降低净化成本

上图：塞拉菲尔德正在研究废物池环境中的放射性核素、矿物质和微生物行为，以及废水处理过程中的放射性核素和矿物质行为(由塞拉菲尔德有限公司提供)

曼彻斯特大学道尔顿核研究所凯瑟琳·莫里斯教授的工作降低了塞拉菲尔德退役成本和向爱尔兰海排放的成本。该大学提交的卓越研究框架中引用了该研究的影响。

曼彻斯特大学道尔顿核研究所与塞拉菲尔德污水和净化专业中心 (E&DCE) 合作，并得到塞拉菲尔德有限公司和英国国家核实验室的支持。它开展放射性流出物管理和处理的研究。 E&DCE 成立于 2012 年，其目标是“提供对影响废水管理的基本流程的基本了解……从而直接节省成本和降低风险，从而增强利益相关者对运营活动的信心”。合作伙伴之间举行技术会议，规划研究并讨论获得的结果。它是将学术界最先进的研究方法(包括透射电子显微镜、制备方法和微生物生态学表征)直接转移到工业界的途径。

凯丝·莫里斯 (Kath Morris) 是该研究所环境放射化学和环境与废物铅教授。该团队探索了废物池环境中的放射性核素、矿物质和微生物行为，以及废水处理过程中的放射性核素和矿物质行为。

研究结果在行业和学术合作伙伴之间共享，使 Sellafield Ltd 能够提高效率和安全性。在谈到塞拉菲尔德和 NNL 合作伙伴的意见如何帮助将基础研究转化为现场的实际行动时，莫里斯告诉NEI：“整个专业知识中心仔细的信息交流以及学术研究人员和主题专家之间的频繁会议确实实现了优化将研究从实验室规模转化为工厂规模。”

决定推进哪些项目的流程是怎样的?莫里斯说，“这一切都在于主题专家对挑战的沟通，加上整个专业中心仔细聆听和完善研究想法，这使我们能够共同定义和完善成功的项目”。

该小组的工作被卓越研究框架引用，该框架是英国对其高等教育和研究组织影响进行的五年评估。该框架的目标包括对公共研究投资进行问责，并提供该投资效益的证据;并提供有关英国高等教育机构研究健康状况的见解。该嘉奖证明了 2015 年 9 月至 2020 年 7 月期间 E&DCE 的影响。其成果包括：

将塞拉菲尔德遗留池塘的污水处理系统内的放射性降低超过 69%，预计节省成本超过 1000 万英镑(1260 万美元)。

微生物生长研究为池塘处理设置提供了信息，并增强了燃料回收操作，使燃料回收操作增加了 40%，节省了约 200 万英镑(250 万美元)。

研究氧化铁絮凝物的形成以及与放射性核素的结合，从而优化放射性后处理废水的处理方案，使塞拉菲尔德能够在工厂运营的目标期间实现锕系元素排放量减少 50-90%，并显着减少对爱尔兰海的 α 放射性排放。

塞拉菲尔德的挑战

在英国复杂且充满挑战的塞拉菲尔德现场，运营和退役工作同时进行。这项工作涉及现场产生的两种类型的放射性流出物。首先，来自乏核燃料后处理和遗留后处理设施后续清理的酸性放射性流出物在强化锕系元素去除厂(EARP)中进行处理。其次，来自塞拉菲尔德最高核风险和危害(其遗留池塘和筒仓)的碱性至中性放射性流出物在现场离子交换厂(SIXEP)进行处理。

自 2013 年以来，一项研究计划涵盖三个领域：

后处理废水处理过程中氧化铁絮凝和放射性核素去除。

EARP 过程中和酸性放射性流出物，形成铁絮凝物，清除溶液中的放射性核素。处理后的废水经授权后排放到环境中。

与 NNL 和 Sellafield 共同开发并讨论了氧化铁絮凝体形成途径的研究。

曼彻斯特大学对 EARP 絮凝体形成途径的研究发现，与经典成核模型相反，Fe-13 Keggin 部分存在于非常酸性的条件下(pH <0.15)。这凸显出，具有较高初始 pH 值的 EARP 中的废水流在从废水中去除放射性核素方面可能不如以前认为的那么有效。因此，Sellafield 改变了 EARP 废水的酸剂量，提高了中和前废水的酸度水平，以增强 Fe-13 Keggin 的形成和放射性核素的吸附。这一变化进一步减少了该污水处理设施向爱尔兰海的低水平α放射性环境排放。具体而言，在高挑战液体批次中，向海洋排放的 α 活性进一步减少了 90%。 EARP 酸剂量变化后 Am-241 的减少也具有监管意义，因为它构成了 Sellafield 证明其应用“最佳可用技术”的一部分，这是其合法运营同意的一部分。

随着塞拉菲尔德工厂继续进行退役活动，它将处理具有不同化学成分的新废水。 EARP 内对放射性核素去除的其他研究提供了对植物上关键放射性核素保留机制的详细了解。这些结果直接为 EARP 系统中的放射性核素行为(包括钚)的预测模型提供了信息，该模型将用于规划未来的操作并确保放射性减弱。塞拉菲尔德证实，这项研究“显着改善了 EARP 的废水处理工艺……协助退役过程，总体上减少了排放并协助清理塞拉菲尔德场地。这些改进支持站点退役的优化，这是一个耗资数十亿英镑的项目。”

乏燃料池废水中的胶体稳定性和放射性核素行为

SIXEP 在排放前进行有效的污水处理，支持池塘退役，并减少向环境排放的放射性核素。曼彻斯特的研究提供了对与塞拉菲尔德核燃料池直接相关的条件下铀胶体稳定性和形态形成的基本了解。

在池塘回收过程中，必须进行沉降，以将高放射性固体液体与放射性液体分离，并在 SIXEP 内进行处理。以前，这些液体被收集在废水收集容器中，其中液体中的放射性随着每次回收而增加。 2017 年，随着对动态胶体行为有了新的认识，塞拉菲尔德采用了新的工厂运营和池塘废水管理方案。其中包括用于降低胶体浓度的新混合方案，进一步将系统中的 α 活性和浊度降低了 95% 以上，并将总 β 活性浓度降低了 69%。这些工厂层面的变化还减少了设施的处理时间以及现场所需的监控和监视水平。

基础研究直接为重新配置污水排放路线以维持可见性并允许持续回收的决策提供依据。结果现已纳入塞拉菲尔德阿尔法指南文件中，该文件是有关遗留池塘和筒仓中阿尔法发射放射性行为的主要信息来源。

生物质表征和控制

为了使塞拉菲尔德的遗留池塘退役，必须清除核材料以进行安全处理和储存。微生物量的生长(也称为藻华)会降低池塘能见度并减慢池塘回收速度。

研究提供了关于花期之前、期间和之后微生物生态的详细信息，并确定光合微生物是造成花期期间能见度丧失的原因。一旦使用 DNA 分析识别出这些物种，就会对池塘中使用的超声波控制装置进行调整，以优化生物量控制。

Sellafield 于 2019 年 4 月修改了这些超声波设置，与 2018 年相比，池塘能见度增加了 40%。池塘内回收操作每天受到生物量的影响，预计退役计划的成本约为 39,000 英镑(49,000 美元)。鉴于回收和脱水计划可能持续 10 年以上，有针对性的藻类水华控制的效益将达到数百万英镑。

DNA 测序还用于表征几个液压连接的池塘，包括第一代 Magnox 存储池和燃料处理池，结果表明每个池塘都有一个适合在该设施中生存的独特微生物群落。因此，塞拉菲尔德得出结论：“[生物质]交叉污染导致能见度问题的风险很小”。这消除了之前的担忧，即池塘之间的移动可能会传播引起水华的微生物，有助于证明设施之间的燃料转移是合理的。

使退役计划能够按时运行，可以增强包括场地所有者 (NDA)、监管机构(ONR 和环境局)和公众在内的主要利益相关者对计划的信心。

总体而言，E&DCE 基础研究机构与塞拉菲尔德和 NNL 的主题专业知识相结合，为塞拉菲尔德关键核燃料储存池和液体废物处理系统退役中使用的工厂级操作提供了信息——这是降低风险的首要任务现场。

当前的研究方向是什么以及即将进行的研究是什么?莫里斯解释说：“我们有几个正在进行的关于池塘污水处理的矿物学和地球微生物学项目，我们正开始与塞拉菲尔德和 NNL 的主题专家一起探索未来研究的进一步领域。”