Переработка и захоронение радиоактивных отходов: выбор технических решений

Предложена методика выбора оптимальных технологий переработки и захоронения радиоактивных отходов. Выбор оптимального технического решения специфичен и соответствует потребностям в каждом конкретном случае обращения с отходами. Предложенный подход может быть распространен на обращение с радиоактивными отходами (РАО) от использования ядерных материалов, научных исследований, энергетики, ядерного топливного цикла и вывода из эксплуатации ядерных объектов, а также с отходами, содержащими естественные радионуклиды. 

Технические решения и технологии имеют решающее значение для безопасного обращения с радиоактивными отходами. В настоящее время доступен большой объем информации о множестве технологий по обращению с отходами, в том числе о технических новшествах и альтернативных вариантах, а также о новых технологиях, которые требуют дальнейшего развития и/или проверки. Выбор нужного решения или технологии может быть сделан на национальном уровне, либо производителями отходов или организациями, отвечающими за обращение с РАО. Принципы выбора могут варьироваться в зависимости от приоритетов, накопленного или общеизвестного опыта, результатов проведения оптимизации. В любом случае, из-за сопутствующих расходов, потенциальных сложностей технического и экологического характера, а также необходимости обеспечить адекватную реализацию технических решений и технологий  механизм отбора требует достаточно четких критериев. Некоторые из них могут быть обобщенными и использоваться практически в любой системе управления отходами, другие могут применяться к отдельным категориям РАО или на конкретных этапах обращения с ними.

Основа выбора 

Основой для создания соответствующей стратегии и инфраструктуры по обращению с радиоактивными отходами являются публикации МАГАТЭ [1-3]. Вариации процессов и технологий для разных типов отходов на разных этапах обращения с ними требуют выбора оптимизированных технологий или решений. В дальнейшем выбранные технологии для различных этапов обращения с отходами должны быть объединены в комплексную стратегию, оптимизирующую всю систему обращения с РАО [4]. Выбор технологии обработки каждого конкретного потока (категории) отходов должен быть основан на процессе оценки и включать следующие элементы:

• определение объема, характеристик и свойств конкретных РАО;
• рассмотрение и анализ различных вариантов обращения с отходами;
• оценка преимуществ и недостатков каждого варианта с использованием метода мульти-атрибутивного анализа [5] или другой подходящей методологии, которая сравнивает безопасность, технологическое состояние, рентабельность, а также социальные и экологические факторы;
• выбор лучших доступных технологий, не сопряженных с чрезмерными расходами и удовлетворяющих всем нормативным требованиям [6];
• утверждение выбранной технологии путем лицензирования или получения разрешения.

Перемещение, классификация и категоризация отходов

Перемещение ядерных материалов, как правило, зависит от целесообразности их дальнейшего применения. Предусмотрены следующие основные пути (рис. 1):

• освобождение от регулирующего контроля, которое предполагает нелимитированное захоронение отходов и неограниченное повторное использование полезных материалов;
• регулируемый сброс (выброс) отходов в окружающую среду и разрешенное повторное использование полезных материалов;
• регулируемое захоронение отходов и передача полезных материалов на утилизацию.

Рис. 1. Перемещение ядерных материалов

Типы и объемы РАО в разных странах существенно различаются. Технологии обращения с отходами также разнообразны, хотя основные технологические подходы везде могут быть схожими. Надлежащие процессы и технологии могут быть определены на основе подробной информации о РАО (имеющихся или прогнозируемых), например, в зависимости от их классификации, категоризации, свойств и инвентаризации.

МАГАТЭ разработало международно признанную систему классификации отходов [7], которая определяет следующие классы РАО в зависимости от активности и периода полураспада радионуклидов: 

   (i) освобожденные (изъятые) отходы (EW);
   (ii) очень короткоживущие отходы (VSLW);
   (iii) очень низкоактивные отходы (VLLW);
   (iv) низкоактивные отходы (LLW);
   (v) отходы среднего уровня активности (ILW);
   (vi) высокоактивные отходы (HLW).

Классификация МАГАТЭ базируется, в основном, на долгосрочной безопасности и, следовательно, ориентирована на выбор наиболее подходящих путей захоронения (окончательной изоляции) твердых или отвержденных РАО.

Управление отходами на этапах предварительной обработки, переработки и хранения требует дополнительной информации о свойствах РАО, важных для конкретной деятельности. Категоризация используется для обеспечения системного подхода к переработке и хранению РАО. При этом учитывается информация о происхождении, физическом состоянии, видах, свойствах и вариантах переработки отходов [8].

Инвентаризация и этапы обращения с отходами

При инвентаризации отходов могут потребоваться несколько уровней детализации. Например, организации, занимающейся переработкой, может быть нужна более подробная опись, в которой будут предлагаться методы обращения с каждым конкретным видом отходов. Для национальных агентств по обращению с РАО для разработки планов на будущее требуются меньше деталей. Политикам и разработчикам национальных стратегий обращения с отходами нужна еще более обобщенная информация [2].

Обращение с отходами, как правило, делится на два крупных этапа – предшествующий захоронению и непосредственно захоронение. Первый включает все стадии обращения с РАО от образования до захоронения, в том числе обработку (например, предварительная обработка, переработка и кондиционирование), временное (промежуточное) хранение и транспортировку. Захоронение предусматривает постоянное размещение отходов в соответствующем сооружении без намерения их изъятия. РАО готовят к захоронению с помощью технологий, которые, в первую очередь, предназначены для получения формы отходов, совместимой с выбранным или ожидаемым вариантом захоронения. Для оценки того или иного процесса или технологии необходимо рассмотреть имеющиеся решения с точки зрения выполнения требований к переработке, хранению и захоронению отходов. Технические решения по  обращению с РАО были описаны во многих публикациях [9-19]. Жизненный цикл радиоактивных отходов состоит из следующих этапов.

Рис. 2. Схема этапов обращения с отходами

Предварительная обработка РАО включает все операции до непосредственной обработки, направленные на обеспечение возможности последующего применения выбранных технологий переработки и кондиционирования, – сбор, разделение, дезактивацию, корректировку химического состава и фрагментацию.

Обработка объединяет операции, нацеленные на повышение безопасности и экономических показателей за счет изменения характеристик радиоактивных отходов. Ее основными задачами являются уменьшение объема, удаление радионуклидов из РАО, а также изменение их физико-химического состава. Некоторые методы обработки могут обеспечить форму РАО, соответствующую требованиям хранения и захоронения. Однако в большинстве случаев переработанные отходы требуют дальнейшего кондиционирования либо отверждения и иммобилизации (инкапсуляции).

Кондиционирование охватывает работы по созданию упаковки отходов, пригодной для перемещения, транспортировки, хранения и/или захоронения. Оно может включать иммобилизацию РАО, размещение их в контейнерах, а также, при необходимости, переупаковку. Иммобилизация предполагает создание формы отходов за счет отверждения и включения РАО в матрицы (или инкапсуляции). Общепризнанными матрицами для иммобилизации являются цемент, битум и стекло.

Хранение обеспечивает изоляцию РАО с сохранением возможности извлечения, а также охрану окружающей среды и мониторинг хранилищ в течение всего срока размещения в них РАО.

Транспортировка предполагает физическое перемещение радиоактивных отходов в специально разработанных упаковках из одного места в другое. Например, собранные РАО могут быть перевезены из пункта сбора в пункты централизованного хранения и обработки, упаковки с кондиционированными отходами – из пункта обработки или хранения к месту захоронения.

Захоронение предусматривает размещение отходов в соответствующем сооружении без намерения их изъятия. Отметим, что в некоторых странах контролируемые сбросы в окружающую среду часто рассматриваются в качестве регулируемого варианта захоронения.

На всех этапах обращения с отходами важно определение их характеристик – характеризация. Она включает определение физических, химических и радиологических свойств отходов, важных для оценки  необходимости дальнейшей обработки, переработки, кондиционирования или пригодности РАО к  последующему перемещению, переработке, хранению и захоронению. Предварительная характеризация как часть предварительной обработки имеет большое значение для выбора наиболее эффективного метода обращения с РАО. Методы определения характеристик радиоактивных отходов, включая процедуры отбора проб, подробно описаны в руководстве МАГАТЭ [8].

Методология выбора технологии

Выбор технологий предварительной обработки, переработки, хранения и захоронения обязательно связан с общей стратегией по управлению РАО, которая, в свою очередь, может быть частью более крупной схемы, охватывающей многие виды отходов. В эффективной стратегии все стадии обращения с РАО должны быть взаимодополняющими и совместимыми друг с другом [1]. Хотя важны многие аспекты, главной задачей является достижение оптимального решения логичным, структурированным и обоснованным способом. Кроме того, важно, чтобы при определении стратегии управления РАО учитывались и оценивались все три основные пути их перемещения (освобождение, регулируемый сброс или регулируемое захоронение). При этом должны быть рассмотрены стратегии для всех потоков генерируемых РАО на конкретных объектах и участках, а не варианты для отдельных видов отходов. Вдобавок большинство национальных регулирующих органов в настоящее время требуют оценки влияния на окружающую среду предлагаемых технологий и обоснование выбора технологии.

Выбор технологии обращения с отходами, как правило, начинается сбором и оценкой имеющихся данных, с учетом всех потенциально значимых факторов, таких как действующие правила, перемещение РАО, их свойства и связанные с ними лучшие достигнутые показатели (рис. 3).

Рис. 3. Развитие процесса выбора варианта обращения с отходами

Затем каждое из выбранных технических решений разрабатывается вместе с соответствующим ему предварительным планом по обращению с РАО. На данном этапе эти планы могут быть сравнительно краткосрочными, но, тем не менее, они должны быть достаточно хорошо проработаны, чтобы дать представление об основных препятствиях и рисках.

Следующим шагом является проведение исследований по выбору технологии. Во время этого процесса могут быть использованы инструменты для принятия формальных решений, а также дискуссионные семинары. Выбор предпочтительной и оптимизированной технологии переработки отходов лучше всего достигается путем оценки общих критериев и ограничений, связанных с конкретным потоком отходов или объектом.

Эта оценка может быть проведена с использованием формальных решений, учитывающих критические факторы и лучшие достигнутые показатели. При оценке факторов, влияющих на выбор конкретных технологий, может быть использован простой подход «дерева решений», при котором различные факторы оцениваются «линейно» (рис. 4).

Рис. 4. «Дерево решений» при линейном выборе технологии переработки отходов (не все критерии и ограничения учитываются)

Ограничения «линейного» подхода заключаются в том, что факторы могут рассматриваться только по одному в порядке убывания значимости. Как правило, выбор оптимального решения требует учет нескольких целей, которые необходимо одновременно нелинейно оптимизировать. Кроме того, при линейном подходе взаимовлияющие факторы не могут рассматриваться в комплексе.

Методика мульти-атрибутивного анализа

Методика мульти-атрибутивного анализа (ММА) [5] представляет собой мощный инструмент для одновременного учета многих критериев и ограничений при выборе технологий. ММА – эффективный и действенный способ показать эффективность каждой технологии за счет лучших достигнутых показателей и придти к выводам, которые учитывают все значимые факторы. Такой анализ предполагает определение численных оценок и коэффициентов для рассматриваемых факторов, а затем сравнение суммарных баллов, полученных по всем изучаемым вариантам. При необходимости (например, когда два варианта имеют очень близкие результаты) может быть проведен анализ чувствительности, чтобы проверить и подтвердить правильность предпочитаемого варианта. Простой учет критериев по каждому решению позволяет отбрасывать любой вариант или подвергать его дальнейшей оценке. Независимо от подхода, необходимо выносить обоснованные и проверяемые решения по выбранным технологиям.

Метод ММА наглядно демонстрирует, на основе чего рассматриваются альтернативы. Он предлагает количественные принципы выбора вариантов. Это особенно важно при групповом принятии решений – при множестве разных точек зрения и необходимости рассмотрения и учета ряда альтернативных решений. Критерии, необходимые для оценки вариантов, должны быть согласованы заранее. Им присваиваются коэффициенты (3, 2 или 1), отражающие их значимость для принятия решения. В качестве альтернативы могут быть выбраны 100 баллов, которые распределяются между критериями в зависимости от их важности. Каждому альтернативному критерию может быть присвоена оценка от 1 до 10. Оценка критерия затем умножается на его коэффициент, после чего рассчитывается общая сумма – именно она является оценкой рассматриваемого варианта, которую можно сравнить с теми же расчетами по другим вариантам. Если проводится групповая экспертная оценка, то каждый эксперт дает свою оценку критериям для каждого варианта, после чего проводится усреднение оценки по группе. Конечным результатом анализа является относительное численное ранжирование вариантов.

Кроме того, в процессе выбора варианта могут быть рассмотрены различные критерии, например, вопросы, не связанные с безопасностью. В ряде случаев при оптимизации решений также следует рассматривать вопросы, связанные с гарантиями – как безопасности, так и ресурсов. Следует принимать во внимание и затраты на техническое обслуживание, контроль и физическую защиту мощностей по обращению с РАО. Выбранный вариант должен отвечать всем требованиям безопасности. Метод ММА может быть использован для дальнейшего изучения последствий изменения критериев, их коэффициентов или полученных баллов. Поскольку используемые критерии прозрачны, можно сделать несколько изменений и проанализировать полученные результаты. Например, если окажется, что некоторые критерии играют слишком важную роль, их коэффициенты могут быть скорректированы для получения более реалистичных результатов.

Практические и мотивированные выводы могут быть выявлены в ходе семинаров (иногда называемых «мозговыми штурмами» или «решающими конференциями»). Группы экспертов (в том числе опытных эксплуатационников) согласовывают список значимых факторов и проводят оценку их влияния на каждый из технологических вариантов. Важно, чтобы в отчете семинара описывался используемый метод принятия решения, рассматриваемые факторы и полученные результаты. Данный отчет может быть полезным для поддержки плана обращения с радиоактивными отходами и обоснования безопасности.
Процесс выбора предпочтительной технологии и последующей детальной стратегии идет лучше всего тогда, когда эксперты четко понимают логику безопасности. Эта логика должна быть применена к каждому из рассматриваемых вариантов (на соответствующем уровне детализации). Ключевым моментом является необходимость гарантии очевидных связей между характеристиками и объемами радиоактивных отходов, предлагаемыми технологиями и связанными с ними рисками, механизмами управления безопасностью и расходами. То есть анализ рисков логически определяет требования к ключевым аспектам реализации технологий, таким как дополнительное или модифицированное оборудование, обучение персонала, делопроизводство, рабочие инструкции, техническое обслуживание и обеспечение безопасности.

Перед выбором конкретной технологии обращения с РАО необходим анализ образования отходов, их свойств, видов и объемов. Кроме того, нужно в полной мере соблюдать регуляторные требования и обеспечить наличие решения по захоронению при условии, что его нормативно-правовое обеспечение существует или будет установлено. Выбор технологии должен быть основан на оценке всех соответствующих критериев и ограничений. Подробная информация на эту тему будет представлена в готовящейся публикации МАГАТЭ с рабочим названием «Выбор технических решений по обращению с радиоактивными отходами».

Авторы

Литература

1. Policies and Strategies for Radioactive Waste Management, IAEA Nuclear Energy Series No. NW-G-1.1, IAEA, Vienna (2009).
2. Methodology for Establishing an Inventory of Radioactive Waste and for Assessing the Subsequent Management Needs. IAEA, Vienna (2012, to be published).
3. Economics of Radioactive Waste Management. IAEA, Vienna (2012, to be published).
4. Predisposal Management of Radioactive Waste, IAEA Safety Standards Series No. GSR Part 5, IAEA, Vienna (2009).
5. A. Rahman. Multi-attribute Utility Analysis — a Major Decision Aid Technique, Nuclear Energy, 42, No 2, April, 87–3 (2003).
6. Fundamental Safety Principles, IAEA Safety Standards Series No. SF-1, IAEA, Vienna (2006).
7. Classification of Radioactive Waste, General Safety Guide No. GSG-1, IAEA, Vienna (2009).
8. Strategy and Methodology for Radioactive Waste Characterization, IAEA-TECDOC-1537, IAEA, Vienna (2007).
9. С.А. Дмитриев, А.С. Баринов, О.Г. Батюхнова, М.И. Ожован, Т.Д. Щербатова. Технологические основы системы управления радиоактивными отходами. Москва, ГУП МосНПО «Радон», 376 с. (2007).
10. M. Ojovan. Handbook of advanced radioactive waste conditioning technologies. Woodhead, Oxford, 512 p. (2011).
11. Concepts for the Conditioning of Spent Nuclear Fuel for Final Waste Disposal, Technical Reports Series No. 345, IAEA, Vienna (1992).
12. Spent Fuel Reprocessing Options, IAEA-TECDOC-1587, IAEA, Vienna (2008).
13. Naturally Occurring Radioactive Material (NORM V), Proceedings of an international symposium, Seville, Spain, 19-22 March 2007.
14. Waste Forms Technology and Performance: Final Report. National Research Council. 340 p., The National Academies Press, Washington, D.C. (2011).
15. W.E. Lee, M.I. Ojovan, M.C. Stennett, N.C. Hyatt. Immobilisation of radioactive waste in glasses, glass composite materials and ceramics. Advances in Applied Ceramics, 105 (1), 3-12 (2006).
16. Interim Storage of Radioactive Waste Packages, Technical Reports Series No. 390, IAEA, Vienna (1998).
17. Scientific and Technical Basis for the Near Surface Disposal of Low and Intermediate Level Waste, Technical Reports Series No. 412, IAEA, Vienna (2002).
18. Scientific and Technical Basis for the Geological Disposal of Radioactive Wastes, Technical Reports Series No. 413, IAEA, Vienna (2003).
19. J. Ahn, M.J. Apted. Geological repository systems for safe disposal of spent nuclear fuels and radioactive waste. Woodhead, Cambridge, 792 p. (2010).