合作研究正在幫助塞拉菲爾德管理和處理其大型復雜場地的放射性流出物。通過探索廢物池環境和污水處理過程中的放射性核素、礦物質和微生物行為，這些項目正在幫助降低凈化成本。
上圖：塞拉菲爾德正在研究廢物池環境中的放射性核素、礦物質和微生物行為，以及廢水處理過程中的放射性核素和礦物質行為(由塞拉菲爾德有限公司提供)
曼徹斯特大學道爾頓核研究所凱瑟琳·莫里斯教授的工作降低了塞拉菲爾德退役成本和向愛爾蘭海排放的成本。該大學提交的卓越研究框架中引用了該研究的影響。
曼徹斯特大學道爾頓核研究所與塞拉菲爾德污水和凈化專業中心 (E&DCE) 合作，并得到塞拉菲爾德有限公司和英國國家核實驗室的支持。它開展放射性流出物管理和處理的研究。 E&DCE 成立于 2012 年，其目標是“提供對影響廢水管理的基本流程的基本了解……從而直接節省成本和降低風險，從而增強利益相關者對運營活動的信心”。合作伙伴之間舉行技術會議，規劃研究并討論獲得的結果。它是將學術界最先進的研究方法(包括透射電子顯微鏡、制備方法和微生物生態學表征)直接轉移到工業界的途徑。
凱絲·莫里斯 (Kath Morris) 是該研究所環境放射化學和環境與廢物鉛教授。該團隊探索了廢物池環境中的放射性核素、礦物質和微生物行為，以及廢水處理過程中的放射性核素和礦物質行為。
研究結果在行業和學術合作伙伴之間共享，使 Sellafield Ltd 能夠提高效率和安全性。在談到塞拉菲爾德和 NNL 合作伙伴的意見如何幫助將基礎研究轉化為現場的實際行動時，莫里斯告訴NEI：“整個專業知識中心仔細的信息交流以及學術研究人員和主題專家之間的頻繁會議確實實現了優化將研究從實驗室規模轉化為工廠規模。”
決定推進哪些項目的流程是怎樣的?莫里斯說，“這一切都在于主題專家對挑戰的溝通，加上整個專業中心仔細聆聽和完善研究想法，這使我們能夠共同定義和完善成功的項目”。
該小組的工作被卓越研究框架引用，該框架是英國對其高等教育和研究組織影響進行的五年評估。該框架的目標包括對公共研究投資進行問責，并提供該投資效益的證據;并提供有關英國高等教育機構研究健康狀況的見解。該嘉獎證明了 2015 年 9 月至 2020 年 7 月期間 E&DCE 的影響。其成果包括：
將塞拉菲爾德遺留池塘的污水處理系統內的放射性降低超過 69%，預計節省成本超過 1000 萬英鎊(1260 萬美元)。
微生物生長研究為池塘處理設置提供了信息，并增強了燃料回收操作，使燃料回收操作增加了 40%，節省了約 200 萬英鎊(250 萬美元)。
研究氧化鐵絮凝物的形成以及與放射性核素的結合，從而優化放射性后處理廢水的處理方案，使塞拉菲爾德能夠在工廠運營的目標期間實現錒系元素排放量減少 50-90%，并顯著減少對愛爾蘭海的 α 放射性排放。
塞拉菲爾德的挑戰
在英國復雜且充滿挑戰的塞拉菲爾德現場，運營和退役工作同時進行。這項工作涉及現場產生的兩種類型的放射性流出物。首先，來自乏核燃料后處理和遺留后處理設施后續清理的酸性放射性流出物在強化錒系元素去除廠(EARP)中進行處理。其次，來自塞拉菲爾德最高核風險和危害(其遺留池塘和筒倉)的堿性至中性放射性流出物在現場離子交換廠(SIXEP)進行處理。
自 2013 年以來，一項研究計劃涵蓋三個領域：
后處理廢水處理過程中氧化鐵絮凝和放射性核素去除。
EARP 過程中和酸性放射性流出物，形成鐵絮凝物，清除溶液中的放射性核素。處理后的廢水經授權后排放到環境中。
與 NNL 和 Sellafield 共同開發并討論了氧化鐵絮凝體形成途徑的研究。
曼徹斯特大學對 EARP 絮凝體形成途徑的研究發現，與經典成核模型相反，Fe-13 Keggin 部分存在于非常酸性的條件下(pH <0.15)。這凸顯出，具有較高初始 pH 值的 EARP 中的廢水流在從廢水中去除放射性核素方面可能不如以前認為的那么有效。因此，Sellafield 改變了 EARP 廢水的酸劑量，提高了中和前廢水的酸度水平，以增強 Fe-13 Keggin 的形成和放射性核素的吸附。這一變化進一步減少了該污水處理設施向愛爾蘭海的低水平α放射性環境排放。具體而言，在高挑戰液體批次中，向海洋排放的 α 活性進一步減少了 90%。 EARP 酸劑量變化后 Am-241 的減少也具有監管意義，因為它構成了 Sellafield 證明其應用“最佳可用技術”的一部分，這是其合法運營同意的一部分。
隨著塞拉菲爾德工廠繼續進行退役活動，它將處理具有不同化學成分的新廢水。 EARP 內對放射性核素去除的其他研究提供了對植物上關鍵放射性核素保留機制的詳細了解。這些結果直接為 EARP 系統中的放射性核素行為(包括钚)的預測模型提供了信息，該模型將用于規劃未來的操作并確保放射性減弱。塞拉菲爾德證實，這項研究“顯著改善了 EARP 的廢水處理工藝……協助退役過程，總體上減少了排放并協助清理塞拉菲爾德場地。這些改進支持站點退役的優化，這是一個耗資數十億英鎊的項目。”
乏燃料池廢水中的膠體穩定性和放射性核素行為
SIXEP 在排放前進行有效的污水處理，支持池塘退役，并減少向環境排放的放射性核素。曼徹斯特的研究提供了對與塞拉菲爾德核燃料池直接相關的條件下鈾膠體穩定性和形態形成的基本了解。
在池塘回收過程中，必須進行沉降，以將高放射性固體液體與放射性液體分離，并在 SIXEP 內進行處理。以前，這些液體被收集在廢水收集容器中，其中液體中的放射性隨著每次回收而增加。 2017 年，隨著對動態膠體行為有了新的認識，塞拉菲爾德采用了新的工廠運營和池塘廢水管理方案。其中包括用于降低膠體濃度的新混合方案，進一步將系統中的 α 活性和濁度降低了 95% 以上，并將總 β 活性濃度降低了 69%。這些工廠層面的變化還減少了設施的處理時間以及現場所需的監控和監視水平。
基礎研究直接為重新配置污水排放路線以維持可見性并允許持續回收的決策提供依據。結果現已納入塞拉菲爾德阿爾法指南文件中，該文件是有關遺留池塘和筒倉中阿爾法發射放射性行為的主要信息來源。
生物質表征和控制
為了使塞拉菲爾德的遺留池塘退役，必須清除核材料以進行安全處理和儲存。微生物量的生長(也稱為藻華)會降低池塘能見度并減慢池塘回收速度。
研究提供了關于花期之前、期間和之后微生物生態的詳細信息，并確定光合微生物是造成花期期間能見度喪失的原因。一旦使用 DNA 分析識別出這些物種，就會對池塘中使用的超聲波控制裝置進行調整，以優化生物量控制。
Sellafield 于 2019 年 4 月修改了這些超聲波設置，與 2018 年相比，池塘能見度增加了 40%。池塘內回收操作每天受到生物量的影響，預計退役計劃的成本約為 39,000 英鎊(49,000 美元)。鑒于回收和脫水計劃可能持續 10 年以上，有針對性的藻類水華控制的效益將達到數百萬英鎊。
DNA 測序還用于表征幾個液壓連接的池塘，包括第一代 Magnox 存儲池和燃料處理池，結果表明每個池塘都有一個適合在該設施中生存的獨特微生物群落。因此，塞拉菲爾德得出結論：“[生物質]交叉污染導致能見度問題的風險很小”。這消除了之前的擔憂，即池塘之間的移動可能會傳播引起水華的微生物，有助于證明設施之間的燃料轉移是合理的。
使退役計劃能夠按時運行，可以增強包括場地所有者 (NDA)、監管機構(ONR 和環境局)和公眾在內的主要利益相關者對計劃的信心。
總體而言，E&DCE 基礎研究機構與塞拉菲爾德和 NNL 的主題專業知識相結合，為塞拉菲爾德關鍵核燃料儲存池和液體廢物處理系統退役中使用的工廠級操作提供了信息——這是降低風險的首要任務現場。
當前的研究方向是什么以及即將進行的研究是什么?莫里斯解釋說：“我們有幾個正在進行的關于池塘污水處理的礦物學和地球微生物學項目，我們正開始與塞拉菲爾德和 NNL 的主題專家一起探索未來研究的進一步領域。”
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