RUS | ENG

Cложившаяся сегодня практика переработки жидких радиоактивных отходов (ЖРО) появилась из опыта эксплуатации объектов атомной энергетики, прежде всего атомных электростанций (АЭС), и предусматривает использование бросового тепла, которого достаточно на работающей АЭС. Практика эта основана на максимально возможном упаривании ЖРО и на доочистке как конденсатов, так и некоторых видов низкоактивных ЖРО на ионнообменных смолах,  регенераты которых опять же поступают на выпарные аппараты. Образующиеся концентраты подлежат длительному хранению в специальных могильниках, либо в виде отвержденных цементом или стеклом блоков, либо, что  гораздо чаще, из-за недоработки методов отверждения, - в жидком состоянии в соответствующим образом оборудованных емкостях. В любом случае очень высоки как стоимость такого хранения, так и экологическая опасность из-за возможных протечек и разливов.
На других 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 усилилась, 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. Их переработка требует использования новых комплексных методов. Благодаря уникальному научно-техническому потенциалу, накопленному за последние десятилетия, Россия может создать и практически уже имеет все необходимые технологии, специалистов и опыт переработки  ЖРО.
Таким образом, проблема переработки ЖРО может быть разделена на несколько подпроблем, решение которых,  и составит концепцию обращения с жидкими радиоактивными отходами, и, прежде всего, с отходами среднего и высокого уровня радиоактивности.
Первая подпроблема – сбор, усреднение, паспортизация и первичная обработка (предподготовка) отходов.
Вторая подпроблема – концентрирование ЖРО
Третья подпроблема отверждение ЖРО.
Четвертая подпроблема – транспортировка отвержденных и затаренных отходов до мест захоронения.
Пятая подпроблема – выбор места длительного хранения.
Шестая подпроблема – технология длительного хранения.
Краеугольным камнем нашей концепции являются разрабатываемые сегодня методы очистки, концентрирования, и фракционирования жидких смесей с помощью неорганических материалов, обладающих селективным, т.е. выборочным воздействием на компоненты смесей. Речь идет о мембранных и сорбционных методах на отечественных, имеющих мировой приоритет,  металлокерамических мембранах и синтетических минеральных сорбентах.
Фундаментальные научные разработки, проведенные Ассоциацией “АСПЕКТ” за последнее десятилетие в областях материаловедения нанокристаллических керамик, интенсификации трансмембранного массопереноса, соосаждение 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). По существу сегодня – это единственный способ селективного воздействия на радиоактивные компоненты раствора, что дает возможность вывести из дальнейшего обращения основную часть нерадиоактивных загрязнений.
С технической точки зрения методы переработки ЖРО очень близки к методам очистки промышленных стоков. Главное отличие в том, что токсичной составляющей являются прежде всего радиоактивные изотопы. Они могут находиться в воде в следующих формах:
А – суспензии, т.е. твердые частицы крупного размера, которые могут осаждаться под действием силы тяжести.
Б – взвеси и коллоиды, т.е. неосаждаемые твердые частицы
В – микроорганизмы
Д – микроэмульсии, т.е. капли нефтепродуктов и экстрагентов
Е – водорастворимые органические и минеральные вещества (ВМС)
Подавляющее количество радионуклидов находится именно в последней форме – 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. Для некоторых случаев, например, для стоков спецпрачечных, которые по объему составляют до 40% всех ЖРО, образующихся на АЭС, можно говорить о возврате в технологию стирки основного количества воды, моющих средств и тепла.
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.
Технической реализацией этой концепции является моноблочная комплексная установка, сочетающая в едином корпусе узел химической обработки и ультрафильтрации.
Революционный характер этой концепции близок к переходу от первых вариантов атомных реакторов, использующих ненадежный и громоздкий метод последовательной компоновки основных узлов, к новому компоновочному решению, объединившему их в единый корпус с общей системой управления и контроля. Это обеспечило кардинальное решение проблем безопасности, технологичности и позволило в свое время создать целую гамму атомных реакторов различного назначения.
В новых обстоятельствах, когда только сейчас проектируются и строятся первые заводы по переработке ЖРО на объектах утилизации снятых с эксплуатации атомоходов, метод МУУ дает максимальный эффект.
Новизна разработки заключается и в использовании новых отечественных мембран из металлокерамики, которые при высокой удельной производительности имеют длительный ресурс благодаря большой химической и радиологической стойкости. В рамках проекта планируется разработать и изготовить и новые мембранные аппараты, обеспечивающие отсутствие ручного труда по замене мембран, что очень важно для случая переработки ЖРО высокого уровня активности.
Технология МУУ имеет дело с коллоидными системами, растворами ВМС или золями. Предварительное изучение влияния термодинамических условий и диаметра частиц золя на скорость ультрафильтрации показало, что при интенсивном перемешивании дисперсий, когда на поверхности мембран не образуется гель-слой из частиц золя, скорость фильтрации постоянна и не зависит от размера частиц. Значит, при разработке аппаратов для осуществления МУУ необходимо создать иные гидродинамические условия работы мембран, особенно для высокопроизводительных мембран из металлокерамики.
Сущность разработанной в Ассоциации “АСПЕКТ” новой компоновочной идеи моноблочной установки заключается в использовании единого корпуса с мембранным модулем, вокруг которого смонтирован узел химической обработки. Узел химической обработки представляет собой последовательный каскад реакторов небольшого объема с мешалками, имеющими привод от единого вала с возможностью индивидуального регулирования числа оборотов. Этот узел позволяет осуществить направленное, регулируемое химическое воздействие на ЖРО, обеспечивающее как перевод растворенных радиоактивных низкомолекулярных реагентов в молекулярные ассоциаты, коллоиды, микродисперсии, так и их адсорбцию на микрочастицах адсорбентов.
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 другом варианте аппарата, напротив, неподвижными являются турбулизаторы, а вращаются мембранные диски (так называемая “мембранная центрифуга”).
С точки зрения переработки ЖРО, прежде всего имеющих коллоидные и взвешенные загрязнения, такой мембранный модуль позволит значительно увеличить межрегенерационный период, а нередко, и вообще обойтись без регенераций мембран, поскольку турбулизация будет предотвращать высаждение и концентрирование частиц на поверхности мембраны.
В отличие от ставших уже традиционными методов отверждения ЖРО, аппараты “АСПЕКТа” 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 “АСПЕКТа” позволяет исключить из технологической цепочки такие стадии, как регенерация сорбента и соответствующие затраты химических реагентов, упаривание регенерационых растворов и отверждение концентратов.
В основе такого решения лежат последние разработки по синтезу высокоселективных сорбентов для радиоактивных изотопов цезия, стронция, кобальта и других элементов. В колонном варианте необходимо  предусмотреть съемные кассеты с сорбентом, которые и  представляют собой отвержденные отходы. В суспендированном варианте используется тонко измельченный (пылевидный) сорбент, который вводится в обрабатываемую жидкость до стадии концентрирования ультрафильтрацией и концентрируется совместно с другими загрязнениями ЖРО. Образующийся шлам может быть далее или высушен или замешен с цементом.
В итоге из ЖРО  выделяется нерадиоактивная составляющая – водные растворы балластных солей - которая может быть использована повторно на самом же ядерном объекте, либо отправлена на переработку как общепромышленные отходы. При соблюдении соответствующих требований эти растворы могут быть сброшены в открытый водоем, например, в море.
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.)
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 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.
Использовать эти разработки будут Росатом и Министерство обороны России. Проблемы снятия с эксплуатации отработавших блоков АЭС, демонтажа ядерных боеприпасов и утилизации морских атомоходов сегодня становятся первоочередными в деятельности обоих ведомств. До сих пор не выработана концепция переработки даже ЖРО атомных электростанций. Они, в основном, хранятся во временных хранилищах непосредственно на территориях АЭС, и к настоящему времени накоплены в России в количестве около 160000 куб. м. Объясняется это отсутствием надежных технических средств переработки. Наши предварительные исследования дают основание предполагать, что мицеллярно-усиленная ультрафильтрация  на новых металлокерамических мембранах в новых аппаратах интенсивного массообмена будет полезна и для переработки накопившихся жидких отходов АЭС.
Рассматривая концепцию как принцип функционирования технологической схемы переработки ЖРО, можно будет на этой основе создавать комплексные установки, имеющие широкое промышленное применение для тех производств, которые вырабатывают близкие по химическому составу к радиоактивным жидкие отходы - гальванические цеха, рудники по добыче цветных металлов, комбинаты по получению цветных и тяжелых металлов, любые производства, имеющие дело с ртутью, свинцом и мышьяком и другими высокотоксичными веществами. Ряд практически важных режимов работы комплексной установки в настоящее время успешно проверен на модельных и реальных ЖРО: