признано (в том числе и МАГАТЭ), что наиболее
эффективным и безопасным решением проблемы окончательного захоронения РАО
является их захоронение в могильниках на глубине не менее 300-500 м в глубинных
геологических формациях с соблюдением принципа многобарьерной защиты и
обязательным переводом ЖРО в отвержденное состояние. Опыт
проведения подземных ядерных испытаний доказал, что при определенном выборе
геологических структур не происходит утечки радионуклидов из подземного
пространства в окружающую среду.
Таким образом, при решении проблемы обезвреживания
радиоактивных отходов использование “опыта, накопленного природой”,
прослеживается особенно наглядно. Недаром именно специалисты в области
экспериментальной петрологии оказались едва ли не первыми, кто оказался готов
решать возникшую проблему.
Они
позволяют выделять из смеси элементов радиоактивных отходов отдельные группы,
близкие по своим геохимическим характеристикам, а именно:
·
щелочные
и щелочноземельные элементы;
·
галогениды;
·
редкоземельные
элементы;
·
актиниды.
Для этих групп элементов можно попытаться найти породы и
минералы, перспективные для их связывания.
Природные химические (и, даже, ядерные) реакторы,
производящие токсичные вещества, - не новость в геологической истории Земли. В
качестве примера можно привести месторождение Окло, где ~ 200 млн. лет назад в
течение 500 тыс. лет на глубине ~ 3,5 км действовал природный реактор,
прогревавший окружающие породы до 600°С. Сохранение большинства радиоизотопов
на месте их образования обеспечивалось их изоморфным вхождением в уранинит.
Растворению же последнего, препятствовала восстановительная обстановка. Тем
не менее около 3 млрд. лет назад на планете зародилась, успешно сосуществует
рядом с очень опасными веществами и развивается жизнь.
Рассмотрим основные пути саморегуляции природы с
точки зрения их использования в качестве методов обезвреживания отходов
техногенной деятельности человечества. Намечаются четыре таких принципа.
а) Изоляция - вредные вещества концентрируются в
контейнерах и защищаются специальными барьерными веществами. Природным аналогом
контейнеров могут служить слои водоупоров. Однако, это - не слишком надежный
способ обезвреживания отходов: при хранении в изолированном объеме опасные
вещества сохраняют свои свойства и при нарушении защитного слоя могут
вырываться в биосферу, убивая все живое. В природе разрыв таких слоев приводит
к выбросам ядовитых газов (вулканическая активность, сопровождающаяся взрывами
и выбросами газов, раскаленного пепла, выбросы сероводорода при бурении скважин
на газ - конденсат). При хранении опасных веществ в специальных хранилищах
также иногда происходит нарушение изолирующих оболочек с катастрофическими
последствиями. Печальный пример из техногенной деятельности человека -
челябинский выброс радиоактивных отходов в 1957 году из-за разрушения
контейнеров - хранилищ. Изоляция применяется для временного хранения
радиоактивных отходов; в будущем необходимо реализовать принцип многобарьерной
защиты при их захоронении, одним из составных элементов этой защиты будет слой
изоляции.
Страницы: 1, 2, 3, 4
|