Sezioni
- Introduzione
- Tipologia di rifiuti a bassa e media conducibilità
- Condizionamento dei Rifiuti
- Applicazione concreta a un condizionamento di resine
Introduzione
In un reattore nucleare si generano diversi tipi di rifiuti nucleari e convenzionali. In articoli precedenti si è concentrata l’attenzione sulla generazione dei rifiuti e sul loro trattamento specifico. Nel presente articolo, l’obiettivo è il condizionamento e l’inertizzazione dei rifiuti a bassa e media attività.
A mo’ di riassunto, ricordiamo che i rifiuti ad alta attività (Uranio 235, U238, Pu-239,…) si trovano nelle barre di zircaloy presenti nel nucleo del reattore. Allo stesso modo, i frammenti di fissione originati nella reazione nucleare rimangono confinati nelle stesse barre.
Tutto questo gruppo di rifiuti, una volta terminato il ciclo del combustibile, viene trasportato alla piscina di stoccaggio dove rimarrà fino al trasferimento al deposito finale, sia esso in superficie o deposito geologico. Esiste un altro tipo di rifiuti che si generano come conseguenza delle reazioni nucleari di attivazione neutronica, di cattura di diversi tipi di particelle (neutroni) o processi di adsorbimento gamma.
In particolare il liquido refrigerante che circola nel circuito primario e che ha il duplice compito di estrarre l’energia generata dalle reazioni nucleari e raffreddare il nucleo del reattore dove avvengono gli eventi nucleari.
Questo liquido che raffredda il reattore è costituito da sostanze specifiche come:
- Acido borico: Il suo scopo è l’adsorbimento di neutroni per diminuire il numero di fissioni e moderare la reazione nucleare. La sua concentrazione varia in funzione dell’attività del nucleo ma oscilla tra 1000 e 2000 ppm.
- Idrossido di litio: Il suo scopo è controllare il pH del refrigerante per evitare processi di corrosione.
- Perossido di idrogeno: Regola il potenziale della soluzione. Favorisce che i metalli in soluzione rimangano in forma ionica e non formino depositi in curve o punti specifici del circuito.
- Prodotti di corrosione: Diversi metalli provenienti dalla struttura in acciaio del circuito primario che, per diversi processi di corrosione, si incorporano nella soluzione del refrigerante (Co-60, Mn-54, Co-58,…).
- Trizio, proveniente dall’attivazione del deuterio naturale presente nell’acqua per effetto dei neutroni. Il trizio è un emettitore β ed è uno dei principali problemi nel trattamento dei rifiuti nucleari.
Esiste tutta una serie di rifiuti operativi che possono contenere concentrazioni variabili di Cs-137, Sr-90, Co-60 e che si generano in pulizie specifiche di valvole, spostamenti di combustibile esausto alle piscine, pulizia di fanghi, ecc.
In questo articolo il trattamento dei gas non sarà trattato in quanto è un argomento molto specifico con problematiche centrate su gruppi di specie dello iodio, gas nobili, trizio, ecc. Ci concentreremo sugli effluenti liquidi con rifiuti a bassa e media attività.
I rifiuti radioattivi possono essere classificati secondo diversi criteri, come ad esempio, in base al loro stato fisico (gassosi, liquidi e solidi, che a loro volta potrebbero essere classificati in rifiuti compattabili, inceneribili, metallici, ecc.), in base al tipo di radiazione emessa (alfa, beta, gamma, neutroni), al periodo di semidecadimento (vita corta o vita lunga), o alla loro attività specifica (alta, media e bassa attività).
In base alla gestione dei rifiuti radioattivi, la classificazione si concentra sul livello di attività specifica e sul periodo di decadimento poiché questi due fattori condizionano il tipo di isolamento e condizionamento da considerare nel loro stoccaggio.
L’Organismo Internazionale per l’Energia Atomica propone una classificazione in vista dello stoccaggio definitivo dei rifiuti (rif. 11), i cui criteri sono riassunti nella Tabella 1 e rappresentati schematicamente nella figura 2.
Come si osserva, per la classificazione si considerano diversi limiti quantitativi:
- Una dose efficace massima per i membri del pubblico di 10 µSv/anno, come limite per l’esenzione o declassificazione dei rifiuti.
- 30 anni di periodo di semidecadimento come valore di separazione tra rifiuti a vita corta e vita lunga.
- Un contenuto medio di 400 Bq/g e massimo di 4.000 Bq/g di emettitori alfa a vita lunga affinché il rifiuto debba essere considerato a vita lunga.
- Una potenza termica superiore a 2 kW/m3 affinché il rifiuto debba essere considerato ad alta attività (deve anche essere superato il limite per emettitori alfa a vita lunga).
| Caratteristiche tipiche delle diverse categorie di rifiuti radioattivi proposte dall’AIEA | ||
| Categoria del rifiuto | Caratteristiche tipiche | Sistemi di stoccaggio |
| Rifiuti esenti o declassificati (RE) | Livelli di attività la cui liberazione non comporta una dose annua ai membri del pubblico superiore a 10 µSv | Senza restrizioni radiologiche |
| Rifiuti a bassa o media attività (RBMA) | Livelli di attività la cui liberazione può comportare una dose annua ai membri del pubblico superiore a 10 µSv e che hanno una potenza termica inferiore a 2 kW/m3 | |
| Rifiuti a bassa o media attività e vita corta (RBMA-VC) | Concentrazione limitata di radionuclidi a vita lunga (4000 Bq/g di emettitori alfa a vita lunga massimo in lotti individuali, con un valore medio di 400 Bq/g nel complesso) | Sistemi di stoccaggio in superficie o sistemi geologici |
| Rifiuti a bassa o media attività e vita lunga (RBMA-VL) | Concentrazioni di radionuclidi a vita lunga superiori a quelle dei rifiuti a vita corta | Sistemi geologici di stoccaggio |
| Rifiuti ad alta attività (RAA) | Potenza termica superiore a 2 kW/m3 e concentrazioni di radionuclidi a vita lunga superiori a quelle dei rifiuti a vita corta | Sistemi geologici di stoccaggio |
| Tabella 1 | ||
Grafico 1
In riferimento ai rifiuti che tratteremo nel presente articolo, rifiuti a bassa e media attività, possiamo specificare quanto segue:
- Rifiuti a bassa e media attività (RBMA) – Rifiuti la cui concentrazione in radionuclidi è tale che la generazione di energia termica durante la loro evacuazione è sufficientemente bassa. Questi valori accettabili sono stabiliti in funzione del luogo di evacuazione dopo una valutazione di sicurezza.
- Rifiuti a vita corta (RBMA-VC) – Rifiuti radioattivi che contengono nuclidi la cui vita media è inferiore o uguale a quella del Cs-137 e Sr-90 (circa trenta anni) con una concentrazione limitata di radionuclidi alfa a vita lunga (limitazione dei radionuclidi emettitori alfa a 4.000 Bq/g in lotti individuali di rifiuti e a una media generale di 400 Bq/g nel volume totale di rifiuti).
- Rifiuti a vita lunga (RBMA-VL) – Radionuclidi e emettitori alfa a vita lunga la cui concentrazione è superiore ai limiti applicabili ai rifiuti a vita corta.
Si deve tenere presente che il sistema di classificazione è destinato ad essere utilizzato unicamente per rifiuti solidi, anche se va segnalato che alcuni rifiuti radioattivi sono in stato liquido e potrebbero essere trattati come rifiuti di transizione. Questa tipologia di rifiuti proviene da ospedali e attività mediche.
In relazione al nostro paese, si deve indicare che in sostanza si seguono le raccomandazioni della CE, sebbene, all’interno della categoria RBMA, in Spagna si stia considerando un altro gruppo di rifiuti, quelli a bassissima attività (RMBA), che contengono radionuclidi in concentrazioni molto basse e il cui stoccaggio non richiede sistemi di isolamento così complessi come per il resto degli RBMA. Pertanto, questa suddivisione si applica esclusivamente dal punto di vista del tipo di stoccaggio richiesto.
Nella gestione dei rifiuti radioattivi a bassa e media attività si applica il concetto di “Collo”. Si intende per collo l’insieme formato dal rifiuto radioattivo, dall’agente di condizionamento e dall’imballaggio che lo contiene. La stragrande maggioranza dei rifiuti a bassa e media attività viene gestita tramite i colli. Normalmente il collo implica un bidone da 220 litri con tutta una struttura di protezione e un sistema di inertizzazione del rifiuto stesso.
La quantità in volume e percentuale di rifiuti a bassa e media attività che devono essere gestiti in Spagna, nell’ambito nucleare, è indicata nella tabella seguente. Praticamente il 92% proviene dalle centrali nucleari e dal loro smantellamento.
| Quantità totali di RMBA da gestire in Spagna | ||
| CONCETTO | VOLUME (m3) | PERCENTUALE |
| Operazione delle centrali nucleari | 36.071 | 20,46% |
| Smantellamento delle centrali nucleari | 127.185 | 72,12% |
| Operazione e smantellamento della fabbrica di elementi combustibili + PIMIC | 1.593 | 0,90% |
| Impianti radioattivi e simili | 4.861 | 2,76% |
| Incidenti di contaminazione e altri | 6.636 | 3,76% |
| Totale | 176.346 | 100,00% |
In riferimento ai rifiuti radioattivi a bassa e media attività generati nello smantellamento delle centrali nucleari spagnole, sono stati generati fino ad oggi solo quelli derivanti dallo smantellamento di Livello 2 della centrale nucleare di Vandellós-I, il che rappresenta circa il 20% della generazione prevista del totale che si produrrà in questa centrale al termine dello smantellamento e della relativa chiusura.
La generazione di RBMA corrispondente allo smantellamento già effettuato ha raggiunto il valore di 3.400 m3, che è appena il 3% del volume previsto da gestire nello smantellamento dell’insieme delle centrali nucleari.
Tipologia di rifiuti a bassa e media conducibilità
In funzione della natura dei rifiuti, possiamo definire 7 tipologie:
- Resine: Sospensioni di resine a scambio ionico che, una volta esaurite, vengono scaricate dai demineralizzatori dei sistemi di purificazione. I sistemi di scambio per la ritenzione del boro, ritenzione di cesio e cobalto sono tra i più importanti, con l’obiettivo di pulire gli isotopi dal refrigerante. Uno dei problemi delle resine è la loro capacità di rigonfiamento. A contatto con la soluzione incorporano solvente acquoso nella loro struttura e questo influisce sul volume finale del rifiuto. Da questo punto di vista si stanno studiando altre opzioni come gli adsorbenti di isotopi specifici.
- Concentrati di evaporatori: Soluzioni di sali concentrati provenienti da evaporatori per il trattamento dell’acido borico e effluenti di processi.
- Fanghi: Fanghi provenienti da depositi, precipitati, pulizia di vie di comunicazione per il trasporto di combustibile esausto, fanghi provenienti da filtri. Questi fanghi devono essere inertizzati. Una delle fonti di fanghi è l’eliminazione dello strato pre-filtro e degli insolubili dai filtri dei sistemi di purificazione dell’acqua del reattore e della piscina del combustibile irradiato. Altri fanghi che fanno parte di questa corrente di rifiuti sono quelli generati nel sistema di trattamento dei rifiuti radioattivi liquidi per sedimentazione dell’acqua immagazzinata nei serbatoi aggiuntivi di rifiuti, così come i fanghi provenienti dai contro-lavaggi del sistema di filtrazione del condensato. Un esempio di questa produzione di rifiuti in decantatori lo abbiamo nel trattamento dei fanghi provenienti dalla Centrale di Santa Maria de Garoña. Il trattamento dei fanghi attualmente presenti nei serbatoi decantatori sarà effettuato mediante fluidificazione per risospensione, miscelazione, filtrazione, essiccazione e inscatolamento degli stessi. Il volume di fanghi contenuti nei serbatoi decantatori è di 300 m3 e si prevede una produzione di 580 bidoni da 135 litri di rifiuti condizionati. Nei serbatoi aggiuntivi di rifiuti esistono altri 50 m3 di fanghi decantati che, a seconda della situazione operativa del sistema di trattamento dei rifiuti radioattivi liquidi, saranno anch’essi processati.
- Materiali compattabili: Questi materiali si riferiscono a indumenti specifici DPI, filtri di ventilazione, stracci, utensili di plastica.
- Solidi non compattabili: strumenti, pezzi metallici, macerie, legno, ecc.
- Filtri di circuiti liquidi: Filtri metallici di sistemi di processo.
- Rifiuti non operativi o derivanti da interventi puntuali come il trattamento di effluenti con Sb-125.
Tutti questi rifiuti devono essere immobilizzati e collocati in bidoni debitamente omologati. Comunemente si utilizzano bidoni da 220 litri. Esistono due tipi di colli che si classificano per la loro attività in due livelli 1 e 2.
Colli di Livello 1: Sono quei colli che, individualmente e condizionati in un contenitore da 0,22 m3, non superano il valore di attività massima indicato nell’allegato della specifica tecnica 031-ES-IN-0002. I valori per collo individuale dipendono da diverse configurazioni: numero di colli per U.A., tipo di collo e caratteristiche del contenitore.
Colli di Livello 2: Sono colli la cui attività è superiore a quella corrispondente al Livello 1 e il cui valore massimo di attività non supera i limiti derivanti dai valori delle unità di condizionamento di Livello 2, con la dovuta considerazione al fattore di eterogeneità. Nell’allegato II della specifica 031-ES-IN-0011.
La tabella seguente mostra i diversi livelli di classificazione dei colli:
| CLASSIFICAZIONE DEI COLLI TIPIFICATI | ||
| RIFIUTI LIQUIDI OMOGENEI | Livello 1 | Concentrati di evaporatore, resine in polvere, fanghi o miscele incorporati in matrice di conglomerato idraulico. |
| Livello 2 | ||
| RIFIUTI SOLIDI (ETEROGENEI O OMOGENEI PORTATI A SECCHEZZA) | Livello 1 | Resine a palline incorporate in matrice di C.H. |
| Livello 2 | ||
| Livello 1 | Filtri di circuiti liquidi immobilizzati mediante conglomerato idraulico. | |
| Livello 2 | ||
| Livello 1 | Solidi non compattabili introdotti in contenitore (1,3 m3) | |
| Livello 2 | ||
| Livello 1 | Solidi compattabili e non compattabili | |
| Livello 2 | ||
| Livello 1 | Rifiuti solidi o portati a secchezza immobilizzati mediante conglomerato idraulico. | |
| Livello 2 | ||
Condizionamento dei Rifiuti
Il condizionamento del rifiuto nucleare avviene in tutte le Centrali Nucleari per il trattamento dei rifiuti sopra citati. Prima di un processo di evaporazione, disidratazione nel caso delle resine operative o resine di decontaminazione del circuito primario, si utilizza un conglomerato idraulico (cemento o malta) come agente di solidificazione o immobilizzazione per creare una matrice omogenea e stabile.
Gli effluenti concentrati, le resine esauste e i fanghi vengono miscelati con cemento. Questo cemento deve rispettare la referenza tecnica A32-ES-CB-0063. Ad esempio, secondo il documento JC-LP-29 il rapporto acqua/cemento in un condizionamento non deve superare 0,47 e la percentuale di resina secca per collo non supererà il valore del 4%.
Nel caso di solidi non stabili, in particolare alcuni tipi di filtri, l’immobilizzazione si realizza con malta formando un involucro che ricopre il rifiuto e lo stabilizza.
I principali criteri a mo’ di riassunto che devono rispettare il condizionamento dei colli sono i seguenti:
- Limiti di attività specifica e globale contenuti nelle tabelle incluse negli allegati I e II.
- Non possono contenere complessanti oltre l’8%.
- I rifiuti condizionati non devono contenere liquidi organici incorporati nella matrice oltre il 3%.
- I rifiuti condizionati non devono contenere sostanze piroforiche né suscettibili di reazioni fortemente esotermiche.
- I rifiuti saranno condizionati mediante incorporazione in matrice o mediante parete di conglomerato idraulico.
- Si minimizzerà l’esistenza di vuoti liberi. Il tasso di riempimento per colli incorporati in matrice solida sarà del 95% +/- 5%. Il tasso di riempimento per colli con parete sarà superiore o uguale al 98%.
- Il liquido libero per colli condizionati non supererà dopo l’indurimento lo 0,5%.
- In generale, le matrici o pareti di conglomerato idraulico conferiranno al collo una resistenza meccanica minima definita dall’istruzione 031-ES-IN-0011;
8.1 Per colli di livello 1 immobilizzati mediante incorporazione in matrice solida; le matrici dovranno avere una resistenza media a compressione superiore o uguale a 3 MPa.
8.2 Per colli di livello 1 immobilizzati mediante parete di conglomerato idraulico. La parete avrà uno spessore nominale di 5 cm per filtri e rifiuti di natura dispersibile e una resistenza meccanica media di 7,5 MPa.
8.3 Per colli di livello 2 immobilizzati mediante incorporazione in matrice solida, le matrici di conglomerato idraulico avranno un valore medio di resistenza a compressione superiore o uguale a 10 MPa.
8.4 Per colli di livello 2 immobilizzati mediante parete di conglomerato idraulico. La parete avrà uno spessore nominale di 5 cm per filtri e rifiuti di natura dispersibile e una resistenza meccanica media di 25 MPa.
- Il tasso di dose a contatto non deve superare al momento del ritiro un valore di 100 mSv/h.
- La contaminazione superficiale rimovibile all’esterno dei colli deve essere inferiore a 4 Bq/cm2 per emettitori β e a 0,4 Bq/cm2 per emettitori α.
I test a cui deve essere sottoposto un collo condizionato sono riassunti di seguito:
| RIFIUTI SOLIDI OMOGENEI E ETEROGENEI IMMOBILIZZATI CON C.H. | ||
| TEST (Proprietà da misurare) | Livello 1 | Livello 2 |
| Assenza di liquido libero | Sì | Sì |
| Spessore della parete | Sì | Sì |
| Resistenza alla compressione uniaxiale del C.H. | Sì | Sì |
| Resistenza alla trazione indiretta del C.H. | No | Sì |
| Diffusione radionuclidi attraverso materiale di innovazione | No | Sì |
| Test di cicli termici della parete | No | Sì |
| Diffusione di trizio (per concentrazione > 7,4 MBq/Kg.) | No | Sì |
| Test ADR (sul collo) | Sì | Sì |
Applicazione concreta a un condizionamento di resine
Il condizionamento delle resine inizia riducendo la quantità di acqua incorporata nella loro struttura. Sono resine in granuli associate alle impurità proprie del processo di ritenzione. Normalmente queste resine sono una miscela di resine cationiche e anioniche in una proporzione di 2 parti anioniche per una cationica.
Fisicamente è un solido diviso con umidità dell’ordine del 50%. Il tipo di cemento utilizzato per condizionare queste resine è del tipo e categoria III/B 32,5 N/SR.
Il processo si realizza mediante conglomerato idraulico. I bidoni utilizzati hanno un volume di 220 litri e un peso massimo di 410 kg.
Il tasso di riempimento è del 95% +/- 5%. I bidoni da 220 litri sono progettati e costruiti secondo la specifica di acquisto di bidoni in acciaio per rifiuti radioattivi e le norme UNE 36563; UNE 36051; UNE 36086 e DIN 933/125.
Le dimensioni esterne massime sono di 602 mm di diametro e 870 mm di altezza senza coperchio. Il materiale di costruzione è lamiera di acciaio al carbonio con spessori nominali di 1,25 mm nel corpo e di 1,5 mm nel coperchio.
Hanno un rivestimento interno di vernice epossidica poliammidica o una primer fosfocromatizzabile di 20 µ e finitura smalto epossidico di 20 µ.
Le caratteristiche della matrice sono esposte di seguito:
| Caratteristica della matrice | Livello 1 | Livello 1 e 2 |
| Volume apparente resina livellata in acqua | 120 litri | 90 litri |
| Resina | 81,6 litri | 61,2 litri |
| Acqua libera | 69,7 litri | 81,2 litri |
| Cemento | 164 kg | 191 kg |
| Rapporto in massa acqua libera/Cemento | 0,40-0,50 | 0,40-0,45 |
Le caratteristiche radiologiche della matrice di livello 2 si concretizzano con un tasso di dose in superficie inferiore in ogni caso a 100 mSv/h. A 1 metro dal collo, il tasso non potrà essere superiore a 10 mSv/h.
Per matrici di Livello 1, il tasso di radiazione è prevedibile che sia inferiore a 6 mSv/h a contatto e 0,5 mSv/h a 1 m.
Infine si effettua un controllo di omogeneizzazione radiologico dove si verifica il rispetto delle specifiche sull’accettazione dei colli primari.
BIBLIOGRAFIA
1.-Criteri di accettazione dei colli primari. ENRESA
2.-“Corso sulla gestione dei rifiuti radioattivi 2009” CIEMAT. Ministero della Scienza e Innovazione. ISBN: 978-84-7834-603-5
3.-CSN .Sede elettronica.
4.- V Giornate di ricerca e sviluppo tecnologico nella gestione dei rifiuti radioattivi. ISSN: 1134-380X. D.L.: M-34149-2004 Luglio 2004.
5.-“Controllo del processo di solidificazione dei rifiuti radioattivi a bassa e media attività” Guida di sicurezza n. 9.1 CSN.Madrid Luglio 1991.