CC BY
37
--© B.C. Гупало, M.B. Маслов,
В.Н. Чистяков, 2012
УЛК 338.075.8
B.C. Гупало, М.В. Маслов, В.Н. Чистяков
ИССЛЕДОВАНИЕ СХЕМ ОБРАЩЕНИЯ С НАКОПЛЕННЫМИ РАДИОАКТИВНЫМИ ОТХОДАМИ В ЦЕЛЯХ ИХ ПОДГОТОВКИ ДЛЯ ОКОНЧАТЕЛЬНОЙ ИЗОЛЯЦИИ
Обоснована необходимость создания и использования экономико-математических моделей для оптимизации процесса подготовки радиоактивных отходов (РАО) к окончательной изоляции. Приведены основные варианты схем подготовки РАО к окончательной изоляции и рассмотрены упаковки для РАО, основные требования к экономико-математической модели, а также приведён пример расчёта конечных объёмов и стоимости переработки 450000 различных РАО.
Ключевые слова: окончательная изоляция, моделирование, обращение с радиоактивными отходами, оценка эффективности вариантов обращения с РАО.
В настоящее время разработано большое число не типовых, конкурирующих между собой технологий переработки радиоактивных отходов (РАО), которые создавались с учетом специфики образующихся отходов для конкретных предприятий и в большинстве своем не являются унифицированными и универсальными.
Сложившаяся ситуация, с одной стороны, объясняется наличием большого разнообразия типов накопленных отходов, затрудняющих применение единой типовой технологии их переработки и подготовки к захоронению. Так, РАО могут различаться по степени активности, агрегатному состоянию, солесодержа-нию, горючести, радионуклидному составу и другим показателям. С другой, она является следствием существующей практики обращения с РАО, направленной на длительное хранение отходов, а не на их окончательную изоляцию. Вследствие этого эффективность применения
существующих технологических схем для задач окончательной изоляции не определена.
Все это объясняет экономически неэффективное применение в настоящее время частных технологий для конкретных отходов конкретного предприятия и делает невозможным проведение в масштабах отрасли единой типовой подготовки существующих отходов к захоронению.
Для оценки объёмов поступления переработанных и упакованных РАО на захоронение необходимо детально рассмотреть спектр накопленных и образующихся отходов, а также существующие технологии по переработке тех или иных типов отходов.
Оценку оптимальности вариантов переработки РАО целесообразно проводить по двум различным параметрам — минимизации стоимости переработки или минимизации образования конечных РАО.
Для проведения такой оценки разработана экономико-математическая
Рис. 1. Оценка объёма подготовленных РАО в зависимости от применяемых технических решений
-плазменая переработка
2 В
о 6
50000 45000 40000 35000
/
/ у /
1 /
/ V
£ / //
V
/ __> <■— __> —
/ ____.) ___.) --- __ --- --"
__•> ___ --- ___■> --- _ — - г ■ - - - - , - '
з ж ' ' ' - - - — — =
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500
Объем образованных РАО до переработки, м куб
-сжигание
-прессование
-суперпрессование
■ упаривание до солевого концентрата
■упаривание кубового остатка до солевого концентрата
цемнтирование кубового остатка
-фильтрация
— —упаривание ЖРО до кубового остатка и цементирование
ИОС
0
Рис. 2. Стоимость подготовки РАО к окончательной изоляции в зависимости от технических решений
модель, позволяющая определять оптимальные цепочки подготовки РАО к окончательной изоляции. Модель по-
зволяет учитывать стоимостные параметры переработки различных категорий РАО по альтернативным це-
почкам, оценивать время необходимое на подготовку РАО, а также определять изменение удельной активности РАО в зависимости от применяемых технологий. Помимо этого модель учитывает изменение объёмов РАО в процессе переработки и позволяет определить требуемый тип упаковок для РАО.
С использованием разработанной модели проведена сравнительная оценка альтернативных схем переработки РАО:
• цикл переработки жидких радиоактивных отходов (ЖРО), при котором конечной формой отходов будет являться разлитый в контейнеры солевой плав, а также предполагается широкое использование технологии прессования твердых РАО (ТРО). Данная схема подразумевает переработку РАО наиболее дешевым способом, без использования наиболее производительных и современных решений по переработке отходов.
• цикл переработки РАО, при котором конечной формой переработанных ЖРО будет являться цементный компаунд в контейнерах типа КРАД, КМЗ или НЗК, а предполагается использование установок сжигания и плазменного сжигания для переработки ТРО. Применяемые в данной схеме технологии обеспечивают большие коэффициенты снижения объёмов по основным видам РАО.
Для рассмотрения вариантов применения указанных комплексных циклов переработки РАО была проведена оценка эффективности составляющих их технологической решений по подготовке РАО как с точки зрения стоимостных характеристик, так и с позиции сокращения объёмов РАО подлежащих захоронению. Ниже представлены графики
отражающие эти характеристики для различных существующих технологий подготовки РАО.
Результаты сравнительных оценок рассматриваемых схем переработки приведены в табл. 1—4. При первой схеме переработки РАО, ожидаемые объёмы РАО к захоронению с учётом контейнеризации составят:
Очевидно, что при данной схеме переработки значительная часть РАО упаривается в солевой концентрат (СК), что может создать ряд дополнительных трудностей на последующих этапах обращения с РАО. Помимо этого, довольно значительный объём отходов в этой схеме требует окончательной изоляции в дорогостоящих и низкоэффективных, с точки зрения использования свободного объёма железобетонных контейнерах.
При второй схеме переработки РАО, ожидаемые объёмы РАО к захоронению с учётом контейнеризации составят:
При данной схеме переработки возрастает доля контейнеров типа КМЗ и заметно снижается количество клетей и НЗК. Разница в конечных объёмах РАО к захоронению обусловлена отсутствием в схеме технологии глубокого упаривания ЖРО в СК, что увеличивает объём конечных РАО.
Как наиболее приемлемые предлагаются контейнеры типа КМЗ и КРАД 1,36 для РАО с удельной активностью, не превышающей 106 Бк/кг; клети типа КЁ-6 для РАО с удельной активностью не превышающей 106 Бк/кг, упакованных в бочки; НЗК — для РАО с активностью превышающей 106 Бк/кг.
Заключение
1. При переработке и последующем обращении с РАО в целях их окончательной изоляции возможно
Таблица 1
Оценка объёмов упакованных РАО при переработке 450000 м3 различных типов РАО по первой схеме
Тип компаунла соль цемент Общий итог,
Тип контейнера Клеть, м куб +-,м куб ЖБ,м куб Мет,м куб м куб
НАО 1 140 84 897 86 038
CAO 29 529 1 810 15 018 5 196 51 553
Общий итог 30 669 1 810 15 018 90 093 137 590
Таблица 2
Количество контейнеров различных типов при первой схеме переработки РАО
Тип компаунла соль цемент Общий итог,
Тип контейнера Клеть, шт +-, шт ЖБ, шт Мет, шт шт
НАО 950 0 0 27 386 28 337
CAO 24 607 787 10 012 1 676 37 082
Общий итог 25 557 787 10 012 29 062 65 419
Таблица 3
Оценка объёмов упакованных РАО при переработке 450000 м3 различных типов РАО по второй схеме
Тип компаунла соль цемент Общий итог,
Тип контейнера Клеть,м куб +-,м куб I ЖБ,м куб | Мет,м куб м куб
НАО 71 404 71 404
CAO 11 875 41 517 7 260 24 036 84 688
Общий итог 11 875 41 517 7 260 95 440 156 092
Таблица 4
Количество контейнеров различных типов при второй схеме переработки РАО
Тип компаунла соль цемент Общий итог,
Тип контейнера Клеть, шт +-, шт ЖБ, шт Мет, шт шт
НАО 0 0 0 23 033 23 033
САО 9 896 18 051 4 840 7 754 40 540
Общий итог 9 896 18 051 4 840 30 787 63 574
использование различных технологических решений. Для оценки целесообразности использования тех или иных технологий, а также оптимизации всей схемы предложено использование экономико-математической модели. Моделирование позволит оперативно оценить затраты на проведение тех или иных операций с РАО а также целесообразность при-
менения тех или иных технологий. Помимо оценки стоимости переработки РАО модель позволяет оценить время необходимое на проведение технологических операций, а также учесть максимальную производительность оборудования.
2. Проведена оценка целесообразности применения технологий переработки РАО для захоронения, по-
казавшая, что приоритетными технологическими схемами являются:
При переработке ионообменных смол - переработка путём многоступенчатой фильтрации в составе иных групп ЖРО. Стоимость такой переработки в 200 раз ниже альтернативного варианта плазменного сжигания. С точки зрения объёмов образования конечных кондиционированных форм наиболее эффективным способом является сжигание ИОС в плазменных печах. Этот метод в 250300 раз эффективнее по сравнению с альтернативными. Кроме того, сжигание позволяет перерабатывать смолы разной активности в то время как многоступенчатая фильтрация рассчитана только на низкоактивные (НАО) смолы.
При переработке кубового остатка, как по стоимостным, так и по объёмным параметрам наиболее выгодным видится его упаривание до солевого концентрата. Но этот метод не позволяет провести цементирование отходов, что накладывает ограничения на их окончательную изоляцию. В случае цементирования конечной формы более эффективным методом является их предварительное доупа-ривание до солесодержания в 700-
800 г/л с последующим цементированием.
Переработка органических ЖРО по стоимостным параметрам выгоднее при проведении ионного обмена. Этот метод в 30-40 раз дешевле сжигания ЖРО. По параметру объёма конечных форм сжигание в 50-70 раз эффективнее ионного обмена.
При переработке низкосолевых РАО наиболее выгодным как с позиции стоимости, так и с позиции объёмов к захоронению является метод многоступенчатой фильтрации ЖРО.
При переработке горючих ТРО наиболее эффективным по стоимостным показателям является прессование с последующим цементированием, но эта технологи значительно менее эффективна с позиции объёмов конечных форм. Стоимость сжигания ТРО в 2 раза превышает стоимость прессования, но в 25 раз эффективнее по критерию объёма РАО к захоронению.
3. Показано, что применение в процессе подготовки РАО наиболее перспективных решений, несмотря на более высокую стоимость, позволяет существенно снизить объём РАО подлежащих окончательной изоляции.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Гупало B.C. — кандидат технических наук; Маслов M.B. — кандидат технических наук; Чистяков B.H. — аспирант, chancenw@mail.ru. Московский государственный горный университет, Moscow State Mining University, Russia, ud@msmu.ru
A
