В.А.Узиков, ведущий инженер-технолог, ГНЦ НИИАР
Радиоактивные отходы (РАО)
можно назвать «ахиллесовой пятой» ядерной энергетики, причем львиная доля
приходится на так называемые жидкие радиоактивные отходы (ЖРО). В зависимости от источника образования ЖРО их
характеристики различаются в широчайшем диапазоне по степени активности,
химическому и радионуклидному составу, солесодержанию и другим показателям, что
обуславливает разнообразие способов обращения с этим типом РАО.
Основными технологическими
стадиями при обращении с ЖРО, вызывающими наибольшие затруднения, являются
переработка и кондиционирование. Под переработкой понимаются технологические
операции, выполняемые в целях изменения физической формы, агрегатного состояния
и (или) физико-химических свойств радиоактивных отходов для их последующего
кондиционирования, а под кондиционированием – технологические операции по
приведению радиоактивных отходов в физическую форму и состояние, пригодные для
их захоронения и соответствующие критериям приемлемости.
Если
вернуться в реальность после скучных определений терминов, можно обрисовать
ситуацию в стране простыми словами – за многие десятилетия работы с РАО мы так
и не смогли создать простую, надежную и дешевую технологию переработки основной
массы ЖРО в безопасную форму, пригодную для захоронения, чем освободили бы
будущие поколения от излишней головной боли. Накоплено и продолжает накапливаться
огромное количество ЖРО средней и низкой активности (уже только в России более
500 млн. кубометров активностью 4,27·1019 Бк). Из общего количества
накопленных ЖРО 92,7 % общего объёма – это низкоактивные (НАО), 6,8% -
среднеактивные (САО) и 0,5 % - высокоактивные (ВАО) отходы (рис. 1)[1].
Рисунок
1 – Распределение накопленных ЖРО:
а) по объёму, б) по активности
Более
90% ЖРО образовалось в результате прошлой оборонной деятельности (включая
утилизацию АПЛ) и находится на трёх предприятиях – ФГУП «ПО «Маяк», ОАО «СХК» и
ФГУП «ФЯО ГХК». Такие РАО называются «историческими». Поэтому основная часть
(99%) низкоактивных ЖРО, накопленных на предприятиях атомной отрасли, размещена
на объектах ПО «Маяк» и СХК. 89% среднеактивных ЖРО сосредоточено на СХК, ГХК,
НИИАР и изолирована от окружающей среды путем закачки в глубокие геологические
формации. За более чем полувековой период эксплуатации в эти геотехнические
сооружения было закачено более 55 млн м3 ЖРО различного уровня
активности. В пунктах хранения ЖРО, не изолированных от окружающей среды,
размещено около ~ 12% среднеактивных ЖРО. Все высокоактивные ЖРО изолированы от
окружающей среды.
Основными
источниками образования и накопления новых (не исторических) РАО являются
предприятия ЯТЦ и АЭС. По оценкам, ~ 0,1 % от общей активности накопленных к
настоящему времени РАО образовалось на АЭС, большая часть остальных РАО – на
предприятиях ЯТЦ, что обусловлено деятельностью радиохимических производств [1].Необходимо
отметить, что с момента принятия ФЦП ЯРБ объёмы переработки высокоактивных ЖРО
опережают объёмы их ежегодного образования, поэтому главный вопрос в
совершенствовании технологии обращения с ЖРО касается прежде всего отходов среднего
и низкого уровня активности.
В
качестве одного из важнейших принципов обеспечения радиационной безопасности
при разработке технологий и проведении работ по обезвреживанию ЖРО средней и
низкой активности должен использоваться принцип ALARA (сокр. AsLowAsReasonablyAchievable) —
один из основных критериев, сформулированный в 1954 году Международной
Комиссией по Радиологической Защите с целью минимизации вредного воздействия
ионизирующей радиации. Этот принцип предусматривает поддержание на возможно низком
и достижимом уровне как индивидуальных, так и коллективных доз облучения, с
учётом социальных и экономических факторов. Таким образом, экономическому
аспекту технологии должна придаваться особая роль.
Проведенная
в [2] оценка целесообразности применения различных технологий переработки РАО
для захоронения, выявила приоритетные технологические схемы, позволяющие
существенно снизить объем РАО, подлежащий окончательной изоляции.
В
частности, делается вывод, что переработка кубовых остатков, представляющих
большую проблему для АЭС из-за наполнения емкостей хранения, наиболее
эффективным методом является предварительное доупаривание до солесодержания
700-800 г/л с последующим цементированием. Применяемое в настоящее время
доупаривание кубовых остатков до солевого концентрата в установках УГУ-500 с
расфасовкой в бочки хотя и является более выгодным как по стоимостным, так и по
объемным характеристикам, однако накладывает ограничения на их окончательную
изоляцию. Необходимо признать, что
установки УГУ-500 не позволяют получить качественный солевой плав ввиду
быстрого зарастания теплообменных трубок отложениями, поэтому вместо допустимых
15% воды в солевом плаве в реальности содержится до 30% воды. Наличие
несвязанной воды приводит к повышенной коррозии в бочках, и уже сейчас
накопившиеся на станциях бочки с солевым плавом представляют огромную проблему.
Загрузка этих бочек в дорогостоящие железобетонные контейнеры малоэффективна с
точки зрения использования свободного объема и создает дополнительные трудности
на последующих этапах обращения с РАО. Именно поэтому стоит пересмотреть
практику использования УГУ-500, не позволяющую решить проблему окончательного
захоронения.
Для
низкосолевых ЖРО наиболее предпочтительным авторы [2] считают метод
многоступенчатой фильтрации ЖРО. Однако сорбционно-мембранные технологии могут
и не дать требуемой степени очистки от радионуклидов. Кроме того, после
насыщения или «отравления» фильтрующего материала он сам становится
существенной проблемой для окончательного захоронения. Поэтому для
низкоактивных ЖРО в качестве наиболее предпочтительного варианта стоит
рассмотреть старый добрый термический способ выпаривания, применив для
кардинального снижения энергетических затрат технологию рекомпрессии вторичного
пара.
Эта
технология широко применяется в современных опреснительных установках, а также
используется в установке для приработки ЖРО, созданной фирмой NUKEM. Однако, так как в этой установке
применяется кипение раствора в теплообменных трубках, степень очистки вторичного
пара от радиоактивных золей без применения абсорберов явно недостаточна.
Обеспечение
эффективной переработки накопленных ЖРО с минимальными затратами возможно при
использовании следующих принципов:
·
применение технологии пленочного упаривания в
барабанных пленочных аппаратах [3];
·
непрерывная очистка греющей поверхности в
процессе пленочного упаривания;
·
использование рекомпрессии вторичного пара.
Непрерывность очистки греющей поверхности
установки от отложений в процессе упаривания позволяет обеспечивать
безостановочную работу по переработке ЖРО в течение нескольких месяцев, что
выгодно отличает данную установку от существующих выпарных аппаратов.
К особенностям
предлагаемой технологии можно так же отнести:
· низкие
энергозатраты при переработке ЖРО средней и низкой активности;
· отсутствие
охлаждающего контура;
· нетребовательность
к составу и солесодержанию перерабатываемых ЖРО;
· широкий
диапазон солесодержания получаемого концентрата;
· очистка
греющей поверхности от отложений в процессе упаривания;
· минимальное
количество вторичных ЖРО;
· возможность
создания транспортируемых модулей;
· встраиваемость
технологии в комплекс по переводу ЖРО в цементный компаунд;
· удобство
автоматизации процессов;
· существенное
снижение стоимости переработки ЖРО;
· безреагентность.
Схема реализации
парокомпрессионного метода с применением барабанно-пленочных испарителей
приведена на рис.2. Этот проект выпарной установки в мобильном варианте был
представлен командой МИФИ (капитан Дмитрий Правдин) на отраслевом турнире молодых
профессионалов «ТеМП 2016», проводимом госкорпорацией «Росатом», и занял
призовое место.
1
– барабан первой ступени; 2 – греющая (паровая) рубашка барабана первой
ступени; 3 – кольца жесткости; 4 - привод вращения; 5 – вращающиеся опоры; 6 –
упариваемый раствор в барабане первой ступени; 7 – трубка подвода упариваемого
раствора; 8 – трубка отвода концентрата; 9 – трубка отвода конденсата из
греющей (паровой) рубашки; 10 – уплотнительные элементы; 11 – паровой
компрессор; 12 – нагнетательный патрубок; 13 – перепускной патрубок; 14 –
всасывающий патрубок; 15 – барабан второй ступени; 16 - греющая (паровая)
рубашка барабана второй ступени; 17 – упариваемый раствор в барабане второй
ступени
Рисунок
2 – Двухступенчатая схема реализации парокомпрессионного метода с применением
барабанно-пленочных испарителей
В силу
своих особенностей (низкие энергозатраты, отсутствие контура охлаждающей воды)
данная технология может быть реализована в виде мобильного комплекса по
переработке ЖРО. Мобильный модуль парокомпрессионной установки с основными
параметрами представлен на рисунке 3, а развернутый комплекс по переработке ЖРО
– на рисунке 4.
Параметры модуля упаривания:
Мощность компрессор пара 90 кВт;
Производительность 2200 л/ч;
Температура пара на всасе 87°С;
Температура пара на напоре 130°С
Диаметр барабана 450 мм;
Длина барабана 11
м;
Количество ступеней 2;
Количество барабанов 4;
Тепловой поток 18 кВт/м2
Рисунок
3 – Мобильный модуль парокомпрессионной установки с основными технологическими
параметрами
В
развернутый мобильный комплекс кроме модуля упариванияЖРО входят
модуль приготовления цементного компаунда и его расфасовки в невозвратные
контейнеры, энергетический модуль, лаборатория, блок контроля и управления
технологическим процессом, а так же емкостное оборудование.
Рисунок
4 – Развернутый комплекс по переработке ЖРО
Сравнительный
анализ предложенной технологиис существующими аналогами представлен в таблице
1.
Таблица
1 – Сравнительный анализ предложенной технологиис существующими аналогами
Заключение
·
Реализация технологии позволит приступить к
решению проблемы накопленных ЖРО низкой и средней активности, откладываемой на
будущие поколения.
·
Технология парокомпрессионной переработки ЖРО
позволяет снизить стоимость затрачиваемой энергии ниже 1$ (или 60 руб) за
кубометр перерабатываемых ЖРО. Общая стоимость переработки и кондиционирования
ЖРО резко снижается и определяется стоимостью цементной смеси и упаковки.
·
Безреагентность технологии обеспечивает резкое
снижение объемов вторичных ЖРО, а, следовательно, объемов сухого хранения
конечного отвержденного продукта (количества НЗК в хранилищах).
·
Разработанный проект парокомпрессионного модуля
упаривания на базе БПИ с энергопотреблением 90 кВт и производительностью 2
куб.м/ч в случае его реализации позволит заменить применяемые ныне на АЭС
двухкамерные выпарные аппараты и установки УГУ-500, обеспечивая резкое снижение
эксплуатационных расходов.
Список
источников:
1.
Муратов О.Э., Тихонов М.Н., Радиоэкологические
аспекты обращения с РАО и ОЯТ в условиях инновационного развития ядерной
энергетики / http://nuclear-submarine-decommissioning.ru/node/755
2.
Гупало В.С., Маслов М.В., Чистяков В.Н.
Исследование схем обращения снакопленными РАО в целях их подготовки для
окончательной изоляции // Горныйинформационно-аналитический бюллетень. 2012. №
1. с. 160-164.
3.
Узиков В.А., Кочнов Я.К, Осипова Н.Е., Узикова
И.В., Патент РФ № 2488421 «Способ концентрирования жидких растворов»