Az atomerőművekben keletkező radioaktív hulladékok jellemzői és kezelésük

Radioactive Wastes of Nuclear Power Plants and Their Handling

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be!

Hózer Zoltán

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be!

az MTA doktora, Energiatudományi Kutatóközpont, Budapest

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be!

hozer.zoltan@energia.mta.hu
 
Összefoglalás
 

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be!

Az atomerőművekben sokféle radioaktív izotóp keletkezik, amelyeket különböző módon kell kezelni. A hűtőközegben megjelenő aktivációs és korróziós termékek egy része az erőmű normál üzemelése során eltávolítható, ezzel a hűtővíz aktivitáskoncentrációját alacsony szinten lehet tartani. A folyékony radioaktív hulladékokat besűrítik, és szilárd csomagokat állítanak elő a végleges elhelyezéshez. Az erőmű szerkezeti elemeinek felületén megjelenő radioaktív szennyeződéseket dekontaminációs eljárásokkal lehet eltávolítani. A szerkezeti elemekben megjelenő radioaktív izotópokkal az erőmű leszerelésekor is számolni kell. A legtöbb radioaktív izotóp a fűtőelemekben keletkezik. A végleges elhelyezés és a kiégett üzemanyag újrahasznosítása szempontjából kiemelt jelentőségű a nagyon hosszú felezési idejű és magas radiotoxicitású transzurán elemek kezelése, amelyre jelenleg nem áll rendelkezésre ipari méretekben alkalmazható technológiai eljárás.
 
Abstract
 

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be!

The nuclear power plants produce large variety of radionuclides, the handling of which needs different technologies. The activation and corrosion products can be removed from the primary coolant and so the activity concentration can be kept at low level. The volume of liquid radioactive wastes can be reduced and solidified for final disposal. The radioactive deposits from the surface of primary circuit can be removed by decontamination. The activity of the NPP components must be taken during the decommissioning works. Most of the radionuclides are produced inside of the fuel elements. The long lived and highly radiotoxic transuranic elements have high importance from the point of view of reprocessing and final disposal. Today there is no technology for their handling at industrial scale.
 

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be!

Kulcsszavak: atomerőmű, radioaktív izotópok, transzurán elemek
 

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be!

Keywords: nuclear power plant, radioactive isotopes, transuranic elements
 

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be!

DOI: 10.1556/2065.181.2020.12.4
 

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be!

 
Bevezetés
 

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be!

Az atomerőművekben olyan magreakciók mennek végbe, amelyek eredményeként szükségszerűen radioaktív izotópok is képződnek. Ezek többsége a maghasadás helyén az üzemanyag-tablettákban keletkezik, de radioaktív izotópok megjelennek a hűtőközegben és a reaktor és a primerkör szerkezeti elemeiben is. Nagyon sokféle izotópról van szó, amelyek különböző kémiai és fizikai tulajdonságokkal rendelkeznek. Ezért a környezetre gyakorolt hatásuk is nagyon különböző, és az atomerőművön belül vagy azon kívül történő kezelésük is sokféle technológiai megoldást igényel.
 
Radioaktív izotópok a hűtővízben
 

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be!

Az atomreaktorban lejátszódó láncreakció során felszabaduló hőenergiát az aktív zónán átáramló hűtővíz veszi át. A hűtővíz aktivitásának domináns részét a 16N izotóp adja, amely a víz oxigénjéből keletkezik neutronbefogással a 16O(n,p)16N reakció során. A nagyon rövid (7,1 másodperces) felezési idejű 16N izotóp gyakorlatilag nem jut ki a környezetbe a gyors bomlás miatt. Az erőművön belül kezelést nem igényel, de hatásával számolni kell az erőműben dolgozók várható sugárvédelmi terhelésének becslésekor. A primerköri hűtőközeg optimális vízkémiai paramétereinek beállításához különböző vegyszereket adagolnak a hűtővízbe. Ezek az adalékok, illetve a bennük található szennyeződések felaktiválódásával több radioaktív izotóp is keletkezik (24Na, 42K, 38Cl). A hűtővízben megjelennek korróziós termékek is, amelyek között egyaránt megtalálhatóak azok a radioaktív izotópok, amelyek az acélkomponensekből (51Cr, 55Fe,59Fe, 54Mn, 56Mn,58Co, 60Co) és az üzemanyag-kazetták cirkóniumötvözetből készült részegységeiből származnak (95Zr, 97Zr, 95Nb, 97Nb). Ha az aktív zónában van szivárgó fűtőelem, vagy a kazetták felületén hasadóanyag szennyezés található, akkor a hűtőközegben a hasadási termékek és a transzurán elemek izotópjai is kimutathatóak különböző mérési módszerekkel.

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be!

Az atomerőmű normál üzemelése során a hűtőközeg aktivitáskoncentrációját a megengedett korlátokon belül kell tartani. Ehhez több eszköz is rendelkezésre áll: ioncserélők, szűrők és gáztalanítók. Az erőműben keletkező folyékony radioaktív hulladékokat többféle műszaki eljárás alkalmazásával készítik elő a végleges elhelyezésre. Ezeknek az eljárásoknak (például: bepárlás, lecsapatás, szűrés, extrakció, ioncsere) alapvető célja a térfogatcsökkentés, ami természetesen az aktivitáskoncentrációk növelését eredményezi. A paksi atomerőmű jelenleg működő blokkjain alkalmazott technológia lehetővé teszi a radioaktív izotópok jelentős részét adó kobalt- és céziumionok eltávolítását és a hulladék bórsavtartalmának visszanyerését is (Feil et al., 2014). A cseppfolyós halmazállapotú radioaktív hulladékok kezelésének utolsó fázisában cementezéssel vagy bitumenezéssel olyan csomagokat állítanak elő, amelyek alkalmasak a végleges elhelyezésre.
 
A szerkezeti elemek aktivitása
 

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be!

Az atomreaktor és a primerkör szerkezeti elemeiben, illetve azok felületén jelentős aktivitás jelenik meg az erőmű sokéves üzemelése során. Ennek a folyamatnak két fő összetevője van:

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be!

  • A reaktortartály és a reaktor belső szerkezeti elemei közvetlen sugárzásnak vannak kitéve. A neutronsugárzás hatására egyrészt kristályszerkezeti változások mennek végbe az acél- és cirkóniumkomponensekben: rácshibák, vakanciák, diszlokációs hurkok jönnek létre, amelyek hatására megváltoznak az anyagok mechanikai tulajdonságai (Groma et al., 2018). A sugárkárosodás hatásával számolni kell a reaktortartály integritásának értékelésekor is (Trampus, 2003). A nagy energiájú neutronok és az atommagok kölcsönhatása során új izotópok is képződhetnek a szerkezeti elemekben, és ezek egy része radioaktív.
  • A hűtőközegben megjelennek korróziós termékek, amelyek a hűtővízzel együtt keringenek a primerkörben. Az aktív zónán áthaladva a vízben oldott izotópok egy részéből új, részben radioaktív izotópok jöhetnek létre. A vízben oldott radioaktív korróziós termékek eljutnak a primerkör reaktortól távoli részébe is, ahol a szerkezeti elemeken (például a gőzfejlesztő csövein) lerakódhatnak. Így nemcsak a reaktor, hanem a primerköri komponensek felülete is felaktiválódik az üzemelés során.
 

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be!

Az atomerőmű biztonságos karbantartása megköveteli, hogy minimalizálják a különböző műveletek során a személyzet által elszenvedett dózist. Ezért azokat a felületeket, ahol jelentős radioaktív szennyeződés jött létre, és ahol a munkavégzésre kerül sor, meg kell tisztítani. A dekontaminálási eljárások alkalmazásával jelentősen csökkenthető a személyzet sugárterhelése (Varga et al., 2010).

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be!

A különböző szerkezeti elemek aktivitásának csökkentésére az erőmű leszerelésekor is szükség lesz a végleges elhelyezéssel szemben támasztott követelményeknek megfelelően.

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be!

Az említett reaktortartályon és gőzfejlesztőn túl természetesen számos kisebb szerkezeti elem (például szivattyúk, tartályok, ioncserélők, meghajtók) radioaktív szennyeződéseit is kezelni kell az átmeneti tároláshoz és a végleges elhelyezéshez.
 
A kiégett üzemanyag összetétele és kezelése
 

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be!

A reaktorban töltött idő alatt az üzemanyag összetétele jelentősen megváltozik (Hózer, 2016). A paksi atomerőműben használt friss üzemanyag urán-dioxid-tablettákból áll, amelyben a hasadóképes 235U izotóp jellemző dúsítása 4-5%. A maghasadások többségében két különböző tömegszámú hasadvány és 2-3 neutron keletkezik. A hasadványokból radioaktív bomlással a hasadási termékek széles spektruma jön létre. Egyes elemek (például Nd, Ce, Eu) oldódnak a mátrixban, és elfoglalják az elhasadt uránatom helyét. A xenon- és kriptonatomok nemesgáz buborékokat hoznak létre az üzemanyagszemcsén belül, majd a szemcsék között is. A Ba-, Sr- és Zr-oxidok zárványokat képeznek, azaz lekötik az urán-dioxidból – az urán elhasadása után – szabaddá vált oxigénatomokat. A nemesfémek (Ru, Pd, Tc, Rh) pedig fémes zárványokat képeznek, amelyek önállóan jelennek meg az üzemanyagszemcsékben vagy azok felületén.

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be!

Az üzemanyagban található 238U izotópból neutronbefogással transzurán elemek jönnek létre (Fehér, 2007). A Np, Pu, Am és Cm izotópjainak jelentős része nagyon hosszú felezési idejű, és sok közöttük az alfa-sugárzó. Ezért radiotoxicitásuk (potenciális egészségkárosító hatásuk) nagyon magas, főleg ha azzal számolunk, hogy belégzéssel az emberi szervezetbe jutnak. A feldolgozás nélküli kiégett üzemanyag radiotoxicitása több százezer év alatt csökken a természetes urán szintjére. Ha az üzemanyagból sikerül eltávolítani a transzurán elemeket, akkor a természetes urán radiotoxicitási szintjének elérése már ezer éven belül megtörténik (Szieberth, 2016). A felsorolt transzurán elemek közül a Pu keletkezik legnagyobb mennyiségben a kiégés során. A 239Pu és a 241Pu izotópok a jelenleg működő atomerőművek termikus neutronspektrumában is hasadóképesek. Az eredeti 238U tartalom kb. 3-4%-ából keletkezik 239Pu, és ennek a mennyiségnek a fele el is hasad a reaktorban töltött idő alatt. A másodlagos aktinidák (Np, Am és Cm) izotópjainak többsége is hasadóképes, de csak gyorsreaktorokban (Szieberth, 2016; Gadó, 2016).

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be!

Az atomreaktorból eltávolított nukleáris üzemanyag speciális tárolást igényel (Nős, 2016). A kiégett fűtőelemekben található radioaktív izotópok erősen sugároznak, és bomlásuk során számottevő hő keletkezik. A kiégett kazettákat először pihentetőmedencékben helyezik el, ahol a hűtővíz keringtetésével oldják meg a hőelvitelt. A magas vízszint és a vastag betonfalak biztosítják a sugárvédelmi árnyékolást. A pihentetőmedencékben garantálni kell a szubkritikus állapotot is, mivel a kiégett kazettákban jelentős mennyiségű hasadóképes urán és plutónium marad. A többéves nedves tárolás során a maradványhő a kazettákban lecsökken, és át lehet szállítani őket a száraztárolókba, ahol már a léghűtés is elegendő a keletkező hő elviteléhez.

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be!

Az átmeneti tárolás után a kiégett üzemanyagot vagy feldolgozzák (reprocesszálják), vagy feldolgozás nélkül végleges elhelyezésre kerül mélygeológiai tárolókban.

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be!

A végleges elhelyezéshez meg kell várni, hogy a kazetták teljesítménye olyan alacsony szintre csökkenjen, amely nem vezet az üzemanyag felmelegedéséhez a geológiai tárolóban. A kazettákat eredeti állapotukban speciális konténerekben helyezik el. Így megmarad az első két védelmi gát, amit az üzemanyag-tabletta és a fűtőelem burkolata alkot. További mesterséges (konténer, tömedékelés) és természetes (geológiai rétegek) védelmi gátak is akadályozzák a radioaktív izotópok kijutását a bioszférába (Nős, 2016).

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be!

A kiégett üzemanyag feldolgozását elsősorban az motiválja, hogy hasadóanyagot lehet kinyerni a kiégett fűtőelemekből, és azzal új üzemanyagot lehet gyártani az atomerőművek számára (Hózer, 2016). Ez nagyon fontos lenne az atomerőművek működéséhez, ha nem állna rendelkezésre elegendő természetes urán az üzemanyaghoz. Az elmúlt évtizedek kutatásai azonban azt mutatták, hogy a természetes urántartalékok még hosszú ideig ki tudják elégíteni a több mint négyszáz működő atomerőművi blokk igényeit (NEA/IAEA, 2019). A kiégett üzemanyag ciklikus reprocesszálása gyorsreaktoros atomerőművek működése esetén jelent optimális megoldást (Gadó, 2016), de jelenleg csak néhány ilyen blokk működik az egész világon.

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be!

A kiégett üzemanyag feldolgozására meglehetősen bonyolult vegyipari és pirometallurgiai módszereket dolgoztak ki. A legelterjedtebb a Plutonium and Uranium Recovery by Extraction (PUREX) eljárás, amelynek lényege, hogy az üzemanyagot először forró salétromsavban feloldják, majd tributil-foszfát hozzáadásával elkülönítik az uránt és a plutóniumot. A reprocesszáló üzem létesítése hatalmas beruházást igényel, ezért csak néhány működik az egész világon (például Franciaországban és Oroszországban). Reprocesszáló üzemet nem érdemes minden országban létesíteni, főleg nem minden atomerőmű vagy átmeneti tároló mellett, hanem inkább nemzetközi együttműködések keretében célszerű megoldani a feldolgozást.

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be!

A másodlagos aktinidák transzmutációja egy elméletileg lehetséges megoldás a kiégett üzemanyag radiotoxicitásának csökkentésére (Szieberth, 2020). Ehhez azonban mindenképpen fel kell dolgozni a kiégett fűtőelemeket, hiszen a transzmutációs berendezéssel nem lehet a kiégett üzemanyagot közvetlenül kezelni. A transzmutációs berendezésben előállított, megfelelő energiájú neutronok nemcsak a transzurán elemeket képesek elhasítani, hanem más magreakciókra is képesek, amelyek eredményeként újabb radioaktív izotópok jöhetnek létre. Ezért a berendezésbe nagy tisztaságú céltárgyakat kell elhelyezni, A transzmutációval kezelhető anyagok elválasztására, kondicionálására laboratóriumi léptékben történtek vizsgálatok, de az ipari méretű alkalmazás még nagyon messze van. Ha a reprocesszálási igények lecsökkennek, mert az atomerőművek nem igénylik a kiégett üzemanyagból származó plutóniumot, akkor a kiégett üzemanyag feldolgozásának költségei jelentősen meg fogják haladni a mélygeológiai tároló létesítésének költségeit (MIT, 2011). Ilyen körülmények között a kiégett üzemanyag reprocesszálása gazdasági szempontból kérdéses lesz.

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be!

A transzmutáció gyakorlati megvalósításához számos műszaki problémát meg kell oldani. Ezek közül az egyik az optimális neutronforrás létrehozása (Szieberth, 2020; Osvay–Szabó, 2020), de ez önmagában nem elegendő ahhoz, hogy a kiégett üzemanyag radiotoxicitását csökkenteni lehessen.
 
Következtetések
 

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be!

Az atomerőművekben keletkező radioaktív anyagok kezelésére kiforrott technológiai eljárások léteznek. Ezek alkalmazása lehetővé teszi, hogy a radioaktív izotópokat tartalmazó hulladékok ne jelentsenek veszélyt se a környezetre, se az atomerőműben dolgozókra. A kiégett üzemanyag végleges elhelyezésének előkészítésére további kutatások folynak, amelyek egyik fontos célja az, hogy a mélygeológiai tárolóban elhelyezett üzemanyag radiotoxicitása minél rövidebb idő alatt csökkenjen le a természetes urán radiotoxicitásának szintjére. Ebben a tekintetben a legfontosabb kihívást a transzurán elemek semlegesítése jelenti, amire több technológiai fejlesztés is folyamatban van különböző laboratóriumokban.
 
Irodalom
 

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be!

Fehér S. (2007): Radioaktív hulladékok transzmutációja. Magyar Tudomány, 1, 36–39. http://www.matud.iif.hu/07jan/09.html

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be!

Feil, F. – Elter, E.– Otterbein, J. et al. (2014): Folyékony radioaktív hulladékok térfogatcsökkentése az MVM Paksi Atomerőműben. Nukleon, VII, 167, https://nuklearis.hu/sites/default/files/nukleon/7_3_167_Feil.pdf

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be!

Gadó J. (2016): Gyorsreaktorok az üzemanyagciklusban. Magyar Tudomány, 5, 552–559. http://www.matud.iif.hu/2016/05/06.htm

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be!

Groma I. – Szenthe I. – Ribárik G. et al. (2018): Atomreaktorokban használható cirkónium­ötvözetek mikroszerkezetének meghatározása röntgenvonalprofil-analízissel. Fizikai Szemle, LXVIII, 420–425. http://fizikaiszemle.hu/szemle/tartalom/44

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be!

Hózer Z. (2016): A kiégett üzemanyag jellemzői és feldolgozása. Magyar Tudomány, 5, 534–540. http://www.matud.iif.hu/2016/05/04.htm

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be!

MIT (2011): The Future of the Nuclear Fuel Cycle. An Interdisciplinary MIT Study. https://energy.mit.edu/wp-content/uploads/2011/04/MITEI-The-Future-of-the-Nuclear-Fuel-Cycle.pdf

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be!

NEA/IAEA (2019): Uranium 2018: Resources, Production and Demand. Paris: OECD Publishing, DOI: 10.1787/uranium-2018-en

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be!

Nős B. (2016): A kiégett üzemanyag kezelésének nemzeti programja, Magyar Tudomány, 5, 527–533. http://www.matud.iif.hu/2016/05/03.htm

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be!

Osvay K. – Szabó G. (2020): Lézeres neutronforrás fejlesztése. Magyar Tudomány, 181, 12, 1586–1602. DOI: 10.1556/2065.181.2020.12.3

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be!

Szieberth M. (2016): A nukleáris üzemanyag-ciklus zárásának lehetőségei. Magyar Tudomány, 5, 541–551. http://www.matud.iif.hu/2016/05/05.htm

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be!

Szieberth M. (2020): A transzmutáció mint a nukleáris hulladékok kezelésének egy lehetséges útja. Magyar Tudomány, 181, 12, 1609–1620. DOI: 10.1556/2065.181.2020.12.5

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be!

Trampus P. (2003): A reaktortartály szerkezeti integritása. Magyar Tudomány, 11, 1425–1436. http://www.matud.iif.hu/03nov/010.html

Jegyzet elhelyezéséhez, kérjük, lépjen be!

Varga K. – Horváthné Deák E. – Nagyné Szabó A. et al. (2010): Atomerőművi kémiai dekontaminációs technológia fejlesztése. Nukleon, 3(3)70, 1–6. https://nuklearis.hu/sites/default/files/nukleon/Nukleon_3_3_70_Varga.pdf
 
delete
close
Tartalomjegyzék navigate_next
Keresés a kiadványban navigate_next

A kereséshez, kérjük, lépj be!
Könyvjelzőim navigate_next
A könyvjelzők használatához
MeRSZ+ előfizetés szükséges.
Jegyzeteim navigate_next
Jegyzetek létrehozásához
MeRSZ+ előfizetés szükséges.
    Kiemeléseim navigate_next
    Kiemelés:

    Kiemelések létrehozásához
    MeRSZ+ előfizetés szükséges.
      KEDVENCEIMHEZ ADÁS

      A kiadványokat, képeket, kivonataidat kedvencekhez adhatod, hogy a tanulmányaidhoz, kutatómunkádhoz szükséges anyagok mindig kéznél legyenek.

      Ha nincs még felhasználói fiókod, regisztrálj most,
      vagy lépj be a meglévővel!

      Személyes mappák
      MAPPÁBA RENDEZÉS

      A kiadványokat, képeket mappákba rendezheted, hogy a tanulmányaidhoz, kutatómunkádhoz szükséges anyagok mindig kéznél legyenek.

      A MeRSZ+ funkciókért válaszd az egyéni előfizetést!

      Személyes mappák
      KIVONATSZERKESZTÉS

      Intézményi hozzáféréssel az eddig elkészült kivonataidat megtekintheted, de újakat már nem hozhatsz létre.

      A MeRSZ+ funkciókért válaszd az egyéni előfizetést!

      Kivonatkészítés
      FOLYAMATOS GÖRGETÉS

      Választhatsz, hogy fejezetről fejezetre lapozva vagy inkább folyamatosan olvasnád-e a könyveket. A görgetősávon mindig láthatod, hol tartasz, mintha csak egy nyomtatott könyvet tartanál a kezedben.

      A MeRSZ+ funkciókért válaszd az egyéni előfizetést!

      Folyamatos görgetés
      Kivonat
      fullscreenclose
      printsave