СПОСОБ ЗАХОРОНЕНИЯ ЖИДКИХ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ Российский патент 1997 года по МПК G21F9/24 

Изобретение относится к способам захороненния жидких радиоактивных отходов в геологических формациях земной коры на длительный период.

Известен способ захоронения радиоактивных отходов, при котором бурят скважину в подземной коре выветривающегося базальта, вокруг которой выполняют не менее четырех дополнительных контрольных скважин (1). В основную скважину нагнетают высококонцентрированный раствор хлористоводородной кислоты, которой вымывает из базальта алюминий, железо, кальций и образуют полость, заполненную силикагелем. Затем в скважину нагнетают радиоактивный раствор, который, взаимодействуя с силикагелем, кристаллизуется.

Известный способ является ненадежным, так как на стенках полости, образовавшейся под действием кислоты, могут быть несплошности, трещины, через которые возможна утечка хранимого вещества из места захоронения, а проведение геофизических исследований, определяющих, в частности, целостность пород, в подобных полостях технически невозможно. Кроме того, не исключено, что из отвержденного силикагеля под действием потоков могут быть вымыты радиоактивные вещества и вынесены в окружающую среду.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по назначению и технической сущности является способ захоронения жидких радиоактивных отходов (2), осуществляемый путем удаления их в полые пространства, выполненные в геологических формациях, с последующим закрытием входных отверстий материалом, предотвращающим распространение радиоактивных веществ в окружающую среду, при этом полые пространства выполняют путем бурения скважин в кромке или крае тектонического океанского пласта, находящегося в состояния погружения под другой пласт.

Как и предыдущий, данный способ не обладает достаточной надежностью захоронения радиоактивных отходов, поскольку из-за тектонической нестабильности многих районов дна океана, предполагаемых для данного способа, возможен возврат радиоактивных веществ на поверхность. Например, указанное в описании изобретения (2) место захоронения в районе Курильских островов сейсмически неблагоприятно. Кроме того, места захоронения по данному способу ограничены спецификой их расположения, как правило, в глубоководных океанских впадинах перед континентами или островами. Существенным недостатком является и то, что технически сложно проводить бурение при больших глубинах дна океана, а тем более, определить попадание в кромку или край тектонического пласта.

Целью изобретения является повышение надежности захоронения высокорадиоактивных отходов на протяжении длительного времени, упрощение способа и расширение диапазона мест захоронения.

Указанная цель достигается тем, что в способе захоронения радиоактивных отходов, осуществляемом путем удаления их в полые пространства, выполненные в геологических формациях, с последующим закрытием входных отверстий материалом, предотвращающим распространение радиоактивных веществ в окружающую среду, согласно изобретению, полые пространства выполняют путем бурения скважин в средней части монолитных окварцованных и карбонатизированных блоков осадочных пород, расположенных, например, на участках гидротермальных месторождений и рудопроявлений урана и непроницаемых для фильтрующихся водных растворов, при этом количество отходов обеспечивает условие, при котором тепловыделение последних не превышает теплопоглощение пород.

Целью изобретения является также увеличение объема захоронения отходов.

Эта цель достигается тем, что по вышеуказанному способу полые пространства выполняют в виде многоствольных скважин.

Существенными отличиями предлагаемого способа, гарантирующего надежность захоронения высокорадиоактивных отходов на протяжении длительного времени, является то, что полые пространства под радиоактивные отходы выполняют в средней части монолитных окварцованных и карбонатизированных блоков осадочных пород, которые за счет затягивания пор и трещин кварцем и/или карбонатами, происходящего при гидротермальной проработке пород, не имеют трещиноватости, а следовательно, недоступны для проникновения растворов, способных вымывать радиоактивные элементы. При этом блоки не разрушаются в течение длительного времени, измеряемого миллионами лет. Непроницаемость указанных блоков для радиоактивных веществ можно доказать на основании анализа результатов геологического, геохимического и радиометаллического опробования (3). За миллионы лет существования гидротермальных месторождений и рудопроявлений урана проникновение радиоактивных веществ в окварцованные и карбонатизированные породы, непосредственно примыкающие к рудным зонам, не произошло. Следовательно, захоронение радиоактивных отходов в средней части вышеуказанных блоков является надежным в течение длительного периода. Кроме того, надежность предлагаемого способа повышается за счет оптимального теплоотвода, что является одним из определяющих условий безопасности захоронения радиоактивных отходов, выделяющих большое количество тепла. Теплопроводность пород, окружающих места захоронения, в предлагаемом способе увеличивается за счет повышения содержания в них кварца, имеющего, как известно, более высокую теплопроводность по сравнению с другими породами (4). Теплопровод увеличивается также за счет выполнения многоствольных скважин.

Окварцованные и карбонатизированные блоки осадочных пород, часто встречающиеся на участках гидротермальных месторождений и рудопроявлений урана, имеют размеры, на порядок и более превышающие размеры рудных зон (3), что значительно расширяет диапазон мест захоронения. Блоки окварцованных и карбонатизированных горных пород имеются и в других местах, но наиболее целесообразным является расположение мест захоронения радиоактивных отходов вблизи мест добычи и переработки радиоактивных материалов.

Известен проект захоронения высокоактивных отходов в скальных породах на глубине пятьсот метров (5). Но ввиду того, что гранитные породы имеют, как правило, большое количество трещин, неспособных к самозатягиванию, захоронение делают в два этапа. На первом этапе отходы выдерживают в промежуточном могильнике 30 лет до уменьшения выделяемого ими тепла наполовину, а затем в контейнерах со свинцовыми стенками и титановой оболочкой делают захоронения в гранитных породах. Как видно, это длительный и дорогостоящий процесс, который требует использования высокопрочных и дорогостоящих контейнеров, которые под действием радиации все-таки разрушаются в течение первых десятков лет. Ввиду того, что трещины и поры в скальных породах не обладают способностью к самозатягиванию, вода, двигаясь по ним, может уносить радиоактивные элементы из мест захоронения, заражая окружающую среду. В случае возможного разрушения стенок скважины под воздействием радиации в окварцованных и карбонатизированных породах, окружающих радиоактивные отходы, происходит разубоживание высокоактивных веществ с переходом их в средне- и низкорадиоактивные. Следует отметить, что монолитные блоки гранитоидов, а также других скальных пород встречаются редко и, как правило, имеют целевое назначение как месторождения облицовочного и поделочного камня.

Из вышеизложенного следует, что среда, обладающая определенной геологической структурой (3), а именно, окварцованные и карбонатизированные монолитные блоки пород, непроницаемые для миграции радиоактивных элементов, может быть использована в качестве естественного надежного хранилища радиоактивных отходов, а предлагаемый способ захоронения существенно отличается от известных способов захоронения радиоактивных отходов в скальные породы, в том числе и в гранит.

Существенно отличается предлагаемое техническое решение и от известных в американской практике способов захоронения (6) по принципу поглощающих колодцев, в которых на определенной глубине устанавливают ящики с поглощающим грунтом, проницаемым для растворов и фильтрующим их в направлении грунтовых вод, то есть делают ловушку для радиоактивных элементов. Но во-первых, такой способ пригоден для малоактивных отходов, во-вторых, он трудоемок и в-третьих, не обеспечивает надежной защиты. В предлагаемом же способе используют места захоронения ловушки, созданные самой природой.

Известен способ захоронения радиоактивных и других химических вредных жидких отходов в геологических формациях (7), действующий по принципу природной ловушки радиоактивных элементов, в котором в качестве геологической формации используют недра высокотемпературной гидротермальной системы, расположенной в структуре андезитового стратовулкана островной вулканической дуги, где в среде с температурным перепадом осуществляется фильтрация и перевод радиоактивных и других химических элементов в немобильное соединение на геотермо-геохимических барьерах.

В основе известного способа (7) лежат сложные геотемпературные и геохимические процессы, при которых радиоактивные элементы осаждаются из фильтрующихся растворов при изменении температуры и химического состава горных пород, через которые фильтруются растворы. Радиоактивные элементы из мест захоронения уходят в неизвестном направлении и до перехода их в немобильное соединение возможен выход радиоактивных элементов в окружающую среду. Непроницаемость природной среды для радиоактивных элементов в данном способе условная, в связи с неопределенностью места расположения геотермо-геохимических барьеров. В предлагаемом же способе среда в виде терригенно осадочных пород, подвергшихся гидротермальному изменению, стала непроницаемой для растворов за счет затягивания трещин и пор кварцитами и карбонатами. Следовательно, захоронение является более надежным. Кроме того, само место захоронения (7), расположенное в структуре андезитового стратовулкана островной вулканической дуги, находится постоянно в зоне сейсмической активности, что представляет постоянную опасность как при бурении, так и при эксплуатации скважин. А так как захоронения проводят в действующую высокотемпературную гидротермальную структуру с вводом радиоактивных веществ в канал движения растворов с идеальными условиями для движения этих веществ, то возможен выброс радиоактивных элементов в ноосферу после захоронения. В предлагаемом же способе радиоактивные отходы помещают в породы, затронутые средне- и низкотемпературными изменениями, обусловленными ранее происходившим воздействием гидротермальной системы, прекратившей затем свою деятельность. Недостатком известного способа (7) является также его сложность и высокая трудоемкость из-за бурения скважин 2-4 км в морском бассейне в зонах высокой сейсмической активности. В предлагаемом способе радиоактивные отходы помещают в скважины глубиной 300-1000 м, которые бурят на континенте.

Способ осуществляется следующим образом.

В средней части монолитного окварцованного и/или карбонатизированного блока осадочных пород бурят скважину глубиной 300-1000 м, в которую помещают радиоактивные отходы. Для обеспечения безопасности и надежности захоронения и увеличения эффективности заполнения скважин, количество загружаемых отходов должно быть таким, чтобы тепловыделение радиоактивных отходов. Другими словами, чтобы удельная активность на единицу длины скважины удовлетворяла соотношению (8)
,
где А активность, приходящаяся на единицу длины скважины;
Хе теплопроводность материала скважины;
Е средняя энергия одного распада;
(ΔT)_доп.- допускаемый нагрев внутри скважины.

Для предотвращения распространения радиоактивных веществ герметизируют интервал скважины, в котором произведено захоронение, материалом, надежно сцепляющимся с породой, в которой пробурена скважина, например, бетоном. После герметизации этого интервала из основного ствола скважины бурят дополнительный ствол, в котором таким же образом проводят захоронение и герметизацию. Количество стволов в многоствольной скважине определяется техническими условиями бурения. Для контроля надежности захоронения отходов на стадии эксплуатации хранилища бурят наблюдательные скважины в пределах блоков, в которых проведено захоронение радиоактивных отходов. По каждому стволу эксплуатационных многоствольных скважин выполняют комплекс методов буровой геофизики, позволяющих определить целостность стенок скважин. На этой же стадии выполняют работы по радиационному мониторингу и температурные исследования по наблюдаемым скважинам.

Источники информации
1. Патент США N 3959172, кл. 252-301.1, опубл. 1976.

2. Патент СССР N 718026, кл. G 21 F 9/24, опубл. 25.02.80. БИ N 7.

3. Романов А. М. Бубнов В.К. Голик В.И. Физико-геологическая модель структурных гидротермальных месторождений урана. Сборник цветная металлургия N 6 1994, с. 4-10.

4. Войткевич Г.В. Мирошников А.Е. Поваренных А.С. Прохоров В.Г. Краткий справочник по геологии. М. Недра, с.278.

5. Сивинцев Ю.В. Фуремс М.М. Проекты захоронения радиоактивных отходов в геологических формациях. Атомная техника за рубежом 1979, N 7, с. 17.

6. Страуб П. Е. Малоактивные отходы. Хранение, обработка, удаление. М. Атомиздат, 1966, с. 262.

7. Патент РФ N 2001454, кл. G 21 F 9/24, опубл. 15.11.93. БИ N 37-38.

8. Авторское свидетельство N 1184382, кл. G 21 F 9/24, опубл. 07.08.87, БИ N 29.

Использование: изобретение относится к способам захоронения жидких радиоактивных отходов в геологических формациях земной коры. Сущность изобретения: способ осуществляется путем захоронения жидких радиоактивных отходов в полые пространства, выполненные в виде скважин в геологических формациях с последующим закрытием входных отверстий материалов, предотвращающим распространение радиоактивных веществ в окружающую среду. Скважины выполняют в средней части монолитных окварцованных и карбонатизированных блоков осадочных пород. 2 з.п. ф-лы.

1. Способ захоронения жидких радиоактивных отходов путем удаления их в полые пространства, выполненные в виде скважин в геологических формациях, с последующим закрытием входных отверстий материалом, предотвращающим распространение радиоактивных веществ в окружающую среду, отличающийся тем, что скважины выполняют в средней части монолитных окварцованных и карбонатизированных блоков осадочных пород. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что скважины выполняют на участках месторождений и/или рудопроявлений урана. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что полые пространства выполняют в виде многоствольных скважин.