Тенденции в управлението на отработено ядрено гориво и радиоактивни отпадъци
• Ядрена енергетика • Технически статии • Сп. Енерджи ревю - брой 1, 2019 • 08.04.2019
Отработеното ядрено гориво (ОЯГ) и радиоактивните отпадъци са странични продукти от ядрената енергетика и други приложения на радиоактивни материали в медицината, индустрията и научноизследователската дейност. Този отпадъчен поток включва материали под различна форма и с различни нива на радиоактивност и периоди на полуразпад. Радиоактивните отпадъци изискват безопасно третиране и обезвреждане. Допустимите подходи за обезвреждане зависят от нивото на радиоактивност и установените практики в отделните държави. Някои отпадъци са с толкова ниски нива на радиоактивност, че могат да бъдат освободени от регулаторен контрол и да бъдат обезвредени като нерадиоактивни.
ПОДОБНИ СТАТИИ
Учени от ИЕЕС-БАН представиха нови решения за съхранение на енергия
Технологии и услуги за радиационен контрол
Американски учени използват отпадъчни PET бутилки за производството на батерии
Учени създадоха молекула за съхранение на соларна енергия
Молекулна модификация може да подобри преработката на ОЯГ
Fronius и BYD с първо място в проучване на битови PV системи за съхранение на енергия
Радиоактивните отпадъци, представляващи дългосрочен риск за хората и околната среда обаче, следва да бъдат поставени в подходящи опаковки и транспортирани до специализирано съоръжение с множество физически бариери.
Управление на ОЯГ
Отработеното ядрено гориво се генерира от експлоатацията на всички видове ядрени реактори. В някои страни се счита за отпадък, а в други – за потенциален бъдещ енергиен ресурс. В първия случай то се обезврежда като отпадък след няколко десетилетия на междинно съхранение. Другата възможност е преработката му за възстановяване на делящите се материали за бъдеща употреба.
Предвиденото за преработка ОЯГ може да бъде разделено на три основни компонента – уран, плутоний и отпадъци, съдържащи продукти от деленето и активацията. Уранът и плутоният могат да бъдат използвани повторно като ядрено гориво за реактори, докато отпадъчната фракция се встъклява и съхранява до последваща обработка.
Отделеният по време на преработка уран може да бъде оползотворен като гориво в съвременните реактори след конверсия и, ако е необходимо, обогатяване. Плутоният може да бъде превърнат в MOX гориво, в което се комбинират уранови и плутониеви оксиди. Този вид гориво понастоящем се използва в реактори с лека вода. В дългосрочен план се предвижда плутоният да се използва като гориво в реактори от четвърто поколение, в които енергийната стойност на урана и плутония може да бъде оползотворена по-добре.
Управлението на ОЯГ изисква няколко транспортни етапа между ядрените централи и съоръженията за съхранение, преработка и обезвреждане. Транспортът обикновено се осъществява със специализирани контейнери, осигуряващи защита за работниците и обществото и охлаждащи горивото. Тези транспортни дейности са строго контролирани съгласно съответните национални законодателни изисквания. В случай на трансграничен превоз всяка страна, включена в транспортирането на ОЯГ, трябва да предприеме мерки и гарантира, че дейностите се извършват по подходящ начин и с разрешението на държавата източник и държавата дестинация. За държави, които се нуждаят от преработка на отработено гориво, но не разполагат със съоръжения за това, такива трансгранични превози са необходимост.
Каквато и алтернатива за обезвреждане на ОЯГ да бъде избрана, за определен период от време то трябва да се съхранява. Продължителността на този период зависи от приетата стратегия за управление на горивото и варира от няколко месеца до десетилетия или повече. Вариантите за съхранение са два – мокро съхранение в басейни или сухо в контейнери или хранилища. Почти всички ядрени реактори разполагат с басейн за съхранение на отработено гориво под някаква форма, тъй като това е било изискано при проектирането на съоръженията. Ако е необходимо, може да бъде изграден допълнителен капацитет за сухо или мокро съхранение, който обикновено се разполага в близост до реактора.
Поради ограничения капацитет на някои площадки обаче се налага изграждането на хранилища извън тях. Първоначално методът за съхранение в новоизградените хранилища е мокър, но понастоящем сухият метод е по-широко разпространен. Съоръженията за преработка на ядрено гориво също обикновено разполагат с големи басейни за буферно съхранение в приемните си зони.
Отпадъци с много ниска активност
Отпадъците с много ниски нива на активност се генерират в големи количества предимно при извеждане на ядрени съоръжения от експлоатация и почистване на замърсени терени. Типично тази група включва бетон, почва и отломки. Понастоящем отпадъците с много ниска активност се разглеждат като отделен клас само в няколко държави – Франция, Япония, Литва, Испания и Швеция. В повечето случаи те се считат за част от потока нискоактивни отпадъци.
Обемът на потенциалните отпадъци с много ниски нива на активност може да бъде редуциран чрез подходящото охарактеризиране и сепариране на тези компоненти, които могат да бъдат освободени от регулаторен контрол. Обикновено тези отпадъци не се подлагат на последващо третиране, а само се опаковат поради огромните количества и ниското съдържание на радионуклиди.
В повечето случаи отпадъците от тази група се съхраняват при източника на генериране или в централизирано хранилище до транспортирането им до подходящо съоръжение за третиране. По време на този етап е необходимо те да бъдат защитени единствено от атмосферните влияния (валежи и вятър).
Във Франция и Испания отпадъците с много ниски нива на активност се обезвреждат в специализирани съоръжения в закрити изкопи с малка дълбочина, често в близост до площадката им на генериране, за да се избегне транспортирането на големите количества материал. В други държави те се обезвреждат съвместно с други видове отпадъци (например нискоактивни), като изборът на стратегия за управлението им се прави въз основа на икономически и регулаторни фактори.
Нискоактивни отпадъци
Тази група отпадъци обикновено не изисква значителна защита по време на манипулиране и междинно съхранение. Общо отпадъците с много ниски нива на активност и нискоактивните материали отговарят за 95% от обема, но за под 2% от радиоактивността на всички радиоактивни отпадъци. Нискоактивните отпадъци в повечето случаи се кондиционират в твърдо състояние и се поставят в бетонни или стоманени контейнери.
Третирането и кондиционирането на нискоактивните отпадъци се извършва или на мястото на генерирането им, или в специализирано централизирано съоръжение. Отпадъците се разделят, третират, кондиционират, опаковат, подлагат на мониторинг и съхраняват до транспортирането им до площадките за обезвреждане. Широко прилагани процеси за кондициониране на нискоактивни отпадъци са сушенето, изгарянето, изпарението, компактирането, топенето и циментирането. За опаковането им се използват бетонни контейнери, стоманени варели или кутии, чиито размери и форма са специално избрани, за да отговорят на всички изисквания за безопасност на съоръженията за обезвреждане. Периодът на междинно съхранение на тези отпадъци може да достигне над 100 години, в случай че контейнерите запазват целостта си.
Нискоактивните отпадъци, чиито период на полуразпад е под 30 години, се обезвреждат в плитки изкопи или бетонни хранилища, в които се разполагат контейнерите. Над тях се поставя специална закривка, ограничаваща проникването на вода, ерозията на повърхността и достъпа на животни. В някои държави обаче (Финландия, Германия и Швейцария) се практикува или обмисля съхранението на нискоактивни отпадъци на дълбочина между 50 и 1000 m. Хранилищата са обект на наблюдение, докато свързаните с отпадъците опасности не се понижат до приемливи нива (обикновено това отнема няколкостотин години).
В някои страни се обмисля и геоложкото съвместно съхранение на нискоактивните отпадъци с такива със средни и високи нива на активност или ОЯГ. Това би опростило системата за управление на отпадъците поради по-малкия брой съоръжения, които трябва да бъдат изградени, но е свързано и с по-сложно проектиране, за да се избегнат взаимодействията между различните видове отпадъци.
Средноактивни отпадъци
Те обикновено съдържат значителни количества радионуклиди с дълъг период на полуразпад и поради това изискват обезвреждане на дълбочина, която осигурява дългосрочна изолация от биосферата. Средноактивните отпадъци налагат необходимост от защита при манипулиране и междинно съхранение и отговарят за 3 до 5% от радиоактивността на всички такива отпадъчни материали.
Обработката им включва събиране, разделяне, обеззаразяване, намаляване на обема или размера им и стабилизация преди опаковане. Сушенето, изпарението, компактирането, топенето и циментирането са често прилагани технологии при третирането и кондиционирането на средноактивни отпадъци. При обработката им следва да не се допуска увеличаване на концентрацията на радиоактивни компоненти до нива, надвишаващи възможностите на съоръженията и опаковките.
В зависимост от предвидената дестинация за съхранение или обезвреждане средноактивните отпадъци често се третират или кондиционират чрез вграждането им в матрица (от цимент или битум) и поставянето им в контейнери, изградени от подходящи материали за осигуряване на необходимото ниво безопасност. В някои случаи, когато не се изискват допълнителни матрици, кондиционирането се свежда единствено до опаковане. В други случаи самият отпадък, например голям съд, замърсен отвътре, се използва като контейнер, ако може да бъде запечатан надеждно. За опаковане най-често се използват бетонни контейнери със стоманена армировка, стоманени варели и кутии. Опциите за съхранение на средноактивни отпадъци са до голяма степен подобни на тези при нискоактивните, с разликата, че се изисква по-високо ниво на защита.
Високоактивни отпадъци
Аналогично на отработеното гориво, те обикновено се встъкляват и съхраняват в продължение на няколко десетилетия до намаляване нивата на отделяне на топлина. След съхранение ОЯГ и високоактивните отпадъци се обезвреждат в дълбоки геоложки хранилища, намиращи се на няколкостотин метра под земната повърхност. При това е необходимо да се имат предвид различните видове геоложки среди и съответните бариери за осигуряване на необходимото ниво на безопасност.
При конвенционалната преработка на високоактивни отпадъци те се привеждат в течно състояние така, че впоследствие да могат да бъдат кондиционирани до химично издръжлива и устойчива на топлина и радиация твърда матрица. За третирането и кондиционирането на високоактивни отпадъци се използват няколко вида стъкло и керамика. Процесът на витрификация и всички манипулации с контейнерите се извършват дистанционно в защитени клетки. Със значителен натрупан опит в областта са Белгия, Франция, Япония, Русия, Обединеното кралство и САЩ.
Контейнерите с високоактивни отпадъци се съхраняват във въздушно охлаждани хранилища, подобно на тези, използвани за ОЯГ. Експертите са единодушни, че за момента най-предпочитаният метод за осигуряване на дългосрочна безопасност за високоактивните отпадъци е изолирането им в дълбоки геоложки хранилища. Ако тези съоръжения са с подходящо местоположение и дизайн, те осигуряват пасивна, многобариерна изолация на радиоактивните материали.
Новият брой 5/2023