1、放射性废物处理与处置,李全伟西南科技大学国防科技学院 核废物与环境安全国防重点学科实验室,放射性废物处理与处置 第三章 放射性废物的产生和废物最小化,内容提要 3、放射性废物的产生和废物最小化（p2450） 3.1核燃料循环前段废物 3.2反应堆运行废物 3.3核燃料循环后段废物 3.4核设施退役废物 3.5放射性同位素和核技术利用废物与伴生放射性矿废物 3.6废物最小化,放射性废物处理与处置 第三章 放射性废物的产生和废物最小化,放射性物质在国民经济中的应用而产生的放射性废物： 核燃料循环前段废物 反应堆运行废物 核燃料循环后段废物 核设施退役废物 放射性同位素和核技术利用废物 伴生放射性矿
2、废物,放射性废物处理与处置 第三章 放射性废物的产生和废物最小化,3.1核燃料循环前段废物 “前处理”：铀矿开采、铀水冶、铀精制、铀转换、铀富集和燃料元件制造。 铀矿开采 废石 废气 废水,蕴藏巨大能量的铀矿石,核燃料循环前段流程图,放射性废物处理与处置 第三章 放射性废物的产生和废物最小化,废石 采矿产生的废石：露天开采1t铀矿石产生46t，地下采掘产生0.51.2t； 选矿产生的废石：放选法废石率为15%30% 废石中含铀量为（13）10-4g/g，比正常土壤天然本底高410倍；表面辐照剂量率为（77200）10-8Gy/h，高315倍；废石表面氡析出率为（7200）10-2Bq/（m2s
3、），高570倍。,放射性废物处理与处置 第三章 放射性废物的产生和废物最小化,废气 氡及氡子体、放射性气溶胶、铀尘 措施：除尘降氡，建立良好通风系统，采取湿式作业 氡的照射是人受天然辐射照射最重要的来源。氡及其短寿命子体对人体产生内照剂量的主要途径是吸入并沉积在呼吸道内，由它发射的粒子对气管支气管上皮基底细胞产生很大的照射剂量。,放射性废物处理与处置 第三章 放射性废物的产生和废物最小化,废水 露天开采废水、地下采矿废水、铀矿石堆废水及冲洗车辆水、废石场废水 开采1t铀矿石产生0.55t废水，铀浓度0.25mg/L，比正常本底高4100倍。 处理方法：石灰石中和沉淀法除铀；离子交换法除铀；软锰
4、矿吸附法除镭；重晶石吸附法除镭等。,铀矿开采,露天铀矿场,放射性废物处理与处置 第三章 放射性废物的产生和废物最小化,地浸、堆浸和原地爆破浸出法 地浸向地下注入大量化学试剂，可能会污染地下水和周围环境。 严格设计，及时封闭和地下环境恢复。,堆浸提铀现场,放射性废物处理与处置 第三章 放射性废物的产生和废物最小化,铀水冶 尾矿砂：铀浸出率约为95%，5%的铀残留在尾砂中，处理1t铀矿石产生1.11.2t尾砂，不属于放射性废物，但释放氡气，作为一类特殊废物应建坝存放。 水冶废水：处理1t铀矿石产生58t废水，石灰乳中和法外，离子交换树脂除铀，吸附剂除镭。 水冶废气：铀尘、氡、气溶胶,放射性废物处理
5、与处置 第三章 放射性废物的产生和废物最小化,铀精制 工艺方法：将铀化学浓缩物提纯和铀氧化物制备的工艺阶段称为铀的精制。纯化的方法有溶剂萃取法、离子交换法和分步结晶法等。磷酸三丁酯（TBP）萃取法是典型的精制工艺。 精制产品：硝酸铀酰UO2（NO3）2、重铀酸铵（NH4）2U2O7、三碳酸铀酰铵（NH4）4UO2（CO3）3、八氧化三铀U3O8等。 铀精制产生少量含天然铀低放废物。,放射性废物处理与处置 第三章 放射性废物的产生和废物最小化,铀转化：六氟化铀的生产和转化 从铀水冶厂来的U3O8原料，从后处理厂来的硝酸铀酰溶液或三碳酸铀酰铵原料。 第一步：用氢气还原六价铀 U3O8 2H23UO
6、2 2H2O 第二步：把UO2氢氟化为四氟化铀UF4,注：U3O8是由UO2和UO3复合而成的同素异价氧化物。,放射性废物处理与处置 第三章 放射性废物的产生和废物最小化,第三步：用氟气把UF4氟化为六氟化铀UF6六氟化铀氢气还原为四氟化铀：四氟化铀水解为二氧化铀：,伊朗纳坦兹 铀浓缩工厂,伊朗伊斯法罕 的铀转化工厂,放射性废物处理与处置 第三章 放射性废物的产生和废物最小化,铀转化的废物 主要是固体CaF2，此外还有含CaF2、Ca（OH）2和少量铀的泥浆废物，CaF2含铀量很低，但体积较大，经审管部门批准可作一般工业废物处理。,武器级铀-235制造的原子弹,放射性废物处理与处置 第三章 放
7、射性废物的产生和废物最小化,铀的富集 铀-235和铀-238，化学性质相同，仅在质量上有微小的差别，只能利用因质量不同而引起的效应，如速度效应、离心力效应和电磁效应来使同位素分离。 （1）气体扩散法 （2）离心机法 （3）激光分离法 早期用过电磁分离法。,美国早期电磁分离装置,Y12 电 磁 分 离 设 施 的 女 操 作 人 员,换班的女操作员，谁会把她们与核武器联系起来呢？,气体扩散分离法原理图,中国60年代建成的气体扩散厂,离心机原理示意图,美国俄亥俄州波特茅斯地下基地,正在生产的离心分离厂,放射性废物处理与处置 第三章 放射性废物的产生和废物最小化,激光分离法 利用235U与238U质
8、量差所引起的激发能差别。 原子激光法是将金属铀蒸发，然后用一定波长的激光束将铀-235原子激发到一个特定的激发态或电离态，但不能激发或电离铀-238原子。再施加电场收集通向收集板的铀-235原子。,放射性废物处理与处置 第三章 放射性废物的产生和废物最小化,分子激光法首先用红外线激光照射六氟化铀气体分子。铀-235原子吸收这种光谱，从而导致原子能态的提高。再利用紫外线激光器分解这些分子，分离出铀-235。 铀浓缩生产的废物 产生少量废物：废排风过滤器和清洗检修过程产生的废物。,放射性废物处理与处置 第三章 放射性废物的产生和废物最小化,燃料元件制造 包含核燃料的最小独立结构单元称作燃料元件。
9、研究设计：涉及核物理、裂变物理、固体物理、传热学和质量转移理论、材料科学、化学、固体和流体力学等综合知识。 制造检测：一般由芯体和包壳组成。长期在强辐射、高温、高压、高流速的环境下工作，对芯体和包壳材料、结构和使用寿命有很高的要求。,二氧化铀陶瓷芯块,钚-239,轻水堆的燃料组件,乏燃料元件的运输,放射性废物处理与处置 第三章 放射性废物的产生和废物最小化,元件制造产生的废物 含铀固渣 制造混合氧化物燃料元件（MOX）所产生的钚污染废物，要作长寿命放射性废物处置。,放射性废物处理与处置 第三章 放射性废物的产生和废物最小化,“前处理”小结 联合国环境规划署估计：铀矿山对环境的剂量贡献是水冶厂的
10、3倍，是元件制造厂的30倍。 中国核工业30年辐射环境质量评价：我国铀矿冶职业照射集体剂量占核燃料循环系统的63.3%，环境公众受照集体剂量占核燃料循环系统的83.4%，我国铀矿山尾矿等排出氡产生的年集体剂量达2.5人Sv。 “前处理”过程的废物管理是应该加强的。,放射性废物处理与处置 第三章 放射性废物的产生和废物最小化,3.2反应堆运行废物 反应堆运行功能：动力堆、生产堆、研究堆 废物的核素来源：裂变过程、活化过程 活化核素绝大多数为短寿命核素，而裂变核素以长半衰期为特征。 途径：元件泄漏和冷却剂净化，换料大修和设备检修产生气、液、固体废物。 实施废物最小化，废物量正在不断减少。,大亚湾核
11、电站,研究实验反应堆,中国核动力研究院高通量工程试验堆,清华大学低温供热实验堆,清华大学高温气冷实验堆,中国原子能院钠冷实验快堆,放射性废物处理与处置 第三章 放射性废物的产生和废物最小化,3.3核燃料循环后段废物 一次通过：乏燃料不作后处理，永久性的最终处置。 “后处理”：回收乏燃料中的铀和钚并加以复用，只将裂变产物作最终处置。 高放废物和长寿命低中放废物 主要核素：239Pu、237Np、241Am、99Tc、129I、90Sr和137Cs 废物和超铀废物,放射性废物处理与处置 第三章 放射性废物的产生和废物最小化,乏燃料贮存 据IAEA统计，到200年底，全世界积存的乏燃料约13万t，已
12、进行后处理的乏燃料约7万t，现在，全世界卸出的乏燃料量约10500t/a。 贮存废物 废树脂和废树脂再生废液 废空气过滤器和液体过滤器,放射性废物处理与处置 第三章 放射性废物的产生和废物最小化,乏燃料后处理 （1）回收铀和钚。相当于22000t石油/1t乏燃料。 （2）转变成公众可接受的易于安全处置的形式。 （3）可提取137Cs、90Sr、99Tc、147Pm等有用元素 。 对后处理的要求：能接受不同的核燃料；适合连续作业；最少量的直接维修。 分离净化方法：湿法和干法 后处理工艺流程：冷却、首端处理、化学分离（ Purex流程）。,普雷克斯（Purex）流程简图,美国早期钚元素分离车间内景
13、,美国洛斯阿拉莫斯实验室 已经初步加工的铀金属块,酒泉原子能联合企业（404厂） 动力堆乏燃料元件中间试验工厂,放射性废物处理与处置 第三章 放射性废物的产生和废物最小化,废物产生量（处理1t动力堆乏燃料）： 0.1m3高放废物（含95%放射性） 1m3中放废物（含3%放射性） 4m3低放废物（含1%放射性） 废有机溶剂：0.010.10m3/t燃料 重要核素 气载流出物：3H、14C、85Kr和129I。 液态流出物：3H、137Cs、90Sr和钚。,放射性废物处理与处置 第三章 放射性废物的产生和废物最小化,3.4核设施退役废物 退役：使一核设施从服役进入计划的永久退出服役所需做的工作。
14、源项调查 放射性去污 拆除解体 环境恢复,放射性废物处理与处置 第三章 放射性废物的产生和废物最小化,IAEA规定的退役“三步曲”： （1）一级退役：监护封存期。设备倒空、清洗、去污、管线封堵，适当进排风；对厂房内外监测并定期检查。 （2）二级退役：局部拆除期。设备部分拆除，人员进出不需监测，不需进排风；对防污染屏障抽样监测，定期环境检查，厂址有限制开放。 （3）三级退役：最终处置期。设施全部拆除，设备全部运走，不需监测检查，厂址无限制使用。,放射性废物处理与处置 第三章 放射性废物的产生和废物最小化,退役废物的特点： （1）绝大部分的是低放固体废物； （2）数量和体积庞大，组分复杂； （3）
15、污染较牢固，不易去除，活化产物不可能分离与去除。 一座电功率1300MW压水堆退役产生废物1500018000m3，含放射性约为21017Bq，99%集中在反应堆堆芯中。,放射性废物处理与处置 第三章 放射性废物的产生和废物最小化,3.5放射性同位素和核技术利用废物与伴生放射性矿废物 同位素废物：来源分散，分类差，夹带生物废物。 废放射源：226Ra源、60Co源和137Cs源。 伴生矿废物：含有较高水平天然放射性核素浓度的非铀矿，按建筑材料放射性核素限量（GB65662001）管理。,放射性废物处理与处置 第三章 放射性废物的产生和废物最小化,3.6废物最小化 指废物量（体积和重量）和活度，
16、合理可达到的最小。是放射性废物管理基本原则之一。 从源头抓起 全过程管理 共同负责任 实现废物最小化方法：优化管理、减少源项、循环利用、减容处理。,放射性废物处理与处置 第三章 放射性废物的产生和废物最小化,最重要的措施：优化管理 执行标准 严格分类 质量保证 周密计划 应急准备 培训人员 建数据库 专家把关 集中处理 流动处理,放射性废物处理与处置 第三章 放射性废物的产生和废物最小化,最有效的方法：减少源项 先进工艺 优化设计 降低泄漏 减少维修 避免事故 减少污染 分类处理 二次废物,放射性废物处理与处置 第三章 放射性废物的产生和废物最小化,最倡导的方向：循环利用 水的循环使用 酸碱回
17、收 含硼废液循环使用 贫化铀再利用 MOX燃料使用 废金属再利用 容器、工具、防护用品多次使用,放射性废物处理与处置 第三章 放射性废物的产生和废物最小化,最先进的手段：减容处理 焚烧：减容20100倍，减重1080倍 压实：减容210倍 熔炼 去污 分拣 破碎 先进固化技术,放射性废物处理与处置 第三章 放射性废物的产生和废物最小化,废物最小化：重大经济和环境效益。 废物最小化的国际趋势 法国：高放废物玻璃固化体从3m3/t重金属燃料降到0.5m3/t，处理1t乏燃料元件现在只产生2罐高放废物（1罐玻璃固化体，1罐压实的包壳和端头部件）。 法国核电站低放固体废物减容的成绩也很显著：1985年为375m3/（堆年），2001年降到99.8 m3/（堆年）。,第三章完,
