ПОДЗЕМНЫЙ ПРОТИВОВЫБРОСНОЙ КАНАЛ ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ Российский патент 1996 года по МПК G21C9/00 G21C13/10 

Предлагаемое изобретение относится к атомной энергетике и может быть использовано на АЭС и других стационарных объектах с ЯЭУ для предотвращения аварийных выбросов радиоактивных веществ в биосферу путем улавливания и нейтрализации выброса в предлагаемом подземном противовыбросном канале.

Известен подземный противовыбросный канал ЯЭУ, являющийся прототипом данного предлагаемого изобретения, соединяющий защитную оболочку ЯЭУ с фильтром, расположенным вне защитной оболочки, содержащий вертикальные трубы, размещенные по периметру защитной оболочки и выведенные верхними концами под ее куполом, а нижним под землю, монотонно снижающиеся спиральный тоннель с вертикальной осью симметрии и сбойку, соединенную с нижней частью вертикальной шахты, снабженной зумпфом для сбора дезактивата, выходящей в фильтр снизу, средства улавливания и нейтрализации радиоактивных веществ.

Недостатки технического решения по прототипу заключаются в недостататочности противовыбросных свойств и защитных свойств канала.

Недостаточность противовыбросных свойств заключается в следующем:
а) Конструктивно (из-за ограниченности поперечного сечения) относительно мал суммарный объем выработок канала) вертикальных труб, спирального тоннеля, сбойки и шахты фильтра (дополнительно к свободному объему защитной оболочки ЯЗУ, который на практике достигает, как известно порядка 100 тыс.м³. И чтобы для надежности хотя бы удвоить этот объем защитной оболочки за счет подземного канала, например, при среднем практически приемлемом поперечном сечении выработок в 10 м² потребуется их протяженность в 10 км, что технически и экономически затруднит осуществление сооружения компактной барражной защиты массива окружающих горных пород от миграции радиоактивного загрязнения из канала, о чем см. ниже;
б) oтносительно ненадежны известные технические средства улавливания и нейтрализации (локализации, подавления и т.д.) радиоактивных продуктов выброса в канале, сконструированные и действующие на активном принципе и, следовательно, потенциально могущие давать отказы во время выброса;
в) oтносительно невысока скорость фильтрования выброса через фильтр вследствие относительно ограниченных его поперечного сечения и пропускной способности, что чревато длительным удерживанием аварийного выброса в канале под большим внутренним давлением и, следовательно, опасностью утечки радиоактивных продуктов за обделку выработок канала.

Недостаточность защитных свойств канала заключается в возможности утечки радиоактивных веществ под действием высоких внутреннего давления и температуры выброса из канала через неплотности в обделке его выработок в породы массива, а затем в биосферу, т.е. улавливать их за обделкой практически нечем.

Эти недостатки прототипа могут быть причиной не срабатывания весьма дорогостоящего подземного канала как противовыбросного устройства и утечки радиоактивных веществ аварийного выброса в биосферу.

Техническая задача усиление противовыбросных и защитных свойств канала.

Поставленная техническая задача достигается тем, что в предлагаемом подземном противовыбросном канале ядерной энергетической установки (ЯЭУ), соединяющем защитную оболочку ЯЭУ с фильтром, расположенным вне защитной оболочки, содержащем вертикальные трубы, размещенные по периметру защитной оболочки и выведенные верхними концами под ее купол, а нижними под землю, монотонно снижающиеся спиральный тоннель с вертикальной осью симметрии и сбойку, соединенную с нижней частью вертикальной шахты, снабженной зумпфом для сбора дезактиватора, выходящей в фильтр снизу, средства улавливания и нейтрализации радиоактивных веществ, вертикальные трубы углублены до сбойки, спиральный тоннель пройден вокруг вертикальных труб от отметки защитной оболочки до отметки ниже сбойки, продолжен в форме сбоечного тоннеля и выведен до отметки фильтра вокруг его шихты, средства улавливания и нейтрализации радиоактивных веществ выброса выполнены в виде соединенных со сбойкой и с шахтой фильтра располагаемых параллельными рядами вертикальных цилиндрических камер с бетонной обделкой и встроенными в нее вертикальными вентиляционными скважинами, с оконтуриванием массива с камерами концентрически расположенными замкнутыми наружным гидроизоляционным, соединенным со спиральным тоннелем, и внутренним противофильтрационным, соединенным со сбойкой, контурами, причем концы вентиляционных скважин обделки камер выведены в гидроизоляционный контур, по образующей цилиндра, оконтуренного спиральным тоннелем, сооружен двухслойный защитный контур противофильтрационный вовнутрь и гидроизоляционный наружу путем тампонажа пород из спирального тоннеля, сбойка и сбоечный тоннель встроены в противофильтрационные породные цилиндры, окруженные гидроизоляционными породными цилиндрами, сооруженными вокруг поперечного сечения этих выработок тампонажем пород из них, камеры улавливания и нейтрализации радиоактивных веществ эксплуатируются как порожними, соединенными последовательно, так и заполненными фильтрующим материалом, например, гравием, который после радиоактивного загрязнения хранится на месте, а также отвержденными радиоактивными отходами для сухого контролируемого хранения.

На фиг. 1, 2 и 3 показаны общий вид и сечения устройства: 1 ЯЭУ, 2 - защитная оболочка, 3 вентиляционные трубы, 4 спиральный тоннель, 5 - двухслойный защитный цилиндрический контур, оконтуренный по спиральному тоннелю, 6 наружный замкнутый гидроизоляционный контур, 7 внутренний замкнутый противофильтрационный контур, 8 вертикальные цилиндрические камеры порожние, 9 вентиляционные скважины, 10 тампонажные штреки, 11 этажные штреки, 12 камерный вентиляционный тоннель, 13 фильтр, 14 вертикальная шахта фильтра, 15 зумпф шахты фильтра, 16 сбойка, 17 сбоечный тоннель, 18 вентиляционная дверь, 19 противофильтрационные породные цилиндры сбойки и сбоечного тоннеля, 20 гидроизоляционные породные цилиндры сбойки и сбоечного тоннеля, 21 внутренний противофильтрационный контур двухслойного контура 5 по спиральному тоннелю, 22 внешний гидроизоляционный контур двухслойного защитного контура 5 по спиральному тоннелю, 23 - строительно-эксплуатационные откаточные штреки, 24
строительно-эксплуатационные шахтные стволы, 25 вертикальные цилиндрические камеры, заполненные гравием, 26 вертикальные цилиндрические камеры, заполненные отвержденными радиоактивными отходами, 27 коллектор, 28 - межкамерная плоская барражная завеса.

Предлагаемый подземный противовыбросный канал ЯЭУ (фиг. 1), соединяющий защитную оболочку 2 над ЯЭУ 1 с расположением вне защитной оболочки фильтром 13 состоит из: вертикальных труб 3, размещенных по периметру защитной оболочки, объединенных внизу коллектором 27 (фиг. 3) и выведенных верхними концами под куполом защитной оболочки (фиг.1), монотонно снижающиеся спирального тоннеля 4 с вертикальной осью симметрии, сооруженного вокруг труб 3 к вертикальной шахты 14, с соединением обсечным тоннелем 17, с бойки 16, соединяющей нижние концы труб 3 и шахты 14, которая снабжена зумпфом 15 для сбора дезактиватора, а также средств улавливания и нейтрализации радиоактивных веществ аварийного выброса, включающие в себя все выработки и элементы предлагаемого подземного канала, выполняющие улавливающие, нейтрализующие, противофильтрационные и гидроизоляционные противотрубные и защитные функции.

Вертикальные трубы 3 углублены до сбойки 16. Спиральный тоннель 4 пройдет вокруг вертикальных труб 3 от отметки защитной оболочки 2 до отметки ниже сбойки 16, продолжен в форме сбоечного тоннеля 17 и выведен с его отметки вверх до отметки фильтра 13 вокруг шахты 14.

Средства улавливания и нейтрализации радиоактивных продуктов выброса, предназначенные дополнительно к известным по прототипу, выполнены в виде вертикальных цилиндрических камер 8 (фиг. 1), соединенных последовательно и эксплуатирующихся порожными, а также 25 и 26, заполненных, соответственно, гравием и отвержденными радиоактивными отходами (фиг. 3), с бетонной обделкой камер по периметру и встроенными в обделку вентиляционными скважинами 9. Камеры 8, 25, 26 пройдены специальным способом опорного ядра с оконтуриванием массива горных пород, в котором встроены эти камеры, концентрически расположенными замкнутыми наружными гидроизоляционным контуром (барражной завесой) 6 и внутренним противофильтрационным контуром (барражной завесой) 7.

Контуры 6 и 7 сооружаются путем тампонирования пород из тампонажных штреков 10.

Гидроизоляционный контур 6, точнее его тампонажные штреки 10, соединен со спиральным тоннелем 4 обоих крыльев с помощью сбоечного тоннеля 17 внизу и этажных штреков 11 вверху.

Противофильтрационный контур 7 соединен с вертикальными трубами 3 и с шахтой 14 фильтра 13 с помощью сбойки 16 и камерного вентиляционного тоннеля 12. При этом верхние и нижние концы вентиляционных скважин 9 вертикальных камер выведены в гидроизоляционный контур 6 (соответственно в этажные штреки 11 и сбоечный тоннель 17).

Причем камеры улавливания и нейтрализации радиоактивных веществ эксплуатируются как порожними (камеры 8 фиг.1 и 3), так и заполненными (фиг.3) фильтрующим материалом, например, гравием (камеры 25), который после радиоактивного загрязнения хранится на месте, а также отверждеными радиоактивными отходами (камеры 26), например, зацементированными в матрицы.

Порожние камеры 8 (фиг.1) соединены последовательно, например, с помощью труб, с забором выброса внизу на сбойке 16 через посредство вентиляционной двери 18 и с выхлопом его вверху в камерный вентиляционный тоннель 12.

Таким образом, в предлагаемом подземном канале, в комплекс противовыбросных средств (средств улавливания и нейтрализации радиоактивных продуктов выброса (входят: защитная оболочка 2, вертикальные трубы 3, коллектор 27, сбойка 16 с вентиляционной дверью 18, камеры 8, 25, 26, камерный вентиляционный тоннель 12, шахта 14 с зумпфом 15 для дезактивата, фильтр 13.

Кроме описанных противовыбросных средств, предлагаемый подземный канал содержит следующие защитные средства, которые защищают массив горных пород, в который встроен канал и, следовательно, биосферу от утечек радиоактивных веществ из выработок канала через обделку в случаях неплотностей, повреждений и т.д. в ней.

Так, по образующей цилиндра, оконтуриваемого спиральным тоннелем 4 вокруг вертикальных труб 3 и шахты 14, сооружен двухслойный защитный контур 5 (фиг. 1 и 3), состоящий из противофильтрационного слоя 21 вовнутрь и гидроизоляционного 22 наружу, путем тампонажа пород из спектрального тоннеля через пробуренные из него тампонажные скважины (шпуры) в стороне цилиндра соответствующими тампонажными веществами.

Причем оба крыла спирального тоннеля соединены тоннелем 17 на отметке ниже сбойки 16 (фиг.1).

Обечайка 16 и сбоечный тоннель 17 встроены в противофильтрационные породные цилиндры 19 (фиг.1 и 2), окруженные в свою очередь гидроизоляционными породными цилиндрами 20, сооруженные вокруг поперечного сечения этих выработок способом тампонажа пород соответствующими тампонажными материалами через скважины (шпуры), пробуриваемые из этих выработок.

Как было отмечено выше, массив горных пород, в который встроены вертикальные цилиндрические камеры 8, 25, 26 оконтурены концентрически расположенными замкнутыми наружными гидроизоляционным и внутренним противофильтрационным контуром 6 и 7, сооруженными из соответствующих тампонажных штреков 10 путем тампонажа пород из них в створах контуров через тампонажные скважины (шпуры).

Камеры 8, 25, 26 располагаются рядами (фиг.3), а ряды изолируются друг от друга межкамерными плоскими барражными завесами 28, сооружаемыми описанным выше способом перпендикулярно замкнутым барражам 6, 7.

Таким образом, в предлагаемом подземном противовыбросном канале в комплекс защитных средств, защищающих массив горных пород, в который встроен предлагаемый канал, и, следовательно, защищающих биосферу от утечек радиоактивных веществ из него, входят: двухслойный цилиндрический контур 5 вокруг труб 3, породные цилиндры 19 и 20 вокруг сбойки 16 и сбоечного тоннеля 17, двухслойный цилиндрический контур 4 вокруг шахты 14, замкнутые контуры 6 и 7 вокруг массива камер 8, 25, 26 и плоские контуры 28 между рядами камер.

Следовательно, все подземные выработки предлагаемого противовыбросного канала окружены замкнутыми противофильтрационными и гидроизоляционными контурами, предотвращающими проникновение подземных вод извне в выработки и утечку радиоактивных веществ наружу из них за пределы обделки, в результате чего массив пород и, следовательно, биосфера защищены от утечек из аварийного выброса, чем устраняется недостаток прототипа.

Строительство предлагаемого подземного противовыбросного канала осуществляется путем проходки строительно-эксплуатационных стволов 24 и откачных штреков 23, этажных штреков 11, спиральных тоннелей 4 обоих крыльев, затем сбойки 16, сбоечного тоннеля 17, камер 8, 25, 26, тампонажных штреков 10 и т.д. с помощью известных шахтостроительных технологий и техники, в т.ч. самоходной, для чего выработки канала сооружают соответствующих поперечных сечений и уклонов.

Отбиваемая в забоях горная порода выдается на поверхность и используется для планировочных, дорожных, бетонных и иных строительных работ.

Строительство канала осуществляется проходкой одновременно нескольких подземных выработок по многозабойной схеме, что позволяет сделать конструкция канала.

Работа предлагаемого подземного противовыбросного канала ЯЭУ заключается в следующем.

Противовыбросная работа заключается в улавливании аварийного выброса, гашении энергии его ударной волны и нейтрализации его радиоактивных продуктов на пассивном принципе.

Улавливание (аккумулирование) выброса (радиоактивных газов, пара, аэрозолей) осуществляется во всех подземных выработках канала в пространстве от защитной оболочки 2 до внешнего фильтра 13 путем стихийного заполнения их продуктами выброса под действием разности внутреннего давления: повышенного аварийного под защитной оболочкой и атмосферного, к началу выброса, в канале.

Аварийный выброс от ЯЭУ (фиг.1) вытесняется из-под защитной оболочки 2 в вертикальные трубы 3 и их коллектор 27 (фиг.3), в разветвленную сбойку 16, затем, встретив сопротивление вентиляционной двери 18 (фиг.1), последовательно заполняют лабиринт, состоящий из последовательно подключенных камер 8, а также заполненные гравием камеры 25, камерный вентиляционный тоннель 12, шахту 14, разветвленную сбойку 16 с обратной стороны и "упирается" в фильтр 13, который начинает профильтровывать выброс, снижая его внутреннее давление, выпуская профильтрованный воздух в атмосферу или передавая его в другие службы для производства окончательной очистки.

Гашение энергии ударной волны выброса в момент его возникновения и распространения по каналу осуществляется всеми существующими техническими средствами (дрейчерными установками, барботерами, газгольдерами и т.д.), размещенными под защитной оболочкой и в выработках канала, а также предлагаемыми попеременным сужением и расширением потока, с соответствующим охлаждением, в порожних камерах 8 как детандерах 5, плюс в камерах 25, заполненных гравием, фильтре 13 и т.д. Все эти средства позволят, по авторскому мнению, эффективно амортизировать и гасить энергию ударной волны выброса в выработках предлагаемого подземного противовыбросного канала.

При этом следует принять во внимание, что вертикальные цилиндрические камеры 12 и 25 являются мощным техническим средством улавливания, нейтрализации и гашения энергии ударной волны выброса вследствие их конструктивных параметров: диаметр всвету 12 м, высота 100 м, емкость одной камеры порядка 10 тыс.м³. Количество камер проектируется с запасом с возможностью переориентации их функций во время эксплуатации: порожними, с гравием, с радиоактивными отходами.

Защитная работа. заключается в защите массива горных пород и, следовательно, биосферы от утечки радиоактивных продуктов от аварийного выброса из выработок предлагаемого подземного канала, проникающих через обделку выработок.

Эта защита осуществляется (дополнительно к обделке и известному оборудованию локализации и нейтрализации) с помощью противофильтрационных контуров, представляющих утечку радиоактивных продуктов изнутри наружу (из канала в массив) и гидроизоляционных контуров, предотвращающих миграцию подземной воды снаружи вовнутрь (из массива в канал), могущей стать носителем радиоактивности продуктов.

Защитные контуры (барьеры) действуют либо раздельно (гидроизоляционный контур является барьером для воды, а противофильтрационный для радиоактивных продуктов), либо совместно (двухслойные барьеры противофильтрационный барьер встроен внутри гидроизоляционного барьера).

Защитные барьеры оконтуривают либо группу выработок (раздельные контуры), либо одиночные выработки (совместные двухслойные контуры).

Так, замкнутые, концентрически расположенные, раздельные (внешний гидроизоляционный 7 и внутренний противофильтрационный 6, а также плоские межкамерные 28) контуры (фиг.1 и 3) выполняют роль защитных барьеров, оконтуривающих вертикальные камеры 8, 25 и 26.

Совместный двухслойный защитный цилиндрический контур 5 (фиг.1 и 3), оконтуренный (обозначенный) спиральным тоннелем 4, состоящий из внутреннего противофильтрационного 21 и внешнего гидроизоляционного 22, выполняет роль защитного барьера, оконтуривающего вертикальные трубы 3 и вертикальную шахту 14 фильтра 13.

Совместные двухслойные защитные породные цилиндры (фиг.1, 2 и 3), состоящие из внутреннего противофильтрационного 19 и внешнего гидроизоляционного 20 контуров, выполненные вокруг поперечного сечения одиночных выработок, защищают массив от: сбойки 16, сбоечного тоннеля 17, камерного вентиляционного тоннеля 12 и т.д.

Таким образом:
1. Усилие противовыбросных свойств предлагаемого канала по сравнению с прототипом достигается за счет: а) выполнения средств улавливания и нейтрализации радиоактивных продуктов выброса в виде вместительных вертикальных цилиндрических камер; б) эксплуатации этих камер на пассивном принципе как порожними, соединенными последовательно, так и заполненными фильтрующим материалом, например, гравием.

Это позволяет:
увеличить в несколько раз суммарный свободный объем подземного канала дополнительно к свободному объему защитной оболочки, в сопоставимом оконтуриваемом концентрически расположенными замкнутыми противофильтрационным и гидроизоляционным контурами массиве;
гасить энергию ударной волны выброса в детандерах (порожних камерах) и фильтрах (камерах, заполненных гравием);
увеличить суммарные поперечное сечение и емкость фильтров (гравийных камер) канала для повышения скорости фильтрования и нейтрализации выброса.

Все перечисленные в п. 1 технические решения позволят, по авторскому мнению, предотвратить радиоактивный выброс в биосферу (прежде всего в атмосферу), возникший и сформировавшийся на ЯЭУ в результате аварии.

2. Усиление защитных свойств предлагаемого канала, по сравнению с прототипом, достигается за счет: a) проходки спирального тоннеля вокруг вертикальных труб и шахты фильтра, а также сооружения двухслойного защитного контура противофильтрационного вовнутрь и гидроизоляционного наружу по образующей цилиндра, оконтуренного спиральным тоннелем; б) оконтуривания массива с вертикальными цилиндрическими камерами концентрически расположенными замкнутыми наружным гидроизоляционным и внутренним противофильтрационным контурами (барражными завесами); в) сооружения обделки вертикальных цилиндрических камер с встроенными в обделку вентиляционными скважинами; г) встроенности сбойки и сбоечного тоннеля в противофильтрационные породные затомпонированные цилиндры, окруженные подобными гидроизоляционными цилиндрами, сооружаемыми вокруг поперечного сечения этих подземных выработок предлагаемого канала; д) контролируемого хранения радиоактивных отходов, переработанных из условных и нейтрализованных радиоактивных продуктов выброса и отвержденных в блоки, например, цементом в вертикальных цилиндрических камерах, а также хранения на месте загрязненного радиоактивными веществами гравия в гравийных камерах; что позволит резко уменьшить объем перемещения и распространения радиоактивных продуктов от выброса по выработкам канала.

Все перечисленные в п. 2 технические решения позволят, по авторскому мнению, усилить защитные свойства предлагаемого противовыбросного канала: не допустить утечку радиоактивных веществ из выработок канала за их обделку в массив горных пород и, следовательно, в биосферу в случае неплотностей в обделке. И нейтрализовать их в выработках канала, например, известными техническими способами и средствами подавления и дезактивации благодаря защите с помощью барражных контуров.

Следовательно, предлагаемый подземный противовыбросный канал ядерной энергетической установки (ЯЭУ) соответствует, по авторскому мнению, критериям "техническое решение задачи", "новизна", "существенные отличия" и "положительный эффект", поскольку предлагаемая совокупность признаков по сравнению с прототипом усиливает свойство прототипа.

Сущность: спиральный тоннель пройден вокруг вертикальных труб и шахты фильтра и продолжен в форме сбоечного тоннеля ниже сбойки. Средства улавливания и нейтрализации выброса выполнены в виде вертикальных цилиндрических противовыбросных камер с бетонной обделкой и встроенными в нее вертикальными вентиляционными скважинами, камеры оконтурены замкнутыми обособленными внутренними и внешним барражными контурами. Спиральный тоннель, сбойка и сбоечный тоннель встроены в сдвоенные - внутренние и внешние - барражные контуры, причем внутренние контуры являются противофильтрационными против утечки радиоактивных веществ изнутри наружу, а внешние - гидроизоляционными против миграции подземных вод извне вовнутрь выработок канала. 3 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Подземный противовыбросный канал ядерной энергетической установки (ЯЭУ), соединяющий защитную оболочку ЯЭУ с фильтром, расположенным вне защитной оболочки, содержащий вертикальные трубы, размещенные по периметру защитной оболочки и выведенные верхними концами под ее купол, а нижними под землю, монотонно снижающиеся спиральный тоннель с вертикальной осью симметрии и сбойку, соединенную с нижней частью вертикальной шихты, снабженной зумпфом для сбора дезактивата, выходящей в фильтр снизу, средства улавливания и нейтрализации радиоактивных веществ, отличающийся тем, что вертикальные трубы углублены до сбойки, спиральный тоннель пройден вокруг вертикальных труб от отметки защитной оболочки до отметки ниже сбойки, продолжен в форме сбоечного тоннеля и выведен до отметки фильтра вокруг его шахты, средства улавливания и нейтрализации радиоактивных веществ выброса выполнены в виде соединенных со сбойкой и с шахтой фильтра располагаемых параллельными рядами вертикальных цилиндрических камер с бетонной обделкой и встроенными в нее вертикальными вентиляционными скважинами с оконтурированием массива с камерами концентрически расположенными замкнутыми наружным гидроизоляционным, соединенным со спиральным тоннелем, и внутренним противофильтрационным, соединенным со сбойкой, контурами, причем концы вентиляционных скважин обделки камер выведены в гидроизоляционный контур. 2. Канал по п.1, отличающийся тем, что по образующей цилиндра, оконтуренного спиральным тоннелем, сооружен двухслойной защитный контур - противофильтрационный вовнутрь и гидроизоляционный наружу путем тампонажа пород из спирального тоннеля. 3. Канал по п. 1, отличающийся тем, что сбойка и сбоечный тоннель встроены в противофильтрационные породные цилиндры, окруженные гидроизоляционными породными цилиндрами, сооруженные вокруг поперечного сечения этих выработок тампонажем пород из них. 4. Канал по п.1, отличающийся тем, что камеры улавливания и нейтрализации радиоактивных веществ эксплуатируются как порожними, соединенными последовательно, так и заполненными фильтрующим материалом, например, гравием, который после радиоактивного загрязнения хранится на месте, а также отвержденными радиоактивными отходами для сухого контролируемого хранения.