第13講 放射性廢物的處理和處置-1

1、第第1313講講放射性廢物的處理和處置放射性廢物的處理和處置1放射性廢物處理的重要性放射性廢物處理的重要性2放射性廢物的來源和分類放射性廢物的來源和分類3 放射性廢物的主要特點放射性廢物的主要特點4 放射性廢氣（氣載廢物）的處理放射性廢氣（氣載廢物）的處理5 放射性廢液的處理放射性廢液的處理6 放射性固體廢物的處理放射性固體廢物的處理7 放射性固體廢物的處置放射性固體廢物的處置8 高放廢物的核嬗變處理高放廢物的核嬗變處理1放射性廢物處理的重要性放射性廢物處理的重要性n放射性廢物的定義放射性廢物的定義 放射性廢物，又稱核廢物，是指任何含有放射性廢物，又稱核廢物，是指任何含有放射性核素或被其污染的

2、物質(zhì)，其中放射性核放射性核素或被其污染的物質(zhì)，其中放射性核素的濃度或活度水平超過國家規(guī)定限值的廢棄素的濃度或活度水平超過國家規(guī)定限值的廢棄物。物。放射性廢物以其具有較高放射性、放射毒性放射性廢物以其具有較高放射性、放射毒性區(qū)別于其他非放射性有害物質(zhì)。度量核廢物放區(qū)別于其他非放射性有害物質(zhì)。度量核廢物放射性活度的單位為射性活度的單位為Bq（貝可；（貝可；1Bq=1次衰變次衰變/s）。）。 為使放射性廢物變成適于往大氣、水體排放為使放射性廢物變成適于往大氣、水體排放或作最終處置的狀態(tài)所實施的工藝過程稱為或作最終處置的狀態(tài)所實施的工藝過程稱為放射放射性廢物處理性廢物處理。 為使放射性核素在衰變到對人

3、類無危害水平為使放射性核素在衰變到對人類無危害水平以前保持與生物圈隔離所采取的措施稱為以前保持與生物圈隔離所采取的措施稱為放射性放射性廢物處置廢物處置。n放射性廢物中的放射性核素，采用一般的物理、化學(xué)及生物學(xué)方法不能予以消滅或破壞，只有通過它們自身的衰變（或特殊情況下的核轉(zhuǎn)變）才能使放射性衰減到一定水平。n 為達到安全處置的目的，通常采用稀釋擴散和濃縮貯存兩種方式。2 放射性廢物的來源和分類放射性廢物的來源和分類放射性廢物產(chǎn)生于核工業(yè)各環(huán)節(jié)（圖放射性廢物產(chǎn)生于核工業(yè)各環(huán)節(jié)（圖1.1），），以及使用放射性物質(zhì)的各部門，即來自核燃料以及使用放射性物質(zhì)的各部門，即來自核燃料循環(huán)和非核燃料循環(huán)工藝體系

4、或部門。循環(huán)和非核燃料循環(huán)工藝體系或部門。 按照工作部門劃分，核廢物主要來鈾礦山、按照工作部門劃分，核廢物主要來鈾礦山、鈾水冶廠、核電廠、核武器制造廠、核艦只和鈾水冶廠、核電廠、核武器制造廠、核艦只和使用放射性物質(zhì)的科研、教育、醫(yī)療、工業(yè)、使用放射性物質(zhì)的科研、教育、醫(yī)療、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等部門；若按放射性總活度計，核工業(yè)中農(nóng)業(yè)等部門；若按放射性總活度計，核工業(yè)中產(chǎn)生的核廢物，其產(chǎn)生的核廢物，其99%來自核燃料后處理廠。來自核燃料后處理廠。地質(zhì)地質(zhì)勘勘 探探鈾礦鈾礦開開 采采鈾礦石鈾礦石加工加工鈾精制鈾精制鈾氟化鈾氟化鈾 同 位鈾 同 位素分離素分離金屬金屬生產(chǎn)生產(chǎn)原原子子武武器器制制造造燃料元件燃

5、料元件制造制造乏 燃 料乏 燃 料后處理后處理金 屬 钚金 屬 钚生產(chǎn)生產(chǎn)反應(yīng)堆反應(yīng)堆材料制造材料制造原原子子核核反反應(yīng)應(yīng)堆堆同位素應(yīng)用同位素應(yīng)用核電廠核電廠核動力船核動力船 圖圖1.1 核工業(yè)主要工藝體系方框示意圖核工業(yè)主要工藝體系方框示意圖核電站 壓水堆核電站壓水堆核電站石墨氣冷堆石墨氣冷堆快中子增殖堆快中子增殖堆放射性廢物的來源放射性廢物的來源（核燃料循環(huán)）（核燃料循環(huán)） 前端前端 核燃料循環(huán)核燃料循環(huán) 后端后端核廢物核廢物來源來源 1.放射性同位素生產(chǎn)和應(yīng)用放射性同位素生產(chǎn)和應(yīng)用 非核燃料循環(huán)非核燃料循環(huán) 2.醫(yī)療、科研、教育、工業(yè)醫(yī)療、科研、教育、工業(yè) 和和農(nóng)業(yè)等部門應(yīng)用放射性物質(zhì)農(nóng)

6、業(yè)等部門應(yīng)用放射性物質(zhì) 3.核設(shè)施退役核設(shè)施退役放射性廢物的分類放射性廢物的分類 1按物理狀態(tài)分類按物理狀態(tài)分類 按物理狀態(tài)不同，可將放射性廢物分為按物理狀態(tài)不同，可將放射性廢物分為放射性固體廢物放射性固體廢物、放射性液體廢物放射性液體廢物和和放射性氣載廢物放射性氣載廢物三類。三類。 2按放射性水平分類按放射性水平分類 放射性物質(zhì)的放射性水平，可用比活度放射性物質(zhì)的放射性水平，可用比活度(固體廢物固體廢物)和放和放射性濃度射性濃度(氣載廢物、液體廢物氣載廢物、液體廢物)表示，其物理意義為單位表示，其物理意義為單位質(zhì)量質(zhì)量(固體固體)或單位體積或單位體積(液體、氣體液體、氣體)物體的放射性活度，

7、度物體的放射性活度，度量單位為量單位為Bqkg、BqM3或或BqL。按放射性水平不同，。按放射性水平不同，可將放射性廢物分為高放廢物可將放射性廢物分為高放廢物(HLW)、中放廢物、中放廢物(ILW)和低和低放廢物放廢物(LLW)三大類。世界各國劃分這三大類廢物的放射三大類。世界各國劃分這三大類廢物的放射性水平標準尚不統(tǒng)一。性水平標準尚不統(tǒng)一。放射性廢物的分類放射性廢物的分類高放廢物高放廢物 20世紀世紀70年代的定義，是指乏燃料年代的定義，是指乏燃料后處理第一循環(huán)溶解萃取水溶液或與此相當后處理第一循環(huán)溶解萃取水溶液或與此相當?shù)臐饪s廢液等，即高放廢物的產(chǎn)生與乏燃料后的濃縮廢液等，即高放廢物的產(chǎn)生

8、與乏燃料后處理有關(guān)。處理有關(guān)。1981年，美國核管理委員會年，美國核管理委員會(NRC)明確規(guī)定高放廢物包括下列備類核廢物，不明確規(guī)定高放廢物包括下列備類核廢物，不予處理的乏燃料；乏燃料后處理第一循環(huán)萃予處理的乏燃料；乏燃料后處理第一循環(huán)萃取廢液，或隨后萃取循環(huán)的濃縮廢物；高放取廢液，或隨后萃取循環(huán)的濃縮廢物；高放廢液的固化體。廢液的固化體。放射性廢物的分類放射性廢物的分類中放廢物中放廢物 中放廢物是指放射性水平介于低放廢物和高放中放廢物是指放射性水平介于低放廢物和高放廢物之間的放射性廢物。中放廢物主要來自核反應(yīng)堆、乏廢物之間的放射性廢物。中放廢物主要來自核反應(yīng)堆、乏燃料后處理第二次和第三次循

9、環(huán)溶解萃取液、凈化溶劑廢燃料后處理第二次和第三次循環(huán)溶解萃取液、凈化溶劑廢液、洗滌廢氣的廢液、去污泥漿和低放廢液的濃縮液等。液、洗滌廢氣的廢液、去污泥漿和低放廢液的濃縮液等。低放廢物低放廢物 低放廢物包括絕大部分退役廢物，核反應(yīng)堆中低放廢物包括絕大部分退役廢物，核反應(yīng)堆中的去污水、循環(huán)冷卻水，醫(yī)療和科研用被污染動物的尸體、的去污水、循環(huán)冷卻水，醫(yī)療和科研用被污染動物的尸體、器官、選礦水，核設(shè)施地面排水、洗滌水，放射性廢氣和器官、選礦水，核設(shè)施地面排水、洗滌水，放射性廢氣和氣溶膠，污染的塑料、玻璃、勞保用品等。美國將低放廢氣溶膠，污染的塑料、玻璃、勞保用品等。美國將低放廢物定義為未列入高放廢物、

10、含有放射性比活度小于物定義為未列入高放廢物、含有放射性比活度小于3.7102Bqg的超鈾錒系元素的放射性廢物的超鈾錒系元素的放射性廢物(其中不包括其中不包括鈾廢礦石和鈾尾礦鈾廢礦石和鈾尾礦)，特別強調(diào)必須是適合于陸地淺埋處置，特別強調(diào)必須是適合于陸地淺埋處置的放射性廢物。的放射性廢物。 放射性廢物的分類放射性廢物的分類 3按放射性核素的半衰期分類按放射性核素的半衰期分類 按半衰期不同，將放射性核素分為長壽命按半衰期不同，將放射性核素分為長壽命(或長或長半衰期半衰期)放射性核素、中等壽命放射性核素、中等壽命(或中等半衰期或中等半衰期)放放射性核素和短壽命射性核素和短壽命(或短半衰期或短半衰期)放

11、射性核素等類別。放射性核素等類別。各國劃分半衰期長、短的標準也不統(tǒng)一。以含長各國劃分半衰期長、短的標準也不統(tǒng)一。以含長壽命放射性核素為主的核廢物，稱為長壽命壽命放射性核素為主的核廢物，稱為長壽命(或長或長半衰期半衰期)放射性廢物；以含中等壽命放射性核素為放射性廢物；以含中等壽命放射性核素為主的核廢物，稱為中等壽命主的核廢物，稱為中等壽命(或中等半衰期或中等半衰期)放射性放射性廢物；以含短壽命放射性核素為主的核廢物，稱廢物；以含短壽命放射性核素為主的核廢物，稱為短壽命為短壽命(或短半衰期或短半衰期)放射性廢物。放射性廢物。3 放射性廢物的主要特點放射性廢物的主要特點 放射性廢物的主要特性有放射性

12、、放射毒性和化學(xué)放射性廢物的主要特性有放射性、放射毒性和化學(xué)毒性等，部分放射性廢物還具有發(fā)熱性、易燃性、易毒性等，部分放射性廢物還具有發(fā)熱性、易燃性、易爆性、放出有害氣體等性質(zhì)。爆性、放出有害氣體等性質(zhì)。 一、放射性廢物的核素組成一、放射性廢物的核素組成 根據(jù)反應(yīng)堆中放射性核素的生成方式，可將核廢物根據(jù)反應(yīng)堆中放射性核素的生成方式，可將核廢物中的放射性核素分為中的放射性核素分為裂變產(chǎn)物裂變產(chǎn)物、活化產(chǎn)物活化產(chǎn)物和和錒系核素錒系核素三類。三類。 其中裂變產(chǎn)物是核燃料中的元素原子核受中子轟其中裂變產(chǎn)物是核燃料中的元素原子核受中子轟擊后產(chǎn)生的裂變碎片。擊后產(chǎn)生的裂變碎片。 錒系核素是由鈾俘獲中子而產(chǎn)

13、生。錒系核素是由鈾俘獲中子而產(chǎn)生。 活化產(chǎn)物是有堆內(nèi)的結(jié)構(gòu)材料、冷卻劑或燃料包活化產(chǎn)物是有堆內(nèi)的結(jié)構(gòu)材料、冷卻劑或燃料包殼俘獲中子而產(chǎn)生。殼俘獲中子而產(chǎn)生。 放射性廢物的主要特性放射性廢物的主要特性 二、放射性廢物的放射性、放射毒性二、放射性廢物的放射性、放射毒性 核廢物最重要特性是其具有放射性和放射毒性。核廢物最重要特性是其具有放射性和放射毒性。 放射性放射性 核廢物的放射性來自兩類元素及其同核廢物的放射性來自兩類元素及其同位素：鈾及其子體元素的天然放射性。由反應(yīng)堆位素：鈾及其子體元素的天然放射性。由反應(yīng)堆中的裂變、俘獲、活化等反應(yīng)生成的裂變產(chǎn)物、超鈾中的裂變、俘獲、活化等反應(yīng)生成的裂變產(chǎn)物

14、、超鈾核素和放射性同位素產(chǎn)生的放射性。該類核素的放射核素和放射性同位素產(chǎn)生的放射性。該類核素的放射性活度約占核廢物總放射件活度的性活度約占核廢物總放射件活度的99。 放射毒性放射毒性 某種放射性物質(zhì)進入人某種放射性物質(zhì)進入人(或動物或動物)體內(nèi)、體內(nèi)、放射性對人（或動物）體產(chǎn)生約毒害特性，稱為放射放射性對人（或動物）體產(chǎn)生約毒害特性，稱為放射毒性。毒性。4 放射性廢氣的處理放射性廢氣的處理n放射性廢氣主要產(chǎn)自放射性操作工藝過程的排氣和設(shè)備泄漏，此外，還來自放射性實驗室和廠房的排風(fēng)。放射性廢氣中通常含有放射性粉塵、氣溶膠、惰性氣體和揮發(fā)性核素等。n與液體、固體廢物相比，氣載放射性廢物排放可能造成

15、的污染范圍更大，對環(huán)境的影響更難預(yù)測和控制，因此，其凈化處理及排放控制更應(yīng)引起足夠的重視。n4.1氣載低中放廢物的特點氣載低中放廢物的特點n活化和裂變產(chǎn)生的人工核素、天然核素。n伴隨常量有害物質(zhì)：粉塵、NOx、SOx、HF、CO2、CO等。n以放射性氣體、氣溶膠和懸浮物形式存在。n放射性氣溶膠是固體或液體放射性微粒懸浮在空氣或氣體介質(zhì)中形成的分散體系，粒徑為10-3103m，10m緩慢沉降。n重要核素：碘、氪、氙、氡、氚等n碘：鹵族元素，125I（T1/260d）、129I（T1/21.6107a）、 131I（T1/28d）。n來自核電廠運行和乏燃料后處理裂變產(chǎn)物，廢氣中碘量較大，對人體的危

16、害較大。n用碘吸附器衰變貯存和濕法洗滌去除。n氙：惰性氣體，133Xe （T1/25.7d），裂變產(chǎn)額較高。n氪：惰性氣體， 85Kr不易分離，回收或稀釋。n氡：鐳射氣222Rn （T1/23.82d），釷射氣220Rn ，錒射氣219Rn；吸附和稀釋。南華大學(xué)氡實驗大樓南華大學(xué)氡實驗大樓氡實驗裝置氡實驗裝置n4.24.2氣載放射性廢物的處理氣載放射性廢物的處理n處理對象：放射性氣體、放射性微塵和放射性氣溶膠n處理目的：是去除或降低放射性污染物，保護工作人員、公眾和環(huán)境。n衰變式處理方法：n 通風(fēng)稀釋、衰變貯存、低溫回收n處置式處理方法：n 干法除塵、濕法除塵、吸附過濾填料吸收塔分離效率實驗裝

17、置填料吸收塔分離效率實驗裝置實驗室一角實驗室一角液膜分離實驗設(shè)備液膜分離實驗設(shè)備圓盤塔中圓盤塔中COCO2 2吸收液膜吸收液膜傳質(zhì)系數(shù)測定設(shè)備傳質(zhì)系數(shù)測定設(shè)備分餾實驗裝置分餾實驗裝置流化床干燥實驗裝置流化床干燥實驗裝置氣體凈化試驗裝置氣體凈化試驗裝置工工業(yè)業(yè)規(guī)規(guī)模模布布袋袋除除塵塵實實驗驗裝裝置置5 放射性廢液的處理放射性廢液的處理n低中放廢液的凈化處理低中放廢液的凈化處理n各類放射性廢液的比活度、含鹽量差別很大，處理方法也不一樣。n核工業(yè)放射性工藝廢液一般需要多級凈化處理，低、中放廢液常用的處理方法有絮凝沉淀、蒸發(fā)、離子交換（或吸附）和膜技術(shù)（如電滲析、反滲透、超濾膜）。高放廢液比活度高，一

18、般只經(jīng)過蒸發(fā)濃縮后貯存在雙壁不銹鋼貯槽中。 n沉淀法n去污機理：離子態(tài)核素通過加入另一種離子或化合物使之轉(zhuǎn)變成不溶性或難溶性化合物沉淀來達到分離。有沉淀、共沉淀或吸附作用。n式中，M離子態(tài)核素n離子濃度的乘積大于濃度積，生成沉淀。n加入載體，發(fā)生共沉淀。n被吸附在別的沉淀物或晶體的表面，形成吸附共沉淀。1()nnMnOHM OHn蒸發(fā)濃縮法n工作原理：加熱把廢液中大量水份汽化，將放射性物質(zhì)濃縮、減少廢液的體積。除少量易揮發(fā)性核素一起進入蒸汽和少量放射性核素被霧沫夾帶出去外，絕大部分放射性核素被保留在蒸發(fā)濃縮物中，貯存等待進一步固化處理 。n離子交換法n工作原理：借助離子交換劑上的可交換離子（活

19、性基因）和溶液中的離子進行交換，選擇性地去除溶液中以離子態(tài)存在的放射性核素，使廢液得到凈化。離子交換實驗裝置離子交換實驗裝置超濾、納濾、反超濾、納濾、反滲透組合膜分離滲透組合膜分離中空纖維超濾膜實驗設(shè)備中空纖維超濾膜實驗設(shè)備放射性廢液的固化放射性廢液的固化n一切廢物在處置前必須轉(zhuǎn)化為某種穩(wěn)定、牢固、惰性的固體形態(tài)，以避免由于自然過程而可能造成的放射性核素的遷移和彌散，從而實現(xiàn)與生物圈隔離的最終處置。n將廢液轉(zhuǎn)化為固體的工藝稱為固化。n見書409表16-7.6 放射性固體廢物的處理n1、低、中放射性固體廢物的壓縮、焚燒和去污處理；n2、放射性固體廢物的包裝；n3、放射性固體廢物的貯存。7 7 放

20、射性固體廢物的處置放射性固體廢物的處置 n處置(disposal)n把廢物安放進經(jīng)過批準的設(shè)施中，采用工程屏蔽和天然屏蔽相結(jié)合的多重屏蔽體系為被處置的廢物提供安全隔離，確保：（1）包容的短壽命核素衰減到無害水平；（2）包容的長壽命核素和其他有毒物質(zhì)的釋放量極低，進入環(huán)境的濃度處于可接受水平。n低、中放固體廢物的處置方案 （1）陸地淺埋（土壤等松散沉積物） 廣泛應(yīng)用（2）廢礦井處置（鹽、鐵、鈾礦等） 廣泛應(yīng)用（3）深巖洞處置（巖鹽、巖石等） 較少用（4）海島處置（土壤、巖石） 國際上禁止（5）濱海底處置（處置介質(zhì)為巖石） 瑞典 （6）水力壓裂處置（頁巖等） 美國曾用，現(xiàn)停止 （7）海洋投棄（海水

21、） 沿海國家采用，現(xiàn)禁止n高放廢物固化體處置方案（1）深巖洞處置（巖鹽、花崗巖） 各國擬采用（2）廢礦井處置（鹽礦等） 德國采用（3）深鉆孔處置（巖鹽、花崗巖等） 實驗開發(fā)（4）深海床置（粘土） 實驗開發(fā)（5）核嬗變處理 實驗開發(fā)（6）冰層處置 設(shè)想（7）太空處置 設(shè)想n高放廢物的深地層處置n高放廢物的最終處置備受世人關(guān)注，是世界上最復(fù)雜的技術(shù)難題之一。n高放廢物深地層處置的基礎(chǔ)：地球表面許多地區(qū)的地層長期以來（長達幾億年）極為穩(wěn)定，故可以放心地貯存廢物，實現(xiàn)與生物圈的長期隔離。n適宜的地層主要有巖鹽、花崗巖、凝灰?guī)r、粘土巖等。n高放廢物處置：將高放廢物同人類生活圈隔離起來。1957年美國國家

22、科學(xué)院提出地質(zhì)處置方案。n把高放廢物處置在5001000m深的地質(zhì)體中，通過建造一個天然屏障和工程屏障相互補充的多重屏障體系，使高放廢物對人類和環(huán)境的有害影響低于審管機構(gòu)規(guī)定的限值，并且可合理達到盡可能低。廣東北龍中低放處置場建設(shè)廣東北龍中低放處置場建設(shè)低放固化物處置場低放固化物處置場反應(yīng)堆頂蓋廢物包裝反應(yīng)堆頂蓋廢物包裝廢物貨包的運輸廢物貨包的運輸廢物貨包的檢測接收廢物貨包的檢測接收處置單元處置單元大亞灣核電站低放廢物貨包大亞灣核電站低放廢物貨包臺臺電電核核廢廢料料處處置置廣東廣東北龍北龍低中放廢物低中放廢物處置場處置場n我國對安全評價的規(guī)定n評價區(qū)域：以處置場為中心半徑10km范圍；n評價標準n環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀評價：公眾個人0.25mSv/a；n環(huán)境影響評價：公眾個人0.01mSv/a，事故短期闖入者5mSv/a，事故長期居住者1mSv/a；n職業(yè)輻照：5年平均不超過20mSv/a，任何一年不超過50mSv。n低中放廢物低中放廢物處置國內(nèi)外狀況處置國內(nèi)外狀況n全世界136個低中放廢物處置設(shè)施，工程式占67%，簡易式22%，礦穴式7%，地質(zhì)處置庫占4%