Очистка жидких радиоактивных отходов

Á.Å. Ðÿá÷èêîâ 

Î÷èñòêà æèäêèõ  
ðàäèîàêòèâíûõ  
îòõîäîâ 

Ìîñêâà   
ÄåËè ïðèíò 
2008 

УДК 628 
ББК 38.761.1 
 
Р98 

 
Издание осуществлено при финансовой поддержке  
Российского фонда фундаментальных исследований  
по проекту № 08-03-07001 

Рецензенты: 
академик РАН, директор Института химии ДВО РАН В.И. Сергиенко 
доктор технических наук, начальник лаборатории ИФХЭ РАН В.М. Гелис 
канд. тех. наук, ведущий научный сотрудник ФГУП ВНИИНМ М.И. Жихарев 

Рябчиков Б.Е. 
Р98 
Очистка жидких радиоактивных отходов – М.: ДеЛи принт, 2008. – 
516 с.  
ISBN 978-5-94343-173-9 

Проблема очистки жидких радиоактивных отходов имеет 
огромное значение и является ключевой для развития атомной 
энергетики и промышленности. Данная работа полностью посвящена вопросам возникновения жидких радиоактивных отходов на всех этапах ядерного топливного цикла, методам извлечения различных радионуклидов из растворов различного состава, а также рассмотрению технологических схем и оборудования для очистки жидких радиоактивных отходов, образующихся на различных производствах атомной промышленности. 
Большое внимание уделено современным методам механической и мембранной фильтрации, ионного обмена, окисления, а 
также оборудованию для их реализации и аппаратурнотехнологическим схемам на их основе. Высокий потенциал выполненных ранее исследований и разработок позволил и в настоящее время сохранять их на мировом уровне. Поэтому основной акцент сделан на работах отечественных ученых. 
Работа предназначена для научных работников, сотрудников 
проектно-конструкторских организаций, специалистов атомной 
промышленности, студентов и аспирантов, интересующихся 
проблемами развития атомной энергии. 

 
УДК 628

ББК 38.761.1

ISBN 978-5-94343-173-9 
© Рябчиков Б.Е., 2008

© Оформление. ООО ДеЛи принт, 2008

Ïðåäèñëîâèå 

Проблема предотвращения ущерба экологии планеты при обращении с радиоактивными отходами, образующимися при работе 
предприятий атомной промышленности на всех этапах ядерного топливного цикла, при работе энергетических реакторов – АЭС, атомных транспортных установок, является ключевой для развития 
атомной энергетики и промышленности [1–29]. 
Без надежного решения вопросов очистки жидких и газообразных отходов, дезактивации твердых радиоактивных отходов, отверждения и иммобилизации радионуклидов, образующихся при работе 
ядерных установок, невозможно дальнейшее развитие атомной промышленности. Эта проблема особенно обострилась с началом и 
расширением использования атомной энергии в мирной энергетике. 
Ей посвящены многочисленные работы отечественных и зарубежных исследователей. МАГАТЭ регулярно публикует обзоры и техническую информацию по этим проблемам [30–42]. Обращение с 
жидкими радиоактивными отходами регламентируется большим 
числом Норм и Правил [43–57]. 
Однако работ, обобщающих полученный опыт по переработке 
жидких радиоактивных отходов, за предыдущие 20 лет не было 
опубликовано.  
В изданных за последние годы книгах рассматривался комплекс 
вопросов обращения с радиоактивными отходами, основное внимание уделялось их отверждению и захоронению. Непосредственно 
переработке жидких радиоактивных посвящалась незначительная 
часть материалов [58–51]. 
Данная работа полностью посвящена вопросам образования 
жидких радиоактивных отходов на всех этапах ядерного топливного 
цикла, методам извлечения различных радионуклидов, образующихся на всех производствах, рассмотрению технологических схем очистки различных жидких радиоактивных отходов, включая наиболее 
усовершенствованные.  
Большое внимание уделено современным методам механической и мембранной фильтрации, ионного обмена, окисления, а также 
оборудованию для их реализации и аппаратурно-технологическим 
схемам на их основе.  
Высокий потенциал выполненных ранее исследований и разработок позволил и в настоящее время сохранять их на мировом уровне. 
Поэтому основной акцент сделан на работах отечественных ученых. 

Работа базируется на материалах, опубликованных в научной 
печати и Интернете. Заинтересованный читатель может найти более 
подробную информацию, основываясь на обширном списке литературных источников. 
Автор выражает благодарность член-корр. РАН, д.х.н. В.А. Авраменко (Институт химии ДВО РАН); к.т.н. Д.В. Адамовичу и к.т.н. 
В.И. Демкину (МосНПО «Радон»); к.т.н. М.И. Жихареву (ФГУП 
ВНИИНМ им. А.А. Бочвара); д.х.н. В.Н. Косякову (РНЦ «Курчатовский Институт»); к.х.н. В.В. Милютину (ИФХЭ РАН им. А.И. Фрумкина); к.т.н. Ю.П. Прилепо (ЗАО «РАОТЕХ»); к.т.н. Р.А. Пензину 
(ЗАО «Аспект-Конверсия»); к.т.н. А.А. Свитцову (ООО «НПФ «Гелла-ТЭКО»); д.т.н. Л.И. Трусову («Ассоциация – «Аспект»»); к.т.н. 
С.Б. Хубецову (ОАО ВНИИАЭС) за помощь в подборе материалов и 
критические замечания по представленному тексту. 
Работа предназначена для научных работников, сотрудников 
проектно-конструкторских организаций, специалистов атомной 
промышленности, студентов и аспирантов, интересующихся проблемами развития атомной энергии. 
В связи с большим объемом и широтой охватываемого материала возможны неточности и ошибки. Автор заранее благодарен за 
критические отзывы и замечания, позволяющие устранить имеющиеся недостатки. 
 

Ââåäåíèå 

Любая практическая деятельность человека приводит наряду с 
получением целевого продукта к образованию различных побочных 
продуктов в твердом, жидком или газообразном виде. В том случае, 
когда они не могут быть использованы в данное время и в данном 
месте, они являются отходами производства. 
Атомная промышленность не является исключением из этого 
правила. При всех операциях с радиоактивными веществами начиная с добычи урана до хранения и переработки отработанного топлива, образуются твердые, жидкие и газообразные отходы.  
Проблема радиоактивных отходов является ключевой для развития атомной энергетики и промышленности. Без ее решения т. е. 
без перевода таких отходов в гарантированно экологически безопасное состояние на длительный период (равный нескольким периодам 
полураспада содержащихся в них радионуклидов), их опасность для 
будущего человечества может превышать любые сегодняшние экономические выгоды от использования атомной энергии. 
В данной работе рассматриваются проблемы образования и переработки жидких радиоактивных отходов – ЖРО, как имеющих 
наибольшую экологическую опасность из-за их большого объема и 
высокой суммарной активности, а также возможности их неконтролируемого распространения.  
Жидкие радиоактивные отходы образуются на всех этапах 
ядерного топливного цикла начиная с процессов получения исходного сырья – урановых руд, при извлечении урана и его обогащении 
на гидрометаллургических заводах, при наработке плутония в промышленных реакторах, при работе энергетических реакторов – АЭС, 
при радиохимической переработке облученного ядерного топлива, 
дезактивации оборудования и спецодежды и т. п. (рис. 1.1). Поэтому 
химический и радионуклидный состав ЖРО существенно отличается 
как для каждого из этих этапов, так и для конкретных операций. 
Этим объясняется существование большого разнообразия процессов 
переработки ЖРО. 
Целями очистки ЖРО являются: 
– во-первых – извлечение основной массы радионуклидов и получение воды с содержанием радионуклидов ниже разрешенных 
норм, которая может быть сброшена в окружающую среду без нанесения ей ущерба или использована повторно; 
– во-вторых – концентрирование извлеченных радионуклидов в 
минимальном объеме вторичных отходов. Эти отходы должны под

вергаться последующей обработке, направленной на перевод их в 
твердое, безопасное для окружающей среды состояние путем упарки 
до сухих солей, цементирования, битумирования, включения в полимеры, стекло, керамику, стеклометаллические композиции, синтетические горные породы и др. 

 
Рис. 1.1. Образование ЖРО на этапах ядерного топливного цикла 

Ââåäåíèå 
7 

Для решения указанных целей используются многочисленные 
химические, физико-химические, физические, термические процессы и их комбинации. 
Следует отметить, что все промышленные предприятия и НИИ 
атомной промышленности оснащены системами очистки ЖРО, а начиная с 60-х гг. прошлого века контроль сбросов радионуклидов в окружающую среду стал много жестче, чем других загрязнений. 
В настоящее время все работы, связанные с разработкой, изготовлением, строительством, эксплуатацией и выводом из эксплуатации оборудования и объектов, связанных с использованием атомной 
энергии, жестко регламентируются большим количеством «Норм» и 
«Правил» [43–57]. Обращение с жидкими радиоактивными отходами 
производится в соответствии с «Нормами радиационной безопасности» – НРБ-99, с «Основными санитарными правилами обеспечения 
радиационной безопасности» – ОСПОРБ-99, «Санитарными правилами обращения с радиоактивными отходами» – СПОРО-2002 и 
«Федеральными нормами и правилами в области использования 
атомной энергии», например: «Сбор, переработка, хранение и концентрирование жидких радиоактивных отходов. Требования безопасности» НП-019-2000, «Общими положениями обеспечения безопасности объектов ядерного топливного цикла» НП-016-2000. Кроме 
того, действуют отраслевые «Нормы и Правила» по проектированию, сертификации и эксплуатации оборудования и объектов, связанных с обращением с радиоактивными веществами. 
Немного истории 
В первый период напряженной работы по созданию ядерного 
оружия вопросы экологии стояли далеко не на первом месте. Достаточно сказать, что даже в Москве жидкие радиоактивные отходы от 
работающих реакторов из ЛИПАНа, он же Институт атомной энергии – ИАЭ (ныне научный центр «Курчатовский институт»), от радиохимических, металловедческих и металлургических лабораторий 
и установок, включая знаменитую У-5, являвшуюся прообразом 
комбината «Маяк», из НИИ-9 (ныне ФГУП ВНИИ неорганических 
материалов им. А.А. Бочвара) «ликвидировались» методом разбавления. В сооруженные пруды-накопители сливались охлаждающие 
воды реакторов и ЖРО. После смешения они попадали в Соболевский ручей и Москва-реку. Несмотря за устрашающие надписи в 
теплой воде купались жившие в соседних домах дети сотрудников 
указанных предприятий и сами сотрудники. После обследования 
донных отложений в Москве-реке стала ясна острая необходимость 
прекращения сброса ЖРО без очистки от радионуклидов.  

В Челябинске-40 (ныне комбинат «Маяк») такой метод обращения с ЖРО просуществовал значительно дольше, создав сложнейшую 
проблему так называемого «Теченского каскада водоемов» в которых 
в открытом виде находится огромное количество радионуклидов. 
Следует отметить, что подобным способом «удаления» ЖРО 
широко пользовались и другие страны-производители ядерного оружия. Более того, даже МАГАТЭ в 1963 г. рекомендовало сброс ЖРО 
в поверхностные (реки, моря) и подземные воды, считая их вклад в 
общую активность незначительным [30]. 
Для решения проблемы загрязнения Москва-реки под руководством К.А. Большакова в НИИ-9 был организован коллектив радиохимиков с привлечением специалистов по водоподготовке и водоочистке из сотрудников ВНИИ ВОДГЕО, МИСИ и ВТИ, которые 
совместно с проектантами из МПК (ныне ФГУП ГСПИ) разработали 
первую опытно-промышленную Московскую станцию очистки ЖРО 
(МСО). В 1958 г. она вступила в эксплуатацию. Аппаратурно-технологическая схема МСО базировалась на технических решениях, 
близких к подготовке обессоленной воды для ТЭЦ, но серьезно усовершенствованных и дополненных в соответствии с требованием минимизации объема конечных отходов, отправляемых на хранение в 
Центральную станцию радиационной безопасности (ЦСРБ) в Загорск 
(ныне МосНПО «Радон»). Так на МСП впервые в СССР была реализована противоточная схема регенерации ионитных фильтров с 
фракционированием регенератов, а также упарка этих регенератов. 
МСП обеспечивала высокую степень очистки ЖРО по всем радионуклидам при высоком коэффициенте концентрирования [62–71]. 
Аппаратурно-технологическая схема МСО в различных упрощенных вариантах явилась прототипом для последующих установок, цехов очистки ЖРО на комбинатах, предприятиях, исследовательских центрах. Для строящихся советскими специалистами зарубежных исследовательских ядерных центров она копировалась полностью, отличаясь только масштабом оборудования, и дополнялась 
установками отверждения.  
К разработке основ эффективной очистки ЖРО в последствии 
подключились и другие институты, прежде всего Радиевый институт 
им. В.Г. Хлопина – РИАН (ныне ФГУП НПО «Радиевый институт 
им. В.Г. Хлопина»), Институт химической физики – ИФХ АН СССР 
(ныне ИФХЭ РАН им. А.И. Фрумкина).  
Наряду с работами по очистке ЖРО и их последующем отверждении в ИФХ АН СССР и ПРОМНИИПРОЕКТе (ныне ВНИПИПромтехнологии) был разработан метод их прямого подземного за

Ââåäåíèå 
9 

хоронения, или захоронения полученных при очистке концентратов, 
который используется на нескольких предприятиях [72–79]. 
В 60–70-е годы был выполнен огромный объем фундаментальных и прикладных исследований поведения радионуклидов в растворах; формы их существования при различных условиях; механизмы осаждения, сорбции, ионного обмена; влияния солевого состава и наличия органических загрязнений на процессы их извлечения [62–64, 80–104]. Почти в каждом региональном институте, университете обязательно исследовались местные материалы на предмет их использования как сорбентов для очистки ЖРО. Исследовались все вновь разрабатываемые материалы, аппараты и технологии, 
которые могли бы повысить эффективность процессов очистки. Эти 
работы являются тем базисом, на котором основаны все современные способы и установки очистки ЖРО. 
Острые проблемы с ЖРО остались в наследство от первого периода напряженной работы по созданию ядерного оружия. Это, 
прежде всего, Теченский каскад водоемов на ПО «Маяк» (раздел 1.3; 
3.4), в которых сосредоточено наибольшее количество радионуклидов в открытом виде и емкости, в которых хранятся средне- и высокоактивные отходы. Аналогичные проблемы существуют и на Сибирском химическом комбинате – СХК – и Горно-химическом комбинате – ГХК (раздел 1.3; 3.4).  
Следует отметить, что все отрасли промышленности и сельского 
хозяйства вносят свой вклад в загрязнение окружающей среды. Масштабы такого загрязнения бывают очень велики, а последствия неограниченны по времени, однако эти проблемы не вызывают в обществе столь негативной реакции, как любые загрязнения радионуклидами. При этом контроль за сбросами радионуклидов в окружающую 
среду с 60 гг. был много жестче, чем по другим загрязнениям. 
Причем при деятельности самых обычных предприятий, никак 
не связанных с атомной промышленностью, также могут образовываться радиоактивные отходы.  
Производство энергии путем сжигания природных органических ископаемых – нефти и особенно угля – приводит к образованию большого объема отходов, как при их добыче, так и при переработке и сжигании, – зола, токсичные газы.  
При добыче нефти и газа образуются большие объемы воды, 
содержащей растворенные минералы, в т. ч. радиоактивные. Эти 
минералы могут осаждаться как отложения в трубопроводах и полевом оборудовании нефтяных месторождений или оставаться в бассейнах выпаривания.  

Например, при добыче нефти образуются т. н. нефтешламы значительная часть которых содержат радионуклиды. Их количество в 
России превышает 50 млн. тонн. Содержание нефтепродуктов в них 
невелико, извлечение нефти нерентабельно и поэтому разрабатываются различные технологии их уничтожения. При термическом 
уничтожении нефтешламов уменьшается их объем, но во столько же 
раз увеличивается их удельная радиоактивность. Удельная активность золы радиоактивных нефтешламов достигает 100 кБк/кг, что 
позволяет относить ее к радиоактивным отходам. Еще более радиоактивны отложения солей на стенках трубопроводов для перекачки 
нефти и пластовой воды [56, 57, 105–108]. 
При добыче угля образуются огромные подземные или надземные пустоты, нарушающие гидрогеологический режим целых регионов, и наземные хранилища пустой породы – терриконы, занимающие большие площади земли.  
Большая часть каменного угля содержит уран и торий, а также 
другие радионуклиды. При работе тепловых электростанций, сжигающих каменный уголь, эти загрязнения концентрируются в виде 
легкой летучей золы. Системы очистки воздуха на современных 
электростанциях удерживают 99% летучей золы (на ТЭС более старой конструкции – до 90%), и эта зола захоранивается в золоотвалах. 
Около 280 млн. т каменноугольной золы производится во всем мире 
каждый год. При выщелачивании золы водой тяжелые металлы и 
радионуклиды могут попадать в окружающую среду. 
Предприятия по производству и переработке цветных металлов, 
например, цеха гальванопокрытий, сбрасывают в окружающую среду большое количество стабильных изотопов тяжелых металлов, 
обладающих высокой токсичностью и не имеющих периода полураспада и поэтому навсегда загрязняющих окружающую среду,  
Указанные проблемы находятся вне ведения Росатома, но в последнее время контролирующий орган – Ростехнадзор, куда вошел 
бывший Госатомнадзор, включает в свои документы и обращение с 
радиоактивными отходами, образующимися вне Росатома, в других 
отраслях промышленности [56, 57].