第三章-放射性廢物的產(chǎn)生和廢物最小化.ppt

放射性廢物處理與處置 李全偉西南科技大學(xué)國防科技學(xué)院核廢物與環(huán)境安全國防重點學(xué)科實驗室 目錄一 課程安排 48 36學(xué)時 8 6周第一章放射性廢物管理內(nèi)容和原則第二章放射性廢物的分類第三章放射性廢物的產(chǎn)生和廢物最小化第四章氣載和液體低中放廢物的處理第五章廢物的減容處理 焚燒和壓實第六章低中放廢物固化技術(shù)第七章高放廢液的固化與分離 目錄二 課程安排 48 36學(xué)時 8 6周第八章放射性污染的去污第九章核設(shè)施的退役第十章低 中放和極低放廢物的處置第十一章高放廢物處置第十二章核電站廢物的處理第十三章核技術(shù)利用廢物和廢舊放射源的管理 放射性廢物處理與處置第三章放射性廢物的產(chǎn)生和廢物最小化 內(nèi)容提要3 放射性廢物的產(chǎn)生和廢物最小化 p24 50 3 1核燃料循環(huán)前段廢物3 2反應(yīng)堆運行廢物3 3核燃料循環(huán)后段廢物3 4核設(shè)施退役廢物3 5放射性同位素和核技術(shù)利用廢物與伴生放射性礦廢物3 6廢物最小化 放射性廢物處理與處置第三章放射性廢物的產(chǎn)生和廢物最小化 放射性物質(zhì)在國民經(jīng)濟中的應(yīng)用而產(chǎn)生的放射性廢物 核燃料循環(huán)前段廢物反應(yīng)堆運行廢物核燃料循環(huán)后段廢物核設(shè)施退役廢物放射性同位素和核技術(shù)利用廢物伴生放射性礦廢物 放射性廢物處理與處置第三章放射性廢物的產(chǎn)生和廢物最小化 3 1核燃料循環(huán)前段廢物 前處理 鈾礦開采 鈾水冶 鈾精制 鈾轉(zhuǎn)換 鈾富集和燃料元件制造 鈾礦開采廢石廢氣廢水 蘊藏巨大能量的鈾礦石 核燃料循環(huán)前段流程圖 放射性廢物處理與處置第三章放射性廢物的產(chǎn)生和廢物最小化 廢石采礦產(chǎn)生的廢石 露天開采1t鈾礦石產(chǎn)生4 6t 地下采掘產(chǎn)生0 5 1 2t 選礦產(chǎn)生的廢石 放選法廢石率為15 30 廢石中含鈾量為 1 3 10 4g g 比正常土壤天然本底高4 10倍 表面 輻照劑量率為 77 200 10 8Gy h 高3 15倍 廢石表面氡析出率為 7 200 10 2Bq m2 s 高5 70倍 放射性廢物處理與處置第三章放射性廢物的產(chǎn)生和廢物最小化 廢氣氡及氡子體 放射性氣溶膠 鈾塵措施 除塵降氡 建立良好通風(fēng)系統(tǒng) 采取濕式作業(yè)氡的照射是人受天然輻射照射最重要的來源 氡及其短壽命子體對人體產(chǎn)生內(nèi)照劑量的主要途徑是吸入并沉積在呼吸道內(nèi) 由它發(fā)射的 粒子對氣管支氣管上皮基底細胞產(chǎn)生很大的照射劑量 放射性廢物處理與處置第三章放射性廢物的產(chǎn)生和廢物最小化 廢水露天開采廢水 地下采礦廢水 鈾礦石堆廢水及沖洗車輛水 廢石場廢水開采1t鈾礦石產(chǎn)生0 5 5t廢水 鈾濃度0 2 5mg L 比正常本底高4 100倍 處理方法 石灰石中和沉淀法除鈾 離子交換法除鈾 軟錳礦吸附法除鐳 重晶石吸附法除鐳等 鈾礦開采 露天鈾礦場 放射性廢物處理與處置第三章放射性廢物的產(chǎn)生和廢物最小化 地浸 堆浸和原地爆破浸出法地浸向地下注入大量化學(xué)試劑 可能會污染地下水和周圍環(huán)境 嚴格設(shè)計 及時封閉和地下環(huán)境恢復(fù) 堆浸提鈾現(xiàn)場 放射性廢物處理與處置第三章放射性廢物的產(chǎn)生和廢物最小化 鈾水冶尾礦砂 鈾浸出率約為95 5 的鈾殘留在尾砂中 處理1t鈾礦石產(chǎn)生1 1 1 2t尾砂 不屬于放射性廢物 但釋放氡氣 作為一類特殊廢物應(yīng)建壩存放 水冶廢水 處理1t鈾礦石產(chǎn)生5 8t廢水 石灰乳中和法外 離子交換樹脂除鈾 吸附劑除鐳 水冶廢氣 鈾塵 氡 氣溶膠 放射性廢物處理與處置第三章放射性廢物的產(chǎn)生和廢物最小化 鈾精制工藝方法 將鈾化學(xué)濃縮物提純和鈾氧化物制備的工藝階段稱為鈾的精制 純化的方法有溶劑萃取法 離子交換法和分步結(jié)晶法等 磷酸三丁酯 TBP 萃取法是典型的精制工藝 精制產(chǎn)品 硝酸鈾酰UO2 NO3 2 重鈾酸銨 NH4 2U2O7 三碳酸鈾酰銨 NH4 4 UO2 CO3 3 八氧化三鈾U3O8等 鈾精制產(chǎn)生少量含天然鈾低放廢物 放射性廢物處理與處置第三章放射性廢物的產(chǎn)生和廢物最小化 鈾轉(zhuǎn)化 六氟化鈾的生產(chǎn)和轉(zhuǎn)化從鈾水冶廠來的U3O8原料 從后處理廠來的硝酸鈾酰溶液或三碳酸鈾酰銨原料 第一步 用氫氣還原六價鈾U3O8 2H2 3UO2 2H2O第二步 把UO2氫氟化為四氟化鈾UF4 注 U3O8是由UO2和UO3復(fù)合而成的同素異價氧化物 放射性廢物處理與處置第三章放射性廢物的產(chǎn)生和廢物最小化 第三步 用氟氣把UF4氟化為六氟化鈾UF6六氟化鈾氫氣還原為四氟化鈾 四氟化鈾水解為二氧化鈾 伊朗納坦茲鈾濃縮工廠 伊朗伊斯法罕的鈾轉(zhuǎn)化工廠 放射性廢物處理與處置第三章放射性廢物的產(chǎn)生和廢物最小化 鈾轉(zhuǎn)化的廢物主要是固體CaF2 此外還有含CaF2 Ca OH 2和少量鈾的泥漿廢物 CaF2含鈾量很低 但體積較大 經(jīng)審管部門批準可作一般工業(yè)廢物處理 武器級鈾 235制造的原子彈 放射性廢物處理與處置第三章放射性廢物的產(chǎn)生和廢物最小化 鈾的富集鈾 235和鈾 238 化學(xué)性質(zhì)相同 僅在質(zhì)量上有微小的差別 只能利用因質(zhì)量不同而引起的效應(yīng) 如速度效應(yīng) 離心力效應(yīng)和電磁效應(yīng)來使同位素分離 1 氣體擴散法 2 離心機法 3 激光分離法早期用過電磁分離法 美國早期電磁分離裝置 Y12電磁分離設(shè)施的女操作人員 換班的女操作員 誰會把她們與核武器聯(lián)系起來呢 氣體擴散分離法原理圖 中國60年代建成的氣體擴散廠 離心機原理示意圖 美國俄亥俄州波特茅斯地下基地 正在生產(chǎn)的離心分離廠 放射性廢物處理與處置第三章放射性廢物的產(chǎn)生和廢物最小化 激光分離法利用235U與238U質(zhì)量差所引起的激發(fā)能差別 原子激光法是將金屬鈾蒸發(fā) 然后用一定波長的激光束將鈾 235原子激發(fā)到一個特定的激發(fā)態(tài)或電離態(tài) 但不能激發(fā)或電離鈾 238原子 再施加電場收集通向收集板的鈾 235原子 放射性廢物處理與處置第三章放射性廢物的產(chǎn)生和廢物最小化 分子激光法首先用紅外線激光照射六氟化鈾氣體分子 鈾 235原子吸收這種光譜 從而導(dǎo)致原子能態(tài)的提高 再利用紫外線激光器分解這些分子 分離出鈾 235 鈾濃縮生產(chǎn)的廢物產(chǎn)生少量廢物 廢排風(fēng)過濾器和清洗檢修過程產(chǎn)生的廢物 放射性廢物處理與處置第三章放射性廢物的產(chǎn)生和廢物最小化 燃料元件制造包含核燃料的最小獨立結(jié)構(gòu)單元稱作燃料元件 研究設(shè)計 涉及核物理 裂變物理 固體物理 傳熱學(xué)和質(zhì)量轉(zhuǎn)移理論 材料科學(xué) 化學(xué) 固體和流體力學(xué)等綜合知識 制造檢測 一般由芯體和包殼組成 長期在強輻射 高溫 高壓 高流速的環(huán)境下工作 對芯體和包殼材料 結(jié)構(gòu)和使用壽命有很高的要求 二氧化鈾陶瓷芯塊 钚 239 輕水堆的燃料組件 乏燃料元件的運輸 放射性廢物處理與處置第三章放射性廢物的產(chǎn)生和廢物最小化 元件制造產(chǎn)生的廢物含鈾固渣制造混合氧化物燃料元件 MOX 所產(chǎn)生的钚污染廢物 要作長壽命放射性廢物處置 放射性廢物處理與處置第三章放射性廢物的產(chǎn)生和廢物最小化 前處理 小結(jié)聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署估計 鈾礦山對環(huán)境的劑量貢獻是水冶廠的3倍 是元件制造廠的30倍 中國核工業(yè)30年輻射環(huán)境質(zhì)量評價 我國鈾礦冶職業(yè)照射集體劑量占核燃料循環(huán)系統(tǒng)的63 3 環(huán)境公眾受照集體劑量占核燃料循環(huán)系統(tǒng)的83 4 我國鈾礦山尾礦等排出氡產(chǎn)生的年集體劑量達2 5人 Sv 前處理 過程的廢物管理是應(yīng)該加強的 放射性廢物處理與處置第三章放射性廢物的產(chǎn)生和廢物最小化 3 2反應(yīng)堆運行廢物反應(yīng)堆運行功能 動力堆 生產(chǎn)堆 研究堆廢物的核素來源 裂變過程 活化過程活化核素絕大多數(shù)為短壽命核素 而裂變核素以長半衰期為特征 途徑 元件泄漏和冷卻劑凈化 換料大修和設(shè)備檢修產(chǎn)生氣 液 固體廢物 實施廢物最小化 廢物量正在不斷減少 大亞灣核電站 研究實驗反應(yīng)堆 中國核動力研究院高通量工程試驗堆 清華大學(xué)低溫供熱實驗堆 清華大學(xué)高溫氣冷實驗堆 中國原子能院鈉冷實驗快堆 放射性廢物處理與處置第三章放射性廢物的產(chǎn)生和廢物最小化 3 3核燃料循環(huán)后段廢物一次通過 乏燃料不作后處理 永久性的最終處置 后處理 回收乏燃料中的鈾和钚并加以復(fù)用 只將裂變產(chǎn)物作最終處置 高放廢物和長壽命低中放廢物主要核素 239Pu 237Np 241Am 99Tc 129I 90Sr和137Cs 廢物和超鈾廢物 放射性廢物處理與處置第三章放射性廢物的產(chǎn)生和廢物最小化 乏燃料貯存據(jù)IAEA統(tǒng)計 到200年底 全世界積存的乏燃料約13萬t 已進行后處理的乏燃料約7萬t 現(xiàn)在 全世界卸出的乏燃料量約10500t a 貯存廢物廢樹脂和廢樹脂再生廢液廢空氣過濾器和液體過濾器 放射性廢物處理與處置第三章放射性廢物的產(chǎn)生和廢物最小化 乏燃料后處理 1 回收鈾和钚 相當于22000t石油 1t乏燃料 2 轉(zhuǎn)變成公眾可接受的易于安全處置的形式 3 可提取137Cs 90Sr 99Tc 147Pm等有用元素 對后處理的要求 能接受不同的核燃料 適合連續(xù)作業(yè) 最少量的直接維修 分離凈化方法 濕法和干法后處理工藝流程 冷卻 首端處理 化學(xué)分離 Purex流程 普雷克斯 Purex 流程簡圖 美國早期钚元素分離車間內(nèi)景 美國洛斯阿拉莫斯實驗室已經(jīng)初步加工的鈾金屬塊 酒泉原子能聯(lián)合企業(yè) 404廠 動力堆乏燃料元件中間試驗工廠 放射性廢物處理與處置第三章放射性廢物的產(chǎn)生和廢物最小化 廢物產(chǎn)生量 處理1t動力堆乏燃料 0 1m3高放廢物 含95 放射性 1m3中放廢物 含3 放射性 4m3低放廢物 含1 放射性 廢有機溶劑 0 01 0 10m3 t燃料重要核素氣載流出物 3H 14C 85Kr和129I 液態(tài)流出物 3H 137Cs 90Sr和钚 放射性廢物處理與處置第三章放射性廢物的產(chǎn)生和廢物最小化 3 4核設(shè)施退役廢物退役 使一核設(shè)施從服役進入計劃的永久退出服役所需做的工作 源項調(diào)查放射性去污拆除解體環(huán)境恢復(fù) 放射性廢物處理與處置第三章放射性廢物的產(chǎn)生和廢物最小化 IAEA規(guī)定的退役 三步曲 1 一級退役 監(jiān)護封存期 設(shè)備倒空 清洗 去污 管線封堵 適當進排風(fēng) 對廠房內(nèi)外監(jiān)測并定期檢查 2 二級退役 局部拆除期 設(shè)備部分拆除 人員進出不需監(jiān)測 不需進排風(fēng) 對防污染屏障抽樣監(jiān)測 定期環(huán)境檢查 廠址有限制開放 3 三級退役 最終處置期 設(shè)施全部拆除 設(shè)備全部運走 不需監(jiān)測檢查 廠址無限制使用 放射性廢物處理與處置第三章放射性廢物的產(chǎn)生和廢物最小化 退役廢物的特點 1 絕大部分的是低放固體廢物 2 數(shù)量和體積龐大 組分復(fù)雜 3 污染較牢固 不易去除 活化產(chǎn)物不可能分離與去除 一座電功率1300MW壓水堆退役產(chǎn)生廢物15000 18000m3 含放射性約為2 1017Bq 99 集中在反應(yīng)堆堆芯中 放射性廢物處理與處置第三章放射性廢物的產(chǎn)生和廢物最小化 3 5放射性同位素和核技術(shù)利用廢物與伴生放射性礦廢物同位素廢物 來源分散 分類差 夾帶生物廢物 廢放射源 226Ra源 60Co源和137Cs源 伴生礦廢物 含有較高水平天然放射性核素濃度的非鈾礦 按建筑材料放射性核素限量 GB6566 2001 管理 放射性廢物處理與處置第三章放射性廢物的產(chǎn)生和廢物最小化 3 6廢物最小化指廢物量 體積和重量 和活度 合理可達到的最小 是放射性廢物管理基本原則之一 從源頭抓起全過程管理共同負責任實現(xiàn)廢物最小化方法 優(yōu)化管理 減少源項 循環(huán)利用 減容處理 放射性廢物處理與處置第三章放射性廢物的產(chǎn)生和廢物最小化 最重要的措施 優(yōu)化管理執(zhí)行標準嚴格分類質(zhì)量保證周密計劃應(yīng)急準備培訓(xùn)人員建數(shù)據(jù)庫專家把關(guān)集中處理流動處理 放射性廢物處理與處置第三章放射性廢物的產(chǎn)生和廢物最小化 最有效的方法 減少源項先進工藝優(yōu)化設(shè)計降低泄漏減少維修避免事故減少污染分類處理二次廢物 放射性廢物處理與處置第三章放射性廢物的產(chǎn)生和廢物最小化 最倡導(dǎo)的方向 循環(huán)利用水的循環(huán)使用酸堿回收含硼廢液循環(huán)使用貧化鈾再利用MOX燃料使用廢金屬再利用容器 工具 防護用品多次使用 放射性廢物處理與處置第三章放射性