СПОСОБ ЗАХОРОНЕНИЯ ТВЕРДЫХ ИЛИ ОТВЕРЖДЕННЫХ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 1996 года по МПК G21F9/24 

2 Изобретение относится к способам захоронения твердых (или отвержденных) радиоактивных отходов (РО) и может быть использовано при поверхностном или глубинном захоронении РО различной степени активности.

Известен приповерхностный способ захоронения РО в бетонированных траншеях, в которые помещаются контейнеры со слабоактивными отходами [1]
Известен способ захоронения РО в шахтах, горизонтальных подземных горных выработках и в буровых скважинах, где размещаются контейнеры со средне- и высокоактивными РО [1]
В обоих случаях для лучшей изоляции контейнеров с отходами от окружающей среды устраиваются инженерные (техногенные) барьеры из слабопроницаемых для водных растворов глин, иногда с примесью песчаной фракции (чаще кварцевого песка). Этот материал помещается в днище могильника, между контейнерами и стенками хранилища, а также для перекрытия могильника сверху.

В качестве прототипа по технической сути и достигаемому эффекту выбран известный способ захоронения РО, в котором контейнер с РО размещают в вертикальной цилиндрической выработке, пройденной в массивных кристаллических породах, где пространство между контейнером и породой заполняют бентонитом [2]
Недостатком аналогов и прототипа, в сравнении с предлагаемым способом захоронения РО, является более низкая сорбционная способность заполнителя (бентонита) по Sr. Технический результат, получаемый от реализации предлагаемого изобретения, повышение надежности захоронения твердых и отвержденных РО и улучшение экологической обстановки путем использования в конструкции могильника дополнительного слоя красного шлама (или смешивании его с бентонитом), который имеет более высокую сорбционную способность по Sr. Утилизация красных шламов отходов глиноземного производства, в свою очередь, будет способствовать улучшению экологической обстановки в районе действующих глиноземных заводов.

Реализация второго варианта изобретения (при использовании в качестве наполнителя смеси красного шлама с бентонитом в пропорции 1:1 (50 на 50%) позволяет реализовать новую техническую возможность использовать предлагаемый наполнитель при захоронении РО в буровых скважинах.

Указанный технический результат достигается тем, что в первом варианте способа захоронения твердых или отвержденных РО, по которому контейнеры с РО размещают в массиве монолитных кристаллических горных пород, а пространство между контейнером и породой заполняют буферным наполнителем из слоя бентонита, вводя дополнительный слой из красного шлама, равный по объему слою бентонита.

Во втором варианте изобретения используется композитный буферный наполнитель, составленный из смеси красного шлама и бентонита в соотношении 1:1. Второй вариант рекомендуется при захоронении РО в буровых скважинах, поскольку в узком пространстве буровой скважины трудно реализовать двуслойную конструкцию буферного наполнителя.

Красный шлам, как известно, представляет собой остаток (отход) глиноземного производства по способу Байера. Благодаря высокой пористости (30 40) красный шлам способен вмещать значительное количество загрязненного стронцием раствора, обеспечивая его контакт с сорбционно-емким материалом и тем самым эффективно дезактивируя его. Это его свойство, по-видимому, обусловлено как минеральным составом (он состоит на 30 50% из аморфизованных оксигидроксидов железа и на 50 70% из цеолитоподобных каркасных гидроалюмосиликатов натрия), так и тонкой дисперсностью минералов, обуславливающей большую поверхность минеральных фаз.

Бентонитовый слой в первом варианте конструкции наполнителя, как и бентонитовая матрица во втором варианте, ввиду низкой фильтрационной способности бентонита (10^-6 10^-7 м/сут), играет роль труднопроницаемого барьера для всех просачивающихся из могильника растворов.

Авторами впервые установлено, что с помощью использования заявленного решения, в котором, в отличие от прототипа, в качестве законтейнерного буферного наполнителя используется не один бентонитовый слой, а в дополнение к нему внутренний слой красного шлама (первый вариант), или смесь бентонита с красным шламом (второй вариант), достигается больший эффект по сорбции ⁹⁰Sr одного из самых распространенных, стойких и опасных для жизни радионуклидов. В литературе сорбционные свойства красного шлама по Sr не описаны. Добавка красного шлама в бетон бункера и стенок контейнера также повышает надежность могильников.

Экспериментально установлено, что сорбционная емкость красных шламов по Sr достигается 475 мэкв/100 г (табл. 1), что превышает сорбционную емкость бентонитовых глин (80 150 мэкв/100 г) и цеолитов (200 мэкв/100 г). На графике изотермы сорбции Sr²⁺ красным шламом по оси оpдинат (О) отложены значения количества сорбированного стронция в мэкв/100 г красного шлама, а по оси абсцисс (α) исходные концентрации Sr в растворе.

Сопоставительный анализ данных по сорбции Sr из растворов наполнителем из прототипа и предлагаемым наполнителем с красным шламом позволяет сделать вывод, что имеются отличия с новым положительным эффектом композитного вещества, который заключается в значительном увеличении сорбционной емкости красного шлама по Sr. Таким образом заявляемое техническое решение является новым. Использование в прототипе в качестве наполнителя только одного бентонита не позволяет достигнуть такой высокой сорбции Sr, как при использовании красных шламов. Добавление к бентониту красного шлама или введение дополнительного внутреннего слоя наполнителя из чистого красного шлама придает дает наполнителю новые свойства, что позволяет сделать вывод о том, что оно имеет изобретательский уровень.

В предлагаемом способе захоронения твердых радиоактивных отходов сохраняется следующая последовательность действий:
выбор монолитного массива кристаллических пород (или площадки для приповерхностного могильника) для захоронения РО в глубинных геологических формациях;
проходка приповерхностных и подземных горных выработок с площадью сечения, позволяющее свободно передвигаться крупногабаритной технике с контейнерами;
засыпка дна приповерхностных траншей и подземных камер, предназначенных для помещения РО, последовательно бетонитом и красным шламом (или их смесями в различных пропорциях);
установка в подготовленные выработки контейнеров с РО;
засыпка композитным наполнителем, составленным по упомянутой ранее схеме, свободного пространства между стенками горных выработок и контейнерами;
засыпка траншей и подземных горных выработок с контейнерами слоем бентонита, уплотнение этого материала с образованием "пробки".

Оборудование подходных путей к захороненным контейнерам с РО, организации системы наблюдений, вентиляция и транспорт производятся в зависимости от типов захоронения радиоактивных отходов.

Способ захоронения РО пригоден для любых твердых и отвержденных радиоактивных отходов.

На фиг. 1,а устройство поверхностного могильника РО (вертикальный разрез) по варианту 1, где:
1 кристаллическая порода;
2 бетонированная стенка траншеи;
3 слой бентонита;
4 слой красного шлама;
5 бентонитовая пробка;
6 контейнер с твердым РО.

На фиг. 1,б устройство приповерхностного могильника по варианту 2, где:
1 кристаллические породы;
2 бетонная стенка;
3 смесь красного шлама и бентонита;
4 бентонитовая пробка;
5 контейнер с твердыми РО.

На фиг. 2 устройство подземного захоронения твердых РО в глубинных геологических формациях (вертикальный разрез), где:
1 кристаллическая порода;
2 поверхностные сооружения над могильником;
3 вертикальный ствол шахты;
4 квершлаг (горизонтальная подземная горная выработка);
5 вертикальная горная выработка (ВГВ) для контейнера с РО;
6 слой бентонита;
7 слой красного шлама;
8 контейнер с РО.

На фиг. 3 устройство захоронения твердых РО в буровой скважине, где:
1 кристаллическая порода;
2 поверхностное устройство над буровой скважиной;
3 ствол буровой скважины;
4 бентонитовая пробка;
5 наполнитель из смеси красного шлама и бентонита;
6 контейнер с твердыми РО.

На фиг. 4 приведена изотерма сорбции Sr⁺² красным шламом, где по оси абсцисс (О) откладываются значения сорбционной емкости красного шлама в мг/экв на 100 г вещества, по оси ординат (α) концентрация стронция в растворе в Из графика видно, что изотерма сорбции достигает предела насыщения в области 1% концентрации Sr в растворе.

В таблице показаны результаты опытов по сорбции стронция красным шламом из растворов различной концентрации 7,35•10^-1 - 9,0•10^-5% при фоне менее 1,4•10^-6% Опыты, проведенные в лаборатории ИГЕМ РАН, показали его исключительно высокую сорбционную емкость по Sr 475 мэкв/100 г тогда как бентонит имеет максимальную сорбционную емкость 150 мэкв/100 г, а цеолиты 200 мэкв/100 г.

Из приведенных данных следует, что предлагаемый состав наполнителя, используемого в качестве геохимического сорбционного барьера, обладает гораздо более высокой сорбционной емкостью на стронций, чем ранее известные материалы, и обеспечивает большую надежность могильников РО разного типа.

П р и м е р 1.

Реализация приповерхностного захоронения твердых и отвержденных низко- и среднеактивных РО осуществлялась по двум вариантам:
1 с двуслойным наполнителем (фиг. 1,а), состоящим из внутреннего слоя красного шлама и внешнего слоя бентонита;
2 с однослойным наполнителем, состоящим из смеси красного шлама и бентонита в соотношении 1:1.

В качестве наполнителя использовался красным шлам Каменск-Уральского глиноземного завода, где бокситы перерабатываются по способу Байера. Красные шламы состоят на 30 50% из аморфизованных оксигидроксидов железа и на 50 - 70% из цеолитоподобных каркасных гидроалюмосиликатов натрия.

Подземные варианты захоронения твердых РО в глубоких геологических формациях, среди слаботрещиноватых кристаллических пород изображены на фиг. 2, 3. При шахтном способе захоронения в вертикальных горных выработках, пройденных из квершлагов, использовался двуслойный буферный наполнитель, состоящий из внутреннего слоя красного шлама и внешнего бентонитового слоя.

П р и м е р 2. Способ захоронения.

Реализация предлагаемого подземного шахтного способа захоронения твердых РО осуществляется в слабо трещиноватых кристаллических породах (фиг. 2). Контейнер с твердыми РО помещается в предварительно подготовленные вертикальные горные выработки (ВГВ), пройденные из квершлагов, где свободное пространство между контейнерами и стенками ВГВ заполнено двуслойным наполнителем: наружным бентонитовым и внутренним из красного шлама. Затем контейнер покрывается слоем бентонита непроницаемой пробкой. Этот способ пригоден для захоронения средне- и высокоактивных РО.

П р и м е р 3. Способ захоронения.

Реализация захоронения твердых РО средней и высокой активности в буровых скважинах большого диаметра осуществляется также в плотных и слабо трещиноватых кристаллических породах на глубинах 300 500 м. В качестве буферного наполнителя пространства между стенками контейнера с РО и вмещающими породами используется смесь красного шлама и бентонита в соотношении 1:1. Устье и забой скважины заполняются "пробкой" из слабо проницаемого бентонита.

Использование в описываемом способе захоронения РО композитного наполнителя красного шлама и бентонита обеспечивает по сравнению с существующими способами следующие преимущества:
более высокую надежность захоронения по сравнению с прототипом вследствие более высокой сорбции наполнителем радиоактивного стронция;
большую экономичность вследствие использования более дешевого материала
отхода глиноземного производства;
утилизация красных шламов улучшает экологическую обстановку и в районе глиноземных предприятий.

Использование: захоронение твердых или отвержденных радиоактивных отходов в подземных горных выработках и в буровых скважинах. Сущность: по первому варианту способа контейнер с радиоактивными отходами размещают в массиве монолитных кристаллических пород, а пространство между контейнером и породой заполняют буферным наполнителем, состоящим из слоя бентонита и слоя красного шлама, при их объемном соотношении 1:1. Красный шлам состоит на 30 - 50 мас. % из оксигидроксидов железа и на 50-70 мас.% из каркасных гидроалюмосиликатов натрия с цеолитоподобной структурой. По второму варианту способа пространство между контейнером и породой заполняют смесью бентонита и красного шлама, смешанных в объемном соотношении 1:1. Этот вариант используют при захоронении радиоактивных отходов в буровых скважинах. Технический результат, достигаемый по способам, заключается в повышении надежности захоронения твердых радиоактивных отходов, улучшении экологической обстановки. 2 с.п. ф-лы, 1 табл., 4 ил.

1. Способ захоронения твердых или отвержденных радиоактивных отходов, в котором контейнер с радиоактивными отходами размещают в массиве монолитных кристаллических пород, а пространство между контейнером и породой заполняют наполнителем, содержащим слой бентонита, отличающийся тем, что в буферный наполнитель дополнительно введен слой красного шлама, равный по объему слою бентонита, состоящий на 30 50% из оксигидроксидов железа и на 50 70% из каркасных гидроалюмосиликатов натрия с цеолитоподобной структурой. 2. Способ захоронения твердых или отвержденных радиоактивных отходов, в котором контейнер с радиоактивными отходами размещают в массиве монолитных кристаллических пород, а пространство между контейнером и породой заполняют буферным наполнителем, содержащим слой бентонита, отличающийся тем, что в качестве буферного наполнителя используют смесь бентонита (50 об.) и красного шлама (50 об.), состоящего на 30 50% из оксигидроксидов железа и на 50 - 70% из каркасных гидроалюмосиликатов натрия.