Технологии обращения с РАО и ОЯТ

Сложившаяся практика переработки жидких радиоактивных отходов (ЖРО) появилась в ходе эксплуатации объектов атомной энергетики, прежде всего, атомных электростанций (АЭС), и предусматривает использование невостребованного тепла, которого достаточно на работающей АЭС. Практика эта основана на максимально возможном упаривании ЖРО и доочистке конденсатов и некоторых видов низкоактивных ЖРО на ионнообменных смолах, регенераты которых поступают на выпарные аппараты. Образующиеся концентраты подлежат длительному хранению в специальных могильниках в виде отвержденных цементом или стеклом блоков. Из-за недоработки методов отверждения гораздо чаще концентраты в жидком состоянии хранятся в емкостях, оборудованных соответствующим образом. В любом случае из-за возможных протечек и разливов очень высоки стоимость и экологическая опасность такого хранения.

На атомных объектах как гражданского, так и военного назначения, проблема обращения с ЖРО еще более сложна, поскольку для выпаривания требуются большие затраты энергии. Во многих случаях это сделать невозможно из-за отсутствия в составе объекта соответствующего оборудования. Наконец, хранение концентратов ЖРО на самих объектах, как правило, не предусмотрено. Проблема многократно возросла, когда началась утилизация ядерного стратегического вооружения, демонтаж морских атомоходов и выработавших свой ресурс блоков АЭС.

В этих случаях радиоактивные отходы имеют сложный радионуклидный и химический составы. В них находится большое количество взвесей, коллоидов, ПАВ и комплексообразователей, а переработка требует использования новых комплексных методов. Благодаря уникальному научно-техническому потенциалу, накопленному за последние десятилетия, Россия может создать и практически имеет все необходимые технологии, специалистов и опыт переработки ЖРО.

В основу концепции обращения с жидкими радиоактивными отходами, и, прежде всего, с отходами среднего и высокого уровня радиоактивности, положены разрабатываемые сегодня методы очистки, концентрирования и фракционирования жидких смесей с помощью неорганических материалов, обладающих селективным воздействием на компоненты смесей. Речь идет о мембранных и сорбционных методах очистки на отечественных металлокерамических мембранах и синтетических минеральных сорбентах.

Фундаментальные научные разработки, проведенные Ассоциацией laquo;АСПЕКТ» за последнее десятилетие в областях материаловедения нанокристаллических керамик, интенсификации трансмембранного массопереноса, соосаждения микропримесей радионуклидов, синтеза и применения микродисперсных форм селективных сорбентов, дали возможность впервые в мире предложить принципиально новую концепцию обращения с ЖРО - мицеллярно-усиленную или реагентную ультрафильтрацию (МУУ). Мицеллярно-усиленная ультрафильтрация – это метод мембранного разделения, позволяющий объединить высокую производительность при низком рабочем давлении со способностью очищать воду от ионных компонентов с их селективным разделением. Метод основан на переводе растворенных низкомолекулярных компонентов в новое ассоциированное молекулярное или коллоидное состояние с последующим отделением образующихся ассоциированных форм на микропористой неорганической мембране.

С технической стороны методы переработки ЖРО очень близки к методам очистки промышленных стоков. Главное отличие в том, что токсичной составляющей являются радиоактивные изотопы. Подавляющее количество радионуклидов находится в виде растворенных веществ.

Таким образом, практическая реализация метода мицеллярно-усиленной ультрафильтрации дает эффективное средство для создания новой концепции обращения с ЖРО, заключающейся в выводе из потока основной части нерадиоактивных загрязнений.

Технической реализацией этой концепции является моноблочная комплексная установка, сочетающая в едином корпусе узел химической обработки и ультрафильтрации.

Сущность разработанной в Ассоциации «АСПЕКТ» новой компоновочной идеи моноблочной установки заключается в использовании единого корпуса с мембранным модулем, вокруг которого смонтирован узел химической обработки.

Новизна мембранного модуля заключается в том, что энергию на турбулизацию жидкости над мембраной надо ввести не в поток, подаваемый для разделения или концентрирования, а на специальные подвижные механические турбулизаторы, которые при движении будут создавать локальное перемешивание жидкости над мембраной. При этом резко увеличивается КПД использования вводимой энергии и, соответственно, в несколько раз снижаются энергетические затраты на разделение.

В отличие от ставших уже традиционными методов отверждения ЖРО аппараты Ассоциации «АСПЕКТ» совмещают в одной стадии очистку и отверждение. Это становится возможным при использовании высокоселективных синтетических неорганических сорбентов в колонном или суспендированном вариантах. Сорбент превращается в материал одноразового использования и даже при его высокой стоимости такое отверждение дешевле, чем традиционное. Разработка Ассоциации laquo;АСПЕКТ» позволяет исключить из технологической цепочки такие стадии, как регенерация сорбента и соответствующие затраты химических реагентов, упаривание регенерационых растворов и отверждение концентратов.

Моноблочная установка имеет многоцелевой характер и может быть легко трансформирована для решений самых разнообразных радиохимических задач. Так, при необходимости мембранный модуль может быть дополнен работающим от единого вала мембранным экстрактором, что позволит использовать установку для извлечения ценных компонентов при ее работе в радиохимическом производстве ( переработка ОЯТ, изготовление МОКС-топлива и т.д.)

Предложенная технология и оборудование предназначены для довольно широкого рынка объектов переработки ЖРО (радиохимических комбинатов, баз ВМФ, заводов МО, атомных электростанций). Поэтому по прямому назначению таких установок для России потребуется несколько сотен. До настоящего времени аналогичной отечественной и импортной продукции для указанных объектов не предлагалось.

К настоящему времени различные модификации комплексных установок для очистки ЖРО сложного радиохимического и химического состава испытаны в реальных условиях в России на следующих объектах:

  • ФГУП ПО "Маяк"
  • РТП "Атомфлот"
  • ЗАО "Экоатом"
  • ВНИИ Неорганических материалов
  • ФГУП МКЦ "Нуклид"
  • Институт экологических проблем
  • НПО "РАДОН"
  • ЗАО Меркурий
  • ОАО "НИИ Химмаш"
  • ГП НПЦ "Конверсия"
  • ПФ "Автоматика"
  • ООО ПКФ "БИГОР"
  • ВНИИ АЭС
  • РХТУ им. Менделеева
  • НПП Биотехпрогресс

Одна из модификаций комплексной установки – мембранная центрифуга - начиная с 1995 года совместно с американской компанией SpinTek проходила широкие испытания на ряде объектов в Лос Аламосской Национальной Лаборатории (США). Начиная с осени 2001 года к испытаниям комплексных аппаратов приступили корпорация Bechtel и Национальная Лаборатория в Айдахо (INEEL). Было подписано соглашение с корпорацией СН2М HILL о широкой программе испытаний российских комплексных аппаратов в Хэнфорде (США).

Моноблочная установка
В моноблочной установке использован единый корпус с мембранным модулем, вокруг которого смонтирован узел химической обработки - последовательный каскад реакторов небольшого объема с мешалками, имеющими привод от единого вала. Это позволяет осуществить направленное, регулируемое химическое воздействие на ЖРО, обеспечивающее перевод растворенных радиоактивных низкомолекулярных реагентов в молекулярные ассоциаты, коллоиды, микродисперсии и их адсорбцию на микрочастицах адсорбентов. Моноблочная компоновка установки переработки ЖРО позволяет значительно повысить безопасность ее эксплуатации, уменьшить размеры, гидравлический объем и существенно упростить и ускорить монтажные и пуско-наладочные работы. Предложенная технология и оборудование предназначены для объектов переработки ЖРО (радиохимических комбинатов, баз ВМФ, заводов МО, атомных электростанций).