СПОСОБ ЗАХОРОНЕНИЯ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ В КОСМОСЕ Российский патент 1994 года по МПК G21F9/34 

Изобретение относится к области защиты от радиоактивных излучений путем захоронения радиоактивных отходов в космосе.

Известны способы захоронения и удаления радиоактивных отходов, основанные на создании временных хранилищ и хранилищ для длительного использования в геологических и соляных формациях, на дне морей и океанов [1], способы дожигания трансурановых радиоактивных отходов в ядерных реакторах, а также захоронения в космическом пространстве [2].

Однако эти способы не обеспечивают высокой безопасности захоронения, а также значительны технические и материальные затраты. Особенно усложняется процесс захоронения в связи с использованием радиоактивных отходов высокой удельной активности, имеющих высокое остаточное тепловыделение, препятствующее их компактному захоронению. Недостаточная безопасность захоронения радиоактивных отходов в космическом пространстве связана с вероятностью попадания радиоактивных отходов в верхние слои атмосферы и в конечном счете - в околоземное пространство.

Известен способ захоронения радиоактивных отходов в космическом пространстве, согласно которому предлагается отходы поместить в контейнеры и с помощью космического корабля доставить на гелиоцентрическую орбиту. На гелиоцентрической орбите контейнер открывается и тепло от ядерного реактора корабля подается контейнеру, в результате чего радиоактивные отходы в виде летучих соединений выбрасываются на орбиту, а корабль с контейнером возвращается за новой порцией отходов [3].

Способ обладает рядом недостатков, среди которых трудности осуществления "перегонки" отходов в летучие соединения, невозможность размещения в контейнере газообразных отходов, большие энергетические затраты и т.д.

Цель изобретения заключается в создании такого способа захоронения радиоактивных отходов в твердой, жидкой и газообразной фазах, а также токсичных веществ, который обеспечил бы гарантированную экологическую безопасность на этапе их удаления при одновременном уменьшении энергетических затрат.

Цель достигается тем, что при способе захоронения радиоактивных отходов в космосе, заключающемся в доставке контейнера с отходами на геоцентрическую орбиту, измельчение отходов в частицы размером не более 1 мкм и выводе образовавшихся частиц в космическое пространство на участке траектории движения орбитальной станции от Земли для обеспечения воздействия на них солнечного света, контейнер с радиоактивными или токсичными отходами доставляют по околоземной орбите в подсолнечную зону магнитосферы на расстоянии не менее 0,6-10 радиусов Земли, затем распыляют частицы, которым на Земле с помощью специальной технологии придают особые свойства, позволяющие им "всплывать" в магнитных полях, т.е. совершать дрейф в противоположном от Земли направлении.

Технология способа состоит в том, что радиоактивные отходы компактируют (спекают) с высокотемпературными сверхпроводниками (керамическими материалами) в гранулы размером ≈ 10 мкм и весом 0,1-0,3 мг. Высокотемпературные сверхпроводники с максимальной температурой сверхпроводящего перехода позволяют производить компактирование в гранулы совместно с твердыми, жидкими и газообразными радиоактивными отходами со степенью разбавления до 25% содержания высокотемпературных сверхпроводников с сохранением сверхпроводящих магнитных свойств, в частности, с диамагнитной восприимчивостью ≈ 0,1-0,2. Высокотемпературные сверхпроводники выдерживают без деградации сверхпроводящих свойств нагрев в вакууме до 500 К, нейтронное и протонное облучение с флюенсом 10¹⁶-10¹⁷ см^-2, облучение быстрыми электронами и гамма-квантами с флюенсами до 10¹⁵ см^-2 и 10¹⁸ см^-2соответственно, а также облучение альфа-частицами дозой до 10¹⁰ Рад в течение 110 сут. и более.

В общем случае работоспособность высокотемпературных сверхпроводников устройств оценивается от 1 до 3 лет.

После распыления радиоактивные отходов, компактированные в мелкодисперсные гранулы совместно с высокотемпературными сверхпроводниками самостоятельно движутся в направлении, определяемом градиентом магнитного поля Земли в данной области пространства, т.е. от Земли к подсолнечной границе магнитосферы.

В подсолнечной зоне магнитосферы практически весь поток солнечного ветра, падающий на лобовую часть магнитосферы, обтекает ее, из чего следует, что вдоль магнитопаузы протекает ток, обеспечивающий скачок магнитного поля. В этом случае справедливо условие выполнения баланса давлений: со стороны переходного слоя - газокинетического и со стороны магнитосферы - магнитного
Р_гк = Р_м где Р_гк - газокинетическое давление, Р_гк≃10^-9 дн˙см^-2;
Р_м - магнитное давление, Р_м≃ 4˙10^-8 дн˙см^-2
"Всплывшая" или вышедшая из магнитного поля Земли частица попадает в зону действия солнечного ветра, состоящего главным образом из водородной плазмы с преобладающей ионной компонентной Н⁺ и гелия ⁴Н⁺⁺ ( α-частицы), распространяющегося со средней скоростью U_o = (4-5)˙10⁷см/с, плотностью n ~ 5 см^-3, потоком j ≃ 3 x10⁸ см^-2 с^-1.

На частицу оказывают воздействие такие факторы
газокинетическое давление, Р^о_гк
Р^о_гк ≃ (1,4˙10^-10 - 3˙10^-7) г˙см^-1 с^-2; магнитное давление, Р_м^о
Р_м^о ≃1,4˙10^-10 г ˙см^-1 с^-2; динамическое давление (поток импульса), Р^о_д
Р_д^о = 5,4˙10^-6 г˙см^-1 с^-2.

Кроме указанных факторов, на частицу сферической формы с радиусом R_o будет воздействовать также корпускулярное давление солнечного ветра
P_c=βπR_oN_pω²m_p, где β - коэффициент эффективности воздействия;
N_р - концентрация протонов в солнечном ветре;
ω - скорость солнечного ветра;
m_p - масса протонов.

Для частиц указанных размеров и веса солнечное световое давление оказывается достаточным для того, чтобы сообщить им заметное движение, направленное от солнца. Таким образом, частица, ускоряясь в радиальном направлении от солнца, попадает в турбулентную область, изменяет направление движения, обтекая внешнюю границу магнитосферы.

Шар, представляющий собой компактированный высокотемпературный сверхпроводник с частицей твердого, жидкого или газообразного радиоактивного отхода, попавший в область магнитного поля Земли, "всплывает". Механизм этого явления состоит в следующем. В неоднородном внешнем магнитном поле напряженностью под действием эффекта Мейснера из объема шара вытесняется магнитное поле и возникает ток I, сила которого такова, что создает вблизи оси магнитное поле .

Величину силы тока можно определить из выражения:
= π· где С - скорость света.

Сила действия на виток с током в магнитном поле радиусом R_o с учетом характерного расстояния изменения магнитного поля R_н ~ 3 Р₃
ΔF = μ где R₃ - радиус Земли;
Н_о - напряженность магнитного поля внутри частицы;
μ - магнитная проницаемость частицы.

Ускорение, приобретаемое частицей в результате воздействия силы ΔF
a = ≃ где ρ_втсп - плотность компактированной частицы высокотемпературного сверхпроводника с радиоактивным отходом.

Если учесть, что среднее "время жизни" сверхпроводника Δt из допустимых пределов составляет минимум 1 год и за это время частица должна обеспечить самостоятельный дрейф из зоны выброса в зону магнитопаузы с последующим обтеканием лобовой части магнитосферы и выходом в межпланетную среду, минимальное расстояние, на которое необходимо вывести контейнер, должно составить
S = ≈ 3.9·10⁸ (см) ≈ 0.6 R₃ где m - масса частицы.

Максимальное расстояние доставки контейнера с радиоактивными отходами может составлять практически до 20 радиусов Земли, что соответствует расстоянию до фронта ударной волны в подсолнечной стороне. Исходя из условий допустимых энергозатрат на доставку контейнера ракетой-носителем, целесообразно ограничиться допустимым интервалом расстояний или зоной размером от 0,6 до 10 радиусов Земли. В сравнении с известным способом (прототипом) указанный интервал расстояний совместно с другими признаками позволит получить более предпочтительный вариант решения задачи захоронения.

На фиг.1 изображен участок траектории полета космического модуля в подсолнечную зону магнитопаузы, момент выброса радиоактивных частиц и этапы дальнейшего движения; на фиг.2 - частица с радиоактивным отходом, магнитные поля и ток, иллюстрирующие эффект Мейснера.

Предлагаемый способ захоронения радиоактивных отходов в космосе заключается в следующем.

Радиоактивные отходы с помощью диспергатора, работающего, например, на основе использования токов высокой частоты, размельчают в частицы диаметром ≈ 1 мкм, затем спекают их с частицами высокотемпературных композитов, например, типа YBa₂Cu₃O_1-x размером 1-10 мкм, сепарируют частицы по качеству спекания, например, путем использования магнитных полей. Затем частицы радиоактивных отходов, скомпактированные с высокотемпературными сверхпроводниками в виде гранул-шариков, загружают в транспортный контейнер, который размещают в космическом модуле. Далее модуль состыковывают с транспортирующим космическим аппаратом и выводят на околоземную орбиту 1 (см. фиг.1), сообщают необходимое приращение скорости полета, при которой модуль доставляется в подсолнечную зону магнитопаузы 2. В заданной зоне траектории полета модуля осуществляют сброс обтекателей 3 и выброс радиоактивных отходов 4. Под действием магнитного поля частицы начинают левитировать ("всплывать"), проходя последовательно позиции 5-9 и попадают под действие солнечного ветра. При этом в неоднородном внешнем магнитном поле Земли 10 (см. фиг. 2) под действием эффекта Мейснера из объема шара это поле вытесняется магнитным полем 11 токового витка 12, в результате чего возникает левитирующая сила 13. При подходе частиц к границе магнитосферы в турбулентную область, начинается процесс их самостоятельного движения по границе 8 (см. фиг. 1), в результате частицы сбрасывают потоком солнечного ветра 9 в межпланетную среду навечно.

Использование: утилизация радиоактивных отходов, их космическая изоляция. Сущность изобретения: радиоактивные отходы вначале измельчают до размеров не более 1 мкм, затем спекают или компактируют с другими частицами размером не более 10 мкм, которые обладают высокотемпературным сверхпроводящим свойством с диамагнитной восприимчивостью 0,1 - 0,2, доводят вес компактированных частиц до 0,1 - 0,3 мг, затем помещают отходы в контейнеры, доставляют в подсолнечную зону магнитопаузы на расстоянии (0,6 - 10) радиусов Земли и осуществляют в этой зоне их выброс в поле левитирующей силы, действующей в направлении от Земли. 2 ил.

СПОСОБ ЗАХОРОНЕНИЯ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ В КОСМОСЕ, включающий помещение отходов в контейнеры, доставку их в космическое пространство и последующий выброс в заданной зоне, отличающийся тем, что перед помещением отходов в контейнеры их гранулируют до размера не более 1 мкм, затем спекают до достижения, массы гранулы 0,1 - 0,3 мг, с частицами размером не более 10 мкм, обладающими высокотемпературной сверхпроводимостью и диамагнитной восприимчивостью 0,1 - 0,2, а в качестве зоны выброса выбирают подсолнечную зону магнитопаузы на расстоянии 0,6 - 10,0 радиусов Земли.