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放射性固体废物及其安全处置技术dy2013年11月22日核武器核爆炸核电站目录1.放射性基础知识2.放射性固体废物基础知识3.放射性固体废物安全处置技术4.国内外相关法律法规及发展情况放射性基础知识1.基本概念2.衰变类型3.放射性衰变基本规律4.放射性活度（放射性强度）放射性所谓的放射性是指原子核自发地放射出射线的现象。这些原子核处于不稳定状态，在其发生核转变的过程中，自发地放出由粒子或光子组成的射线，并辐射出原子核里的过剩能量，同时本身转变成另一种核素或成为原来核素的较低能态，常见的射线有α、β、γ射线。其所放出的粒子或光子，会对周围介质或机体产生电离作用，造成放射性污染或危害。有时放射性也称为电离辐射。放射性核素放射性核素:能自发地放射出射线的核素，称为放射性核素（以前常称为放射性同位素），也叫不稳定核素。目前已发现的放射性核素近2500种。Z83分类：分为天然的和人工的2种，其中天然的有60多种，绝大多数为人工放射性核素。原子结构原子核中子质子电子(电子云)++++++++++++从母核中射出的4He原子核粒子得到大部分衰变能238U4He+234Th放射性母核!!放射性核素的原子核放射出α粒子而变为另一种核素的原子核的过程称为α衰变。α射线：是由α粒子（即氦原子核）组成的粒子流衰变+++++++++发生原因——母核中子或质子过多质子转变成中子，并且带走一个单位的正电荷中子转变成质子，并且带走一个单位的负电荷+中微子-反中微子衰变-中微子原子轨道电子被俘获β射线：是高速运动的电子流放射性核素的原子核放射出β粒子而变为另一种核素的原子核的过程称为β衰变。β衰变可以看成是母核中有一个中子转变为质子的结果。γ衰变+++++++++－中微子光子处于激发态的原子核（高能态）向基态（低能态）跃迁时，其能量以光子的方式释放出来，发射出射线，它是一种高能量的电磁波，波长较短。核素的γ衰变往往是与α衰变、β衰变一起发生的。γ射线：是波长很短的电磁波（光子），速度与光速相同，不带电放射性衰变基本规律指数衰减规律N=N0e-tN0:（t=0）时放射性原子核的数目N:经过t时间后未发生衰变的放射性原子核数目:放射性原子核衰变常数大小只与原子核本身性质有关，与外界条件无关;数值越大衰变越快N=N0e-t放射性活度（放射性强度）定义：在给定时刻，处于特定能态的一定量放射性核素在dt时间内发生自发跃迁数的期望值dN除以dt。即：一定量的放射性核素，在单位时间内发生衰变的次数。表达式：A=dN/dt物理意义：表示放射性物质的放射性的强弱单位：国际单位：贝克Bq非法定计量单位：居里Ci1Ci=3.7×1010Bq放射性固体废物基础知识1.放射性固体废物基本概念2.放射性固体废物的分类3.放射性固体废物的主要特性4.国内外放射性废物产生现状放射性固体废物放射性固体废物，又称核固体废物，是指任何含有放射性核素或被其污染的固体物质，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）。放射性固体废物的分类（IAEA分类）废物级别典型特性处置方案选择免管废物对公众成员年剂量低于0.01mSv无需放射学限制低中放废物短寿命低中放废物限制长寿命核素的比活度（长寿命放射性核素的单个货包中不超过4000Bq/g,平均每个货包不超过400Bq/g）近地表处理或地质处理长寿命低中放废物长寿命放射性核素比活度高于短寿命低中放废物的限值地质处理高放废物（HLW）释热率高于2KW/m3,且长寿命放射性核素比活度高于短寿命低中放废物的限值地质处理国际原子能机构固体废物分类标准短寿命低中放废物：半衰期小于30a长寿命低中放废物：半衰期大于30amSv：毫西弗，是辐射剂量的基本单位之一放射性固体废物的分类（我国）''α''废物：被钚或其他超铀元素所沾污的各种不同的材料；非''α''废物，其中按其所含寿命最长的放射性核素的半衰期长短分为四种：含有半衰期小于或等于60d的放射性核素的废物；含有半衰期大于60d、小于或等于5a的放射性核素的废物；含有半衰期大于5a、小于或等于30a的放射性核素的废物；含有半衰期大于30a的放射性核素的废物；建立在IAEA基础上GB9133-1995放射性固体废物的主要特性易燃性发热性放射性放射毒性化学毒性放出有害气体易爆性主要特性部分特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。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。放射性废物的来源前端核燃料循环后端核固体废物来源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原子武器制造燃料元件制造乏燃料后处理金属钚生产反应堆材料制造原子核反应堆同位素应用核电厂核动力船核工业主要工艺体系方框示意图前端后端国内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。•2011年，全球核电行业最大的事件，毫无疑问便是日本戏剧性的离开核国家阵容。2011年3月的地震和海啸摧毁了福岛第一核电站，造成日本北部大面积放射性污染，其后果之一即是日本的全球排名急剧下跌。作为曾经发电总量居前列的国家，日本在2012年5月关闭了最后一座运行中的核反应堆。尽管7月初有一座反应堆重新启动，但日本是否重新恢复灾难之前的核发电容量，仍将是一个疑问。•美国在反应堆数量、装机容量和发电量方面处于遥遥领先的地位，法国同样也在很大程度上依赖核电，其核电的燃料份额为77.7%，居世界之一。其依次为比利时（54.0%）、乌克兰（47.2%）、匈牙利（43.3%）、斯洛文尼亚（41.7%）、瑞士（40.9%）等。中国拥有核电厂16座，核电装机容量11816MW（居第8位），但其燃料份额仅为1.9%。•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19.4×104m3(不包括铀尾矿、燃料元件加工废物等)。我国预计到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“任重而道远”。放射性固体废物安全处置技术预处理处理整备低、中放和极低放废物的处置废物处理高放废物处置处理方法处置方法其他安全运输暂时贮存预处理目的：1.减小有待进一步加工处理和处置的放射性废物的量。2.调整需要处理、整理和处置的放射性废物的性质，使其更易加工处理和处置。收集分拣去污回取预处理收集所有的放射性废物必须分类收集。如果可能，应根据本底辐射水平，在废物产生时检测其放射性含量。否则，应将废物放入合适的容器中送到中心检测站进行监测。分拣1、把非放射性物质或成分从放射性废物中分拣出来2、根据要求把放射性废物按标准进行恰当分类。预处理去污定义：把放射性核素从不希望其存在的部位全部或部分除去。目的：1、降低放射性水平；2、方便事故处理；3、便于退役工作；4、使再利用；5、降低贮存、运输、处置的费用和负担。方法：一般为机械-物理法、化学法、电化学法、熔炼法。利用擦、刷、磨、刮、削、刨、共振等机械作用除去表面的锈斑、污垢或表面涂层、氧化膜层。用浓的或稀的化学溶剂与污染的部件相接处，以溶解带有放射性核素的污染物、油漆涂层或氧化涂层达到去污的目的。在含有电解液的槽中，污染物做阳极，电解液做阴极，通过高密度电流100-2000A/m2，不断更新电解液，可除去金属表面污染物，使其表面变得光滑清洁。冶金法，依靠熔融金属物进行去污。通过加入适当的助溶剂，使放射性核素重新分配。预处理回取由于历史原因，、初期入库的废物体都没有进行规范的分类包装，入库方式也都是采用向地坑内自由投放的方式，经过多年的贮存包装容器大部分已经腐蚀，老化腐烂，致使放射性废物散落在坑内，这些废物如不进行处理，将对环境带来多方面的污染。回取能力建设主要目的是对贮存于废物库地坑内的各种放射性固体废物进行回取、分拣和包装处理。美国德国处理技术焚烧：焚烧是对可燃性废物减容的常用处理技术，将可燃性(固体、液体）废物置于高温焚烧炉内焚烧，产生的惰性熔渣或灰烬(具有比原来高得多的比活度)供进一步固定等。焚烧工艺：分拣、破碎、进料、焚烧、排灰、烟气冷却、烟气净化等过程。焚烧炉的炉型繁多，其中最重要的是过量空气焚烧炉和热解焚烧炉。焚烧炉一般具有以下结构系统：焚烧系统、净化系统、控制系统、通风系统。桶装灰漏斗过滤器处理废气冷却器后燃室焚烧炉易然废物典型的焚烧炉及其废气净化系统焚烧炉：燃烧室——钢体外壳，内衬绝热和耐火陶瓷材料。空气加热器——助燃气体：空气和氧气助燃器——助燃燃料：丙烷、天然气、柴油焚烧炉需要保持一定负压焚烧炉设计的基本要求：完全燃烧处理技术焚烧：对于低比活度的可燃废物来说，焚烧是最有效的减容方式，并且生成的灰烬易于加工成适于处置的稳定形式。焚烧废物的放射性比活度必须控制在不会引起操作人员和公众的受照水平超过国家规定的允许水平。如果焚烧含有大量放射性同位素的可燃废物，要求完善的废气处理系统，投资和运行的成本都比较高。焚烧：焚烧使废物的有机成分转化成无机产物。焚烧过程中，焚烧系统必须提供放射性核素的密封，避免气体和蒸汽逸出。处理能力为40kg/h的焚烧炉，按每天运行8小时计算，处理50～100放射性废物用时不到30天。据估计，一个能力为40kg/h的焚烧炉需要的总成本可能超过1000万美元。处理技术压实•依靠机械力作用使废物密实化，提高废物整体密度，减少废物体积。•主要优点：•费用低•设备简单•二次废物极少压缩效果用减容比表征。减容比＝压缩前废物体积/压缩后废物体积•放射性废物压缩处理的减容比一般为2～6，若采用高压压缩机，则减容比可达100，甚至将金属压缩至其近似理论密度。圆筒式压缩机工作示意图处理技术•一般采用固化技术•固化的定义：在危险废物中添加固化剂，使其转变为不可流动固体或形成紧密固体的过程。放射性蒸发残渣、泥浆和废树脂等湿固体和焚烧炉灰等干固体，都是弥散性物质，需要固化处理。•通常，固化的途径是将放射性核素通过化学转变，引入到某种稳定固体物质的晶格中去，或者通过物理过程把放射性核素直接掺入到惰性基材中。•固化的目标是使废物转变成适宜于最终处置的稳定的废物体。•理想的废物固化体要具有阻止所含放射性核素释放的特性，其一般要求如下：低浸出率，高导热率，高的耐辐射性，高化学稳定性和耐腐蚀性，高的机械强度•中、低放废物常采用水泥固化、沥青固化及塑料固化工艺进行固化，高放废物常采用玻璃或陶瓷固化工艺进行固化。整备技术整备技术项目水泥固化沥青固化塑料固化玻璃固化陶瓷固化干废物包容量(质量百分数)5～4030～6030～6010～3015～30浸出率(g／cm2·d)10-1～10-410-3～10-610-3～10-610-4～10-710-5～10-8抗压强(MPa)10～30塑性20～100(或塑性)脆性高耐辐照(Gy)～10-8～10-7～10-7～10-9～10-9操作和维修简单中等中等复杂复杂投资低中中高高适用性低、中放废物低、中放废物低、中放废物高放、α废物高放、α废物应用状况工业规模工业规模工业应用工业应用研究开发几种主要固化方法的比较水泥固化：•水泥固化原理：指将放射性废物与水泥均匀搅拌成糊状，凝结后失去流动性，逐渐硬化成固体，进行贮存或处置。水泥是一种无机胶结剂•不适合水泥固化的废物：放射性水平高，含易挥发核素，金属腐蚀或辐射分解产生气体等•优缺点：抗压强度高，自屏蔽能力强，耐辐射和耐热性能好，工