Радиоактивные отходы. Переработка, удаление, захоронение

В целях правильной обработки радиоактивные отходы обычно подразделяются на отходы низкого, высокого и промежуточного уровней радиоактивности.

Отходы низкого уровня радиоактивности. Создается много низкорадиоактивных отходов, подлежащих удалению, на заводах по переработке урановой руды, в исследовательских лабораториях, в системах охлаждения и промывки атомных реакторов, в больницах, отходосжигательных печах и системах вентиляции зданий. Загрязнение этого типа обычно является легким, однако объем загрязненных отходов весьма велик.

Отходы высокого уровня радиоактивности. Высокорадиоактивные отходы представляют собой использованное («отработавшее») топливо из ядерных реакторов, а также агрессивные жидкости, остающиеся после переработки такого топлива с целью извлечения плутония и урана. Объем высокорадиоактивных отходов относительно мал, но большая их часть остается радиоактивной в течение долгого времени.

Отходы промежуточного уровня радиоактивности. К этой категории относятся разнообразные типы отходов, не попадающие ни в одну из двух категорий, отмеченных выше. Она включает конструктивные узлы реакторов, материалы, сильно загрязненное оборудование и стоки.

Выбрасываемые отходы могут быть газами или частицами, взвешенными в воздухе в форме аэрозолей. Твердые частицы выбрасываются в виде пыли или дыма; жидкие частицы обычно образуют туман. Воздушные потоки, переносящие эти аэрозоли или газы, подлежат очистке перед выбросом в атмосферу.

Твердые радиоактивные отходы могут возникать в результате добычи и переработки радиоактивных руд, производства ядерных топлив, деятельности лабораторий и механической обработки материалов на заводах по производству топлив. Физические и химические процессы очистки воздуха и обработки жидкостей дают полужидкие отходы и концентраты. Радиоактивное загрязнение оборудования и рабочих тел происходит при всех указанных типах работ, и загрязненные материалы должны быть переработаны или удалены.

Радиация, существующая на свалках радиоактивных отходов, вызывается распадом атомов радиоактивных веществ, присутствующих в отходах. Столкновение продукта распада с атомом в воздухе, теле человека или материале приводит к выбиванию электрона, так что образуется положительно заряженный атом. Выбитый электрон может присоединиться к другому атому, зарядив его отрицательно. Заряженные таким образом атомы, называемые ионами, могут нарушить равновесие в тканях тела и вызвать разрушение клеток.

Радиоактивные изотопы некоторых элементов имеют период полураспада, измеряющийся лишь секундами. С другой стороны, изотоп углерода ¹⁴C, широко используемый в биологических исследованиях, имеет период полураспада 5568 лет.

Безусловно, инженеры, занимающиеся переработкой радиоактивных отходов, должны обеспечить защиту для сотен будущих поколений и составить подробное описание мест и методов переработки долгоживущих отходов.

В любом реакторном топливе образуются сотни продуктов деления, и их периоды полураспада имеют значения от секунд до тысяч лет. При удалении таких отходов особое внимание надо уделять долгоживущим продуктам деления, в частности изотопу стронция ⁹⁰Sr и изотопу цезия ¹³⁷Cs, которые опасны для живых тканей.

Газообразные отходы. Поскольку радиоактивные материалы в воздухе и газах крайне опасны, для очистки несущего их воздушного потока нужно использовать высокоэффективную систему. Предельную осторожность следует проявлять при удалении загрязненного очистителя и извлекаемых из него материалов. Загрязняющие атмосферу газы могут представлять собой, например, изотоп аргона ⁴¹Ar в выходящем из атомных реакторов воздушном потоке или коррозионно-активные газы, содержащие пары кислот, которые образуются в процессах извлечения металлов, используемых в производстве ядерных топлив. Инертные газы, в частности аргон, обычно выбрасываются через дымовые трубы большой высоты и рассеиваются в атмосфере.

Для обработки растворимых или химически активных газов, содержащих радиоактивные элементы или соединения, можно применять газоабсорбционные методы, в том числе насадочные колонны, твердые абсорбенты и реакции типа «твердое вещество – газ». Радиоактивные частицы или аэрозоли можно удалять с помощью обычного оборудования для воздухо- и газоочистки. Очищенный газ может выпускаться в атмосферу, однако извлеченные из него материалы становятся жидкими или твердыми отходами, которые подлежат удалению другими методами.

Жидкие отходы. Радиоактивные вещества, растворенные в воде или других жидкостях, можно удалить методами химического осаждения. Так, радиоактивный стронций быстро удаляется путем добавления нерадиоактивного стронция в качестве носителя либо путем добавления бария и свинца. Низкорадиоактивные отходы, содержащие коллоидные и взвешенные частицы твердых материалов, можно очистить обычными методами водоочистки, используя коагулянты, глину и полиэлектролиты. Фильтрование потока жидкости повышает степень очистки.

Растворимые радиоактивные отходы можно обрабатывать ионообменными смолами, анионными либо катионными, или посредством полной деминерализации. Необходима предварительная очистка жидких отходов перед вводом их в ионообменник с целью удаления всех частиц, которые могли бы покрыть слой смолы. Можно также использовать абсорбционные свойства глины для извлечения радиоактивных катионов из жидких отходов, сливаемых в почву. Удаление отработавших смол и глин – проблема удаления твердых отходов (см. ниже). Обычно отработавшие смолы сжигаются для концентрирования радиоактивных материалов в золе или же подвергаются захоронению. Загрязненные глины можно отвердить путем обжига.

Выпаривание – наиболее эффективный способ разделения радиоактивных отходов на две фракции: высокорадиоактивную густую массу и незагрязненную жидкость. С этой целью использовались перегонные кубы, паровое сжатие и испарители взрывного вскипания. Сообщалось о достижении коэффициентов очистки выше 106.

Процессы биохимической обработки имеют ограниченное применение, поскольку большинство радиоактивных материалов – неорганические вещества. Микроорганизмы могут концентрировать только те радиоактивные вещества, которыми они питаются.

Оседание радиоактивных материалов на металлических деталях канализационной сети зданий может представлять опасность для рабочего персонала лабораторий и больниц. Для очистки таких сетей, загрязненных низкоактивными радиоизотопами, обычно используются кислотные или щелочные растворы.

Сбрасывание низкорадиоактивных жидких отходов в окружающую среду вошло в практику радиоизотопных лабораторий. Хотя высокорадиоактивные жидкие отходы надо хранить в течение многих лет, а возможно, и веков. Контейнеры с отходами хранятся под землей, чтобы предотвратить вскипание жидкости в результате выделения тепла при распаде содержащихся в них радиоактивных веществ.

Захоронение жидких отходов низкого и промежуточного уровней радиоактивности в землю возможно при определенных климатических и геологических условиях. Жидкие отходы до сих пор сливались в землю через специальные колодцы, канавы и земляные отстойники. Много продуктов деления адсорбируется на почвах. В настоящее время исследуется возможность захоронения высокорадиоактивных жидких отходов в естественных и искусственных подземных пустотах, в подземных либо подводных полостях гранита, мерзлой глине или соляных шахтах и куполах.

Твердые отходы. Такие отходы могут удаляться путем захоронения, сжигания или переплавки (в случае металлических отходов). Места захоронения для удаления загрязненных твердых отходов и лома имеются в различных регионах США и России, а также во Франции, Германии, Бельгии, Швеции и других странах. Захоронение производится в котлованах или пустотах с покрытием землей либо бетоном. На выбор места захоронения влияют рельеф местности, геологическое строение пластов, почвенные, гидрологические и метеорологические характеристики и возможности доставки.

Лабораторные работы могут породить большие количества сжигаемых загрязненных отходов, среди которых фильтровальная бумага, абсорбирующие материалы, одежда, перчатки, тряпки, деревянные предметы. Объем таких твердых отходов может быть уменьшен путем сжигания, причем зола и летучие радиоактивные вещества удаляются по отдельности. Сжигание горючих отходов будет использоваться и впредь как важный метод удаления.

Переработка урановой руды и другие процессы в атомной промышленности ведут к появлению больших количеств загрязненного чугунного и стального оборудования. Такие материалы могут быть вновь использованы: при переплавке уран уносится со шлаком и уже не представляет опасности для здоровья.