ГЕОЛОГИЯ РУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ, 2013, том 55, № 2, с. 87-113
УДК 548.31
СТЕКЛА ДЛЯ ИММОБИЛИЗАЦИИ ОТХОДОВ НИЗКОГО И СРЕДНЕГО УРОВНЕЙ РАДИОАКТИВНОСТИ
© 2013 г. Н. П. Лаверов*, Б. И. Омельяненко*, С. В. Юдинцев*, С. В. Стефановский**, Б. С. Никонов*
*Институт геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии РАН 119017, Москва, Ж-17, Старомонетный пер., 35 **Государственное унитарное предприятие — Объединенный эколого-технологический и научно-исследовательский центр по обезвреживанию РАО и охране окружающей среды (Мос НПО "Радон")
119121, Москва, 7-й Ростовский пер., 2/14 Поступила в редакцию 22.11.2012 г.
Переработка облученного ядерного топлива (ОЯТ) с целью извлечения делящихся элементов — непременное условие развития ядерной энергетики в долгосрочном плане. Препятствие в решении этой задачи — образование большого количества жидких отходов, из которых более 99% объема составляют низко- и среднеактивные отходы (НСАО). Объем высокоактивных отходов (ВАО), характеризующихся высоким тепловыделением, не превышает долей процента. Растворимость стекол при повышенных температурах делает их малопригодными для иммобилизации ВАО, изоляцию которых способны обеспечить только минералоподобные матрицы. Стекла служат идеальной матрицей для отходов низкого и среднего уровней радиоактивности (НСАО), которые характеризуются низким тепловыделением. Растворимость боросиликатных стекол при низких температурах столь мала, что даже стекла с относительно невысокой устойчивостью способны обеспечить безопасность подземных хранилищ НСАО без дополнительных инженерных барьеров. Оптимальный способ изоляции жидких НСАО — их концентрирование, иммобилизация в боросиликатных стеклах и захоронение в приповерхностных геологических хранилищах. При остекловывании 1 м3 жидких НСАО с концентрацией солей около 300 кг/м3 получается всего 0.2 м3 отходов, что в 4—6 раз меньше, чем при битумировании и в 10 раз, чем при цементировании. Экологические и экономические преимущества остекловывания НСАО определяются: 1) низкой растворимостью остеклованных НСАО в природных водах; 2) высокой степенью уменьшения объема НСАО; 3) возможностью размещения остеклованных отходов без дополнительных инженерных барьеров в приповерхностных условиях в разнообразной геологической среде; 4) хорошими прочностными характеристиками стекол, облегчающими их хранение и транспортировку; 5) а также надежными гарантиями безопасности хранилищ в долгосрочном плане. При выборе состава стекломатриц для НСАО главное внимание должно уделяться факторам, обеспечивающим высокую технологическую и экономическую эффективность остекловывания. Результаты изучения остеклованных НСАО Курской (реакторы РБМК) и Калининской (реакторы ВВЭР) АЭС после их 14-ти летнего нахождения в приповерхностном хранилище полигона НПО "Радон" подтверждают возможность обеспечения безопасности хранилищ за счет изоляционных свойств боросиликатной матрицы. Наиболее эффективным способом остекловывания является индукционное плавление в "холодном тигле" (ИПХТ). При содержании в отходах химического элемента выше его растворимости в стеклах при остекловывании образуется кристаллическая фаза и матрицей для таких отходов становится стеклокерамика. Приведена характеристика остеклованных отходов с высоким содержанием Fe; № и А1; Fe и А1; № и В. Состав стеклофритты и ее количественное соотношение с отходами подбираются в зависимости от состава отходов. Решение этой задачи для отходов конкретного типа требует проведения серьезных лабораторных исследований.
DOI: 10.7868/S0016777013020032
ВВЕДЕНИЕ
Важнейшее условие реализации концепции замкнутого топливного цикла — это решение проблемы экологически безопасного и экономически эффективного способа переработки и изоляции жидких радиоактивных отходов (РАО), обра-
Адрес для переписки: Б.И. Омельяненко. E-mail: bio@igem.ru
зующихся при регенерации облученного ядерного топлива (ОЯТ). Значительные трудности в ее решении связаны с отходами низкого и среднего уровней радиоактивности (НСАО), на долю которых приходится более 99% суммарного объема жидких отходов. По данным ГК "Росатом", к началу 2011 г. в России накоплено 426.5 млн. м3 жидких РАО, из которых 424.3 млн. м3 составляют
НАО, 1.99 млн. м3 - САО и 0.082 млн. м3 - ВАО. Анализ существующих способов обращения с НСАО (Лаверов и др. 2009, 2012) показал, что выпаривание, концентрирование, иммобилизация НСАО в боросиликатных стеклах и захоронение в приповерхностных геологических хранилищах позволяют: 1) существенно уменьшить объем отходов; 2) перевести их в такую форму, которая в стандартных гидрогеохимических условиях способна воспрепятствовать поступлению радионуклидов в подземные воды; 3) обеспечить химическую устойчивость остеклованных отходов в течение времени, необходимого для достижения безопасного уровня радиоактивности. При этом для обеспечения безопасности хранилищ дополнительных инженерных барьеров не требуется. В указанных работах не были затронуты вопросы, касающиеся способов остекловывания и влияния состава НСАО и стеклофритты на свойства остеклованных отходов. Этой проблеме посвящена предлагаемая статья.
В настоящее время в различных странах остек-ловывание широко используется для иммобилизации высокоактивных отходов (ВАО). Вместе с тем, по мнению авторов, стекла пригодны лишь для иммобилизации НСАО и фракций долгожи-вущих радионуклидов с низким тепловыделением. Для иммобилизации тепловыделяющих высокоактивных отходов стекла не пригодны. Это связано с тем, что на выщелачивание элементов из стекол очень большое влияние оказывает температура. Растворимость боросиликатного стекла при 150°С в 30-100 раз, а при 300°С в 102-105 раз выше, чем при 50°С. Во влажном воздухе при 200°С скорость коррозии стекла возрастает с 0.024 мкм в сутки при 125°С до 6.4 мкм в сутки. Еще большее влияние температура оказывает на растворимость в воде натрий-алюмофосфатных стекол. При росте температуры с 70 до 170°С скорость растворения возрастает на три порядка. В период высокого тепловыделения реальным инженерным барьером, защищающим ВАО от воздействия влажного воздуха или подземных вод, является не стекло, а стальная канистра, в которой оно находится. Во Франции, где остекловано наибольшее количество ВАО, при обосновании безопасности хранилищ специалисты исходят из предпосылки, что стальные канистры будут изолировать отходы от воздействия подземных вод в течение 4000 лет. Во всех французских публикациях дается высокая оценка изоляционным свойствам стекломатрицы (Nuclear..., 2009; Corrosion..., 2010). В этом крайне заинтересованы энергопроизводящие компании, так как остекловывание ВАО является наименее затратным и наиболее технологически отработанным способом их иммобилизации. В действительности безопасность хранилищ ВАО обеспечивается не столько химической устойчивостью стекол, а высокой коррозионной
стойкостью металлических контейнеров. Если на ранней стадии хранения произойдет их разгерметизация, то это приведет к быстрой деградации высокоактивных стекол. Надежную изоляцию тепловыделяющих ВАО способны обеспечить лишь кристаллические минералоподобные матрицы.
ОТВЕРЖДЕНИЕ РАО - НЕОБХОДИМОЕ УСЛОВИЕ ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
Опыт обращения с РАО убедительно показал, что обеспечить изоляцию твердых отходов от окружающей среды намного легче, чем жидких. В этой связи Международным агентством по атомной энергии (МАГАТЭ) была признана необходимость перевода жидких РАО в отвержденные формы. Вопрос о критериях выбора формы и способах отверждения исследовался в разных странах с 1950-х годов. Из элементов мультибарьерной системы защиты окружающей среды в качестве главного барьера признана геологическая среда. Однако из-за сложности распределения водопро-водящих структурных элементов и возможности их изменения тектоническими процессами можно лишь приближенно оценить срок, в течение которого она обеспечит изоляцию радионуклидов. Оценка изоляционных свойств матриц, несомненно, более надежна, так как осуществляется на основе лабораторных экспериментов. Это является важным преимуществом инженерных барьеров (особенно матриц) по сравнению с геологической средой. Главные характеристики матриц РАО - структура и состав, фазовые переходы при нагреве и воздействии радиации, взаимодействие с природными водами, механизм и скорость деградации, механические свойства, возможности реализации эффективной технологии производства.
История изучения форм РАО в различных странах детально описана В. Лутцем (Lutze, 1988). Главный результат этих исследований - вывод о том, что оптимальной консервирующей матрицей для РАО является стекло. Благодаря аморфной структуре оно способно включать в свой состав большое число элементов с различным размером атомов, а также характеризуется высокой устойчивостью к радиационному воздействию.
Структуру стекла определяют тетраэдры
или PO4 соединенные общими мостиковыми атомами кислорода в трехмерный каркас. В него встраиваются другие стеклообразователи — B3+, Al3+ и Fe3+, тогда как крупные катионы щелочей, лантанидов и актинидов занимают промежутки (интерстиции) этого каркаса.
Таблица 1. Растворимость элементов в силикатных стеклах (Ожован, Полуэктов, 2010)
Растворимость, вес. % Элементы
>25 А1, В, Са, Се, К, №, РЬ, Rb, 81, и
15-25 Ва, Fe, :Еа,Ы, Мб, Ш, Бг, 7п
5-15 Ве, В1, Си, I, Ga, Ge, Мп, Р, Рг, Ри, ТЪ, Т1, V, 7г
1-5 Ат, Аб, С, Cd, Се, С1, Ст, Со, Сг, Dy, Еи, Щ Мо, N1, Кр, Рт, Re, Б, БЬ, Бе, Бт, Бп, Тс, Т1, Y
<1 Аб, Аи, Вг, Нб, I, К, Pd, Рг, Ru
В процессе остекловывания получается преимущественно однородная масса с небольшим количеством микровключений тугоплавких соединений или малорастворимых компонентов, микроликвационных выделений (стеклообразные включения иного состава, чем основная масса стекла), а также газовых пузырьков. Варят стекла при температуре 1050—1350°С в специальных печах. К настоящему времени в мире накоплено порядка 15000 т остеклованных ВАО. В России остекловано 28 тыс. м3 жидких ВАО с активностью около 640 млн. Ки (Кириллов, 2012). При выборе состава стекол специалисты руководствую
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.