Введение
Ещё в середине прошло столетия развитие транспорта, промышленности сельского и коммунального хозяйства требует всё большего увеличения производства энергии. Также встают острые проблемы нехватки и истощения органического топлива, повышения загрязнения окружающей среды и увеличения нагрузки на биосферу; возникает возможность появления энергетического кризиса.
Ключом к решению данных проблем становится атомная энергетика. Атомная энергетика не требует потребления кислорода в отличие традиционных источников энергии. При правильной и грамотной эксплуатации атомных электростанций имеет минимальное количество выбросов и отходов. Огромный энергетический потенциал, заключённый в ядерный материалах, может надолго обеспечить человечество чистой энергией, что даёт необходимые ресурсы для обеспечения развития всех отраслей промышленности и решения проблем нехватки энергетических ресурсов.
По всему земному шару атомные электростанции доказывает свою энергетическую эффективность. Отличительной особенностью является её высокая конкурентоспособность, безопасность и экологическая чистота.
Но главной проблемой атомной энергетики, а именно АЭС, является образование различных по агрегатному состоянию и удельной активности радиоактивных отходов. Радиоактивное излучение, или радиация, от таких отходов представляет огромную опасность для человека и окружающей природной среды. При контакте с живым организмом радиация способна накапливаться в нём, вызывая повреждении тканей и органов, а при длительном воздействии - смерть. Также продукты радиоактивного распада способны переноситься на огромные расстояния воздушными массами, увеличивая площадь радиоактивного загрязнения. Радиоактивные элементы аккумулируются в растительности, почве, проникают в грунтовые воды.
Чтобы защитить окружающую среду и человека, обеспечить безопасность при обращении с радиоактивными отходами, были разработаны специальные мероприятия по сбору и изоляции радиоактивных отходов.
Целью данной работы является анализ методов переработки и утилизации твёрдых и жидких радиоактивных отходов.
Задачами данной работы является:
изучение понятия радиации, радиоактивных отходов и их классификации;
изучение опыта и концепций обращения стан Евросоюза и США;
анализ и изучение законодательства Российской Федерации в сфере обращения с радиоактивными отходами;
изучить методы обращения с твёрдыми и жидкими радиоактивными отходами;
рассмотреть основные концепции хранилищ РАО;
рассмотреть виды окончательного захоронения РАО.
1. Понятие о радиации и радиоактивных отходах
.1 Термины и определения
Радиоактивность - процесс самопроизвольного превращения неустойчивого изотопа одного химического элемента в изотоп другого элемента, который сопровождается выделением ядер и элементарных частиц [1].
Альфа-частицы (б-частицы) - ядра атома гелия, испускаемые при альфа-распаде некоторыми радиоактивными атомами. б-частица состоит из двух протонов и двух нейтронов [2].
Альфа-излучение - поток ядер атомов гелия (положительно заряженных и относительно тяжелых частиц) [2].
Бета-частицы (в-частицы) - электроны и позитроны, испускаемые ядрами атомов при бета-распаде [2].
Бета-излучение - это электроны или позитроны, которые образуются при бета-распаде различных элементов от самых легких (нейтрон) до самых тяжелых [3].
Гамма-излучение - вид электромагнитного излучения с малой длинной волны, сопровождающееся испусканием фотонов [3].
Радиоактивные отходы (РАО) - не предназначенные для дальнейшего использования вещества в любом агрегатном состоянии, в которых содержание радионуклидов превышает минимальные значения, установленные федеральными нормами и правилами [4].
Жидкие радиоактивные отходы - РАО в виде вод и других жидкостей, содержащие растворенные или в виде взвесей радиоактивные вещества, активность которых превышает минимальные значения, установленные федеральными нормами и правилами [4].
Твердые радиоактивные отходы - РАО в виде изделий, материалов, твердых веществ и твердых биологических объектов, активность которых превышает минимальные значения, установленные федеральными нормами и правилами [4].
Активность радиоактивного источника - ожидаемое число элементарных радиоактивных распадов в единицу времени [2].
Удельная активность радионуклидов - активность, приходящаяся на единицу массы вещества источника. Измеряется в беккерелях на килограмм (Бк/кг). В образце с активностью 1 Бк происходит в среднем 1 распад в секунду [2].
Обращение с радиоактивными отходами - комплекс технологических и др. различных организационных мероприятий, включающий сбор, переработку, кондиционирование, транспортирование, хранение и захоронение радиоактивных отходов [4].
Кондиционирование - перевод радиоактивных отходов в форму, пригодную для транспортирования, хранения и захоронения [4].
Хранение - процесс размещения радиоактивных отходов в хранилище с обеспечением изоляции их от окружающей природной среды, с возможностью их последующего извлечения [4].
Захоронение - процесс помещения обработанных и кондиционированных радиоактивных отходов в специальные могильники без возможности дальнейшего извлечения [4].
Могильник - искусственное сооружение или естественное геологическая формация для захоронения радиоактивных отходов [4].
Контейнер - ёмкость для радиоактивных отходов, используемая для удобства их транспортирования, хранения и захоронения [4].
Переработка радиоактивных отходов - комплекс технологических процессов, направленных на уменьшение объёма образовавшихся радиоактивных отходов или перевод их в другую форму [4].
Отверждение радиоактивных отходов - перевод жидких радиоактивных отходов в твёрдое агрегатное состояние с целью уменьшения возможности миграции или рассеяния радионуклидов [4].
Матричный материал - материал, используемый для перевода радиоактивных отходов в монолитную структуру [5].
Битумирование - включение радиоактивных отходов в битумный матричный материал с последующим затвердеванием продукта [4].
Цементирование - включение радиоактивных отходов в цементный матричный материал с последующим затвердеванием продукта [4].
Остекловывание - перевод радиоактивных отходов в стеклоподобную форму [4].
Компаунд - радиоактивные отходы, включённые в матричный материал [5].
Приповерхностное захоронение радиоактивных отходов - захоронение радиоактивных отходов в специальных сооружения, которые размещаются на поверхности земли или на глубине от нескольких метров до ста метров [4].
Буферный материал - такой материал, который используется для ограничения доступа атмосферных осадков и подземных вод к упаковкам радиоактивных отходов и снижения скорости попадания радионуклидов из упаковок отходов в окружающую среду. В качестве такого материала обычно используют бетон, глину или битум [6].
Подстилающий экран - инженерное устройство, которое располагается ниже ячеек захоронения радиоактивных отходов и предназначается для гидроизоляции ячеек, предотвращения распространения радионуклидов в несущие горные породы и от проникновения животных и корней растений [6].
Сорбция - процесс поглощение веществом в твёрдом или жидком агрегатном состоянии (сорбентом) другого вещества из внешней среды [7].
Обратный осмос - процесс фильтрования растворов через полупроницаемую мембрану под давлением в обратном для осмоса направлении [7].
Ультрафильтрация - процесс фильтрования различных растворов под давлением через полупроницаемую мембрану; на мембране задерживаются частицы размером 0,01 мкм [7].
Электродиализ - электрохимический процесс избирательного переноса ионов через полупроницаемую мембрану под действием тока [7].
Ионный обмен - обратимый процесс обмена ионами между электролитом (жидкая фаза) и ионитом (твёрдая фаза) [7].
Кальцинация - обработка жидких радиоактивных отходов высокой температурой, сопровождающаяся разложением солей и образованием устойчивых соединений [4].
Выдержка - хранение радиоактивных отходов в специальных ёмкостях для снижения их радиоактивности и выделения тепла [4].
Упаковка радиоактивных отходов - контейнер с
помещёнными в него иммобилизованными радиоактивными отходами [5].
.2 Радиоактивность. Виды радиоактивности
Радиоактивностью называют процесс самопроизвольного превращения неустойчивого изотопа элемента в изотоп другого, сопровождающийся выделением элементарных частиц, ядер и энергии [1].
Радиоактивность бывает естественной и искусственной. К естественным источникам радиоактивности относят космическое излучение и излучение от естественных радионуклидов, которые рассеяны в гидросфере, литосфере и атмосфере. К искусственным источникам относят радиоактивные элементы, образующиеся в результате деятельности человека - радиоактивные отходы атомных электростанций, горнодобывающая промышленность, ядерное оружие и его испытания [8].
В СИ активность нуклида измеряют в Беккерелях (Бк), а внесистемной единицей является Кюри (КИ). 1 Бк = 2,7 · 10-11 КИ [8].
Различают альфа-, бета-, гамма-, нейтронное, протонное и другие излучения.
Альфа-излучение представляет собой поток двукратно ионизированных ядер гелия. Альфа-частицы имеют положительный заряд и скорость распространения около 2 · 104 км/с, а также большой энергией 2-11 МэВ. Известно более 160 альфа-активных видов ядер. Альфа-частицы образуются в момент радиоактивного распада при взаимодействии двух протонов и двух нейтронов, движущихся внутри ядра. В результате альфа-распада, по правилу смещения, образуется химический элемент, смещённый влево на две клетки таблицы Менделеева. Альфа-частица, проходя через вещество, быстро теряет свою энергию, взаимодействуя с отрицательными частицами и электронами атомов вещества [9].
Бета-излучение представляет собой распад радиоактивных элементов с испусканием позитронов и электронов. Если в ядре находится больше нейтронов, то происходит электронный бета-распад - один из нейтронов превращается в протон, а ядро испускает электрон и антинейтрино.
Если же в ядре имеется больше протонов, то происходит позитронный бета-распад. Такой распад сопровождается образованием нового химического элемента, который расположен на одно поле влево от изначального. Взаимодействие выпущенных электронов с контактируемым веществом вызывает ионизацию и возбуждение атомов вещества. Глубина проникновения бета-излучения меньше, чем альфа-излучения, в виду отклонения частиц от изначального пути из-за отталкивания одноимённых зарядов. Бета-излучение распространяется со скоростью 3· 106 км/с [10].
Гамма-излучение представляет собой поток фотонов
с высокой энергией и с чрезвычайно малой длиной волны; не содержат заряженных
частиц. Гамма-излучение испускается при ядерных реакциях и при переходах между
возбуждёнными состояниями атомных ядер, например, при изомерном переходе. Такое
излучение характеризуется высокой проникающей способностью и при контакте с
веществом вызывает ионизацию его атомов. Гамма-излучение не является
самостоятельным видом распада, лишь сопровождает альфа- и бета-распады [7].
.3 Опасность радиации для окружающей среды и
человека
Различные виды радиации взаимодействуют с веществом по-разному в зависимости от типа испускаемых частиц, их заряда, массы и энергии. Заряженные частицы при контакте с определённым веществом ионизируют атомы этого вещества, взаимодействуя с атомными электронами. Нейтроны и гамма-кванты при столкновении с заряженными частицами в веществе передают им свою энергию, а в случае воздействия гамма-квантов возможно рождение электрон-позитронных пар. Эти вторичные заряженные частицы, тормозясь в веществе, вызывают его ионизацию [11].
Воздействие ионизирующего излучения на вещество на промежуточном этапе приводит к образованию быстрых заряженных частиц и ионов. Радиационные повреждения вызываются в основном этими вторичными частицами, так как они взаимодействуют с большим количеством атомов, чем частицы первичного излучения. В конечном итоге энергия первичной частицы трансформируется в кинетическую энергию большого количества атомов среды и приводит к ее разогреву и ионизации [12].
В органах и тканях биологических объектов, как и в любой среде, при облучении в результате поглощения энергии идут процессы ионизации и возбуждения атомов. Эти процессы лежат в основе биологического действия излучений. Его мерой служит количество поглощенной в организме энергии [12].
По силе наносимых повреждений в клетке и по плотности выделения энергии на единицу расстояния, которую пройдёт элементарная частица или волна, все виды радиации значительно варьируются. Например, альфа-частицы, обладая большой массой, создают крайне высокую плотность ионизации, а лёгкие выбитые гамма-излучением электроны образуют зону низкой плотности ионизации. В зависимости от всего этого различные по массе частицы могут вызывать различные биологические эффекты [11].
В реакции организма на облучение можно выделить четыре фазы. Длительность первых трёх быстрых фаз не превышает единиц микросекунд, в течение которых происходят различные молекулярные изменения. В четвёртой медленной фазе эти изменения переходят в функциональные и структурные нарушения в клетках, органах и организме в целом [12].
Первая физическая фаза ионизации и возбуждения атомов длится 10-13 секунд. Во второй, химико-физической фазе, протекающей 10-10 секунд, образуются высокоактивные в химическом отношении радикалы, которые, взаимодействуя с различными соединениями, дают начало вторичным радикалам, имеющим значительно большие по сравнению с первичными сроки жизни. В третьей, химической фазе, длящейся 10-6 с, образовавшиеся радикалы, вступают в реакции с органическими молекулами клеток, что приводит к изменению биологических свойств молекул [12].
Описанные процессы первых трёх фаз являются первичными и определяют дальнейшее развитие лучевого поражения. В следующей за ними четвёртой, биологической фазе химические изменения молекул преобразуются в клеточные изменения. Наиболее чувствительным к облучению является ядро клетки, а наибольшие последствия вызывает повреждение ДНК, содержащей наследственную информацию. В результате облучения в зависимости от величины поглощённой дозы клетка гибнет или становится неполноценной в функциональном отношении. Время протекания четвёртой фазы очень различно и в зависимости от условий может растянуться на годы или даже на всю жизнь [11].
Бета-излучение обладает большей проникающей способностью. Пробег бета-частиц в воздухе может достигать нескольких метров, а в биологической ткани нескольких сантиметров. Так пробег электронов с энергией 4 МэВ в воздухе составляет 17,8 м, а в биологической ткани 2,6 см [12].
Гамма-излучение имеет еще более высокую проникающую способность. Если внешнее альфа-излучение и бета-излучение поглощается, как правило, в одежде или коже и представляет в основном опасность при попадании радионуклидов внутрь организма, то при внешнем гамма облучении его воздействию подвергается весь организм. Это с одной стороны требует специальных мер защиты от гамма-излучения, а с другой позволяет использовать его в разнообразных методах дистанционной диагностики [12].