ПРИЛОЖЕНИЯ.. 142 6 страница

Хранение РАО, содержащих короткоживущие радионуклиды, приводит к снижению уровни их активности. Это упрощает последующую обработку или кондиционирование отходов, и может привести к освобождению отходов от регулирующего контроля.

Реализация стратегии минимизации радиоактивных отходов - это решение задачи по оптимизации, когда принимаются в расчет такие факторы: - дозы облучения, получаемые операторами,

- стоимость сэкономленных или возвращенных в производство материалов,

- стоимость хранения или захоронения отходов,

- перевод отходов в менее опасную категорию,

- снижение объема отходов в отдельных категориях и т. д.

В процессе решения указанной задачи ключевым является вопрос путей минимизации. Следует понимать, что достижение только финансовых выгод без учета всех аспектов проблемы минимизации РАО может повлечь за собой недооценку факторов риска, помимо тех, что свойственны тому или иному процессу [15].

3.2. Очистка газообразных выбросов

Газообразные радиоактивные отходы представляют собой газовые или аэрозольные радиоактивные продукты в воздухе. Обладают повышенной подвижностью и могут быстро распространяться в окружающей среде. Их локализация, сбор и обработка осуществляется в изолированных объемах, снабженных системами вентиляции и газоочистки. Извлечение радионуклидов из газообразных отходов выполняет система газоочистки, состоящая из коллекторов, коробов, фильтров и адсорберов.

Отходящие газы из рабочих областей установок переработки радиоактивных материалов (горячих камер, печей сжигания и т.п.) содержат более высокие концентрации радионуклидов, чем вентиляционные потоки из рабочих помещений, в которые радионуклиды попадают путем утечек из закрытых рабочих областей. Поэтому отходящие газы очищаются от радионуклидов до смешивания с вентиляционным воздухом из рабочих помещений.

3.2.1 Задачи систем вентиляции и газоочистки

• поддержание уровня радиоактивного загрязнения воздушной среды рабочих помещений в допустимых пределах;

• поддержание минимальной концентрации пыли в рабочих помещениях;

• поддержание нормальных климатических условий в рабочих помещениях;

• распределение воздушных потоков в направлениях от объема с меньшим загрязнением к объему с большим загрязнением, предотвращая неконтролируемое распространение загрязнения;

• очистка газообразных потоков перед выбросом в атмосферу.

На объектах ЯТЦ, например, на АЭС, для нормальных условий работы и прогнозируемых аварийных ситуаций устанавливаются отдельные системы газоочистки [17]. На установках по обращению с РАО, одни и те же системы вентиляции и очистки предназначены как для нормальных, так и для нестандартных (аварийных) условий [18].

3.2.2. Организация вентиляционной системы

Вентиляционные системы помещений с радиоактивными материалами состоят из двух подсистем: приточной и вытяжной. Помещения, где проводят работы с радиоактивными материалами, условно разделяют на зоны в зависимости от степени опасности загрязнения.

Белая зона: область, свободная от радиоактивного загрязнения воздуха и поверхностей.

Зеленая зона: преимущественно, чистая зона, благодаря очистке воздуха при его регулярном контроле. Загрязнение может произойти только в исключительных обстоятельствах (входные коридоры и помещения персонала радиационной защиты; вход через пропускные пункты со сменой одежды).

Желтая зона: область, в которой может быть поверхностное загрязнение, а загрязнение воздуха может превышать допустимые пределы. В желтую зону включают области, где требуется применение респираторов (перчаточные боксы, зоны работы с радиоактивными материалами и некоторые участки горячих камер). Посещение областей ограничено.

Красная зона: область, где уровни загрязнения велики, вход не разрешен(перчаточные боксы, горячие камеры).

Схема зонирования и организации вентиляции и газоочистки показана на рисунке 3.3.

Приточная вентиляция на установках обращения с радиоактивными отходами аналогична системам, устанавливаемым в помещениях без радиоактивных отходов (система кондиционирования воздуха). Она включает вентиляторы, пылеулавливатели, увлажнители и оборудование для кондиционирования воздуха.

Вход в вентиляционное помещение располагается вне здания или в чистой зоне, где нет работ с радиоактивными материалами.

Ввод свежего воздуха в приточную вентиляционную подсистему располагается таким образом, чтобы избежать забора воздуха из областей, близких к зонам выброса вентиляционных или газоочистительных установок.

Для контролируемых зон подается чистый воздух. Если внешняя температура отличается от требуемой внутренней температуры и требуется много энергии для нагрева или охлаждения входящего воздуха, применяется рециклирование тепла, выделяемого или поглощаемого при кондиционировании воздуха.

Вытяжная вентиляция. Главные функции вытяжной вентиляционной подсистемы:

• очистка выходящего воздуха фильтрами;

• зонная организация движения воздуха согласно схеме и предотвращение обратных потоков загрязненного воздуха;

• обеспечение герметичности системы.

Надежность подсистемы вытяжной вентиляции обеспечивается частичным или полным дублированием газоочистного оборудования. В конструкциях используются коррозионно-стойкие и удобные для последующей дезактивации материалы. Выброс очищенных газов располагают на высоте, обеспечивающей хорошее рассеяние.

Элементы вентиляционных систем: вытяжные зонты и шкафы, перчаточные боксы, временные системы удержания, вентиляторы, демпферы и пылеулавливатели.

Вытяжные зонты - используются для сбора паров, пыли и дыма на месте их выделения. Применяются для обращения с материалами достаточно низкой активности. Повышение эффективности удержания и уменьшение входного потока воздуха достигается расположением вблизи источника загрязнения.

Вытяжные шкафы - используются для содержания оборудования и выполнения работ при возможности доступа с передней стороны шкафа. Шкафы соединяется с общей вытяжной магистралью, из которой газы после очистки выбрасываются в атмосферу.

Перчаточные боксы - представляет собой полностью закрытый ящик, со вставленными внутрь резиновыми перчатками, позволяющими оператору манипулировать внутри в полной изоляции от окружающей среды. Внутри, с целью предотвращения газо-аэрозольных утечек, поддерживается разрежение 150…650 Па. Бокс может быть снабжен дополнительными средствами очистки газов и аэрозолей. Боксы используются для работы с α-излучающими и радиоактивными материалами.

Рис. 3.3. Зонирование и схема организации системы вентиляции
и газоочистки

Временные системы удержания – предназначены для работ, связанных с ремонтом и выводом оборудования из эксплуатации, требующих надежных систем вентиляции и удержания радиоактивности на временной основе. Различают стационарные и мобильные системы.

Системы газоочистки в этом случае организуются согласно вышеизложенным принципам, часто, с использованием мобильных газоочистных установок. Схема такой системы показана на рисунке 3.4, а пример мобильной установки газоочистки представлен на рисунке 3.5.

Рис.3. 4. Вентиляции при работах по снятию с эксплуатации.

Рис. 3.5. Мобильная установка газоочистки.

Вентиляторы – осуществляют забор и выброс воздуха и газов. Обеспечивают преодоление сопротивление фильтрующей системы в чистых и грязных условиях, а также в случае аварийных ситуаций.

Демпферы – устройства контроля давления, объема и направления воздушного потока в вентиляционной системе.

Пылеулавливатели – устройства для извлечения аэровзвесей из воздушных и газовых потоков. Размещаются в герметичном объеме под разрежением.

Фильтры аэрозолей - высокоэффективные тонковолокнистые фильтры из синтетических или минеральных волокон, называемые HEPA или "абсолютные фильтры" (рис.3.6). Время службы фильтра определяется сопротивлением по мере накопления задержанных частиц.

Фильтры пыли – обеспечивают предварительную грубую очистку потока от пыли перед абсолютными фильтрами.

Рис.3.6. Абсолютный (НЕРА) фильтр для аэрозолей.

Фильтры самоочищающиеся тонкой очистки - защищают абсолютные фильтры от попадания воды (рис.3.7). Имеют волокнистую минеральную основу с коэффициентом очистки до 10³.

Рис. 3.7. Улавливатель влаги.

Эффективность фильтрации является сложной функцией распределения частиц по размерам, скорости воздушного потока и других параметров. Типичное распределение аэрозольных частиц по размерам и улавливающие аппараты для различных размеров показаны на рисунке 3.8.

Фильтры для газов – сорбируют короткоживущие радионуклиды криптона, ксенона и радона. Хроматографические системы угольных адсорберов задерживают радионуклиды в течение времени, достаточного для их распада.

Для очистки отходящих газов от радиоактивного йода применяют адсорбцию на активированном угле, а также изотопный обмен и химические реакции на импрегнированных углях. Используют йодиды металлов, такие как KI, PbI₂ или CuI₂, а также соединения, вступающие в химическую реакцию с иодом и метилдиодидом, такие как AgNO₃ или триэтилендиамин.

Рис. 3.8. Размеры аэрозольных частиц и оптимальные аппараты
для их фильтрации.

Контроль вентиляционных систем установок по обращению с радиоактивными отходами такой же, как у обычных вентиляционных систем и включает контроль таких параметров, как перепад давления, скорость воздушных потоков, температура, влажность, концентрация загрязняющих веществ. Поскольку загрязнение воздуха после очистной системы мало, эффективность отдельных компонентов газоочистной системы проверяется с использованием известных процедур. Испытания абсолютных фильтров основано на генерации испытательных аэрозолей, смешивании их с потоком воздуха и определения фактической эффективности измерением концентраций аэрозолей на входе и выходе. Стандартные процедуры испытаний описаны в [19, 20]. Угольные адсорберы испытываются путем импульсной подачи порции метилдиодида с радиоактивными метками. В большинстве случаев испытания на месте не обязательны, так как представительные образцы активированного угля могут быть взяты или из действующих фильтров или специальные байпасные фильтры могут быть установлены параллельно и содержащие точно такой уголь, что и в основных фильтрах. Эти образцы систематически извлекаются и испытываются в лабораторных условиях [19].

3.3. Обработки жидких радиоактивных отходов

Основной задачей при переработке жидких радиоактивных отходов (ЖРО) является выделение и концентрирование долгоживущих и высокоток­сичных радионуклидов.

Жидкие радиоактивные отходы АЭС можно охарактеризовать как сложные, преимущественно щелочные растворы с рН от 6 до 13[24]. Радионуклиды, присутствующие в ЖРО АЭС, являются либо продуктами деления урана, либо облученными продуктами коррозии конструкционных материалов ядерного реактора. По количественному содержанию главными среди них являются ¹³⁷Cs, ⁶⁰Co, ⁵⁴Mn, ⁵¹Cr, ⁹⁵Zr, ⁹⁵Nb, ²⁴Na, ¹⁴⁰Ba, ¹³¹I.

По периоду полураспада радионуклиды разделены на три группы: коротко-, средне- и долгоживущие. Радионуклиды ¹³⁷Cs и ⁶⁰Co относятся к долгоживущим. При сроке хранения отходов более 1 года практически вся активность ЖРО обусловлена присутствием долгоживущих радионуклидов. Удаление радионуклидов ¹³⁷Cs и ⁶⁰Co позволит снизить уровень активности на 3-4 порядка.

Радионуклиды в водных растворах содержатся в формах:

• взвешенных твердых частиц или эмульгированных жидких нефтепродуктов (размер частиц от 10^{-7 м до нескольких миллиметров),}

• коллоидных частиц или мицелл (размер частиц от 10^{-8 м до 10-7 м),}

• растворенных сложных органических веществ (молекул) и/или поверхностно-активных веществ (размер частиц от 10^{-9 м до 10-8 м),}

• ионов (размер частиц от 10^{-10 м до 10-9 м).}

Большинство радионуклидов существуют в ионной форме, способны гидролизовываться до коллоидных и псевдоколлоидных частиц, образовывать прочные координационные соединения.

Очистка ЖРО состоит в разделении их на очищенную воду и радиоактивный концентрат, содержащий основную массу радионуклидов.

Эффективность очистки ЖРО определяется коэффициентом очистки воды от радионуклидов и коэффициентом концентрирования радионуклидов в конечном объеме.

Для i-го радионуклида коэффициент очистки определяется отношением:

3.1.

где С_i,0 и С_i,f - концентрация i-го радионуклида в исходном растворе и очищенном, соответственно,

а коэффициент концентрирования:

3.2.

где С_i;к - концентрация i-го радионуклида в концентрате.

3.3.1. Способы разделения и концентрирования.

Для очистки низкоактивных ЖРО используют методы осаждения, коагуляции, сорбции, фильтрации (объемной и мембранной), выпаривания и другие. Каждый из указанных методов имеет свои ограничения, поэтому выбор метода или комплекса методов зависит от состава ЖРО и свойств его компонентов. [25-29].

Механическая фильтрация - это процесс очистки, извлекаются взвешенные частицы и/или эмульсии вследствие их механической задержки или адгезионного взаимодействия с материалом фильтра или фильтровального слоя.

Сорбция - это процесс очистки жидких радиоактивных отходов, когда в результате контакта отходов с сорбентом (активированные угли, цеолиты и т. п.) происходит сорбционное извлечение радионуклидов из раствора. Различают сорбенты широкого спектра действия и специфические сорбенты, извлекающие только определенные вещества или определенные радионуклиды.

Ионный обмен - частный случай сорбции, когда ионы радионуклидов К⁺, находящиеся в растворе, обмениваются с нерадиоактивными ионами К⁺ (Н⁺, Na⁺ и др.), находящимися в матрице гранулированного ионообменника R (ионообменные смолы, синтетические неорганические сорбенты, цеолиты), путем взаимодействия с ионообменными группами, например:

Микрофильтрация - это процесс фильтрации, когда ЖРО продавливаются через микрофильтрационную мембрану (диафрагму) с размером пор от 0,1 мкм до нескольких микрометров. Рабочее давление при микрофильтрации - до 0,1 МПа.

Ультрафильтрация - это процесс очистки ЖРО, когда отходы продавливаются через ультрафильтрационную мембрану с размером пор от 0,01 мкм до 1 мкм. Рабочее давление - до 0,5 МПа. При ультрафильтрации полностью задерживаются взвеси, коллоидные частицы, эмульсии, большая часть высокомолекулярных веществ, бактерии.

Обратный осмос - это процесс очистки ЖРО, когда отходы продавливаются через обратноосмотическую мембрану с размером пор от 0,001 мкм до 0,01 мкм. Рабочее давление может достигать значений до 10 МПа. При обратном осмосе задерживаются практически все примеси, содержащиеся в воде.

Электродиализ - это процесс очистки ЖРО, когда очищаемые отходы протекают между катионообменной и анионообменной мембраной, а ионы радионуклидов под действием постоянного электрического тока выводятся из раствора через мембраны в концентратные камеры.

Реагентная коагуляция - процесс соосаждения радиоактивных примесей в очищаемом растворе с осаждающимся носителем (гидроокись металлов, нерастворимые соли) при изменении рН, электроокислительного потенциала или соосаждения с добавленными осадителями (коагулянтами). В качестве осадителя может быть сульфат железа, гидроокись алюминия, другие соединения. Частным случаем реагентной коагуляции является реагентное окисление, когда в очищаемый раствор добавляют некоторый окислительный реагент (например, перманганат или бихромат калия) в целях разрушения органических примесей, препятствующих образованию нерастворимых соединений, или изменения валентной формы многозарядных ионов, способствующей образованию нерастворимых форм и их выведению в осадок.

Электрокоагуляция - процесс осаждения примесей вместе с ионами, растворяющимися в очищаемой воде из растворимого анода при пропускании электрического тока. Материалом анода при электрокоагуляции обычно служит железо или алюминий, которые после перехода в раствор в результате анодного растворения затем легко образуют нерастворимые соединения, выпадающие в осадок и захватывающие при этом растворенные радионуклиды.

Многообразием форм радионуклидов обусловливает использование для очистки радиоактивных вод не один способ, а комбинацию нескольких. Каскад очистных аппаратов, соединяющие их трубопроводы, насосное оборудование, контрольно-измерительная аппаратура и баковое хозяйство в совокупности образуют очистную установку.

Очистные установки различают стационарные и мобильные. Стационарные очистные установки целесообразно использовать при наличии постоянно образующихся ЖРО, характеризующихся стабильностью по химическому и радионуклидному составу. Передвижные или мобильные установки (особенно модульного типа) характеризуются гибкостью технологической схемы и, позволяют оперативно решать проблемы очистки ЖРО различного состава.

При очистке ЖРО из разных накопителей возникает задача изменения или доработки технологической схемы. В этом случае оптимальным является модульный принцип организации переработки ЖРО. Под отдельным модулем подразумевается автономная технологическая единица, использующая один способ очистки (осаждение, сорбция, ионный обмен и т. д.). Система очистки может включать несколько последовательных модулей (фильтрации, сорбции, ионного обмена, обратного осмоса и др.). Система очистки включает вспомогательные аппараты, обеспечивающие нормальную работоспособность основных аппаратов, различное оборудование (насосы, трубопроводы, контрольно-измерительная аппаратура, запорная арматура), общие поддон и опорную раму, предназначенную для фиксации оборудования, погрузки-выгрузки и транспортирования модулей. Основным требованием к очистным модулям является согласование их производительности по очищаемым растворам и стандартизация стыковочных узлов.

3.3.2 Основные стадии очистки ЖРО

Обращение с жидкими радиоактивными отходами предполагает три основных стадии (табл. 3.2).

Таблица 3.2.

Стадии обращение с жидкими радиоактивными отходами

Окончание таблицы 3.2

3.3.3. Отбор проб и экспресс-анализ основных характеристик ЖРО

В емкостях примеси имеют неоднородное распределение по объему из-за осадкообразования, седиментационно-диффузионного равновесия в придонной области и т.п. Для получения усредненных характеристик контролируемой среды отбор проб ЖРО осуществляют после интенсивного перемешивания, либо из разных уровней хранилища. Количество отбираемых проб зависит от решаемой задачи и определяется вероятностными методами.

Пробоотборник, оборудованный вакуумной линией, исключает загрязнение своих внешних поверхностей радионуклидами. По окончании заполнения пробоотборника из емкости вакуумная линия промывается.

Проба помещается в сосуд с герметичной пробкой (стеклянный или полимерный), на который наносится шифр пробы, место и дата отбора.

Для предотвращения сорбции радионуклидов на стенках сосуда и осадкообразования в пробу ЖРО вносится 12N азотная кислота из расчета 0,5 - 1 мл кислоты на 1 л ЖРО. В пробы, которые направляются на измерение рН, кислота не добавляется, и измерение рН производится сразу после отбора проб.

При отборе ЖРО из емкости-хранилища осуществляется радиационный контроль α-, β- и γ-излучения.

Экспресс-анализ основных характеристик ЖРО предполагает определение: солесодержания (электропроводности), сухого остатка, рН, взвешенных и коллоидных частиц.

Солесодержание (электропроводность) растворов, близких к нейтральным, определяется кондуктометрически. В кислых и щелочных растворах погрешности велики.

Сухой остаток определяют параллельно с подготовкой проб к радиометрии. Отмытые и обезжиренные ацетоном мишени высушивают и взвешивают. Концентрат ЖРО, полученный в ходе подготовки проб к радиометрии после их упаривания в химическом стакане, переносят в мишени и доупаривают досуха на столике. После полного упаривания мишени охлаждают и взвешивают. Массу осадка определяют по разнице массы мишени до и после выпарки. Удельное содержание нелетучих примесей определяют путем деления массы осадка на объем выпаренной пробы ЖРО.

Измерение рН - с помощью индикаторной бумаги (оценка) или рН-метра.

Перед химическим анализом и радиометрией в пробы добавляется 12N азотная кислота для растворения взвесей.

Подготовка проб к радиометрии учитывает метод, которым осуществляется определение:

• для радиометрии из раствора (например, на жидкостном сцинтилляционном радиометре или в чашке Маринелли на гамма-спектрометре), достаточно добавить в пробу 12N азотной кислоты,

• для радиометрии из мишени требуется перенос пробы ЖРО на мишень и ее выпарка.

Обычно определяется суммарное содержание β- и α-нуклидов (Е_р по Cs или Е_р по Sr+Y; Е_а по Pu), а также содержание отдельных изотопов Cs, Sr, ^{238; 239} Pu, ^{234; 238; 226} Ra и других.

Особое внимание обращают на определение трития (³ Н), так как очистка от этого радионуклида обычными способами недоступна, и, при большом содержании его, необходимы нетрадиционные подходы для решения проблемы сброса воды, очищенной от остальных радионуклидов.

Методики проведения радиометрии проб ЖРО, радиохимического и химического анализа приведены в [30, 31].

Для оценки распределения радионуклидов между взвесями и раствором проба без добавки азотной кислоты подвергается ультрафильтрационному разделению.

3.3.4. Реагентное выделение и осаждение радионуклидов

Реагентные методы основываются на введении в раствор реагентов, способствующих переходу растворенных радионуклидов в нерастворимые формы. Это окислители (кислород, озон, перманганат калия и др.), либо рН–корректоры, повышающие рН выше 8 (известковое молоко, сода, и другие), либо и то и другое в комплексе.

Нерастворимые формы радионуклидов подвергаются химическому осаждению вследствие образования в жидкой фазе малорастворимых кристаллических осадков [33], либо коагуляции,путем адсорбции на малорастворимых гидроксидах коагулянтовколлоидных частиц загрязнений и соосажденных гидроксидов тяжелых металлов.

Кристаллические и коллоидные образования радионуклидов ассоциируют в частицы, способные отделяться от раствора в поле сил тяжести или других массовых сил.

Неоднородная смесь частиц и жидкости представляет собой пульпу. По крупности частиц пульпы различают: тонкие и грубые суспензии, шламы (мулы) и коллоидные растворы.

Осаждаемые частицы называются преципитатом, а осветленная жидкость — супернатантом. На поверхности или внутри твердой фазы концетрируются коллоидные и (или) растворенные примеси [34].

Осаждение эффективно при выведении из пульпы коллоидных и взвешенных частиц. Характеризуется низкой стоимостью, доступными реагентами и типовым оборудованием. Недостатками являются: низкая эффективность и большое количество вторичных отходов. Оборудование для осветления воды отстаиванием занимает большие площади.

В качестве коагулянтов используют соли слабых оснований (железа и алюминия) и сильных кислот: Fe₂(SO₄)₃, FeSO₄, Al₂(SO₄)₃, FeCl₃, AlCl₃.