Утечки ядерных отходов и стратегии восстановления

Условия окружающей среды для захоронения ядерных отходов

Утилизация ядерных отходов продолжает оставаться одной из крупнейших проблем в развитии атомной энергетики. В настоящее время большинство атомных электростанций в США утилизируют свои ядерные отходы на месте. Это представляет серьезную долгосрочную опасность.В настоящее время варианты обращения с ядерными отходами включают приповерхностное захоронение (порядка десятков метров) и глубокое геологическое захоронение (порядка сотен метров) как на суше, так и в море. Более того, разные радиоактивные материалы требуют разных решений по обращению с ними. Агентство по охране окружающей среды США (EPA) делит ядерные отходы на несколько категорий: урановые отходы, низкоактивные, высокоактивные и трансурановые отходы. [1] Каждое из вышеперечисленных регулируется по-разному в зависимости от их потенциального вредного воздействия на окружающую среду и, следовательно, на здоровье человека. Еще более неотложной задачей, чем выбор подходящего места захоронения отходов, является ликвидация утечек ядерных отходов. Загрязнение подземных вод радиоактивными материалами является печально известным примером последствий неправильного захоронения ядерных отходов. В следующем документе будут рассмотрены последние методы, используемые для устранения таких экологических катастроф при удалении отходов и производственных площадках, географически расположенных вблизи водоносных горизонтов.

Устранение ядерных утечек в США

Сегодня в США более 230 миллионов тонн урана работают на заводах по всей стране. [2] Одним из последствий неуместного размещения хвостохранилищ уранового завода является потенциальная диффузия материала в близлежащие подземные водоносные горизонты. Было обнаружено, что шлейфы, мигрирующие в эти места, присутствуют в воде порядка нескольких сотен частей на миллиард (ppb). Точно так же ядерные отходы, хранящиеся под землей, могут просачиваться и загрязнять резервуары с питьевой водой. Агентство по охране окружающей среды установило максимальный уровень загрязнения урана в 30 частей на миллиард, значение, которое значительно превышается на загрязненных объектах.[3] Интересный вопрос, который не будет подробно рассмотрен в этой статье: почему вообще происходит утечка урана? Короче говоря, подземные радиоактивные отходы традиционно заключают в прокаленные или стеклянные ящики, которые, как известно, обладают высокой устойчивостью к тепловому удару; тем самым снижая риск немедленного и полного выброса урана. [4] Тем не менее, боросиликат со временем разлагается, и ионный обмен становится ответственным за постепенную необратимую секвестрацию материала между слоями глины. Часто ионообменная емкость глины недостаточно высока или ее недостаточно, что позволяет точечному источнику урана мигрировать в подземные водоемы.

До конца 1990-х годов технология устранения утечек радиоактивных отходов включала откачку загрязненных грунтовых вод из-под земли, их очистку и повторную закачку. [5] Помимо значительных затрат, связанных с этим методом, он оказался в значительной степени неэффективным при очистке устойчивая мода. Отчасти это связано с тем, что виды урана остаются в почве и со временем потенциально могут снова раствориться в водоносных горизонтах. С тех пор было изучено несколько методов устранения радиоактивных утечек в подземных водотоках, два из которых будут рассмотрены ниже: один химический и один биологический. Также будут представлены некоторые исторические примеры этих дел и их результатов.

Барьеры из нульвалентного железа

Шлейфы урана, происходящие из ядерных отходов, мигрируют в близлежащие водоемы и растворяются в жидкости в форме двухвалентного катиона уранила, UO2 2+ в присутствии кислорода становится высокоподвижным. [5] В этом методе очистки загрязненный шлейф перекрывается проницаемым барьером из восстановительного материала — нулевого валентного железа Fe0 (ZVI), являющегося отличным кандидатом из-за его реакционной способности, нетоксичности и дешевизны — который восстанавливает уран до твердой формы. U(IV)O2 (т), выпадающий в осадок из раствора.Как показано на рис. 1, барьер предназначен не для ограничения потока подземных вод, а скорее для избирательного уменьшения частиц урана, проходящих через него. Этот метод восстановления на месте известен как восстановительное осаждение. Чем выше разница в pe между двумя окислительно-восстановительными реакциями (окислением железа и восстановлением урана), тем выше скорость удаления металлов. [6] Чем ниже скорость реакции и/или выше содержание урана в загрязненных водах, тем толще железный барьер, необходимый для исправления ситуации. [7]

Термодинамическая благоприятность такой реакции и инертность твердого осадка делают эту технологию весьма перспективной. [8] Кроме того, восстановление других видов нульвалентным железом помогает поддерживать восстановительные условия в недрах, добавляя дополнительный уровень безопасности в долгосрочной перспективе. Однако такое неотъемлемое изменение подповерхностных условий воды может негативно повлиять на окружающую среду, вызывая побочные реакции, которые могут нарушить экосистемы организма. Необходимы дальнейшие исследования для изучения таких эффектов в каждом конкретном случае. Исторический пример использования барьеров из нулевого валентного железа включает полигон захоронения в каньоне Бодо в Колорадо, где было построено несколько барьеров для удаления урана среди других опасных видов. Барьеры эксплуатировались с августа 1999 г. по июнь 2004 г., и концентрация урана в выходящих потоках была снижена до менее 10 частей на миллиард. [9] Другой случай касается рудного участка Мечек в Венгрии в 2003 г., где нулевой барьер помог снизить концентрацию урана в водах до уровня менее 1% от значения притока. [9]

Микробное сокращение

Еще одним интересным методом, представленным в начале 1990-х годов, является микробное восстановление урана (VI) до урана (IV). Эта форма урана очень нерастворима, что делает его возможным кандидатом на долгосрочную реабилитационную иммобилизацию радиоактивного соединения.Этот метод обеспечивает недорогое и неинтрузивное решение для устранения радиоактивного загрязнения. [10] Микробные виды, такие как цепочка GS-15, окисляют ацетат до углекислого газа в ходе своего метаболизма. В присутствии железа и в анаэробных условиях электроны идут на восстановление Fe(III) до Fe(II). [11] Однако было обнаружено, что восстановление урана вместо железа может дать вдвое больше энергии и, следовательно, потенциально является более благоприятной реакцией для микроорганизма. Побочные эффекты этого метода могут включать: а) восстановление урана до малорастворимых соединений, в) устойчивость бактериального штамма к восстановлению урана, г) изменение условий окружающей среды на более окислительные условия, в результате чего происходит повторное растворение урана. (IV) в U(VI)

© Марк Халаф. Автор разрешает копировать, распространять и демонстрировать эту работу в неизменном виде с указанием автора только в некоммерческих целях. Все остальные права, включая коммерческие права, принадлежат автору.

использованная литература

[1] А. Эндрюс, «Потоки радиоактивных отходов: классификация отходов для захоронения», Исследовательская служба Конгресса, RL32163, декабрь 2006 г.

[2] Дж. А. Джейкобс, «Повторное использование и переработка загрязненных почв», Экологические науки о земле. 5, 151 (1998).

[4] Ю. Кагава, Н. Куросава и Т. Киши, «Термическая ударопрочность SiC, армированного волокном боросиликатного стекла и композитов с алюмосиликатной матрицей лития», J. Mater. науч. 28, 735 (1993).

[5] Б. П. Дуайер и Д. К. Марозас, «Рекультивация загрязненных ураном подземных вод на месте», Национальная лаборатория Сандия, SAND97-0337C, февраль 1997 г.

[6] К. Дж. Кантрелл, Д. И. Каплан и Т. В. Витсма, «Нульвалентное железо для восстановления на месте отдельных металлов в грунтовых водах», Дж. Хазард. Матер. 42, 201 (1995).

[7] Б. Гу и другие., «Восстановительное осаждение урана (VI) нульвалентным железом», Environ. науч.-техн. 32, 3366 (1998).

[8] К. Нубактеп, А. Шенер и Г. Мейнрат. (2006).Механизм удаления урана из водного раствора элементарным железом», J. Hazard. Mater. 132, 202 (2006).

[10] Л. Ньюсом, К. Моррис и Дж. Р. Ллойд, «Биогеохимия и биоремедиация урана и других приоритетных радионуклидов», Chem. геол. 363, 164 (2014).

[11] Д. Р. Ловли и другие., "Микробиологическое восстановление урана", Nature 350, 413 (1991).