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核废物处置-1_图文

核废物处置
课时:40学时
2010.10

参考文献:
《放射性废物处置原理》闵茂中,原子能出版社,1998第一版 ¥8.6 《放射性废物处置概论》王志雄、周宏春著,科技出版社,1996 《核废物处置-地球化学工程屏障》李宽良著,原子能出版社, 2004 《放射性废物地质处置》许兆义等著,地震出版社,1994 《中低水平放射性废物的安全处置》陈式等著,原子能出版社, 1998 《放射性废物概论》罗上庚著,原子能出版社,2003,¥58 《放射性物质安全运输导论》汪佳明等著,原子能出版社,2006

课时安排:

第一章 绪论(2) 第二章 放射性废物管理(4) 第三章 放射性废物的地质处置(4) 第四章 放射性废物地质处置场(库)址的选择(4) 第五章 放射性废物处置地球化学(4) 第六章 放射性废物处置体系的类比研究(4) 第七章 放射性废物处置的安全评价(4) 课堂讨论(6)

第一章

绪论

? 放射性废物的来源
? 放射性废物的分类 ? 放射性废物的主要特征 ? 国内外放射性废物产生现状

放射性废物的定义
放射性废物,又称核废物,是指任何含有放射 性核素或被其污染的物质,其中放射性核素的浓 度或活度水平超过主管部门确定的豁免值,而且 这些物质在可预见的将来无可利用(不包括未处 理的乏燃料)。 放射性废物以其具有较高放射性、放射毒性区 别于其他非放射性有害物质。度量核废物放射性 活度的单位为Bq(贝可;1Bq=1次衰变/s)。

第一节 放射性废物的来源(p1)
放射性废物产生于核工业各环节(图1.1), 以及使用放射性物质的各部门,即来自核燃料 循环和非核燃料循环工艺体系或部门。 按照工作部门划分,核废物主要来铀矿山、 铀水冶厂、核电厂、核武器制造厂、核舰只和 使用放射性物质的科研、教育、医疗、工业、 农业等部门;若按放射性总活度计,核工业中 产生的核废物,其99%来自核燃料后处理厂。

地 质 勘探

铀 矿 开采

铀矿石 加工

铀精制

铀氟化

铀同位 素分离

金 属 生产

燃料元件 制造

原 子 武 器 制 造

反应堆 材料制造

原 子 核 反 应 堆

乏燃料 后处理

金属钚 生产 同位素应用

核电厂

核动力船

图1.1

核工业主要工艺体系方框示意图

核武器

核爆炸

核电站

压水堆核电站

石墨气冷堆

快中子增殖堆

放射性废物的来源 (核燃料循环)
前端 核燃料循环 后端 核废物 来源 1.放射性同位素生产和应用 非核燃料循环 2.医疗、科研、教育、工业 和 农业等部门应用放射性物质 3.核设施退役

核燃料循环可概略地分为前端和后端两部分。 生产出合适于核电厂使用的燃料组件的过程,被 称为核燃料循环的前端,它包括铀矿开采、水冶、 铀富集、核燃料元件制造;处理辐照后的核燃料 的各种工艺过程和专业活动,被称为核燃料循环 的后端或尾端,它包括乏燃料暂存、乏燃料后处 理、混合氧化燃料加工和核废物处置等。核燃料 循环的周期一般较长,例如在我国,由于幅员辽 阔。核燃料生产厂布局分散,从生产出天然铀浓 缩物(黄饼)之时算起,在一次通过模式下,至 核燃料进入核电厂至少需4a;若乏燃料经后处理 (回收钚)再进入核电厂,则循环周期约需12a。

1.铀矿开采和铀矿石
铀是最重要的核燃料。供工业采集的铀矿边界品位是可变的。例如,我国在80 年代前,铀矿的常规工业开采品位为0.05%(边界品位为0.03%);80年代以后提 高至0.1%。美国铀矿工业开采平均品位为0.113%。一个热功率为1GW的核电厂, 每年约需要150t天然金属铀,若铀矿平均开采品位按0.2%计,则每年将产生约 10000m3开采废石和30000(钚循环)~50000m3水冶尾矿。 铀矿石经破碎、水冶后残留的尾矿,其中残留了占原矿6%左右的铀,还含一定

含量226Ra,222Rn,使尾矿成为有害低放废物和化学有害物质(含酸、碱)。铀废矿石、 尾矿的数目多、体积大,其放射性活度较普通岩石、土壤高数倍至数十倍。此外, 磷矿石中一般含有较多的铀元素,经过处理后残渣中的铀含量更高,使之成为一种

数目庞大的低放废物。例如据统计,仅美国佛罗里达州每年便产生1100万吨磷尾矿, 至1983年,该州已累计产生十亿吨磷尾矿,其释放氡的放射性活度达

1.5×1014Bq.

2.铀富集和核燃料元件制造
在核燃料循环前端的铀富集、转化阶段,235U 含量由0.711%增至3%~4%,同时产生低废物, 例如氟化渣、木炭渣、石灰渣、废旧轴承、废零 部件、废管道、废机油、废旧钢铁、劳保用品和 放射性废水等。该类废物中含有235U,238U等核素 及硝酸、氟化物等有害化学物质。此外,在制造 核燃料元件时还产生少量低放废物。

3.核反应堆运行
核反应堆是以铀或钚等作燃料的可控链式裂变反应装置,它由堆芯、堆内构件、 压力壳、控制棒、驱动机构等组成。堆芯又称活性区,由燃料组件、控制棒组件 和启动中子源等组成。将富集轴碾成粉末,制成许多小圆柱状UO2(高约1.27cm, 直径为0.95cm),然后,将它们装入一个锆合金燃料棒内。通常将220个燃料棒 和若干控制棒结合在一起构成一个燃料组件,在将若干个燃料组件装进反应堆活 性区。燃料棒中的铀、钚发生核裂变时释放出来的巨大热量,由普通水或氦气循 环冷却剂带至汽轮机,推动汽轮机发电。反应堆种类较多,按用途可分为产钚堆、 动力堆、研究堆等;按采用的冷却剂、慢化剂不同和堆体结构不同,可分为压水 堆、沸水堆、石墨堆、气冷堆、重水堆、快中子增殖堆等,其中最常用的是压水 堆和沸水堆。

核反应堆运行时产生的放射性废液主要来自循环冷却水,放射性固体废物主要 来自冷却净化系统、废水净化系统的离子交换废树脂、废过滤器芯子、废液蒸发 残渣、活化的堆内构件(包壳材料、控制棒等)、废仪表探头和零件等,其中堆 内构件等为高放废物(含60Co,63Ni等)。据国际原子能机构统计,轻水堆核电厂 的放射性固体废物产生量为550m3/GW· a。

4.乏燃料后处理
在核反应堆中不能继续使用的辐照过的核燃料称 之为乏燃料。除去乏燃料中的裂变产物,并回收易 裂变材料和可转换材料的过程,称为乏燃料后处理。 乏燃料中含有多量超铀元素、裂变产物和活化产物, 因而具有较多裂变热和较高放射性活度。 乏燃料中含有新生成的239Pu(重要军用材料)和 未裂变的235U,为了分离出来这两种有用物质,需 对乏燃料进行后处理。乏燃料后处理工艺有水法、 干法两类,目前最常采用水法后处理,其处理工艺 流程依次为:离堆乏燃料元件冷却、去壳和溶芯, 溶液萃取,钚和铀最终钝化及转化,超铀同位素和 裂片同位素提取。被回收的钚、铀同位素可重复使 用。

放射性废物的来源
(非核燃料循环)
核废物主要来自核燃料循环,但非核燃料循 环各过程也产生一定数量核废物,例如,生产放 射性同位素,医疗、科研、教育、工业、农业等 部门应用放射性物质,核设施退役,制造和试验 核武器等。 1.放射性同位素生产和应用 在工业上生产和应用放射性同位素时,将产 生一定数量的低放废物,在西方国家中,称这类 废物为工业放射性废物,其中含有多量短寿命放 射性核素,例如90Mo,131I,133Xe,125I等,它们 的比活度一般小于3.7×103Bq/g;此外,还含有 裂变产物90Sr,137Cs,3H等。

放射性废物的来源
(非核燃料循环)

2.医疗、科研、教育、工业和农业等部门应用放射性物质 医疗、科研、教育、工业和农业等部门在应用放射源、 加速器、示踪同位素、小型研究堆、铀矿石标本等过程中, 将产生一定数量的低放固体、液体废物,这些废物中含有 51Cr,192Ir,35S,125I,32P,14C,90Sr,3H,57Co,99Tc, 60Co等放射性核素。 3.核设施退役 核电厂、乏燃料后处理厂等核设施退役时,产生大量低 放废物和少量高放废物(退役废物)。核设施退役的原因主要有: ①超过使用寿命。②因突发性事故使核设施无法继续正常运 行。③己完成预定任务而关闭;④因设计出现问题、设备发 生故障、或政府的政策、计划改变等导致核设施关闭。 退役废物的特点是:①绝大部分为低放固体废物;②数 量多,体积大,组成复杂,③污染较牢固,不易去污,其中 某些物质原来本无放射性,后经辐射活化转变为放射性物质。

第二节 放射性废物的分类(p11)
1.按物理状态分类 按物理状态不同,可将放射性废物分为放射性固体废物、 放射性液体废物和放射性气载废物三类。 2.按放射性水平分类 放射性物质的放射性水平,可用比活度(固体废物)和放 射性浓度(气载废物、液体废物)表示,其物理意义为单位 质量(固体)或单位体积(液体、气体)物体的放射性活度,度 量单位为Bq/kg、Bq/M3或Bq/L。按放射性水平不同, 可将放射性废物分为高放废物(HLW)、中放废物(ILW)和低 放废物(LLW)三大类。世界各国划分这三大类废物的放射 性水平标准尚不统一。

放射性废物的分类
⑴高放废物 20世纪70年代的定义,是指乏燃料 后处理第一循环溶解萃取水溶液.或与此相当 的浓缩废液等,即高放废物的产生与乏燃料后 处理有关。1981年,美国核管理委员会(NRC) 明确规定高放废物包括下列备类核废物,①不 予处理的乏燃料;②乏燃料后处理第一循环萃 取废液,或随后萃取循环的浓缩废物;③高放 废液的固化体。此外.高放废物还包括核燃料 包壳元件、控制棒等。

放射性废物的分类
⑵中放废物 中放废物是指放射性水平介于低放废物和高放 废物之间的放射性废物。中放废物主要来自核反应堆、乏 燃料后处理第二次和第三次循环溶解萃取液、净化溶剂废 液、洗涤废气的废液、去污泥浆和低放废液的浓缩液等。 ⑶低放废物 低放废物包括绝大部分退役废物,核反应堆中 的去污水、循环冷却水,医疗和科研用被污染动物的尸体、 器官、选矿水,核设施地面排水、洗涤水,放射性废气和 气溶胶,污染的塑料、玻璃、劳保用品等。美国将低放废 物定义为未列入高放废物、含有放射性比活度小于 3.7×102Bq/g的超铀锕系元素的放射性废物(其中不包括 铀废矿石和铀尾矿),特别强调必须是适合于陆地浅埋处 置的放射性废物。

放射性废物的分类
3.按放射性核素的半衰期分类 按半衰期不同,将放射性核素分为长寿命(或长 半衰期)放射性核素、中等寿命(或中等半衰期)放 射性核素和短寿命(或短半衰期)放射性核素等类别。 各国划分半衰期长、短的标准也不统一。以含长 寿命放射性核素为主的核废物,称为长寿命(或长 半衰期)放射性废物;以含中等寿命放射性核素为 主的核废物,称为中等寿命(或中等半衰期)放射性 废物;以含短寿命放射性核素为主的核废物,称 为短寿命(或短半衰期)放射性废物。

放射性废物的分类
4.按来源分类

根据放射性废物的来源不同,可将放射性废物分为铀尾矿、退役废物、 乏燃料(不予处理的)、包壳废物、军用废物和商业废物等。 ⑴铀尾矿 铀矿石经破碎、水冶后的残渣,即铀尾矿。就放射性水平 而言,铀尾矿属低放固体废物,但因其性质的特殊(体积大、数量多等), 在国外一般将其视为一种特殊类型的放射性固体废物,而不列入低放固 体废物之中,并且铀尾矿的处置方法也不同于一般低放固体废物。 ⑵乏燃料(不予处理的) 只有不予后处理的乏燃料才属核废物(高放废 物)。乏燃料主要由稳定的铀氧化物(占96%)、裂变产物(占3%)和 PuO2 (占1%)组成,其主要特征是:①有一定几何形态(圆柱状);②比一般高 放废物含有更多的裂变产物和超铀核素;③发热量较大、发热时间较长; ④不易浸取和溶解;⑤放射毒性较大,需长期与人类环境隔离。 ⑶包壳废物 卸堆乏燃料后处理过程中残留下来的铀芯包壳,阻隔材 料等,被称为包壳废物,它主要由锆合金、不锈钢、铬镍合金等组成。 包壳废物为高放废物,

放射性废物的分类
⑷商业放射性废物和军事放射性废物 军事高放废物和商业 高放废物的差别在于:①军事核反应堆运行旨在获取核武器 原料钚,因而钚的循环周期、废物中裂变产物的种类和浓度 等,与商用反应堆运行产生的高放废物不相同;②核舰艇反 应堆使用的燃料为高浓缩铀(而商用核燃料的235U含量为3% 一4%),其产生的高放废物的核素成分、含量及废物的发热 量等,与商业高放废物有差异;与商业高放废物相比,军事高 放废物产的放射性核素含量较低,发热量较小。 此外,根据所含放射性核素的种类和性质,还分出超铀 废物和α废物等。α废物是指含有一种或多种发出α射线的核 素(通常为锕系核素),并且其含量超过规定限值的放射性废物。 各国对超铀废物的定义不完全相同,在美国,超铀废物一般 是指含多量其原子序数大于92,且半衰期大于20 a的放射性 元素,其比活度大于1000 Bq/g的核废物;超铀废物含有多 量长寿命核素,它们大多藉多重中子俘获后生成。

国际原子能机构的放射性废物分类
根据国际原子能机构(1971)的分类,首先按物 理状态将核废物分为液体、气体、固体三类,然 后再按比活度将每类分成若干级别。 此外.国际原子能机构(1981)按放射性水平和 所含核素的半衰期不同,从便于处置的角度将核 废物分为高放(长寿命)、中放(长寿命)、低放(长寿 命)、中放(短寿命)和低放(短寿命)废物五级(表 1.12);划分长寿命、短寿命核素的建议标准为: 半衰期小于30a的核素被称为短寿命放射性核素, 半衰期大于30a的核素被称为长寿命放射性核素。

我国的放射性废物分类
1988年我国颁布了核废物分类标准(附录1),根据 该分类,首先将核废物按物理状态分为气载废物、 液体废物和固体废物三类;在此基础上,再按放射 性浓度或比活度将各类核废物分为若干级;对于固 体废物,按比活度和所含主要核素的半衰期两项指 标,划分出低放短半衰期(T1/2≤6d)废物、低放中等半 衰期(60 d<T1/2≤5a)废物、低放长半衰期(T1/2>5a) 废物、中放短半衰期废物、中放中等半衰期废物、 中放长半衰期废物、高放短半衰期废物、高放中等 半衰期废物、高放长半衰期废物和超铀废物等3级13 亚类。该分类较国际原于能机构(1971)分类更详细、 更具体,更适合于我国使用。

第三节 放射性废物的主要特性(p18)
放射性废物的主要特性有放射性、放射毒性和化学毒性等, 部分放射性废物还具有发热性、易燃性、易爆性、放出有害气 体等性质。 一、放射性废物的核素组成 根据反应堆中放射性核素的生成方式,可将核废物中的放射 性核素分为裂变产物、活化产物和锕系核素三类。其中裂变产 物是核燃料中的元素原子核受中子轰击后产生的裂变碎片。 低放废物中仅含有少量裂变产物,几乎不含锕系α辐射体, 因而该类废物的放射性活度和发热量较小,对其处理、处置也 较简单。随着其中裂变产物和锕系放射性核素种类及其含量的 增多、增高,废物的放射性水平也随之增高。长寿命高放废物 和乏燃料中含有较多裂变产物(约占3%)、锕系元素和超铀元素 (约占0.5%).因而具有较高放射性活度和较多衰变热,具有较 大的放射毒性。其中乏燃料的放射性毒性比乏燃料后处理产生 的高放废物的放射毒性更大。

放射性废物的主要特性
二、放射性废物的放射性、放射毒性 核废物最重要特性是其具有放射性和放射毒性。 ⑴放射性 核废物的放射性来自两类元素及其同位素:① 铀及其子体元素的天然放射性。②由反应堆中的裂变、俘获、 活化等反应生成的裂变产物、超铀核素和放射性同位素产生 的放射性。该类核素的放射性活度约占核废物总放射件活度 的99%。 ⑵放射毒性 某种放射性物质进入人(或动物)体内、放射性 对人(或动物)体产生约毒害特性,称为放射毒性。根据其 对人体危害大小,可将核废物分为高放射毒性废物、中等放 射毒性废物和低放射毒性废物3类 (图1.4)。核废物的毒性, 主要取决于其中所含核素的放射毒性的大小。根据放射毒性 大小将核素分为:极高放射毒性核素(1组)、高放射毒性核素 (2组)、中等放射毒性核素(3组)和低放射毒性核素(4组)。高 放射毒性废物含有较多极高放射毒性核素和高放毒性核素, 低放射毒性废物主要含有低放射毒性核素。

放射性废物的主要特性
三、放射性废物的热效应 放射性废物(尤其高放废物)在生成后将持续地 放出大量衰变热。在铀系的α,β,γ辐射过程中, 三者释放的热量分别占总释热量的89%、4.5%和 6.5%。高放废物和乏燃料中含有较多的长寿命α 辐射体,因而可释放出较多衰变热;低、中放废 物仅含少量长寿命α辐射体,其发热量也远少于 高放废物。

第四节 国内外放射性废物产生现状
一、国外放射性废物产生现状 核电厂运行是当今世界核废物最重要来源之一。 第一座核电站建于1960年,1970年发展到167 座,1980年建135座,1990年达328座。到2001年年 底,全世界正在运行的核电站共有438座,其中31 座正在建设或进行现代化改造。总发电量为353千 兆瓦,占全世界发电量的16%,累计运行时间已 超过1万堆年,1个堆年相当于核电站中的1个反应 堆运行1年。 美国最多,达104座,现在日本有 49座核电站,年发电量约4万兆瓦,位居世界前茅。

国内外放射性废物产生现状 (一)

世界各国核电站排名

国内外放射性废物产生现状(一)
一个年发电量为6Gw的核发电体系在运行40a间产 生的核废物总量约为19.4×104 m3 (不包括铀尾矿、 燃料元件加工废物等)。按此比例推算,1998年全世 界437个核电机组运行产生的各类核废物约为 114×105m3.若将核燃料循环中的铀尾矿等计入, 则约为37.2×107m3。 美国是世界上最早发展核工业的国家,在20世纪 40年代就开始发展军事核武器。美国也是世界上核 电放射性废物最大产生国。据统计,1986年美国各 类(商业、军事)该废物产生总量达4×106m3 (p25图 1.6).

国内外放射性废物产生现状 (二)
二、国内放射性废物产生现状 我国的核工业已有50余年的发展历史,积累了数 万立方米的低、中放废物,主要来自核反应堆、核武 器制造厂、教学、科研、工业、农业等部门(下表据罗上庚)。


以压水型核反应堆电站和发电1GW为例; 从铀矿开采到反应堆发电,最后产生核废物, 全过程各阶段产生放射性废物种类和数量列于 下表供作参考。

我国目前已有8个发电机组,发电 87×105kW· h/a。还有3个核发电机组在建。 预计到2010年乏燃料积累达1000t;到2020年 后每年将从反应堆卸出1000t乏燃料,其中残 余的铀和钚回收后,即为待处理的高放射性废 物 放射性废物的治理真可谓“任重而道远”。

谢谢同学们 在课堂上的合作!

请继续下面章节的学习。


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