Mesterséges radioaktivitás = hasznos emberi tevékenységhez köthetı anyagok

Átírás

1 Mesterséges radioaktivitás = hasznos emberi tevékenységhez köthetı anyagok Radioaktív hulladék típusai folyamatos üzemi kibocsátás (kezelésük az üzemi költség része, hatásuk a dózismegszorítás része) folyamatosan keletkezı, az üzem területén tárolt hulladék (- -) leszerelési hulladék (költségviselı: önálló állami alap - KNPA) Radioaktív hulladékok forrásai - Nukleáris reaktorok hulladékai hasadási (pl. 131 I, 137 Cs), főtıelem-aktivációs (pl. 239 Pu) és szerkezeti anyag aktivációs ( korróziós, pl. 60 Co) termékek stb. a reaktor védıburkolata = konténment baleset esetén is ezen belül maradnak a hulladékok - Nukleáris robbantások, fegyverkísérletek hulladékai - Ipari sugárforrások (elıállítás, felhasználás) - Orvosi (diagnosztikai és terápiás) sugárforrások - TENORM : mesterséges okból megnövekedett, de természetes radioaktivitástól származó sugárterhelés * szén-, olaj- és gáztüzeléső erımővek (salak, hamu, pernye) * nukleáris üzemanyag elıállítása * egyéb (mőtrágyagyártás, bányászat stb.) 1

2 S = i AK i MEAK Hulladékindex i Kategóriák a mentességi szint (MEAK [Bq/kg]) alapján: kis-, közepes- és nagyaktivitású hulladék AK: aktivitás-koncentráció [Bq/kg] i: a hulladékcsomag minden komponensét elemezni kell Kisaktivitású hulladék (LLW) 1 < S < 1000 Közepes akt. h. (ILW) 10 3 < S <10 6 Nagy akt. h. (HLW) S > 10 6, hıtermelés > 2 kw/m 3 Felszabadítás: egy korábban radioaktív anyag inaktív hulladékként kezelhetı, ha S<1 Nukleáris/radioaktív anyagot alkalmazó létesítmény leszerelése során szükséges Mentesség Felszabadítás??? azonosság: kapcsolat az elhanyagolható dózissal (10 µsv/év) eltérés: forgatókönyvek A hulladékindexben a felszabadítási koncentrációnak kellene szerepelnie! 2

3 Radioaktív hulladék menedzsment Győjtés Osztályozás, minısítés Tárolás, szállítás Térfogatcsökkentés Kondicionálás Átmeneti és/vagy végleges elhelyezés Alternatív megoldások: kiégett nukleáris üzemanyag reprocesszálása, hosszú felezési idejő hulladék-komponensek transzmutációja 3

4 Radioaktív hulladék menedzsment Győjtés, osztályozás Fı szempont: hulladékindex (külön győjtendık az egyes kategóriák) Továbbiak: felezési idı, halmazállapot, felületi dózisteljesítmény a hulladékcsomagon. -Kis akt.: 1 dd/dt 300 µsv/h -Közepes akt.: 0,3 dd/dt 10 msv/h -Nagy akt.: dd/dt > 10 msv/h 4

5 Radioaktív hulladék menedzsment - térfogatcsökkentés V 0 V 1 hulladékáram c 1 m 1 mővelet c 0 <MEAK tiszta V 2 szennyezett c 2 m 2 5

6 Radioaktív hulladék menedzsment - Térfogatcsökkentés Préselés: supercompactor 6

7 VR = Térfogatcsökkentés Általános: préselés, égetés/hıbontás, bepárlás Specifikus: felületi (szorpció), térfogati (extrakció) szubsztitúciós (ioncsere) vagy addíciós folyamatok Dekontaminálás: felület tisztítása (általános és specifikus is lehet) Mutatók: térfogatcsökkentési tényezı (VR), dekontaminációs tényezı (DF) Kondicionálás Cementezés (folyadék: elıbb felitatás kovafölddel) (LLW, ILW-hez) Bitumenezés (szerves LLW-hez) cementezéssel kombinálva Üvegesítés vitrifikáció (HLW-hez) Fémolvasztás (kisaktivitású hulladék kezelése és kondicionálása a salakban feldúsulhatnak a szennyezések, ezáltal tisztul a fém) Mutatók: kimoshatóság, mechanikai szilárdság, hı- és sugárállóság V V 1 2 DF = i c c i,1 i, 0 7

8 Radioaktív hulladékok kondicionálása - cementezés Beton = cement + kavics + víz + adalékok Portlandcement = 75-80% mészkı és 20-25% agyag zsugorodásig történt égetésével (kalcinálás, >1400 o C) elıállított klinker + kötéslassító (néhány százalék) gipszkı. További adalékok: lösz, pernye, kohósalak, homok, trasz = ırölt vulkáni tufa, szerpentin = hidratált magnézium-szilikát (Pakson is alkalmazták a biológiai védelem anyagában) Kémiai alkotórészek: SiO 2, Al 2 O 3, CaO, FeO stb. Szilárdulás = Hidratáció (kristályosodás víz felvételével) Klinker + Víz = Hidrátok + Mész (Kalcium-alumínium-szilikátok) -- (Ca-Al-szilikát-hidrátok és kalciumhidroxid) A szilárdulás során 15-20% mész keletkezik. A beton felületén a mész kalciumkarbonáttá alakul. 8

9 9

10 Radioaktív hulladék elhelyezése Feltételek: többszörös mérnöki gátak és mélységi védelem Mérnöki gát: épített és/vagy vegyi eljárásokkal kialakított rendszerek a víz és a benne oldott anyagok terjedésének megakadályozására (beton, bentonit, geopolimer stb.) Mélységi védelem: az egyik gát sérülése nem ronthatja a következı gát védelmi képességét Átmeneti elhelyezés: telephelyen belül vagy önálló felszíni telephelyen (Paks KKÁT) nedves vagy száraz tárolás max. 50 évig Végleges elhelyezés: LLW ILW: felszínközeli vagy mélységi lerakóhely (Püspökszilágy, Bátaapáti) HLW: tervezett mélységi lerakóhely (Boda BAF) Alternatíva: reprocesszálás, 4. generációs atomerımővek, transzmutáció 10

11 Nukleáris energiatermelés és TENORM összehasonlítása Kibocsátott összes radioaktivitás (1988): Paksi atomerımő: Ajka, Pécs szénerımő: 0.5 MBq/MW MBq/MW szőrıkkel utóbbi kb. 1/10-ére csökkent Földgáz- és kıolajvezetékek: üledékekben a talajhoz képest 5 20-szor feldúsult radioaktivitás 11

12 12

13 13

14 Mélységi elhelyezés Bátaapáti (kis- és közepes aktivitású hulladékhoz ILW, LLW) Gránitban, két lejtıs aknán elérhetı 300 m mély keresztvágatokban 14

15 Mélységi elhelyezés Bátaapáti (LLW) Mária lejtısakna bejárata a vágathajtás alatt 15

16 Radioaktív hulladékok elhelyezése Püspökszilágy felszínközeli tároló LLW, ILW (kapacitás: 5000 m 3 ) + feldolgozó üzem és átmeneti tároló Agyaglencse (18 20 m vastagon) 16

17 17

18 18

19 19

20 Radioaktív hulladékok feldolgozása Püspökszilágy - Felszínközeli végleges LLW tároló Tömörítés után visszatemetett hulladék elhelyezése: Mérnöki gátak az új tárolóaknánkban 20

21 21

22 22

23 TENORM - Pécs környéki uránbánya területének helyreállítása Forrás: Mecsek-Öko ZRt. 23

24 TENORM - Pécs zagytározók rekultivációja: Tájrendezés Morfológia kialakítás, felületstabilizálás Beszivárgást minimalizáló fedés Felszíni vízrendezés, vízelvezetés Hosszú távú stabilitás biztosítása 24

25 TENORM Pécsi rekultiváció Geotechnika és rekultiváció... Az iszapmag konszolidációja a vízleengedés után 25

26 Radioaktív hulladékok feldolgozása - Reprocesszálás Sellafield (Nagy- Britannia) reprocesszáló üzem - központi tároló medence és a kiszolgáló darurendszer 26

27 Radioaktív anyagok terjedése a környezetben Általános terjedési differenciálegyenlet: dc dt = A + D + R + P λ c A : advekció (hajtóerı: gravitáció, hidrosztatikai nyomás) D : diffúzió (hajtóerı: kémiai potenciál) R : reakció (fizikai és kémiai szorpció, ioncsere stb.) (hajtóerı: kémiai potenciál) P : ülepedés (hajtóerı: gravitáció) (forrástag idıben állandó) Homogén rendszerek: levegı, felszíni víz, karsztvíz Heterogén rendszerek: talajvíz, geológiai rétegek, biológiai anyagok Terjedési egyenletek inverze szükséges az emissziós korlátozás (a dózismegszorításhoz, illetve az elhanyagolható dózishoz tartozó kibocsátható aktivitás) megállapításához Nukleáris/radiológiai balesetek, kibocsátások - példák: Windscale, Three Mile Island, Csernobil, Goiania, Algeciras, Tokai-mura, Fukushima Csernobil becsült magyarországi hatása 1 3 msv 27

28 Terjedési egyenletek Megoldásuk célja: c idı- és térbeli függésének meghatározása, a környezeti közegek között érvényes állandó koncentrációarányok számítása érdekében c t = A + D + R + P + S(t) λ c Általános egyenlet idıfüggı forrástaggal (S(t)) Reakció és ülepedés nélkül: c t = u grad (c) + div (D grad (c)) + S(t) λ c Egyirányú advekció, homogén diffúzió c t = u x c x + D i 2 i c 2 i= x,y,z + S(t) λ c 28

29 Terjedési egyenletek megoldása Radioaktív anyagok koncentrációja a környezeti közegekben Dózisarányosság: t 2 E c(x, y,0)dt t 1 Egy radionuklid által okozott effektív dózis (belsı vagy külsı sugárterhelés) arányos a kibocsátás helyétıl vett (x,y,0) koordinátán az ottani koncentráció idıintegráljával. Ennek megadásához kétszer kell integrálni a terjedési differenciálegyenletet. 29

30 Kibocsátás hatása és ellenırzése A kibocsátott radioaktivitás hatását az emissziós dóziskorlát (dózismegszorítás, DC) korlátozza. Ennek ellenırzésére mérni kell a kibocsátott és a környezeti radioaktivitást. Meg kell különböztetni a természetes (= nem kibocsátott) és mesterséges (= kibocsátott) radioaktivitást. 30

31 Nukleáris környezeti monitorozás DL és DC betartásának ellenırzése: Mérés Kiértékelés Beavatkozás A feladatok hasonlóak normális és baleseti helyzetben is. Irányadó szintek szükségesek minden radionuklidra a környezeti közegekben (levegı, víz, talaj stb.) ezek különböznek a kibocsátási, illetve a mentességi/felszabadítási szintektıl, mivel ezek már immissziós értékek Biztonság: a szint mérhetı kell, hogy legyen, mielıtt az irányadó szintet túllépnénk. Monitorozás: mintavétel, mérés és kiértékelés szervezett, standard rendszere. 31

32 Nukleáris környezeti monitorozás Helyi rendszerek: emissziót produkáló létesítmény körül (több, mint a kibocsátás ellenırzése) Regionális rendszerek: immisszió ellenırzése nagyobb területen egyenletesen elosztott mérıállomásokkal Gamma-dózisteljesítmény folyamatos mérése KORAI RIASZTÁS Légköri szennyezıdés folyamatos mérése dúsításos mintavétellel KORAI RIASZTÁS aeroszol- és jódszőrés (elemi, szerves) Szakaszos mintavételezéses módszerek: - száraz és nedves légköri kihullás, - felszíni-, ivó- és talajvíz, - talaj- és biológiai minták. Országos Sugárfigyelı, Jelzı és Ellenırzı Rendszer Radiológiai Távmérı Hálózat (OSJER TMH) 132 állomás Magyarországon 32

33 Nukleáris környezeti monitorozás korai riasztást adó rendszerek Gamma-dózisteljesítmény mérése folyamatos/automatizált mérési adatgyőjtés környezeti dózisteljesítmény (talajszint) OSJER figyelmeztetési szint OSJER riasztási szint : nsv/h : 250 nsv/h : 500 nsv/h Természetes radioaktivitás: szintje eltérı a környezetben, általában nem tárgya a szabályozásnak. (kozmikus sugárzás, földi radioaktivitás) TENORM: technologically enhanced naturally occurring radioactive material alkalmazásnak tekintendı, szabályozandó. Mesterséges radioaktivitás: alkalmazások kibocsátása, radioaktív hulladékok stb. Berendezések ionizáló sugárzása (pl. Röntgen) kikapcsolható. 33

34 Nukleáris környezeti monitorozás korai riasztást adó rendszerek környezeti dózisteljesítmény monitorozása hosszú idın át dózisteljesítmény [nsvh] A felvételen három különbözı hatás látható: helyi hatások (emisszió), gyors környezeti hatások (változó szintő szennyezés), lassú környezeti hatások. A jelszint nem éri el a riasztási küszöböt. A felvétel részletes értékelésre e formában nem alkalmas. 34

35 dózisteljesítmény [nsvh] Nukleáris környezeti monitorozás korai riasztást adó rendszerek helyi hatások a környezeti dózisteljesítményre Oktatóreaktorban frissen elıállított 24 Na-sugárforrások ideiglenes tárolását érzékelte a monitor. A felfutó él a mővelet pillanatszerőségére, a lefutás a fıkomponens felezési idejére jellemzı. 35

36 dózisteljesítmény [nsvh] Nukleáris környezeti monitorozás korai riasztást adó rendszerek környezeti csapadékcsúcsok A csapadék kimossa a levegıbıl a talaj felszínére az aeroszolhoz kötött radonleányelemeket. Ezek ( 222 Rn- és 220 Rnszármazékok) feldúsulása a ülepedési sebességtıl és hatásfoktól, bomlása az effektív felezési idıtıl függ. Hasonló alakú profilok származhatnak mesterséges eredető radioaktív szennyezést tartalmazó pöfföktıl is. 36

37 Következtetések: Nukleáris környezeti monitorozás korai riasztást adó rendszerek környezeti dózisteljesítmény mérése A dózisteljesítmény változása képet ad a környezet állapotáról. Helyi rendszerek: jelzik a helyi változásokat is. Regionális rendszerek: nehéz (néha lehetetlen) megkülönböztetni a természetes növekedést a mesterséges szennyezéstıl. A biztonságos riasztási küszöb jóval nagyobb kell, hogy legyen a természetes ingadozás maximumánál. További mérési módszer szükséges a jobb érzékenység eléréséért és a 37 téves riasztások kizárásához.

38 Nukleáris környezeti monitorozás korai riasztást adó rendszerek aeroszol mintavételezés és mérés Légköri mesterséges eredető radioaktív szennyezés dúsítása és mérése mintavétel: speciális szőrık az alábbi anyagokra: - aeroszol, - atomos vagy molekuláris jód, - szerves jódvegyületek mérés: alfa/béta, gamma-spektrometria eljárás: folyamatos/automatikus mőködés, mozgószőrıs vagy állószőrıs kivitel 38

39 Nukleáris környezeti monitorozás aeroszol mintavételezés és mérés a kibocsátási forrás közelében Lokális rendszer egy emissziós forrás köré telepítve Elméleti szennyezési profil: egységugrás-függvény Activity on filter Elınyös módszer: mozgó szőrıszalag (differenciálás) time 39

40 Nukleáris környezeti monitorozás aeroszol mintavételezés és mérés a kibocsátási forrástól távol Regionális rendszer egyenletesen elosztott állomások - immisszió felügyelete Elméleti szennyezési profil a szőrın: elnyújtott, egy ideig lassan növekvı, aztán a bomlás miatt csökkenı Activity on filter Elınyös módszer: álló szőrılap (integrálás) time 40

41 Nukleáris környezeti monitorozás környezet-ellenırzés aeroszol mintavétellel Az állomás vezérlı programja az alábbi feladatokat látja el: Adatgyőjtés a detektor(ok)tól; Nukleáris spektrumok kiértékelése mesterséges radioaktivitás azonosítása változó természetes alapvonalon mért érték [Bq/m 3 ]; Természetes radioaktivitás értékének számítása: Rn EEC [Bq/m 3 ] KIMUTATÁSI HATÁR (LD) megadása, ha mesterséges radioaktivitást nem detektált; A detektor(ok) rendszeres kalibrálása; Elektromechanikus elemek vezérlése (szivattyú, szőrıkezelés stb.); Adatgyőjtés más mérıberendezésekbıl (meteorológiai szenzorok, dózisteljesítmény-mérı stb.); Kommunikáció a központi számítógéppel. 41

42 Nukleáris környezeti monitorozás - Detektorok válasza Basic equation for activity build-up on filter surface (I m = measured intensity [cps]) I Közvetlenül mért érték: adott radioizotóp sugárzásának intenzitása. Keresett érték: ezen izotóp radioaktív koncentrációja a levegıben. m * ttrue γ fγ C. η = * t LIVE 0 * V*(1 e λ λt t ) dt * t LIVE TRUE η γ : efficiency for the gamma line of the given isotope, f γ : gamma abundance of the given gamma line, t LIVE : live time, t TRUE : true time, λ: decay constant, V. : volume rate of pump. After integration and solving for C, mean activity concentration during sampling cycle [Bq/m 3 ] C = I η * γ m f γ 1 * V λ * t * 1 e 1 λ * t TRUE λ* t TRUE TRUE Ezeket a számításokat a kiértékelı programnak kell elvégeznie. 42

43 222 Rn alfa-béta spektrum 43

44 220 Rn Rn alfa-béta spektrum 44

45 222 Rn Rn EEC változása környezeti mérıállomásokon 45

46 Radon LDs vs. time Mesterséges radioaktivitás mérési érzékenységének (LD) változása környezeti mérıállomásokon 46

47 Nukleáris környezeti monitorozás korai riasztást adó rendszerek aeroszol-mintavétellel Összefoglalás: Részecskeszőrı és azt követıen jódszőrıt is alkalmazhatunk. Regionális rendszereknél az álló szőrı elınyösebb. Nuklidspecifikus meghatározás szükséges, hogy megkülönböztessük a természetes és a mesterséges radioaktivitást. Jelentendı értékek: természetes radioaktivitás ( 222 Rn-EEC stb.) minıség-ellenırzés mesterséges radioaktivitás (radionuklid, aktivitás-koncentráció, KIMUTATÁSI HATÁR (LD)) 47