¿Cómo abordar los residuos nucleares?
Los desechos nucleares generalmente se refieren al desmantelamiento de instalaciones nucleares después de la extracción, producción, procesamiento y reprocesamiento del combustible nuclear gastado, así como a los desechos radiactivos innecesarios utilizados en los reactores nucleares. En términos generales, existen tres tipos de residuos nucleares: residuos nucleares de baja actividad radiactiva, residuos nucleares de media actividad y residuos nucleares de alta actividad. La primera categoría suele incluir algunos elementos y algunos gases y líquidos residuales que fueron irradiados durante el proceso de producción de las centrales nucleares; la segunda categoría suele incluir algunos líquidos residuales producidos durante el proceso de generación de energía; la tercera categoría es el combustible gastado reemplazado del reactor; núcleo, que es muy radiactivo, ya que su utilización sólo alcanza un pequeño porcentaje.
Los residuos nucleares se caracterizan por la radiactividad, los riesgos de radiación y la liberación de energía térmica.
Los radionucleidos en los desechos nucleares enterrados a gran profundidad liberan calor de desintegración durante el proceso de desintegración, lo que equivale a agregar una fuente de calor al campo medio subterráneo. La existencia de la fuente de calor primero cambia la distribución de temperatura del campo medio subterráneo. Los cambios de temperatura afectan la migración del fluido al afectar la viscosidad y densidad del fluido. También cambia las propiedades químicas de algunas sustancias, afectando así directamente al nucleido. Migración del campo medio subterráneo. Los cambios de temperatura también pueden hacer que las grietas se abran y cierren, afectando el campo de tensión subterráneo. Por tanto, la existencia de fuentes de calor tiene un gran impacto en el medio ambiente, pero se concentra principalmente en zonas cercanas al área de campo.
Además, los nucleidos presentes en los residuos solidificados pueden filtrarse de los envases y entrar en la biosfera con la migración de las aguas subterráneas, afectando así al entorno humano.
Existen muchos tipos de residuos nucleares, que se dividen en tratamiento de gases residuales radiactivos, tratamiento de líquidos residuales radiactivos, tratamiento de solidificación y métodos de disposición final tratados o no tratados.
1. Tratamiento de gases residuales radiactivos
Los gases residuales radiactivos suelen existir en forma de pequeñas gotas, aerosoles y gases volátiles. Proviene principalmente del sistema de proceso del reactor nuclear y del sistema de escape de cada taller. Los gases de escape en el sistema de proceso son principalmente gases inertes neón y yodo con mayor radiactividad, mientras que el sistema de escape de la fábrica generalmente contiene gases activados y aerosoles. El yodo-131 es altamente dañino pero en pequeñas cantidades. El yodo-131 tiene una vida media larga. Aunque su contenido es menor que otros, es altamente tóxico y tiene un efecto de concentración en los humanos. Por lo tanto, se debe prestar gran atención al tratamiento del yodo-131 en los gases residuales. Generalmente, se procesa mediante un recolector de polvo, un condensador, un depurador de yodo y nitrato de mercurio y un absorbente de óxido de nitrógeno, y luego se procesa mediante un segundo depurador de yodo, un absorbente de yodo de zeolita que contiene plata y un filtro de partículas de alta eficiencia. , y finalmente pasa a través de una chimenea a gran escala de 100 metros de altura que sale a la atmósfera.
2. Tratamiento de líquidos residuales radiactivos
Debido a que el líquido residual radiactivo es fácil de remojar, altamente corrosivo y difícil de almacenar, su tratamiento es el más importante.
Un método consiste en neutralizar inicialmente las aguas residuales aceitosas y agitarlas con lechada de cal a temperatura ambiente hasta que el valor de pH alcance 10,0 ~ 10,5. Durante el proceso de neutralización, la precipitación avanza rápidamente y los hidróxidos insolubles resultantes precipitan juntos. Este método puede eliminar eficazmente el uranio, el radio y otras sustancias nocivas del líquido residual.
En el sistema de tratamiento de residuos radiactivos de las centrales nucleares, la resina de intercambio iónico se utiliza habitualmente para el drenaje y drenaje del proceso de tratamiento. Para mejorar la vida útil y la eficiencia de purificación del intercambio iónico, generalmente se instalan prefiltros y postfiltros antes y después del lecho de intercambio iónico. El prefiltro se utiliza para eliminar materia suspendida y partículas sólidas; el postfiltro se utiliza para evitar la dispersión de partículas de resina.
El método de tratamiento de líquidos residuales de bajo nivel radiactivo mediante electrodiálisis se suele realizar en dos pasos. El primer paso es reducir la concentración de sal del líquido residual radiactivo con alto contenido de sal a un nivel suficientemente bajo mediante electrodiálisis, y el segundo paso es eliminar la sal residual y las sustancias radiactivas mediante una resina de intercambio iónico.
La planta de energía nuclear No. 3 de Qinshan es única porque adopta tecnología de reactor de agua pesada extranjera y es la primera planta de energía nuclear con reactor de agua pesada comercial de China. Su diseño de tratamiento de aguas residuales nucleares es extremadamente novedoso y único. Puede reducir en gran medida la cantidad de desechos secundarios y reducir en gran medida los costos de uso del sitio y los costos de tratamiento de aguas residuales de las centrales nucleares.
En la central nuclear n.º 3 de Qinshan, dos tanques de almacenamiento almacenan aguas residuales radiactivas de nivel medio y alto, y tres tanques de almacenamiento almacenan aguas residuales radiactivas de bajo nivel. Si las sustancias radiactivas de vida corta en las aguas residuales del tanque de almacenamiento se desintegran por completo cuando el nivel de las aguas residuales alcanza una cierta altura, encienda la bomba de circulación del tanque de almacenamiento de aguas residuales y manténgala funcionando durante más de 1 hora para que las aguas residuales del tanque de almacenamiento se llenen por completo. mezclado. Si todos los indicadores cumplen con los estándares de descarga, las aguas residuales en la caja de muestreo y análisis se pueden descargar directamente al exterior.
Si las aguas residuales moderadamente radiactivas no cumplen con los estándares de vertido directo después del tratamiento, se deben depurar y descontaminar nuevamente. El flujo del proceso del circuito de purificación de aguas residuales radiactivas se muestra en la Figura 1. Si la diferencia de presión en el puerto del filtro del sistema es anormal durante el funcionamiento del equipo, significa que el filtro está obstruido y el elemento filtrante del sistema debe reemplazarse a tiempo. Si el material absorbente falla, será necesario reemplazarlo. El análisis de muestreo es una referencia directa para determinar el número de ciclos de purificación y el efecto de purificación.
Hay noticias discretas en la edición del 5 de mayo de "Vías Urbanas, Puentes y Control de Inundaciones", 2011.
Nuestro país ha desarrollado con éxito una nueva tecnología que puede adsorber y filtrar de manera rápida y eficiente aguas residuales contaminadas con energía nuclear. Puede usarse para prevenir la propagación de isótopos de yodo radiactivo como el yodo-131, y puede usarse ampliamente en emergencias por accidentes nucleares. tratamiento de aguas residuales y protección de instalaciones nucleares. Este material adsorbe yodo-131 con una eficacia asombrosa. 10 g de nuevo material fabricado con esta nueva tecnología: partículas biocerámicas catalíticas, pueden absorber y fijar hasta el 99,97 % del yodo-131 radiactivo cuando se sumergen en aguas residuales nucleares que contienen 12640 bq/L de yodo-131 radiactivo durante 20 minutos. Las pruebas han demostrado que este nuevo material se puede utilizar para filtrar aguas residuales de yodo-125 con radiactividad de hasta 18.500 Bq/L, utilizando sólo cinco veces más agua de lluvia, y la tasa de eliminación de yodo-125 radiactivo llega hasta el 2%.
El principio básico del tratamiento de aguas residuales de ALPS es la adsorción de siete adsorbentes que incluyen carbón activado, titanato, ferrocianuro, carbón activado impregnado, óxido de titanio, resina quelante y resina. Algunos estudios creen que incluso si las aguas residuales contaminadas con armas nucleares de Fukushima, Japón, se tratan con un sistema de eliminación de nucleidos (ALPS), sólo pueden diluir el elemento radiactivo "tritio" sin ningún efecto de eliminación. El gobierno de Corea del Sur cree que después del tratamiento oportuno de las aguas residuales nucleares de Fukushima, el valor de contaminación aún excedió el estándar en 20.000 veces, y el sistema de tratamiento de múltiples nucleidos de la planta de energía nuclear de Fukushima falló hasta ocho veces.
3. Solidificación del líquido residual radiactivo
La solidificación del líquido residual radiactivo debe lograr dos propósitos: uno es inmovilizar el líquido residual y el otro es aprisionar los radionucleidos durante un tiempo prolongado. tiempo. Para cumplir los requisitos anteriores, el producto curado debe tener suficiente resistencia al daño. Una vez curado facilita el transporte, almacenamiento y disposición final. Su rendimiento generalmente se mide por la estabilidad a la radiación, la estabilidad térmica, la estabilidad mecánica y la estabilidad química. El proceso de solidificación incluye la evaporación y concentración de líquidos residuales, la desnitrificación, el secado, la calcinación, la solidificación en estado fundido y el recocido. Este método incluye el curado de cemento, plástico, asfalto, vidrio y roca artificial.
En 1978, se puso en producción en Makor la primera máquina de vitrificación continua (AVM) a escala industrial del mundo. ¿AVM ha procesado más de 2000 m? Líquido residual. La experiencia operativa ha demostrado que el dispositivo AVM tiene éxito. No sólo el proceso es perfecto, sino que la vida útil de los componentes del calcinador supera las 10.000 h·h para solidificar los residuos de alta actividad radiactiva generados por el posprocesamiento del agua ligera. elementos combustibles de óxido del reactor, Francia desarrolló el dispositivo AVH. El proceso de AVH es similar al de AVM y los componentes principales se amplían con referencia a AVM. Una de las principales diferencias es que la planta de vitrificación R7 construida en la planta UP-2 utiliza un aditivo de calcinación diferente (R7 usa un tanque) para reducir la volatilización del rutenio. La fábrica francesa UP3 y la fábrica UP2-800 T7 y R7 tienen cada una tres líneas de producción de curado de vidrio, que utilizan equipos AVH. La práctica ha demostrado que la vitrificación es flexible porque las partículas finas producidas por la disolución del combustible gastado y el líquido residual alcalino producido por el procesamiento del fundente se han solidificado en el cuerpo de vidrio.
El Reino Unido ha estudiado el método de curado en crisol del vidrio discontinuo, y el crisol curado se utiliza como recipiente de almacenamiento para el cuerpo de vidrio. Este método utiliza diferentes secciones transversales del crisol para lograr la evaporación del líquido residual radiactivo de alto nivel, la calcinación del concentrado y la fusión del vidrio, y la temperatura de la sección transversal de fusión alcanza 65438 ± 0050 ℃. Posteriormente, el Reino Unido decidió utilizar el proceso AVM continuo de Francia para tratar los residuos de Sellafield y construir una unidad WVP.
Alemania, Estados Unidos y Japón comenzaron a estudiar el uso de métodos de curado en hornos cerámicos a mediados de los años 1970. En Karlsruhe se construyeron dos plantas de curado. La capacidad de procesamiento del primer horno cerámico es de 20-40 kg/h, y la capacidad de procesamiento del segundo horno cerámico es de 100 kg/h. Agregue el líquido residual y el vidrio al horno de fusión de cerámica, el líquido residual se evapora en el horno y. el vidrio se derrite, el vidrio se vierte en el recipiente.
Resultados experimentales en Estados Unidos demuestran que los hornos cerámicos similares a los utilizados en la industria del vidrio tienen amplias perspectivas de aplicación. Con base en los resultados del estudio, Estados Unidos decidió adoptar el proceso de horno cerámico de un solo paso para todas las unidades de curado que se construirían. Estados Unidos ha establecido una instalación de eliminación de desechos de defensa en la base del río Savannah, la Instalación de Vitrificación de Residuos Líquidos de Alto Nivel, que es la instalación de vitrificación más grande del mundo. ¿La planta de curado de vidrio estadounidense Xigu ha construido 2300 m? Después de procesar el líquido residual altamente radiactivo, * * * se construyeron 250 tanques de solidificación de vidrio.
Después de estudiar varios métodos de vitrificación de residuos de alta actividad radiactiva en Japón, se optó por el método de vitrificación en horno de fundición cerámica para solidificar los residuos de la Planta de Reprocesamiento de Tokai.
Desde 1974, Rusia ha estudiado dos métodos de vitrificación de líquidos residuales, denominados método de dos pasos y método de un solo paso. En 1987, Rusia construyó una instalación de solidificación de vidrio, horno de calentamiento de cerámica EP-500 Joule. Actualmente, hay tres hornos en funcionamiento. ¿A finales de 1999 se habían solidificado 12.500 m? Residuos radiactivos de alta actividad.
En la actualidad, no sólo Estados Unidos, Rusia, Francia y el Reino Unido han construido dispositivos de solidificación de vidrio líquido residual de alto nivel, sino que también Japón, Bélgica, India y otros países han construido instalaciones de este tipo.
4. Métodos de eliminación
Los métodos de eliminación incluyen el vertido en el océano, la eliminación cerca de la superficie, la eliminación geológica y la eliminación en el espacio.
Los vertidos al océano han sido prohibidos por la Agencia Internacional de Energía Atómica, pero Japón se atreve a ser el primero del mundo. Los cálculos de una institución alemana de investigación científica marina muestran que los materiales radiactivos se extenderán a la mayoría de las zonas del Pacífico en un plazo de 57 días a partir de la fecha de su descarga, y que Estados Unidos y Canadá también se verán afectados por la contaminación nuclear tres años después.
Los principales objetos de eliminación cerca de la superficie son los residuos radiactivos de actividad media y baja, que se entierran a sólo 10 metros del suelo. El período de supervisión de seguridad es de 300 a 500 años.
Los principales objetos de eliminación geológica son los residuos de actividad alta y los residuos de actividad media de larga vida enterrados a cientos o incluso miles de metros bajo tierra en formaciones rocosas de la corteza terrestre. Residuos de larga duración La eliminación geológica sigue siendo un problema mundial.
El procesamiento espacial consiste en poner residuos nucleares en un vehículo de lanzamiento, lanzarlos al espacio y almacenarlos permanentemente en el espacio. Esta idea fue propuesta por primera vez en 1959 por Kabiza, un académico de la antigua Academia de Ciencias Soviética. En 1989, este plan fue propuesto nuevamente por el famoso físico estadounidense Schlesinger, con argumentos relevantes. Según datos reales, la tasa de accidentes de lanzamiento de vehículos de lanzamiento suele rondar el 2%. Para solucionar el desastre nuclear resultante, los expertos dedicaron mucho esfuerzo a diseñar y construir contenedores sellados y decidieron utilizar acero de titanio de alta resistencia para fabricar la capa exterior. La superficie está recubierta con múltiples capas de material aislante. Según el diseño, el contenedor sellado tiene forma de bala, mide 3,4 metros de alto y 3 metros de diámetro interior y está dividido en tres compartimentos de aislamiento. Pero este enfoque es sólo una idea en la situación actual.
A principios de los Estados Unidos, los tanques de acero al carbono se utilizaban para almacenar líquidos residuales alcalinos y neutros de alto nivel radiactivo. Se han descubierto fugas en más de 20 de los 183 tanques de almacenamiento de acero al carbono en las plantas de Hanford y Savannah River. El líquido residual neutro producirá sedimentación del lodo, que transporta la mayoría de los radionucleidos. Esto ocurrió en las plantas de Hanford, Savannah River y Seguro. Los tanques de almacenamiento revestidos de acero al carbono utilizados en la planta de Hanford tienen 23 m de diámetro, 6-12 m de profundidad y una capacidad de 1800-3700 m3. . La planta de Hanford permite que el líquido residual hierva en un tanque de almacenamiento y el calor de descomposición se elimina a través de un condensador de ventilación. Si se permite la concentración autoevaporativa, se producirá más precipitación en el tanque de almacenamiento. Los tanques sin refrigeración interna colapsarán a medida que estos sólidos se hundan hasta el fondo del tanque. Para resolver el problema de la ebullición, la planta de Hanford utiliza un método de agitación por elevación de aire interno para aliviar la ebullición del líquido residual después del llenado.
La experiencia de Estados Unidos, Reino Unido y otros países en el almacenamiento de residuos líquidos radiactivos altamente concentrados ha demostrado que los tanques de acero inoxidable son actualmente la única tecnología de almacenamiento intermedio ampliamente utilizada. Para evitar posibles fugas se deben tomar dos medidas de seguridad. En primer lugar, el tanque debe colocarse en una sala de equipos subterránea, donde un revestimiento de acero inoxidable pueda acomodar todo el tanque. En segundo lugar, el tanque de almacenamiento en uso debe conectarse al tanque vacío para evitar fugas y transferir el líquido residual. Para evitar que el líquido residual de alto nivel hierva y mantener su temperatura por debajo de 60°C, el dispositivo de almacenamiento debe estar equipado con un sistema de refrigeración con margen suficiente. El sistema de refrigeración debe estar conectado a un intercambiador de calor externo. El tanque de almacenamiento también está equipado con un sistema de mezcla neumático y un sistema de monitoreo automático.
Los nanomateriales tienen ventajas obvias en el tratamiento de residuos nucleares. En algunos aspectos, no pueden ser reemplazados por materiales convencionales. Los aspectos relacionados requieren una investigación sistemática y profunda.
5. Gestión del combustible gastado
El combustible gastado es el más difícil de tratar, el más dañino y tiene la vida media más larga entre los desechos nucleares.
El combustible gastado se ha convertido naturalmente en la máxima prioridad en la gestión de residuos nucleares. El combustible gastado a menudo requiere reprocesamiento antes de su eliminación final.
El reprocesamiento del combustible gastado también es un vínculo importante para garantizar el desarrollo sostenible de la energía nuclear. El uranio y el plutonio útiles pueden recuperarse del combustible gastado irradiado mediante reprocesamiento y luego convertirse en nuevos elementos combustibles para su uso en reactores térmicos o reactores rápidos, lo que puede mejorar en gran medida la utilización de los recursos de uranio.
Si en el futuro se implementa un ciclo de circuito cerrado de combustible nuclear para reactores rápidos, la tasa de utilización de los recursos de uranio se puede aumentar unas 60 veces, lo que significa que el uranio natural que se puede utilizar durante 50- 60 años se pueden utilizar durante más de 3.000 años. El reprocesamiento del combustible gastado no sólo recupera grandes cantidades de uranio y plutonio útiles, sino que también reduce en gran medida la toxicidad y el volumen de desechos radiactivos de alto nivel que deben eliminarse.
La tecnología de reprocesamiento de combustible gastado tiene una historia de más de 50 años. En la actualidad, entre los países del mundo que se dedican al reprocesamiento comercial se encuentran Francia, Reino Unido, Rusia, Japón, India, etc. Francia y el Reino Unido son líderes mundiales en reprocesamiento comercial a gran escala. A mediados de la década de 1970, Estados Unidos detuvo por completo las actividades comerciales de reprocesamiento por razones políticas, pero nunca detuvo la investigación sobre tecnología de reprocesamiento. En 2006 se anunció claramente un plan para reiniciar el posprocesamiento.
Las plantas de reprocesamiento comerciales a gran escala actualmente en funcionamiento incluyen: la planta de Ague en Francia, con una capacidad de procesamiento de 1.700 toneladas de metales pesados por año y la planta de reprocesamiento de Sellafield en el Reino Unido, con una capacidad de procesamiento anual de 900; montones. Actualmente existen 6 plantas de reprocesamiento en Kotobuki, Japón, con una capacidad de procesamiento anual de 800 toneladas.
Más de 50 años de experiencia operativa demuestran que Purex es un excelente proceso de postratamiento. A medida que mejora el proceso Purex, ahora es posible diseñar productos que puedan manejar una variedad de combustible gastado y producir productos que cumplan con diversos requisitos de pureza y concentración.