第讲放射性废物的处理和处置

1放射性废物处理的重要性2放射性废物的来源和分类3放射性废物的主要特点4放射性废气（气载废物）的处理5放射性废液的处理6放射性固体废物的处理7放射性固体废物的处置8高放废物的核嬗变处理1放射性废物处理的重要性放射性废物的定义放射性废物，又称核废物，是指任何含有放射性核素或被其污染的物质，其中放射性核素的浓度或活度水平超过国家规定限值的废弃物。放射性废物以其具有较高放射性、放射毒性区别于其他非放射性有害物质。度量核废物放射性活度的单位为Bq（贝可；1Bq=1次衰变/s）。为使放射性废物变成适于往大气、水体排放或作最终处置的状态所实施的工艺过程称为放射性废物处理。为使放射性核素在衰变到对人类无危害水平以前保持与生物圈隔离所采取的措施称为放射性废物处置。放射性废物中的放射性核素，采用一般的物理、化学及生物学方法不能予以消灭或破坏，只有通过它们自身的衰变（或特殊情况下的核转变）才能使放射性衰减到一定水平。为达到安全处置的目的，通常采用稀释扩散和浓缩贮存两种方式。2放射性废物的来源和分类放射性废物产生于核工业各环节（图1.1），以及使用放射性物质的各部门，即来自核燃料循环和非核燃料循环工艺体系或部门。按照工作部门划分，核废物主要来铀矿山、铀水冶厂、核电厂、核武器制造厂、核舰只和使用放射性物质的科研、教育、医疗、工业、农业等部门；若按放射性总活度计，核工业中产生的核废物，其99%来自核燃料后处理厂。地质勘探铀矿开采铀矿石加工铀精制铀氟化铀同位素分离金属生产原子武器制造燃料元件制造乏燃料后处理金属钚生产反应堆材料制造原子核反应堆同位素应用核电厂核动力船图1.1核工业主要工艺体系方框示意图核电站压水堆核电站石墨气冷堆快中子增殖堆放射性废物的来源（核燃料循环）前端核燃料循环后端核废物来源1.放射性同位素生产和应用非核燃料循环2.医疗、科研、教育、工业和农业等部门应用放射性物质3.核设施退役放射性废物的分类1．按物理状态分类按物理状态不同，可将放射性废物分为放射性固体废物、放射性液体废物和放射性气载废物三类。2．按放射性水平分类放射性物质的放射性水平，可用比活度(固体废物)和放射性浓度(气载废物、液体废物)表示，其物理意义为单位质量(固体)或单位体积(液体、气体)物体的放射性活度，度量单位为Bq／kg、Bq／M3或Bq／L。按放射性水平不同，可将放射性废物分为高放废物(HLW)、中放废物(ILW)和低放废物(LLW)三大类。世界各国划分这三大类废物的放射性水平标准尚不统一。放射性废物的分类⑴高放废物20世纪70年代的定义，是指乏燃料后处理第一循环溶解萃取水溶液．或与此相当的浓缩废液等，即高放废物的产生与乏燃料后处理有关。1981年，美国核管理委员会(NRC)明确规定高放废物包括下列备类核废物，①不予处理的乏燃料；②乏燃料后处理第一循环萃取废液，或随后萃取循环的浓缩废物；③高放废液的固化体。放射性废物的分类⑵中放废物中放废物是指放射性水平介于低放废物和高放废物之间的放射性废物。中放废物主要来自核反应堆、乏燃料后处理第二次和第三次循环溶解萃取液、净化溶剂废液、洗涤废气的废液、去污泥浆和低放废液的浓缩液等。⑶低放废物低放废物包括绝大部分退役废物，核反应堆中的去污水、循环冷却水，医疗和科研用被污染动物的尸体、器官、选矿水，核设施地面排水、洗涤水，放射性废气和气溶胶，污染的塑料、玻璃、劳保用品等。美国将低放废物定义为未列入高放废物、含有放射性比活度小于3.7×102Bq／g的超铀锕系元素的放射性废物(其中不包括铀废矿石和铀尾矿)，特别强调必须是适合于陆地浅埋处置的放射性废物。放射性废物的分类3．按放射性核素的半衰期分类按半衰期不同，将放射性核素分为长寿命(或长半衰期)放射性核素、中等寿命(或中等半衰期)放射性核素和短寿命(或短半衰期)放射性核素等类别。各国划分半衰期长、短的标准也不统一。以含长寿命放射性核素为主的核废物，称为长寿命(或长半衰期)放射性废物；以含中等寿命放射性核素为主的核废物，称为中等寿命(或中等半衰期)放射性废物；以含短寿命放射性核素为主的核废物，称为短寿命(或短半衰期)放射性废物。3放射性废物的主要特点放射性废物的主要特性有放射性、放射毒性和化学毒性等，部分放射性废物还具有发热性、易燃性、易爆性、放出有害气体等性质。一、放射性废物的核素组成根据反应堆中放射性核素的生成方式，可将核废物中的放射性核素分为裂变产物、活化产物和锕系核素三类。其中裂变产物是核燃料中的元素原子核受中子轰击后产生的裂变碎片。锕系核素是由铀俘获中子而产生。活化产物是有堆内的结构材料、冷却剂或燃料包壳俘获中子而产生。放射性废物的主要特性二、放射性废物的放射性、放射毒性核废物最重要特性是其具有放射性和放射毒性。⑴放射性核废物的放射性来自两类元素及其同位素：①铀及其子体元素的天然放射性。②由反应堆中的裂变、俘获、活化等反应生成的裂变产物、超铀核素和放射性同位素产生的放射性。该类核素的放射性活度约占核废物总放射件活度的99％。⑵放射毒性某种放射性物质进入人(或动物)体内、放射性对人（或动物）体产生约毒害特性，称为放射毒性。4放射性废气的处理放射性废气主要产自放射性操作工艺过程的排气和设备泄漏，此外，还来自放射性实验室和厂房的排风。放射性废气中通常含有放射性粉尘、气溶胶、惰性气体和挥发性核素等。与液体、固体废物相比，气载放射性废物排放可能造成的污染范围更大，对环境的影响更难预测和控制，因此，其净化处理及排放控制更应引起足够的重视。4.1气载低中放废物的特点活化和裂变产生的人工核素、天然核素。伴随常量有害物质：粉尘、NOx、SOx、HF、CO2、CO等。以放射性气体、气溶胶和悬浮物形式存在。放射性气溶胶是固体或液体放射性微粒悬浮在空气或气体介质中形成的分散体系，粒径为10-3～103µm，0.1µm不沉降，10µm缓慢沉降。重要核素：碘、氪、氙、氡、氚等碘：卤族元素，125I（T1/2＝60d）、129I（T1/2＝1.6×107a）、131I（T1/2＝8d）。来自核电厂运行和乏燃料后处理裂变产物，废气中碘量较大，对人体的危害较大。用碘吸附器衰变贮存和湿法洗涤去除。氙：惰性气体，133Xe（T1/2＝5.7d），裂变产额较高。氪：惰性气体，85Kr不易分离，回收或稀释。氡：镭射气222Rn（T1/2＝3.82d），钍射气220Rn，锕射气219Rn；吸附和稀释。南华大学氡实验大楼氡实验装置4.2气载放射性废物的处理处理对象：放射性气体、放射性微尘和放射性气溶胶处理目的：是去除或降低放射性污染物，保护工作人员、公众和环境。衰变式处理方法：通风稀释、衰变贮存、低温回收处置式处理方法：干法除尘、湿法除尘、吸附过滤填料吸收塔分离效率实验装置实验室一角液膜分离实验设备圆盘塔中CO2吸收液膜传质系数测定设备分馏实验装置流化床干燥实验装置气体净化试验装置工业规模布袋除尘实验装置5放射性废液的处理低中放废液的净化处理各类放射性废液的比活度、含盐量差别很大，处理方法也不一样。核工业放射性工艺废液一般需要多级净化处理，低、中放废液常用的处理方法有絮凝沉淀、蒸发、离子交换（或吸附）和膜技术（如电渗析、反渗透、超滤膜）。高放废液比活度高，一般只经过蒸发浓缩后贮存在双壁不锈钢贮槽中。沉淀法去污机理：离子态核素通过加入另一种离子或化合物使之转变成不溶性或难溶性化合物沉淀来达到分离。有沉淀、共沉淀或吸附作用。式中，M－离子态核素离子浓度的乘积大于浓度积，生成沉淀。加入载体，发生共沉淀。被吸附在别的沉淀物或晶体的表面，形成吸附共沉淀。1()nnMnOHMOH蒸发浓缩法工作原理：加热把废液中大量水份汽化，将放射性物质浓缩、减少废液的体积。除少量易挥发性核素一起进入蒸汽和少量放射性核素被雾沫夹带出去外，绝大部分放射性核素被保留在蒸发浓缩物中，贮存等待进一步固化处理。离子交换法工作原理：借助离子交换剂上的可交换离子（活性基因）和溶液中的离子进行交换，选择性地去除溶液中以离子态存在的放射性核素，使废液得到净化。离子交换实验装置超滤、纳滤、反渗透组合膜分离中空纤维超滤膜实验设备放射性废液的固化一切废物在处置前必须转化为某种稳定、牢固、惰性的固体形态，以避免由于自然过程而可能造成的放射性核素的迁移和弥散，从而实现与生物圈隔离的最终处置。将废液转化为固体的工艺称为固化。见书409表16-7.6放射性固体废物的处理1、低、中放射性固体废物的压缩、焚烧和去污处理；2、放射性固体废物的包装；3、放射性固体废物的贮存。7放射性固体废物的处置处置(disposal)把废物安放进经过批准的设施中，采用工程屏蔽和天然屏蔽相结合的多重屏蔽体系为被处置的废物提供安全隔离，确保：（1）包容的短寿命核素衰减到无害水平；（2）包容的长寿命核素和其他有毒物质的释放量极低，进入环境的浓度处于可接受水平。低、中放固体废物的处置方案（1）陆地浅埋（土壤等松散沉积物）广泛应用（2）废矿井处置（盐、铁、铀矿等）广泛应用（3）深岩洞处置（岩盐、岩石等）较少用（4）海岛处置（土壤、岩石）国际上禁止（5）滨海底处置（处置介质为岩石）瑞典（6）水力压裂处置（页岩等）美国曾用，现停止（7）海洋投弃（海水）沿海国家采用，现禁止高放废物固化体处置方案（1）深岩洞处置（岩盐、花岗岩）各国拟采用（2）废矿井处置（盐矿等）德国采用（3）深钻孔处置（岩盐、花岗岩等）实验开发（4）深海床置（粘土）实验开发（5）核嬗变处理实验开发（6）冰层处置设想（7）太空处置设想高放废物的深地层处置高放废物的最终处置备受世人关注，是世界上最复杂的技术难题之一。高放废物深地层处置的基础：地球表面许多地区的地层长期以来（长达几亿年）极为稳定，故可以放心地贮存废物，实现与生物圈的长期隔离。适宜的地层主要有岩盐、花岗岩、凝灰岩、粘土岩等。高放废物处置：将高放废物同人类生活圈隔离起来。1957年美国国家科学院提出地质处置方案。把高放废物处置在500～1000m深的地质体中，通过建造一个天然屏障和工程屏障相互补充的多重屏障体系，使高放废物对人类和环境的有害影响低于审管机构规定的限值，并且可合理达到尽可能低。广东北龙中低放处置场建设低放固化物处置场反应堆顶盖废物包装废物货包的运输废物货包的检测－接收处置单元大亚湾核电站低放废物货包台电核废料处置广东北龙低中放废物处置场我国对安全评价的规定评价区域：以处置场为中心半径10km范围；评价标准环境质量现状评价：公众个人0.25mSv/a；环境影响评价：公众个人0.01mSv/a，事故短期闯入者5mSv/a，事故长期居住者1mSv/a；职业辐照：5年平均不超过20mSv/a，任何一年不超过50mSv。低中放废物处置国内外状况全世界136个低中放废物处置设施，工程式占67%，简易式22%，矿穴式7%，地质处置库占4%。美国能源部16个低放废物处置场，6个商用近地表处置场，现有3个在运行。法国：芒什处置场，奥布处置场中国1992年，低中放射性废物区域性处置1998年建成西北处置场，处置容量20万m3，先建成2万m3；2000年建成广东北龙处置场，处置容量24万m3，先建成8800m3。极低放废物处置简易包装和简易填埋，集中处置在专设的极低放废物填埋场。法国：1～100Bq/g（平均为10Bq/g）；80%来自核设施退役，20%来自使用天然放射性物质工业；处置对象：废水泥、碎石、土壤、废旧设备监管期30a高放废物处置的研究开发活动地下实验室（URL）提供接近实际处置条件的地质环境系统，提供设计参数、实践经验、人员培训，以及与公众沟通和国际合作。现在全世界已建成和在建的地下实验室共17个，有8个已投入运作。分属美国（凝灰岩）、德国（废盐矿）、瑞士（花岗岩、粘土）、法国（粘土）、日本（花岗岩）、比利时（粘土）、加拿大（花岗岩）等。（1）普通地下实验室：德国Asse（2）特定场址地下实验室：美国尤卡山E