放射性廢物分類與處理

核物理科普系列二十

一、概述

核燃料循環(huán)各個(gè)環(huán)節(jié)、核技術(shù)應(yīng)用、核設(shè)施退役及相關(guān)的研究活動(dòng)都會(huì)產(chǎn)生放射性廢物。

放射性廢物:含有放射性核素或被放射性核素所污染,其活度或活度濃度大于規(guī)定的清潔解控水平的廢棄物。

原子能機(jī)構(gòu)規(guī)定的放射性廢物管理九條基本原則:確保保護(hù)人類健康、保護(hù)環(huán)境、保護(hù)后代、不給后代留下不適當(dāng)負(fù)擔(dān)、實(shí)現(xiàn)廢物最少化等。

廢物最小化:把放射性廢物的量和活度減少到合理達(dá)到的盡量低的水平;包括從核設(shè)施設(shè)計(jì)到退役的各個(gè)階段,減少廢物的產(chǎn)生,進(jìn)行再利用和再循環(huán),對(duì)一次廢物和二次廢物做適當(dāng)處理等各種措施。

二.放射性廢物按放射性水平的分類

豁免廢物:按照豁免原則可以免除審管控制的廢物;

極低放廢物:放射性水平極低,但又不能被豁免的一類廢物,經(jīng)審管部門批準(zhǔn)可象一般廢物處置在不專為放射性廢物而設(shè)計(jì)的處置設(shè)計(jì)中的放射性廢物;

低放廢物:放射性核素的濃度或比活度較低,在正常操作和運(yùn)輸過程中通常不需要屏蔽的廢物;

中放廢物:放射性核素的濃度或比活度及釋熱率雖然均低于高放廢物,但在正常操作和運(yùn)輸過程中需要采取適當(dāng)屏蔽防護(hù)措施的廢物;

高放廢物:指乏燃料后處理第一溶劑萃取循環(huán)產(chǎn)生的含有錒系元素和大部分裂變產(chǎn)物的高放廢液及其固化體;被認(rèn)定作為廢物的乏燃料,或其他相似放射性特性的廢物。

α廢物:含半衰期大于30年的α發(fā)射體,其α放射性活度在單位個(gè)包裝中大于4E6Bq/kg,多個(gè)包裝的平均α活度濃度大于4E5Bq/kg的廢物。

其它分類方法:如工藝廢物、二次廢物等。

工藝廢物:指工藝過程所產(chǎn)生的廢物,如核電站產(chǎn)生的含硼廢物、廢樹脂、設(shè)備排污水等;

二次廢物:指廢物處理過程中產(chǎn)生的廢物。

三、放射性廢物按形態(tài)的分類處置

1.放射性廢氣:

放射性廢氣中可能含有放射性氣溶膠、惰性氣體、鹵素、固體顆粒、水蒸汽、酸氣和其它化學(xué)組分。

放射性氣溶膠:放射性核素的微小的固體粒子或液滴在空氣或其他氣體中形成的分散系。

廢氣處理指除去廢氣中的放射性核素和化學(xué)污染物,經(jīng)檢測達(dá)到合格的水平后,受控排放到大氣中。

常用的處理方法如下:

高效微粒空氣過濾器(HEPA),對(duì)氣態(tài)流出物中亞微米級(jí)粒子,其過濾效率不低于99.97%;

碘過濾器用于非法出版物反應(yīng)堆運(yùn)行、乏燃料后處理和同位素生產(chǎn)等過程中產(chǎn)生的氣載放射性碘;

衰變箱是在加壓下儲(chǔ)存核電站的含氫廢氣,使短半衰期的放射性核素衰變到合格水平的裝置;

滯留床是采用吸附劑逗留含氫廢氣,使短半誤期的放射性核素衰變到合格水平的裝置。

2.放射性廢液:

其種類很多,如各種工藝廢水、地反沖洗水、樹脂再生液、去污廢液、洗衣水、沐浴水等,數(shù)量較大,處理方法很多;

處理的主要方法有過濾、蒸發(fā)、離子交換和膜技術(shù)等;

過濾是借助濾紙、濾布或玻璃纖維等多也介質(zhì),將固體從固液或固氣混合物中分離出來;

蒸發(fā)是通過加熱將廢水中的水分變成蒸汽逸出再冷凝、收集,使大體積的廢水經(jīng)過凈化,達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)后可以排放到環(huán)境水體中,而放射性核素被濃集在小體積的蒸發(fā)濃縮液或蒸發(fā)殘?jiān)?。蒸發(fā)器類型較多,如自然循環(huán)蒸發(fā)器、強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)器、薄膜蒸發(fā)器、壓縮蒸發(fā)器等;

離子交換是廢水處理常用的一種分離和純化技術(shù)。廢液中的放射性核素離子通過與離子交換材料中的活性基因的可交換離子進(jìn)行交換,使廢液達(dá)到凈化;離子交換材料分有機(jī)離子交換劑和無機(jī)離子交換劑兩種;無機(jī)離子交換劑又分為天然離子交換劑和人工無機(jī)離子交換劑;

3.放射性固體廢物

(1)固體廢物減容和固化

為了減少廢物體積,需要對(duì)廢物做減容處理;減容具有良好的經(jīng)濟(jì)性,減少后續(xù)的裝卸、儲(chǔ)存、運(yùn)輸和處置廢物量。

重要的減容方法有壓實(shí)和焚燒。焚燒是氧化分解可燃性廢物的一種處理技術(shù),可使廢物獲得很大減容;壓實(shí)是通過外部壓力減小廢物體積。超級(jí)壓實(shí)機(jī)可使固體廢物得到較大減容,可用來對(duì)200L桶裝廢物邊桶一起地方培訓(xùn),甚至可以對(duì)鋼鐵部件和混凝土構(gòu)件進(jìn)行壓縮;

固定:通過固化、埋置或封裝等手段,把廢物轉(zhuǎn)化為在搬運(yùn)、運(yùn)輸、儲(chǔ)存和處置過程中放射性核素彌散或遷移可能性較小的廢物體;

固化:把液體或含液體的物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w,形成一種易于搬運(yùn)和加工、性能穩(wěn)定、不易彌散的物體。水泥固化、瀝青固化、塑料固化和玻璃固化是常用的固化放射性廢物的方法。

■水泥固化:把放射性廢物摻和在水泥基料中形成固化體;

■瀝青固化:把放射性廢物包覆在瀝青基料中形成固化體;

■塑料固化:把放射性廢物包覆在熱塑性或熱固性聚合物基料中形成固化體;

■玻璃固化:把放射性核素包容中玻璃基料中形成玻璃狀固化體;其通常用于固化乏燃料后處理產(chǎn)生的高放廢液;現(xiàn)在用得較多是是焦耳加熱陶瓷電熔爐技術(shù),新發(fā)展的有冷坩堝熔爐技術(shù);

焦耳加熱陶瓷電熔爐:采用電極直接加熱內(nèi)襯耐火陶瓷的熔爐,把廢液與玻璃熟料一起制成固化體。

冷坩堝熔爐:是另一種玻璃固化熔爐,利用高頻感應(yīng)加熱使玻璃熔融。由于水冷套管中連續(xù)通過冷卻水,近套管處形成一層固態(tài)玻璃殼體,熔融的玻璃被包容在自冷的玻璃殼層內(nèi),所以稱為冷坩堝;冷坩堝熔爐的熔融溫度高,可固化處理多種廢物。

■人造巖石固化:廢物核素包容在人工合成的類似巖石的陶瓷體(如鈦酸鹽基料)中,通常用于高放廢物和α廢物等的固化。

2.固化體的性能

廢物通過固化處理和整備,形成具備一定物理和化學(xué)形態(tài)的固化物,稱為廢物體;廢物體需要滿足搬運(yùn)、運(yùn)輸、儲(chǔ)存和處置對(duì)其要求的基本特性,廢物體的性能需要做鑒定,如對(duì)其機(jī)械性能、化學(xué)性能、熱性能、和抗輻照等性能進(jìn)行檢測,對(duì)廢物固化體重要的特性主要包括如下:

■廢物包容量:廢物固化體中包包容的放射性廢物的質(zhì)量百分?jǐn)?shù);

■游離液體:不為固體基質(zhì)束縛的未結(jié)合的液體;

■抗壓強(qiáng)度:受壓縮負(fù)荷作用而破壞時(shí)的單位面積所承受的極限壓力;

■耐久性:抵御生物、化學(xué)和物理作用對(duì)其性能造成影響的能力;

■浸出率:固化體溶解或侵蝕的速率,這是反映廢物固化體耐久性的重要參數(shù);為確定廢物的浸出率,需要進(jìn)行浸出試驗(yàn)。浸出結(jié)果可用來對(duì)不同類型廢物體作比較和判斷,也可用于廢物處置的長期安全評(píng)價(jià);

■輻照穩(wěn)定性:抵御電離輻射作用,不產(chǎn)生物理或化學(xué)特性改變的能力。在輻射作用下有些物質(zhì)會(huì)發(fā)生分解而產(chǎn)生輻解氣體;

■生物降解:由生物作用引起或加速物理、化學(xué)性能的下降或化學(xué)組成的變化;

■黃相:玻璃熔制過程中分離出的黃色物相。這是一種易溶于水的結(jié)晶狀物質(zhì),其主要成份是堿和堿土金屬的硫酸鹽、鉻酸鹽或鉬酸鹽,富含137Cs、90Sr等核素,導(dǎo)致抗浸出性變差。

3.廢物包裝

■廢物要包裝在滿足裝卸、運(yùn)輸、儲(chǔ)存和最終處置要求的容器中,這也是防止外界入侵和阻止放射性核素釋出的一道屏障;

■廢物容器屬于廢物貨包的一個(gè)組成部分;

■對(duì)于乏燃料、高放廢物和其他強(qiáng)放射性物質(zhì)的運(yùn)輸和儲(chǔ)存需要外加屏蔽容器,為已封裝好的廢物包加外包裝;

■廢物容器應(yīng)滿足裝卸、運(yùn)輸、儲(chǔ)存和最終處置等的要求;

■放射性廢物應(yīng)儲(chǔ)存在人為控制的設(shè)施中,以后可以回取出來,進(jìn)行處理和處置;

■廢液儲(chǔ)存是一種權(quán)宜之計(jì),不能長期儲(chǔ)存。因潛在著泄漏的危險(xiǎn)性;儲(chǔ)存廢液槽罐的選材、設(shè)計(jì)、制造要嚴(yán)防泄漏,并且要有備用槽;用于儲(chǔ)存高放廢液的槽罐應(yīng)有攪拌、冷卻、通氣、過濾、測氫、監(jiān)測位和報(bào)警等措施。

四.放射性廢物處理

放射性廢物處理是與放射性廢物的產(chǎn)生、分揀、分類、預(yù)處理、處理、整備、儲(chǔ)存、運(yùn)輸、處置相關(guān)的各種行政與技術(shù)活動(dòng)。

(2)廢物預(yù)處理:是廢物處理前進(jìn)行的一種或全部操作,如收集、分揀、化學(xué)調(diào)制和去污。

(3)廢物整備:為了形成適于裝卸、運(yùn)輸、儲(chǔ)存和處置的貨包而進(jìn)行的操作;整備包括將廢物轉(zhuǎn)變?yōu)楣袒w、封裝在容器內(nèi)和必要時(shí)進(jìn)行外包裝。

(4)對(duì)放射性廢物管理,營運(yùn)單位必須對(duì)廢物做好檔案記錄(包括廢物的數(shù)量、放射性核素種類、活度和廢物特性等),對(duì)廢物要進(jìn)行分類,進(jìn)行安全處理與處置,實(shí)現(xiàn)全過程管理。

1.放射性廢物經(jīng)預(yù)處理、處理和整備后以兩種方式進(jìn)入終態(tài):大體積廢氣和廢液凈化后向大氣或水體排放;濃集在小體積中的放射性核素,形成放射性固體廢物或者作近地表處置(低中放固體廢物)或者作地質(zhì)處置(高放廢物和α廢物)。

2.廢物處置:將廢物放置在經(jīng)批準(zhǔn)的專門設(shè)施(如近地表處置設(shè)施或地質(zhì)處置庫)內(nèi),一般不打算再回取。

處置場是用于處置廢物的設(shè)施,分為近地表處置場、地質(zhì)處置庫等;

處置也包括經(jīng)過批準(zhǔn)的將流出物直接排放環(huán)境,如讓放射性氣態(tài)或液態(tài)流出物有計(jì)劃和受控制地彌散到環(huán)境中。為控制流出物中放射性核素對(duì)環(huán)境的影響,必須執(zhí)行審管部門批準(zhǔn)的流出物排放的放射性濃度和總活度。

對(duì)于放射性廢物的處置必須執(zhí)行由審管部門制定或經(jīng)審管部門批準(zhǔn)的廢物接收標(biāo)準(zhǔn),包括廢物活度、核素種類、廢物體和廢物包的要求等;

為確定處置場(庫)址的適用性,應(yīng)評(píng)價(jià)其長期安全性,包括進(jìn)行水文、地質(zhì)、地震、巖性、氣候、氣象及地球化學(xué)等各項(xiàng)因素的評(píng)價(jià);

(1)近地表處置

將低中水平放射性廢物埋藏于近地表或地表面,設(shè)置工程屏障,最后加幾米厚的防護(hù)覆蓋層;或者是將廢物埋藏在地表下幾十米深的洞穴中。適合于短壽命低、中放廢物的處置。

近地表處置場關(guān)閉以及相關(guān)的表面設(shè)施拆除之后,近地表處置設(shè)施需要維持一定時(shí)間某種形式的監(jiān)督或控制,防止地表水進(jìn)入處置場,阻止穴居動(dòng)物、嚙齒類動(dòng)物和深根植物與人類的闖入。

對(duì)于鈾尾礦庫、為了減少氡析出,需要在表面加設(shè)防氡覆蓋層,采取措施使尾礦穩(wěn)定化。

(2)地質(zhì)處置

在幾百米深的穩(wěn)定地層中,建立工程屏障和天色屏障系統(tǒng),將廢物與人類生活圈安全隔離;這種處置庫用于處置高放廢物、α廢物和長壽命廢物。

水力壓裂是在壓力作用下使地下頁巖產(chǎn)生水平裂縫,加壓下將廢液、水泥砂漿及添加劑制成的漿液注入到頁巖層,使?jié){液固結(jié)在頁巖層的裂縫中。實(shí)際上這是在頁巖層中進(jìn)行水泥固化,是處理與處置相結(jié)合的方法;

工程屏障是人工建造的屏障,如廢物固化體、廢物包裝體、回填材料、緩沖材料、處置庫等;

為了阻止人、動(dòng)物和植物的非故意接近,需要為處置場設(shè)置防闖入屏障系統(tǒng)。在地質(zhì)處置庫運(yùn)行終了時(shí),應(yīng)對(duì)處置設(shè)施采取新老交替和監(jiān)護(hù)措施;

地質(zhì)處置分為近場和遠(yuǎn)場:近場是包括廢物貨包、回填物、封閉材料以及可能會(huì)受處置庫及其內(nèi)裝物影響引起性能改變的挖掘區(qū)及其附近的地質(zhì)體;遠(yuǎn)場是處置庫近場外的一定距離內(nèi)的地質(zhì)體。

高放廢物深地質(zhì)處置庫概念設(shè)計(jì)

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