Nghiên cứu xử lý chất thải phóng xạ dạng lỏng bằng phương pháp xi măng hóa

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
-----------------------------------------

ĐỖ THU HÀ

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ CHẤT THẢI PHÓNG XẠ DẠNG LỎNG
BẰNG PHƢƠNG PHÁP XI MĂNG HÓA

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - 2015


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
-----------------------------------------

ĐỖ THU HÀ

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ CHẤT THẢI PHÓNG XẠ DẠNG LỎNG
BẰNG PHƢƠNG PHÁP XI MĂNG HÓA

Chuyên ngành: Khoa học môi trƣờng
Mã số: 60440301

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS. Nguyễn Bá Tiến

PGS. TS. Trần Văn Quy

Hà Nội - 2015


LỜI CẢM ƠN
Với sự kính trọng và lòng biết ơn sâu sắc nhất, em xin gửi lời cảm ơn chân
thành đến TS. Nguyễn Bá Tiến, Viện Công nghệ Xạ hiếm, Viện Năng lượng Nguyên
tử Việt Nam và PGS. TS. Trần Văn Quy, giảng viên khoa Môi trường, trường Đại
học Khoa học Tự nhiên đã tận tình hướng dẫn, quan tâm, giúp đỡ, tạo điều kiện
thuận lợi cho em học tập và nghiên cứu trong suốt quá trình thực hiện luận văn.
Em xin chân thành cảm ơn các cán bộ Trung tâm Xử lý chất thải phóng xạ
và Môi trường, Viện Công nghệ xạ hiếm, Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam đã
hướng dẫn, chia sẻ cho em nhiều kinh nghiệm và những lời khuyên bổ ích để em có
thể hoàn thành tốt luận văn này.
Em xin chân thành cảm ơn Phòng thí nghiệm Trung tâm Xử lý chất thải
phóng xạ và Môi trường, Viện Công nghệ xạ hiếm, Viện Năng lượng nguyên tử Việt
Nam đã cung cấp cho em những đồ dùng, thiết bị cần thiết phục vụ trong suốt quá
trình nghiên cứu đề tài.
Em xin chân thành cám ơn đề tài cấp nhà nước KC 05-2211-15 đã cấp kinh
phí cho em thực hiện nghiên cứu.
Em xin bày tỏ lòng biết ơn tới các thầy cô giáo và cán bộ khoa Môi trường,
trường Đại học Khoa học Tự nhiên đã giảng dạy, truyền đạt cho em nhiều kiến thức
quý báu cũng như những kỹ năng bổ ích khác.
Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, người thân, bạn bè đã luôn
ủng hộ, động viên, giúp đỡ em trong thời gian vừa qua.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, tháng 12 năm 2015
Học viên

Đỗ Thu Hà


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ......................................................................................................................1
CHƢƠNG 1
1.1.

. TỔNG QUAN ..................................................................................3
Giới thiệu về chất thải phóng xạ ..............................................................3

1.1.1. Khái niệm .............................................................................................3
1.1.2. Một số đại lƣợng phóng xạ ..................................................................3
1.1.3. Phân loại chất thải phóng xạ ................................................................4
1.2.

Tác hại của chất thải phóng xạ tới sức khỏe con ngƣời...........................7

1.3.

Chất thải phóng xạ dạng lỏng phát sinh từ nhà máy điện hạt nhân .........9

1.4.

Các phƣơng pháp xử lý chất thải phóng xạ dạng lỏng ..........................12

1.5.

Giới thiệu chung về xi măng ..................................................................20

1.6.

Cơ chế của quá trình xi măng hóa .........................................................22

CHƢƠNG 2

. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ...................24

2.1.

Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu .........................................................24

2.2.

Phƣơng pháp nghiên cứu .......................................................................25

2.3.

Dụng cụ, thiết bị và hóa chất sử dụng....................................................33

CHƢƠNG 3

. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .......................................................34

3.1.

Ảnh hƣởng của thành phần xi măng đến hiệu quả xi măng hóa ............34

3.2.

Ảnh hƣởng của thành phần chất thải đến hiệu quả xi măng hóa ...........39

3.3.

Ảnh hƣởng của tỉ lệ chất thải/xi măng đến hiệu quả xi măng hóa ........42

3.4.

Ảnh hƣởng của chất phụ gia bentonite và tro bay đến hiệu quả xi măng

hóa…… ..............................................................................................................46
3.5.

Đánh giá khả năng phát tán các nguyên tố phóng xạ khỏi khối chất thải

đã đƣợc xi măng hóa ..........................................................................................50


KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ ............................................................................54
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..........................................................................................56


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIỂT TẮT
CTPX

Chất thải phóng xạ

ĐHN

Điện hạt nhân

HLW

Chất thải hoạt độ cao (High Level Waste)

ILW

Chất thải hoạt độ trung bình (Intermadiate Level Waste)

LLW

Chất thải hoạt độ thấp (Low Level Waste)

NPP

Nhà máy điện hạt nhân (Nuclear power plant)


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Tổng hợp thành phần các nguyên tố hóa học trong nƣớc thải của nhà máy
điện hạt nhân .............................................................................................................10
Bảng 1.2. Thành phần chủ yếu của chất thải phóng xạ dạng lỏng đã đƣợc cô đặc ..12
Bảng 1.3. Thành phần hóa học của xi măng Portland thông thƣờng ........................22
Bảng 2.1. Thành phần hóa chất pha mẫu giả M1 ......................................................24
Bảng 2.2. Thành phần hóa học của xi măng Hoàng Thạch ......................................24
Bảng 2.3. Thành phần hóa học của bentonite Bình Thuận .......................................25
Bảng 2.4. Thành phần hóa học của xỉ tro bay Uông Bí ............................................25
Bảng 2.5. Thành phần hóa chất pha mẫu giả M2 ......................................................28
Bảng 3.1. Quá trình tạo vữa của chất thải M1 và xi măng XM0 ..............................34
Bảng 3.2. Quá trình đóng rắn của mẫu (M1-XM0) trong khuôn ..............................34

Bảng 3.3. Khối mẫu (M1-XM0) đã đóng rắn theo thời gian sau khi lấy ra khỏi
khuôn .........................................................................................................................35
Bảng 3.4. Thành phần hóa học của xi măng XM1 ....................................................36
Bảng 3.5. Quá trình tạo vữa của chất thải M1 và xi măng XM1 ..............................36
Bảng 3.6. Quá trình đóng rắn của mẫu (M1-XM1) khi trong khuôn ........................36
Bảng 3.7. Khối mẫu (M1-XM1) đã đóng rắn theo thời gian sau khi lấy ra khỏi
khuôn .........................................................................................................................37
Bảng 3.8. Thành phần hóa học của xi măng XM2 ....................................................37
Bảng 3.9. Quá trình tạo vữa của chất thải M1 và xi măng XM2 ..............................38
Bảng 3.10. Quá trình đóng rắn của mẫu (M1-XM2) trong khuôn theo thời gian .....38
Bảng 3.11. Khối mẫu (M1-XM2) đã đóng rắn theo thời gian sau khi lấy ra khỏi
khuôn .........................................................................................................................38


Bảng 3.12. Quá trình tạo vữa của chất thải M2 và xi măng XM1 ............................39
Bảng 3.13. Quá trình đóng rắn của mẫu (M2-XM1) khi trong khuôn ......................40
Bảng 3.14. Khối mẫu (M2-XM1) đã đóng rắn theo thời gian sau khi lấy ra khỏi
khuôn .........................................................................................................................40
Bảng 3.15. Quá trình tạo vữa để đóng rắn ................................................................42
Bảng 3.16. Quá trình đóng rắn của mẫu khi trong khuôn .........................................44
Bảng 3.17. Cƣờng độ nén các mẫu xi măng hóa ......................................................45
Bảng 3.18. Quá trình tạo vữa của chất thải M1 và xi măng XM1 bổ sung 30%
bentonite ....................................................................................................................46
Bảng 3.19. Quá trình đóng rắn của mẫu (M1-XM1+bentonite) khi trong khuôn .....47
Bảng 3.20. Khối mẫu (M1-XM1+bentonite) đã đóng rắn theo thời gian sau khi lấy
ra khỏi khuôn.............................................................................................................47
Bảng 3.21. Cƣờng độ nén của của khối mẫu (M1-XM1+bentonite) ........................48
Bảng 3.22. Quá trình tạo vữa của chất thải M1 và xi măng XM1 bổ sung 30% tro
bay .............................................................................................................................48
Bảng 3.23. Quá trình đóng rắn của mẫu (M1-XM1+tro bay) khi trong khuôn ........49

Bảng 3.24. Khối mẫu (M1-XM1+tro bay) đã đóng rắn theo thời gian sau khi lấy ra
khỏi khuôn .................................................................................................................49
Bảng 3.25. Cƣờng độ nén của của khối mẫu (M1-XM1+tro bay) ............................49
Bảng 3.26. Thông số các khối xi măng .....................................................................50
Bảng 3.27. Kết quả kiểm tra độ phát tán phóng xạ của mẫu XM0,4 ........................51
Bảng 3.28. Kết quả kiểm tra độ phát tán phóng xạ của mẫu XM0,5 ........................52
Bảng 3.29. Kết quả kiểm tra độ phát tán phóng xạ của mẫu XM0,6 ........................53


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Sơ đồ hệ thống xi măng hóa ......................................................................16
Hình 2.1. Ngâm khối xi măng hóa để kiểm tra độ phát tán Cs .................................31
Hình 3.1. Các khối mẫu sau khi tách khuôn .............................................................35
Hình 3.2. So sánh hai khối mẫu (M1-XM1) và (M2-XM1) ở cùng tỷ lệ khối lƣợng
chất thải/xi măng .......................................................................................................41
Hình 3.3. Quá trình tạo vữa để đóng rắn với các tỉ lệ khác nhau ..............................43
Hình 3.4. Các khối mẫu xi măng hóa ........................................................................45
Hình 3.5. Biến thiên Chỉ số LCs theo thời gian phát tán của mẫu XM0,4 ................51
Hình 3.6. Biến thiên Chỉ số L 137Cs theo thời gian phát tán của XM0,5 .................52
Hình 3.7. Biến thiên Chỉ số LCs theo thời gian phát tán của XM0,6.........................53


MỞ ĐẦU
Trong bối cảnh các nguồn năng lƣợng hóa thạch truyền thống nhƣ than, dầu
mỏ cũng nhƣ các nguồn nhiên liệu khác đang dần cạn kiệt, thì ngành năng lƣợng
nguyên tử đang phát triển mạnh mẽ và đƣợc nhiều nƣớc quan tâm. Việt Nam là một
trong số các quốc gia đang từng bƣớc xây dựng nhà máy điện hạt nhân. Năng lƣợng
hạt nhân có ƣu thế về kinh tế và môi trƣờng hơn so với hầu hết các hình thức cung
cấp năng lƣợng điện khác. Xét về khía cạnh môi trƣờng, khi hoạt động, các lò phản
ứng hạt nhân sẽ sản sinh ra một số lƣợng nhất định chất thải phóng xạ. Vậy nhƣng

so sánh toàn diện về kinh tế, về công suất, về sự phát thải chất thải, phát thải bụi,
phát thải khí CO2 từ các nhà máy điện hạt nhân với các nhà máy phát điện khác
(thủy điện, than đá, gió, mặt trời…) sẽ thấy điện hạt nhân có những ƣu thế đáng kể
[19]. Cùng với đó việc kết hợp điện hạt nhân với các dạng cung cấp năng lƣợng
khác sẽ đảm bảo sự an toàn của nguồn cung cấp điện quốc gia. Chính vì vậy trong
các kế hoạch trung hạn và dài hạn, việc sử dụng năng lƣợng điện hạt nhân sẽ để
thỏa mãn nhu cầu năng lƣợng của các nƣớc đang phát triển…
Các chất thải phát sinh trong vận hành nhà máy điện hạt nhân thƣờng có hoạt
độ phóng xạ ở mức thấp và trung bình. Tuy nhiên, các nhà máy điện hạt nhân vẫn là
cơ sở sản sinh chất thải phóng xạ lớn nhất trong số tất cả các loại hình cơ sở hạt
nhân. Xử lý, quản lý chất thải phóng xạ là vấn đề vô cùng cấp thiết đƣợc đặt ra cho
các nhà khoa học và quản lý. Những chất thải này nguy hiểm cho con ngƣời và môi
trƣờng trong khoảng thời gian rất dài từ hàng trăm đến ngàn năm. Vì vậy, vấn đề xử
lý và quản lý chất thải phóng xạ là hết sức cần thiết.
Nhiệm vụ chính trong quá trình quản lý, xử lý và chôn chất thải phóng xạ là
để đảm bảo an toàn cho con ngƣời và môi trƣờng. Điều này có nghĩa là cách ly hoặc
giảm bớt chất thải sao cho tốc độ hay sự tập trung của một số nhân phóng xạ khi
quay trở lại môi trƣờng sẽ ở mức vô hại. Để đạt đƣợc điều này, về cơ bản tất cả các
chất thải phóng xạ phải đƣợc thu thập, quản lý và xử lý một cách chặt chẽ.
1


TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1. Phùng Văn Duân (2006), “An toàn bức xạ bảo vệ môi trường”, NXB Khoa
học kỹ thuật, Hà Nội.
2. Nguyễn Quang Hƣng, Nguyễn Phƣơng, Bùi Tất Hợp (2008), “Quặng urani
và khả năng đáp ứng cho phát triển điện hạt nhân ở Việt Nam”, tạp chí Địa
chất, loạt A, số 307, 7-8/2008, tr. 11-18.
3. Vũ Mạnh Khôi (2006), “Đại cương về An toàn bức xạ và Liều lượng học”,

Trung tâm an toàn bức xạ và môi trƣờng, Viện khoa học và kỹ thuật hạt nhân
VAEC.
4. Lê Xuân Khuông (1997), Lý thuyết các quá trình luyện kim, thủy luyện, Nhà
xuất bản Giáo Dục, Hà Nội.
5. Đỗ Quý Sơn (2006), Bài giảng chuyên đề “Nhiên liệu và chất thải nhà máy
điện hạt nhân”, Viện Công nghệ Xạ Hiếm, Hà Nội, tr. 25 – 35.
6. Cao Hùng Thái (2006), Giới thiệu chu trình nhiên liệu, quản lý và xử lý chất
thải phóng xạ, Viện Công nghệ Xạ Hiếm
7. TS. Nguyễn Bá Tiến (2009), “Bài giảng Các phương pháp xử lý chất thải
phóng xạ”, Trung tâm xử lý chất thải phóng xạ và môi trƣờng, Viện Công
nghệ Xạ Hiếm, Hà Nội.
8. Nguyễn Bá Tiến (2014), Bài giảng về Chu trình nhiên liệu hạt nhân và Quản
lý chất thải phóng xạ, Trung tâm đào tạo hạt nhân, VINATOM.
9. Nguyễn Bá Tiến (2010), chuyên đề “Vấn đề xử lý và quản lý chất thải phóng
xạ hoạt độ thấp và trung bình trên thế giới và kiến nghị cho Việt Nam”,
Trung tâm Xử lý Chất thải phóng xạ và Môi trƣờng, Viện Công Xạ hiếm,
Viện Năng lƣợng Nguyên tử Việt Nam;

56


Tiếng Anh
10. American National Standard (2003), ANSI-16.1-2003: Measurement of the
Leachability of Solidified Low-level Radioactive Wastes by a Short-Term
Test Procedure.
11. Boyd A. Clark, David G. Atteridge, Marisol Avila, Vicki R. Baca, Kyle M.
Bishop,.Gary A. Cooke, Richard J. Lee, Larry L. Lockrem, Teo V. Rebagay,
Michael R. Silsbee, Sandy R. Stephens, and Richard A. Westberg (2005),
Development of a Cast Stone Formulation for Hanford Tank Wastes.
12. S.Goni, M.S.Hernandez, A.Guerrero (2009), Cemented matrices used in the

storage of low and medium radioactive waste, Spanish experience, Madrid,
Spain.
13. International Atomic Energy Agency (1993), Bituminization Processes to
Condition Radioactive Waste, Technical Reports Series No. 352, IAEA,
Vienna.
14. International Atomic Energy Agency (2009), Classification of radioactive
waste, IAEA Safety Standards for protecting people and the environment No.
GSG-1, IAEA, Vienna, pp. 4-16.
15. International Atomic Energy Agency (2001), Handling and Processing of
Radioactive Waste from Nuclear Applications, Technical reports serríe No
402, Vienna.
16. International Atomic Energy Agency (2009), Predisposal Management of
low and intermediate level Radioactive Waste, IAEA Safety Standards Series
No. WS-G-2.5, IAEA, Vienna.
17. M. Neji, B. Bary, N. Burlion & P. Le Bescop (2013), Modelling of the
interaction between chemical and mechanical behaviour of ion exchange
resins incorporated into a cement-based matrix, EPJ Web of Conferences
56, 02004.
57


18. Safety series No. 111-G-1.1 (1994), Classification of Radioactive Waste, A
Safety Guide; A Publication within the RADWASS Programme, IAEA,
Vienna.
19. Sean A. Andreou (2003), Intermediate and Low level nuclear waste
stabilisation- carbonation of cement- based wasteform, Canada.
20. Syed S. (2006), Solid & liquid waste management, Emirates journal for
engineering research, 11(2), p. 16-19.
21. Wayne S. Adaska, Stewart W. Tresouthick, Presbury B. West (1998),
Solidification and stabilization of wastes using portland cement.

22. V. M. Efremenkov, Radioactive waste management at nuclear power plants,
An overview of the types of low- and intermediate-level wastes and how they
are handled, IAEA BULLETIN, 4/1989
23. VUJE Experience with cementation of liquid radioactive waste.-Slovakia
Tài liệu Internet
24. Võ Văn Thuận, Điện hạt nhân – Sự lựa chọn của Việt Nam,
/>25. So

sánh

tính

kinh

tế

của

các

dạng

sản

xuất

điện

năng,

/>26. Điện

hạt

nhân

Việt

Nam,

tại

sao

không,

/>
58