安全生产_放射性固体废物及其安全处置技术

放射性固体废物及其安全处置技术 dy2013年11月22日 核武器 核爆炸 核电站 目录 1 放射性基础知识2 放射性固体废物基础知识3 放射性固体废物安全处置技术4 国内外相关法律法规及发展情况 放射性基础知识 基本概念衰变类型放射性衰变基本规律放射性活度 放射性强度 放射性 所谓的放射性是指原子核自发地放射出射线的现象 这些原子核处于不稳定状态 在其发生核转变的过程中 自发地放出由粒子或光子组成的射线 并辐射出原子核里的过剩能量 同时本身转变成另一种核素或成为原来核素的较低能态 常见的射线有 射线 其所放出的粒子或光子 会对周围介质或机体产生电离作用 造成放射性污染或危害 有时放射性也称为电离辐射 放射性核素 放射性核素 能自发地放射出射线的核素 称为放射性核素 以前常称为放射性同位素 也叫不稳定核素 目前已发现的放射性核素近2500种 Z 83分类 分为天然的和人工的2种 其中天然的有60多种 绝大多数为人工放射性核素 原子结构 从母核中射出的4He原子核 粒子得到大部分衰变能 238U 4He 234Th 放射性母核 放射性核素的原子核放射出 粒子而变为另一种核素的原子核的过程称为 衰变 射线 是由 粒子 即氦原子核 组成的粒子流 衰变 发生原因 母核中子或质子过多 质子转变成中子 并且带走一个单位的正电荷 中子转变成质子 并且带走一个单位的负电荷 衰变 中微子 原子轨道电子被俘获 射线 是高速运动的电子流 放射性核素的原子核放射出 粒子而变为另一种核素的原子核的过程称为 衰变 衰变可以看成是母核中有一个中子转变为质子的结果 衰变 处于激发态的原子核 高能态 向基态 低能态 跃迁时 其能量以光子的方式释放出来 发射出 射线 它是一种高能量的电磁波 波长较短 核素的 衰变往往是与 衰变 衰变一起发生的 射线 是波长很短的电磁波 光子 速度与光速相同 不带电 放射性衰变基本规律 指数衰减规律N N0e tN0 t 0 时放射性原子核的数目N 经过t时间后未发生衰变的放射性原子核数目 放射性原子核衰变常数大小只与原子核本身性质有关 与外界条件无关 数值越大衰变越快 N N0e t 放射性活度 放射性强度 定义 在给定时刻 处于特定能态的一定量放射性核素在dt时间内发生自发跃迁数的期望值dN除以dt 即 一定量的放射性核素 在单位时间内发生衰变的次数 表达式 A dN dt物理意义 表示放射性物质的放射性的强弱单位 国际单位 贝克Bq非法定计量单位 居里Ci1Ci 3 7 1010Bq 放射性固体废物基础知识 放射性固体废物基本概念放射性固体废物的分类放射性固体废物的主要特性国内外放射性废物产生现状 放射性固体废物 放射性固体废物 又称核固体废物 是指任何含有放射性核素或被其污染的固体物质 其中放射性核素的浓度或活度水平超过主管部门确定的豁免值 而且这些物质在可预见的将来无可利用 不包括未处理的乏燃料 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 放射性固体废物的分类 IAEA分类 国际原子能机构固体废物分类标准 短寿命低中放废物 半衰期小于30a长寿命低中放废物 半衰期大于30amSv 毫西弗 是辐射剂量的基本单位之一 放射性固体废物的分类 我国 废物 被钚或其他超铀元素所沾污的各种不同的材料 非 废物 其中按其所含寿命最长的放射性核素的半衰期长短分为四种 含有半衰期小于或等于60d的放射性核素的废物 含有半衰期大于60d 小于或等于5a的放射性核素的废物 含有半衰期大于5a 小于或等于30a的放射性核素的废物 含有半衰期大于30a的放射性核素的废物 建立在IAEA基础上GB9133 1995 放射性固体废物的主要特性 易燃性 发热性 放射性 放射毒性 化学毒性 放出有害气体 易爆性 主要特性 部分特性 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 放射性废物 尤其高放废物 在生成后将持续地放出大量衰变热 在铀系的 辐射过程中 三者释放的热量分别占总释热量的89 4 5 和6 5 高放废物和乏燃料中含有较多的长寿命 辐射体 因而可释放出较多衰变热 低 中放废物仅含少量长寿命 辐射体 其发热量也远少于高放废物 放射性废物的来源 前端核燃料循环后端核固体废物来源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 核工业主要工艺体系方框示意图 国内外放射性废物产生现状 核电厂运行是当今世界核废物最重要来源之一 2011年 全球核电行业最大的事件 毫无疑问便是日本戏剧性的离开核国家阵容 2011年3月的地震和海啸摧毁了福岛第一核电站 造成日本北部大面积放射性污染 其后果之一即是日本的全球排名急剧下跌 作为曾经发电总量居前列的国家 日本在2012年5月关闭了最后一座运行中的核反应堆 尽管7月初有一座反应堆重新启动 但日本是否重新恢复灾难之前的核发电容量 仍将是一个疑问 美国在反应堆数量 装机容量和发电量方面处于遥遥领先的地位 法国同样也在很大程度上依赖核电 其核电的燃料份额为77 7 居世界之一 其依次为比利时 54 0 乌克兰 47 2 匈牙利 43 3 斯洛文尼亚 41 7 瑞士 40 9 等 中国拥有核电厂16座 核电装机容量11816MW 居第8位 但其燃料份额仅为1 9 一个年发电量为6Gw的核发电体系在运行40a间产生的核废物总量约为19 4 104m3 不包括铀尾矿 燃料元件加工废物等 我国预计到2020年后每年将从反应堆卸出1000t乏燃料 其中残余的铀和钚回收后 即为待处理的高放射性废物 放射性废物的治理 任重而道远 放射性固体废物安全处置技术 预处理 处理 整备 低 中放和极低放废物的处置 废物处理 高放废物处置 处理方法 处置方法 其他 安全运输 暂时贮存 预处理 目的 1 减小有待进一步加工处理和处置的放射性废物的量 2 调整需要处理 整理和处置的放射性废物的性质 使其更易加工处理和处置 收集 分拣 去污 回取 预处理 收集所有的放射性废物必须分类收集 如果可能 应根据本底辐射水平 在废物产生时检测其放射性含量 否则 应将废物放入合适的容器中送到中心检测站进行监测 分拣1 把非放射性物质或成分从放射性废物中分拣出来2 根据要求把放射性废物按标准进行恰当分类 预处理 去污定义 把放射性核素从不希望其存在的部位全部或部分除去 目的 1 降低放射性水平 2 方便事故处理 3 便于退役工作 4 使再利用 5 降低贮存 运输 处置的费用和负担 方法 一般为机械 物理法 化学法 电化学法 熔炼法 利用擦 刷 磨 刮 削 刨 共振等机械作用除去表面的锈斑 污垢或表面涂层 氧化膜层 用浓的或稀的化学溶剂与污染的部件相接处 以溶解带有放射性核素的污染物 油漆涂层或氧化涂层达到去污的目的 在含有电解液的槽中 污染物做阳极 电解液做阴极 通过高密度电流100 2000A m2 不断更新电解液 可除去金属表面污染物 使其表面变得光滑清洁 冶金法 依靠熔融金属物进行去污 通过加入适当的助溶剂 使放射性核素重新分配 预处理 回取由于历史原因 初期入库的废物体都没有进行规范的分类包装 入库方式也都是采用向地坑内自由投放的方式 经过多年的贮存包装容器大部分已经腐蚀 老化腐烂 致使放射性废物散落在坑内 这些废物如不进行处理 将对环境带来多方面的污染 回取能力建设主要目的是对贮存于废物库地坑内的各种放射性固体废物进行回取 分拣和包装处理 美国 德国 处理技术 焚烧 焚烧是对可燃性废物减容的常用处理技术 将可燃性 固体 液体 废物置于高温焚烧炉内焚烧 产生的惰性熔渣或灰烬 具有比原来高得多的比活度 供进一步固定等 焚烧工艺 分拣 破碎 进料 焚烧 排灰 烟气冷却 烟气净化等过程 焚烧炉的炉型繁多 其中最重要的是过量空气焚烧炉和热解焚烧炉 焚烧炉一般具有以下结构系统 焚烧系统 净化系统 控制系统 通风系统 典型的焚烧炉及其废气净化系统 焚烧炉 燃烧室 钢体外壳 内衬绝热和耐火陶瓷材料 空气加热器 助燃气体 空气和氧气助燃器 助燃燃料 丙烷 天然气 柴油焚烧炉需要保持一定负压焚烧炉设计的基本要求 完全燃烧 处理技术 焚烧 对于低比活度的可燃废物来说 焚烧是最有效的减容方式 并且生成的灰烬易于加工成适于处置的稳定形式 焚烧废物的放射性比活度必须控制在不会引起操作人员和公众的受照水平超过国家规定的允许水平 如果焚烧含有大量放射性同位素的可燃废物 要求完善的废气处理系统 投资和运行的成本都比较高 焚烧 焚烧使废物的有机成分转化成无机产物 焚烧过程中 焚烧系统必须提供放射性核素的密封 避免气体和蒸汽逸出 处理能力为40kg h的焚烧炉 按每天运行8小时计算 处理50 100放射性废物用时不到30天 据估计 一个能力为40kg h的焚烧炉需要的总成本可能超过1000万美元 处理技术 压实依靠机械力作用使废物密实化 提高废物整体密度 减少废物体积 主要优点 费用低设备简单二次废物极少压缩效果用减容比表征 减容比 压缩前废物体积 压缩后废物体积放射性废物压缩处理的减容比一般为2 6 若采用高压压缩机 则减容比可达100 甚至将金属压缩至其近似理论密度 圆筒式压缩机工作示意图 处理技术 一般采用固化技术固化的定义 在危险废物中添加固化剂 使其转变为不可流动固体或形成紧密固体的过程 放射性蒸发残渣 泥浆和废树脂等湿固体和焚烧炉灰等干固体 都是弥散性物质 需要固化处理 通常 固化的途径是将放射性核素通过化学转变 引入到某种稳定固体物质的晶格中去 或者通过物理过程把放射性核素直接掺入到惰性基材中 固化的目标是使废物转变成适宜于最终处置的稳定的废物体 理想的废物固化体要具有阻止所含放射性核素释放的特性 其一般要求如下 低浸出率 高导热率 高的耐辐射性 高化学稳定性和耐腐蚀性 高的机械强度中 低放废物常采用水泥固化 沥青固化及塑料固化工艺进行固化 高放废物常采用玻璃或陶瓷固化工艺进行固化 整备技术 整备技术 几种主要固化方法的比较 水泥固化 水泥固化原理 指将放射性废物与水泥均匀搅拌成糊状 凝结后失去流动性 逐渐硬化成固体 进行贮存或处置 水泥是一种无机胶结剂不适合水泥固化的废物 放射性水平高 含易挥发核素 金属腐蚀或辐射分解产生气体等优缺点 抗压强度高 自屏蔽能力强 耐辐射和耐热性能好 工艺设备简单 投资少 增容1 5 2倍 放射性核素的浸出率较高 水泥 普通硅酸盐水泥 矿渣硅酸盐水泥 火山灰质硅酸盐水泥 高铝水泥等 可根据废物的种类 性质进行选择 添加剂 沸石 Cs 硅灰 Sr 粉煤灰 流动性 等 水泥固化样品 水泥固化试验现场 沥青固化 沥青固化原理 以熔融沥青或乳化沥青为固化剂 与放射性废物在一定的温度 配料比 碱度和搅拌作用下均匀混合 同时蒸发除去水分 使废物均匀地包容在沥青中 最后装桶 冷却获得稳定的固化体 废物包容量为40 60 质量分数 软化点 60 沥青软化 发生分离和沉降含硝酸盐加速沥青氧化 重金属会对沥青氧化起催化作用 沥青固化工艺 锅式法 批式生产 薄膜蒸发器法 连续生产工艺 螺杆挤压法 转鼓固化法沥青固化的优点 材料容易获得 对废液适应性强 盐份包容率较高 减容比0 8 固化产品浸出率低 技术成熟 自控程度高 沥青固化的缺点 工艺稳定性过分依赖于沥青材料 工艺安全性差 要严格控制操作温度不大于180 固化物起始放热温度 230 固化产品有软化 老化 辐射分解 生物降解和遇水易溶胀等问题 成本较高 10000元 m3 塑料固化 又称聚合物固化 有热塑性塑料固化和热固性塑料固化两种 前者经过高温状态后冷凝能恢复原来状态而后者不能 塑料固化原理 以塑料为固化剂 与放射性废物按一定比例配料 加入适量引发剂 催化剂 硬化剂和促进剂进行搅拌混合 使其发生聚合反应 将废物包容形成具有一定强度的稳定性固化体 塑料固化工艺 聚酯固化 在室温下固化废树脂 已建成核电站车载式流动固化装置环氧树脂固化 成本较高聚苯乙烯固化 可包容高达70 TBP废溶剂或65 的废树脂聚乙烯固化 日本50 废树脂 美国橡树岭 20 50 TBP废溶剂聚氯乙烯固化 德国卡尔斯鲁厄 40 50 TBP废溶剂脲醛固化塑料固化的优缺点 优点是处理过程在室温下进行 放射性废液直接掺和入聚合物而无需蒸发 对硝酸盐 硫酸盐等可溶性盐 有很高的掺和效率 最终固化体密度小 体积小 不可燃 浸出率低 缺点是某些有机聚合物能被生物降解 固化物老化破碎后 污染物可能会污染环境 固化材料价格昂贵等 废物的处理 至今 多数国家将 废物临时储存在废物库中 由于 废物积量日益增多 贮存办法已经不适应要求 而且从安全角度考虑也要求人们去处理这些 废物 许多核工业国家都在研究处理 废物的方法 其中湿燃烧法被普遍认为是一种处理 废物的优良方法 湿燃烧法 是指利用热浓硫酸和硝酸 250 浸煮可燃性固体物质 把大部分有机物变为气体产物 把大部分无机物变为硫酸盐和氧化物 然后将产生的高放射性残渣进行萃取回收 剩余物质最后再固化或者直接烧结 废物的处理 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 处置 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 瑞典芬兰 6 水力压裂处置 页岩等 美国停止中国 7 海洋投弃 海水 沿海国家采用 现禁止 低 中放和极低放废物的处置 选址 在地表上或地表下或洞穴内安全隔离期 300 500a处置单元 全地下 半地下 全地上构筑方式 1 简单土沟 土坑埋藏 适用于极低放废物 2 地下混凝土工程 长度从几米到几百米 宽度和深度从几米到几十米 顶板厚0 5 1米 侧壁厚0 4 0 5米 底板厚0 4 0 8米 内隔墙0 3 0 4米 底部设排水孔和集中导水系统 3 混凝土井穴 直径数米 深几米到二三十米 印度 加拿大半地下式又称坟丘式 法国芒什全地上式 法国奥布 广东北龙洞穴式 天然或人工挖掘洞穴 德国地下岩洞式 瑞典 芬兰海下岩洞处置场 低 中放和极低放废物的处置 广东北龙低中放废物处置场 目前为止 我国有两个低中放射性废物的处置场已建成 一个在我国大亚湾东北方四公里的北龙 另外一个在甘肃 根据核电中长期规划 未来10年内 2011年报道 在西北 华南 华东 华北 东北五个地区 计划在每个区域建设一个中低放废物处置基地 水力压裂法水力压裂地下水泥固化机理 选择地下200 400米适宜场址 应用石油工业成熟的压裂技术和设备 把低中放废液和水泥及添加剂制成的灰浆注入地下封闭的透水性很低的页岩层中 待其凝固后与页岩形成一个整体 使放射性废物与人类环境安全隔离 美国在60年代开发 1965年至1985年在田纳西州橡树岭国家实验室压裂42次 处理中放废液18900m3 150万居里 后因事故停止 国内1981年开始地勘工作 1985年注浆试验成功 1988年通过可行性报告 1992年通过环评报告 1993年立项建设 1996年建成后开始热试运行 至2001年共压裂9次 共注射废液近3000m3 美国田纳西州橡树岭国家实验室 特点 1 地质要求 2 工艺复杂 3 操作难度大 4 风险大 5 上级关注 水力压裂法水力压裂工艺建井 钻孔下钢套管固井 建成注射井 切口 聚能爆破或水力旋转喷砂切割切开套管 管外固井水泥环及围岩 形成宽约30mm 深200 250mm的环形切口 致裂 用高压清水 100 300kg cm2 致裂 将切口扩张形成裂缝 注浆 将预先配好的固料和废液连续通过混合喷嘴 以80 160kg cm2高压注入井中 每次注浆8 12h 注入350 500m3中放废液灰浆 注浆间隔不少于3个月 清洗 注完废液后 再注入清水灰浆约5min 清水洗涤10 15min 运行中和关井候凝 清洗结束 关井等候凝固 堵口 一个切品注浆3 4次后 座封桥塞堵死切口 在上方3 7m处再开新口 高低放废物的处置 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 高低放废物的处置 我国高放废物安全处置工作国防高放废液玻璃固化 2020年近1000t a乏燃料 高放废物地质处置研究开始于1985年 主要成绩 甘肃北山场址选址核素迁移科研缓冲 回填材料研究2006年 国防科工委 科技部 环保总局发布 高放废物地质处置研究开发规划指南 规划2020年前后建成地下实验室 21世纪中叶建成高放废物地质处置库 国际放射性固体废物处理及管理现状 美国 组织机构 NRC 美国 核管制委员会 EPA DOE美国能源部法令和条例 国家环境政策法 1969 原子能法 1954 低放废物政策法 1980 核废物政策法铀尾矿辐射控制法 1983 放射性废物管理条例 放射性废物陆地处置的审批要求等等 英国 组织机构 HSE 民用核设施的监管 流出物排放和废物处置在英格兰和威尔士由环境署 EA 在苏格兰由环境保护署 SEPA 法令和条例 1995原子能管理法 1989污染控制修正法 1990环境保护法 1991放射性物质道路运输法 1970辐射防护法 1999电离辐射条例 国内放射性固体废物处理及管理现状 法律法规中华人民共和国固体废物污染环境防治法中华人民共和国放射性污染防治法 放射性废物安全管理条例 2012 3 1执行GB废弃产品分类与代码GB T27610 2011医用放射性废物的卫生防护管理GBZ133 2009核电厂低 中水平放射性固体废物暂时贮存技术规定GB14589 1993危险废物鉴别标准通则GB5085 7 2007低 中水平放射性固体废物包装安全标准GB12711 1991低中水平放射性固体废物的岩洞处置规定GB13600 1992低 中水平放射性固体废物暂时贮存规定GB11928 1989放射性废物近地表处置的废物接收准则GB16933 1997轻水堆核电厂放射性固体废物处理系统技术规定GB9134 1988低中水平放射性固体废物的浅地层处置规定GB9132 1988 国内放射性固体废物处理及管理现状 行业标准EJ T 核工业标准 核设施环境保护管理导则 放射性固体废物浅地层处置环境影响报告书的格式与内容HJ T5 2 1993低 中水平放射性固体废物包装容器 钢桶EJ1042 1996低 中水平放射性固体废物容器 钢箱EJ1076 1998