Технологии
РАО в Приволжье разложили по схеме

В России продолжается создание системы обращения с РАО; в нее входят объекты переработки и захоронения отходов, на которых применяются различные технологические решения. Где-то такие объекты уже существуют, а где-то их придется создать. Но как определить, какие мощности необходимы и где их лучше разместить? Схему поиска оптимальных решений специалисты госкорпорации «Росатом» и АО «ВНИПИпромтехнологии» отработали на примере Приволжского федерального округа. Мы публикуем их статью с результатами исследования.

Необходимый элемент завершающего этапа технологической схемы обращения с радиоактивными отходами (РАО) — приведение их в форму, соответствующую критериям приемлемости для захоронения в объектах окончательной изоляции.
 
На основании данных локальных стратегий предприятий ГК «Росатом» в Приволжском федеральном округе, а также данных, представленных предприятиями в ходе проводившихся инвентаризаций, был проведен анализ установок по переработке и кондиционированию РАО различных типов на предприятиях Приволжского федерального округа.
 
Выяснилось, что подготовка исходных РАО, образующихся в результате деятельности предприятий Росатома в Приволжском федеральном округе, к окончательной изоляции производится по различным технологическим схемам; пока нет единой концепции подготовки накопленных и образующихся РАО к транспортировке и захоронению. Технологии переработки и кондиционирования отходов и, соответственно, установки создавались с учетом специфики образующихся отходов для конкретных предприятий и в большинстве своем не являются унифицированными и универсальными. Только небольшая часть используемых и производимых установок по обращению с РАО может быть отнесена к стандартизированному оборудованию (обладающему широким спектром применимости и возможностью тиражирования).
 
Сложившаяся ситуация объясняется разнообразием типов накопленных отходов, затрудняющим применение единой типовой технологии их переработки и подготовки к захоронению. Все это объясняет экономически неэффективное применение отдельных технологий для конкретных отходов предприятий и затрудняет подготовку отходов к захоронению в масштабах округа.
 
Создание единой концепции подготовки накопленных и образующихся РАО поможет значительно ускорить процессы обращения с РАО и сократить расходы на его завершающие этапы.
 
Формирование единой концепции подготовки и захоронения различных типов РАО Приволжского ФО сопряжено с определением оптимальных по технико-экономическим параметрам установок и комплексов по переработке отходов и их приведением в соответствие критериям приемлемости, оценкой потребности округа в типах и производительности недостающих комплексов и поиском оптимальных площадок для их размещения.
 
Для определения возможности приведения различных видов РАО в соответствие с критериями приемлемости для захоронения, а также для оценки объемов переработанных и упакованных РАО были детально рассмотрены существующие технологии переработки различных типов отходов. В табл. 1 укрупненно представлены основные альтернативные варианты обращения с различными типами радиоактивных отходов и приведения их в соответствие с критериями приемлемости для захоронения.
 
 
Были проанализированы технико-экономические характеристики РАО, производимых и существующих на различных предприятиях комплексов по их переработке и кондиционированию. В ходе анализа определялись: спектр применимости технических решений, возможности тиражирования, универсальность установок и другие параметры, отвечающие требованиям стандартизации.
 
В результате был сформирован перечень существующих стандартизированных комплексов и установок по переработке РАО различных типов и генезиса.
 
В связи с тем, что до настоящего времени сравнительные оценки эффективности отдельных установок и комплексов по переработке РАО часто не принимали во внимание затраты на окончательную изоляцию, сравнение альтернативных методов переработки отходов проводилось в два этапа. На первом этапе сопоставлялись затраты непосредственно на переработку РАО с учетом капитальных и эксплуатационных издержек. На втором этапе учитывались изменение объема РАО при переработке, стоимость контейнеризации кондиционированных РАО и затраты на окончательную изоляцию полученных объемов РАО, приведенных в соответствие с критериями приемлемости.
 
Сравнение показало, что учет затрат на окончательную изоляцию РАО может вносить существенные изменения в результаты оценки суммарных затрат. Таким образом, при выборе варианта переработки РАО необходимо учитывать стоимость не только переработки, но и захоронения РАО.
 
На рис. 1 показано сравнение затрат на переработку различными методами неорганических жидких радиоактивных отходов (ЖРО) низкой активности. Как видно из графика, наименьших затрат требуют методы фильтрации, селективной сорбции и мембранной очистки. Разница в величине суммарных затрат на обращение с такими типами РАО может достигать 6 тыс. руб/м³ РАО, что вчетверо дешевле наименее эффективного способа. Таким образом, наиболее целесообразным при подготовке неорганических ЖРО будет использование именно этих технологий.
 
 
Предварительное сравнение стоимости обращения с горючими и негорючими ТРО показало, что наименее затратный метод — прямое цементирование РАО. Однако, если учитывать объемы образующихся РАО и стоимость их последующего захоронения (тариф на захоронение взят по 4-му классу опасности), метод прямого цементирования оказывается наиболее затратным (рис. 2). Таким образом, при обращении с негорючими ТРО целесообразно использование метода прессования (суммарные затраты для него будут на ~70 тыс. руб/м³ меньше, чем для метода прямого цементирования), а при обращении с горючими ТРО — метода сжигания/плазменной переработки (суммарные затраты для него будут на ~45 тыс. руб/м³ меньше, чем для метода прямого цементирования). На рис. 2 показано сопоставление затрат на переработку органических жидких радиоактивных отходов (ОЖРО). Наименее затратно включение ОЖРО в состав цементной матрицы на установке «Монолит-ц», а наиболее дорогой — метод плазменного сжигания. Однако с учетом стоимости окончательной изоляции РАО, полученных в результате переработки, наименее затратным окажется способ ­плазменной переработки (суммарные затраты для него будут на ~55 тыс. ­руб/м³ меньше, чем для метода прямого цементирования ОЖРО, и на ~35 тыс. руб/м³ меньше, чем для метода цементирования на установке типа «Монолит»).
 
 
Кроме стандартизированных установок для переработки РАО были рассмотрены перспективные технические решения по подготовке отработанных ионообменных смол к окончательной изоляции, находящиеся на стадиях лабораторной и опытной эксплуатации.
 
На рис. 3 показана структура цены при обращении с отработанными ионообменными смолами низкой активности. Наиболее дорогой метод, за счет больших затрат на контейнеризацию и захоронение, — метод цементирования ОИОС. Незначительно дешевле метод битумирования; это связано со значительными удельными капитальными затратами, а также большой стоимостью контейнеризации и захоронения полученных РАО. Наилучшими показателями обладает метод сушки ОИОС: суммарные затраты при его использовании на ~200 тыс. руб/м³ меньше, чем для метода прямого цементирования смол.
 
 
В результате проведенного сравнения полных затрат на обращение с РАО различными альтернативными методами было определено:
  • При обращении с НАО и САО ЖРО наиболее целесообразны методы фильтрации, селективной сорбции и мембранной очистки.
  • При обращении с горючими ЖРО и органическими РАО наименьших затрат требует метод плазменной переработки РАО.
  • При обращении с негорючими ТРО наилучшие показатели у метода прессования РАО, а при обращении с горючими ТРО наименьших суммарных затрат на подготовку, контейнеризацию и захоронение требует метод сжигания/плазменной переработки.
  • Применение метода прямого цементирования РАО без предварительной переработки нецелесообразно, так как стоимость захоронения полученных в результате РАО значительно удорожает всю систему обращения.
С использованием полученных результатов по оптимальным вариантам переработки и приведения РАО различных типов в соответствие с критериями приемлемости были разработаны рекомендации по формированию производственно-логистической схемы для условий Приволжского ФО. Для этого, на основе данных по объемам образования РАО различного типа и генезиса в Приволжском ФО, была выполнена оценка потребности округа в мощностях по переработке и определены оптимальные места их размещения.
 
На основании анализа технико-экономических параметров существующих технологий, взаимоувязки технических решений, учета изменений характеристик перерабатываемых РАО в результате технологических переделов были сформированы технологические цепочки обращения и кондиционирования различных типов РАО.
 
При формировании цепочек все типы РАО разделялись по признакам удельной активности (НАО, САО, ВАО) и горючести (горючие, негорючие). В результате были сформированы схемы переработки и кондиционирования, обеспечивающие передачу РАО на захоронение.
 
Завершающий элемент обращения — приведение РАО в соответствие с критериями приемлемости для захоронения; для этого необходимо обеспечить иммобилизацию РАО. Следует отметить, что в отношении ряда потоков РАО применяется только метод иммобилизации/кондиционирования, без проведения предварительных операций, в то время как для большинства других потоков РАО необходимо проведение цепочки взаимосвязанных операций по переработке и кондиционированию.
 
Одна из задач оптимизации — сокращение числа используемых установок, как по номенклатуре, так и по количеству установленных комплексов. Для этого был проведен анализ возможности использования одной установки для переработки и кондиционирования нескольких потоков различных РАО. При этом рассматривались возможности как совместной, так и последовательной переработки. В результате были выделены схемы совместной переработки отходов.
 
Сформированные технологические цепочки использовались при моделировании возможных вариантов формирования производственно-логистической инфраструктуры.
 
Для определения потребности округа в типах и производительности недостающих комплексов переработки РАО, а также для поиска оптимальных площадок их размещения было проведено моделирование потоков переработки отходов, образующихся в Приволжском федеральном округе, с учетом оптимальных технологических схем, объемов РАО и существующих комплексов переработки.
 
Было проведено сопоставление всех потоков РАО, образующихся на предприятиях Приволжского федерального округа, с оптимальными цепочками переработки (образованными стандартизированными установками). Для каждого предприятия каждый поток РАО был разбит на подпотоки с целью получения полного списка нагрузок на требуемые установки (методы) переработки.
 

 

При формировании цепочек учитывались следующие данные:

1. Технико-экономические параметры установок:
принимаемый спектр РАО;
производительность;
коэффициент изменения объема;
стоимость эксплуатации;
стоимость установки.
 
2. Изменение характеристик РАО:
удельная активность;
химический состав;
агрегатное состояние;
объем;
тип РАО (жидкие, твердые,
ионообменные смолы и т.д.).
 
3. Возможность использования последующих технологических шагов:
ограничения по активности РАО;
ограничения по химико-физическим свойствам РАО;
требования к агрегатному состоянию РАО.
 

 

С целью определения дефицита и избытка мощностей переработки РАО в Приволжском федеральном округе было проведено сопоставление рассчитанных значений суммарных ожидаемых нагрузок на установки для каждого предприятия со значениями существующих на этих предприятиях мощностей переработки РАО. Результаты расчетов отображены на графике (рис. 4).
 
 
Расчеты показали, что наиболее востребованные типы установок и комплексов для переработки образующихся на предприятиях Приволжского федерального округа РАО следующие:
  • комплекс сжигания и цементирования зольного остатка;
  • установка цементирования РАО;
  • комплекс дезактивации ТРО;
  • установка плавления.
 
Подробнее о мощностях этих установок и комплексов — см. инфографику.
 
Выявленные потребности в установках мембранной переработки, сорбционной очистки, остекловывания, фрагментации, сортировки и прессования ВАО характеризуются незначительными нагрузками, что делает нецелесообразным создание данных комплексов в округе.
 
Кроме того, в Приволжском федеральном округе планируется ежегодное образование ≈ 8 м³ ионообменных смол и 2 м³ иловых осадков. Создание комплекса по переработке ИОС, учитывая небольшой объем их образования, также нецелесообразно. В связи с этим оптимальным решением проблемы переработки ИОС в округе может стать их передача на КП ТРО Курской АЭС, или на установку «Плутон» в МосНПО «Радон», или на Нововоронежскую АЭС.
 
Потребность округа в мощностях по остекловыванию составляет 200 л/год и вызвана образованием ТРО ВАО (зольные остатки) на предприятиях ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ» и НИИАРа. Потребность в остекловывании ВАО такого типа в округе относительно невелика, поэтому создание комплекса остекловывания нецелесообразно. Весь объем ВАО рекомендуется передавать специализированным организациям в других федеральных округах (ПО «Маяк», «Радон», ЗАО «Экомет-С»).
 
Плазменная печь по переработке РАО на Нововоронежской АЭС была запущена в 2015 году. Комплекс рассчитан на переработку до 250 кг ТРО/час. В результате обработки объем отходов сокращается в десятки раз. На выходе получается стеклоподобный кирпич, в котором концентрируется 90 % радиоактивных частиц. Проектный срок службы установки — 30 лет.
 
Потребность в обращении с ТРО ВАО определяется (согласно локальным стратегиям) образованием в НИИАРе потоков ВАО, не поддающихся классификации (99 — прочие типы РАО). Для приведения таких отходов в соответствие критериям приемлемости для захоронения и последующей передачи НО РАО необходимо произвести работы по иммобилизации (кондиционированию). Так как генезис данных ВАО не определен и стандартизированное оборудования для обращения с такими РАО отсутствует, рекомендуется проведение дополнительных исследований с целью установления генезиса отходов и разработки специализированного оборудования по кондиционированию ВАО такого типа.
 
В зависимости от размещения необходимых дополнительных комплексов или отдельных установок переработки РАО могут значительно различаться суммарные затраты на транспортировку непереработанных отходов от предприятий образования до пунктов переработки.
 
С целью поиска оптимального варианта размещения дополнительных мощностей переработки РАО ПФО были проведены расчеты суммарных затрат на транспортировку РАО при размещении дополнительных комплексов переработки на всех возможных площадках их образования.
 
Результаты расчета суммарных транспортных издержек при размещении различных элементов комплекса дополнительных мощностей переработки РАО в округе представлены на рис. 5.
 
 
Проведенные транспортно-логистические расчеты показали, что для сокращения транспортных издержек все необходимые дополнительные мощности переработки РАО, образующихся на предприятиях Приволжского федерального округа, наиболее целесообразно разместить на площадке НИИАРа.
 
Стоит отметить, что комплекс сортировки и фрагментации РАО с достаточной производительностью существует на Балаковской АЭС, и он потенциально способен удовлетворить потребности предприятий округа. Однако транспортные издержки при сортировке и фрагментации РАО на Балаковской АЭС будут на 60 млн руб. выше, чем при организации данных работ на площадках НИИАРа. 
 
Таким образом, вводить дополнительные мощности по сортировке и фрагментации РАО на площадке НИИАРа целесообразно в том случае, если затраты на создание комплекса не превысят 60 млн рублей, в противном случае наименее затратным будет вариант сортировки и фрагментации РАО на существующих мощностях Балаковской АЭС.
 
Оптимальное размещение транспортно-логистической инфраструктуры переработки РАО в Приволжском федеральном округе проиллюстрировано на рис. 6. На карте также отображены суммарные затраты на транспортировку некондиционированных РАО, образовавшихся в 2013–2025 годах, которые
предприятия не в состоянии переработать собственными силами.
 
 
Рис.6
 
Как видно из рис. 6, с точки зрения объемов транспортировки для размещения мощностей переработки РАО площадка НИИАРа расположена наиболее удачно. Помимо этого, большое влияние на минимизацию транспортно-логистических затрат оказывает тот факт, что в 2013–2025 годах на НИИАРе предполагается образование ≈ 15 тыс. м³ РАО, которые предприятие не способно переработать на имеющихся установках. При этом суммарный объем РАО, образующихся на остальных предприятиях округа, который они не в состоянии сегодня переработать собственными силами, — около 6 тыс. м³.
 

Выводы

На основе анализа локальных стратегий и производственных планов предприятий Росатома, расположенных в Приволжском федеральном округе, был сформирован прогноз образования различных типов РАО и проведено структурирование РАО по показателям активности, горючести, агрегатного состояния и генезиса. Были рассмотрены методы обращения с РАО различных видов, активности и химико-физических свойств и сформирован перечень технических решений, направленных на приведение различных типов РАО в соответствие критериям приемлемости; произведена оценка достаточности существующих методов для целей переработки РАО, образующихся на предприятиях Росатома в Приволжском ФО (в 2013–2025 годах). Выполнен анализ наличия на предприятиях госкорпорации в этом регионе мощностей по переработке и кондиционированию различных видов РАО.
 
 
Комплексный анализ объемов переработки РАО, образующихся на предприятиях Приволжского федерального округа, с учетом оптимальных технологических цепочек показал, что округ нуждается в дополнительных комплексах сжигания и цементирования зольного остатка, установке цементирования РАО, комплексе дезактивации ТРО, установке плавления. Помимо этого, в округе выявлены потребности в установках мембранной переработки, сорбционной очистки, остекловывания, фрагментации, сортировки и прессования ВАО, характеризующиеся незначительными нагрузками, в связи с чем их создание в округе нецелесообразно.
 
Авторы: А. А. Абрамов, А. Н. Дорофеев, С. А. Дерябин (ГК «Росатом») В. С. Гупало, В. Н. Чистяков, А. И. Фещенко (АО «ВНИПИпромтехнологии»)

 

26.05.2016

Комментарии 0

Войдите или  зарегистрируйтесь, чтобы отправлять комментарии
Аналитика