Radioaktyvių atliekų apdorojimo būdai

Atliekų sukietinimas
Sukietinimas – dujinio ar skysto pavidalo radioaktyviųjų atliekų pavertimas kietomis atliekoms, siekiant sukurti fiziškai stabilią, nedispersišką medžiagą, kurią būtų patogu transportuoti ir saugoti. Atliekų apdorojimo galutinis tikslas – pagaminti pakuotes, tinkamas saugoti, transportuoti ir laidoti.

Garinimas
Garinimas – tai radioaktyviųjų atliekų tirpalo koncentravimas kaitinant. Tai vienas tradicinių skystų atliekų apdorojimo būdų. Atliekų garinimo įrenginiuose susidarantis švarus kondensatas yra paprasčiausiai išleidžiamas į aplinką, o garinimo likučiai arba koncentratas sukietinami (pavyzdžiui, cemento terpėje). Šis metodas gali būti taikomas daugumai radionuklidų (išskyrus lakius) koncentruoti. Svarbiausias šio metodo trūkumas yra didelės energijos sąnaudos bei eksploatavimo kaina.

Nusodinimas
Cheminis nusodinimas – skystų atliekų apdorojimo metodas, kai cheminiais priedais skatinamas ištirpusių radioaktyviųjų medžiagų nuosėdų formavimasis. Nuosėdos atskiriamos nuo skysčio centrifuguojant, filtruojant ar kitais būdais.

Jonų mainai
Tai skysčių išvalymo, priemaišų atskyrimo, deaktyvavimo, taikant mineralines ar polimerines jonitines medžiagas, būdas. Daugelis gamtinių medžiagų (pavyzdžiui, įvairūs molių mineralai, ceolitas, humusinga žemė) pasižymi jonų pakaitos savybe. Gamtinis ceolitas buvo pirmoji medžiaga panaudota jonų mainams. Tačiau gamtinės medžiagos nepasižymi dideliu efektyvumu, todėl dažnai jos pakeičiamos sintetinėmis. Labiausiai įprastos jonitinės medžiagos yra jonų mainų dervos. Jonų mainų metodas labai dažnai taikomos skystoms radioaktyviosioms atliekoms apdoroti. Apdorojus skystas atliekas gaunamas švarus vanduo, o radionuklidai susikoncentruoja dervoje. Šis metodas taikomas ir Ignalinos atominėje elektrinėje.

Jonų mainų derva yra netirpus organinis polimeras (paprastai 1-2 mm skersmens grūdelių pavidalo). Grūdeliai turi poringą paviršių, kuris gali lengvai „sugauti“ ar išlaisvinti jonus. Vienų jonų sorbcija vyksta išlaisvinant kitus. Jonų mainai – dažniausiai grįžtamas procesas

Jonitinės medžiagos būna arba katijonitinės (pakeičiami teigiamą elekrinį krūvį turintys metalų jonai) arba anijonitinės (pakeičiami neigiamo krūvio anijonai). Tam, kad vienu metu vyktų ir katijonų ir anijonų mainai naudijami abiejų tipų jonitinių medžiagų mišiniai arba skystis prateka keletą skirtingų jonitinių medžiagų. Jonų pakaitos metodu apdorojamose skystose atliekose neturi būti skendinčių kietų dalelių (kietos dalelės turi būti iš anksto pašalintos filtruojant) ir ištirpusių druskų, o ištirpę radionuklidai turi būti tinkamos apdoroti cheminės formos.

Filtravimas
Filtravimas – atliekų apdorojimas, kurio metu įvairiais filtrais (filtravimo popieriaus, audinio, stiklo ar polimerinio pluoštų) kietos dalelės atskiriamos nuo skysčio ar dujų.

Pastaraisiais dešimtmečiais buvo ištirtos medžiagos, galinčios iš skystos terpės pašalinti tam tikrų cheminių elementų jonus. Geriausiai ištobulintos filtruojančios medžiagos, skirtos Cs ir Co jonams pašalinti. Skystoms atliekoms tekant pro selektyvų jonų mainų filtrą jame kaupiasi radionuklidai. Tokiu būdu galima pakeisti didelį kiekį jonitinių dervų. Šis būdas yra daug efektyvesnis radionuklidų koncentravimo būdas už įprastinį jonų mainų metodą. Dėl to, kad filtrai sukaupia labai daug radionuklidų, šiuo metodu pavyksta pasiekti labai didelius savituosius aktyvumus. Todėl gali kilti problemų tvarkant panaudotus filtrus.

Tepalų filtravimas ir nusodinimas
Tepaluose esančios radioaktyvios medžiagos dažniausiai yra kietų dalelių pavidalo. Todėl taikant filtravimo ar nusodinimo įrenginius ir centrifugas šios dalelės gali būti atskiriamos, o išvalyti tepalai pakartotinai naudojami. Susidarę antrinės atliekos yra toliau apdorojamos, pavyzdžiui, sudeginamos.

Įstiklinimas
Šiuo metu tai vienintelis metodas, taikomas didelio aktyvumo skystoms atliekoms sukietinti. Labai aktyvias atliekas būtina imobilizuoti taip, kad jos kietoje būsenoje išliktų stabilios daugelį tūkstantmečių. Terpe buvo pasirinktas borosilikatinis stiklas. Didžioji dalis labai aktyvių atliekų susidaro perdirbant panaudotą kurą ir jos būna skysto pavidalo. Skystos atliekos pirmiausiai išgarinamos ir sausa liekana sumaišoma su išlydyto stiklo mase. Susidaręs mišinys supilamas į nerūdijančio plieno konteinerius (1 pav.). Masei atvėsus, konteineriai užvirinami. Taip apdorotas atliekas galima saugoti ir laidoti. Metodas naudojamas visur, kur yra perdirbamas panaudotas kuras – Prancūzijoje, Japonijoje, Rusijoje, Didžiojoje Britanijoje, JAV.

1 pav. Konteineris su įstiklintomis labai radioaktyviomis atliekomis

Atliekų cementavimas
Iš visų skystų atliekų koncentratų sukietinimo būdų šiandien pirmenybė teikiama cementavimui. Tai paprastas, patikimas ir nebrangus metodas, plačiai taikytas pavojingoms ir toksinėms atliekoms apdoroti. Sukaupta didelė šio metodo taikymo patirtis – tai seniausias atliekų sukietinimo būdas. Naudojant specialiai parinktus cemento mišinius, atliekas galima imobilizuoti (2 pav.). Metodas tinka tiek kietoms atliekoms, tiek įvairių formų nuosėdoms ar skystų atliekų koncentratams apdoroti. Paprastai kietos atliekos patalpinamos į konteinerį ir užliejamos paruoštu cemento skiediniu. Kiek kitaip cementuojamos tyrės pavidalo atliekos: jos gali būti maišomos su cementu bei kitais priedais arba tiesiogiai konteineryje ar statinėje arba specialiai įrengtoje maišyklėje ir gautas reikiamos konsistencijos mišinys išpilamas į konteinerius ar statines. Pakuotės su monolitiniais atliekų blokais tinka saugoti, transportuoti ir laidoti. Neseniai šis metodas įdiegtas Ignalinos atominėje elektrinėje.

Cementuojant dažnai naudojami specialūs cementai (sulfatams atsparus cementas, šlako cementas) arba cemento priedai. Pavyzdžiui, ceolito, vermikulito, molio (bentonito) priemaišos gerina kai kurių katijoninės būsenos radionuklidų sulaikymą, o tam tikros organinės medžiagos – betono mišinio takumą ir sukietėjusios masės atsparumą vandeniui, formaldehidas stabdo organinių atliekų puvimą.

Cementavimas turi daug privalumų. Tai ekonomiškas sprendimas įvairių rūšių atliekoms sukietinti. Beveik visų rūšių atliekos gali būti arba sumaišytos su cemento mišiniu arba užlietos skiediniu. Sucementuotos atliekos yra atsparios aplinkos poveikiui ir labai gerai sulaiko kai kuriuos radionuklidus. Cemento mišiniams yra būdingos didelės pH vertės, o tokios sąlygos laiduoja labai mažą daugumos radionuklidų tirpumą ir mobilumą, stabdo mikrobiologinių procesus. Cementavimo procesas paprastas, vyksta įprastinėje temperatūroje, o technologija gerai patikrinta. Jo produktas yra nedegus ir termiškai, chemiškai ir biochemiškai stabilus.

Didžiausias trūkumas – cementavimo mišinyje atliekos gali sudaryti tik nedidelę mišinio dalį, todėl cementuojant labai padidėja atliekų tūris ir dėl to atliekų tolimesnio saugojimo ir laidojimo kaina. Be to, sucementuotos organinės jonų pakaitos dervos tam tikromis sąlygomis gali išbrinkti ir pažeisti atliekų terpės vientisumą. Metodas nelabai tinka apdoroti organines atliekas ir atliekas, kuriose didelė druskų koncentracija. Didėjant druskų koncentracijai, mažėja cementavimo produkto mechaninis tvirtumas.

Cementavimo produktai nėra itin atsparūs vandens poveikiui, todėl šiuo būdu apdorotas atliekas būtina apsaugoti nuo drėgmės.

2 pav. Cementuotos radioaktyviosios atliekos

Bitumavimas
Atliekų maišymas su išlydytu bitumu (kaip ir cementavimas) yra dažnai naudojamas radionuklidų imobilizavimo būdas. Skystų atliekų koncentratų sukietinimas maišant su išlydytu bitumu yra vienas tradicinių metodų. Bitumuota masė yra vandenyje labai mažai tirpi ir labai mažai pralaidi, todėl labai gerai sulaiko radionuklidus. Tačiau kyla abejonių dėl bitumo terpės stabilumo. Kitas pavojus – bitumo degumas. Ypač nesaugu, kai bitumo terpė turi didelę druskų koncentraciją.

Polimerizavimas
Įvairūs polimerai (polietilenas, poliesteris, poliuretanas, epoksidinės dervos ir pan.) yra naudojami sukietinti garinimo koncentratus, panaudotas jonų pakaitos dervas, nuosėdas ir pelenus. Tinka tirpioms druskoms ar organinėms medžiagoms apdoroti. Šio metodo trūkumas yra tas, kad polimerizuotoje masėje būna nedidelė atliekų dalis. Kaip ir bitumuojant, tenka rūpintis priešgaisrine sauga.

Iš visų polimerų dažniausiai taikomi poliesteris ir epoksidinės dervos. Abiem atvejais procesas vyksta normalioje temperatūroje, naudojama palyginti paprasta įranga. Taip atliekos apdorojamos Japonijoje, Prancūzijoje, Indijoje, Šveicarijoje, Vokietijoje.

Deginimas
Didelė dalis branduolinėse elektrinėse susidarančių radioaktyviųjų atliekų yra degios. Daugelyje šalių (JAV, Belgijoje, Švedijoje, Japonijoje, Vokietijoje, Didžiojoje Britanijoje) šios atliekos yra sudeginamos (paprastai 700 – 10000C temperatūroje). Iš visų tūrio mažinimo technologijų deginimas yra pats efektyviausias. Radioaktyviosios atliekos deginamos įrenginiuose, labai panašiuose į buitinių ir pramoninių atliekų deginimo įrenginius. Deginimo metodas gali būti taikomas tiek kietų (popierius, drabužiai, plastikai, guma, filtrai), tiek skystų atliekų (jonitinių dervų, tepalų) tūriams sumažinti. Deginant atliekų tūris sumažėja sumažėjimas nuo 7 iki 100 kartų, priklausomai nuo atliekų sudėties ir priemaišų kiekio. Be pelenų, deginant susidaro ir kitų antrinių radioaktyviųjų atliekų, visų pirma užterštų oro filtrų, o tai mažina deginimo efektyvumą.

Deginimas aukštoje temperatūroje
Tai yra patobulinta atliekų deginimo technologija, taikoma Japonijoje. Deginimo įrenginys turi galingą kaitinimo šaltinį, todėl pasiekiama 15000C temperatūra, todėl esant nedideliam nedegių priemaišų (pavyzdžiui metalų) kiekiui, šios išsilydo. Metodą galima taikyti įvairių atliekų mišiniams apdoroti. Šiuo būdu degių atliekų tūrį pavyksta sumažinti 100 kartų. Deginant metalus, oro filtrus, šilumą izoliuojančias medžiagas tūris sumažinamas nuo 3 iki 5 kartų. Vienas šio metodo trūkumų yra tai, kad būtina sudėtinga ir patikima išleidžiamo oro valymo sistema.

Pelenų tvarkymas
Deginant atliekas radionuklidai koncentruojasi pelenuose. Pelenus, kurių aktyvumas itin didelis, būtina izoliuoti ypatingai patikimai. Gali būti taikomos įvairios terpės: cementas, keramika, stiklas, epoksidinės dervos, polimerinės matricos.

Taikant pelenų cementavimo technologiją, ypatingas dėmesys turi būti kreipiamas į tai, kad deginamose atliekose nebūtų aliuminio, nes šarminėje aplinkoje vyksta intensyvi reakcija kurios metu išsiskiria vandenilio dujų. Jeigu susidarančios dujos nesuspėtų pasišalinti, padidėjus slėgiui pakuotės viduje ar cementuotų atliekų porose, pakuotė gali suskilti.

Plastmasių lydymas
Polietileno, poliuretano ir kitų plastikų atliekos išlydomos 170-1800C temperatūroje standartinėse statinėse. Atliekų tūris sumažėja apie 20 kartų. Procesas efektyvus ir paprastas – vyksta palyginti neaukštoje temperatūroje.

Metalų lydymas
Perlydant metalo laužą, sumažėja užimamas tūris ir susidaro vientisi metalo blokai, kuriuos patogu saugoti ir laidoti. Tūris sumažėja nuo 5 iki 20 kartų. Prieš lydant, metalo laužas turi būti gerai išrūšiuotas; skirtingi metalai turi būti lydomi atskirai.

Egzistuoja keletas metalo lydymo variantų: indukcinis, plazmos lanko ir kiti. Proceso metu didžioji dalis lakių radionuklidų išgaruoja. Kita dali radionuklidų koncentruojasi šlako sluoksnyje. Taigi, metalo liejinio aktyvumas būna mažesnis už pradinį metalo laužo aktyvumą – metalas dalinai dezaktyvuojamas. Lydymo privalumai yra žymus atliekų tūrio sumažinimas, galimybė pakartotinai naudoti metalo atliekas.

Plazminis lydymas
Plazminis deginimas yra labai efektyvus metodas įvairioms atliekoms apdoroti. Plazminėje krosnyje pasiekiama 5000 0C temperatūra. Besisukančioje plazminėje krosnyje išlydytos atliekos išpilamos tiesiogiai į laidojimo konteinerius. Galima apdoroti metalus, betoną, oro filtrus, asbestą, plastkus, jonitines dervas. Atliekų tūris sumažinamas 3-6 kartus. Tai labai brangus metodas, taikomas Japonijoje, Rusijoje, Šveicarijoje, JAV.

Presavimas
Tai paprastas, patikimas ir laiko patikrintas atliekų tūrio mažinimo būdas, kuris dažnai taikomas apdorojant įvairių rūšių kietas atliekas. Nedidelės jėgos (apie 5 tonų) atliekų presavimo įrenginių pagrindas yra hidraulinis ar pneumatinis presas, suslegiantis atliekas tinkamos formos konteineryje arba statinėje. Priklausomai nuo atliekų prigimties, atliekų tūrį paprastai pavyksta sumažinti nuo 3 iki 10 kartų.

Nedidelės jėgos presas dažnai taikomas įvairioms šiukšlėms presuoti, siekiant palengvinti jų transportavimą, saugojimą ar tolimesnį apdorojimą. Dažnai taip apdorotos atliekos pakartotinai presuojamos didelės jėgos presu.

Presavimas didelės jėgos presu
Taikant didelės jėgos (virš 500 tonų) presus, atliekos presuojamos patalpintos metalo statinėse (3 pav.). Metodas taikomas visų rūšių kietoms atliekoms. Tūris sumažinamas nuo 4 iki 10 kartų. Jeigu prieš naudojant tokį „superpresą“ atliekos suspaudžiamos nedidelės jėgos presu, tai tūris sumažėja apie 2 kartus.

3 pav. Atliekų presavimas didelės jėgos presu