Seccions
- Introducció
- Tipologia de residus de baixa i mitjana conductivitat
- Condicionament dels Residus
- Aplicació concreta a un condicionament de resines
Introducció
En un reactor nuclear es generen diferents tipus de residus nuclears i convencionals. En articles anteriors es va centrar l’atenció sobre la generació dels residus i el seu tractament específic. En el present article, l’objectiu és el condicionament i la inertització dels residus de baixa i mitjana activitat.
A mode de resum, recordem que els residus d’alta activitat (Uranium 235, U238, Pu-239,…) es troben a les vainetes de zircaloy presents al nucli del reactor. Així mateix, els fragments de fissió originats en la reacció nuclear queden confinats a les pròpies vainetes.
Tot aquest grup de residus, un cop hagi finalitzat el cicle del combustible, són transportats a la piscina d’emmagatzematge on hi romandran fins al trasllat a dipòsit final, ja sigui en superfície o dipòsit geològic. Hi ha un altre tipus de residus que es generen com a conseqüència de les reaccions nuclears d’activació neutrònica, de captura de diferents tipus de partícules (neutrons) o processos d’adsorció gamma.
En especial el líquid refrigerant que circula pel circuit primari i que té la doble missió d’extreure l’energia generada per les reaccions nuclears i refrigerar el nucli del reactor on succeeixen els esdeveniments nuclears.
Aquest líquid que refreda el reactor està constituït per substàncies específiques com:
- Àcid bòric: El seu objectiu és l’adsorció de neutrons per tal de disminuir el nombre de fissures i moderar la reacció nuclear. La seva concentració oscil·la en funció de l’activitat del nucli però oscil·la entre els 1000 – 2000 ppm.
- Hidroxid de liti: El seu objectiu és controlar el pH del refrigerant per evitar processos de corrosió.
- Peròxid d’hidrogen: Regula el potencial de la dissolució. Afavoreix que els metalls en dissolució romanguin en forma iònica i no originin dipòsits en colzes o punts específics del circuit.
- Productes de corrosió: Diferents metalls que procedeixen de l’estructura d’acer del circuit primari i que per diferents processos de corrosió s’incorporen a la dissolució del refrigerant (Co-60, Mn-54, Co-58,…).
- Triti, procedent de l’activació del deuteri natural present a l’aigua per efecte dels neutrons. El triti és un emissor β i un dels principals problemes del processament de residus nuclears.
Hi ha tota una sèrie de residus operacionals que poden contenir concentracions variables de Cs-137, Sr-90, Co-60 i que es generen en neteges específiques de vàlvules, moviments de combustible gastat a piscines, neteja de fangs, etc.
En aquest article el tractament de gasos no es tractarà per ser un apartat molt específic amb problemàtiques centrades en grups d’espècies de l’iode, gasos nobles, triti, etc. Ens centrarem en els efluents líquids amb residus de baixa i mitjana activitat.
Els residus radioactius es poden classificar atenent a diferents criteris, com per exemple, segons el seu estat físic (gaseosos, líquids i sòlids, que al seu torn podrien classificar-se en residus compactables, incinerables, metàl·lics, etc.), segons el tipus de radiació que emetin (alfa, beta, gamma, neutrons), el període de semidesintegració (vida curta o vida llarga), o la seva activitat específica (activitat alta, mitjana i baixa).
Atenent a la gestió dels residus radioactius, la classificació es centra en el nivell d’activitat específica i al període de decaïment ja que aquests dos factors condicionen el tipus d’aïllament i condicionament que s’han de tenir en compte en el seu emmagatzematge.
L’Organisme Internacional de l’Energia Atòmica proposa una classificació amb vista a l’emmagatzematge definitiu dels residus (ref. 11), els criteris dels quals es resumeixen a la Taula 1 i es representen esquemàticament a la figura 2.
Com s’observa, per a la classificació es consideren diversos límits quantitatius:
- Una dosi efectiva màxima per a membres del públic de 10 µSv/any, com a límit per a l’exempció o desclassificació dels residus.
- 30 anys de període de semidesintegració com a valor de separació entre residus de vida curta i vida llarga.
- Un contingut mitjà de 400 Bq/g i màxim de 4.000 Bq/g d’emissors alfa de vida llarga perquè el residu hagi de ser considerat de vida llarga.
- Una potència calorífica superior a 2 kW/m3 perquè el residu hagi de ser considerat d’alta activitat (també s’ha d’excedir el límit en emissors alfa de vida llarga).
| Característiques típiques de les diferents categories de residus radioactius proposades per l’OIEA | ||
| Categoria del residu | Característiques típiques | Sistemes d’emmagatzematge |
| Residus exempts o desclassificats (RE) | Nivells d’activitat la lliberació dels quals no impliqui una dosi anual als membres del públic superior a 10 µSv | Sense restriccions radiològiques |
| Residus de baixa o mitjana activitat (RBMA) | Nivells d’activitat la lliberació dels quals pugui implicar una dosi anual als membres del públic superior a 10 µSv i que tinguin una potència tèrmica inferior a 2 kW/m3 | |
| Residus de baixa o mitjana activitat i vida curta (RBMA-VC) | Concentració limitada de radionúclids de vida llarga (4000 Bq/g d’emissors alfa de vida llarga com a màxim en lots individuals, amb un valor mitjà de 400 Bq/g en el conjunt) | Sistemes d’emmagatzematge en superfície o sistemes geològics |
| Residus de baixa o mitjana activitat i vida llarga (RBMA-VL) | Concentracions de radionúclids de vida llarga superiors a les dels residus de vida curta | Sistemes geològics d’emmagatzematge |
| Residus d’alta activitat (RAA) | Potència tèrmica superior a 2 kW/m3 i concentracions de radionúclids de vida llarga superiors a les dels residus de vida curta | Sistemes geològics d’emmagatzematge |
| Taula 1 | ||
Gràfica 1
En referència als residus que tractarem en el present article, residus de baixa i mitjana activitat podem concretar el següent:
- Residus d’activitat baixa i mitjana (RBMA) – Residus la concentració en radionúclids dels quals és tal que la generació d’energia tèrmica durant la seva evacuació és prou baixa. Aquests valors acceptables s’estableixen en funció del lloc d’evacuació després d’una avaluació de seguretat.
- Residus de vida curta (RBMA-VC) – Residus radioactius que contenen nuclis la vida mitjana dels quals és inferior o igual a la del Cs-137 i Sr-90 (trenta anys, aproximadament) amb una concentració limitada de radionúclids alfa de vida llarga (limitació dels radionúclids emissors alfa a 4 000 Bq/g en lots individuals de residus i a una mitjana general de 400 Bq/g en el volum total de residus).
- Residus de vida llarga (RBMA-VC) – Radionúclids i emissors alfa de vida llarga la concentració dels quals és superior als límits aplicables als residus de vida curta.
Cal tenir en compte que el sistema de classificació està destinat a ser utilitzat únicament per a residus sòlids, encara que cal assenyalar que alguns residus radioactius tenen estat líquid i es podrien tractar com a residus de transició. Aquesta tipologia de residus prové d’hospitals i activitats mèdiques.
En relació amb el nostre país, cal indicar que en essència es segueixen les recomanacions de la CE, si bé, dins de la categoria de RBMA, a Espanya s’està considerant un altre grup de residus, els de molt baixa activitat (RMBA), que contenen radionúclids en concentracions molt baixes i el seu emmagatzematge no requereix sistemes d’aïllament tan complexos com per a la resta dels RBMA. Per tant, aquesta subdivisió s’aplica exclusivament des del punt de vista del tipus d’emmagatzematge requerit.
En la gestió de residus radioactius de baixa i mitjana activitat, s’aplica el concepte de “Bulto”. Es considera bulto el conjunt format pel residu radioactiu, l’agent de condicionament i l’embalatge que l’acull. La pràctica majoria de residus de baixa i mitjana activitat es gestiona mitjançant els bultos. Normalment el bulto implica un bidó de 220 litres amb tota una estructura de protecció i un sistema d’inertització del propi residu.
La quantitat en volum i percentatge de residus de baixa i mitjana activitat que s’han de gestionar a Espanya, en l’àmbit nuclear, ve indicada a la taula següent. Pràcticament el 92% prové de les CN i el seu desmantellament.
| Quantitats totals de RMBA a gestionar a Espanya | ||
| CONCEPTE | VOLUM (m3) | PERCENTATGE |
| Operació de centrals nuclears | 36.071 | 20,46% |
| Desmantellament de centrals nuclears | 127.185 | 72,12% |
| Operació i desmantellament de fàbrica d’elements combustibles + PIMIC | 1.593 | 0,90% |
| Instal·lacions radioactives i similars | 4.861 | 2,76% |
| Incidents de contaminació i altres | 6.636 | 3,76% |
| Total | 176.346 | 100,00% |
En referència als residus radioactius de baixa i mitjana activitat generats en el desmantellament de les centrals nuclears espanyoles, s’han generat fins a la data, únicament els derivats del desmantellament a Nivell 2 de la central nuclear de Vandellòs-I, la qual cosa suposa de l’ordre del 20% de la generació prevista del total que es produirà en aquesta central quan es finalitzi el seu desmantellament i es procedeixi a la corresponent clausura.
La generació de RBMA corresponent al desmantellament ja efectuat, ha assolit el valor de 3.400 m3, que és només el 3% del volum previst a gestionar en el desmantellament del conjunt de les centrals nuclears.
Tipologia de residus de baixa i mitjana conductivitat
En funció de la naturalesa dels residus, podem definir 7 tipologies:
- Resines: Suspensions de resines d’intercanvi iònic que un cop esgotades, es descarreguen dels desmineralitzadors dels sistemes de purificació. Els sistemes d’intercanvi de retenció del bor, retencions de cesi i cobalt són un dels més importants, amb l’objectiu de netejar els isòtops del refrigerant. Un dels problemes de les resines és la seva capacitat d’inflament. En contacte amb la dissolució incorporen dissolvent aquós a la seva estructura i això afecta el volum final del residu. Des d’aquest punt de vista s’estan estudiant altres opcions com els adsorbents d’isòtops específics.
- Concentrats d’evaporadors: Dissolucions de sals concentrades procedents d’evaporadors per al tractament d’àcid bòric, i efluents de processos.
- Fangs: Fangars procedents de dipòsits, precipitacions, neteja de vies de comunicació per al trasllat de combustible gastat, fangars procedents de filtres. Aquests fangars han de ser inertitzats. Una de les fonts de fangars és l’eliminació de la pre-capa i insolubles dels filtres dels sistemes de purificació de l’aigua del reactor i de la piscina de combustible irradiat. Altres fangars que formen part d’aquesta corrent de residus són els generats en el sistema de tractament de residus radioactius líquids per sedimentació de l’aigua emmagatzemada als tancs addicionals de residus, així com els fangs procedents dels contrallavats del sistema de filtració del condensat. Un exemple d’aquesta producció de residus en decantadors el tenim en el tractament de fangars procedents de la Central de Santa Maria de Garoña. El processament dels fangars actualment existents als tancs decantadors es durà a terme mitjançant fluidificació per re-suspensió, barreja, filtració, assecat i embidonat dels mateixos. El volum de fangars continguts als tancs decantadors és de 300 m3 i s’espera una producció de 580 bidons de 135 litres de residus condicionats. Als tancs addicionals de residus hi ha altres 50 m3 de fangs decantats que, depenent de la situació operacional del sistema de tractament de residus radioactius líquids, també seran processats.
- Materials compactables: Aquests materials fan referència a vestimenta específica EPI’s, filtres de ventilació, draps, estris de plàstic.
- Sòlids no compactables: eines, peces metàl·liques, runa, fustes, etc.
- Filtres de circuits líquids: Filtres metàl·lics de sistemes de procés.
- Residus no operacionals o derivats d’actuacions puntuals com el tractament d’efluents amb Sb-125.
Tots aquests residus han de ser immobilitzats i col·locats en bidons degudament homologats. Comúment s’utilitzen bidons de 220 litres. Existeixen dos tipus de bultos que es classifiquen per la seva activitat en dos nivells 1 i 2.
Bultos de Nivell 1: Són aquells bultos, que de forma individual i condicionats en un contenidor de 0,22 m3 no superen el valor d’activitat màxima que s’indica a l’annex de l’especificació tècnica 031-ES-IN-0002. Els valors per bulto individual depenen de diferents configuracions: nombre de bultos per U.A., tipus de bulto i característiques del contenidor.
Bultos de Nivell 2: Són bultos la activitat dels quals és superior a la corresponent al Nivell 1 i el valor màxim d’activitat no supera els límits derivats dels valors de les unitats de condicionament de Nivell 2, amb la consideració deguda al factor d’heterogeneïtat. A l’annex II de l’especificació 031-ES-IN-0011.
La taula següent mostra els diferents nivells de classificació dels bultos:
| CLASSIFICACIÓ BULTOS TIPIFICATS | ||
| RESIDUS LÍQUIDS HOMOGENIS | Nivell 1 | Concentrats d’evaporador, resines en pols, fangars o mescles incorporats a matriu de conglomerant hidràulic. |
| Nivell 2 | ||
| RESIDUS SÒLIDS (HETEROGENIS O HOMOGENIS PORTATS A SEC | Nivell 1 | Resines de bola incorporades a matriu de C.H. |
| Nivell 2 | ||
| Nivell 1 | Filtres de circuits líquids immobilitzats per mitjà de Conglomerant hidràulic. | |
| Nivell 2 | ||
| Nivell 1 | Sòlids no compactables introduïts en contenidor(1,3m3) | |
| Nivell 2 | ||
| Nivell 1 | Sòlids compactables i no compactables | |
| Nivell 2 | ||
| Nivell 1 | Residus sòlids o portats a sec immobilitzats per mitjà de conglomerat hidràulic. | |
| Nivell 2 | ||
Condicionament dels Residus
El condicionament del residu nuclear es produeix a totes les Centrals Nuclears per al tractament dels residus esmentats anteriorment. Previ a un procés d’evaporació, deshidratació en el cas de les resines d’operació o resines de descontaminació del circuit primari, s’utilitza un conglomerant hidràulic (ciment o morter) com a agent de solidificació o d’immobilització per fer una matriu homogènia i estable.
Els efluents concentrats, les resines esgotades i els fangars es barregen amb ciment. Aquest ciment ha de complir la referència tècnica A32-ES-CB-0063. Per exemple, segons el document JC-LP-29 la relació aigua/ciment en un condicionament no ha de superar el 0,47 i el percentatge de resina seca per bulto no superarà el valor del 4%.
En el cas de sòlids no estables, en especial determinats tipus de filtres, la immobilització es realitza amb morter formant una coberta que recobreix el residu i l’estabilitza.
Els principals criteris a mode de resum, que ha de complir el condicionament de bultos són els següents:
- Límits d’activitat específica i global continguts a les taules incloses als annexos I i II.
- No podran tenir complexants per sobre del 8%
- Els residus condicionats no hauran de contenir líquids orgànics incorporats a la matriu, per sobre del 3%.
- Els residus condicionats no hauran de contenir substàncies pirofòriques ni susceptibles de tenir reaccions fortament exotèrmiques.
- Els residus seran condicionats mitjançant incorporació a matriu o mitjançant paret de conglomerat hidràulic.
- Es minimitzarà l’existència de buits lliures. La taxa de farciment per a bultos incorporats a matriu sòlida serà del 95% +/- 5%. La taxa de farciment per a bultos amb paret serà superior o igual al 98%.
- El líquid lliure per a bultos condicionats no superarà després del fraguat el 0,5%.
- Amb caràcter general, les matrius o parets de conglomerat hidràulic, conferiran al bulto una resistència mecànica mínima definida per la instrucció 031-ES-IN-0011;
8.1 Per a bultos de nivell 1 immobilitzats per incorporació a matriu sòlida; les matrius hauran de tenir una resistència mitjana a la compressió superior o igual a 3MPa.
8.2 Per a bultos de nivell 1 immobilitzats per paret de conglomerant hidràulic. La paret tindrà un gruix nominal de 5 cm per a filtres i residus de naturalesa dispersable i una resistència mecànica mitjana de 7,5MPa.
8.3 Per a bultos de nivell 2 immobilitzats per incorporació a matriu sòlida, les matrius de conglomerant hidràulic tindran un valor mitjà de resistència a compressió superior o igual a 10 MPa.
8.4 Per a bultos de nivell 2 immobilitzats per paret de conglomerant hidràulic. La paret tindrà un gruix nominal de 5 cm per a filtres i residus de naturalesa dispersable i una resistència mecànica mitjana de 25MPa.
- La taxa de dosi en contacte no haurà de superar en el moment de la retirada un valor de 100mSv/h.
- La contaminació superficial desprenable a l’exterior dels bultos haurà de ser inferior a 4Bq/cm2 en emissors β i a 0.4 Bq/cm2 en emissors α
Les proves a les quals s’ha de sotmetre un bulto condicionat es resumeixen a continuació:
| RESIDUS SÒLIDS HOMOGENIS I HETEROGENIS IMMOBILITZATS PER C.H. | ||
| PROVES (Propietats a mesurar) | Nivell 1 | Nivell 2 |
| Absència de líquid lliure | Sí | Sí |
| Gruix de la paret | Sí | Sí |
| Resistència a la compressió uniaxial del C.H. | Sí | Sí |
| Resistència a la tracció indirecta del C.H. | No | Sí |
| Difusió radionúclids a través material d’innovació | No | Sí |
| Proves de cicles tèrmics de la paret | No | Sí |
| Difusió de triti (per a concentració > 7,4 MBq/Kg.) | No | Sí |
| Proves d’ADR (sobre bulto) | Sí | Sí |
Aplicació concreta a un condicionament de resines
El condicionament de les resines comença reduint la quantitat d’aigua incorporada a la seva estructura. Són resines en gra associades a les impureses pròpies del procés de retenció. Normalment aquestes resines són una barreja de resines catióniques i anióniques en una proporció de 2 parts anióniques per una catiónica.
Físicament és un sòlid dividit amb humitats de l’ordre del 50%. El tipus de ciment que s’utilitza per condicionar aquestes resines és del tipus i categoria III/B 32,5 N/SR.
El procés es realitza mitjançant conglomerat hidràulic. Els bidons utilitzats tenen un volum de 220 litres i un pes màxim de 410Kg.
La taxa de farciment és del 95% +/- 5%. Els bidons de 220 litres estan dissenyats i construïts segons l’especificació de compra de bidons d’acer per a residus radioactius i les normes UNE 36563; UNE 36051; UNE 36086 i DIN 933/125.
Les dimensions externes màximes són de 602 mm de diàmetre i 870 mm d’alçada sense tapa. El material de construcció és de xapa d’acer al carboni amb gruixos nominals d’1,25 mm al cos i d’1,5 mm a la tapa.
Porten un recobriment intern de pintura epoxi poliamida o una imprimació fosfocromatitzable de 20 µ i acabat esmalt epoxi de 20µ.
Les característiques de la matriu s’exposen a continuació:
| Característica de la matriu | Nivell 1 | Nivell 1 i 2 |
| Volum aparent resina a nivell d’aigua | 120 litres | 90 litres |
| Resina | 81.6 litres | 61.2 litres |
| Aigua lliure | 69.7 litres | 81.2 litres |
| Ciment | 164 kg | 191 kg |
| Relació mésica aigua lliure/Ciment | 0.40-0.50 | 0.40-0.45 |
Les característiques radiològiques de la matriu de nivell 2 es concreten amb una taxa de dosi a superfície inferior en qualsevol cas a 100mSv/h. A 1 metre del bulto, la taxa no podrà ser superior a 10 mSv/h.
Per a matrius de Nivell 1, la taxa de radiació és esperable que sigui inferior a 6 mSv/h en contacte i 0,5 mSv/h a 1 m.
Finalment es realitza un control d’homogeneïtzació radiològica on es controla el compliment de les especificacions sobre l’acceptació dels bultos primaris.
BIBLIOGRAFIA
1.-Criteris d’acceptació de bultos primaris. ENRESA
2.-“Curs sobre gestió de residus radioactius 2009” CIEMAT. Ministeri de Ciència i Innovació. ISBN: 978-84-7834-603-5
3.-CSN .Seu electrònica.
4.- V Jornades d’investigació i desenvolupament tecnològic en gestió de