Nukleáris környezetvédelem 1. Fizikai alapok Ionizáló sugárzások és dózis 2. Az ionizáló sugárzások egészségkárosító hatásai 3. A dózis meghatározásának mérési és számítási módszerei 4. A sugárvédelmi szabályzás rendszere 5. Természetes radioaktivitás a környezetben, radioaktív hulladékok 6. Szennyezések transzportja a környezetben, környezeti monitorozás 1
Irodalom a felkészüléshez Fehér I., Deme S. (szerk.): Sugárvédelem (ELTE Eötvös Kiadó, Budapest, 2010.) Környezetmérnöki Tudástár sorozat 14. kötet: Somlai János: Sugárvédelem http://mkweb.uni-pannon.hu/tudastar/anyagok/14- sugvedelem.pdf Zagyvai Péter és mások: A nukleáris üzemanyagciklus radioaktív hulladékai (PSI-EK 2013.) http://www.reak.bme.hu/munkatarsak/dr_zagyvai_peter/letoelt es.html http://www.zmne.hu/tanszekek/vegyi/personal/dozimetriasuga rvedelem.pdf 2
A második félévközi dolgozat anyaga 3
További természetes bomlási sorozatok 232 Th: T= 14,1.10 9 év (7-10 ppm a Föld felszínén) bomlási sor - leányelemek: köztük 220 Rn 220 Rn (T= 55 s) kevésbé tud kikerülni a levegıbe, mint a 222 Rn dózisjáruléka 0,1 msv/év 235 U: T= 0,71.10 9 év (a természetes urán 0,72 %-a) a nukleáris energiatermelés legfontosabb alapanyaga: indukált hasadás termikus neutronok hatására 4
Természetes sugárterhelés - összegzés Természetes sugárterhelés : átlagosan 2-3 msv/év belsı sugárterhelés 65 % (radon, 40 K, 14 C, 3 H stb.) külsı sugárterhelés 35 % (kozmikus sugárzás, ısi nuklidok γ-sugárzása a talajból, építıanyagokból) orvosi eredető sugárterhelés Magyarországon átlagosan 0,3 msv/év, de évrıl évre nı (PET-CT stb.) Az USA-ban már meghaladja a természetes sugárterhelés átlagát. 5
Mesterséges radioaktivitás = hasznos emberi tevékenységhez köthetı anyagok Radioaktív hulladék típusai folyamatos üzemi kibocsátás (kezelésük az üzemi költség része, hatásukat a dózismegszorítás részeként veszik tekintetbe) folyamatosan keletkezı, az üzem területén tárolt hulladék (- -) leszerelési hulladék (költségviselı: önálló állami alap - KNPA) Radioaktív hulladékok forrásai - Nukleáris reaktorok hulladékai hasadási termékek (pl. 131 I, 137 Cs), főtıelem-aktivációs termékek (pl. 239 Pu), szerkezeti anyagok aktivációs termékei ( korróziós termékek, pl. 60 Co) stb. a reaktor védıburkolata a konténment, baleset esetén is nagyrészt 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.) 6
S = i AKi MEAK Hulladékindex i Kategóriák jelenleg még a mentességi szint (MEAK [Bq/kg]) szerint: kis-, közepes- és nagyaktivitású hulladék a lehetséges maximális dóziskövetkezmény alapján 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! (változás várható a jogszabályban: EU ajánlások követése) 7
Radioaktív hulladék menedzsment Győjtés Osztályozás, minısítés Tárolás, szállítás Térfogatcsökkentés Kondicionálás Átmeneti és/vagy végleges elhelyezés Alternatív megoldások: kiégett nukleáris üzemanyag reprocesszálása, hosszú felezési idejő hulladékkomponensek transzmutációja 8
Radioaktív hulladék menedzsment Győjtés, osztályozás Fı szempont: hulladékindex (külön győjtendık az eltérı kategóriákba sorolt hulladékok) 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 9
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 10
Radioaktív hulladék menedzsment - Térfogatcsökkentés Préselés: supercompactor 11
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 VR = 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 12
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 átalakulnak Ca-Al-szilikát-hidrátokká és kalcium-hidroxiddá. A szilárdulás során 15-20% mész keletkezik. A beton felületén a mész kalcium-karbonáttá alakul. 13
A Paksi Atomerımő négy blokkja 14
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 Üzemeltetı/engedélyes: RHK Kft. Végleges elhelyezés: LLW ILW: felszínközeli vagy mélységi lerakóhely (Püspökszilágy, Bátaapáti) HLW: tervezett mélységi lerakóhely (Boda BAF) Alternatíva: reprocesszálás, 4. generációs atomerımővek, transzmutáció 15
Nukleáris energiatermelés és TENORM összehasonlítása Kibocsátott összes radioaktivitás (1988): Paksi atomerımő: Ajka, Pécs szénerımő: 0,5 MBq/MW 3-4000 MBq/MW jobb szőrıkkel utóbbi 1-2 nagyságrenddel csökkent Földgáz- és kıolajvezetékek: üledékekben a talajhoz képest 5 20-szor feldúsult természetes radioaktivitás 16
Paks Kiégett Kazetták Átmeneti Tárolója (KKÁT) 17
18
Mélységi elhelyezés Bátaapáti (kis- és közepes aktivitású hulladékhoz ILW, LLW) Gránitban, két lejtıs aknán elérhetı 300 m mély keresztvágatokban 19
Mélységi elhelyezés Bátaapáti (LLW) Mária lejtısakna bejárata a vágathajtás alatt 20
Radioaktív hulladékok elhelyezése Püspökszilágy felszínközeli tároló LLW, ILW (kapacitás: 5000 m 3 ) + feldolgozó üzem és átmeneti tároló Agyaglencse (18 20 m vastagon) 21
22
23
24
Radioaktív hulladékok feldolgozása Püspökszilágy - Felszínközeli végleges LLW tároló Tömörítés után visszatemetett hulladék elhelyezése: 2007-2009 Mérnöki gátak az új tárolóaknánkban 25
26
27
TENORM - Pécs környéki uránbánya területének helyreállítása Forrás: Mecsek-Öko ZRt. 28
TENORM - Pécs - zagytározók rekultivációja: Tájrendezés Morfológia kialakítás, felületstabilizálás Beszivárgást minimalizáló fedés Felszíni vízrendezés, vízelvezetés Hosszú távú stabilitás biztosítása 29
TENORM Pécsi rekultiváció Geotechnika és rekultiváció... Az iszapmag konszolidációja a vízleengedés után 30
Radioaktív hulladékok feldolgozása - Reprocesszálás Sellafield (Nagy- Britannia) reprocesszáló üzem - központi tároló medence és a kiszolgáló darurendszer 31
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 32
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 33
A terjedési számítások alkalmazása a sugárvédelemben a forrástag szerepe Állandó forrástag: folyamatos üzemi kibocsátás: nukleáris reaktor szellızıkéményén távozó szennyezés folyamatos víztisztítás/ részleges vízcsere atomerımővek reaktorainál dózismegszorítás Változó forrástag: üzemzavari és baleseti kibocsátások hatásának számítása nem folyamatos üzemi kibocsátások (pl. hulladékfeldolgozás) hatósági szabályozásban (Magyarországon: NBSZ) az adott eseménytípushoz rendelt maximális dóziskövetkezmény 34
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. 35
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, korábban is jelenlévı) és mesterséges (= kibocsátott) radioaktivitást. 36
Nukleáris környezeti monitorozás DL és DC betartásának ellenırzése: Mérés Kiértékelés Beavatkozás A feladatok hasonlóak minden sugárzási helyzetben. (ICRP-103: normális = tervezett, baleseti és fennálló sugárzási helyzetek) 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. 37
Nukleáris környezeti monitorozás Helyi rendszerek: emissziót produkáló létesítmény körül (kevésbé érzékeny, mint a kibocsátás ellenırzése de biztonságosabb a sugárterhelés elkerülése érdekében) Regionális rendszerek: immisszió ellenırzése nagyobb területen egyenletesen elosztott mérıállomásokkal Módszerek: 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 38
Nukleáris környezeti monitorozás korai riasztást adó rendszerek Gamma-dózisteljesítmény mérése folyamatos/automatizált mérési adatgyőjtés környezeti dózisteljesítmény (talajszint) OSJER figyelmeztetési szint OSJER riasztási szint : 70 170 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. 2013. XI. 25. 39
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. 40
Nukleáris környezeti monitorozás korai riasztást adó rendszerek helyi hatások a környezeti dózisteljesítményre dózisteljesítmény [nsvh] Oktatóreaktorban frissen elıállított 24 Na-sugárforrások ideiglenes tárolását érzékelte a monitor. A felfutó él a mővelet pillanatszerőségére, a lefutás a fıkomponens felezési idejére jellemzı. 41
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. 42
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 43 téves riasztások kizárásához.
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 44
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) Nem győlhet össze sok aktivitás a szőrın de azonnal megjelenik a növekmény. time 45
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: rögzített szőrılap (integrálás) növekszik az alapvonal, de akkumulálódik az aktivitás. time 46
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. 47
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. 48
222 Rn alfa-béta spektrum 49
220 Rn + 222 Rn alfa-béta spektrum 50
222 Rn Rn EEC változása környezeti mérıállomásokon 51
Radon LDs vs. time Mesterséges radioaktivitás mérési érzékenységének (LD) változása környezeti mérıállomásokon 52
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)) 53