Радиохимические лаборатории, или, как их раньше называли, «горячие» лаборатории, получили широкое распространение в различных областях науки и техники ряда стран. Задачи, для решения которых предназначаются эти лаборатории, весьма разнообразны, но главная из них — работа с радиоактивными веществами. Как указывает академик В. И. Спицын [2], в настоящее время уже получено более 1500 радиоактивных изотопов, поэтому очевидно, насколько широко поле деятельности исследователей-радиохимиков.
Ионизирующее излучение в больших дозах вредно действует на живой организм, поэтому при работе с радиоактивными изотопами следует тщательно соблюдать все необходимые меры предосторожности, которые строго регламентированы действующими санитарными нормами [5—7].
В «Санитарных правилах работы с радиоактивными веществами и источниками ионизирующих излучений» [5] жидкие радиоактивные отходы были разделены на две группы: высокоактивные с а>1-10-4 кюри/л и слабоактивные с а С1 -10 4 кюри/л. Однако в целях большей унификации определения уровня активности советские специалисты предложили МАГАТЭ (Международному агентству атомной энергии) следующую классификацию радиоактивных отходов [21]: отходы низкого уровня активности с а<Ь1(Н кюри/л; отходы среднего уровня активности с а от Ы О-5 до 1 кюри/л отходы высокого уровня активности с а> 1 кюри/л. Эта классификация более удобная и четкая, а поэтому она уже нашла широкое применение1 [22].
Радиоактивные изотопы, вступая в химические реакции с другими веществами, всегда остаются радиоактивными. Поэтому очевидно, что дезактивация поверхности может осуществляться путем удаления радиоактивных загрязнений или за счет их естественного распада.
Работы, относящиеся к III классу, производятся в обычных химических лабораториях в отдельных помещениях (комнатах). Рекомендуется устройство душевой и выделение помещения для хранения и фасовки растворов веществ [5]. Если эти работы связаны с возможностью радиоактивного загрязнения воздуха, то они должны выполняться в вытяжных шкафах, покрытых внутри малосорбирующими материалами. Помещения для работ II класса должны размещаться в отдельной части здания, изолированно от других помещений. Они должны иметь специальное оборудование, душевую, пункт дозиметрического контроля и другие устройства, гарантирующие безопасность персонала.
Успешному решению вопросов, связанных с развитием ядерной энергетики, получением новых радиоактивных изотопов, изучением воздействия мощных нейтронных потоков на материалы, способствует сооружение исследовательских ядерных реакторов. В настоящее время в различных странах эксплуатируется несколько сот ядерных реакторов, а общее число установок, дающих радиоактивные отходы, только в США превысило 4000 [34].
Главным оборудованием любой ядерной реакторной установки безусловно является сам реактор.
Аналогично отходам радиохимических лабораторий радиоактивные отходы реакторных установок делятся на жидкие, твердые и газообразные.
Отходы высокого уровня активности (а>1 кюри/л) теоретически могут получаться на экспериментальных реакторных установках только в исключительных случаях — при сложных аварийных ситуациях. Единственный способ обезвреживания таких отходов — это сбор и удаление их на централизованную станцию захоронения.
Если часть оборудования, трубопроводов или арматуры I контура изготовлена из углеродистой стали, то при разрушении твэлов дезактивацию необходимо проводить последовательной циркуляцией другими растворами, также чередуя ее с промывкой водой [80]: ЫагСОз; ЫаНСОз с добавкой Н202; КМп04; ЫаН504 («место последнего может быть применена смесь фосфорных кислот).
Важным отличием действующих в СССР норм является строгое регламентирование радиоактийНых загрязнений вод открытых водоемов и источников водоснабжения. Для профессионально работающих с радиоактивными изотопами допустимые концентрации их в воде такие же жесткие, как и для населения в целом. В отечественных нормах понятия «ПДК радиоактивных изотопов в воде для профессиональных рабочих» не существует.
В начале развития атомной промышленности на отходы низкого уровня активности не обращали серьезного внимания и бесконтрольно сбрасывали их в производственную канализацию, реки, озера и моря. Однако от такого способа удаления отходов пришлось отказаться и даже категорически его запретить. Позже были сделаны попытки [63] сбрасывать жидкие радиоактивные отходы бесконтрольно в старые шахты, карстовые полости или в выработанные нефте- и газоносные купола. Однако этот метод не получил развития.
После того как установили, что некоторые микроорганизмы и водоросли обладают способностью сорбировать и концентрировать радиоактивные изотопы, был предложен способ очистки сбросных вод низкого уровня активности в так называемых биологических прудах.
Следующее направление, в котором велись работы по очистке сбросных вод, загрязненных радиоактивными изотопами, — это применение осадительных процессов, главным образом соосаждения радиоактивных элементов при коагуляции стабильных соединений различных веществ.
Поэтому одновременно с рассмотренными выше направлениями были проверены и другие способы очистки жидких отходов радиохимических лабораторий и других объектов, применяющих радиоактивные изотопы. В первую очередь к этим способам следует отнести концентрирование путем дистилляции (выпаривания) и метод ионной хроматографии (ионный обмен). Как и следовало ожидать, применение этих способов позволило в реальных условиях получить при обезвреживании сбросных вод более высокие коэффициенты очистки, чем при рассмотренных выше способах.
Метод ионного обмена успешно применяется энергетиками для подготовки воды, поступающей на котельные установки. Он подробно рассматривается в разделе «Водоподготовка» пособий по котельным установкам, а также в работах различных авторов [135—141].
Серре и Местер [159] в 1962 г. на симпозиуме МАГАТЭ в Вене доложили о поисковых работах по очистке радиоактивных жидких отходов методом вымораживания (процесс лиофилизации). Схема лабораторного аппарата для вымораживания приведена на рис. 21.
В очищаемой воде осаждали гидроокись железа (или алюминия), добавляли флотореагент — раствор сульфатного мыла (0,002—0,004 мл/мг гидроокиси, концентрация мыла 800 г/л в 4%-ном растворе N82804) и перемешивали импеллерной мешалкой со скоростью 3000 об/мин. После перемешивания (в течение 1 мин) разделение осадка и раствора происходило за 40 мин. Исходное количество Ре(ОН)3 составляло 500 мг/л. При флотации удалялись макро- и микроколичества сорбирующихся осадком веществ. Результаты опытов приведены в табл. 23 и 24.
Включать жидкие радиоактивные отходы низкого уровня активности в состав цементных блоков — задача сравнительно простая, хотя очевидно, что вводить следует концентрированные отходы, так как в противном случае объем этих блоков окажется большим, а сам метод будет малоэффективным.
Для надежного хранения жидких отходов среднего уровня активности (в разбираемых случаях к ним могут быть отнесены регенераты ионообменных фильтров, кубовые остатки и пр.) предложен способ диспергирования их в асфальте, битуме или пластиках.
Советские ученые всегда стояли на позиции запрещения сброса радиоактивных отходов в грунт и поверхностные слои земной коры. Сорбирующая способность грунта в большинстве случаев недостаточна, и радиоактивные изотопы могут проникать в гидросеть данного района. За рубежом такая точка зрения поддерживается не во всех странах.
В ЧССР жидкие радиоактивные отходы в контейнерах хранятся в заброшенном известняковом руднике близ Литомержице Северо-Чешской области [182]. По мере заполнения отходами подземные ходовые выработки заделываются камнем.
Возможность захоронения жидких радиоактивных отходов в глубинные геологические формации обоснована теоретическими и исследовательскими работами советских ученых: В. И. Спицына, В. Д. Балуковой, В.Ф. Ба-грецова, Ф. П. Юдина, М. К. Пименова, П. Ф. Долгих и др. [185—190].
Как указано в гл. III, для очистки радиоактивно-за-грязненных вод применяются осадительные процессы, связанные большей частью с образованием коллоидных осадков и их последующей коагуляцией (размеры частиц в коллоидных растворах 0,001—0,1 мкм, размеры частиц коллоидных осадков значительно больше). Осадительные процессы широко применяются в водоочистительной технике для коагулирования содержащихся в воде коллоидных частиц в целях их укрупнения до таких размеров, при которых они задерживаются отстойниками и фильтрами.
Через фильтры пропускают подвергаемую очистке воду после отстойников или осветлителей для удаления тонких взвесей. При этой операции на фильтрующем материале частично сорбируются радиоактивные изотопы.
В дополнение к кратким теоретическим сведениям по ионному обмену, приведенным в гл. III, рассмотрим некоторые положения, объясняющие особенности катионитов [142 ,143, 214, 215].Катиониты (как и иониты вообще) — нерастворимые в воде полиэлектролиты, содержащие ионогенные группы, способные к реакции ионного обмена. Это особый класс кислот и солей, объединяемых общими свойствами их анионов, которые характеризуются многовалентностью и обладают настолько громоздкой структурой, что практически лишены подвижности.
Все основные теоретические положения, разобранные применительно к катионитам, относятся и к анионитовым материалам, с той лишь разницей, что у последних неподвижными ионами являются катионы.В связи с этим ниже кратко рассмотрены свойства и характеристики анионитов, которые применяются для очистки вод. Аниониты представляют собой искусственные смолы, которые получаются методами поликонденсации или полимеризации различных органических соединений: фенилендиамина, мочевины, меланина, гуанидина, полиэтиленполиамина и др.
При прохождении обрабатываемой воды последовательно через катионитовый и анионитовый фильтры трудно получить глубокую очистку (деонизацию) воды вследствие противоионного эффекта. Этот эффект связан с обратимостью реакций, протекающих в фильтрующем слое, так как в воде еще остается некоторое количество ионов. Чтобы достигнуть высокой степени очистки, следует пропускать воду через несколько ступеней-блоков (состоящих из катионитового и анионитового фильтров) или применять фильтры со смешанным слоем, включающим и катионит и анионит. В таком смешанном слое число элементарных актов бесконечно велико, что приводит практически к полному обессоливанию воды даже при прохождении ее через один фильтр с высоким слоем смеси [232, 233].
Методика расчета и конструкции выпарных аппаратов, теория и метод расчета выпарных установок в целом, процессы кипения, теплопередачи и другие проблемы подробно описаны в специальной литературе [239— 243]. В данном разделе кратко рассмотрены конструкции тех выпарных аппаратов, которые могут применяться на установках для очистки сбросных вод.
Разрез бессальникового насоса типа ЦНГ-70-3 приведен на рис. 56.Бессальниковые насосы типа ЦНГ имеют болтовые соединения и присоединяются к трубам на фланцах.
В гл. II были рассмотрены основные требования, предъявляемые к качеству воды I контура энергетических ядерных установок. В этой воде содержание ионов растворенных солей, продуктов коррозии, находящихся во взвешенном состоянии, кислорода и других примесей не должно превышать десятых, а по некоторым компонентам и сотых долей миллиграмма на литр (кислорода— 0,1—0,3 мг/кг). Для приготовления воды такого высокого качества необходимо сооружать специальные установки, затрачивая значительные средства. Кроме того, все коммуникации I контура ядерной установки прокладывают с учетом определенной удельной активности воды, которую и следует поддерживать на этом уровне.
Если сбросные воды не содержат веществ, способствующих интенсивному пенообразованию, а содержание растворенных в воде солей превышает 1 г/л, то для очистки используется установка с простыми выпарными аппаратами. В случае невозможности получить конденсат, отвечающий по содержанию радиоактивных веществ санитарным нормам, последний необходимо пропустить через группу ионитовых фильтров (один катионитовый и один анионитовый) или через фильтр со смешанным слоем. Технологическая схема такой установки приведена на рис. 62.
Как отмечалось в гл. III, значительный интерес для очистки сбросных вод представляет метод электродеионизации. В связи с этим опубликованы различные технологические схемы опытных и опытно-промышлен-ных установок для электродеионизации радиоактивно-загрязненных вод [36, 166, 255, 283, 284].
Цементирование. Некоторые особенности процесса цементирования жидких отходов низкого уровня активности рассмотрены в гл. III. Показано, что наиболее перспективное направление в этой области — заполнение раствором цемента,- приготовленным на жидких отходах низкого и частично среднего уровня активности, пустот хранилищ твердых отходов.
Одним из перспективных способов обезвреживания жидких радиоактивных отходов является предложенный в Советском Союзе способ закачки этих отходов в глубинные формации земной коры [108, 185—190]. В качестве примера в данном разделе рассмотрена технологическая схема и основные показатели первой опытнопромышленной установки для глубинной закачки жидких отходов. Эта установка, предназначенная для обезвреживания сбросов НИИАР, успешно эксплуатируется с марта 1966 г.
Компоновочные решения установок для очистки сбросных вод зависят от удельной активности исходной воды и характера радиохимических загрязнений (например, периода полураспада). Если удельная активность меньше МО-6 кюри/л, то такая установка может быть скомпонована как обычная химводоочистка с учетом дополнительных требований.
Персонал, обслуживающий очистные установки, разносит по помещениям радиоактивные загрязнения главным образом на обуви, поэтому работникам дозиметрического контроля необходимо тщательно следить за сменой обуви. В качестве примера можно привести оригинальное решение, осуществленное в санитарных пропускниках на заводе по обработке отработавших твэлов в Уиндскейле [102]. Помещение, в котором обслуживающий персонал снимает домашнюю одежду, отгорожено стенкой высотой около ! м от помещения, где он получает и надевает специальную одежду. Домашнюю обувь персонал снимает, сидя на этой бетонной стенке, затем переносит ноги через последнюю и только на другой стороне надевает рабочую обувь. Возвращаясь с работы, персонал проделывает операции в обратном порядке.
Удаление жидких и твердых радиоактивных отходов самих установок очистки (пульп, регенераторов, кубовых остатков, непригодного оборудования, арматуры, труб и т. д.) производится двумя путями: в централизованные хранилища (или хранилища соседнего предприятия); в хранилища, расположенные на территории самой установки очистки.
Для ученых, работающих в радиохимических лабораториях и на экспериментальных ядерных реакторах, в большинстве случаев сами жидкие радиоактивные отходы не являются объектами исследовательских работ. По этой причине, очевидно, чем меньше средств будет затрачено на гарантированное обезвреживание этих отходов, тем это выгоднее для предприятия в целом.
Месторасположение предприятия Производительность, м3 ¡год Стоимость обезвреживания 1 м3, долл.Как показано в гл. V, не все способы переработки жидких радиоактивных отходов универсальны. Так, например, применение ионного обмена экономически оправдано только при солесодержании не выше 1 г/л. Выпаривание и подземное захоронение — более универсальные способы обезвреживания, которые с технологической точки зрения целесообразно применять при высоком солесодержании сбросов и удельной активности ЫО-7—Ы0-1 кюри/л [310].
Существенное влияние на стоимость очистки радиоактивно-загрязненных вод оказывают особенности технологической схемы. Рассмотрим более подробно технико-экономические показатели работы некоторых действующих установок [310, 311].