СПОСОБ ЗАХОРОНЕНИЯ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ Российский патент 1997 года по МПК G21F9/24 G21J3/00 

Изобретение относится к обращению с высокоактивными отходами (ВАО) ядерной энергетики и ядерного оружейного комплекса захоронения крупногабаритных загрязненных фрагментов ядерных энергетических установок (центральных зон транспортных реакторов и реакторов АЭС, баков, компрессоров, труб теплообменников, бетона биологической защиты реакторов и пр.), фрагментов ядерных боеприпасов, образующихся при их утилизации в соответствии с Договорами СНВ-1, СНВ-2 или при их ликвидации, отходов ядерной энергетики, в том числе облученного топлива, не подлежащего переработке (реакторов типа РБМК, дефектных тепловыделяющих сборок), и продуктов переработки облученного топлива (шлама, супершлама, материалов оболочек твэлов).

В соответствии с рекомендациями МАГАТЭ захоронением в отличие от хранения (временного хранения) считается удаление ВАО в глубинные геологические формации с преобразованием их в такую форму и (или) созданием совокупности таких геотехнологических барьеров, которые исключают попадание радионуклидов в биосферу за периоды времени, многократно превосходящие периоды их полураспада.

Известен метод безопасного захоронения высокоактивных отходов или отработавшего реакторного топлива. Их размещают в глубинных геологических формациях (туфы, гранит). При этом учитывается геотектоническая и сейсмическая активность региона на геологических отрезках времени. Хранилище в инженерном плане представляет систему горизонтальных штолен на глубине около 500 м (граниты, Швеция) [1] В штольнях на определенном расстоянии друг от друга бурятся скважины, в которые помещаются контейнеры с остеклованными отходами или контейнеры с отработавшим топливом.

На фиг. 1 изображены: 1 штольня, 2 скважина, 3 засыпка штольни (кварцевый песок 80 90 бентонит 10 20), 4 засыпка скважины (кварцевый песок 85 бентонит 15), 5 контейнер, 6 остеклованные отходы или отработавшее ядерное топливо в сборках. Контейнеры окружаются смесью бентонита и песка, которой заполняется и сам тоннель. Аналогичным по типу является строящийся комплекс захоронения ВАО Юкка-Маунтин в США (на глубине около 400 м в туфах).

Можно отметить следующие недостатки данного способа.

1. Высокая стоимость реализации данного проекта захоронения, которая складывается из затрат на горнопроходческие работы, на размещение сложного инженерного оборудования для поддержания функционирования объекта в течение длительного времени, на изготовление контейнеров для захоронения, на остекловывание радиоактивных материалов перед захоронением.

Cуммарная стоимость комплекса Юкка-Маунтин проектной мощностью в 160000 контейнеров (или на 70000 т отработавшего ядерного топлива (ОЯТ)) составляет около 36 млрд. долларов США (стоимость захоронения одной тонны ОЯТ на мировом рынке составляет 600000 долларов).

Представление о затратах на остекловывание и существующих мощностях дают следующие факты [1] Завод AVM во Франции, лидирующей в этой области, может обрабатывать до 150 куб. м остеклованных отходов в год. За четыре года работы (с 1978 г. по 1982 г.) на заводе остекловано 436 куб. м отходов и получено 200 т стекла. Фирма BNFL построила завод такого типа в Великобритании. Стоимость только строительства составила примерно 500 млн. долларов. Так как объем типового контейнера около 0,2 куб. м, то для заполнения описанного хранилища потребуется произвести около 32000 куб. м остеклованных отходов, что равносильно 20 годам работы 10 заводов такого типа.

2. Высокая стоимость изоляции радионуклидов в соответствии с рассматриваемым способом приводит к тому, что экономически оправданным оказывается промышленное остекловывание долгоживущих радионуклидов только с высокой начальной концентрацией активности (≈ 1 Ки/г), во много раз превышающей средние концентрации активности радионуклидов в природных (геологических) телах.

Это обстоятельство порождает в соответствии с законом диффузии относительно повышенный поток долгоживущих радионуклидов из контейнеров (при их "растворении" за тысячи лет), что снижает уровень доверительности утверждения о радиоэкологической безопасности из-за большой суммарной поверхности контейнеров и возможного преувеличения надежности стенок контейнера, как барьера на пути миграции нуклидов (рекомендуемые толщины стенок во многом определяются стоимостными оценками).

3. В рассматриваемом способе захоронение отработавшего топлива предполагается осуществлять в контейнерах без остекловывания содержащихся в ОЯТ радионуклидов (в США и Швеции практически все ОЯТ относится к категории ВАО). Причина отсутствие промышленных технологий остекловывания ОЯТ. Таким образом, при захоронении ОЯТ отсутствует такой важный и проверенный практикой барьер на пути миграции как химическая и физическая фиксация элементов в стекле (в стеклоподобном или квазикристаллическом состоянии). Это также снижает уровень доверительности утверждения о радиоэкологической безопасности.

4. В рамках рассматриваемого способа невозможно решить проблему безопасного захоронения высокоактивных крупногабаритных конструкций, например центральных реакторных зон атомных подводных лодок, поскольку отсутствуют технологии компактирования таких конструкций и их остекловывания.

5. Наиболее масштабные реализации анализируемого способа (в США и Швеции) характеризуются сложными гидрогеологическими условиями. В Швеции основной тоннель находится под морским дном [1] Площадка Юкка-Маунтин (США) несмотря на аридность климата характеризуется наличием нескольких артезианских бассейнов различной мощности, глубины расположения и локализации. Сложность прогноза изменения геофильтрационного поля в окрестности объектов захоронения на периоды в сотни и более лет ставит под сомнение оптимистичность оценок по надежной изоляции биосферы от долгоживущих радионуклидов.

6. Высокая пористость предполагаемой засыпки свободного объема в скважинах с контейнерами, а также самого тоннеля смесью бентонита и песка, сложность и дороговизна устранения с поверхности частиц пленок окислов и органических загрязнителей снижают ионообменные свойства и удельную поверхность частиц, являющихся еще одним барьером, предотвращающим быструю дисперсию радионуклидов.

Наиболее близким техническим решением является способ обезвреживания радиоактивных отходов [2] Cущность его состоит в том, что радиоактивные отходы и ядерные устройства размещают в подземной камере (полости) и подрывают термоядерным устройством.

Преимущества данного способа перед рассмотренными определяются особенностями физических полей (напряжений, смещений, температур), формирующихся в ближней зоне ядерного взрыва, а также большим пространственным масштабом реализации полезных значений параметров этих полей.

Радиоактивные отходы, размещенные в ближней зоне взрыва, диспергируются высокими напряжениями на мельчайшие частички (размерами в микроны и десятки микронов), перемешиваются за счет больших смещений (10 q^1/3, м, где q - мощность взрыва, кт тринитротолуола (ТНТ)) с раздробленными до такого же состава окружающими их горными породами, испаряются и плавятся совместно с горными породами под действием высоких температур за фронтом ударной волны, фиксируясь окончательно в геохимически инертной форме в расплаве горных пород (стеклообразном или квазикристаллическом образовании).

Радиохимический анализ образцов расплава, отобранных в разных зонах области его нахождения после взрыва, показывает относительно высокую однородность распределения долгоживущих продуктов деления, образовавшихся при взрыве цезия-137, стронция-90, церия-144, рутения-106, сурьмы-125 (отклонения их концентраций от средних значений не превышает двух раз).

Опыты по выщелачиванию радионуклидов из этого расплава свидетельствуют о том, что его стойкость не уступает стойкости борсиликатных стекол, признанных в настоящее время наилучшей матрицей для фиксации ВАО при захоронении [1]
Таким образом, захоронение ВАО, возникающее после взрыва в глубинных геологических формациях, не уступает "рукотворному" захоронению по одному из главных барьеров на пути возможной миграции радионуклидов в биосферу - физическому и химическому связыванию радионуклидов в геохимически инертной форме.

Масштабность ядерного взрыва проявляется в том, что только за счет нагрева в ударной волне плавится около 270 т пород на одну кту энергии взрыва (по результатам расчетов [1] и организации-заявителя). Общее же количество расплава оценивается в 700 1000 т на одну килотонну энергии взрыва (по опытным данным и организации-заявителя). Одной из возможных причин увеличения количества расплава по сравнению с ударно-волновой стадией его образования является дополнительное плавление пород в результате их кондуктивного прогрева за счет избыточного тепла из высоконагретой центральной области.

Можно показать, что концентрация в расплаве горных пород активности захораниваемых долгоживущих нуклидов, составит: с периодом полураспада более 10 лет стронций 90, цезий 137, самарий 151 приблизительно 10^-4 Ku/г; с периодом полураспада более 100 лет технеций 99, цирконий 93, цезий 135 и др. приблизительно 5•10^-6 Ku/г; для трансурановых элементов (плутоний, америций, Кюрий) приблизительно 6•10^-7 Ku/г (за основу брались данные наработки осколков деления в атомной энергетике).

Масштабность ядерного взрыва в совокупности с другими факторами приводит к двум основным преимуществам ядерно-взрывной технологии захоронения по сравнению с рассмотренным выше и принятым в практике способом "рукотворного" захоронения в тысячу и более раз меньшей концентрации активности в остеклованном состоянии и не менее, чем в три четыре раза меньшими удельными затратами средств на захоронение.

Высокая степень разбавления захораниваемых нуклидов в расплаве горных пород при взрыве приводит фактически к формированию техногенного магматического тела, уровень активности которого сравним с естественным уровнем активности некоторых урановых пород, а концентрация радионуклидов в котором приближается к субкларковым значениям. По сути дела речь идет о ликвидации ВАО. Указанное обстоятельство является принципиальным, так как позволяет надежно обосновать радиоэкологическую безопасность захоронения на временном интервале в десятки тысяч лет и более, опираясь на природные аналоги, существующие миллионы лет.

Тридцатилетний опыт участия организации-заявителя в подземных ядерных испытаниях позволил накопить банк представительных экспериментальных данных по разнообразным эффектам, сопровождавшим подземные ядерные взрывы на Новоземельском и Семипалатинском полигонах. Анализ этих эффектов совместно с данными подземных испытаний США и Франции, а также результатами их математического моделирования, полученными в организации-заявителе и других организациях, позволяет отметить следующие недостатки известного способа [2]
1. Использование в качестве транспортного канала доставки ВАО в камеру (полость) скважины ограничивает возможности по захоронению габаритных радиоактивных отходов (контейнеров с отработавшим топливом, загрязненных конструкций и пр.).

2. По начальной концентрации высвобождающейся энергии подземный ядерный взрыв не имеет аналогов в промышленности и природных процессах на Земле. Поэтому ядерно-взрывная технология несмотря на ее значимость и привлекательность является потенциально наиболее опасной технологией из тех, которыми располагает человечество. Из всех проведенных в бывшем СССР подземных испытаний 5 были аварийными, что сопровождалось ранним (на первых минутах) напорным истечением в атмосферу радиоактивных аэрозолей и газов, в 60 случаев испытания сопровождались малоинтенсивным истечением и просачиванием в атмосферу некоторых количеств радиоактивных газов.

2.1. Согласно рассматриваемому изобретению полезность способа никак не сопрягается с требованиями и условиями радиационной безопасности при взрыве, что ввиду отмеченной статистики испытаний и особого (обостренного) отношения общественных кругов разных стран к опасности ядерных взрывов ставит под сомнение возможность реализации способа в том виде, в котором он сформулирован.

2.2. Радиационная безопасность ядерного взрыва связана с выполнением ряда необходимых и в своей совокупности достаточных условий, среди которых немаловажная роль наряду с выбором свойств горных массивов и места размещения камеры принадлежит условиям, ограничивающим определенные операции по выемке пород для создания камеры захоронения и размещению объектов захоронения в ближней зоне взрыва. Так, суммарный объем предварительно созданных в этой зоне взрыва пустот (объем камеры), отнесенный к мощности взрыва, не может быть больше определенной величины (см. далее). Выбор формы, размера камеры и способа закладки ВАО важнейшие операции, определяющие в конечном итоге экономичность способа, возможность соблюдения при его реализации требований радиационной и ядерной безопасности на подготовительной к взрыву стадии работ.

2.3. Предполагаемое использование в качестве объектов захоронения жидких радиоактивных отходов резко снижает радиационную безопасность ядерного взрыва, поскольку повышает общее количество газообразных продуктов взрыва в котловой полости, т. е. их давление, что может привести к аварийному выбросу радиоактивных продуктов через транспортный канал.

3. В рассматриваемом способе отсутствуют указания на конкретные операции, регулирующие радиоэкологическую безопасность захоронения.

3.1. Регулированию должен подвергаться процесс перемешивания радионуклидов из объектов захоронения с расплавом горных пород для получения однородной смеси. Только это позволяет получить субкларковые значения концентраций нуклидов в расплаве и вытекающие отсюда преимущества ядерно-взрывной технологии. Достигнутая при штатных ядерных испытаниях достаточно высокая однородность была результатом сочетания специфических условий очень малой массы заряда по отношению к массе ударно-волнового расплава (1 1000q, q, кт), очень высокой скорости внедрения в испаренную породу и ее расплав струй из испаренных конструкций заряда и продуктов деления (начальные скорости внедрения до 1000 км/с), большой относительной длины пути перемешивания R_п/L_o (10 20)q^1/3, где R_п - окончательный радиус котловой полости при взрыве, L_o начальная длина струи, q в ктах ТНТ.

Размещение в ближней зоне экономически выгодного количества высокоактивных отходов приведет к увеличению в 10³ 10⁴ раз по сравнению с обычными подземными ядерными взрывами количества перемешиваемых с расплавом горных пород опасных веществ и конструкций, снизит в 100 раз скорость их внедрения, в несколько раз уменьшит путь перемешивания. Указанные изменения существенно снизят однородность смеси нуклидов с расплавом, повысят их концентрации в отдельных зонах расплава далеко за пределы субкларковых значений, если не осуществить специальных операций, отсутствующих в прототипе.

Среди этих операций немаловажная роль должна принадлежать выбору оптимальных количеств (массы) захораниваемых ВАО и пространственной структуры их размещения в ближней зоне взрыва. Количество ВАО оптимально, если его увеличению с целью улучшения экономических показателей захоронения снижает однородность смеси нуклидов и расплава пород за допустимый уровень, и если уменьшение количества ВАО с целью повышения однородности и снижения концентрации нуклидов вызывает недопустимое ухудшение экономических показателей.

Величина оптимального количества ВАО на единицу мощности заряда тесно связана с пространственной структурой размещения отходов. Недостаток прототипа размещение ВАО в камере (полости), то есть некоторым концентрированным (локализованным) способом. Дело в том, что при перемешивании существует масштабный эффект. Перемешивание осуществляется через границу раздела двух сред расплава (паров) пород и расплава (паров) объектов захоронения, заштрихованных на фиг. 2 и условно показанных в виде сечения шара (1 - источник энерговыделения, 2, 3 объекты захоронения соответственно меньшего и большего размера, 4 массив пород), то есть скорость перемешивания будет регулироваться при прочих фиксированных параметрах (например относительной массовой скорости движения двух сред) отношением массы ВАО в камере (D³) к внешней поверхности камеры (D²) (чем оно больше, тем ниже скорость). Указанное отношение увеличивается пропорционально характерному диаметру камеры D, что и отражает сущность масштабного эффекта. Уменьшение скорости перемешивания с ростом размера камеры могло бы быть скомпенсировано увеличением времени перемешивания, но последнее задается мощностью взрыва (пропорционально q^1/3), то есть одинаково для объектов разных размеров, одновременно размещаемых в ближней зоне.

Из сказанного вытекает необходимость технически осуществимого рассредоточения (делокализации) объектов захоронения в горных породах, расположенных в ближней зоне взрыва. Операция рассредоточения ВАО одновременно несет другую полезную нагрузку улучшает ситуацию с выполнением норм радиационной и ядерной безопасности на стадии закладки ВАО за счет использования защитных свойств массива горных пород.

3.2. В прототипе отсутствуют операции, регулирующие качество стекловидного расплава горных пород, вмещающего захороненные радионуклиды.

Результаты после взрывного разбуривания ближней зоны подземных ядерных взрывов, радиохимического, спектрального иминералогического анализа (в Неваде (США) в массиве Хоггарт, Франция, в Семипалатинске (СССР) по данным организации-заявителя) свидетельствуют о сложном пространственном распределении расплава горных пород после взрыва. На фиг. 3 введены следующие обозначения: 1 центр взрыва, 2 столб обрушения, 3 раздробленные до состояния пыли, песка и мелкого щебня горные породы, 4 раздробленные до состояния пыли горные породы, 5 застывший расплав (стекло) зеленого цвета (пузырчатое), 6 застывший расплав (стекло) с обломками пород плотное, черного цвета (обсидиано-подобное), 7 граница котловой полости, 8 рыхлый расплав пемзовидного (шлаковидного) типа в трещинах и между обломками пород. С этим распределением связано существенное различие физико-механических и физико-химических свойств расплава.

Наиболее плотным, содержащим мало газовых включений является расплав в нижней части полости (как правило, черного цвета). Он образовался при стекании вниз жидкого расплава со стенок полости, а также конденсировавшихся паров и капелек из внутреннего объема полости и последующем медленном остывании, что позволило выйти газовым включениям.

Часть расплава, образовавшегося при плавлении за фронтом ударной волны, внедряется на стадии расширения полости через ее стенки в трещины, а также между обломками пород. Это приводит к более быстрому охлаждению расплава и формированию менее плотного пузырчатого стекла зеленого цвета, отчетливо выраженного в нижней части полости, но за ее пределами.

Расплав этого же типа, но внедряющийся в породу над точкой взрыва, трансформируется в результате последующего обрушения раздробленных горных пород в полость таким образом, что за счет дополнительного перемешивания с более холодными обломками быстро остывает, формируя сильно пузырчатый (пемзовидный, шлаковидный) расплав. К этой же категории относится расплав другого происхождения инжектированный вверх в свободное пространство между обломками (из жидкой линзы на дне полости) в результате удара по линзе массы обрушившихся горных пород.

Опыты по выщелачиванию радионуклидов из расплава пород показывают, что скорость выщелачивания из пемзовидного расплава в несколько раз больше, чем из стекловидного плотного расплава. Таким образом, обрушение обломков горных пород в полость, которое невозможно предотвратить при мощностях взрыва в десятки килотонн (предполагаемых для реализации), приводит к существенному ухудшению одного из важнейших показателей захоронения надежности фиксации радионуклидов в остеклованном состоянии. Поскольку при ядерно-взрывной технологии отсутствует такой барьер на пути возможной миграции радионуклидов в биосферу, как стенки контейнеров (подобно тому, что осуществляется при "рукотворном" захоронении ВАО), то задача повышения по сравнению со штатными подземными взрывами качества расплава, вмещающего в себя радионуклиды из объектов захоронения, является настоятельно необходимой.

3.3. Согласно категорическому императиву, провозглашенному МАГАТЭ, нынешнее поколение не может перекладывать тяжести ответственности за безопасное обращение с РАО на плечи будущих поколений. Отсюда следует, что необходимые технические решения должны быть найдены нынешним поколением и они должны гарантировать безопасность захоронения, то есть уже сейчас учитывать все ее аспекты.

Важнейшим, еще не рассмотренным аспектом ядерной взрывной технологии, является операция выбора массива пород (места захоронения), в толще которого полностью отсутствуют водные потоки как на момент захоронения, так и в последующий интервал времени, достаточный для того, чтобы с уверенностью утверждать о соблюдении требования радиоэкологической безопасности.

Отмеченная выше неоднородность физико-химических характеристик расплава при ядерном взрыве, которая может быть уменьшена в результате выполнения специальных операций, но не может быть устранена вовсе, отсутствие дополнительного барьера в виде стенок контейнеров для остеклованных ВАО выдвигает повышенные требования к гидрогеологическим условиям места захоронения. Ядерная взрывная технология не может быть реализована в каком-либо другом месте, кроме охарактеризованного выше, и отсутствие указаний на это является недостатком прототипа.

Техническим результатом, на который направлено изобретение является повышение радиационной и радиоэкологической безопасности ядерно-взрывной технологии захоронения ВАО с сохранением ее экономической эффективности по сравнению с другими технологиями за счет:
размещения объектов захоронения в породах, имеющих определенные физико-механические характеристики и вещественный состав, в толщах которых отсутствуют водные потоки;
повышения однородности распределения радионуклидов из объектов захоронения в расплаве горных пород, а также радиационной и ядерной безопасности на подготовительной к взрыву стадии работ по закладке ВАО в результате выбора оптимального количества (массы) объектов захоронения, определенной пространственной структуры их размещения в зоне формирования ударно-волнового расплава при взрыве и определенной конфигурации подземной камеры;
выбора безопасных величин суммарного начального пустотного объема подземной камеры;
повышения однородности строения остывшего расплава, его плотности, механической прочности, стойкости к выщелачиванию в результате оборудования в горном массиве дополнительных объемов для размещения жидкого расплава, в которых создаются благоприятные условия для его медленного остывания;
размещения термоядерных зарядов в массиве горных пород на определенных безопасных расстояниях от нескольких характерных границ.

Это достигается тем, что:
подземную камеру размещают в массиве алюмосиликатных вечномерзлых пород, а также других пород, не содержащих водных потоков, с общей газовостью пород в окрестности камеры не превышающей 5 и общей пористостью в образцах лабораторного размера, не превосходящей 2
камеру выполняют в форме центрального объема с радиально расходящимися боксами, располагают упаковки с объектами захоронения в массиве пород в нишах, которые оборудуют в стенах и полу боксов, но не далее чем на расстоянии 2,9q1/3o

(М) от центра единичного энерговыделения, q_o в килотоннах ТНТ;
ниши рассредоточивают на удалении друг от друга, превышающем минимальное безопасное расстояние, его определяют посредством комплексного учета норм ядерной и горно-технической безопасности для конкретного вида радиоактивных отходов, размещенные в нишах ВАО изолируют материалами, поглощающими проникающую радиацию, а их количество оптимизируют, исходя из достижения субкларковых величин концентраций радионуклидов в расплаве пород и экономической эффективности, свободное пространство в радиальных боксах забивают сыпучими добавками, стабилизирующими стеклообразование;
величину единичного энерговыделения q_o и суммарный начальный пустотный объем V_o подземной камеры (до ее забивания) устанавливают, исходя из средней начальной концентрации q_o/V_o энергии взрыва более 60 т ТНТ на один кубический метр пустотного объема;
каждый из боксов соединяют радиальным каналом с отсеком захоронения, локализующим при взрыве перемешанные и пробрасываемые через канал расплавы горных пород и объектов захоронения (ВАО), канал выполняют в виде конусообразной трубы с расширением в сторону отсека захоронения, входной диаметр определяют из соотношения
d_вх= (0,5÷0,7)q1/3o,
отсеки захоронения располагают в зоне смятия горных пород при взрыве за пределами столба обрушения на расстоянии от геометрического центра группы термоядерных зарядов R = (12÷14)q1/3Σ (М), где q_Σ величина суммарного энерговыделения, кт ТНТ;
группу термоядерных зарядов размещают в центральном объеме камеры в положениях, обеспечивающих в случае подрыва одного заряда попадание остальных зарядов в зону испарения, а объектов захоронения в зону ударно-волнового расплава от этого заряда;
геометрический центр группы термоядерных зарядов выбирают на расстоянии не менее 140q1/3Σ (М) от ближайшей точки дневной поверхности массива пород, не менее 30q1/3Σ от нижней подошвы толщи вечномерзлых пород и не менее 100q1/3Σ от ближайшего крупного тектонического нарушения массива пород.

Отличительными признаками изобретения являются следующие.

1. Подземную камеру размещают в массиве алюмосиликатных, вечномерзлых пород, а также других пород, не содержащих водных потоков, с общей газовостью пород в окрестности камеры, не превышающей 5 и общей пористостью в образцах лабораторного размера, не превосходящей 2 что наряду с другими факторами является необходимым условием, гарантирующим соблюдение радиационной безопасности при взрыве и радиоэкологической безопасности захоронения, сформированного с помощью ЯВТ, поскольку
отсутствие водных потоков в массиве пород полностью исключает вынос радионуклидов этим агентом из зоны захоронения в биосферу и их аккумулирование;
благодаря низкой газовости в полости после взрыва не образуется больших количеств и соответственно высокому давлению газообразных продуктов взрыва, которые в противном случае попадали бы в атмосферу через нарушения в массиве и забивочном комплексе, вынося с собой за короткое время значительное количество радиоактивных газообразных продуктов деления как взрывного происхождения, так и из объектов захоронения;
благодаря низкой пористости пород, а следовательно их трещиноватости и проницаемости, снижается максимальная протяженность зон растепления после взрыва (областей нагрева вечномерзлых пород выше 0^oС), затрудняются условия для возможного циркулирования флюидов в этой зоне;
горные породы алюмосиликатного вещественного состава обладают при плавлении хорошими стеклообразующими свойствами.

2. Выполняют подземную камеру в форме центрального объема с радиально расходящимися боксами, что дает возможность повысить радиационную и ядерную безопасность на стадии закладки ВАО и радиоэкологическую безопасность сформированного после взрыва захоронения за счет
рассредоточения объектов захоронения (контейнеров с ВАО), приводящего к устранению их взаимного радиационного воздействия и снижающего эффект суммирования радиационных полей объектов захоронения;
увеличения однородности распределения в расплаве пород нуклидов из объектов захоронения и снижения их средних концентраций в результате появления в окрестности радиального бокса тангенциальной составляющей массовой скорости движения расплава при взрыве, направленной внутрь бокса и приводящей к интенсивному дополнительному перемешиванию расплава и формированию его струйного течения наружу вдоль радиального бокса с повышенной температурой расплава и соответственно пониженной вязкостью;
повышения плотности и устойчивости к выщелачиванию застывшего расплава (остеклованной массы) в результате сопряженного с радиальной формой бокса улучшения характеристик направленного динамического проброса жидкого расплава горных пород и ВАО (увеличения скорости, массы, снижения вязкости) в специальные отсеки, сочлененные с радиальными боксами, с последующим медленным остыванием компактной массы расплава в отсеках.

3. Располагают упаковки с объектами захоронения в массиве пород в нишах, что позволяет использовать экранирующие свойства массива пород при закладке ВАО, а также обеспечивает улучшение характеристик процесса перемешивания расплава пород и объектов захоронения по сравнению с ВАО, компактно располагаемыми внутри камеры, благодаря непосредственному контакту породы и ВАО, а также относительно большей удельной поверхности (на единицу массы) у делокализованных ВАО.

4. Ниши оборудуют в стенах и полу боксов, но не далее, чем на расстоянии 2,9q1/3o

(М) от центра единичного энерговыделения, задающем границу зоны формирования ударно-волнового расплава (плавления за фронтом ударной волны), что позволяет без ухудшения характеристик расплава использовать большее пространство для рассредоточения объектов захоронения по сравнению с размещением их в зоне испарения при взрыве (R_исп≈ 1,8q1/3o(M)) и разместить соответственно большее количество ВАО, обеспечить выполнение требований радиационной безопасности на стадии закладки ВАО.

5. Ниши рассредоточивают на удалении друг от друга, превышающем минимальное безопасное расстояние, его определяют для конкретного вида ВАО посредством комплексного учета норм ядерной безопасности (применительно к поглощающим и замедляющим свойствам конкретных горных пород) и горно-технической безопасности (норм по механической устойчивости радиальных боксов при растрескивании горных пород под воздействием тепловых нагрузок от контейнеров с ВАО), что дает возможность безопасно разместить максимальное количество ВАО.

6. Изолируют размещенные в нишах ВАО материалами, поглощающими проникающую радиацию, что позволяет регулировать дозовые нагрузки персонала.

7. Оптимизируют количество (массу) захораниваемых ВАО, исходя из ограничения по минимальным безопасным расстояниям, непревышения дозовых нагрузок для персонала согласно нормам радиационной безопасности и субкларковых величин концентраций захораниваемых нуклидов в расплаве, достижения средней плотности остывшего расплава не ниже заданных предельных величин, получения удельных затрат на захоронение единицы массы ВАО, меньших в заданное количество раз по сравнению с аналогичными затратами на мировом рынке, что приводит к достижению приемлемого соотношения между допустимым риском предприятия, качеством работ и их рентабельностью.

8. Забивают свободное пространство в радиальных боксах сыпучими добавками, например борсиликатным песком, что позволяет повысить радиационную и радиоэкологическую безопасность за счет
снижения уровня радиации в центральном объеме камеры после загрузки ВАО,
уменьшения эффективного пустотного объема подземной камеры перед взрывами термоядерных устройств, который является одним из факторов, регулирующих время выхода в атмосферу и количество вышедших через массив пород и забивочный комплекс радиоактивных газообразных продуктов деления как взрывного происхождения, так и из контейнеров с ВАО,
улучшения способности остывшего расплава к удержанию радионуклидов (их физическому и химическому связыванию) в результате использования стеклообразующих сыпучих добавок и формирования из-за разницы начальных плотностей породы и сыпучих добавок такого поля массовой скорости движения в окрестности радиальных боксов при взрыве, которое способствует лучшему перемешиванию расплава горных пород и объектов захоронения.

9. Устанавливают величину единичного энерговыделения q_o и суммарный начальный пустотный объем V_o подземной камеры (до ее забивания добавками), исходя из средней начальной концентрации взрывной энергии q_o/V_o более 60 т ТНТ на один кубический метр пустотного объема, что позволяет повысить радиационную безопасность при производстве термоядерных взрывов, гарантируя отсутствие выхода газообразных радиоактивных продуктов в атмосферу в опасных количествах при условии соблюдения всего комплекса установлений по радиационной безопасности в предлагаемом способе.

10. Соединяют каждый бокс радиальным каналом с отсеком захоронения, локализующим при взрыве перемешанные и пробрасываемые через канал в процессе развития полости расплавы горных пород, стеклообразующих добавок и радиоактивных отходов, что способствует повышению радиоэкологической безопасности захоронения в результате повышения плотности застывшего в отсеке стеклообразного расплава, его прочности и устойчивости к выщелачиванию радионуклидов жидкими флюидами за счет создания благоприятных условий медленного остывания жидкого расплава в отсеке, которые являются следствием вывода больших масс жидкого расплава за пределы столба обрушения и исключения разбрызгивания этого расплава и его быстрого остывания в результате динамического удара при образовании столба обрушения.

11. Канал выполняют в виде радиально расположенной конусообразной трубы с расширением в сторону захоронения, что дает возможность беспрепятственно локализовать жидкий расплав в отсеках, поскольку эта форма содействует сохранению пропускной способности канала при его деформировании в процессе развития котловой полости взрыва, компенсируя наряду с большими тангенциальными деформациями удлинения раздробленной среды (расходимостью потока) частичное перекрытие канала при его сжатии ударной волной.

12. Входной диаметр конусообразной трубы определяют из соотношения d_вх= (0,5÷0,7)q1/3o

(М), что способствует созданию оптимального режима заполнения отсеков наибольшим количеством жидкого расплава.

13. Располагают отсеки захоронения в зоне смятия горных пород при взрыве за пределами столба обрушения на расстоянии R = (12÷14)q1/3Σ

(М) от геометрического центра группы термоядерных зарядов, что дает возможность повысить радиоэкологическую безопасность захоронения за счет окружения остывшего в отсеках плотного расплава большим объемом мелкодисперсной пыли и песка из зоны смятия горных пород засыпки, обладающей высокими плотностью и удельной поверхностью частиц, повышенными катионно-обменными и сорбционными свойствами, являющейся еще одним барьером на пути миграции радионуклидов в биосферу и превосходящей по указанным параметрам все известные рукотворные засыпки.

14. Группу термоядерных зарядов размещают в центральном объеме камеры в положениях, обеспечивающих в случае подрыва одного заряда попадание остальных зарядов в зону испарения, а объектов захоронения в зону ударно-волнового расплава от этого заряда, что обеспечивает при заданном количестве ВАО наряду с гарантированным срабатыванием наиболее эффективное и безопасное использование энергии термоядерных зарядов.

15. Выбирают положение геометрического центра группы зарядов на удалении не менее 140q1/3Σ

(М) от ближайшей точки дневной поверхности массива пород, не менее 30q1/3Σ (М) от нижней подошвы толщи вечномерзлых пород и не менее 100q1/3Σ (М) от ближайшего крупного тектонического нарушения массива горных пород, что позволяет наряду с другими, указанными ранее условиями, обеспечить радиационную безопасность при взрыве вследствие достаточной удаленности формирующейся в полости взрыва области газообразных продуктов с повышенным давлением от разгружающих границ (дневной поверхности, высокотрещиноватых разломов массива), а также наряду с другими, указанными ранее, условиями обеспечить радиоэкологическую безопасность захоронения вследствие ограничения максимальных размеров образующейся после взрыва зоны растепления горных пород пределами толщи вечномерзлых пород, что обеспечивает отсутствие какого-либо выноса радионуклидов из зон захоронения за пределы зоны растепления.

Перечисленные выше отличительные признаки обеспечивают изобретению свойства, не существующие у известных ранее подобных технических решений, что позволяет рассматривать эти признаки, как соответствующие критерию "изобретательский уровень".

Общая последовательность физических процессов, реализующихся в предполагаемом способе, выглядит следующим образом.

Мощная ударная волна, порожденная выделившейся в заряде энергией взрыва, распространяясь по горной породе и объектам захоронения, приводит к их сильному сжатию, нагреву, плавлению или испарению, то есть к полной дезинтеграции исходной структуры. Температуру веществ на фронте ударной волны можно описать зависимостью

где Т_o начальная температура; R расстояние от центра масс заряда, м; q мощность заряда, кт ТНТ.

Зависимость (1) согласуется с данными расчетов, проведенных в организации-заявителе. По мере распространения волны температура на фронте убывает и, начиная с некоторого расстояния R_p1, плавление за фронтом ударной волны становится невозможным.

По проведенным расчетам величина R_p1 для типичных горных пород приблизительно равна R_p1≈2,9q^1/3 (М) (q, кт ТНТ). Таким образом, масса пород, расплавленных на ударно-волновой стадии процесса составит величину М_p1≈270q (т) (q, кт ТНТ). Отборы проб из-под центра взрыва через несколько лет после его осуществления показывают, что общая масса расплавленных пород Mop1

намного больше M_p1 и колеблется в диапазоне Mop1 (1000 2000)q (т). Полученные данные подтверждают эту оценку. Дополнительное количество расплава образуется на той стадии, когда давно исчезли все динамические проявления взрыва, и в результате медленной теплопередачи от перегретого ударно-волнового расплава происходит дополнительное плавление нагретых ударной волной горных пород.

Формирование расплава на ударно-волновой стадии сопровождается сильными скоростями его движения (более 2 км/с) и смещениями (≈10q^1,3 (М)). Это приводит к турбулизации жидкого потока и к перемешиванию расплавленных горных пород с радионуклидами объектов захоронения и расплавленными материалами их конструкций. В процессе расширения полости возникают огромные тангенциальные деформации ε_θ= U/r,, где U смещение; r - расстояние от центра; e_θ≈ 300%, что приводит к раскрытию радиальных трещин, примыкающих к полости, и пробрасыванию расплава в трещинное пространство.

В результате резкого падения давления в полости при ее расширении (из-за конденсации паров горных пород) происходит взрывное дробление расплава и его вбрасывание внутрь полости. Причиной является высокое давление неконденсирующихся нагретых газов (СO₂, SO₂ и других), а также паров H₂O в расплаве горных пород. На стадии, когда котловая полость взрыва достигает своего максимального объема (≈0,05 q^1/3 с), оставшийся жидкий расплав начинает стекать (из центрального объема полости и со стенок полости) на дно полости, где образуется характерная линза.

В последующий период раздробленная масса породы под действием силы тяжести и в результате колебаний стенок полости обрушивается в полость, полностью ее заполняя и формируя столб обрушения (если мощность взрыва более 10 кт). Перемешивание расплава с обломками приводит к его быстрому охлаждению, то есть к относительно высокой пористости и низкой прочности. Это относится не только к расплаву, оставшемуся в линзе, но в большей степени к той его части, которая в результате удара обломков фильтруется в свободное пространство между ними, застывая окончательно в виде пемзы.

Такова вкратце выявленная по результатам многочисленных подземных ядерных испытаний общая картина развития явления. Рассмотрим ее трансформацию при использовании предлагаемых технических решений, преследующих цель улучшения ряда полезных свойств.

На фиг. 4 демонстрируются положение волновых фронтов и общая картина движения при распространении ударной волны вдоль радиального бокса, выявленные по результатам полученных расчетов (1 радиальный бокс, заполненный сыпучими добавками; 2 ниши в массиве пород с высокоактивными отходами; 3 положение фронта ударной волны в массиве пород; 4 положение фронта ударной волны в среде радиального бокса; 5 головная волна, преломленная из массива пород в сыпучую среду радиального бокса; 6 струя из перемешанных и расплавленных горных пород, ВАО и сыпучих добавок вдоль оси радиального бокса; 7 центр взрыва; 8 упаковки с ВАО).

Указанная картина формируется из-за разности плотностей породы в массиве (≈2,7 г/см³) и сыпучей добавки (≈1,55 г/cм³). В результате фронт ударной волны в массиве обгоняет фронт ударной волны в сыпучей среде и преломляется в эту среду в виде головной волны 5. Это приводит к локальной перестройке поля течения, а именно за фронтом головной волны появляется составляющая массовой скорости движения, направленная под некоторым углом к направлению основного движения (радиального). В свою очередь, это приводит к ряду последствий: во-первых, возникает вихревое движение, дополнительно перемешивающее и гомогенизирующее расплав горных пород, ВАО и сыпучих добавок или продуктов их испарения, во-вторых, схлопывание головной волны на оси бокса порождает струйное течение 6 вдоль оси бокса, направленное с повышенными скоростями движения наружу. Схлопывание головной волны порождает также повышение температуры, что снижает вязкость расплава и облегчает перемешивание.

С указанной геометрией струйного течения логично сопрягается другое техническое решение отсек захоронения, соединенный с боксом радиальной конусообразной трубой, представленный на фиг. 5 (1 радиальный бокс; 2 - канал проброса расплава; 3 отсек захоронения; 4 ниши с ВАО; 5 центр взрыва; 6 упаковки с ВАО, вид сверху).

Перемешанные с расплавом горных пород радионуклиды из объектов захоронения струйным течением пробрасываются через конусообразную трубу 2 (канал) в отсек захоронения 3 и локализуются в нем компактной массой. Относительная скорость проброса расплава через канал составляет приблизительно 1 км/с. Поэтому канал за время проброса не пережимается разрушенной породой. Этому способствуют также большие тангенциальные деформации удлинения в породе (до 300) и конусообразная форма канала, расширяющегося в сторону отсека захоронения.

Расположение отсека регулируемого объема за пределами столба практически исключает такие негативные факторы, как падение обломков в жидкий расплав и его разбрызгивание. В результате плавления пород под действием потока избыточного тепла от расплава на стенках отсека после взрыва образуется слой плотных расстеклованных пород, обедненный радионуклидами и играющий роль аналога "стенок контейнера". Наличие канала проброса и отсека увеличивает путь, на котором происходит перемешивание жидкого расплава, что повышает его однородность (последняя будет несколько нарушаться, как и при штатных испытаниях ядерных зарядов, за счет всплытия радиоактивных газообразных предшественников, что незначительно повысит концентрацию изотопов типа стронция-90, цезия-137 в верхней части расплава в отсеке).

Идея проброса расплава горных пород из полости подземного ядерного взрыва через канал в специальную камеру разрабатывалась с целью повышения радиационной безопасности при штатных испытаниях оружия (Блинов Р. С. Федотов Ю. Б. Дубасов Ю. В. НПО "Радиевый институт"; Апатиты, и Кольцов В.М. Мясников К. В. Мамонов Б.П. и др. ПромНиитехнологии, и др.) и была успешно реализована на практике. Отборы проб из камер захоронения после взрывов подтвердили высокую стойкость к выщелачиванию, прочность и плотность стекла из расплава (обсидианоподобного типа), что явилось следствием медленного остывания компактной массы, не подвергавшейся разбрызгиванию при обрушении горных пород в полость.

В предлагаемом способе захоронения ВАО это известное техническое решение, сопрягаясь с другими техническими решениями, порождает в совокупности то сочетание полезных свойств, которое выгодно отличает заявляемый способ от прототипа и других способов захоронения ВАО. Особенностью предлагаемого отсека захоронения, отличающей от указанного выше решения, является его размещение в зоне смятия горных пород за пределами столба обрушения. Основным преимуществом при размещении отсека захоронения в зоне смятия (на расстоянии (2÷4)q1/3Σ

(М) от края будущей полости, радиус которой R_п≈10q^1/3 (М)) является то, что при этом сам взрыв одновременно решает и проблему засыпки остеклованных и разбавленных до субкларковых значений радионуклидов из объектов захоронения мелкодисперсным материалом.

В качестве такого материала выступают диспергированные в зоне смятия до состояния пыли (милонитизированные), но сохранившие некоторую малую прочность горные породы, формирующие в конечном итоге стенки отсека захоронения.

При удалении от полости состав обломков становится все более грубодисперсным сначала превалирует песок, потом щебень, далее крупные обломки. В известной работе на основе многочисленных опытных данных было установлено, что закон распределения по размерам частиц горных пород при ядерном взрыве представляет суперпозицию

логарифмически нормального закона для пылеватых и мелких частиц и трехпараметрического закона Розина-Раммлера RR(d,r) для более крупных обломков. В соотношении (2) Ω относительная весовая доля частиц с размерами, меньшими d,y = (lnd-lnd_LN)/σ_LN, d_LN, σ_LN медиана и среднее квадратическое отклонение логнормального закона, α относительная весовая доля пылеватых и мелких частиц, r расстояние от центра взрыва.

На фиг. 6 демонстрируется вычисленная на основе (2) зависимость суммарной удельной поверхности частиц S раздробленных горных пород от расстояния до центра ядерного взрыва мощностью q_Σ= 125 кт ТНТ.

Из данных фиг. 6 следует, что к внешней поверхности отсека захоронения со всех сторон примыкает слой пыли толщиной несколько метров с медианным значением диаметра частиц порядка 100 мкм, который можно оценить приближенно из соотношения d_LN ≈ 3/S (М). В каждом кубометре пыли площадь частиц превосходит 4 га. Необходимо также учесть, что к внешней стороне пылеватого слоя примыкает слой из смеси пыли, песка и мелкого щебня толщиной около 20 м.

Положение отсека до взрыва определяют из условия, чтобы локализовать расплав в толще мелкораздробленной скальной породы, представляющей собой смесь пыли и песка. Согласно данным на фиг. 6 это реализуется на расстояниях (2÷4)q1/3Σ

(М) от края полости. Меняя удаление отсека от центра взрыва, можно варьировать дисперсность частиц засыпки. При этом указанное удаление от края полости является оптимальным, так как столб обрушения по результатам опытов является конусообразным, с расширением кверху, то есть отсек захоронения нельзя придвигать близко к стенкам полости.

Предлагаемый вариант оборудования отсека захоронения повышает радиоэкологическую безопасность, так как воздвигает еще один надежный защитный барьер на пути возможной миграции раионуклидов в биосферу. И дело здесь не только в больших объеме засыпки и удельной поверхности ее частиц. Существуют еще два благоприятных обстоятельства.

Во-первых, пыль горных пород, продуцируемая взрывной волной, обладает аномально повышенным свойством фиксации на своей поверхности радионуклидов. Существует даже рабочий термин "цезиевая пыль". Одна причина, видимо, в том, что поверхность этих пылинок является фрактальной, поскольку процесс дробления твердых тел обладает фрактальными свойствами, то есть фактическая поверхность пылинок намного больше, чем это учитывается в расчетах (за счет сильной нерегулярности строения поверхности, представленной множеством площадок различных иерархических уровней (пространственных масштабов)). Другая причина в "первозданности" этой поверхности, то есть отсутствии на ней окислов или органических примесей, что резко усиливает катионно-обменные и сорбционные характеристики. Вторым благоприятным обстоятельством является высокая плотность взрывной засыпки, ограничивающая подвижность любых флюидов. Пористость ее не превышает 15-20 чего трудно добиться "рукотворным" способом у обычных сыпучих зернистых сред пористость составляет приблизительно 40-50 При разнице в пористости между обеими засыпками в 2,5 раза проницаемость взрывной засыпки для флюидов любой природы будет в соответствии с формулой Козни-Кармана меньше в 10 раз. В силу этого временные интервалы проявления возможных негативных процессов, связанных с выносом радионуклидов, удлиняются в случае взрывной засыпки как минимум на порядок.

При использовании ядерно-взрывной технологии главными являются вопросы как надежности подрыва самого заряда, так и гарантированной защиты от радиоактивного загрязнения окружающей среды в результате его проведения.

Ядерный боеприпас является сложным техническим устройством. Поэтому не исключена возможность отказа его срабатывания. Для того, чтобы не оказались затраченными напрасно большие средства на создание подземной камеры, сосредоточение в ней большого количества опасных радиоактивных отходов и возведение сложного забивочного комплекса в транспортной штольне, используют для подрыва не один ядерный боеприпас, а несколько (два или три). При этом выбор мощности заряда и их размещение в центральном объеме камеры производятся таким образом, чтобы в случае подрыва только одного заряда все объекты захоронения попадали в зону ударно-волнового расплава от этого заряда, а не сработавшие заряды в зону испарения.

Таким образом, мощность единичного энерговыделения q_o напрямую связана с количеством захораниваемых ВАО. В свою очередь количество ВАО определяется их типом, схемой пространственного размещения ВАО, нормами радиационной и ядерной безопасности при закладке ВАО, финансовыми и материальными затратами на производство работ, временным фактором робот, техническими возможностями по доставке ВАО к месту захоронения. Определение конкретного количества ВАО осуществляется посредством решения оптимизационной задачи. При этом одним из главных параметров является минимальное безопасное расстояние между пакетами, сборками, контейнерами с ВАО. Его нахождение связано не только с учетом характеристик радиационной защиты (поглощающих и замедляющих свойств горных пород, вспомогательных материалов), мощностей экспозиционных доз, но также с учетом теплового поля от ВАО в горных породах. Необходимо учитывать, что сложение тепловых полей может привести на стадии закладки ВАО к терморастрескиванию пород и в итоге к потере устойчивости горной выработки.

Существует еще одно специфическое ограничение, связывающее мощность единичного энерговыделения q_o и количество захораниваемых ВАО, установленное сравнительно недавно на основе анализа опыта всех проведенных в бывшем СССР подземных ядерных испытаний.

Речь идет о том, что время начала выхода Т_o радиоактивных газообразных продуктов в атмосферу и коррелируемое со временем выхода количество вышедшей активности (чем меньше время, тем больше активность) при прочих фиксированных условиях определяется средней начальной концентрацией энергии взрыва q_o/V_o, где V_o суммарный объем пустот в окрестности заряда (в зоне формирования ударно-волнового расплава):

где L_нс кратчайшее расстояние то точки взрыва до дневной поверхности, М; Т_o, мин. Как показывает опыт, заполнение пустот перед взрывом сыпучим материалом или разделение пустотного объема перегородками существенно не изменяет зависимости (3).

В основе (3) лежат физические процессы перераспределения механической энергии и энергии излучения между зарядом и горной породой в ближней зоне взрыва, которые опосредываются пустотным объемом, окружающим заряд. В результате уменьшения начальной концентрации энергии q_o/V_o (при прочих фиксированных условиях) возрастает давление газообразных продуктов взрыва в полости, что и приводит к более раннему выходу радиоактивных газов в атмосферу.

Анализ всей совокупности имеющихся данных показывает, что при q_o/V_o > 60 т/м³ гарантируется отсутствие выхода радиоактивных газов в атмосферу в сколь-нибудь значимых (опасных) количествах (при условии соблюдения всего комплекса предусмотренных в предлагаемом способе мер по радиационной безопасности).

Таким образом, выбор количества захораниваемых ВАО, однозначно связанный с созданием определенного пустотного объема для их размещения, накладывает ограничение на мощность единичного энерговыделения, так как нужно предусматривать наихудший вариант срабатывания только одного заряда.

Суммарная мощность q_Σ= q_on, где количество зарядов n определяется, исходя из надежности срабатывания отдельного заряда, стабильности заданного энерговыделения в заряде и заданной (допустимой) вероятности срабатывания хотя бы одного заряда из группы.

Выбор величины q_Σ накладывает ограничения на размещение группы термоядерных зарядов в подземной камере по отношению к нескольким характерным границам. Эти ограничения тесно связаны с физико-механическими характеристиками массива горных пород и их вещественным составом и имеют целью обеспечение радиационной безопасности при взрыве, а также радиоэкологической безопасности созданного захоронения ВАО.

Проведенный анализ подземных ядерных испытаний показал, что как на Новоземельском, так и Семипалатинском полигонах приблизительно в 30 всех случаев взрывы были полностью камуфлетными, то есть не сопровождались истечением или просачиванием в атмосферу сколь-нибудь значимых количеств радиоактивных инертных газов. Выявление причин показало, что в этих опытах в отличие от остальных испытаний было достигнуто такое необходимое сочетание факторов безопасности, которое и привело к положительному результату.

Резюмируя результаты проведенных исследований можно прийти к выводу, что существует комплекс условий, строгое выполнение которых гарантирует радиационную и радиоэкологическую безопасность ядерно-взрывной технологии.

Эти условия следующие.

Помимо отмеченного выше критерия средней энергии q_o/V_o (плотности заряжения) важным является размещение геометрического центра группы термоядерных зарядов в подземной камере на расстояниях не менее 140q1/3Σ

(М) от ближней точки дневной поверхности массива пород и не менее 100q1/3Σ (М) от ближайшего крупного тектонического нарушения массива горных пород. При этом газовость породы в непосредственной окрестности подземной камеры (весовое содержание воды, CO₂, SO₂ и других газов) не должна превышать 5 при температуре 1000^oС, а общая пористость породы в образцах лабораторного размера (в кернах) не должна превышать 2
Газовость пород регулирует (наряду с параметром q_o/V_o) начальное давление высоконагретых газообразных продуктов взрыва в котловой полости, которое поддерживает фильтрацию газов через естественные трещины в массиве, трещины, созданные взрывом, а также неплотности забивочного комплекса штольни.

Общая пористость породы регулирует ее прочность, то есть размеры зон сдвигового и отрывного разрушения массива при взрыве, являющиеся благодаря повышенной пористости и проницаемости проводниками газообразных продуктов взрыва, смешанных с радиоактивными газами.

Крупные тектонические разломы из-за повышенной трещиноватости, пористости и проницаемости вмещающих пород являются естественными проводниками фильтрующихся газов и разгружающими границами.

Дневная поверхность массива выделена как основная защищаемая и контролируемая граница, как граница, через которую разгружается давление газов в полости.

Указанные характеристики определяются по стандартным методикам при геохимических, инженерно-геологических и геофизических изысканиях. Выполнение приведенных требований по ограничению характеристик гарантирует радиационную безопасность при реализации ядерно-взрывной технологии за счет формирования газового источника с приемлемыми параметрами.

Для ядерно-взрывной технологии важную роль играет полное отсутствие водных потоков в толще массива пород, окружающего захоронение, поскольку допущение об их потенциальном наличии делает невозможным долгосрочный прогноз о радиоэкологической безопасности захоронения ввиду отсутствия такого защитного барьера для радионуклидов, как стенки контейнеров.

Наиболее подходящим массивом является, например, массив вечномерзлых пород в арктическом климате, что сопрягается с важным фактором удаленности от населенных пунктов. При подземном ядерном взрыве в некоторой зоне происходит, однако, повышение температуры горных пород как в результате ударного сжатия, так и в результате существующего в течение длительного времени потока тепла из центральной высоконагретой области. Образуется так называемая зона растепления, размер которой сначала увеличивается с годами, достигает максимума, а затем убывает (размер определяется по повышению температуры выше 0^oС). Эта зона не имеет форму шара и ее максимальная протяженность формируется за счет повышенных локальных потоков тепла вдоль узких трещин. По полученным данным при мощности взрыва 12 15 кт максимальный размер зоны растепления (максимальное удаление от центра взрыва) не превышает ≈75 80 м, а при мощности 100 кт 140 150 м.

Естественно, что при оттаивании льда в порах и трещинах горных пород в зоне растепления возможно появление локальных водных потоков. Для того, чтобы эти потоки не могли осуществить выноса радионуклидов и их аккумулирования, необходимо потребовать, чтобы центр группы зарядов был удален на достаточное расстояние от нижней подошвы толщи вечномерзлых пород. В качестве такого расстояния может быть принят максимальный размер зоны растепления, оцениваемый выражением 30q1/3Σ

(имеется ввиду наихудший с рассматриваемой точки зрения вариант срабатывания всех зарядов).

По полученным данным выполнение всех указанных требований к массиву пород при суммарной мощности взрыва, представляющей практический интерес (десятки килотонн), реально достижимо.

Дополнительным фактором безопасности при реализации ядерно-взрывной технологии является возможность использования, так называемых "чистых" термоядерных зарядов, выделение энергии в которых только на несколько процентов обусловлено реакциями деления (остальное за счет синтеза).

Другим дополнительным фактором безопасности при реализации ядерно-взрывной технологии является низкая сейсмичность региона, в котором осуществляется захоронение, чем, в частности, характеризуется архипелаг Новая Земля.

Предлагаемый способ поясняется схемами, представленными на фиг. 7, 8. Фиг. 7 иллюстрирует статическую сторону способа, фиг. 8 динамическую сторону способа.

На фиг. 7 показана подземная камера, пройденная в массиве вечномерзлых алюмосиликатных пород, например гранитов или песчаников, имеющих в ближайшей окрестности камеры газовость не более 5 и пористость не более 2 с центральным объемом 1 и радиально расходящимися от него боксами 2. В стенках каждого бокса проходят выработки под углом к оси бокса и в них оборудуют ниши 3, в которых размещают и изолируют с помощью специальных наполнителей упаковки с высокоактивными отходами 4, доставляемые по транспортной штольне 5. Свободное пространство боксов 2 по мере заполнения ниш забивают сыпучими добавками 6, например борсиликатным песком.

После забивки боксов в центральном объеме 1 размещают термоядерные заряды 7 в количестве n, достаточном для надежного срабатывания одного из них, например n 2 или n 3, на расстояниях, обеспечивающих попадание каждого заряда в зону испарения от любого другого заряда. Величину единичного энерговыделения q_o и суммарный начальный пустотный объем камеры V_o (боксов и центрального объема) задают так, чтобы средняя начальная концентрация взрывной энергии q_o/V_o при условии подрыва одного заряда превышала 60 т тринитротолуола на 1 куб. м пустотного объема.

Ниши с ВАО размещают около ядерных зарядов так, чтобы в случае подрыва только одного заряда все объекты захоронения попадали в зону образования ударно-волнового расплава от этого заряда, радиус которой составляет R_p1≅ 2,9q1/3o

(м), q₀, кт ТНТ. Ниши 3 рассредоточивают в массиве горных пород на расстояниях, превышающих предварительно определенное с учетом типа расстояниях, превышающих предварительно определенное с учетом типа пород и ВАО минимальное безопасное расстояние, а общее количество захораниваемых ВАО оптимизируют, исходя из требований комплексной безопасности и экономической эффективности.

Положение геометрического центра группы термоядерных зарядов в центральном объеме подземной камеры по отношению к ряду важных границ задают, исходя из условия подрыва всех зарядов с суммарным энерговыделением q_Σ= q_on,, а именно на расстоянии не менее 140q1/3Σ

(М) от ближайшей точки дневной поверхности массива пород, не менее 30q1/3Σ (М) от нижней подошвы толщи вечномерзлых пород и не менее 100q1/3Σ (М) от ближайшего крупного тектонического нарушения (разлома) массива горных пород, q_Σ (кт ТНТ).

Радиальные боксы 2 каналами 8 соединяют с отсеками захоронения 9, располагаемыми за пределами столба обрушения и предназначенными для приема перемешанного со стеклообразующими добавками и радионуклидами жидкого расплава пород с последующим его длительным хранением после остекловывания. Созданием отсеков 9 регулируют в положительную сторону физико-химический свойства остывшего расплава за счет улучшения условий его остывания в результате динамического проброса в процессе развития котловой полости взрыва компактной массы расплава в жидкой фазе за пределы столба обрушения, а также за счет удлинения пути перемешивания жидкого расплава при пробросе.

Удалением отсеков относительно геометрического центра группы зарядов на расстоянии (12÷14)q1/3Σ

формируют барьер на пути возможной миграции радионуклидов в виде засыпки остеклованного расплава плотным слоем мелкодисперсной пыли и песка из зоны смятия горных пород, обладающей повышенными катионно-обменными и сорбционными свойствами.

Канал 8 оборудуют в форме, способствующей сохранению его пропускной способности при деформировании окружающих горных пород в процессе развития полости, а именно в виде радиально расположенной конусообразной трубы с расширением в сторону отсека захоронения 9. Диаметр входного отверстия каналов 8 с целью пропуска наибольшего количества расплава определяется из соотношения
d_вх= (0,5÷0,7)q1/3o

(М).

После закладки ВАО, засыпки боксов и установки зарядов оборудуют специальный забивочный комплекс 10, герметизирующий транспортную штольню при взрыве, и подают команды на подрыв зарядов.

Способ осуществляется следующим образом. Мощная ударная волна, порожденная выделившейся в зарядах энергией, изменяет физическое и агрегатное состояние горных пород, сыпучих добавок, конструкций, вмещающих ВАО, и самих ВАО они диспергируются на мельчайшие частицы во фронте волны, нагреваются за счет ударного сжатия, плавятся в процессе последующего движения за фронтом волны со скоростями порядка нескольких километров в секунду и испаряются, если расположены в пределах зоны испарения, R^исп≈ 1,8q1/3Σ

(М) (или 1,8q1/3o при срабатывании одного заряда).

Перемешивание радионуклидов из упаковок ВАО с расплавом пород и стеклообразующими добавками осуществляется тремя механизмами, различающимися пространственным масштабом действия.

Наименьший масштаб реализуется в непосредственной окрестности ниш с упаковками ВАО. Неоднородность поля массовых скоростей, обеспечивающая перемешивание, формируется здесь за счет локальных струйных течений, вызванных схлопыванием ниш с упаковками ВАО и самих упаковок в ударной волне. Большая пустотность, которой характеризуется как внутреннее пространство упаковок с ВАО, так и пространство ниш с упаковками ВАО, способствует достижению относительно высоких скоростей струйных течений (на фоне средней скорости движения), а также дополнительного разогрева в результате схлопывания, что из-за резкого снижения вязкости расплава с ростом температуры облегчает перемешивание.

Средний пространственный масштаб перемешивания задается размерами и формой боксов 2 с нишами и характером заполнителя боксов. Механизм этого перемешивания формируется в результате опережающего распространения фронта ударной волны вдоль боксов в горной породе по отношению к распространению фронта ударной волны в низкоплотной сыпучей среде, заполняющей боксы. Из-за опережения в сыпучей среде образуется головная ударная волна, порождающая вихревое движение, дополнительно перемешивающее и гомогенизирующее расплав горных пород, ВАО и сыпучих добавок или продуктов их испарения. Схлопывание головной волны на оси бокса порождает локальное повышение температуры, что дополнительно снижает вязкость расплава и облегчает перемешивание.

Действие третьего механизма перемешивания разворачивается в более поздние моменты времени, которым предшествует схлопывание головной волны и последующие за этим события, благодаря которым формируется ряд отличительных особенностей способа. А именно, схлопывание головной волны порождает струйное течение вдоль оси бокса, направленное наружу с повышенной скоростью движения (около 1 км/с относительно средней скорости движения). В моменты времени, непосредственно следующие за достижением фронта ударной волны входного отверстия конусообразного канала 8, струйное течение начинает внедряться в канал, что способствует пробросу перемешанного с радионуклидами и стеклообразующими добавками расплава пород в отсеки захоронения 9.

Канал 8 в процессе проброса сокращается в длину из-за больших радиальных деформаций, а его пропускная способность поддерживается благодаря динамическому балансу между увеличением сечения канала из-за дивергенции (сферической расходимости) и его уменьшением (схлопыванием) из-за сжимающего действия ударной волны. Стенки отсека захоронения также деформируются в процессе проброса, но, поскольку массовая скорость движения в рассматриваемой зоне убывает с удалением как 1/r^2,5, где r расстояние до центра взрыва, то относительная скорость, с которой изменяются размеры отсека, а также части канала 8, примыкающей к отсеку, в десятки раз меньше относительной скорости проброса расплава. В результате отсек заполняется раньше, чем происходит его пережатие, а пережатия не происходит по причине заполнения отсека расплавом, в том числе из-за возникновения уравновешивающего импульса давления при гидравлическом ударе расплава о стенки отсека.

В процессе проброса расплава повышается его однородность за счет дополнительного увеличения пути перемешивания и снижается концентрация радионуклидов в нем, так как при своем движении расплав увлекает часть раздробленной высоконагретой, но не расплавленной породы, со стенок канала 8 и расплавляет ее за счет имеющегося избыточного тепла.

Третий механизм перемешивания расплава пород и ВАО срабатывает, когда из-за охлаждения паров испаренной тугоплавкой породы в результате расширения полости происходит их внезапная конденсация. К этому моменту расплав, не попавший в отсеки, распределяется тонким слоем по стенкам полости. Конденсация приводит к резкому падению давления в полости и поэтому находящиеся в расплаве газы CO₂, SO₂, пары воды и другие, расширяясь, диспергируют расплав на мелкие частицы и вбрасывают их со стенок внутрь полости, где расплав дополнительно перемешивается. Одновременно с этим явлением имплозии скачкообразно поднимается давление в полости (из-за увеличения здесь парциального давления газов и паров воды), в результате чего создаются условия для проброса капелек расплава газовым потоком в отсеки захоронения, которые для усиления эффекта могут предварительно вакуумироваться.

На этом заполнение отсеков захоронения заканчивается. Оставшаяся в полости часть расплава оседает на ее дно или стекает туда по стенкам, образуя характерную линзу. В результате последующего обрушения свода полости происходит перемешивание расплава с упавшими обломками пород, его частичное разбрызгивание и внедрение между обломками с последующим относительно быстрым охлаждением и превращением в стекло. Обрушение свода полости не затрагивает отсеки захоронения, находящаяся в них компактная масса жидкого расплава медленно остывает, дополнительно гомогенизируясь за счет диффузии и конвекции и превращаясь в плотное, устойчивое к выщелачиванию стекло, надежно фиксирующее радионуклиды в геохимически инертной форме. При этом частично проплавляются стенки отсека захоронения, играющие роль своеобразного контейнера. В итоге создается захоронение ВАО в глубинных геологических формациях в виде техногенного магматического тела с субкларковыми значениями концентраций радионуклидов, что позволяет говорить фактически о ликвидации ВАО, фиг. 8 (1 центр взрыва; 2 расплав в отсеке захоронения; 3 линза расплава на дне полости; 4 расплав между обломками пород; 5 расплав в трещинах; 6 засыпка расплава мелкодисперсной пылью; 7 граница котловой полости взрыва до обрушения; 8 столб обрушения; 9 граница зоны дробления; 10 граница зоны растепления; 11 тектонический разлом; 12 забивочный комплекс транспортной штольни; L_нс кратчайшее расстояние до дневной поверхности). Радиоэкологическая безопасность этого, в каком-то смысле предельного типа захоронения, дополнительно обеспечивается засыпкой слоем плотной мелкодисперсной пыли толщиной около 2q^1/3 с медианным значением диаметра частиц менее 100 мкм, где q фактическое энерговыделение при взрыве, и еще более толстым внешним слоем смеси пыли, песка и мелкого щебня. Засыпка обладает высокими катионно-обменными и сорбционными свойствами, а также низкой проницаемостью и является еще одним барьером на пути возможной миграции радионуклидов из захоронения.

Миграция, однако, предельно затруднена, поскольку захоронение формируется в толще вечномерзлых пород, где отсутствуют водные потоки. Единственная потенциальная возможность проявления неблагоприятного действия воды (выщелачивание, выноса и аккумулирования радионуклидов) образование зоны растепления пород при взрыве, однако эта возможность блокируется введенным ограничением на выбор положения центра зарядов по отношению к нижней подошве толщи вечномерзлых пород. В результате вода, вытаявшая из трещин и пор после взрыва, не сможет распространиться за пределы ограниченной зоны растепления.

Введенные ограничения на положение центра зарядов по отношению к дневной поверхности и разломам массива, по пористости и газовости пород в окрестности подземной камеры и ее начальному пустотному объему обеспечивают радиационную безопасность при взрыве (совместно с надлежащим образом выполненным забивочным комплексом транспортной штольни) за счет формирования газового источника в котловой полости с минимально возможным для реальных условий давлением в источнике, достаточной удаленности его от разгружающих границ (дневной поверхности, разломов), наличия толстого слоя ненарушенных при взрыве и слабопроницаемых прочных пород, отделяющих зону дробления от дневной поверхности и разломов, высокой суммарной дополнительной пустотности, созданной взрывом в зоне дробления прочных горных пород при их необратимом перемещении от центра взрыва, высоких суммарной поверхности частиц в зоне дробления и их сорбционной способности. Совокупное действие перечисленных причин гарантирует отсутствие выхода в атмосферу с радиоактивными инертными газами сколь-нибудь значительной активности (контролируемой выше флуктуаций радиационного фона).

Благодаря совокупности указанных отличительных признаков обеспечивается достижение положительного эффекта в виде
облегчения операций по закладке ВАО за счет использования радиационно-защитных свойств горных пород;
соединения полезности способа с гарантированной радиационной безопасностью при подземном ядерном взрыве;
повышения однородности распределения заданной массы радионуклидов из объектов захоронения в расплаве горных пород;
улучшения способности остеклованного расплава к связыванию и удержанию содержащихся в нем радионуклидов в геохимически инертной форме;
обеспечения комплекса мер по радиоэкологической безопасности техногенного магматического тела на длительные периоды времени.

Экономическая эффективность способа подтверждается выполненными расчетами. Для типового варианта реализации ядерно-взрывной технологии на Новоземельском полигоне с использованием двух зарядов мощностью 30 кт ТНТ каждый в нишах подземной камеры объемом 500 м³ может быть размещено, а в последующем разбавлено в расплаве, остекловано и захоронено на глубине около 600 м не менее 100 т отработавшего и выдержанного определенный срок ядерного топлива, не подлежащего переработке по различным причинам. Суммарная активность этого топлива со средней глубиной вгорания составит около 10⁵ Ки/т*100 т 10⁷ Ки [1] что в несколько раз превосходит активность по цезию-137, выброшенную во время Чернобыльской аварии. Средняя концентрация активности захораниваемых радионуклидов в остеклованном расплаве горных пород после взрыва составит 10⁷/(270*30*10⁶) Ки/г ≈ 10^-3 Ки/г, когда срабатывает один заряд и 5*10^-4 Ки/г, если сработают оба заряда, что приблизительно в тысячу раз меньше концентрации активности при промышленном остекловывании. Речь идет фактически не о захоронении, а о ликвидации высокоактивных отходов в предлагаемом способе.

Суммарная стоимость проходки транспортной штольни и подземной камеры, зарядов, обустройства забивочного комплекса транспортной штольни составит около 8 млн. долларов США. Стоимость "рукотворного" захоронения в глубинных геологических формациях такого же количества топлива составит в ценах мирового рынка около 60 млн. долларов (600 тыс. долларов/т*100 т). При этом радиоэкологическая безопасность данного захоронения, то есть его качество, окажется намного ниже, поскольку, во-первых, топливо будет храниться не в остеклованном состоянии, а просто в сборках, во-вторых, концентрация активности в нем будет в сотни раз выше, чем в остеклованном расплаве горных пород при использовании ядерно-взрывной технологии.

Таким образом, экономическая эффективность предлагаемого способа с дополнительным учетом затрат на транспортировку отходов, а также работы по их размещению в массиве пород и изоляции оказывается выше не менее, чем в 3-4 раза по сравнению со способами, предлагаемыми на сложившемся рынке услуг по обращению с ВАО. При этом одновременно достигается существенно более высокое качество работ. Сравнение экономической эффективности предлагаемого способа с прототипом не проводилось, так как способ по прототипу не входит в сложившуюся сферу услуг по обращению с ВАО.

Использование: изобретение относится к обращению с высокоактивными отходами (ВАО) ядерной энергетики и ядерного оружейного комплекса. Сущность изобретения: отходы размещают в подземной камере в породах с определенными характеристиками, в толще которых отсутствуют водные потоки. Подземную камеру выполняют в форме центрального объема с радиально расходящимися боксами с нишами, в которых располагают упаковки с объектами захоронения в пределах зоны ударно-волнового расплава от единичного заряда, свободное пространство боксов забивают сыпучими стеклообразующими добавками, каждый из боксов соединяют радиальным каналом с отсеком захоронения, отсеки располагают в зоне смятия пород за пределами столба обрушения. В центральном объеме камеры располагают группу термоядерных зарядов, причем положение их геометрического центра выбирают на безопасном удалении от ближайшей точки дневной поверхности массива и ближайшего крупного тектонического разлома, а величину мощности единичного заряда и суммарный пустотный объем подземной камеры устанавливают исходя из безопасной средней концентрации энергии взрыва. 8 ил.

Способ захоронения радиоактивных отходов, включающий создание подземной камеры с транспортной штольней, размещение в камере радиоактивных отходов и термоядерных зарядов, возведение забивочного комплекса штольни и подрыв зарядов, отличающийся тем, что подземную камеру размещают в массиве алюмосиликатных, вечномерзлых пород, а также других пород, не содержащих водных потоков, с общей газовостью пород в окрестности камеры, не превышающей 5% и общей пористостью в образцах лабораторного размера, не превосходящей 2% камеру выполняют в форме центрального объема с радиально расходящимися боксами, располагают упаковки с объектами захоронения в массиве пород в нишах, которые оборудуют в стенках и полу боксов, но не далее чем на расстоянии 2,9 g1/3o

(м) от центра единичного энерговыделения, q₀ в килотоннах тринитротолуола, ниши рассредоточивают на удалении друг от друга, превышающем минимальное безопасное расстояние, его определяют посредством комплексного учета норм ядерной и горно-технической безопасности для конкретного вида радиоактивных отходов, размещенные в нишах радиоактивные отходы изолируют материалами, поглощающими проникающую радиацию, а их количество оптимизируют, исходя из достижения субкларковых величин концентраций радионуклидов в расплаве пород и экономической эффективности, свободное пространство радиальных боксов забивают сыпучими добавками, стабилизирующими стеклообразование, величину единичного энерговыделения q₀ и суммарный пустотный объем V₀ подземной камеры устанавливают, исходя из средней начальной концентрации энергии взрыва q₀ N₀ более 60 т тринитротолуола на 1м³ пустотного объема, каждый из боксов соединяют радиальным каналом с отсеком захоронения, локализующим при взрыве перемешанные и пробрасываемые через канал расплавы горных пород и объектов захоронения, канал выполняют в виде конусообразной трубы с расширением в сторону отсека захоронения, входной диаметр определяют из соотношения d_вх= (0,5÷ 0,7) q1/3o (м), отсеки захоронения располагают в зоне смятия горных пород при взрыве за пределами столба обрушения на расстояниях от геометрического центра группы термоядерных зарядов R = (12÷ 14)q1/3Σ (м), где q_Σ суммарное энерговыделение в килотоннах тринитротолуола, группу термоядерных зарядов размещают в центральном объеме камеры в положениях, обеспечивающих в случае подрыва одного заряда попадание остальных зарядов в зону испарения, а объектов захоронения в зону ударно-волнового расплава от этого заряда, геометрический центр группы зарядов выбирают на удалении не менее 140q1/3Σ (м) от ближайшей точки дневной поверхности массива пород, не менее 30 q1/3Σ (м) от нижней подошвы толщи вечномерзлых пород и не менее 100 q1/3Σ (м) от ближайшего крупного тектонического нарушения массива пород.