Обробка відпрацьованих радіоактивних іонообмінних смол перед їх кондиціонуванням: комплексний огляд методів

С. Ю. Саєнко; В. А. Шкуропатенко; Є. О. Світличний; Г. О. Холомєєв

doi:10.32918/nrs.2026.2(110).05

Автор(и)

С. Ю. Саєнко Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут», м. Харків, Україна https://orcid.org/0000-0002-2598-3598
В. А. Шкуропатенко Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут», м. Харків, Україна https://orcid.org/0000-0003-2618-0858
Є. О. Світличний Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут», м. Харків, Україна https://orcid.org/0000-0002-6522-4940
Г. О. Холомєєв Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут», м. Харків, Україна https://orcid.org/0000-0003-1779-9050

DOI:

https://doi.org/10.32918/nrs.2026.2(110).05

Ключові слова:

радіоактивні відходи, відпрацьовані іонообмінні смоли, методи обробки, термічні методи, мокре окиснення

Анотація

У статті на основі сучасних наукових джерел проаналізовано технології обробки відпрацьованих іонообмінних смол, значне накопичення яких спостерігається на багатьох майданчиках атомних електростанцій у світі. Відпрацьовані іонообмінні смоли належать до категорії «проблемних» радіоактивних відходів через їхню схильність до набухання, утворення водню та метану внаслідок радіолізу та біодеградації, генерацію агресивних і токсичних продуктів під час термічного розкладу, а також через складність інкорпорування у тверді матриці. Це зумовлює потребу в розробленні економічно доцільних, безпечних та ефективних технологій їх переробки. У цьому огляді стисло представлено термічні (спалювання, піроліз, газифікація, плазмова обробка, паровий риформінг у псевдозрідженому шарі, окиснення розплавленими солями) та хімічні методи (процеси Фентона, окиснення й газифікація в надкритичній воді) обробки іонообмінних смол. Термічні технології, зокрема піроліз, плазмова обробка та паровий риформінг, забезпечують суттєве зменшення об’єму відходів і можливість стабілізації небезпечних компонентів, тоді як хімічні процеси, як-от процес Фентона та мокре окиснення, ефективні для глибокого руйнування органічної матриці. Наведено приклади промислового застосування сталих технологій переробки іонообмінних смол: піроліз (NUKEM Technologies GmbH, Німеччина та Belgoprocess, Бельгія), газифікація (VTT, Фінляндія) та паровий риформінг у псевдозрідженому шарі (Studsvik, Швеція). Комплексний аналіз, що охоплює оцінку переваг і обмежень розглянутих технологій, їх рівень технологічної готовності, комерційну доступність та потенціал масштабування, засвідчує, що піроліз є найбільш збалансованим і перспективним методом обробки відпрацьованих іонообмінних смол. Подальші дослідження мають бути спрямовані на оптимізацію параметрів процесу, розроблення ефективніших каталізаторів та використання функціональних добавок, здатних підвищувати ступінь фіксації радіонуклідів. Додатковим пріоритетом є створення нових вміщуючих матриць для надійної іммобілізації піролізних залишків, які відповідатимуть чинним критеріям прийнятності радіоактивних відходів для захоронення.

Завантаження

Дані завантаження ще не доступні.

Посилання

1. IAEA. (2002). Application of ion exchange processes for the treatment of radioactive waste and management of spent ion exchangers. Technical Reports Series No. 408. Vienna, IAEA.

2. Wang, J., & Wan, Z. (2015). Treatment and disposal of spent radioactive ion-exchange resins produced in the nuclear industry. Progress in Nuclear Energy, 78, 47–55. https://doi.org/10.1016/j.pnucene.2014.08.003.

3. Li, J., Chen, L., & Wang, J. (2021). Solidification of radioactive wastes by cement-based materials. Progress in Nuclear Energy, 141, 103957. https://doi.org/10.1016/j.pnucene.2021.103957.

4. Li, B., & Chen, M. (2024). A comprehensive review on treatment technologies of spent ion exchange resins in nuclear power plants. Journal of Environmental Chemical Engineering, 12, 114116. https://doi.org/10.1016/j.jece.2024.114116.

5. IAEA. (2007). New developments and improvements in processing of 'problematic' radioactive waste. Results of a Coordinated Research Project 2003–2007. IAEA-TECDOC-1579. Vienna, IAEA. https://www.osti.gov/etdeweb/servlets/purl/21102224

6. EU Project PRE-DISposal management of radioactive waste. Deliverable 6.4. Thermal treatment of solid radioactive organic waste forms. Final version. 31.07.2024. https://ejp-eurad.eu/sites/default/files/2024-12/PREDIS_D6.4-Thermal-treatment-of-RSOW_vF-31.7.2024.pdf.

7. Perez-Cortes, P., Garcia-Lodeiro, I., Cruz Alonso, M., & Puertas, F. (2024). Cementation of spent radioactive ion-exchange resin ashes using alkali-activated cements: Physicochemical and structural changes. Cement and Concrete Composites, 149, 105517. https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2024.105517.

8. Antonetti, P., Claire, Y., Massit, H., Lessart, P., Pham Van Cang, C., & Perichaud, A. (2000). Pyrolysis of cobalt and caesium doped cationic ion-exchange resin. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, 55(1), 81–92. https://doi.org/10.1016/S0165-2370(99)00075-3.

9. SE “NNEGC Energoatom”. (2020). Management of radioactive waste during the operation of SE “NNEGC Energoatom” NPPs. Report for 2020. https://energoatom.com.ua/storage/media/files/(4)2020%20(1).pdf. [in Ukrainian].

10. Hafeez, M. A., Hong, S. J., Jeon, J., Lee, J., Singh, B. K., Hyatt, N. C., Walling, S. A., Heo, J., & Um, W. (2022). Co2+/PMS based sulfate-radical treatment for effective mineralization of spent ion exchange resin. Chemosphere, 287, 132351. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2021.132351.

11. Yang, H.-C., Park, H.-O., Park, K.-T., Kim, S.-J., Kim, H. J., Eun, H.-C., & Lee, K. (2021). Development of carbonization and a relatively high-temperature halogenation process for the removal of radionuclides from spent ion exchange resins. Processes, 9, 96. https://doi.org/10.3390/pr9010096.

a. Feng, Y., Du, Y., Li, S., Li, L., Feng, S., Li, K., Zhan, M., Wang, J., Xu, X., & Lin, P. (2024). Emission characteristics of PCDD/Fs, heavy metals, and nuclides during incineration of waste resins containing nuclides. Aerosol and Air Quality Research, 24(9), 240001. https://doi.org/10.4209/aaqr.240001.

12. Li, B., Chen, M. (2023). Estimation of radionuclides migration mechanism in thermal decomposition of spent ion exchange resin in nuclear power plant. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, 173, 106089. https://doi.org/10.1016/j.jaap.2023.106089.

13. IAEA. (2006) Innovative waste treatment and conditioning technologies at nuclear power plants. IAEA-TECDOC-1504. Vienna, IAEA.

14. Dubois, M. A., Dozol, J. F., Nicotra, C., Serose, J., & Massiani, C. (1995). Pyrolysis and incineration of cationic and anionic ion-exchange resins – Identification of volatile degradation compounds. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, 31, 129–140. https://doi.org/10.1016/0165-2370(94)00817-K.

15. Luca, V., Bianchi, H. L., & Manzini, A. C. (2012). Cation immobilization in pyrolyzed simulated spent ion exchange resins. Journal of Nuclear Materials, 424, 1–11. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2012.01.004.

16. Luo, J., Hu, W., Suo, Z., Wang, Y., & Zhang, Y. (2021). Co-pyrolysis of spent radioactive ion exchange resin and manganese dioxide: Decrease the decomposition temperatures of functional groups. Journal of Hazardous Materials, 418, 126275. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2021.126275.

17. Brähler, G., Slametschka, R. (2012). Pyrolysis of spent ion exchange resins. Nuclear Plant Chemistry Conference, International Conference on Water Chemistry of Nuclear Reactor Systems (NPC 2012), Paris (France). https://archivedproceedings.econference.io/wmsym/2012/papers/12210.pdf.

18. Braehler, G. (2019). The treatment of ion exchange resin by pyrolysis. NUKEM Technologies Engineering Sevices. www.nukemtechnologies.de

19. Hansen, J., & Deckers, J. (2020). Pyrolysis of radioactive spent resins in the PRIME installation. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 818, 012008. doi:10.1088/1757-899X/818/1/012008.

20. Ma, Y., Chu, H., & Zheng, B. (2024). Research progress of plasma melting technology in radioactive waste treatment of nuclear power plants. Annals of Nuclear Energy, 198, 110307. https://doi.org/10.1016/j.anucene.2023.110307.

21. Neeway, J. J., Qafoku, N. P., Westsik, J. H. Jr., Brown, Ch. F., Jantzen, C. M., & Pierce, E. M. (2012). Radionuclide and contaminant immobilization in the fluidized bed steam reforming waste product. Radioactive Waste. https://doi.org/10.5772/36320.

22. Hylko, J. M. (2018). Fluidized bed steam reforming technology reduces volume of radioactive waste. Power Magazine, 162(8), 39–40. https://view.imirus.com/427/document/12971/1.

23. Jantzen, C., Lorier, T. H., Pareizs, J. M., & Marra, J. C. (2006). Fluidized bed steam reformed (FBSR) mineral waste forms: Characterization and durability testing. MRS Online Proceedings Library, 985, https://doi.org/10.1557/PROC-985-0985-NN10-04.

24. Liu, X., Yan, Y.-D., Zheng, Y.-H., Xu, W.-D., Xue, Y., Wang, J.-P., Zhang, Q.-G., Wang, Y.-L., & Ma, F.-Q. (2023). The conversion of organic sulfur and strontium into inorganic compounds during the molten salt oxidation of mixed resin. Journal of Environmental Chemical Engineering, 11, 111083. https://doi.org/10.1016/j.jece.2023.111083

25. Zheng, Y.-H., Yan, Y.-D., Xu, W.-D., Xue, Y., Liu, X., Wang, Y.-L., Ma, F.-Q., & Zhu, K. (2023). An ideal method for efficiently intercepting sulfur and cesium during molten salt oxidation of cation exchange resins doped with cesium. Inorganic Chemistry Communications, 155, 111100. https://doi.org/10.1016/j.inoche.2023.111100.

26. Nonnet, H. (2023). EU Project PRE-DISposal management of radioactive waste. Deliverable 6.1. Summary report: Description of the thermal processes used for the thermal treatment of the RSOW and the physical properties and chemical composition of the resulting treated wastes. Final Version. https://www.ejp-eurad.eu/sites/default/files/2024-12/PREDIS_D6.1-Thermal-processes_vFinal-August-2023.pdf

27. Meng, X., Wang, J., & Xu, L. (2022). Degradation of the mixed nuclear-grade cationic and anionic exchange resins using Fe2+/H+ homogeneous Fenton oxidation. Environmental Research, 212, 113400. https://doi.org/10.1016/j.envres.2022.113400.

28. Hafeez, M. A., Singh, B. K., Yang, S. H., Kim, J., Kim, B., Shin, Y., & Um, W. (2023). Recent advances in Fenton-like treatment of radioactive ion exchange resins. Chemical Engineering Journal Advances, 14, 100461. https://doi.org/10.1016/j.ceja.2023.100461.

29. Xu, T., Li, Y., Wang, S., Xu, D., Zhang, Q., Jin, Y., & Song, W. (2025). Supercritical water oxidation of nuclear cation exchange resins: Process optimization and reaction mechanism. Processes, 13, 3249. https://doi.org/10.3390/pr13103249.

30. Wang, L., Yi, L., Wang, G., Li, L., Lu, L., & Guo, L. (2021). Experimental investigation on gasification of cationic ion exchange resin used in nuclear power plants by supercritical water. Journal of Hazardous Materials, 419, 126437. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2021.126437.

31. Predisposal management of radioactive waste from nuclear fuel cycle facilities. IAEA Specific Safety Guide SSG-41. Vienna, IAEA. https://www-pub.iaea.org/MTCD/Publications/PDF/Pub1720web-34641098.pdf.

32. Torres Álvarez, E., Gracey, M., Cowper, M., Phung, Q. T., Zlobenko, B., Pancotti, F., Guerra, M., Kala, M., Torop, J., & Tkaczyk, A. H. (2025). Advanced treatment strategies for challenging radioactive wastes: Recent developments and future directions. Nuclear Engineering and Design, 445, 114501. https://doi.org/10.1016/j.nucengdes.2025.114501.