Radioaktív hulladékok (Fizikus B.Sc.) Radioaktívhulladék – gazdálkodás (Gépész energetikus B. Sc.) 1. A radioaktív hulladékokkal kapcsolatos sugárvédelmi ismeretek rövid összefoglalása 2. A radioaktív hulladék definíciói, a hulladékokra vonatkozó szabályozás 3. Radioaktív hulladékok típusai, keletkezésük, vizsgálati módszereik 4. Radioaktív hulladékok kezelése („Waste management”) 1
Dózisfogalmak dE D= Elnyelt dózis [1 Gy = 1 J/kg] dm Egyenérték dózis [1 Sv=1 Gy biológiai hatása] az ionizáló sugárzás sztochasztikus hatására H = D ×w R Effektív dózis E = H E = ∑ wT × HT T
az egyes szöveteket ért egyenértékdózis súlyozott összege Lekötött dózis: több éven keresztül kifejtett dózisok összege Kollektív dózis: azonos forrásból egy embercsoport tagjait ért dózisok összege 2
Sugárvédelmi ismeretek összefoglalása Sugárvédelem – az ionizáló sugárzások károsító hatásainak kizárása, illetve minimalizálása. 3 alapelv: 2 további irányelv: Indokoltság * ha a kis dózisokat korlátozzuk, ezzel a Optimálás nagy dózist kizárjuk Korlátozás * a természetes dózis nem korlátozható Külsı sugárterhelés: kismérető vagy kiterjedt forrásoktól, de a testen kívülrıl származik Belsı sugárterhelés: radioaktív anyag inkorporációja (belégzése, lenyelése) Sugárzás kártétele: determinisztikus (nagy dózis által – nekrózis) sztochasztikus (bármely dózis által – tumor kialakulásának kockázata) 3
Sugárvédelmi ismeretek összefoglalása Kockázat
m=5*10 -2 /S v Dózis Lineáris, küszöb nélküli függvénykapcsolat az effektív dózis és a természetest meghaladó többletdózis által okozott kockázat között – a szabályozás alapja.
4
Sugárvédelmi ismeretek összefoglalása Dóziskorlátozás: DL – immissziós korlát foglalkozási korlát: 20 mSv/év (5 év átlagaként, 1 évben sem lehet >50 mSv) lakossági korlát: 1 mSv/év DC - emissziós korlát = dózismegszorítás (fiktív személy dózisa) Magyarországon: kiemelt létesítmény: lakosságra 0,1 – 0,01 mSv/év, egyéb létesítmény: egységesen 0,03 mSv/év ΣDC nem értelmezhetı, de DC < DL A radioaktív hulladék hatására milyen korlátozás vonatkozik? - mőködı hulladék-feldolgozó, le nem zárt lerakó: DC - „felszabadított” hulladék, lezárt lerakó: egyedi határérték vagy az elhanyagolható dózis = 10 µSv/év
5
Radioaktív hulladékok definíciói, szabályozás Nemzetközi ajánlások: IAEA: Classification of Radioactive Waste for protecting people and the environment No. GSG-1 General Safety Guide (2009) és számos más kiadvány EU: „Radiation Protection” kiadványsorozat Általános nemzetközi alapelv: a hulladék nem exportálható, de… 2011. VI. 27. az EU Tanácsa elfogadta, hogy lehetséges radioaktív hulladék kiszállítása egy tagországból - visszavételi garanciával eladott zárt forrásokra - kutatóreaktorok kiégett főtıelemeire, melyet korábban hulladéknak nyilvánítottak - ha az EU-kívüli befogadó állam hulladékkezelési biztonsága megfelel az EU-s normáknak és a tárolónak van hatósági 6 engedélye
Radioaktív hulladékok definíciói, szabályozás Radioaktív hulladék: további felhasználásra nem szánt, emberi tevékenység (ionizáló sugárzás alkalmazása) eredményeképpen létrejött radioaktív anyag. A hatályos magyarországi jogi szabályozás: 1996. CXVI. tv. („Atomtörvény” – általános szabályozás a nukleáris és „sugaras” létesítményekrıl, „felhatalmazás” a sugárvédelem és a hulladékok ügyének szabályozására) (új verzió: 2011. LXXXVII. tv.) 240/1997. kormányrendelet: RHK, KNPA (felelıs kezelı, anyagi alap) 16/2000. EüM rendelet (foglalkozási és lakossági sugárvédelem) 47/2003. ESzCsM rendelet (radioaktív hulladékok) MSZ 14344/1,2 – 1989, 2004. (radioaktív hulladékok) 24/1997. kormányrendelet és 23/1997. NM rendelet (mentességi szintek) 37/2012. kormányrendelet: új Nukleáris Biztonsági Szabályzatok 7
Radioaktív hulladékok definíciói, szabályozás Radioaktív hulladék keletkezése • folyamatos üzemi kibocsátás (légnemő, folyékony) – a létesítmény dózismegszorításából származtatott kibocsátási korlátnál kisebb mennyiségek, kezelés: nincs vagy üzemszerő, folyamatos • helyben maradó üzemi hulladékok – a kezelés üzemszerő, szakaszos, elszállítás idıszakonként a végleges lerakóba. • baleseti (rövid ideig tartó) kibocsátás és „történelmi” hulladék – a kezelés eseti, szakaszos, része a környezeti helyreállítás (remediation) folyamatának • leszerelési hulladékok – a létesítmény lebontása során keletkezı, fel nem szabadítható anyagok, kezelésük szakaszos, elhelyezés átmeneti, majd végleges lerakóban. 8
Radioaktív hulladékok definíciói, szabályozás IAEA = International Atomic Energy Agency (NAÜ) Kiadás éve:1994.
Mentesség = EXEMPTION Sugárvédelmi intézkedést nem igénylı anyag Osztályozás alapja az aktivitás-koncentráció
9
Radioaktív hulladékok definíciói, szabályozás Safety Series #115 (1996) International Basic Safety Standards for Protection against Ionizing Radiation and for the Safety of Radiation Sources A hulladék-osztályozás alapja az okozható dózis Felszabadítás = CLEARANCE, de a mentességgel azonos szintek Osztályozás alapja az okozható dózissal arányos mennyiség „új IBSS”: GSR-3 (2011 – interim) Eltérı mentességi és felszabadítási 10 szintek
11
12
Radioaktív hulladékok definíciói, szabályozás Elhanyagolható dózis: Hi ≈10 - 30 µSv/év Mentességi szint: (Exemption) egy sugárforrás, illetve egy adott radioaktív koncentrációval jellemzett anyag mentes a sugárvédelmi szabályozás alól, ha a legkedvezıtlenebb forgatókönyv mellett sem okoz Hi-nél nagyobb dózist (foglalkozási vagy lakossági helyzetben). [Bq], [Bq/kg]= MEAK
Felszabadítási szint: (Clearance) egy korábban sugárvédelmi szabályozás alá tartozó anyag kivonható a szabályzás alól (lakossági helyzetben.) [Bq/kg], [Bq/m2] Hasonlóság: kapcsolat Hi-vel. Eltérés: forgatókönyv
13
Figyelem! Óra helyszínének változása! • A 2013. március 22.-i elıadás az R 438. sz. teremben lesz!
Radioaktív hulladékok definíciói, szabályozás A „mentesség” és a „felszabadítás” fogalmai [részben még] nem válnak szét a szabályozásban. Nincsenek külön meghatározott felszabadítási szintek, a mentesség a magyarországi osztályozás alapja – 47/2003. sz. ESzCsM-rendelet, 14344/1-2004. sz. szabvány. A felszabadításhoz rendelt effektív dózis 30 µSv/év! S (=HI „hazard index” =WI „waste index”) veszélyességi mutató MEAK: Mentességi aktivitás-koncentráció [Bq/kg]) !!! AK: aktivitás-koncentráció [Bq/kg] i: a hulladékcsomag radioizotópjai
Kis aktivitású hulladék (LLW) 1 < S < 1000 Közepes akt. h. (ILW) 103 < S <106 Nagy akt. h. (HLW) S > 106, hıfejlıdés > 2 kW/m3 15
Radioaktív hulladékok definíciói, szabályozás IAEA GSG-1 és GSR-3 javaslatai: „csekély” (= moderate ) mennyiség: mentességi szintek [MEAK] használata a REAK: referencia aktivitás-koncentráció helyén „jelentıs” (= bulk ) mennyiség (>1 t): felszabadítási szintek [FEAK] használata a REAK helyén ci S=∑ i REAK i Kibocsátási határérték (KH): a létesítmény dózismegszorításának megfelelı aktivitások [Bq/év] – üzemelés során kibocsátott hulladékokra alkalmazzák MEAK, FEAK, KH közös sajátossága: nem a környezetben, hanem az emisszió helyén mérhetı értékek! 16
A felszabadítási szintek meghatározása – a kritikus forgatókönyv kiválasztása Practical use of the concepts of clearance and exemption RADIATION PROTECTION #122 Part I. EU Directorate General – Environment (2000)
Fejlécben: expozíciós forgatókönyvek (külsı terhelés, belégzés, lenyelés, bırdózis) Táblázatban: egységnyi koncentrációra jutó éves dózis az adott forgatókönyv esetén 17
Felszabadítási és mentességi szintek Hiányzik: 41Ca, 133Ba …
Tehát a felszabadítási szintek nagyságrendekkel kisebbek [lesznek], mint a mentességi szintek !!! (GSR-3 „bulk” szintjei = RP#122 értékei kerekítve)
18
Kibocsátási határértékek Kibocsátási határérték-kritérium: KHK Ai: az i-edik radionuklidból kibocsátott aktivitás [Bq/év] Kibocsátási határérték: KH [Bq/év] izotóponként mfi,KRIT: mobilitási tényezı [-] – az i-edik radioizotóp hígulása a kibocsátás helyétıl a kritikus csoportig (=referencia személyig)
Ai KHK = ∑ ≤1 i KH i DC 1 KH i = × DCFi ,KRIT mf i ,KRIT 19
Radioaktív hulladékok csoportosítása • Halmazállapot szerint: gáznemő, folyékony, szilárd, biológiai hulladék • Felezési idı szerint: rövid, hosszú (határ: 137Cs T=30 év) • Sugárzásfajta szerint: α-sugárzók külön kezelendık • Felületi γ-dózisteljesítmény szerint • „Hulladék-átvételi követelmények” (RHK Kft. Püspökszilágy, Bátaapáti) helyi szempontokat is tartalmaznak • Speciális kategóriák: MW-Mixed Waste - USA; VLLW- very low level waste - Franciaország 20
Radioaktív hulladékok csoportosítása Gyakorlati kategóriák: A tárolt hulladékcsomagok gyors minısítésére
A zárt hulladékcsomag felületén mérhetı γ-dózisteljesítmény szerint: •
-Kis akt.: H ≤ 300 µSv/h • -Közepes akt.: 0,3 ≤ H ≤ 10 mSv/h • -Nagy akt.: H > 10 mSv/h
21
Radiotoxicitás-index: a hulladék veszélyességének kifejezése Hulladék (tároló) veszélyessége „végsı” formájában: radiotoxicitás - index
RTOX = ∑ Ai (t ) × (∑mfi, j × Q j ) × DCFi i
j
RTOX : radiotoxicitás-index (ténylegesen [Sv/év]) A : aktivitás [Bq]; i : radioizotóp minısége mf : „mobilitás-tényezı” adott táplálékra [(Bq/kg)/Bq] Qj : táplálékfogyasztás a j-edik anyagból [kg/év] DCF : dóziskonverziós tényezı [Sv/Bq]
22
Radiotoxicitás – a hulladék veszélyességének kifejezése RT = ∑ A i ( t ) × DCFi i RT : radiotoxicitás [Sv/év] A : aktivitás [Bq]; i : radioizotóp minısége DCF : dóziskonverziós tényezı [Sv/Bq] Ez a definíció „abszolút pesszimista” forgatókönyvet feltételez: a hulladék teljes mennyiségét inkorporálják. A tényleges mértékegység személy×Sv, tehát RT valójában kollektív dózis – lehetetlen, hogy egyetlen személy „fogyassza el” az összes hulladékot, és az is, hogy az hulladék teljes mennyiségét inkorporálják.
23
Radioaktív hulladékok definíciói, szabályozás Az 1996. évi CXVI. tv. szerint a hulladékkezelés az RHK Kft. feladata (http://www.rhk.hu/) Hatósági feladatok a radioaktív anyagokkal kapcsolatban: • Személyi sugárvédelem, dózismegszorítás engedélyezése – Országos Tisztifıorvosi Hivatal = OTH, OSSKI • Nukleáris biztonság = OAH • Sugárforrások nyilvántartása – OAH, MTA Izotópkutató Intézet • Kibocsátási korlátok - környezetvédelmi … felügyelıségek
A hatósági nyilvántartásban szerepelnek: -Mennyiség -Minıség (aktivitás, aktivitás-koncentráció) -Halmazállapot 24
Radioaktív hulladékokra vonatkozó hatósági szabályozás Az OAH-nak véleményezési jogköre van minden olyan elıterjesztéssel kapcsolatban, amely az atomenergiáról szóló törvényhez kapcsolódik. Az OAH évente jelentést készít a kormánynak és az Országgyőlésnek az atomenergia hazai alkalmazásának biztonságáról.
25
Radioaktív hulladékok definíciói, szabályozás Kiemelt nukleáris létesítmények Magyarországon: – Paksi Atomerımő – KKÁT (kiégett kazetták tárolása) – 2 kutatóreaktor -BKR (EK AEKI) -OR (BME NTI) – Bátaapáti (NRHT) – Püspökszilágyi Hulladéktároló (RHFT) – Izotópkutató Intézet „A” szintő izotóplaboratóriuma
26
A Paksi Atomerımő
27
A Budapesti Kutatóreaktor
28
Radioaktív hulladékok keletkezése * Nukleáris energiatermelés hulladékai: bányászat, ércfeldolgozás, urándúsítás, reaktorok mőködése, üzemi és leszerelési hulladékok * Kutatóreaktorok, gyorsítók, spallációs rendszerek hulladékai: más anyagból készült szerelvények, más technológia = részben más radioizotópok * Nukleáris robbantások, fegyverkísérletek hulladékai * Gazdasági sugárforrások: szerkezetvizsgálat, szintjelzés, besugárzó állomások * Orvosi sugárforrások: diagnosztika (in vivo, in vitro), terápia * TENORM: természetes radioaktivitás dúsulása nem nukleáris/sugaras tevékenységek következtében (Technologically Enhanced Naturally Occurring Radioactive29 Material)
Radioaktív hulladékok eredete Nukleáris energiatermelés hulladékai: Uránbányászat 238U T=4,5×109 év, 235U T=0,7×109 év, 232Th T=10,4×109 év és a bomlási soraikba tartozó radionuklidok külszíni fejtés, mélységi = aknás fejtés, ISR: helyszíni kinyerés „in situ recovery” (ISL: helyszíni kioldás „in situ leaching”) Bányászat hulladéka: Meddı, darabolt kıhulladék nagy felület: 222Rn kibocsátása, leányelemek belélegzése lakossági többletdózist okozhat; a visszamaradó urán, tórium és leányelemeik a felszabadítási szint (238U: 1 Bq/g) alatt normális hulladékként kezelhetıek. (IAEA GSR-3 szerinti ”bulk” = nagy tömegő anyag kategória) 30
Uránérc feldolgozás - reaktor üzemanyag elıállítása
Ércırlı és szitáló berendezés
31
Urán bányászata - kioldás A kibányászott, darabolt, sőrőség szerint szétválogatott ércet feltárják. – savas kioldás: kénsavval (in situ is lehetséges) – oxidatív kioldás CO2 + O2 + H2O -val Oxidatív eljárás/ISL kivitelben: ez a legkíméletesebb a környezet számára, kevesebb hulladék marad a felszínen. 32
Radioaktív hulladékok eredete ISR uránbányászati technológia Gáz halmazállapotú oxigént és CO2-t adagolnak a besajtolt vízhez - az eljárás ugyanazon az elven működik, mint az urán természetes oldódása. Mivel az oxigénes víz az uránon kívül más elemeket alig vagy egyáltalán nem képes oldani, ezért a képződő hulladék mennyisége igen csekély és nem radioaktív. 33
Urántartalmú reaktor-főtıelem elıállítása Feltárt kızetbıl kapott oldat feldolgozása: Lecsapás UO2, UO3, U3O8 uránoxid „yellow cake” (sárga por), a dúsítóba szállítják, ahol gáznemő UF6-tá alakítják. 235U + 238U (dúsított): 238U(szegényített): fegyvergyártás fıként UO2-ként kerül a főtıelemekbe Nehézvizes reaktor (HWR): természetes urán a főtıelemekben Urán: toxikus nehézfém, sejtméreg vesepusztító Határérték vízben: 10 µg/l 34
Uránérc dúsítás Incident update at Gronau uranium enrichment facility 27 January 2010 As reported, there was an incident on Thursday 21.01.2010 at the URENCO uranium enrichment facility in Gronau, Germany, during which there was a minor release of uranium hexafluoride that was contained within the container preparation area. Since the air in the container preparation room is filtered, there was no release to the environment or to the local population. URENCO constantly monitors the radioactivity within the building and on site. In addition, control measurements were taken immediately after the accident. The URENCO employee involved was transferred to the nuclear medical department of Dusseldorf University Clinic in Jülich on Monday, after having received first aid in Münster. According to the doctors treating him, his general condition is very good.
35
Az urán és a tórium bomlási sora a radonig
36
Radon 222Rn daughter products Rn-222 -
α (5.5 MeV) T=3.8 d
Po-218 -
α (6.00 MeV) T=3.1 m
Pb-214 -
β (185keV – 1.02MeV) T=26.8 m γ (295, 352 keV 2 peaks)
Bi-214 -
β (526keV – 1.26MeV) T=19.9 m γ (76keV….2.45MeV 14 peaks)
Po-214 -
α (7.69 MeV) T=164 µs
Pb-210 -
β, γ (soft) T=22 y
Bi-210 -
β (300 keV - 1.16 MeV) T=5.01 d
Po-210 -
α(4.5, 5.3 MeV) T=138 d 37
Radon 220Rn (Thoron) daughter products Rn-220
α (6.3 MeV)
T= 54 s
Po-216
α (6.77 MeV)
T = 0.15 s
Pb-212
β (100 keV) γ (87keV … 300KeV)
T = 10.6 h
Bi-212
α (6.3 MeV) – 36% β (2.25 MeV) – 64% γ (70keV … 1.8MeV)
T = 60.6 m
Tl-208
β (200….700keV) γ (84keV…2.6MeV)
T = 3.05 m
Po-212
α (8,78 MeV)
T = 0.3 µs 38
Az uránbányászat hulladékainak vizsgálata Urán, tórium: gyengén radioaktívak, inaktív módszerekkel érzékenyebben analizálhatók Rövidebb felezési idejő leányelemek: α- és γ-spektrometria, elıbbihez a minták feldolgozása (elválasztása) szükséges
39
Visszamaradt környezetszennyezés az uránbányászat után - Pécs környéki uránbánya területének helyreállítása
Ezt és a következı 4 képet Dr. Várhegyi Andrástól (Mecsek Öko zrt.) kaptuk. 40
Uránérc-feldolgozás zagytározók rekultivációja: Tájrendezés
Morfológia kialakítás, felületstabilizálás Beszivárgást minimalizáló fedés Felszíni vízrendezés, vízelvezetés Hosszú távú stabilitás elérése
41
Geotechnika és rekultiváció ...
Az iszapmag konszolidációja a vízleengedés után
42
Geotechnika és rekultiváció ...
Iszapmag felszínének elıkészítése
43
Radioaktív hulladékok eredete Nukleáris energiatermelés - reaktorok • Urán és transzurán aktivációs/spallációs termékek • Hasadási termékek • Szerkezeti anyagok aktivációs termékei („Korróziós” termékek) • Vízkémiai aktivációs termékek
44
Radioaktív hulladékok eredete Reaktorok – transzurán aktivációs termékek Urán és transzurán aktivációs/spallációs termékek Termikus neutronok: aktivációs modell „átmeneti mag”-on keresztül (tömegszámnövekedés) Gyors neutronok: szórás, spalláció (tömegszám-csökkenés)
45
Radioaktív hulladékok eredete Reaktorok – transzurán aktivációs termékek Aktiválás termikus neutronokkal 238U (n,γ) 239U (T=23 perc) β-► ► 239Np (T=2.4 nap) β-► ► 239Pu (T=24 110 év) α 239Pu (n,γ) 240Pu (T=6563 év) α 240Pu (n,γ) 241Pu (T=14.4 év) β-► ► 241Am (T=432 év) α,γ kulcsnuklid a nehezen mérhetı (DTM) nuklidokhoz 239Pu, 241Pu indukált hasadásra képesek α-sugárzó Pu, Am, Np nuklidok: DCF (belégzés) >10-5 Sv/Bq DCF (lenyelés) >10-7 Sv/Bq Idáig – 5. ea. 2013. III. 22. 1. dolgozat anyaga
46
