放射性废物分类与处理

核物理科普系列二十

一、概述

核燃料循环各个环节、核技术应用、核设施退役及相关的研究活动都会产生放射性废物。

放射性废物:含有放射性核素或被放射性核素所污染,其活度或活度浓度大于规定的清洁解控水平的废弃物。

原子能机构规定的放射性废物管理九条基本原则:确保保护人类健康、保护环境、保护后代、不给后代留下不适当负担、实现废物最少化等。

废物最小化:把放射性废物的量和活度减少到合理达到的尽量低的水平;包括从核设施设计到退役的各个阶段,减少废物的产生,进行再利用和再循环,对一次废物和二次废物做适当处理等各种措施。

二.放射性废物按放射性水平的分类

豁免废物:按照豁免原则可以免除审管控制的废物;

极低放废物:放射性水平极低,但又不能被豁免的一类废物,经审管部门批准可象一般废物处置在不专为放射性废物而设计的处置设计中的放射性废物;

低放废物:放射性核素的浓度或比活度较低,在正常操作和运输过程中通常不需要屏蔽的废物;

中放废物:放射性核素的浓度或比活度及释热率虽然均低于高放废物,但在正常操作和运输过程中需要采取适当屏蔽防护措施的废物;

高放废物:指乏燃料后处理第一溶剂萃取循环产生的含有锕系元素和大部分裂变产物的高放废液及其固化体;被认定作为废物的乏燃料,或其他相似放射性特性的废物。

α废物:含半衰期大于30年的α发射体,其α放射性活度在单位个包装中大于4E6Bq/kg,多个包装的平均α活度浓度大于4E5Bq/kg的废物。

其它分类方法:如工艺废物、二次废物等。

工艺废物:指工艺过程所产生的废物,如核电站产生的含硼废物、废树脂、设备排污水等;

二次废物:指废物处理过程中产生的废物。

三、放射性废物按形态的分类处置

1.放射性废气:

放射性废气中可能含有放射性气溶胶、惰性气体、卤素、固体颗粒、水蒸汽、酸气和其它化学组分。

放射性气溶胶:放射性核素的微小的固体粒子或液滴在空气或其他气体中形成的分散系。

废气处理指除去废气中的放射性核素和化学污染物,经检测达到合格的水平后,受控排放到大气中。

常用的处理方法如下:

高效微粒空气过滤器(HEPA),对气态流出物中亚微米级粒子,其过滤效率不低于99.97%;

碘过滤器用于非法出版物反应堆运行、乏燃料后处理和同位素生产等过程中产生的气载放射性碘;

衰变箱是在加压下储存核电站的含氢废气,使短半衰期的放射性核素衰变到合格水平的装置;

滞留床是采用吸附剂逗留含氢废气,使短半误期的放射性核素衰变到合格水平的装置。

2.放射性废液:

其种类很多,如各种工艺废水、地反冲洗水、树脂再生液、去污废液、洗衣水、沐浴水等,数量较大,处理方法很多;

处理的主要方法有过滤、蒸发、离子交换和膜技术等;

过滤是借助滤纸、滤布或玻璃纤维等多也介质,将固体从固液或固气混合物中分离出来;

蒸发是通过加热将废水中的水分变成蒸汽逸出再冷凝、收集,使大体积的废水经过净化,达到合格标准后可以排放到环境水体中,而放射性核素被浓集在小体积的蒸发浓缩液或蒸发残渣中。蒸发器类型较多,如自然循环蒸发器、强制循环蒸发器、薄膜蒸发器、压缩蒸发器等;

离子交换是废水处理常用的一种分离和纯化技术。废液中的放射性核素离子通过与离子交换材料中的活性基因的可交换离子进行交换,使废液达到净化;离子交换材料分有机离子交换剂和无机离子交换剂两种;无机离子交换剂又分为天然离子交换剂和人工无机离子交换剂;

3.放射性固体废物

(1)固体废物减容和固化

为了减少废物体积,需要对废物做减容处理;减容具有良好的经济性,减少后续的装卸、储存、运输和处置废物量。

重要的减容方法有压实和焚烧。焚烧是氧化分解可燃性废物的一种处理技术,可使废物获得很大减容;压实是通过外部压力减小废物体积。超级压实机可使固体废物得到较大减容,可用来对200L桶装废物边桶一起地方培训,甚至可以对钢铁部件和混凝土构件进行压缩;

固定:通过固化、埋置或封装等手段,把废物转化为在搬运、运输、储存和处置过程中放射性核素弥散或迁移可能性较小的废物体;

固化:把液体或含液体的物质转变为固体,形成一种易于搬运和加工、性能稳定、不易弥散的物体。水泥固化、沥青固化、塑料固化和玻璃固化是常用的固化放射性废物的方法。

■水泥固化:把放射性废物掺和在水泥基料中形成固化体;

■沥青固化:把放射性废物包覆在沥青基料中形成固化体;

■塑料固化:把放射性废物包覆在热塑性或热固性聚合物基料中形成固化体;

■玻璃固化:把放射性核素包容中玻璃基料中形成玻璃状固化体;其通常用于固化乏燃料后处理产生的高放废液;现在用得较多是是焦耳加热陶瓷电熔炉技术,新发展的有冷坩埚熔炉技术;

焦耳加热陶瓷电熔炉:采用电极直接加热内衬耐火陶瓷的熔炉,把废液与玻璃熟料一起制成固化体。

冷坩埚熔炉:是另一种玻璃固化熔炉,利用高频感应加热使玻璃熔融。由于水冷套管中连续通过冷却水,近套管处形成一层固态玻璃壳体,熔融的玻璃被包容在自冷的玻璃壳层内,所以称为冷坩埚;冷坩埚熔炉的熔融温度高,可固化处理多种废物。

■人造岩石固化:废物核素包容在人工合成的类似岩石的陶瓷体(如钛酸盐基料)中,通常用于高放废物和α废物等的固化。

2.固化体的性能

废物通过固化处理和整备,形成具备一定物理和化学形态的固化物,称为废物体;废物体需要满足搬运、运输、储存和处置对其要求的基本特性,废物体的性能需要做鉴定,如对其机械性能、化学性能、热性能、和抗辐照等性能进行检测,对废物固化体重要的特性主要包括如下:

■废物包容量:废物固化体中包包容的放射性废物的质量百分数;

■游离液体:不为固体基质束缚的未结合的液体;

■抗压强度:受压缩负荷作用而破坏时的单位面积所承受的极限压力;

■耐久性:抵御生物、化学和物理作用对其性能造成影响的能力;

■浸出率:固化体溶解或侵蚀的速率,这是反映废物固化体耐久性的重要参数;为确定废物的浸出率,需要进行浸出试验。浸出结果可用来对不同类型废物体作比较和判断,也可用于废物处置的长期安全评价;

■辐照稳定性:抵御电离辐射作用,不产生物理或化学特性改变的能力。在辐射作用下有些物质会发生分解而产生辐解气体;

■生物降解:由生物作用引起或加速物理、化学性能的下降或化学组成的变化;

■黄相:玻璃熔制过程中分离出的黄色物相。这是一种易溶于水的结晶状物质,其主要成份是碱和碱土金属的硫酸盐、铬酸盐或钼酸盐,富含137Cs、90Sr等核素,导致抗浸出性变差。

3.废物包装

■废物要包装在满足装卸、运输、储存和最终处置要求的容器中,这也是防止外界入侵和阻止放射性核素释出的一道屏障;

■废物容器属于废物货包的一个组成部分;

■对于乏燃料、高放废物和其他强放射性物质的运输和储存需要外加屏蔽容器,为已封装好的废物包加外包装;

■废物容器应满足装卸、运输、储存和最终处置等的要求;

■放射性废物应储存在人为控制的设施中,以后可以回取出来,进行处理和处置;

■废液储存是一种权宜之计,不能长期储存。因潜在着泄漏的危险性;储存废液槽罐的选材、设计、制造要严防泄漏,并且要有备用槽;用于储存高放废液的槽罐应有搅拌、冷却、通气、过滤、测氢、监测位和报警等措施。

四.放射性废物处理

放射性废物处理是与放射性废物的产生、分拣、分类、预处理、处理、整备、储存、运输、处置相关的各种行政与技术活动。

(2)废物预处理:是废物处理前进行的一种或全部操作,如收集、分拣、化学调制和去污。

(3)废物整备:为了形成适于装卸、运输、储存和处置的货包而进行的操作;整备包括将废物转变为固化体、封装在容器内和必要时进行外包装。

(4)对放射性废物管理,营运单位必须对废物做好档案记录(包括废物的数量、放射性核素种类、活度和废物特性等),对废物要进行分类,进行安全处理与处置,实现全过程管理。

1.放射性废物经预处理、处理和整备后以两种方式进入终态:大体积废气和废液净化后向大气或水体排放;浓集在小体积中的放射性核素,形成放射性固体废物或者作近地表处置(低中放固体废物)或者作地质处置(高放废物和α废物)。

2.废物处置:将废物放置在经批准的专门设施(如近地表处置设施或地质处置库)内,一般不打算再回取。

处置场是用于处置废物的设施,分为近地表处置场、地质处置库等;

处置也包括经过批准的将流出物直接排放环境,如让放射性气态或液态流出物有计划和受控制地弥散到环境中。为控制流出物中放射性核素对环境的影响,必须执行审管部门批准的流出物排放的放射性浓度和总活度。

对于放射性废物的处置必须执行由审管部门制定或经审管部门批准的废物接收标准,包括废物活度、核素种类、废物体和废物包的要求等;

为确定处置场(库)址的适用性,应评价其长期安全性,包括进行水文、地质、地震、岩性、气候、气象及地球化学等各项因素的评价;

(1)近地表处置

将低中水平放射性废物埋藏于近地表或地表面,设置工程屏障,最后加几米厚的防护覆盖层;或者是将废物埋藏在地表下几十米深的洞穴中。适合于短寿命低、中放废物的处置。

近地表处置场关闭以及相关的表面设施拆除之后,近地表处置设施需要维持一定时间某种形式的监督或控制,防止地表水进入处置场,阻止穴居动物、啮齿类动物和深根植物与人类的闯入。

对于铀尾矿库、为了减少氡析出,需要在表面加设防氡覆盖层,采取措施使尾矿稳定化。

(2)地质处置

在几百米深的稳定地层中,建立工程屏障和天色屏障系统,将废物与人类生活圈安全隔离;这种处置库用于处置高放废物、α废物和长寿命废物。

水力压裂是在压力作用下使地下页岩产生水平裂缝,加压下将废液、水泥砂浆及添加剂制成的浆液注入到页岩层,使浆液固结在页岩层的裂缝中。实际上这是在页岩层中进行水泥固化,是处理与处置相结合的方法;

工程屏障是人工建造的屏障,如废物固化体、废物包装体、回填材料、缓冲材料、处置库等;

为了阻止人、动物和植物的非故意接近,需要为处置场设置防闯入屏障系统。在地质处置库运行终了时,应对处置设施采取新老交替和监护措施;

地质处置分为近场和远场:近场是包括废物货包、回填物、封闭材料以及可能会受处置库及其内装物影响引起性能改变的挖掘区及其附近的地质体;远场是处置库近场外的一定距离内的地质体。

高放废物深地质处置库概念设计