Управление на течни радиоактивни отпадъци

Сцел намаляване на количествата на изпусканите в околната среда радиоактивни и други токсични отпадъци се налага постоянното подобряване на процесите и технологиите на тяхното третиране. Обработката на течните радиоактивни отпадъци често включва няколко последователни стъпки като филтрация, утаяване, сорбция, йонообмен, евапорация и/или мембранна сепарация, което позволява изпълнението на условията за изпускането им в околната среда, както и достигане до концентрациите за обезвреждане. Нови и подобрени материали и процеси се разглеждат и развиват в редица страни. Възможно е и съчетаване на процесите, както и тяхното последователно или едновременно прилагане с цел да се постигнат крайните цели за подобряване на обеззаразяването, намаляване на обема на отпадъците, оптимизиране на безопасността и общата ефективност на разходите при обработката, кондиционирането и обезвреждането на тези отпадъци.

Евапорация

Евапорацията е доказан метод за третиране на течни радиоактивни отпадъци, осигуряващ намаляване на обема на отпадъците и висока степен на обеззаразяване. След отстраняването на водата под формата на пара, остават само нелетливите компоненти като соли и радионуклиди. При процеса се отделя чист кондензат, който може да бъде изпуснат в околната среда, и концентрат, който може да бъде капсулиран в бетон или друга среда за дълготрайно съхранение или обезвреждане. Основните недостатъци на този метод са високите капиталовложения и разходи за енергия и поддръжка, корозията, образуването на котлен камък или пенообразуването. Евапорацията е възможно най-добрият метод за третиране на отпадъци с високи съдържания на соли и за отпадъчни води, съдържащи азотна киселина, т. е. имащи висока електропроводимост, относително малки обеми и нуждаещи се от високо ниво на обеззаразяване.

Мембранни методи

Мембраните намират широко приложение при разделянето на радиоактивни материали. Те се срещат под различни форми - като листове, както и като тръбообразни или кухи влакна. Те могат да функционират чрез йонообмен, екстракция или чрез отделяне на йони или молекули. Имобилизираната течна мембрана и емулсионната течна мембрана са широко използвани при обработката на течни радиоактивни отпадъци. При имобилизираната течна мембрана разтворът на реагента за екстрахиране се поставя в порите на микропорьозен мембранен материал, преди да бъде овлажнен. Носителите могат да бъдат органични или неорганични, както и с разнообразни геометрични форми - вариращи от сфери, листове или пластини до тръбички. Те могат да бъдат единични или многослойни композити. Операциите за екстракция и очистване се извършват едновременно чрез преминаване на разтвора за пречистване през мембраната. При емулсионната течна мембрана водната фаза е капсулирана в хидрофобна мембранна течност. Тази емулсия след това се диспергира допълнително в непрекъсната водна фаза на подаване.

Сорбционни процеси

Използването на сорбенти в комбинация с други методи за третиране като утаяване или мембранна сепарация гарантира по-пълното разделяне на третираните течни отпадъци. Сорбцията, съчетана с мембранно филтриране в едностъпален процес, може да осигури ефективно отстраняване както на разтворените, така и на суспендираните замърсители, дори и на тези в колоидна форма. Тази комбинация подобрява кинетиката на сорбционния процес поради голямата сорбционна повърхност и също така осигурява и ефективното разделяне на сорбентите от отпадъчните води.

В момента се разработват нови материали, които имат способността да взаимодействат с компонентите от отпадъчния разтвор и да използват едновременно особеностите на съвместното утаяване и сорбцията. В сравнение със стандартните йонообмени смоли, неразтворимите вещества, които се образуват в процеса на взаимодействие, увеличават десетки, дори стотици пъти сорбционната селективност за различни радионуклиди като стронций, кобалт, живак, желязо или манган. Това повишаване на селективността се предизвиква от съвместното утаяване на неорганичните матрици върху микро частиците, формирани в порите, в допълнение към активността на сорбента.

Тези сорбенти имат способността да отстраняват във висока степен радионуклиди като цезий, стронций и кобалт от течни отпадъци, съдържащи силно комплексообразуващи агенти, където те взаимодействат със сулфатните, карбонатните, оксалатните, сулфидните и перманганатните йони и за които конвенционалните селективни сорбенти като зеолити, титанати, силико-титанати или манганов диоксид са неефективни. В допълнение, техниката на сорбент/реагент може да бъде допълнително комбинирана с други методи за третиране на радиоактивни отпадъци. Методът има обещаващ потенциал при третирането на течни радиоактивни отпадъци.

Електросорбция

Електросорбцията е метод, при който под влияние на електрическо поле йоните се отделят от разтвора и се отлагат. Методът използва нестандартни сорбенти, които са неефективни при традиционната сорбция поради свойствата на колоните или тяхната здравина.

За ефективното използване на традиционните сорбенти е необходимо те да бъдат достатъчно силни, да имат ниско хидравлично съпротивление, ниска адхезия към суспендирани и колоидни смеси, както и добре развита повърхност за бърза вътрешна дифузия на йоните. Тези изисквания обясняват защо повечето сорбенти се гранулират преди употребата им в колоните. Фините или колоидни сорбенти (например прясно приготвен BaSO4) или сорбентите с ниска механична якост, не могат да се използват в настоящите технологии за абсорбиране за третиране на течни отпадъци.

Електросорбцията е много гъвкав метод спрямо свойствата на сорбентите, тъй като не изисква филтрация на разтвора през слоя сорбент и дори не се налага пряк контакт между тях. При тази техника сорбентът се поставя между две порьозни диафрагми, които могат да бъдат микрофилтрационни или ултрафилтрационни мембрани. Отпадъчните разтвори контактуват с външната им повърхност и под въздействието на електрическото поле йоните се отлагат върху сорбента, без да се налага течността да преминава през него. Това позволява използването дори на фино раздробени сорбенти за обработката на радиоактивни отпадъци.

Третиране на отпадъци от борна киселина от PWR

Течните отпадъци от първичния контур във водните реактори под налягане (pressurised water reactor, PWR) се състоят от разтвори на борна киселина. При директно изпарение намаляването на обема се ограничава от концентрацията на бор. Ето защо отделянето на киселината може значително да намали обема на радиоактивните отпадъци от тези реактори. Методът за отстраняването й чрез изпарение е технически опростен и икономически изгоден. Той включва изпарение на течните отпадъци в полунепрекъснат режим при рН< 8 и при повишени температура и налягане.

След първата фаза цялата борна киселина, която постъпва в реактора, напуска изпарителя в газовата фаза, като остават само нелетливите химически и радиохимични примеси. Парата, съдържаща борна киселина, се подава в колона за фракционна кондензация с частично отделяне. В нея киселината се концентрира чрез топлообменник. Този прост процес “всичко в едно” разделя входящия поток от отпадъчни води на три потока: активен отпадъчен концентрат, концентриран разтвор на борна киселина и силно обеззаразен изтичащ поток.

Третиране на органични разтвори, съдържащи тритий

Комбинираният метод за третиране на органични разтвори, съдържащи тритий, се състои от термично окисление, последвано от каталитично окисление на органичните вещества и последваща сорбция на водата, съдържаща тритий върху молекулни сита. Термичното окисление позволява директно впръскване на течния разтворител и неговото окисляване в относително компактно оборудване, докато каталитичният етап осигурява много висока конверсия. Кондензацията и адсорбцията в молекулните сита могат лесно да уловят количествата вода, съдържаща тритий.

Основата на инсталацията е прототип на двустепенна горивна камера с ефективно средство за задържане на генерираната тритийна вода. Разтворителят се впръсква в нагрятата кухина чрез дюза при излишък на кислород. Окислените продукти и излишният кислород преминават през нагрят платинизиран алуминиев оксид. Газовете, които идват от пещта, не съдържат разтворител, а излишък на кислород, въглероден диоксид и водни пари. Тези газове минават през два кондензатора, за да се отстрани по-голямата част от наличната в тях вода. Тя се събира в резервоар, а останалият газ се пропуска през слой от молекулно сито, за да се отстрани остатъчната вода.

Студените тестове на този метод демонстрират ефективност на отстраняване по-висока от 99,9% за разтвори със състав от 10% до 100% метанол във водата, като е установено, че наличието на 13% хлороформ в метанола не понижава ефективността на отстраняване.

Новаторски методи

Фотодеградацията намира широко приложение при деструкцията на органичните вещества в използваните разтвори за дезактивиране. Ефектът от процеса на окислителна деструкция може значително да се увеличи, ако определени неорганични материали се използват като катализатори. Един от най-ефективните катализатори е титановият диоксид, който също е известен и като отличен сорбент за редица радионуклиди. По този начин комбинирано третиране би осигурило много ефективна деструкция на комплексообразуващите агенти с освобождаване на радионуклиди във форма, подходяща за сорбция от катализатора/сорбента.

Комбинацията от различни сорбенти и техните приложения в едностъпален процес също е определена като ефективен метод за отстраняване на широк спектър от радионуклиди и други замърсители от радиоактивни отпадъци. Съвместимостта и синергичните ефекти на различните сорбенти в многослойните колони също могат да осигурят доста добра ефективност.

Комбинираните методи могат да включват и подходи с множество процеси, така че да се постигне цялостен ефективен процес. За някои органични течности, като екстракти от отпадъците, замърсени масла, сцинтилационни коктейли и други разнообразни органични разтворители, процеси като химичната и/или окислителна деструкция с последващо утаяване могат да бъдат ефективни за превръщане на органичните материали в неорганични, съвместими с известните имобилизиращи матрици.

Тези последователни или комбинирани процеси са атрактивни за проучване и по-нататъшно прилагане при третирането на течни отпадъци, тъй като те биха могли да осигурят спестяване на ресурси и възстановяване на материали. Комбинираните процеси са перспективни и за третирането на производствени и други неядрени отпадъци.