СПОСОБ ЗАХОРОНЕНИЯ УСТРОЙСТВА С ДЕЛЯЩИМСЯ МАТЕРИАЛОМ Российский патент 1997 года по МПК G21F9/34 G21J3/00 

Изобретение относится преимущественно к атомной промышленности и касается проблем захоронения (ликвидации) ядерных реакторов и других устройств с делящимся материалом.

Известен способ захоронения радиоактивных отходов с использованием подземного взрыва ядерного заряда, предусматривающий перемешивание с породой и остекловывание до 750 м³ отходов с общей активностью более 10⁶ Кюри при единичном ядерном взрыве с эквивалентной мощностью 10⁵ т тринитротолула (Евтерев Л. С. Лоборев В.М. и Паншин А.А. Захоронение радиоактивных отходов на основе ядерной взрывной технологии. VI Российская научная конференция по защите от ионизирующих излучений ядерно-технических установок. Сборник тезисов. т. 2 Обнинск; Физико-энергетический институт, 1994, с. 196).

Известен способ захоронения высокоактивных отходов, включающий создание в соляном массиве полости (емкости) путем подземного взрыва ядерного заряда, размещение в соляной полости высокоактивных отходов, преимущественно устройств с делящимся материалом, их складирование, последующее погружение захораниваемых отходов в солевой расплав, образующийся за счет интенсивного неуправляемого тепловыделения при самопроизвольном протекании ядерных реакций в делящемся материале. (Адамский В. В. и др. Создание полостей посредством ядерных взрывов в соляных массивах и их использование для захоронения радиоактивных отходов и уничтожения токсичных веществ. Ядерная энергия и безопасность человека, 4-я научно-техническая конференция Ядерного общества (Москва), Сборник реферат, т. 2 Ядерное Общество, М, 1993, с. 1099).

Наиболее близким к предлагаемому является известный способ переработки реагентов, в том числе захоронения промышленных или радиоактивных отходов, устройств с делящимся материалом, в частности, включающий проходку штрека или бурение скважины в скальной породе, ввод на надлежащую глубину неядерного зарядного устройства, например, содержащего динамит, проведение взрыва зарядного устройства с образованием подземной емкости (полости), размещение в образовавшейся емкости реагентов, установку в емкости ядерного заряда, проведение взрыва ядерного заряда, приводящего к дроблению скальных пород с их одновременным нагревом, сопровождающимся увеличением размеров полости, с протеканием химических и/или ядерных реакций в захораниваемых в емкости реагентах, приводящих к дополнительному нагреву скальной породы до высокой температуры, с последующим использованием этого тепла при проведении термической обработки нерадиоактивных отходов и/или путем нагрева теплоносителя с получением на выходе электроэнергии (патент Великобритании N 2089558, кл. G 21 J 3/00, 1982).

Основной недостаток известных решений, проявляющийся при захоронении устройств с делящимся материалом, заключается в возрастании неблагоприятного воздействия на окружающую среду при ядерном взрыве захораниваемого устройства.

В задачу изобретения входит устранение возможности возрастания неблагоприятного воздействия на окружающую среду при захоронении устройства с делящимся материалом.

Указанная задача решается изобретением за счет достижения технического результата, заключающегося в предотвращении возможности возникновения самопроизвольной цепной ядерной реакции в захораниваемом устройстве с делящимся материалом при его захоронении с использованием подземного взрыва ядерного заряда.

Указанный технический результат достигается в предлагаемом способе захоронения устройства с делящимся материалом, включающем образование емкости в породе, размещение в емкости устройства с делящимся материалом, введение в емкость ядерного заряда, проведение взрыва ядерного заряда, при котором при взрыве ядерного заряда поддерживают в емкости интенсивность распада делящегося материала ниже уровня критичности; в частности, рекомендуется устройство с делящимся материалом либо подвергать в емкости дроблению, преимущественно взрывом неядерного заряда, либо между устройством с делящимся материалом и ядерным зарядом в емкости размещать поглотитель нейтронов, преимущественно после размещения в емкости с делящимся материалом, либо экранировать устройство с делящимся материалом в емкости от ударного воздействия во время ядерного взрыва, а устройство с делящимся материалом выбрать, в частности, из группы, содержащей ядерный реактор, активную зону ядерного реактора, аварийный ядерный реактор, аварийную активную зону ядерного реактора, критическую сборку, и размещать его в емкости до введения в нее ядерного заряда, емкость же выполнять в виде отдельных секций, по крайней мере двух, разделенных, по меньшей мере, одной перегородкой, причем по крайней мере в одной секции размещать ядерный заряд, а по меньшей мере в одной из остальных секций устройство с делящимся материалом, а затем проводить в емкости (секции емкости) взрыв ядерного заряда.

Предлагаемый способ, при котором поддерживают интенсивность распада делящегося материала во время взрыва ядерного заряда, инициированную воздействием ядерного взрыва, ниже уровня критичности, в частности, позволяет размещать в емкости (в секции емкости) устройство с делящимся материалом как до, так и после введения в нее ядерного заряда, но предпочтительно устройство с делящимся материалом разместить в емкости (секции емкости) до введения в емкость ядерного заряда, что позволяет не ограничивать срок между введением в емкость устройства с делящимся материалом и ядерного заряда, а соответствующая горная про- ходка может быть частично или полностью забита до введения ядерного заряда. Все это способствует повышению радиоэкологической безопасности населения и окружающей среды. В качестве неядерного заряда может использоваться как заряд взрывчатых веществ, так и пороховой заряд, при этом рекомендуется, в частности, использовать кумулятивные заряды, например, для разрушения негерметичного устройства с делящимся материалом и линейные кумулятивные заряды, например, когда нецелесообразно нарушать целостность устройства с делящимся материалом.

Выбранная последовательность действий, в частности, предусматривает, что устройство с делящимся материалом вначале подвергают в емкости разрушению, что позволяет поддерживать в емкости во время взрыва ядерного заряда интенсивность распада делящегося материала ниже уровня критичности, в дальнейшем продукты разрушения устройства (осколки, обломки, продукты испарения в условиях ядерного взрыва) частично трансмутируются, а остальные остекловываются при подземном взрыве ядерного заряда, что, в конечном счете, и исключает возможность возникновения условий для ядерного взрыва устройства с делящимся материалом.

По предложенному способу при захоронении устройства с делящимся материалом предусмотрено, в частности, что между устройством с делящимся материалом и ядерным зарядом в емкости размещают поглотитель нейтронов, который рекомендуется размещать в емкости после введения в нее устройства с делящимся материалом либо до, либо после введения в емкость (секцию емкости) ядерного заряда. В случае же захоронения, например, контейнеров, критических сборок, содержащих делящийся материал в количестве, достигающем критической массы, предлагается размещение поглотителя нейтронов в емкости (секции емкости) после размещения в ней указанных устройств с делящимся материалом. Это связано с тем, что размещенный в емкости между устройством с делящимся материалом и ядерным зарядом поглотитель нейтронов, в частности, в виде слоя борной кислоты, боросодержащего бетона, породного целика, на начальной стадии взрыва ядерного заряда защищает устройство с делящимся материалом от образующегося при взрыве ядерного заряда потока нейтронов, что позволяет поддерживать в емкости во время взрыва ядерного заряда интенсивность распада делящегося материала ниже уровня критичности и тем самым исключает ядерный взрыв устройства с делящимся материалом, а на следующих стадиях подземного взрыва ядерного заряда устройство с делящимся материалом диспергируется, делящийся материал частично трансмутируется, а остальная его масса перемешивается, в основном, с породой и остекловывается, что, в конечном счете, и исключает возможность возникновения условий для ядерного взрыва устройства с делящимся материалом. Поглотитель нейтронов, выполненный в виде перегородки между секциями емкости, в частности, в виде целика из горной породы, обладающей способностью поглощения нейтронов, также позволяет во время взрыва ядерного заряда в емкости поддерживать интенсивность распада делящегося материала в емкости ниже уровня критичности и тем самым исключить ядерный взрыв делящегося материала в процессе взрыва ядерного заряда, но наиболее эффективный результат достигается при сочетании перегородки из породного целика (или боросодержащего бетона) со слоем боросодержащих и/или гадолинийсодержащих материалов.

При захоронении вышеуказанных устройств с делящимся материалом по предлагаемому способу, в частности, предлагается экранировать устройство с делящимся материалом в емкости (секции емкости) от ударного воздействия во время ядерного взрыва. При экранировании в емкости (секции емкости) устройства с делящимся материалом на время взрыва ядерного заряда удается избежать обжатия захораниваемого делящегося материала и тем самым поддерживать в емкости во время взрыва ядерного заряда интенсивность распада делящегося материала ниже уровня критичности. Указанное экранирование устройства с делящимся материалом в емкости (секции емкости) достигается, в частности, за счет размещения в емкости (секции емкости) между устройством с делящимся материалом и ядерным зарядом перегородки (между секциями емкости, в частности), выполненной, например, из высокопрочного бетона, массивного породного целика, выполняющей роль противоударной стенки.

Предлагаемое изобретение характеризуется вполне определенной последовательностью выполнения действий и приемов, в частности, известных в науке и технике. Так, широко известны и находят практическое применение в промышленности и народном хозяйстве приемы и технические средства проходки штреков и бурения скважин, заканчивающихся емкостями, предназначенными для проведения подземных ядерных взрывов (см. например, Сводное Заключение экспертной Минэкологии РФ по материалам обследования архипелага Новая Земля и прилегающих к нему территорий, НИМБ, 1994, N 1, с. 24 и 28, а также Киреев В.В. Ершов Н.А. и Протопопов В.В. Промышленные ядерные взрывы. М: Атомиздат, 1971, с. 14), методы предотвращения выхода образующихся при ядерном взрыве газов на поверхность (см. например, Сводное заключение экспертной группы Государственной экологической экспертизы Минэкологии РФ по материалам обследования архипелага Новая Земля и прилегающих к нему территорий. НИМБ, 1994, N 1, с. 22, а также Бебенин Г.И. Иоилев А.Г. Мешков Е.Е. и др. Разработка средств локализации аварий на АЭС с использованием опыта проведения подземных ядерных взрывов. Ядерная энергия и безопасность человека, 4-я научно-техническая конференция Ядерного общества (Москва), Сборник рефератов, т. 2 М. Ядерное общество, М. 1993, с. 1045), создания "чистых" ядерных устройств, при взрыве которых образуется минимальное количество радиоактивных материалов (см. например, Губарев В.С. Челябинск-70. М. Издат, 1993, с. 91, и Киреев В.В. Ершов Н.А. Протопопов В.В. Промышленные ядерные взрывы. М. Атомиздат, 1971, с. 8), использования устройств с неядерными, в частности кумулятивными, зарядами со сферической и конической выемками, линейными кумулятивными зарядами с клинообразными выемками, для разрушения особопрочных конструкций (см. например, Лаврентьев М.А. Кумулятивный заряд и принципы его работы. Успехи математических наук, 1957, т. 12, в. 4, с. 13).

Известно также применение поглотителей нейтронов, выполненных из боросодержащих веществ, например борной кислоты, для предотвращения ядерных аварий, например, на АЭС (см. например, Справочник по ядерной энерготехнологии. М. Энергоатомиздат, 1989, с. 305). При этом при известности, в частности, самих приемов и действий изобретение позволяет достигнуть вполне определенного технического результата и решить поставленную задачу, удовлетворительное решение которой до настоящего времени отсутствовало. Так, в частности, при использовании изобретения для захоронения устройств с делящимся материалом, особенно в случае ликвидации аварийных ядерных реакторов, в том числе ядерных реакторов морских кораблей и судов, открывается возможность решения актуальнейшей задачи обеспечения радиоэкологической безопасности населения и окружающей среды.

Кроме того, предусмотренная, в частности, в предлагаемом способе возможность размещения захораниваемых устройств с делящимся материалом в многосекционных емкостях позволяет обеспечить одновременное захоронение (ликвидацию) нескольких устройств при взрыве единичного ядерного заряда, что способствует сокращению расходов на проведение захоронения устройств с делящимся материалом.

Захоронение устройств с делящимся материалом предлагается осуществлять следующим образом.

Пример 1. На первом этапе выполняют проходку горной выработки (штольни) на Новоземельском полигоне (где ранее уже проводились подземные ядерные взрывы), подготовку подземной емкости, затем устанавливают в емкости аварийный ядерный реактор, закрепляют на поверхности реактора неядерный заряд кумулятивного действия, проводят взрыв кумулятивного заряда, сопровождающийся разрушением реактора с образованием обломков с содержанием в каждом из них делящегося материала, меньшим критической массы, затем в эту же емкость вводят ядерный заряд, забивают горную выработку и проводят взрыв ядерного заряда, во время которого обеспечивается поддержание интенсивности распада делящегося материала ниже уровня критичности за счет его дробления в емкости до проведения ядерного взрыва, приводящий в результате к частичной ликвидации (трансмутации элементов) обломков реактора и перемешиванию с породой и остекловыванию остальных его обломков.

Пример 2. То же, что и в примере 1, но на захоронение направляют одновременно активную зону ядерного реактора и при этом используют отработавшую после проведения подземных ядерных испытаний штольню, при подготовке подземной емкости которой ее выполняют из трех отдельных секций, отделенных друг от друга бетонными перегородками, затем в каждой секции размещают одно из вышеперечисленных устройств с делящимся материалом, на каждом из устройств закрепляют неядерный линейный кумулятивный заряд, затем в секцию этой же емкости вводят ядерный заряд, проводят взрывы неядерных зарядов, забивают штольню и проводят взрыв ядерного заряда, приводящий, в конечном счете, к частичной ликвидации обломков захораниваемых устройств с делящимся материалом и перемешиванию с породой и остекловыванию остальных их обломков.

Пример 3. То же, что и в примере 2, но в качестве устройства с делящимся материалом берут ядерный реактор, емкость выполняют в виде двух секций, в одной из которых размещают ядерный реактор, на котором устанавливают кумулятивный неядерный заряд, а в другой ядерный заряд, забивают горную выработку, проводят взрыв кумулятивного заряда, сопровождающийся разрушением реактора с образованием обломков с содержанием в каждом из них делящегося материала, меньшим критической массы, затем проводят взрыв ядерного заряда, что приводит к частичной ликвидации обломков реактора и перемешиванию с породой и остекловыванию остальных его обломков.

Пример 4. Вначале выполняют проходку горной выработки (скважины), подготовку подземной емкости, затем устанавливают в емкости критическую сборку, засыпают ее в емкости слоем борной кислоты (поглотителя нейтронов), затем в эту же емкость вводят ядерный заряд, забивают скважину и проводят взрыв ядерного заряда, во время которого за счет наличия в емкости поглотителя нейтронов удается поддерживать интенсивность распада делящегося материала критической сборки ниже уровня критичности, приводящий, в конечном счете, к трансмутации части делящихся элементов и конденсации продуктов испарения контейнера, борной кислоты, перемешиванию с породой и остекловыванию остальных боросодержащих обломков.

Пример 5. То же, что и в примере 2, но вместо закрепления неядерных зарядов на установленных в секциях емкости устройствах с делящимся материалом, в каждой из этих секций размещают слой буры, забивают горную выработку, затем проводят взрыв ядерного заряда, что приводит к частичной ликвидации обломков реактора, перемешиванию остальных обломков с породой с последующим остекловыванием боросодержащих обломков.

Пример 6. То же, что и в примере 4, но захоронение ведут без использования борной кислоты, а в качестве устройства с делящимся материалом берут подкритическую сборку и размещают ее в отдельной секции емкости, а перегородку между секциями, разделяющую секцию с устройством с делящимся материалом и секцию с ядерным зарядом, выполняют из высокопрочного массивного бетона, затем проводят взрыв ядерного заряда, при котором перегородка принимает на себя ударную волну на начальной стадии ядерного взрыва и позволяет поддерживать интенсивность распада делящегося материала подкритической сборки на уровне ниже критичности, в дальнейшем происходит разрушение бетонной перегородки с последующим перемешиванием обломков перегородки с породой и обломками подкритической сборки и последующим их остекловыванием.

Изобретение применимо во всех отраслях промышленности, в атомной промышленности, атомной энергетике, в особенности, а также в других отраслях народного хозяйства, эксплуатирующих ядерные энергетические установки, ядерные источники, которые после обработки своего ресурса подлежат захоронению (ликвидации).

Использование: в промышленности, эксплуатирующей ядерные энергетические установки, с предотвращением неконтролируемого ядерного взрыва устройств с делящимся материалом, в особенности аварийных ядерных реакторов, во время транспортирования их через густонаселенные регионы и в процессе захоронения. Сущность изобретения: при захоронении устройства с делящимся материалом предусматривается проведение подземного взрыва ядерного заряда, образование емкости в породе, после размещения в емкости или в секции многосекционной емкости устройства с делящимся материалом поддерживают в емкости во время взрыва ядерного заряда интенсивность распада делящегося материала ниже уровня критичности, причем предлагается, в частности, устройство с делящимся материалом либо подвергать в емкости дроблению, либо между устройством с делящимся материалом и ядерным зарядом в емкости размещать поглотитель нейтронов, либо экранировать устройство от ударного воздействия при взрыве ядерного заряда в емкости. 8 з.п. ф-лы.

1. Способ захоронения устройства с делящимся материалом, включающий образование подземной емкости в породе, размещение в емкости устройства с делящимся материалом, введение в емкость ядерного заряда, проведение взрыва ядерного заряда в емкости, отличающийся тем, что при взрыве ядерного заряда поддерживают в емкости интенсивность распада делящегося материала ниже уровня критичности. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что после размещения устройства с делящимся материалом в емкости его подвергают дроблению, а затем в емкости проводят взрыв ядерного заряда. 3. Способ по п.2, отличающийся тем, что дробление устройства с делящимся материалом в емкости выполняют взрывом неядерного заряда. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что между устройством с делящимся материалом и ядерным зарядом в емкости размещают поглотитель нейтронов. 5. Способ по п.4, отличающийся тем, что поглотитель нейтронов размещают в емкости после введения в емкость устройства с делящимся материалом. 6. Способ по п.1, отличающийся тем, что устройство с делящимся материалом экранируют от ударного воздействия при взрыве ядерного заряда в емкости. 7. Способ по любому из пп.1 6, отличающийся тем, что устройство с делящимся материалом размещают в емкости до введения в емкость ядерного заряда. 8. Способ по любому из пп.1 7, отличающийся тем, что емкость выполняют в виде не менее двух секций, разделенных по меньшей мере одной перегородкой, причем в одной из секций размещают ядерный заряд и не менее чем в одной из остальных секций устройство с делящимся материалом. 9. Способ по любому из пп.1 8, отличающийся тем, что устройство с делящимся материалом выбирают из группы, содержащей ядерный реактор, активную зону ядерного реактора, аварийный ядерный реактор, аварийную активную зону ядерного реактора, критическую сборку, подкритическую сборку, капсулу, контейнер.