Materiały Reaktorowe. Techniki immobilizacji odpadów. radioaktywnych

Transkrypt

1 Materiały Reaktorowe Techniki immobilizacji odpadów radioaktywnych

2 Prawo rozpadu promieniotwórczego T1/2 8 Be 6.7*10-17 s 11 Li s 16 N 7.2 s 90 Y 64.3 h 32 P 14.3 d 137 Cs 30 y 241 Am 432 y 239 Pu y 40 K 1.26*10 9 y 238 U 4.47*10 9 y 232 Th 1.4*10 10 y

3 Odpady radioaktywne przespisy prawne Kto ustala przepisy dotyczące postępowania z odpadami? Międzynarodowa Agencja Energii Atomowej w Wiedniu ( International Atomic Energy Agency IAEA ) Państwowa Agencja Atomowa w Warszawie ( Prawo Atomowe, z dnia 3 grudnia 2002, Dz. U. Nr 230 ) Przetwarzanie i składowanie: Zakład Unieszkodliwiania Odpadów Promieniotwórczych w Świerku

4 Podział odpadów promieniotwórczych odpady wysokoaktywne ( High Level Waste HLW ) odpady które ze względu na swą wysoką radioaktywność generują znaczne ilości energii cieplnej od 2 do 20 kw/m 3, odpowiada to aktywności 5*10 4 5*10 5 TBq/m 3, wymagają stosowania osłon biologicznych oraz rozpraszania generowanego ciepła, odpady średnioaktywne ( Intermediate Level Waste ILW ) odpady tego typu generują niewielkie ilości ciepła do 2 kw/m 3 które nie wymaga rozpraszania, ze względu na swą radioaktywność wymagają stosowania osłon biologicznych, odpady niskoaktywne ( Low Level Waste LLW ) ze względu na niską zawartość radionuklidów nie wymagają stosowania specjalnych osłon biologicznych w czasie ich przetwarzania i transportu odpady wyłączone

5 Podział odpadów promieniotwórczych odpady średnio i niskoaktywne często kwalifikuje się do jednej grup i nazywa ( LILW ), dzieli się na krótko ( < 30 lat ) i długożyciowe. wszystkie z w/w odpadów mogą występować w formie gazowej, ciekłej lub stałej, do składowania kwalifikują się tylko odpady stałe. odpady mogą zawierać silnie toksyczne nieradioaktywne związki dlatego IEAE zaleca wzięcie pod uwagę przed ich składowaniem ich toksyczności chemicznej, zwłaszcza w przypadku odpadów typu LILW ( metale ciężkie, kwasy, zasady, pestycydy, cyjanki, arsenki, rozpuszczalniki organiczne, chlorki, aldehydy, oleje, związki czyszczące, materiały skażone biologicznie, itp. ). radiotoksyczność odpadów maleje z czasem

6 Jak długo odpady radioaktywne są toksyczne?

7 Główne źródła pochodzenia odpadów radioaktywnych Odpady radioaktywne Przemysł Jądrowy Energetyka Jądrowa Przemysł Medycyna

8 Energetyka jądrowa Ok. 18 % - produkcji światowej energii elekt. pochodzi z EJ.

9 Energetyka jądrowa Etapy cyklu paliwowego: Wydobywanie rudy uranu Wzbogacanie i obróbka uranu Budowa elementów paliwowych Wytwarzanie energii Transport wypalonych prętów paliwowych Składowanie prętów paliwowych Zakłady przerobu paliwa jądrowego Transport odpadów promieniotwórczych Składowanie odpadów promieniotwórczych

10 Przemysł

11 Przemysł Przemysł wydobywczy analiza składu chemicznego, pomiar wilgotności Cementownie pomiar koncentracji pyłu węglowego, pomiar cementu w zbiornikach Huty metali analiza składu chemicznego, mierniki grubości wyrobów hutniczych Kopalnie węgla analiza jakości węgla, kontrola napełnienia zbiorników Przemysł chemiczny pomiar stężenia kwasu siarkowego i azotowego Zakłady włókiennicze neutralizacja ładunków elektrostatycznych Browary kontrola napełnienia flaszek, butelek Przemysł metalowy, odlewnie, przemysł stoczniowy radiografia przemysłowa.

12 Medycyna Ameryk 241 Azot 13 Brom 76 Cez 137 Chrom 51 Fluor 18 Fosfor 32 Gal 68 Iryd 192 Jod 123 Jod 124 Jod 125 Kaliforn 252 Kobalt 57 Kobalt 60 Kseonon 133 Miedź 64 Nikiel - 63 Nikiel 63 Fosfor 32 Polon 210 Sód 24 Stront 90 Technet 99 Tlen 15 Tryt Wapń 47 Węgiel 11 Węgiel 14 German 68 Promet 147 Kiur 244 Tul 170 Złoto 198 Rad 226 Selen - 75

13 Roczna produkcja odpadów promieniotwórczych Przeciętna roczna ilość odpadów powstająca w Polsce: 150 m 3 niskoaktywnych odpadów ciekłych 100 m 3 niskoaktywnych odpadów stałych 0.5 m 3 średnioaktywnych odpadów ciekłych 2 m 3 średnioaktywnych odpadów stałych 1000 sztuk zużytych źródeł promieniotwórczych Źródła pochodzenia odpadów radioaktywnych Całkowita ilość zeszkliwionych HLW przypadająca na człowieka w czasie jego życia potrzebna do wytworzenia energii elektrycznej. czujniki dymu 11% szpitalne 22% inne 11% przemysłowe 4% laboratoryjne 52%

14 Schemat postępowania z odpadami Użytkownik Immobilizacja Składowanie Odbiór i transport Zmniejszenie objętości Ewidencjonowanie i kwalifikacja do odpowiedniej grupy

15 Redukcja objętości Odpady ciekłe Spalanie Odpady stałe Sorpcja Destylacja Odwrócona osmoza Prasowanie Fragmentacja, cięcię Otrzymuje się tzw. koncentrat promieniotwórczy ( zużyty materiał sorpcyjny ) zawierający ponad 99 % początkowej aktywności.

16 Średni skład chemiczny odpadów radioaktywnych [% mas. ] Tlenek % Tlenek % Na 2 O 0-39 ZrO Fe 2 O SO Cr 2 O NO NiO 0 4 P 2 O 5 b.d. Al 2 O CaO b.d. MgO 0 36 MoO Produkty rozszczepienia (tlenki) Tlenki aktynowców 3 90 < 1.0 I. W. Donald, Waste Immobilization in Glass and Ceramic Based Hosts, Wiley, 2010.

17 Techniki immobilizacji odpadów Cementowanie Bituminizacja Techniki immobilizacji odpadów radioaktywnych Witryfikacja Synrock Materiały szkło ceramiczne

18 Cementowanie Jedna z pierwszych i najbardziej rozpowszechnionych obecnie metod zabezpieczania odpadów nisko- i średnioaktywnych. Zalety: - niskie koszty i łatwość dostępu różnego rodzaju cementów - niskie koszty instalacji - możliwość stosowana dla różnego typu odpadu ( ciekłe, stałe itp.) - dobra stabilność termiczna, chemiczna i fizyczna - niepalność - niska wymywalność dla wielu radionuklidów Wady: - możliwość zachodzenia reakcji chemicznych pomiędzy składnikami odpadów a cementem, które prowadzą do korozji matrycy i znacznego wzrostu wymywanlności radionuklidów ( rozpuszczalne borki, Pb, Zn, cukier, kwas cytrynowy, związki organiczne ).

19 Cementowanie

20 Bituminizacja Metoda ta stosowana jest do immobilizacji substancji radioaktywnych od roku Ocenia się, że całkowita ilość odpadów jakie zostały w ten sposób zabezpieczone przekracza m 3. Odpady radioaktywne są rozpraszane w stopionym bitumenie i fizycznie kapsułowane przez zastygający bitumen. Procesowi temu poddaje się najczęściej odpady w postaci szlamów. W wyniku procesu następuje odparowanie wody. Powstały produkt jest homogeniczną mieszaniną stałego odpadu i bitumenu.

21 Bituminizacja Zalety: - brak rozpuszczalności w wodzie - niska dyfuzja wody - plastyczność - wysoka zdolność do przyjmowania odpadów - łatwa dostępność i niskie koszty - możliwość immobilizacji odpadów ciekłych Wady: - palność - niska odporność na uszkodzenia radiacyjne

22 Bituminizacja

23 Witryfikacja Witryfikacja polega na topieniu odpadów z dodatkami szkłotwórczymi. Powstaje wtedy amorficzny produkt z wbudowanymi składnikami odpadów w makro- i mikrostrukturę. W efekcie składniki odpadów mogą się wbudowywać w strukturę szkła lub też być kapsułowane przez szklistą matrycę.

24 Witryfikacja Szklista matryca Inkluzje 24/19

25 Witryfikacja Szkło uranowe XIX/XX wiek ( 2 25 % mas. Na 2 U 2 O 7 )

26 Witryfikacja Kationy więźbotwórcze Tlenki więźbotwórcze: SiO 2, As 2 O 3, B 2 O 3, P 2 O 5, GeO 2 Tlenki pośrednie: Al 2 O 3, BeO, MgO, Fe 2 O 3, ZrO 2, FeO, TiO 2 Modyfikatory Tlenki modyfikujące: Na 2 O, K 2 O, Li2O, CaO, Cs 2 O, PbO obniżenie temperatury topienia przyspieszanie krystalizacji obniżenie odporności chemicznej

27 Witryfikacja Odpad Dodatki Kalcynacja o C Dodatki szkłotwórcze lub fryta Topienie o C Składowanie Wylewanie do pojemników Odprężanie Krystalizacja

28 Witryfikacja

29 Witryfikacja Składnik KEP-A Korea Pd. R7/T7 Francja GP98/17 Niemcy K26 Rosja MW Wl. Bryt. U-Mo Francja Defence HLW Rosja SiO 2 56,0 53,5 56,7 52,7 61,8 61,1 -- B 2 O 3 15,0 19,1 12,4 8,2 21,9 25,1 -- Al 2 O 3 5,0 9,8 2,7 2, ,0 Li 2 O -- 1, ,2 2,6 -- Na 2 O 21,0 12,0 17,5 17,6 11,1 11,2 21,0 CaO -- 4,4 4,2 16, MgO , TiO , Fe 2 O 3 3, , ,0 P 2 O ,0

30 2. Szkła w immobilizacji odpadów radioaktywnych. Limity rozpuszczalności pierwiastków w szkłach krzemianowych Składnik % mas. Al, Si, P, Pb > 25 Li, B, Na, Mg, K, Ca, Fe, Zn, Rb, Sr, Cs, Ba, Fr, Ra, U Ti, Cu, F, La, Ce, Pr, Nd, Gd, Th, Bi, Zr, Pu 5-15 Mn, Cr, Co, Ni, Mo 3-5 C, S, Cl, As, Se, Tc, Sn, Sb, Te, Np 1-3 H, He, N, Ne, Ar, Br, Kr, Ru, Rh, Pd, Ag, I, Xe, Pt, Au, Hg, Rn < 0.1 Mo, S - usuwane ze stopu tworząc na powierzchni żółtą fazę ( łatwo rozpuszczalne siarczany, chromianów i molibdenianów alkaliów ) odpady problematyczne szkła oparte na fosforanach: żelaza, glinu, ołowiu

31 Witryfikacja Szkła borokrzemianowe ( R7T7, GP98/12.2, SL-1) SiO B2O Na2O 9 11 CaO 5 Li2O 4 Al2O3 3 MgO 3 TiO2 0 3

32 Witryfikacja M. I. Ojovan, W. E. Lee, Glassy wasteforms for nuclear waste immobilization, Metallurgical and Materials Transactions A, 42A(2011)

33 Witryfikacja. Metody topienia wsadu: w piecu wannowym ciepłem Joula indukcyjnie - metoda zimnego tygla plazmowe

34 Witryfikacja JHCM CCM M. I. Ojovan, An introduction to nuclear waste immobilisation, Elsevier Science, Oxford, UK, 2005.

35 Witryfikacja Zalety procesu witryfikacji: duża odporność chemiczna znaczna redukcja objętości ( HLW ok. 15%, LILW ok. 45 % ) niewielki stopień korozji odporność na uszkodzenia radiacyjne wysoka odporność termiczna ( temp. składowania do C ) nieznaczna wymywalność radionuklidów długi czas bezpiecznego składowania ( do 1 mln. lat ) Wady: skład szkieł uzależniony od składu chemicznego odpadów stosunkowo wysokie koszty instalacji

36 Witryfikacja zeszklenie Immobilizacja Spiekanie Zestaw: SiO 2 56 %; P 2 O 5 56 % Na 2 O 21 %; Na 2 O 25 % B 2 O 3 15 %; Al 2 O 3 19 % Al 2 O 3 8 %; Zestaw: SiO 2 56 %; P 2 O 5 56 % Na 2 O 21 %; Na 2 O 25 % B 2 O 3 15 %; Al 2 O 3 19 % Al 2 O 3 8 %; odpad 60 % Sproszkowane szkło: SiO 2 -Na 2 O-B 2 O 3 -Al 2 O 3 P 2 O 5 -Na 2 O-Al 2 O 3 60 % Mieszanie 40 % Mieszanie Prasowanie 40 % Topienie C Spiekanie C Studzenie Odprężanie

37 Synthetic Rock (Synroc)

38 Synthetic Rock (Synroc) Synroc C z 20 % HLW SIA Radon

39 Materiały szkło ceramiczne (GCM) Szkło ceramika szklista matryca w której zatopione są odporne chemicznie fazy krystaliczne przyjmujące do swej struktury składniki odpadu. Faza krystaliczna immobilizuje długożyciowe izotopy a faza amorficzna krótkożyciowe. Faza krystaliczna: - cyrkon - ZrSiO 4 - hollandyt (Ba,Cs) 2 (Mn,Ti,Fe,Cr,V) 8 O 16 - cyrkonalit CaZr x Ti (3-x) O 7 - perowskit CaTiO 3, CaZrO 3 - pirochlory Gd 2 (Ti,Zr) 2 O 7 Synroc - monacyt - (Ce,La,Nd,Yh)PO 4 - apatyty (Ca,Pb,Ba) 10 (P,V,SiO 4 ) 6 (F,Cl,OH,Br,I) 2 - britolit Ca 9 Nd(PO 4 ) 5 (SiO 4 ) - NZP NaZr 2 (PO 4 ) 3 39/19

40 Materiały szkło ceramiczne (GCM) Synroc - glass GCM

41 Kapsułowanie wypalonego paliwa jądrowego (SNF)

42 Składowanie

43 Składowisko Yucca Mountain ( USA )

44 Składowisko Yucca Mountain ( USA )

45 Krajowe Składowisko Odpadów Promieniotwórczych Różan W Polsce odpady promieniotwórcze umieszcza się w płytkim składowisku podziemnym w miejscowości Różan. Konstrukcja dawnego fortu wojskowego (betonowe bunkry i fosy) została przystosowana do przechowywania odpadów przez wiele lat. Składowane są tam stałe i zestalone odpady promieniotwórcze. Odpady te zawierają izotopy krótkożyciowe (<30 lat) i długożyciowe. Wśród zestalonych odpadów znajdują się koncentraty promieniotwórcze (szlamy postrąceniowe, koncentraty powyparne, zużyte jonity, pomoce filtracyjne itp.) przetworzone przy wykorzystaniu asfaltu, cementu i żywic jako materiałów wiążących. Podstawowymi opakowaniami tych odpadów są hoboki metalowe 50 i 70 dm 3 oraz bębny stalowe o poj. 200 dm 3.

46 Krajowe Składowisko Odpadów Promieniotwórczych Różan Wody gruntowe znajdują się pod warstwą gliny o bardzo małej przepuszczalności i warstwą gleby o właściwościach sorpcyjnych na głębokości kilkunastu metrów poniżej składowiska. Skład podłoża przeciwdziała migracji odpadów, które mogłyby przeniknąć do gleby i rozprzestrzenić się dalej poprzez wody gruntowe.

47 1. OPG 2. Areva 3. OPG 2

48 Dziękuję za uwagę!!!!

49