Odpady promieniotwórcze.doc

Odpady promieniotwórcze

Problemy związane z gospodarką odpadami promieniotwórczymi są najbardziej kontrowersyjnym problemem energetyki jądrowej. Odpady promieniotwórcze są to niewykorzystywane substancje promieniotwórcze. W energetyce jądrowej można wyróżnić cztery główne źródła pochodzenia odpadów promieniotwórczych (nie licząc zastosowań militarnych energii jądrowej):

1) kopalnie rud uranu oraz zakłady przerobu tych rud,
2) produkcja paliwa reaktorowego oraz przerób paliwa wypalonego,
3) eksploatacja reaktorów energetycznych i badawczych,
4) likwidacja reaktorów jądrowych.

Klasyfikacja odpadów wg aktywności:

Niskoaktywne: m.in. odzież ochronna, sprzęt laboratoryjny i wszystko co uległo skażeniu w zetknięciu z substancją promieniotwórczą.

Średnioaktywne: koncentraty promieniotwórcze, zużyte materiały sorpcyjne, fragmenty konstrukcji urządzeń i instalacji jądrowych.

Wysokoaktywne: wypalone paliwo jądrowe oraz pozostałości po jego przerobie.

Odpady ciekłe:

- oczyszczanie metodami z zastosowaniem sorbentów nieorganicznych,

- zatężanie na wyparce,

- filtry jonitowe,

- zestalanie (cement, asfalt, tworzywa sztuczne).

Odpady stałe:

- fragmentacja,

- prasowanie,

- utrwalanie (cement, tworzywa sztuczne).

Odpady biologiczne:

- utrwalanie w żywicach mocznikowo –formaldehydowych.

Odpady organiczne:

- utrwalanie (sorbent, materiał utrwalający).

Odpady promieniotwórcze w postaci ciekłej i o niskiej aktywności unieszkodliwia się stosując tzw. metodę sorpcyjną. Metoda ta pozwala na związanie ponad 99 % materiału promieniotwórczego znajdującego się w ściekach. Zużyty a więc skażony materiał sorpcyjny jest następnie zestalany z asfaltem.

Odpady promieniotwórcze o niskiej aktywności, ale w postaci stałej są poddawane obróbce, która prowadzi do zmniejszenia ich objętości. Jest to zgniatanie za pomocą prasy hydraulicznej. Dopiero tak przygotowany materiał umieszcza się w stalowych pojemnikach pokrytych dodatkowo warstwą cynku. Jest to zabezpieczenie przed korozją pojemników.

Odpady promieniotwórcze o średniej aktywności przetwarza się za pomocą odparowania. Po odparowaniu rozpuszczalnika, np. wody ze ścieku , pozostaje osad, w skład którego wchodzą pierwiastki promieniotwórcze. Następnie otrzymany osad jest zestalany z cementem.

W ciągu ostatnich lat naukowcy starają się opracować nowe technologie utylizacji odpadów promieniotwórczych. Jedną z najnowocześniejszych metod jest tzw. transmutację. W technice tej chodzi o to, żeby izotopy promieniotwórcze o długich czasach połowicznego rozpadu występujące w odpadach promieniotwórczych uległy przeobrażeniu w izotopy o krótszych czasach. Dzięki temu okres emisji szkodliwego promieniowania zostaje ograniczony o wiele lat.

Przerób wypalonego paliwa

Pręty wypalonego paliwa jądrowego są niezwykle promieniotwórcze. Składa się na to głównie aktywność kilkudziesięciu powstałych po rozszczepieniu pierwiastków β- promieniotwórczych, z których najbardziej znane są stront i cez. Znajduje się w nich także nie do końca wypalone paliwo jądrowe, czyli uran – 235 oraz dodatkowo pluton – 239.

Wypalone paliwo w pierwszym okresie magazynowania muszą być przechowywane w odpowiednio chłodzonych magazynach pośrednich lub w basenach wypełnionych wodą.

Fot. 1 Basen ze zużytymi prętami paliwowymi.

Jest to konieczne, bo w wypalonym pręcie następuje tak dużo rozpadów promieniotwórczych, że pręt musi być intensywnie chłodzony żeby nie uległ termicznemu zniszczeniu i nie nastąpiło uwolnienie do otoczenia zamkniętej w nim radioaktywności. Po kilkunastu latach, gdy aktywność paliwa zmaleje, a generacja ciepła stanie się tak mała, że można je odprowadzić bez chłodzenia paliwa wodą, następuje moment decyzji: albo paliwo w całości usuwamy do ostatecznego składowania pod ziemią, albo też postanawiamy odzyskać zawarty w nim jeszcze uran (około 1,5 -2% U-235) i nagromadzony w toku pracy w reaktorze

pluton, a do składowiska odesłać tylko odpady o wysokiej aktywności, ulegające znacznie szybszemu rozpadowi niż pluton. Jest to tzw. zamknięty cykl paliwowy, z przerobem paliwa lub recyklizacją paliwa.

Rys. 1 Schemat postępowania z wypalonym paliwem: Z wodnego lub suchego przechowalnika przewożone jest ono albo 1) do ostatecznego składowania pod ziemią, albo 2) do zakładu przerobu paliwa wypalonego, z którego wraca do elektrowni jądrowej do ponownego wypalenia. W tym drugim przypadku pod ziemię usuwane są tylko odpady wysokoaktywne, bez plutonu i uranu.

Cykl zamknięty można uważać za postępowanie najbardziej zgodne ze strategią ludzkości przyjętą w końcu XX wieku, polegającą na rozdzielaniu różnych materiałów odpadowych i odzyskiwaniu materiałów użytecznych, a usuwaniu tylko tych, które do niczego się nie nadają. W przypadku wypalonego paliwa jądrowego, w którym nadal pozostaje około 95% energii potencjalnie możliwej do wykorzystania, usuwanie go do składowania ostatecznego byłoby rażącym marnotrawstwem. Co więcej, stężenie plutonu w wypalonym paliwie jest tak duże, że można z niego wytwarzać nowe paliwo bez wzbogacania uranu. W praktyce takie nowe paliwo wykonuje się z mieszaniny tlenków uranu wzbogaconego i plutonu. Takie paliwo zwane MOX (mixed oxide -mieszanina tlenków) pracuje w wielu elektrowniach jądrowych.

Odpady radioaktywne można też odpowiednio zabezpieczyć i składować. Do tego celu służą specjalne pojemniki, które zapewniają całkowite ekranowanie niebezpiecznych materiałów od otoczenia, nawet w przypadku katastrofy. W zakładach przerobu paliwa jądrowego przeprowadza się rozdział poszczególnych wypalonych elementów paliwowych. Następuje otwarcie pręta paliwowego i wydzielenia ze zmagazynowanych tam pierwiastków między innymi uranu, plutonu i innych stosowanych później jako źródła promieniotwórcze do celów medycznych, przemysłowych i naukowych. Po zakończeniu całego procesu uran i pluton po oczyszczeniu trafiają do fabryki produkującej pręty paliwowe a powstałe odpady promieniotwórcze są pakowane i przygotowywane do składowania..

Eksploatacja reaktorów energetycznych

Innym źródłem odpadów radioaktywnych są materiały, z których zbudowany jest sam reaktor i poszczególne jego części, które uległy silnemu napromieniowaniu neutronami termicznymi na drodze reakcji wychwytu neutronów. Powstające w ten sposób pierwiastki promieniotwórcze dostają się do obiegów chłodzących reaktora, skąd wychwytywane są przez system filtrów. W ten sposób powstają takie izotopy jak: argon, magnez, żelazo, kobalt, miedź, nikiel, chrom i cyrkon.

Składowanie odpadów niebezpiecznych

Właściwe gospodarowanie odpadami promieniotwórczymi może skutecznie zabezpieczyć człowieka i środowisko - obecnie, a także i w przyszłości przed szkodliwym wpływem emitowanego przez nie promieniowania jonizującego. Dlatego też podczas unieszkodliwiania i składowania odpadów obowiązują określone zasady:

-                minimalizowanie ilości powstających odpadów

-                odpowiednie segregowanie

-                zmniejszanie objętości

-                zestalanie i pakowanie w taki sposób, aby były chemicznie i fizycznie stabilne

-                składowanie odpadów w miejscach o właściwej strukturze geologicznej i stosowanie wszystkich technologii oraz barier, które skutecznie izolują odpady od człowieka i środowiska.

To w jaki sposób dany odpad promieniotwórczy będzie zabezpieczony i jakie będą warunki jego składowania zależy od jego aktywności. Jeśli aktywność takiej substancji jest duża wtedy niesie ze sobą większe zagrożenie dla środowiska. Wówczas zabezpieczenie przez przedostaniem się takiej substancji do otoczenia odgrywa olbrzymią rolę.

Najczęściej stosowane są następujące bariery ochronne:

Rys. 2 Bariery ochronne pojemnika z odpadami promieniotwórczymi.

1)     chemiczna: trudno rozpuszczalne związki chemiczne izotopów promieniotwórczych, powstające w procesie przerobu i oczyszczania radioaktywnych ścieków;

2)     fizyczna: materiał wiążący - służy do zestalania lub utrwalania odpadów. Proces ten polega na zmieszaniu zatężonych już odpadów ze spoiwem i nadaniu im formy stabilnego ciała stałego. Zapobiega to rozsypaniu, rozproszeniu, rozpylenu i wymywaniu substancji promieniotwórczych. Najczęściej stosowane spoiwa to: asfalt, cement i tworzywa sztuczne;

3)     I inżynierska: opakowanie / stalowy bęben lub betonowy pojemnik / zabezpiecza odpady przed uszkodzeniami mechanicznymi i kontaktem z wodą. Stanowi również osłonę biologiczną, ponieważ osłabia promieniowanie;

4)     II inżynierska: betonowa konstrukcja składowiska oraz impregnująca warstwa bitumiczna- chroni pojemnik z odpadami przed wpływem opadów atmosferycznych, wilgocią i korozją;

5)     naturalna: struktura geologiczna terenu, na którym zlokalizowano składowisko. Teren taki powinien być m.in. asejsmiczny, niezatapialny i wyłączony z działalności gospodarczej. Jest to bardzo ważne, ponieważ właściwa struktura geologiczna i warunki hydrogeologiczne uniemożliwiają migrację radionuklidów, zapobiegają ich rozprzestrzenianiu w glebie oraz przenikaniu substancji promieniotwórczych do wód gruntowych i powierzchniowych.

Odpady pochodzące z urządzeń atomowych pracujących w elektrowniach jądrowych czy zakładach przerobu wykazują różne stopnie zagrożenia. Słabo i średnio aktywne odpady w postaci stałej lub ciekłej są najpierw na drodze stężania, ściskania lub spalania redukowane do możliwie najmniejszej objętości. Następnie zostają zacementowane w beczkach, po tym umieszcza się je albo w składowiskach naziemnych (np. OPG Ontario, Kanada) albo w komorach wydrążonych w pokładach soli kamiennej i przekłada warstwami soli.

Rys. 3 Hale gdzie składowane są odpowiednio zabezpieczone odpady radioaktywne.

Odpady średnioaktywne (na przykład rozdrobnione koszulki prętów paliwowych) również zagęszcza się i zacementowywuje w beczkach, są jednak głębiej składowane; są one wrzucane do specjalna komory, niedostępnej dla ludzi ostrożność i monitorowane.

Rys. 4 Składowanie odpadów średnioreaktywnych.

Szczególna ostrożność wymagana jest przy odpadach wysoko aktywnych. Są nimi przede wszystkim rozpuszczone w kwasie azotowym produkty rozpadu. Dają one 99% promieniowania wszystkich odpadów promieniotwórczych. Dla tej grupy odpadów pracowano specjalny proces zeszkliwiania. Wysoko aktywne roztwory najpierw się zagęszcza i chemicznie przetwarza. Następnie w temperaturze 1150°C stapia się je z proszkiem szklanym, tworząc z nich nierozłączny składnik szkliwa, którym wypełnia się grubościenne beczki ze stali nierdzewnej. Tak przygotowane odpady magazynuje się w sposób bezpieczny bez ograniczeń czasowych.

Rys. 5 Składowanie odpadów wysokoreaktywnych.

Odpady promieniotwórcze składuje się na specjalnych składowiskach, często pod ziemią, które zostały umieszczone w takim klimacie i tak zbudowane, by ewentualne przedostawanie się substancji radioaktywnych do otoczenia (zwłaszcza wód gruntowych) było niemożliwe. Beczki z odpadami słabo aktywnymi umieszcza się w wydrążonych w ziemi komorach a następnie uszczelnia się komorę. Odpady średnio aktywne przechowywane są w oddzielnych komorach i wymagają wzmożonej ostrożności. Natomiast odpady wysoko aktywne umieszcza się w otworach wiertniczych, które następnie są czopowane. Miejsca składowania takich odpadów są stale monitorowane.

Najlepszym rozwiązaniem jest złożenie tych odpadów w podziemnych pokładach solnych. Pokłady soli kamiennej nadają się szczególnie dobrze jako mogilniki. Sól jest absolutnie szczelna, więc żadne zanieczyszczenie promieniotwórcze nie przedostaje się do środowiska.

Rys. 6 Składowanie odpadów promieniotwórczych.

Transport substancji niebezpiecznych

Odpady promieniotwórcze z elektrowni jądrowych do miejsc składowania czy do zakładów przerobu paliwa jądrowego transportowane są: samolotami, koleją, samochodami, statkami. Większość transportowanych przesyłek zawiera bardzo małe ilości substancji promieniotwórczych Materiały promieniotwórcze przewożone są w różnych opakowaniach, gwarantujących integralność przesyłki w czasie transportu i określoną w przepisach osłonę przed promieniowaniem. Do przewożenia odpadów skonstruowano specjalne pojemniki zapewniające całkowite ekranowanie niebezpiecznych materiałów od otoczenia nawet w przypadku katastrofy. Typ opakowania, w jakim przewozi się materiał promieniotwórczy zależy od rodzaju materiału, jego objętości, ilości, postaci fizycznej i aktywności. Dlatego też poszczególne typy opakowań muszą być inaczej skonstruowane i muszą posiadać inne parametry wytrzymałościowe.

Rodzaje opakowań do transportu materiałów promieniotwórczych:

Pojemniki transportowe klasy B i C - do przewozu najniebezpieczniejszych materiałów jak wypalone paliwo jądrowe czy odpady wysokoaktywne, zwiększona wytrzymałość mechaniczna i termiczna, konieczna autoryzacja.

Pojemnik transportowy klasy A - do transportu niewielkich ilości nieszkodliwych źródeł promieniotwórczych i odpadów średnioaktywnych, poddawany testom wytrzymałościowym, odporny na deszcz i upadek z pojazdu, ograniczona pojemność.

Opakowania przemysłowe (IP) - Służy do transportu materiałów o niskiej aktywności lub przedmiotów skażonych powierzchniowo. Zawarta w nim mała ilość substancji promieniotwórczych stanowi w sytuacjach awaryjnych niewielkie zagrożenie dla ludzi i środowiska. Poddawane jest niektórym testom wytrzymałościowym.

Opakowanie tzw. wyłączone - Służą do przewozu maleńkich ilości materiałów promieniotwórczych np. radiofarmaceutyków czy urządzeń zawierających źródła promieniotwórcze o bardzo małej aktywności. Nie muszą mieć nalepek, ale wewnątrz powinna być informacja o przewożonym materiale.

Kontenery zawierające materiały promieniotwórcze muszą być opatrzone specjalnymi znakami pozwalającymi na identyfikacje zagrożenia jakie mogą wywołać. Regulują to odpowiednie przepisy prawne. Dla przykładu Dz.U z 1999r., nr 57, poz 608 – Rozporządzenie w sprawie przewozu drogowego materiałów niebezpiecznych reguluje oznakowanie materiałów niebezpiecznych przy transporcie drogowym. Rozporządzenie to adoptowało na potrzeby krajowe przepisy Umowy Europejskiej ADR. Według tych przepisów substancje niebezpieczne oznaczane są czterema cyframi, w których zakodowane są pewne stałe informacje.

Rys. 7 Kontener do przewozu odpadów promieniotwórczych.

Tabela 1 : Przykładowe oznaczenia niebezpiecznych substancji promieniotwórczych.

Pojazdy przewożące materiały niebezpieczne oznakowane są dodatkowo znakami ostrzegawczymi

Fot. 2 Oznakowanie pojazdów przewożących materiały radioaktywne.

Zawsze jednak należy brać pod uwagę możliwość narażenia ludzi na zetknięcie się z nimi. Aby ryzyko tego narażenia maksymalnie zmniejszyć Rada Społeczno-Ekonomiczna ONZ upoważniła Międzynarodową Agencję Energii Atomowej (MAEA) do przygotowania, a także zarekomendowania przepisów i standardów dotyczących bezpiecznego transportowania materiałów promieniotwórczych.