СПОСОБ ЗАХОРОНЕНИЯ РАДИОАКТИВНЫХ ЖИДКИХ ОТХОДОВ Российский патент 1996 года по МПК G21F9/24 

Изобретение относится к технологии захоронения радиоактивных отходов и других химически активных, в том числе тепловыделяющих отходов производства.

Известен способ захоронения отходов, находящихся в водных растворах, с разбавлением этих растворов водой из пористой и находящейся под морским дном геологической формации и введением разбавленного раствора в ту же самую геологическую формацию (Заявка Франции N 2545638, кл. G 21 F 9/24, 1984).

Недостатком известных способов является то, что в случае физического или химического разрушения оболочки консервантов радиоактивные отходы и химически вредные вещества сохраняют способность к миграции и рассеиванию в окружающей среде.

Известен также способ захоронения радиоактивных и других химически вредных жидких отходов в геологических формациях высокотемпературной гидротермальной системы, расположенной в структуре андезитового стратовулкана островной вулканической дуги, заключающийся в том, что подготовленные для захоронения отходы закачивают в зону захоронения силикатного состава, перемешивают в процессе закачки с кислыми водными растворами, и консервируют их в этой зоне. (Патент Российской Федерации N 2001454, кл. G 21 F 9/24, 1991).

Указанный способ принят за прототип.

Однако прототип имеет ряд недостатков:
использование гидротермальных систем только в структуре андезитового стратовулкана островной вулканической дуги силикатного состава. Это очень сужает область применения т.к. толщи силикатного состава встречаются в природе также редко, как и золотоносные жилы;
технология захоронения усложнена, т.к. требует смешивания отходов в процессе закачки с кислыми водными растворами на глубине до 500 метров;
для захоронения используются системы рабочих и наблюдательных скважин глубиной от 2 до 4 км.

Настоящее изобретение устраняет указанные недостатки.

Техническим результатом изобретения являются: расширение области применения способа захоронения отходов, упрощение технологии захоронения и повышение надежности захоронения.

Технический результат достигается тем, что радиоактивные и другие химически вредные отходы помещают в дренажные системы в геологических формациях алюмо-силикатных магматических пород, содержащих магний, заполненных высокотермальными водами с температурой до 350^oC.

При поверхностных дренажных системах, в которых отсутствуют природные высокотермальные воды, используют высокотермальные воды, нагретые искусственным путем, например, за счет активности самих отходов.

Для расширения области использования алюмо-силикатных геологических формаций, которые не омываются морскими водами или содержат магний, последний вводят в зону захоронения в виде раствора.

Широко распространенным процессом в недрах активных вулканов является образование высокотемпературных гидротермальных систем, в которых формируются потоки высоконагретых подземных вод с температурой до +350^oC на глубинах от поверхности Земли до 5 и более км от магматических очагов с последующей их фильтрацией в водовмещающих комплексах. Последние сложены алюмо-силикатными породами вулканического происхождения, в составе которых находится кремнезем, алюминий, железо и другие породообразующие элементы. Верхняя поверхность потоков высокотемпературных подземных вод располагается ниже земной или морской поверхности, в связи с чем они загружаются скрыто на суше, а не в условиях морского (океанического) бассейна.

Поскольку эти воды фильтруются в магматических породах алюмо-силикатного состава, они приобретают минерализацию за счет растворения этих пород. В химический состав этой минерализации входят экологически вредные элементы, в связи с чем гидротермы нельзя использовать в качестве питьевой воды и в других народо-хозяйственных целях.

В состав минерализации этих вод также входят гидросиликаты, глинозем и другие гидроокислы в виде коллоидных частиц, заряженные электрическими зарядами разного знака. Гидросиликаты и гидроокислы железа, а также образующиеся в результате взаимодействия гидросиликатных и глиоземистых гелей глины монтмориллонитовой группы, хорошо сорбируют катионы, в особенности тяжелых металлов.

Важнейшей особенностью формирования этих сорбентов является непрерывность их воспроизводства в течение всего периода деятельности высокотемпературной гидротермальной системы, который исчисляется иногда миллионами лет.

Привнос катионов и анионов природными или искусственными растворами в высокотемпературные воды, фильтрующиеся в магматических породах алюмо-силикатного состава, сопровождается одновременным сорбированием их гелями коллоидных растворов, глинистыми минералами, с последующей нейтрализацией электрического заряда коагуляцией и желатинированием. На конечной стадии этого процесса происходит осаждение гидрогелей с сорбированными катионами и анионами на геохимических и биохимических барьерах.

Геохимические и биохимические барьеры распределены, в основном, по периферии потока гидротерм в зоне резких перепадов температур, при смешивании гидротерм с холодными окружающими водами или в результате подземного кипения.

Наиболее эффективным барьером, на котором происходит массированное выпадение гидрогелей из коллоидного гидротермального раствора с сорбированными катионами и анионами, является зона смешивания вод гидротермального потока с морской водой, в составе которой есть магний. Эта часть высокотемпературной гидротермальной системы может быть эффективной геологической структурой для захоронения на многие тысячелетия радиоактивных отходов, так как здесь происходит образование из силикагеля коллоидного раствора нерастворимого колломорфного кварца (халцедона).

Гель кремнекислоты при конденсации на нем катионов мгновенно не коагулирует, а продолжает миграцию, и осаждается только при снижении температуры или в случае смешения с растворами, содержащими магний, поэтому первоначальные концентрации радиоактивных и других химических элементов в отходах уменьшаются в процессе миграции гидротермального потока. В связи с этим, а также и смешением с гидротермальными растворами, происходит сильное разбавление закачиваемых радиоактивных и других видов отходов.

Отложение радиоактивных и других химических элементов в геологических фрмациях высокотемпературных гидротермальных систем в областях современного вулканизма создает естественные концентрации, соответствующие палеотипным аналогам эпитермальным месторождениям урана.

Аналогичный процесс происходит в магнийсодержащих магматических породах (базальтах и других гипербазитах), по которым происходит фильтрация высокотермальных вод.

Удержание радиоизотопов и в первую очередь тяжелых, обладающих незаполненными внешними электронными оболочками, при конденсации на кремнекислородные цепочки геля кремнекислоты, осуществляется путем образования ковалентной связи, которая создает надежное соединение сорбируемых ионов со структурой халцедона (колломорфного кварца). Такой же процесс происходит на урановых месторождениях гидротермального происхождения. Халцедоновые жилы почти не разрабатываются из-за трудоемкости извлечения руды из колломорфного кварца (халцедона). Это подтверждается и исследованиями структурного положения халцедоновых жил с урановыми минералами в областях активного сейсмо-тектонического и вулканического режимов в палеогеосинклинальных областях от архея до кайнозоя (миллиарды лет). Халцедоновые жилы с настураном многократно подвергались воздействию сейсмотектоническим нарушениям и прорывам магматических расплавов, тем не менее растворение и перенос урана за пределы рудообразующих систем не происходило.

Гидротермальные рудообразующие системы с халцедоновыми жилами, содержащие уран, являются прямыми палеоаналогами современных высокотемпературных гидротермальных систем в областях активного вулканизма как на континентах, так и в океанах. В связи с этим закачка радиоактивных и других жидких экологически вредных отходов в недра высокотемпературных гидротермальных систем в современных вулканических областях приведет к сорбции из них катионов и анионов, их отложению и долговременной фиксации в геологических формациях с гарантией хранения в течение многих тысяч лет, что фактически приведет к решению проблемы ликвидации радиоактивных отходов.

Описанные выше процессы реализовываются и в геологических формациях алюмо-силикатного состава, содержащих магний, насыщенных высокотермальой водой, нагрев которой может происходить за счет немагматических источников тепла (разогрев за счет радиоактивного распада элементов, содержащихся в захораниваемых радиоактивных отходах, или при подземной газификации углей, или при закачке перегретой воды, при необходимости содержащей магний в виде раствора).

Данное изобретение позволяет также производить захоронение изделий и материалов, зараженных радиоактивными изотопами, которые в глинистых поверхностных отложениях на активных вулканах, пропаренные кислыми конденсатными водами, разлагаются. Захоронение радиоактивных растворов происходит в результате естественной фильтрации по трещинам и разломам в поток хлоридно-натриевых щелочных гидротерм, сопровождаемой образованием нерастворимых минералов на путях миграции.

Использование: при захоронении жидких радиоактивных отходов. Сущность изобретения: радиоактивные отходы сливают в зону захоронения, представляющую собой дренажную систему в геологических формациях высокотемпературных гидротермальных систем, с температурой до 350^oC, сложенных ультраосновными, основными и кислыми алюмосиликатными магматическими породами.

Способ захоронения радиоактивных жидких отходов в геологических формациях высокотемпературных гидротермальных систем, заключающийся в том, что отходы сливают в зону захоронения и консервируют их в этой зоне, отличающийся тем, что в качестве зон захоронения используют дренажные системы в геологических формациях высокотемпературных гидротермальных систем, сложенных ультраосновными, основными и кислыми по содержанию кремнезема алюмосиликатными магматическими породами, содержащими магний с температурой до 350^oС.