Ugrás a tartalomhoz

A nukleáris ipar hulladékkezelési kihívásai

Dr. Szűcs István (2013)

4. fejezet - A kiégett nukleáris fűtőanyagok és nagy aktivitású és/vagy hosszú élettartamú hulladékok kezelése és elhelyezésük hazai vonatkozásai

4. fejezet - A kiégett nukleáris fűtőanyagok és nagy aktivitású és/vagy hosszú élettartamú hulladékok kezelése és elhelyezésük hazai vonatkozásai

Nagy aktivitású és/vagy hosszú élettartamú radioaktív hulladékok elsősorban az energetikai nukleáris reaktorok üzemeltetése és leszerelése során keletkeznek, de az előzőekben hivatkozott ajánlások és szabványok határértékei szerint ide kell sorolni ― hangsúlyozva, hogy ezek nem tekinthetők radioaktív hulladéknak ― a kiégett fűtőelemeket, illetve azok újrafeldolgozásából (reprocesszálásából) származó maradvány-anyagok egy részét is. Kisebb mennyiségben keletkeznek ilyen anyagok még a nem-energetikai (pl. oktató-, kutató-) reaktorok működése és néhány egyéb izotópalkalmazás kapcsán is.

4.1 Hulladékformák

A geológiai elhelyezésre szánt, hosszú élettartamú hulladékok nagyon sokféle módon csomagolt és kondicionált, változatos összetételű anyagokat tartalmazhatnak [5-9]. A fontosabb csoportok az alábbiak:

  1. Kiégett nukleáris fűtőelem (teljes vagy szétszedett fűtőanyag nyalábok vagy elemek, amelyek az eredeti fémurán, urán-dioxid vagy kevert oxid fűtőanyag-mátrixot, továbbá a reaktorban a fűtőanyagból képződött hasadási termékeket és transzurán elemeket tartalmaznak).

  2. Vitrifikált nagyaktivitású hulladék, mely hasadási termékeket és a kiégett fűtőanyag újrafeldolgozásából származó transzurán maradékokat tartalmaz (egy sor kerámiai hulladékformával, melyeket már kifejlesztettek, de ipari méretekben még nem állítják elő).

  3. Hosszú élettartamú, kis- és közepes aktivitású hulladékok, amihez változatos anyagok tartoznak, mint például a reaktor karbantartásakor vagy lebontásakor kikerülő belső részek, fűtőelemek és fűtőanyag-burkolat darabok, egyéb, alfa-sugárzókkal különböző mértékben szennyezett olyan anyagok, mint a plutónium (nukleáris fűtőanyagból vagy fegyverekből), egyéb hasadóanyagok és kimerült uránium.

Egyes geológiai elhelyezési koncepcióknál a rövid élettartamú, kis- és közepes aktivitású hulladékkal is számolnak, amihez fémek, beton, szerves gyanták, műanyagok és más vegyületek változatos keverékei tartoznak.

Hosszú idő elteltével a szilárd hulladékformában tárolt radionuklidok mobilizálódhatnak, kiszabadulhatnak, majd elmigrálhatnak a műszaki gátakon és a környező földtani közegen keresztül.

4.1.1. Kiégett fűtőelem

A kiégett fűtőelemek leggyakoribb, az elhelyezésnél szóba jövő formája az urán-oxid kerámia pellet. A kiégett fűtőelemek több, mint 95%-ban urán-dioxidból állnak; a reaktor működése során keletkezett hasadási termékek és aktinidák többsége megtalálható a kiégett fűtőelemben. Az urán-dioxid kicsiny, tíztől száz mikrométerig terjedő méretű kristályok formájában van jelen, melyeket kb. 1 cm átmérőjű pelletekbe fognak össze. A fűtőanyag-pelleteket rendszerint cirkónium, alumínium ötvözet vagy rozsdamentes acél rudakban tartják, amelyek néhány méter hosszúak lehetnek, a reaktor típusától függően. Ezek az ötvözetek stabilak vízben és csak nagyon lassan korrodálódnak, de végül is mikroszkopikus repedések alakulhatnak ki rajtuk, melyek átjárót jelenthenek a hengerfalon.

Az urán-dioxid is stabil a vízben és csak rendkívül lassan oldódik. Bármilyen, a pelletek kristályos mátrixában található radionuklid kibocsátása így lassú lesz. Mindazonáltal egyes radionuklidok, ahogy a reaktor működése közben képződnek, a szemcsék határain halmozódnak fel vagy a pelletek külső felülete felé mozognak. Ebbe a kategóriába a jód, a cézium és a nemesgázok tartoznak. Rendszerint ezeknek az anyagoknak a 15%-a kívül van a kristályos mátrixon és sokkal könnyebben mobilizálhatók, ha a fűtőelem vízzel kerül érintkezésbe.

A kiégett fűtőelemek könnyen ellenállnak a tárolás korai szakaszában jelentkező magasabb hőmérsékletnek, mivel a reaktorban mutatkozó hőmérséklet ennél sokkal magasabb. Mindazonáltal a tároló műszaki gátrendszere jóval érzékenyebb a magasabb hőmérsékletre, ezért gondosan meg kell becsülni a hosszú távú viselkedését a tároló termikus fejlődésének függvényében. Ebből a szempontból a kevert oxid fűtőelemek több hőt termelnek és hosszabb ideig, mint a rendes urán-oxid fűtőanyag.

4.1.2. Nagyaktivitású hulladék

A nagyaktivitású hulladék szilárdításának megszokott eljárása az üvegmátrixban történő eloszlatás. Mindemellett vizsgálták és vizsgálják alternatív eljárások használatát is. Ezek közül nagyon ígéretesnek tűnik a kerámia mátrixba történő bezárás. Mind az üveg, mind pedig a kerámia nagyaktivitású hulladék mátrixok ellenállnak a hő- és sugárhatásoknak, illetve rendkívül lassan oldódnak vízben. A radionuklidok erősen megkötődnek az üvegben vagy az olyan kerámia hulladékformák kristályszerkezetében, mint a Synroc. A kiégett fűtőelemektől eltérően, a radionuklidok nem mobilizálhatók könnyen, ha a hulladék vízzel érintkezik a tárolóban, viszont – mivel ezek a nagyaktivitású hulladékfajták a kiégett fűtőelemek feloldásával, majd ezt követően magas hőmérsékletű gyártással készülnek – az eredetileg a kiégett fűtőelemben található illékony radionuklidok, mint a jód vagy a ruténium, elválnak a nagyaktivitású hulladéktól az újrafeldolgozás és szilárdítás során. További különbség a kiégett fűtőelemekhez képest, hogy az újrafeldolgozás szinte minden uránt és plutóniumot eltávolít ezekből a hulladékokból. A szétválasztással elkülönülnek a kisebb rendszámú aktinidák is.

A legfontosabb vitrifikációs közeg a boroszilikát üveg. A radionuklidokat az eredetileg folyékony nagyaktivitású hulladék szárítási maradékaként adják az üveghez, vegyületeket formálva, majd magas hőmérsékleten megolvasztják és a képződött homogenizált olvadékot acéltartályokba öntik. Ezeket lezárják, de a megszilárdult üveg felett még lehet üres tér. Ahogy az üveg kihűl és ahogy mozgatják, repedések keletkezhetnek, melyek megnövelik a felületét. Napjainkban az új üvegolvasztók kifejlesztésével (hideg tégely) vizsgálják a foszfátüveg alkalmazását, mely nagyobb flexibilitást ad a kondicionált hulladék kémiai összetételének.

A vizsgált és kifejlesztett kerámia nagyaktivitású hulladékoknak sokféle összetétele lehet. Ezeket például úgy lehet előállítani, hogy a kiszárított nagyaktivitású maradékot együtt zsugorítják vagy forrón préselik különböző kerámia-előanyagokkal, majd kis tömböket készítenek, melyeket nyalábokban fémtartályokba lehet csomagolni. Egyes eljárásoknál a forrón préselés során egy fémtartályt használnak, így egységes szilárd termék jön létre a hulladékból és a tartályból. A kerámiagyártás technológiája fejlett, és sokféle, változatos hulladék-összetétel és specifikáció áll rendelkezésre.

Mindkét technikát alkalmazni lehet a fegyverekből kikerült, csökkentett koncentrációjú plutónium lerakást megelőző immobilizálására [14]. Ezeknél a fejlesztés alatt álló hulladékformáknál, az alacsony koncentrációjú plutóniumot tartalmazó üveget vagy kerámiát nagyobb tartályokba csomagolják, így azt nagyaktivitású hulladék üveggel vagy hasadási termékeket tartalmazó üveggel lehet körülvenni, hogy a csomagok radioaktivitása ugyanazon az általános szinten legyen, mint a rendes kiégett fűtőelem vagy nagyaktivitású hulladék csomagoknál. A cél az, hogy a plutóniumhoz ugyanolyan nehéz legyen hozzáférni, mint amikor a kiégett fűtőelemben volt, melyből eredetileg kivonták, így segítve a nukleáris védelem megőrzését.