第13講-放射性廢物的處理和處置-1

1、第13講放射性廢物的處理和處置,,,1　放射性廢物處理的重要性2　放射性廢物的來源和分類3 放射性廢物的主要特點4 放射性廢氣（氣載廢物）的處理5 放射性廢液的處理6 放射性固體廢物的處理7 放射性固體廢物的處置8 高放廢物的核嬗變處理,1　放射性廢物處理的重要性,放射性廢物的定義 放射性廢物，又稱核廢物，是指任何含有放射性核素或被其污染的物質(zhì)，其中放射性核素的濃

2、度或活度水平超過國家規(guī)定限值的廢棄物。　　放射性廢物以其具有較高放射性、放射毒性區(qū)別于其他非放射性有害物質(zhì)。度量核廢物放射性活度的單位為Bq（貝可；1Bq=1次衰變/s）。,,為使放射性廢物變成適于往大氣、水體排放或作最終處置的狀態(tài)所實施的工藝過程稱為放射性廢物處理。 為使放射性核素在衰變到對人類無危害水平以前保持與生物圈隔離所采取的措施稱為放射性廢物處置。,,放射性廢物中的放射性核素，采用一般的物理、化學(xué)及生物

3、學(xué)方法不能予以消滅或破壞，只有通過它們自身的衰變（或特殊情況下的核轉(zhuǎn)變）才能使放射性衰減到一定水平。 為達到安全處置的目的，通常采用稀釋擴散和濃縮貯存兩種方式。,2 放射性廢物的來源和分類,放射性廢物產(chǎn)生于核工業(yè)各環(huán)節(jié)（圖1.1），以及使用放射性物質(zhì)的各部門，即來自核燃料循環(huán)和非核燃料循環(huán)工藝體系或部門?！　?按照工作部門劃分，核廢物主要來鈾礦山、鈾水冶廠、核電廠、核武器制造廠、核艦只和使用放射性物質(zhì)的科研、教育、醫(yī)療、

4、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等部門；若按放射性總活度計，核工業(yè)中產(chǎn)生的核廢物，其99%來自核燃料后處理廠。,圖1.1 核工業(yè)主要工藝體系方框示意圖,核電站,壓水堆核電站,石墨氣冷堆,快中子增殖堆,放射性廢物的來源（核燃料循環(huán)）,前端 核燃料循環(huán) 后端核廢物來源 1.放射性同

5、位素生產(chǎn)和應(yīng)用 非核燃料循環(huán) 2.醫(yī)療、科研、教育、工業(yè) 和農(nóng)業(yè)等部門應(yīng)用放射性物質(zhì) 3.核設(shè)施退役,,,,放射性廢物的分類,1．按物理狀態(tài)分類 按物理狀態(tài)不同，可將放射性廢物分為放射性固體廢物、放射性液體廢物和放射性氣載廢物三類。 2．按放射性水平分類 放射性物質(zhì)的放射性水平，可用比活度(

6、固體廢物)和放射性濃度(氣載廢物、液體廢物)表示，其物理意義為單位質(zhì)量(固體)或單位體積(液體、氣體)物體的放射性活度，度量單位為Bq／kg、Bq／M3或Bq／L。按放射性水平不同，可將放射性廢物分為高放廢物(HLW)、中放廢物(ILW)和低放廢物(LLW)三大類。世界各國劃分這三大類廢物的放射性水平標準尚不統(tǒng)一。,放射性廢物的分類,⑴高放廢物 20世紀70年代的定義，是指乏燃料后處理第一循環(huán)溶解萃取水溶液．或與此相當(dāng)?shù)臐饪s廢液等，即

7、高放廢物的產(chǎn)生與乏燃料后處理有關(guān)。1981年，美國核管理委員會(NRC)明確規(guī)定高放廢物包括下列備類核廢物，①不予處理的乏燃料；②乏燃料后處理第一循環(huán)萃取廢液，或隨后萃取循環(huán)的濃縮廢物；③高放廢液的固化體。,放射性廢物的分類,⑵中放廢物 中放廢物是指放射性水平介于低放廢物和高放廢物之間的放射性廢物。中放廢物主要來自核反應(yīng)堆、乏燃料后處理第二次和第三次循環(huán)溶解萃取液、凈化溶劑廢液、洗滌廢氣的廢液、去污泥漿和低放廢液的濃縮液等。⑶低放廢

8、物 低放廢物包括絕大部分退役廢物，核反應(yīng)堆中的去污水、循環(huán)冷卻水，醫(yī)療和科研用被污染動物的尸體、器官、選礦水，核設(shè)施地面排水、洗滌水，放射性廢氣和氣溶膠，污染的塑料、玻璃、勞保用品等。美國將低放廢物定義為未列入高放廢物、含有放射性比活度小于3.7×102Bq／g的超鈾錒系元素的放射性廢物(其中不包括鈾廢礦石和鈾尾礦)，特別強調(diào)必須是適合于陸地淺埋處置的放射性廢物。,放射性廢物的分類,3．按放射性核素的半衰期分類

9、 按半衰期不同，將放射性核素分為長壽命(或長半衰期)放射性核素、中等壽命(或中等半衰期)放射性核素和短壽命(或短半衰期)放射性核素等類別。各國劃分半衰期長、短的標準也不統(tǒng)一。以含長壽命放射性核素為主的核廢物，稱為長壽命(或長半衰期)放射性廢物；以含中等壽命放射性核素為主的核廢物，稱為中等壽命(或中等半衰期)放射性廢物；以含短壽命放射性核素為主的核廢物，稱為短壽命(或短半衰期)放射性廢物。,3 放射性廢物的主要特點,放射性廢物的主要特性

10、有放射性、放射毒性和化學(xué)毒性等，部分放射性廢物還具有發(fā)熱性、易燃性、易爆性、放出有害氣體等性質(zhì)。 一、放射性廢物的核素組成 根據(jù)反應(yīng)堆中放射性核素的生成方式，可將核廢物中的放射性核素分為裂變產(chǎn)物、活化產(chǎn)物和錒系核素三類。 其中裂變產(chǎn)物是核燃料中的元素原子核受中子轟擊后產(chǎn)生的裂變碎片。 錒系核素是由鈾俘獲中子而產(chǎn)生。 活化產(chǎn)物是有堆內(nèi)的結(jié)構(gòu)材料、冷卻劑或

11、燃料包殼俘獲中子而產(chǎn)生。,放射性廢物的主要特性,二、放射性廢物的放射性、放射毒性 核廢物最重要特性是其具有放射性和放射毒性。 ⑴放射性 核廢物的放射性來自兩類元素及其同位素：①鈾及其子體元素的天然放射性。②由反應(yīng)堆中的裂變、俘獲、活化等反應(yīng)生成的裂變產(chǎn)物、超鈾核素和放射性同位素產(chǎn)生的放射性。該類核素的放射性活度約占核廢物總放射件活度的99％。 ⑵放射毒性 某種

12、放射性物質(zhì)進入人(或動物)體內(nèi)、放射性對人（或動物）體產(chǎn)生約毒害特性，稱為放射毒性。,4 放射性廢氣的處理,放射性廢氣主要產(chǎn)自放射性操作工藝過程的排氣和設(shè)備泄漏，此外，還來自放射性實驗室和廠房的排風(fēng)。放射性廢氣中通常含有放射性粉塵、氣溶膠、惰性氣體和揮發(fā)性核素等。與液體、固體廢物相比，氣載放射性廢物排放可能造成的污染范圍更大，對環(huán)境的影響更難預(yù)測和控制，因此，其凈化處理及排放控制更應(yīng)引起足夠的重視。,,4.1氣載低中放廢物的特點

13、活化和裂變產(chǎn)生的人工核素、天然核素。伴隨常量有害物質(zhì)：粉塵、NOx、SOx、HF、CO2、CO等。以放射性氣體、氣溶膠和懸浮物形式存在。放射性氣溶膠是固體或液體放射性微粒懸浮在空氣或氣體介質(zhì)中形成的分散體系，粒徑為10-3～103µm，10µm緩慢沉降。重要核素：碘、氪、氙、氡、氚等,,碘：鹵族元素，125I（T1/2＝60d）、129I（T1/2＝1.6×107a）、 131I（T1/2＝8d）。

14、來自核電廠運行和乏燃料后處理裂變產(chǎn)物，廢氣中碘量較大，對人體的危害較大。用碘吸附器衰變貯存和濕法洗滌去除。氙：惰性氣體，133Xe （T1/2＝5.7d），裂變產(chǎn)額較高。氪：惰性氣體， 85Kr不易分離，回收或稀釋。氡：鐳射氣222Rn （T1/2＝3.82d），釷射氣220Rn ，錒射氣219Rn；吸附和稀釋。,南華大學(xué)氡實驗大樓,氡實驗裝置,,4.2氣載放射性廢物的處理處理對象：放射性氣體、放射性微塵和放射性氣溶膠處理

15、目的：是去除或降低放射性污染物，保護工作人員、公眾和環(huán)境。衰變式處理方法： 通風(fēng)稀釋、衰變貯存、低溫回收處置式處理方法： 干法除塵、濕法除塵、吸附過濾,填料吸收塔分離效率實驗裝置,實驗室一角,液膜分離實驗設(shè)備,圓盤塔中CO2吸收液膜傳質(zhì)系數(shù)測定設(shè)備,分餾實驗裝置,流化床干燥實驗裝置,氣體凈化試驗裝置,工業(yè)規(guī)模布袋除塵實驗裝置,5 放射性廢液的處理,低中放廢液的凈化處理各類放射

16、性廢液的比活度、含鹽量差別很大，處理方法也不一樣。核工業(yè)放射性工藝廢液一般需要多級凈化處理，低、中放廢液常用的處理方法有絮凝沉淀、蒸發(fā)、離子交換（或吸附）和膜技術(shù)（如電滲析、反滲透、超濾膜）。高放廢液比活度高，一般只經(jīng)過蒸發(fā)濃縮后貯存在雙壁不銹鋼貯槽中。,,沉淀法去污機理：離子態(tài)核素通過加入另一種離子或化合物使之轉(zhuǎn)變成不溶性或難溶性化合物沉淀來達到分離。有沉淀、共沉淀或吸附作用。式中，M－離子態(tài)核素離子濃度的乘積大于濃度積，

17、生成沉淀。加入載體，發(fā)生共沉淀。被吸附在別的沉淀物或晶體的表面，形成吸附共沉淀。,,,蒸發(fā)濃縮法工作原理：加熱把廢液中大量水份汽化，將放射性物質(zhì)濃縮、減少廢液的體積。除少量易揮發(fā)性核素一起進入蒸汽和少量放射性核素被霧沫夾帶出去外，絕大部分放射性核素被保留在蒸發(fā)濃縮物中，貯存等待進一步固化處理 。,,離子交換法工作原理：借助離子交換劑上的可交換離子（活性基因）和溶液中的離子進行交換，選擇性地去除溶液中以離子態(tài)存在的放射性核素，使廢

18、液得到凈化。,離子交換實驗裝置,超濾、納濾、反滲透組合膜分離,中空纖維超濾膜實驗設(shè)備,放射性廢液的固化,一切廢物在處置前必須轉(zhuǎn)化為某種穩(wěn)定、牢固、惰性的固體形態(tài)，以避免由于自然過程而可能造成的放射性核素的遷移和彌散，從而實現(xiàn)與生物圈隔離的最終處置。將廢液轉(zhuǎn)化為固體的工藝稱為固化。見書409表16-7.,6 放射性固體廢物的處理,1、低、中放射性固體廢物的壓縮、焚燒和去污處理；2、放射性固體廢物的包裝；3、放射性固體廢物的貯存。

19、,7 放射性固體廢物的處置,處置(disposal)把廢物安放進經(jīng)過批準的設(shè)施中，采用工程屏蔽和天然屏蔽相結(jié)合的多重屏蔽體系為被處置的廢物提供安全隔離，確保：（1）包容的短壽命核素衰減到無害水平；（2）包容的長壽命核素和其他有毒物質(zhì)的釋放量極低，進入環(huán)境的濃度處于可接受水平。,,低、中放固體廢物的處置方案 （1）陸地淺埋（土壤等松散沉積物） 廣泛應(yīng)用（2）廢礦井處置（鹽、鐵、鈾礦等） 廣泛應(yīng)用（3）深巖洞處置（巖鹽、巖石

20、等） 較少用（4）海島處置（土壤、巖石） 國際上禁止（5）濱海底處置（處置介質(zhì)為巖石） 瑞典 （6）水力壓裂處置（頁巖等） 美國曾用，現(xiàn)停止 （7）海洋投棄（海水） 沿海國家采用，現(xiàn)禁止,,高放廢物固化體處置方案（1）深巖洞處置（巖鹽、花崗巖） 各國擬采用（2）廢礦井處置（鹽礦等） 德國采用（3）深鉆孔處置（巖鹽、花崗巖等） 實驗開發(fā)（4）

21、深海床置（粘土） 實驗開發(fā)（5）核嬗變處理 實驗開發(fā)（6）冰層處置 設(shè)想（7）太空處置 設(shè)想,,高放廢物的深地層處置高放廢物的最終處置備受世人關(guān)注，是世界上最復(fù)雜的技術(shù)難題之一。高放廢物深地層處置的

22、基礎(chǔ)：地球表面許多地區(qū)的地層長期以來（長達幾億年）極為穩(wěn)定，故可以放心地貯存廢物，實現(xiàn)與生物圈的長期隔離。適宜的地層主要有巖鹽、花崗巖、凝灰?guī)r、粘土巖等。,高放廢物處置：將高放廢物同人類生活圈隔離起來。1957年美國國家科學(xué)院提出地質(zhì)處置方案。把高放廢物處置在500～1000m深的地質(zhì)體中，通過建造一個天然屏障和工程屏障相互補充的多重屏障體系，使高放廢物對人類和環(huán)境的有害影響低于審管機構(gòu)規(guī)定的限值，并且可合理達到盡可能低。,廣東北龍

23、中低放處置場建設(shè),低放固化物處置場,反應(yīng)堆頂蓋廢物包裝,廢物貨包的運輸,廢物貨包的檢測－接收,處置單元,大亞灣核電站低放廢物貨包,臺電核廢料處置,廣東北龍低中放廢物處置場,,我國對安全評價的規(guī)定評價區(qū)域：以處置場為中心半徑10km范圍；評價標準環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀評價：公眾個人0.25mSv/a；環(huán)境影響評價：公眾個人0.01mSv/a，事故短期闖入者5mSv/a，事故長期居住者1mSv/a；職業(yè)輻照：5年平均不超過20m

24、Sv/a，任何一年不超過50mSv。,,低中放廢物處置國內(nèi)外狀況全世界136個低中放廢物處置設(shè)施，工程式占67%，簡易式22%，礦穴式7%，地質(zhì)處置庫占4%。美國能源部16個低放廢物處置場，6個商用近地表處置場，現(xiàn)有3個在運行 。,,法國：芒什處置場，奧布處置場中國1992年，低中放射性廢物區(qū)域性處置1998年建成西北處置場，處置容量20萬m3，先建成2萬m3；2000年建成廣東北龍?zhí)幹脠?，處置容?4萬m3 ，先建成88

25、00m3。,,極低放廢物處置簡易包裝和簡易填埋，集中處置在專設(shè)的極低放廢物填埋場。法國：1～100Bq/g（平均為10Bq/g）；80%來自核設(shè)施退役，20%來自使用天然放射性物質(zhì)工業(yè)；處置對象：廢水泥、碎石、土壤、廢舊設(shè)備監(jiān)管期30a,高放廢物處置的研究開發(fā)活動,地下實驗室（URL）提供接近實際處置條件的地質(zhì)環(huán)境系統(tǒng)，提供設(shè)計參數(shù)、實踐經(jīng)驗、人員培訓(xùn)，以及與公眾溝通和國際合作。現(xiàn)在全世界已建成和在建的地下實驗室共17個，

26、有8個已投入運作。分屬美國（凝灰?guī)r）、德國（廢鹽礦）、瑞士（花崗巖、粘土）、法國（粘土）、日本（花崗巖）、比利時（粘土）、加拿大（花崗巖）等。,,（1）普通地下實驗室：德國Asse（2）特定場址地下實驗室：美國尤卡山ESF、芬蘭Onkalo、加拿大Whiteshell和比利時Mol。地下實驗室的選型和費用估算建特定場址地下實驗室的前提條件是處置庫場址已基本選定。達到億歐元級水平,,我國高放廢物安全處置工作國防高放廢液玻璃固化；