ПОДЗЕМНОЕ ХРАНИЛИЩЕ ДЛЯ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ Российский патент 1996 года по МПК G21F9/24 

Изобретение относится к области горного дела и может быть использовано при подземной локализации радиоактивных отходов (РАО).

Под хранилищем радиоактивных отходов понимается комплекс специальных подземных, наземных и приповерхностных сооружений и оборудования, предназначенных для хранения и (или) захоронения радиоактивных отходов.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является конструкция подземного хранилища радиоактивных отходов, включающего расположение в вечномерзлой породе горных выработок, в рабочем объеме которых установлены контейнеры с радиоактивными отходами, причем рабочие объемы выработок расположены в зоне сливающейся мерзлоты сплошного распространения. Глубина расположения рабочего объема хранилища выбирается из условия, чтобы был исключен контакт рабочего объема хранилища и окружающей его зоны оттаивания как с подмерзлотными водами, так и с зоной аккумуляции, где порода хотя и находится в мерзлом состоянии, но тем не менее подвержена сезонным колебаниям температур. Расстояние между соседними горными выработками выбирается из условия, чтобы зоны оттаивания вокруг них не соприкасались между собой в течение всего срока потенциальной опасности РАО (1).

Указанная конструкция хранилища не предотвращает вынос радионуклидов в зону оттаивания, что в процессе эксплуатации такого могильника может привести к радиоактивному загрязнению массива многолетнемерзлых пород в пределах зоны оттаивания. Кроме того, накладываются ограничения на глубину размещения рабочих объемов могильников, что может создать технические сложности при выборе рабочего участка для расположения хранилища и проведении соответствующих работ по его созданию.

Необходимость разнесения соседних горных выработок на расстояние, достаточное для того, чтобы соответствующие им зоны оттаивания не соприкасались между собой в течение всего срока потенциальной опасности РАО, может привести к значительному увеличению зоны горного отвода при строительстве хранилища.

В основу изобретения положена задача разработать подземное хранилище для радиоактивных отходов, позволяющее исключить миграцию радионуклидов за пределы рабочего объема хранилища в течение всего срока потенциальной опасности размещаемых в нем тепловыделяющих РАО.

Поставленная задача решается тем, что предлагается создать подземное хранилище для радиоактивных отходов, включающее расположенный в массиве сливающихся многолетнемерзлых пород рабочий объем, в котором размещены контейнеры с радиоактивными отходами и инженерные барьеры, изолирующие эти контейнеры от окружающего хранилище массива сливающихся многолетнемерзлых пород, при этом, согласно изобретению, инженерные барьеры создают суммарной толщиной Δ,, которая с эффективным размером рабочего объема хранилища D_o находится в соотношении:

где М_o общее тепловыделение РАО на момент их загрузки в рабочий объем хранилища;
V средняя скорость разрушения инженерных барьеров,
λ постоянная распада;
k₃ коэффициент теплопроводности массива многолетнемерзлых пород;
Т_f температура оттаивания многолетнемерзлых пород;
Т₃₀ начальная температура многолетнемерзлых пород.

Одно из основных положений концепции экологически безопасной подземной изоляции РАО в многолетнемерзлых горных породах заключается в том, что для реализации выбираются арктические геокриологические районы, в которых многолетнемерзлые горные породы представляют собой криогенный водоупор, не содержат внутримерзлотных вод, тем самым естественным образом исключают миграционные процессы в рабочем блоке горного массива.

При подземной изоляции тепловыделяющих РАО в многолетнемерзлых горных породах, например, скального типа, распространение теплового потока из рабочего объема хранилища в глубь окружающего массива может привести к образованию зоны оттаивания вокруг рабочего объема хранилища.

Внутри этой зоны могут развиваться миграционные процессы и как следствие возникает вероятность выноса радионуклидов из рабочего объема хранилища. За пределами зоны оттаивания горная порода, находясь в изначальном мерзлом состоянии, является криогенным барьером и, следовательно, выполняет свои природные изолирующие функции, исключая вынос радионуклидов за пределы указанной зоны.

Такой подход полностью соответствует рекомендациям МАГАТЭ, в том числе тем из них, которые отмечают, что в зависимости от типа геологической формации изменение свойств вмещающей породы вблизи хранилища может быть допустимым, если характеристики геологической среды в целом остаются неизменными. (Критерии подземного захоронения твердых радиоактивных отходов. Сер. "Безопасность", MАГАТЭ, Вена, 1983 г.)
Анализ теплофизических аспектов подземной изоляции тепловыделяющих РАО в условиях многолетнемерзлых пород показал, что:
возникновение и распространение зоны оттаивания возможно лишь в том случае, если энергия расходящегося теплового потока из рабочего объема хранилища превышает энергозатраты на нагрев окружающей породы до температуры фазового перехода лед-вода и на осуществление собственно фазового перехода лед-вода в мерзлой породе;
вследствие постоянного падения тепловыделения РАО во времени в процессе их радиоактивного распада, на фоне в целом неизменного термодинамического состояния массива многолетнемерзлых пород, зона оттаивания вокруг рабочего объема подземного хранилища достигает экстремума в своем развитии и затем начнет постепенно уменьшаться, вплоть до полного своего смерзания.

Отсюда, в частности, следует, что зона оттаивания вокруг рабочего объема хранилища будет всегда иметь ограниченные размеры и конечное время существования.

Если в течение этого времени технически будет обеспечена работоспособность инженерных барьеров, то область распространения радионуклидов удается ограничить рабочим объемом хранилища на весь срок потенциальной опасности РАО. Этот результат недостижим в любых других горных породах, поскольку в них (при прочих равных условиях по отношению к РАО и инженерным барьерам) всегда будет существовать определенный ореол распространения радионуклидов, обусловленный наличием миграционных процессов различной интенсивности.

В практике подземной изоляции РАО под работоспособностью инженерных барьеров понимается способность инженерных барьеров надежно обеспечивать герметичность рабочего объема подземного хранилища.

Время работоспособности инженерных барьеров Т зависит от их толщины D и скорости их разрушения V под влиянием техногенных нагрузок со стороны РАО и окружающего массива многолетнемерзлых пород.

Cкорость разрушения инженерных барьеров в основном зависит от материалов, из которых они выполнены (сталь, медь, бетон и др.), а также от характера и интенсивности техногенных нагрузок, которым подвергаются инженерные барьеры в каждом конкретном варианте изоляции РАО. Хотя скорость разрушения инженерных барьеров, вообще говоря, не постоянна во времени, однако применительно к конкретной cистеме инженерных барьеров хранилища, размещенного в конкретных горно-геологических условиях, можно оперировать усредненной во времени скоростью разрушения инженерных барьеров V.

Тогда время работоспособности инженерных барьеров t с их толщиной D и скоростью их разрушения V будет находится в соотношении:

Таким образом, если при подземной изоляции тепловыделяющих РАО в многолетнемерзлых породах необходимое время работоспособности инженерных барьеров определяется временем существования зоны оттаивания вокруг рабочего объема хранилища, то выбрав, например, материал для инженерных барьеров и оценив среднюю скорость его разрушения, можно получить толщину инженерных барьеров, которая достаточна для того, чтобы исключить выход радионуклидов из рабочего объема хранилища в течение всего срока потенциальной опасности РАО.

Динамика развития зоны оттаивания вокруг рабочего объема подземного хранилища тепловыделяющих РАО, размещенного в многолетнемерзлых горных породах, например, при сферически симметричных условиях распространения тепловых потоков, описывается следующей системой уравнений (Карслоу Г. Егер Д. Теплопроводность твердых тел. М.1964):


где i 1,2,3 индекс, маркирующий соответственно области рабочего объема хранилища (могильника), зоны оттаивания и окружающего массива многолетнемерзлых пород;
j 1,2 индекс, относящийся к двум внутренним границам;
ρ_i плотность пород;
ρ_l плотность льда;
m пористость массива;
c_i теплоемкость;
k_i коэффициент теплопроводности;
L скрытая теплота фазового перехода вода-лед,
Т_i текущая температура;
Т_i0 начальная температура;
r текущая координата;
t текущее время;
R координата границы фазового перехода (фронта зоны оттаивания);
q_v объемная плотность энерговыделения РАО,
δ_ij символ Кронекера.

Основные принятые допущения сводятся к следующим:
рабочий объем хранилища однороден по теплофизическим свойствам и имеет идеальный тепловой контакт с вмещающим массивом;
окрущающая среда предполагается макроскопически однородной по всем характеристикам, причем ее поровое пространство полностью заполнено льдом, а после фазового перехода водой;
величины ρ_i c_i, k_i являются средневзвешенными (в том числе с учетом пористости среды и соответствующих характеристик льда и воды), не зависящими от температуры.

энерговыделение уменьшается во времени по экспоненциальному закону в соответствии с периодами полураспада изотопов, характерных для высокоактивных РАО.

В силу инерционности развития процессов теплопереноса в системе хранилище окружающий массив многолетнемерзлых пород можно предположить, что после достижения максимума R R_max(t) температурный режим в указанной системе становится квазистационарным.

Тогда, положив в системе уравнений (1) dТ_i/dt dR/dt 0, для радиуса зоны оттаивания, в частности, можно получить:

Пористость массива многолетнемерзлых пород учитывается неявно величиной коэффициента теплопроводности.

Пренебрегая длительностью переднего фронта кривой R(t) и полагая R(t) r₀, для времени существования зоны оттаивания τ^* можно получить:

где Do 2r₀ эффективный размер рабочего объема хранилища.

Для проверки выражения (4) авторами настоящего изобретения методом конечных разностей решена система уравнений (2). Контроль вычислительного процесса проводился непосредственно в режиме счета на каждом шаге по времени по условию сохранения баланса тепловой энергии между выделенной тепловым источником энергией к данному моменту времени и энергией, рассеянной в пространстве, на этот же момент времени. Дисбаланс по энергии не превышал величины 1,5%
Было проведено сравнение величины времени существования зоны оттаивания, вычисленное из выражения (4) и по численному решению методом конечных разностей системы уравнений (2), в зависимости от основных параметров источника тепловыделения и окружающего массива многолетнемерзлых пород. Максимальная относительная ошибка не превысила 5%
Пример сравнения результатов расчетов представлен в табл.1.

Под τ^* подразумевается время существования зоны оттаивания, рассчитанное по формуле (4), а под τ*num

В этой таблице основные параметры источника тепловыделения и окружающего массива многолетнемерзлых пород варьировались в диапазонах:
M₀ (0,25 3,0) квт,
r₀ (0,5 1,0) м,
k₃ (0,98 2,89) вт/м ^oC,
m (1 10)
Т₃₀ (-1 ^oC -10)^oC.

Величина периода полураспада оценивалась по изотопам ₁₃₇Cs и ₉₀Sr (≈ 30 лет), что соответствует постоянной распада 0,0231 лет^-1. Наличие именно этих изотопов характерно для большинства высокоактивных РАО. В одном из приведенных в табл.1 вариантов постоянная распада уменьшена в три раза, при этом относительная ошибка не превысила 1%
Отметим здесь, что строго говоря система уравнений (1) описывает процессы теплопереноса в сферически симметричных условиях. Однако, учитывая инерционность их развития в системе хранилище окружающий массив многолетнемерзлых пород, область применения расчетной формулы (4) можно распространить и на случай произвольной формы рабочего объема хранилища - (куб, параллелепипед, цилиндр и др.), с сопоставимыми линейными размерами по координатным осям. При этом эффективный размер такого рабочего объема хранилища D₀ определяется как диаметр равновеликой ему по объему сферы.

Таким образом, сравнивая время существования зоны оттаивания τ^* в выражении (2) с временем работоспособности инженерных барьеров t в выражении (1), получаем соотношение между толщиной инженерных барьеров D и эффективным размером рабочего объема хранилища D₀:

Cоздание инженерных барьеров толщиной Δ, находящейся с эффективным размером рабочего объема хранилища D₀ в соотношении (5), позволяет обеспечить исключение миграции радионуклидов за пределы рабочего объема хранилища, размещенного в массиве сливающихся многолетнемерзлых пород, в течение всего срока потенциальной опасности РАО.

На чертеже изображена принципиальная конструкция хранилища.

Рабочий объем хранилища 1 эффективным размером D₀ размещен в сливающихся многолетнемерзлых породах 2. Рабочий объем хранилища 1 изолирован от окружающего массива многолетнемерзлых горных пород 2 инженерными барьерами 3 суммарной толщиной D Причем D находится с D₀ в соотношении (5). Внутри рабочего объема хранилища установлены контейнеры 4 с тепловыделяющими радиоактивными отходами.

Хранилище работает следующим образом.

В рабочий объем хранилища 1, изолированный от окружающего массива многолетнемерзлых пород 2 инженерными барьерами 3, устанавливаются контейнеры 4 с радиоактивными отходами. Затем производится закладка свободных пространств буферными материалами, например бентонитом.

В процессе выполнения этих работ размещаются специальные системы контроля для организации системы геомониторинга на весь период функционирования хранилища.

После размещения тепловыделяющих РАО вокруг рабочего объема хранилища развивается зона оттаивания, которая сначала увеличивается до максимальных размеров и затем начинает уменьшаться (по мере падения тепловыделения РАО), вплоть до полного ее смерзания. В течение времени существования зоны оттаивания вокруг рабочего объема хранилища инженерные барьеры 3 сохраняют работоспособность и исключают вынос радионуклидов за пределы рабочего объема хранилища. После смерзания зоны оттаивания, окружающий массив горных пород, находясь в мерзлом состоянии, обеспечивает исключение выноса радионуклидов за пределы рабочего объема хранилища в течение всего срока потенциальной опасности РАО.

Например, в рабочем объеме хранилища сферической формы необходимо разместить РАО, характеризующиеся величиной M₀ 1 кВт. Спад тепловыделения во времени в основном определяется изотопами ¹³⁷Cs и ⁹⁰Sr, имеющие период полураспада ≈ 30 лет, что соответствует l 0,0231 лет^-1. Эффективный размер рабочего объема хранилища D₀ составляет 2М.

Окружающий массив многолетнемерзлых горных пород характеризуется следующими параметрами: m 4% k₃ 2,88 Вт/м ^oC (характерная величина для гранитов), Т_f Т₃₀ 3^oC.

В качестве инженерных барьеров предполагается использовать две стальные оболочки, одна и которых выполнена из нержавеющей стали, например, марки 08Х22Н6Т (барьер 1), а другая- из обычной стали, например, марки ст.3 (барьер 2). Возможные пустотные пространства внутри между стальными барьерами и между барьерами и окружающим массивом многолетнемерзлых пород могут быть зацементированы. Однако в данном примере ввиду незначительной изолирующей способности такой цементной закладки пустотных пространств ее целесообразно исключить из рассмотрения в качестве самостоятельного инженерного барьера.

Применительно к указанным условиям рассматривается наиболее опасный сценарий разгерметизации инженерных барьеров.

Предполагается, что инженерные барьеры подвергается интенсивным техногенным воздействиям как со стороны РАО, так и со стороны замкнутой оттаявшей зоны за пределами рабочего объема хранилища. Кроме того, будем считать, что на момент потери герметичности системы инженерных барьеров в целом радионуклиды могут мгновенно выйти за пределы рабочего объема хранилища.

В рамках сделанных предположений модель процесса разгерметизации инженерных барьеров можно представить следующим образом.

Интенсивному техногенному воздействию будут подвержены одновременно оба барьера, причем барьер 1 со стороны паровоздушной смеси внутри колонны, а барьер 2 со стороны влаги оттаявшей зоны вокруг рабочего объема хранилища.

Потеря их герметичности прежде всего связана с коррозионными процессами вследствие действия техногенных нагрузок. Наиболее интенсивный вариант нарушения герметичности барьеров 1 и 2:
контакт с водо-воздушной атмосферой, разгерметизация на сварных швах, язвенная коррозия (для барьера 1);
контакт с подземными водами, разгерметизация на сварных швах, язвенная коррозия (для барьера 2).

Cкорость развития коррозионных процессов, определяющая скорость разрушения каждого инженерного барьера в данном случае, по данным о коррозионной стойкости указанных сталей в условиях радиохимических производств составит:
V₁ 0,12 мм/год для барьера 1;
V₂ 0,13 мм/год для барьера 2.

Cредняя скорость разрушения инженерных барьеров можно рассчитать в соответствии с теоремой "о среднем":

Например, если за промежуток времени от 0 до t одновременно разрушатся оба барьера, тогда средняя скорость их разрушения из (6) составит:
V V₁ + V₂ 0,25 мм/год
Тогда, подставив полученное значение V в выражение (5), и разрешив его относительно Δ получим, что толщина инженерных барьеров должна составлять:
D = 24 мм
При этом толщина барьера 1 составит Δ₁ 11,5 мм, а толщина барьера 2 составит Δ₂ = 12,5 мм.
Таким образом, благодаря данной конструкции хранилища удается повысить надежность изоляции тепловыделяющих РАО, исключить миграцию радионуклидов за пределы его рабочего объема и тем самым обеспечить сохранность окружающей среды на весь срок потенциальной опасности РАО.

Использование: для подземной локализации радиоактивных отходов. Сущность изобретения: подземное хранилище включает расположенный в массиве сливающихся многолетнемерзлых пород рабочий объем, в котором размещены контейнеры с радиоактивными отходами. Рабочий объем изолирован от окружающих пород изолирующими барьерами, суммарная толщина Δ которых связана с эффективным размером D₀ рабочего объема хранилища соотношением, приведенным в описании. 1 ил.

Подземное хранилище для радиоактивных отходов, включающее расположенный в массиве сливающихся многолетнемерзлых пород рабочий объем, в котором размещены контейнеры с радиоактивными отходами, отличающееся тем, что оно снабжено размещенными вокруг рабочего объема инженерными барьерами, изолирующими рабочий объем хранилища от окружающего массива, сливающихся многолетнемерзлых горных пород, при этом суммарная толщина Δ инженерных барьеров связана с эффективным размером D_o рабочего объема хранилища соотношением

где M_o общее тепловыделение отходов на момент их загрузки в рабочий объем хранилища;
v средняя скорость разрушения инженерных барьеров;
^λ постоянная распада;
K₃ коэффициент теплопроводности массива многолетнемерзлых пород;
T_f температура оттаивания многолетнемерзлых пород;
T_зо начальная температура многолетнемерзлых пород.