¿Cómo abordar los residuos nucleares?
Según estimaciones pesimistas de la Corporación Federal Alemana de Residuos Radiactivos (BGE), el plan original del gobierno alemán para determinar la ubicación del almacenamiento de residuos nucleares para 2031 ahora podría posponerse hasta 2046. En abril de 2023, Alemania cerró sus últimas tres centrales nucleares y todos los residuos nucleares se almacenaron temporalmente en 16 instalaciones temporales. En 2019, Europa, excluidas Rusia y Eslovaquia, tenía almacenadas más de 60.000 toneladas de combustible nuclear (excluidos los residuos de extracción y procesamiento), la mayor parte en Francia. Entre los países de la UE, Francia posee alrededor del 25% del combustible nuclear gastado, Alemania (15) y el Reino Unido (14).
Los desechos nucleares generalmente se refieren a desechos radiactivos que ya no son necesarios provenientes de la extracción, producción, procesamiento y reprocesamiento del combustible nuclear, así como del desmantelamiento de instalaciones nucleares y reactores nucleares. En términos generales, los residuos nucleares incluyen tres categorías: residuos nucleares de baja actividad radiactiva, residuos nucleares de media actividad y residuos nucleares de alta actividad. La primera categoría suele ser algunos de los elementos irradiados y algunos de los gases residuales y los desechos líquidos durante el proceso de producción de la central nuclear; la segunda categoría suele ser algunos de los desechos líquidos producidos durante el proceso de generación de energía; es el reemplazo del combustible gastado del núcleo del reactor, porque la tasa de utilización es sólo de un pequeño porcentaje y es extremadamente radiactivo.
Los residuos nucleares tienen las características de radiactividad, peligros de radiación y emisión de calor.
Los radionucleidos en los desechos nucleares enterrados a gran profundidad irradiarán calor de desintegración durante el proceso de desintegración, lo que equivale a conectar una fuente de calor al campo medio subterráneo. La existencia de la fuente de calor primero cambia la distribución de temperatura del campo del medio subterráneo. Al afectar la viscosidad del fluido, la densidad del fluido y la migración del fluido, los cambios de temperatura también cambiarán las propiedades químicas de algunas sustancias, afectando así directamente al núcleo del medio subterráneo. campo de migración de elementos. Los cambios de temperatura también pueden hacer que las grietas se abran y cierren, afectando así el campo de tensión subterráneo. Por tanto, la existencia de fuentes de calor tiene un mayor impacto en el medio ambiente, pero se concentra principalmente en zonas locales del campo cercano.
Además, los nucleidos en la solidificación de residuos pueden escaparse de los contenedores y entrar en la biosfera con la migración de las aguas subterráneas, afectando así al medio ambiente humano.
Existen muchos tipos de residuos nucleares, que se pueden dividir en métodos de tratamiento de gases residuales radiactivos, métodos de tratamiento de líquidos residuales radiactivos, métodos de tratamiento de solidificación, postprocesamiento o métodos de disposición final sin tratar.
1. Tratamiento de gases residuales radiactivos
Los gases residuales radiactivos suelen existir en forma de pequeñas gotas, aerosoles y gases volátiles. Proviene principalmente del sistema de proceso de los reactores nucleares y de los sistemas de escape de diversas centrales nucleares. Los gases de escape en el sistema de proceso son principalmente gases inertes neón y yodo que superan la cantidad liberada, mientras que el sistema de escape de las centrales nucleares generalmente contiene gases reactivos y aerosoles, así como cantidades más nocivas pero más pequeñas de yodo-131. El yodo-131 tiene una vida media larga. Aunque su contenido es muy bajo en comparación con otras sustancias, es muy tóxico y tiene un efecto concentrador en el cuerpo humano. Por lo tanto, el tratamiento del yodo-131 en los gases residuales debería atraer gran atención. El método de tratamiento general consiste en pasar primero por el colector de polvo, el condensador, el depurador de yodo de nitrato de mercurio y el absorbente de óxido de nitrógeno, y luego pasar por el depurador de yodo secundario, el absorbente de yodo de zeolita que contiene plata y el filtro de partículas de alta eficiencia en secuencia, y finalmente Se vierte a la atmósfera a través de una gran chimenea de más de 100 metros.
2. Tratamiento de líquidos residuales radiactivos
El líquido residual radiactivo es la principal prioridad para el tratamiento porque es fácil de remojar, altamente corrosivo y difícil de almacenar.
Un método consiste en neutralizar inicialmente las aguas residuales aceitosas y agitarlas con lechada de cal a temperatura ambiente hasta que el valor del pH alcance entre 10,0 y 10,5. Durante el proceso de neutralización, la precipitación ocurre muy rápidamente y los hidróxidos insolubles generados precipitan juntos. Este método puede eliminar eficazmente el uranio, el radio y otras sustancias nocivas del líquido residual.
El sistema de tratamiento de residuos radiactivos habitualmente utilizado en las centrales nucleares utiliza resinas de intercambio iónico para gestionar los procesos de dragado y drenaje. Para mejorar la vida útil y la eficiencia de la purificación del intercambio iónico, a menudo se instalan prefiltros y postfiltros antes y después del lecho de intercambio iónico. El prefiltro se utiliza para eliminar materia suspendida y partículas sólidas; el postfiltro se utiliza para bloquear la dispersión de partículas de resina.
El método de electrodiálisis para tratar líquidos residuales de bajas emisiones se suele llevar a cabo en dos pasos. El primer paso es utilizar la electrodiálisis para reducir la concentración de sal de líquidos residuales radiactivos con un alto contenido de sal a un nivel suficientemente bajo. En el segundo paso, se utiliza resina de intercambio iónico para eliminar la sal restante y las sustancias radiactivas.
La Planta de Energía Nuclear No. 3 de Qingshan es única porque adopta tecnología extranjera de reactores de agua pesada y es la primera planta de energía nuclear con reactor de agua pesada comercial de mi país. Su diseño de tratamiento de aguas residuales nucleares es extremadamente innovador y distintivo. El diseño del tratamiento de aguas residuales nucleares es extremadamente innovador y tiene características importantes que pueden reducir en gran medida la producción de desechos secundarios y reducir en gran medida el costo de uso del sitio y el tratamiento de aguas residuales de las plantas de energía nuclear.
Dos piscinas de almacenamiento en la central nuclear n.º 3 de Qingshan almacenan aguas residuales con emisiones medias y altas, y tres piscinas de almacenamiento almacenan aguas residuales con bajas emisiones. Si las aguas residuales en la piscina de almacenamiento alcanzan una cierta altura y los materiales radiactivos de vida corta que contiene se desintegran por completo, entonces la bomba de circulación en la piscina de almacenamiento de líquidos residuales debe encenderse y funcionar continuamente durante más de 1 hora, para que las aguas residuales En el grupo de almacenamiento se puede mezclar completamente. Las aguas residuales en el tanque de almacenamiento de líquidos se muestrean y analizan. Si todos los indicadores cumplen con los estándares de descarga, se pueden descargar directamente al exterior.
Después del tratamiento, las aguas residuales en medios radiactivos deben pasar nuevamente por el proceso de depuración y descontaminación si no cumplen con los estándares de vertido directo. El circuito de depuración de aguas residuales radiactivas se muestra en la Figura 1. Durante el funcionamiento, si la diferencia de presión en el puerto del filtro es anormal, significa que el filtro está obstruido y el elemento filtrante debe reemplazarse a tiempo. Si el material absorbente falla, será necesario reemplazarlo. El análisis de muestreo es una referencia directa para determinar el número de ciclos de purificación y el efecto de purificación.
El quinto número de "Vías urbanas, puentes y control de inundaciones" de mayo de 2011 contenía una noticia discreta. En mi país se ha desarrollado una nueva tecnología para la adsorción y filtración rápida y eficiente de aguas residuales contaminadas con armas nucleares. país y puede usarse para prevenir y controlar sustancias radiactivas. La difusión de yodo-131 y otros isótopos radiactivos. El yodo puede usarse ampliamente en el tratamiento de aguas residuales de accidentes nucleares, el tratamiento de aguas residuales de instalaciones nucleares, el tratamiento de aguas residuales radiactivas médicas, etc. Puede ser ampliamente utilizado en emergencias por accidentes nucleares, tratamiento de aguas residuales nucleares, protección de instalaciones nucleares, tratamiento de aguas residuales radiactivas médicas, etc. La alta eficiencia de adsorción del material para el yodo-131 es asombrosa. 10 gramos de nuevo material fabricado con esta nueva tecnología: partículas biotóxicas catalíticas, sumergidas en aguas residuales nucleares que contienen 12640 Bq/L de yodo-131 radiactivo durante 20 minutos, la tasa de adsorción y fijación de la sustancia radiactiva yodo-131l es tan alta como 99,97. Las pruebas han demostrado que con este nuevo material se pueden filtrar hasta 1,85 millones de Bq/L de radiactividad. Las pruebas han demostrado que el uso de este nuevo material para filtrar aguas residuales de yodo-125 con una radiactividad de hasta 1,85 millones de Bq/L solo requiere cinco lluvias, y la tasa de eliminación de yodo-125 radiactivo llega a 2.
El principio básico del tratamiento de aguas residuales de ALPS es adsorber siete tipos de adsorbentes, incluidos carbón activado, titanato, cianuro ferroso, carbón activado impregnado, óxido de titanio, resina quelante y resina. Los estudios han demostrado que incluso si las aguas residuales contaminadas de la central nuclear de Fukushima en Japón son tratadas por el sistema ALPS, sólo pueden diluir el elemento radiactivo "tritio", pero no pueden eliminarlo por completo. El gobierno de Corea del Sur cree que después del tratamiento oportuno de las aguas residuales de la central nuclear de Fukushima, el valor de contaminación aún supera el estándar en 20.000 veces, y el sistema de tratamiento de múltiples nucleidos de la central nuclear de Fukushima ha fallado hasta ocho veces. .
3. Solidificación de residuos radiactivos
La solidificación de residuos radiactivos debe conseguir dos finalidades: una es fijar el líquido residual, y la otra es poder sellar los radionucleidos para un mucho tiempo. Para cumplir los requisitos anteriores, el producto curado debe ser suficientemente resistente al daño. Los productos curados deben ser fáciles de transportar, almacenar y, en última instancia, eliminar. El rendimiento suele medirse en términos de estabilidad a la irradiación, estabilidad térmica, estabilidad mecánica y estabilidad química. El proceso de solidificación incluye procesos tales como evaporación y concentración de corrientes residuales, desnitrificación, secado, calcinación, solidificación por fusión y recocido. Los métodos incluyen cemento, plástico, asfalto, vidrio y solidificación de rocas artificiales.
En 1978, se puso en funcionamiento en la fábrica de Marcour, en Francia, la primera unidad de vitrificación (AVM) de funcionamiento continuo a escala industrial del mundo. El equipo AVM ha demostrado ser exitoso no sólo en términos de mejoras en el proceso, sino también en términos de vida útil de los componentes del horno que supera las 10.000 horas.
Francia ha desarrollado un conjunto de equipos AVH para solidificar el líquido residual de altas emisiones generado durante el reprocesamiento de elementos combustibles de oxidación de reactores de agua ligera (LWR). El proceso es similar al AVM y la escala de los componentes principales es la misma que la del AVM. , pero la principal diferencia es el equipo de vitrificación R7 de UP-2, que fue construido para solidificar los fluidos residuales del reactor de agua ligera. Una de las principales diferencias es que la planta de vitrificación R7 construida en la UP-2 utiliza un aditivo de calcinación diferente para reducir la volatilización del rutenio (R7 usa un baño). En Francia, se construyeron tres líneas de vitrificación para T7 y R7 en UP3 y UP2-800 respectivamente y se equiparon con equipos AVH. La vitrificación ha demostrado ser flexible porque tanto las partículas finas de la disolución del combustible gastado como los residuos alcalinos del procesamiento de la masa fundida se solidifican en el cuerpo de vidrio.
El Reino Unido ha estudiado el método de solidificación intermitente del crisol de vidrio, y el crisol solidificado se utiliza como recipiente de almacenamiento para el cuerpo de vidrio. Este método utiliza diferentes secciones del crisol para lograr la evaporación del líquido residual de alta descarga, la calcinación de concentrados y la fusión del cuerpo de vidrio. La temperatura de la sección de fusión es de 1050 °C. Posteriormente, el Reino Unido decidió adoptar el proceso AVM continuo francés para tratar los residuos de Sellafield y construyó la unidad WVP.
Alemania, Estados Unidos y Japón comenzaron a estudiar el uso del curado en hornos de cerámica a mediados de los años 1970. En Karlsruhe se construyeron dos plantas de curado, la primera con una capacidad de procesamiento de 20-40 kg/h y la segunda con una capacidad de procesamiento de 100 kg/h. El líquido residual se añade al horno de cerámica junto con el vidrio. El líquido residual se evapora y se espesa en el horno de cerámica, el vidrio se funde y luego se vierte en el recipiente.
Los resultados experimentales en los Estados Unidos demuestran que los hornos similares a los hornos cerámicos en la industria del vidrio tienen amplias perspectivas de aplicación. Basándose en los resultados de la investigación, Estados Unidos decidió construir todas las unidades de curado para el proceso de horno cerámico de un solo paso. Estados Unidos ha establecido un dispositivo de tratamiento de residuos de defensa en la base del río Savannah: un dispositivo de vitrificación de líquidos residuales con altas emisiones, que es el dispositivo de curado de vidrio más grande del mundo. La planta de curado de vidrio de West Valley en Estados Unidos ha procesado 2.300 m² de residuos líquidos de alta emisión de la planta de reprocesamiento de West Valley y ha producido 250 tanques de curado de vidrio.
Después de estudiar experimentalmente varios métodos de solidificación de vidrio de residuos líquidos de alta descarga, Japón ha elegido el método de solidificación de vidrio en horno cerámico como la primera opción para la solidificación de materiales de desecho de la planta de reprocesamiento de Tokai.
Rusia comenzó a estudiar dos métodos de solidificación de vidrio líquido residual en 1974, llamados método de dos pasos y método de un solo paso. En 1987, Rusia construyó en Mayak una instalación de solidificación de vidrio, el horno cerámico de calentamiento EP-500 Joule. Actualmente hay tres hornos en funcionamiento. A finales de 1999 se habían solidificado 12.500 metros de desechos altamente radiactivos.
En la actualidad, no sólo Estados Unidos, Rusia, Francia y el Reino Unido han construido dispositivos de solidificación de vidrio líquido residual de alto nivel, sino que también Japón, Bélgica, India y otros países han construido instalaciones de este tipo.
4. Métodos de eliminación
Los métodos de eliminación incluyen vertido en el océano, eliminación cerca de la superficie, eliminación geológica, eliminación espacial, etc.
Los vertidos al océano han sido prohibidos por la Agencia Internacional de Energía Atómica, pero Japón se atreve a ser el primero. Los cálculos de un instituto alemán de investigación científica marina muestran que los materiales radiactivos se extenderán a la mayor parte del Océano Pacífico dentro de los 57 días siguientes a la fecha de su descarga, y que Estados Unidos y Canadá se verán afectados por la contaminación nuclear tres años después.
Los principales objetos de eliminación cerca de la superficie son residuos radiactivos de nivel medio y bajo, y la profundidad de entierro puede estar a diez metros del suelo. El período de seguimiento de la seguridad es de 300 a 500 años.
Los principales objetos de eliminación geológica son los residuos radiactivos de alta actividad y los residuos radiactivos de actividad intermedia, que se encuentran enterrados en formaciones rocosas de la corteza terrestre a cientos de metros o incluso miles de metros bajo tierra. Los residuos radiactivos de baja actividad y los residuos radiactivos de actividad intermedia siguen siendo un problema mundial.
La eliminación espacial es el proceso de colocar residuos nucleares en un vehículo de lanzamiento, lanzarlos al espacio y almacenarlos de forma permanente. Esta idea fue propuesta por primera vez en 1959 por Kaby Luboud, un académico de la antigua Academia de Ciencias Soviética. En 1989, este plan fue propuesto nuevamente por el famoso físico estadounidense Schlesinger, y se le añadieron los argumentos pertinentes.
Los datos reales muestran que la tasa de accidentes de lanzamiento de los vehículos de lanzamiento suele ser de alrededor de 2. Para resolver el desastre nuclear resultante, los expertos se han esforzado mucho en el diseño y la construcción de contenedores sellados y han decidido utilizar acero de titanio de alta resistencia. para hacer la capa exterior. Luego, la superficie se cubre con múltiples capas de material aislante. Según su diseño, el contenedor sellado tiene forma de bala, mide 3,4 metros de alto y 3 metros de diámetro interior y está dividido en tres compartimentos de aislamiento. Pero en las circunstancias actuales, este enfoque sigue siendo sólo una idea.
Al principio, los tanques de acero al carbono se utilizaban en Estados Unidos para almacenar flujos de residuos alcalinos y neutros con altas emisiones. Se descubrió que más de 20 de los 183 tanques de acero al carbono en las plantas de Hanford y Savannah River tenían fugas. El líquido residual neutro producirá depósitos de lodo que transportarán la mayoría de los radionucleidos. Esto ha sucedido en la planta de Hanford, la planta de Savannah River y la planta de West Valley. La planta de Hanford utiliza tanques de almacenamiento revestidos de acero al carbono con un diámetro de 23 metros, una profundidad de 6 a 12 metros y una capacidad de 1800 a 3700 metros. La planta de Hanford permite que el líquido residual hierva en un tanque de almacenamiento y el condensador de escape elimina el calor de descomposición. Si se permite la concentración autoevaporativa, se producirá más precipitación en el tanque de almacenamiento. Estos sólidos se depositan en el fondo del tanque, provocando el colapso en ebullición en tanques sin refrigeración interna. Para combatir el problema de la ebullición, la planta de Hanford utiliza elevadores de aire internos para agitar el líquido residual después de que se desborda para reducir la ebullición.
La experiencia de almacenamiento de líquidos residuales radiactivos concentrados de alto nivel en Estados Unidos, Reino Unido y otros países ha demostrado que el uso de tanques de acero inoxidable para almacenar líquidos residuales radiactivos ácidos de alto nivel es actualmente la La única tecnología de almacenamiento intermedio que se utiliza ampliamente. Para evitar posibles fugas se deben tomar dos medidas de seguridad. Una es que el tanque de almacenamiento debe colocarse en una sala de equipos subterránea revestida de acero inoxidable que pueda albergar todo el tanque de almacenamiento. El segundo es conectar el tanque de almacenamiento activo al tanque vacío para transferir el líquido residual en caso de fuga. Para evitar que los líquidos residuales altamente concentrados hiervan con altas emisiones y para mantener su temperatura por debajo de 60 °C, la unidad de almacenamiento debe estar equipada con un sistema de refrigeración con margen suficiente. El sistema de refrigeración debe estar conectado a un intercambiador de calor externo. Además, el tanque de almacenamiento está equipado con un sistema de mezcla de aire a presión y un sistema de control y monitoreo automático.
Los nanomateriales tienen ventajas obvias en la gestión de residuos nucleares. En algunos aspectos, no pueden ser reemplazados por materiales convencionales. Otros aspectos relacionados aún requieren una investigación sistemática y profunda.
5. Gestión del combustible gastado
De entre los residuos nucleares, el combustible gastado es el más difícil de tratar, el más nocivo y el que tiene una vida media más larga.
El combustible gastado es, naturalmente, la parte más importante de la gestión de residuos nucleares. El combustible gastado generalmente requiere reprocesamiento antes de su eliminación final.
El reprocesamiento del combustible gastado también es una parte importante para garantizar el desarrollo sostenible de la energía nuclear. Mediante el reprocesamiento, se puede recuperar uranio y plutonio útiles a partir del combustible gastado irradiado y luego convertirlos en nuevos elementos combustibles y luego devolverlos a reactores térmicos o reactores rápidos, lo que puede mejorar en gran medida la utilización de los recursos de uranio.
En el futuro, si se implementa un ciclo cerrado de combustible nuclear para reactores rápidos, la tasa de utilización de los recursos de uranio se podrá aumentar unas 60 veces. En otras palabras, el uranio natural se podrá utilizar durante 50 veces. -60 años y más de 3.000 años. El reprocesamiento del combustible gastado no sólo permite la recuperación y el reciclaje de grandes cantidades de uranio y plutonio útiles, sino que también reduce en gran medida la toxicidad y la cantidad de desechos altamente radiactivos que deben eliminarse.
La tecnología de reprocesamiento de combustible gastado tiene una historia de más de 50 años. Actualmente, entre los países del mundo que se dedican al reprocesamiento comercial se encuentran Francia, Reino Unido, Rusia, Japón, India, etc. tiene reprocesamiento comercial a gran escala El nivel está en la posición de liderazgo en el mundo. Estados Unidos detuvo por completo las actividades de reprocesamiento comercial por razones políticas a mediados de la década de 1970, pero nunca dejó de investigar sobre tecnología de reprocesamiento. Se anunció claramente que se reiniciaría la tecnología de reprocesamiento.
Las plantas de reprocesamiento comerciales a gran escala actualmente en funcionamiento incluyen: la planta de Ager en Francia, con una capacidad de procesamiento de metales pesados de 1.700 toneladas/año; la planta de reprocesamiento de Sellafield en el Reino Unido, con una capacidad de procesamiento de 900 toneladas/año. Las plantas de reprocesamiento actualmente sometidas a pruebas térmicas son las seis plantas de reprocesamiento de Sokomura en Japón, con una capacidad de procesamiento anual de 800 toneladas.
Más de 50 años de experiencia operativa han demostrado que Purex es un excelente proceso de postratamiento.
A medida que se continúa refinando el proceso Purex, ahora es posible diseñar un proceso que pueda procesar una variedad de combustible gastado y producir productos que cumplan diversos requisitos de pureza y concentración.