Systemy oczyszczania wody w elektrowniach jądrowych: Wyzwania i rozwiązania
- Szczegóły
Eksploatacja elektrowni jądrowej wiąże się z koniecznością rozwiązania dwóch zasadniczych problemów dotyczących pracy reaktora jądrowego. Są to: obecność znacznych ilości silnie promieniotwórczych izotopów w rdzeniu reaktora (w paliwie) oraz istnienia tzw. mocy powyłączeniowej. Z tego punktu widzenia systemy podstawowe, pomocnicze i awaryjne reaktora jądrowego powinny zapewnić ciągłą i niezawodną izolację materiałów promieniotwórczych od otoczenia oraz właściwe chłodzenie rdzenia reaktora w każdych warunkach pracy oraz w stanach awaryjnych. Niezawodność wszystkich barier jest bardzo wysoka, a prawdopodobieństwo ich jednoczesnego uszkodzenia znikome.
Podczas normalnej pracy elektrowni jądrowej do otoczenia emitowane są niewielkie ilości substancji promieniotwórczych w postaci gazowej (głównie gazy szlachetne - argon, krypton, ksenon - a więc obojętne chemicznie) i ciekłej. Substancje te pochodzą z układów przewietrzania i wentylacji pomieszczeń elektrowni oraz systemów oczyszczania ciekłych odpadów promieniotwórczych. Emisje te są ściśle monitorowane, zarówno przez samą elektrownię, jak również przez wyznaczone organy dozoru. W większości przypadków krajowy dozór jądrowy wyznacza przynajmniej dwie, niezależne od elektrowni, instytucje kontrolujące i monitorujące poziom emisji zanieczyszczeń oraz skażenia w środowisku.
Odpowiedź na to pytanie wymaga zdefiniowania poziomu odniesienia, gdyż w środowisku występują naturalne substancje promieniotwórcze tworzące tzw. Występujące powszechnie w skałach skorupy ziemskiej oraz wodach izotopy uranu U-235 i U-238 oraz toru Th-232 inicjują naturalne szeregi promieniotwórcze zawierające w sumie ponad 40 radioaktywnych izotopów. Równie powszechny w hydrosferze, litosferze i biosferze jest potas K-40, który nie wchodzi w skład żadnego szeregu promieniotwórczego.
Część radioizotopów w przyrodzie ma pochodzenie kosmogenne (beryl Be-7, tryt H-3, węgiel C-14) - powstają w górnych warstwach atmosfery pod wpływem promieniowania kosmicznego, a następnie wraz z ruchami powietrza i opadami docierają do powierzchni Ziemi. Poziom promieniowania tła jest dość mocno zróżnicowany w zależności od lokalizacji, co oczywiście skutkuje różnymi dawkami promieniowania pochodzącymi z natury: w Polsce średnia dawka wynosi rocznie około 2,4 mSv, ale np. w Finlandii jest ponad dwa razy wyższa. Są takie miejsca na świecie, gdzie dawki roczne są wiele razy większe: Kerala (Indie) - 35 mSv, Ramsar (Iran) - 260 mSv ! Dodatkowo przeciętny mieszkaniec Polski otrzymuje rocznie dawkę rzędu 0,8-0,9 mSv pochodzącą ze sztucznych źródeł, głównie związanych z diagnostyką medyczną.
Dopuszczalne dawki promieniowania jonizującego pochodzącego ze sztucznych źródeł promieniowania są limitowane przez przepisy. Prowadzone od wielu lat pomiary mocy dawek w okolicach elektrowni jądrowych wskazują na ich znikomy udział w rocznej dawce. Wieloletnie programy badawcze dotyczące poziomu promieniowania wokół elektrowni jądrowych oraz jego wpływu na zdrowie okolicznej ludności prowadzone były, z różną intensywnością, praktycznie w każdym kraju posiadającym elektrownie jądrowe. Pomiary wykazują, że dawka otrzymywana przez mieszkańców okolic elektrowni jądrowej nie przekracza 0,01 mSv rocznie.
Przeczytaj także: Technologie Oczyszczania Ścieków w Elektrowni Turów
Wyzwania związane ze starzejącą się infrastrukturą wodną
Dla przedsiębiorstw działających w przemyśle ciężkim starzejąca się infrastruktura i urządzenia do uzdatniania wody przemysłowej stanowią poważne codzienne wyzwania. Procesy uzdatniania wody są kluczową częścią działalności przemysłu ciężkiego. Każde ryzyko awarii systemu może całkowicie wstrzymać produkcję. Starzejące się elektrownie wodne stwarzają znaczne i rosnące ryzyko dla ciągłości działania, co może mieć poważne skutki ekonomiczne. Zagrożenie to stwarza pilne zapotrzebowanie na rozwiązania wykraczające poza rutynową konserwację. O ile jednak modernizacja ma kluczowe znaczenie, o tyle wdrażanie nowych technologii i unowocześnianie obiektów jest szczególnie trudne w obliczu obecnej niestabilnej sytuacji gospodarczej.
Dla inżynierów przemysłu ciężkiego zarządzających systemami wodnymi, starzejąca się infrastruktura tworzy złożoną sieć wyzwań, które wpływają zarówno na codzienne operacje, jak i na długoterminowy zrównoważony rozwój. Obciążenie finansowe związane z utrzymaniem starszej infrastruktury wodnej rośnie wraz z upływem czasu. Jednym z najbardziej frustrujących aspektów zarządzania starzejącymi się systemami wodnymi jest pozyskiwanie komponentów zamiennych. Istnieje coraz większy kryzys w dostępności części zamiennych, a wielu oryginalnych producentów nie wspiera już starszych systemów. Dzisiejsze przepisy dotyczące ochrony środowiska stanowią szczególne wyzwanie dla starzejącej się infrastruktury wodnej. Im starsze są stacje uzdatniania wody, tym mniej niezawodne się stają, co jest szczególnie dotkliwe w późnych etapach eksploatacji. W obliczu globalnych zawirowań gospodarczych być może największym wyzwaniem jest zrównoważenie natychmiastowych potrzeb konserwacyjnych z długoterminowymi celami modernizacyjnymi.
Mobilne usługi uzdatniania wody jako rozwiązanie
Mobilne usługi uzdatniania wody stały się jednym z kluczowych strategicznych rozwiązań dla tych wyzwań infrastrukturalnych. Mobilne usługi wodne zapewniają rozwiązania w zakresie awaryjnego, planowanego lub nawet wieloletniego uzdatniania wody za pomocą przenośnych, pakietowych systemów, które można szybko wdrożyć w dowolnym miejscu. Usługa polega na dostarczeniu i skonfigurowaniu na miejscu tych pakietowych systemów uzdatniania, gdzie mogą one szybko rozpocząć uzdatnianie wody na potrzeby procesów przemysłowych, sytuacji awaryjnych lub dodatkowych wymagań w zakresie zaopatrzenia w wodę. Jednostki są obsługiwane i serwisowane przez specjalistów ds. Mobilne rozwiązania w zakresie uzdatniania wody stanowią nowoczesną odpowiedź na wyzwania związane ze starzejącą się przemysłową infrastrukturą wodną. Szybka i elastyczna w konfiguracji, mobilna jednostka wodna może być zainstalowana na miejscu bez zakłócania pracy.
Przykłady zastosowania mobilnych usług wodnych
- Europejska firma chemiczna osiąga roczne oszczędności w wysokości 2 mln euro dzięki hybrydowemu podejściu: Wiodący producent specjalistycznych środków chemicznych stawił czoła wyzwaniom związanym ze starzejącą się infrastrukturą dzięki innowacyjnemu hybrydowemu podejściu. Łącząc modernizację istniejącego zakładu z mobilnymi usługami wodnymi, osiągnięto całodobową produkcję 150 m³/h wody zdemineralizowanej.
- Modernizacja rafinerii ropy naftowej i gazu pozwala zaoszczędzić 1,2 mln euro dzięki mobilnemu uzdatnianiu wody: Duża europejska rafineria z powodzeniem przekształciła swoją infrastrukturę uzdatniania wody za pomocą mobilnej technologii RO i EDI. Tymczasowe rozwiązanie dostarczające 210 m³/godz wody zdemineralizowanej, w porównaniu z tradycyjnym systemem przyczep z wymiennikami jonowymi, wyeliminowało 44 roczne transporty przyczep i pozwoliło uniknąć 125 ton emisji CO₂.
- Elektrownia jądrowa uniknęła dziennych strat w wysokości 1,2 mln euro dzięki usługom awaryjnego zaopatrzenia w wodę: W obliczu krytycznych problemów z wodą zasilającą w swojej ponad 30-letniej stacji uzdatniania wody, elektrownia jądrowa uniknęła kosztownych przestojów dzięki szybkiemu wdrożeniu mobilnych usług wodnych.
Mobilne usługi wodne to sprawdzona strategia dla obiektów przemysłowych stojących w obliczu złożonych wyzwań związanych ze starzejącą się infrastrukturą. Obejrzyj nasz webinar, aby dowiedzieć się, w jaki sposób mobilne usługi wodne mogą sprostać wyzwaniom związanym ze starzejącą się infrastrukturą. Nasi eksperci dzielą się spostrzeżeniami, najlepszymi praktykami i historiami sukcesu. Kliknij, aby uzyskać dostęp do webinaru i dowiedzieć się, jak zoptymalizować operacje uzdatniania wody.
Przypadek Fukushima: Zarządzanie skażoną wodą
Rząd Japonii zadecydował, że przechowywana na terenie zamkniętej po katastrofie elektrowni Fukushima Daiichi skażona woda zostanie stopniowo skierowana do oceanu po rozcieńczeniu, które ma zminimalizować ilość substancji radioaktywnych. Operacja rozpocznie się za około dwa lata. TEPCO (Tokyo Electric Power Company), operator japońskich elektrowni atomowych, poinformował, że decyzję o skierowaniu skażonej wody do oceanu rząd podjął po sześciu latach debaty dotyczącej postępowania z wciąż radioaktywną, ale już oczyszczoną wodą z elektrowni jądrowej Fukushima Daiichi. Firma oświadczyła, że ściśle przestrzega wszystkich przepisów ustawowych i wykonawczych dotyczących bezpieczeństwa jądrowego i zgodnych z normami międzynarodowymi. Będzie też informować na bieżąco o sytuacji, dążyć do minimalizacji wpływu wody na środowisko i jest gotowa do wypłaty ewentualnych odszkodowań.
Przeczytaj także: Elektrownia Rybnik - Oczyszczanie Ścieków
Japoński rząd od czasów katastrofy współpracował z Międzynarodową Agencją Energetyki Atomowej (MAEA) i podjął działania minimalizujące skutki skażenia, w tym monitoring promieniowania i gospodarowanie odpadami. W ramach polityki postępowania z radioaktywną wodą jest ona od 2013 r. uzdatniana w zaawansowanym systemie przetwarzania płynów ALPS (ang. Advanced Liquid Processing System), zostaje odsolona, stężenie cezu i strontu jest redukowane i dopiero rozcieńczona woda zostanie skierowana do oceanu. MAEA zaakceptowała plany utylizacji wody i uznała, że taka operacja spełnia światowe standardy praktyki w przemyśle jądrowym.
Radioaktywna woda to pozostałości po katastrofie - była pompowana w celu schłodzenia stopionych rdzeni reaktorów, jest zmieszana z deszczówką i wodami gruntowymi. Zmagazynowano ją w 1044 zbiornikach, a jej objętość przekroczyła w marcu 2021 r. 1,250 mln m3. W procesie ALPS usuwa się większość materiałów radioaktywnych, zostaje jednak tryt, niegroźny przy niskich stężeniach. Decyzja o zrzucie wody wynika także z wyczerpywania się pojemności magazynów (ma do tego dojść jesienią 2022 r.).
Mimo zapewnień o najwyższej staranności przetwarzania wody i stosowaniu wszelkich rygorów bezpieczeństwa, w Chinach, Korei Południowej i innych krajach japońska decyzja budzi obawy. W samej Japonii niepokój wynika z potencjalnej niechęci konsumentów do ryb z lokalnych łowisk. Jak podaje agencja Kyodo, Hiroshi Kishi, szef japońskiej federacji spółdzielni rybackich decyzję rządu określił jako wyjątkowo godną pożałowania i całkowicie nie do przyjęcia. Ministerstwo Spraw Zagranicznych Chin stwierdziło w oświadczeniu, że posunięcie to jest wyjątkowo nieodpowiedzialne, a sprzeciw wyraziła również tajwańska Rada ds. Energii Atomowej. Także przedstawiciel południowokoreańskiego rządu powiedział, że Seul stanowczo protestuje wobec takiego planu utylizacji wody.
W marcu 2011 r. tsunami wywołane silnym trzęsieniem ziemi doprowadziło do awarii czterech reaktorów elektrowni atomowej Fukushima Daiichi i stopienia ich rdzeni. W zamkniętym od lat obiekcie wciąż zgromadzone są ogromne ilości skażonej promieniowaniem wody. Japonia zatwierdziła plan uwolnienia do morza ponad miliona ton zanieczyszczonej wody ze zniszczonej elektrowni atomowej Fukushima. Woda zostanie uzdatniona i rozcieńczona, tak aby poziom promieniowania był niższy od ustalonego dla wody pitnej.
Budynki reaktorów w elektrowni Fukushima zostały uszkodzone w wyniku eksplozji wodoru spowodowanych trzęsieniem ziemi i tsunami w 2011 roku. Tsunami zniszczyło systemy chłodzenia reaktorów, z których trzy uległy stopieniu. Do schłodzenia stopionych reaktorów zużyto ponad milion ton wody. Obecnie radioaktywna woda jest oczyszczana w złożonym procesie filtracji, który usuwa większość pierwiastków promieniotwórczych, ale niektóre pozostają, w tym tryt - uważany za szkodliwy dla ludzi tylko w bardzo dużych dawkach. Następnie jest przechowywany w dużych zbiornikach, ale operatorowi zakładu, Tokyo Electric Power Co (TepCo), zaczyna brakować miejsca, a zbiorniki te mają się wypełnić do 2022 roku. Według raportu Reutera, w zbiornikach tych przechowywanych jest obecnie około 1,3 miliona ton radioaktywnej wody.
Przeczytaj także: Ochrona Środowiska Elektrowni Opole
Grupy ekologiczne, takie jak Greenpeace, od dawna wyrażają swój sprzeciw wobec wypuszczania wody do oceanu. Organizacja ta stwierdziła, że plany Japonii dotyczące uwolnienia wody pokazały, że rząd „po raz kolejny zawiódł ludność Fukushimy”. Krajowy przemysł rybny również argumentował przeciwko temu, obawiając się, że konsumenci nie będą chcieli kupować produktów z regionu.
Decyzja wywołała również krytykę ze strony sąsiadów Japonii. Przed podjęciem decyzji minister spraw zagranicznych Korei Południowej wyraził w poniedziałek „poważny żal”. Rzecznik chińskiego ministerstwa spraw zagranicznych Zhao Lijian również wezwał Japonię do „odpowiedzialnego działania”.
Od kilku lat władze Japonii zastanawiały się, co zrobić z wodą z elektrowni jądrowej Fukushima Daiichi. Obiekt został uszkodzony podczas tsunami i trzęsienia ziemi w 2011 r. i od tego momentu blisko 100 ton wód gruntowych każdego dnia przedostaje się do zniszczonych piwnic reaktora, gdzie miesza się z wysoce radioaktywnymi szczątkami.
Na terenie elektrowni znajduje się system oczyszczania ALPS, zarządzany przez Tepco, pozwalający na usuwanie szkodliwych radionuklidów, czyli izotopów promieniotwórczych. Przy jego pomocy nie można jednak usunąć trytu. Tryt to radioaktywny izotop wodoru, który elektrownie jądrowe rutynowo rozrzedzają i zrzucają wraz z wodą do oceanu. Japonia również zapowiadała, że przed wypuszczeniem do Pacyfiku tryt z Fukushimy zostanie rozcieńczony do blisko jednej czterdziestej maksymalnego stężenia określonego w normach krajowych, a ilość trytu uwalnianego z wodą nie powinna przekraczać 22 bilionów bekereli rocznie. W takiej postaci ma być on nieszkodliwy dla ludzi i środowiska.
Plan zakłada, że Tepco będzie filtrować wodę, a następnie transportować ją do zbiorników w przybrzeżnym obiekcie, gdzie zostanie ona dodatkowo rozcieńczona wodą morską. Następnie woda będzie transportowana podmorskim tunelem i wypuszczana około 1 km od elektrowni, aby zapewnić bezpieczeństwo i zminimalizować wpływ na lokalne rybołówstwo i środowisko.
Pod koniec ubiegłego tygodnia z powodu wzrostu radioaktywności w instalacji oczyszczającej w Fukushimie chwilowo wstrzymano oczyszczanie skażonej wody. Skażona radioaktywnie woda jest wypompowywana do specjalnych zbiorników i oczyszczana, aby nie skaziła otoczenia. Pracownicy TEPCO, po tym jak w elektrowni doszło do awarii, pompowali wodę do rdzeni reaktorów siłowni, zbiorników paliwowych i prętów paliwowych. Jednak około 100 tysięcy litrów skażonej wody pozostało w piwnicach, rowach i odpływach. Część z niej przedostała się do Oceanu Spokojnego.
Elektrownia atomowa Fukushima została poważnie uszkodzona w czasie trzęsienia ziemi i tsunami 11 marca. Do powietrza, wody i na ląd przedostał się materiał radioaktywny. W promieniu 80 kilometrów od zakładu ewakuowano około 80 tysięcy osób.
Greenpeace alarmuje, że uwolniona radioaktywność może doprowadzić do mutacji ludzkiego DNA. Chiny i Korea Południowa wyraziły zaniepokojenie, a wyspiarskie kraje Pacyfiku obawiają się dalszego skażenia jądrowego Pacyfiku. Chińscy naukowcy wydali też publikację, według której szacowany, całkowity globalny koszt z tytułu opieki zdrowotnej związanej z potencjalnym zanieczyszczeniem i wywołanymi przez nie chorobami może przekroczyć 200 mld USD.
Fakty dotyczące skażonej wody w Fukushimie
Po pierwsze, zbiorniki w Fukushimie, z których ma być uwolniona woda, zawierają jej w sumie 1,3 mln ton. To ilość, jaką można by napełnić około 500 basenów olimpijskich. Skażona woda jest produkowana nieustannie przez trwające każdego dnia chłodzenie reaktora. Głównym zanieczyszczeniem radioaktywnym pozostałym po oczyszczeniu wody, która służy do chłodzenia reaktora, jest tryt. To radioaktywna forma wodoru, trudna do usunięcia z wody. Nie istnieje na razie technologia pozwalająca na pełne usunięcie trytu z wody. Przechowywanie radioaktywnej wody przez tak długi czas nie wchodzi w grę, choćby z powodu tego, iż jej ilości są zbyt duże. Poza tym, długotrwałe przechowywanie takiej cieczy zwiększa ryzyko przypadkowego, niekontrolowanego jej uwolnienia.
Wszystkie elektrownie jądrowe produkują pewną ilość trytu, który jest rutynowo odprowadzany do oceanów i innych zbiorników wodnych. Ilość wytwarzanego trytu różni się w zależności od typu reaktora. Reaktory z wrzącą wodą, takie jak w Fukushimie, produkują stosunkowo niewielkie ilości tego pierwiastka. Kiedy elektrownia w Fukushimie działała, limit zrzutu trytu został w niej ustalony na 22 TBq rocznie. Liczba ta jest znacznie niższa od poziomu, który mógłby spowodować szkody.
Woda z elektrowni jest oczyszczana za pomocą technologii zwanej ALPS, czyli Advanced Liquid Processing System. Usuwa ona zdecydowaną większość problematycznych elementów. Oczyszczanie ALPS może być też powtarzane wiele razy, aż do momentu, gdy stężenia niepożądanych substancji będą poniżej limitów określonych przepisami. Ocean Spokojny jest radioaktywny. Podobnie jak w przypadku wszystkich pierwiastków promieniotwórczych, również w przypadku trytu istnieją ścisłe międzynarodowe normy dotyczące bezpiecznych poziomów, jakie mogą być uwalniane do środowiska. W przypadku cieczy są one mierzone w bekerelach (Bq) na litr. Jeden Bq to miara, jaka określa jeden rozpad promieniotwórczy określonej substancji na sekundę. Czas połowicznego rozpadu trytu wynosi 12,3 roku. Bez wdawania się w szczegóły, oznacza to, że musi minąć około 100 lat, zanim poziom radioaktywności stanie się tak niski, że straci znaczenie.
W przypadku trytu naturalne procesy w atmosferze generują około 50-70 peta-bekereli (PBq) trytu każdego roku. Co to oznacza? Przyjmując dla uproszczenia, że 1 PBq to 2,79 g trytu, można oszacować, że co dwanaście miesięcy naturalnie powstaje około 150-200 g trytu. Jeśli spojrzymy na akwen, jakim jest Ocean Spokojny, w jego wodach znajduje się już około 3 000 PBq, czyli 8,4 kg trytu. Dla porównania całkowita ilość tego pierwiastka w ściekach z Fukushimy jest znacznie mniejsza i wynosi około 3 g. Obecne poziomy radioaktywności trytu w Pacyfiku nie budzą obaw, a więc niewielka ilość pierwiastka, jaka trafiłaby do akwenu z japońskiej elektrowni, nie spowodowałaby żadnych szkód.
Oprócz tego radioaktywność oceanów jest w większości wynikiem obecności w nich potasu. To pierwiastek niezbędny do życia - obecny jest we wszystkich komórkach. W Oceanie Spokojnym radioaktywność spowodowana obecnością potasu szacowana jest na około 7,4 miliona PBq.
Warto też zaznaczyć, że władze Japonii nie planują wypuszczać całej ilości wody na raz. Zamiast tego planowane jest uwalnianie zaledwie 0,06 g trytu w skali roku. W porównaniu z radioaktywnością już obecną w Pacyfiku taka ilość to dosłownie… kropla w morzu. W planowanym miejscu uwolnienia wód z elektrowni władze Japonii ustaliły bardzo niski limit stężenia 1500 Bq na litr. To aż siedem razy mniej niż wynosi ilość zalecana przez Światową Organizację Zdrowia, czyli 10 000 Bq na litr dla wody pitnej.
tags: #elektrownia #jadrowa #systemy #oczyszczania #wody
