СПОСОБ ЗАХОРОНЕНИЯ ОТРАБОТАННОГО ЯДЕРНОГО ТОПЛИВА Российский патент 1999 года по МПК G21F9/24 

Изобретение относится к экологическим проблемам радиоактивного загрязнения окружающей среды, точнее к методам самозахоронения ядерных отходов и других радиоактивных материалов, и может быть использовано для ликвидации опасности от избыточного накопления отработанного ядерного топлива (ОЯТ).

Известен способ самозахоронения радиоактивных отходов (РАO) путем проплавления горных пород погружающимся под действием силы тяжести в горную среду разогретого до высоких температур тепловыделением РАО контейнера, содержащего свыше 50 - 70 тонн высокоактивных радионуклидов [1]. Предложение имеет ряд принципиальных недостатков, связанных с технологическими трудностями создания контейнера значительных размеров и опасностью загрязнений среды при самопогружении от дневной поверхности.

Известен также способ самозахоронения РАО, включающий создание подземной емкости - каверны, соединенной с поверхностью скважиной, последовательное накопление в каверне капсул с РАО, саморазогрев капсул до температуры свыше 1400^oC, вызывающий размягчение и расплавление горных пород и последующее опускание под действием силы тяжести ансамбля капсул в проплавляемых горных породах [2] . К недостаткам этого метода следует отнести технические сложности и значительные материальные затраты, связанные с созданием полости, и длительность технологического процесса от начала загрузки полости до момента самопогружения.

Наиболее близким к заявленному способу является способ захоронения отработанного ядерного топлива путем последовательной загрузки ансамбля капсул с температурой, превышающей температуру плавления вмещающих горных пород и самопогружающихся под действием силы тяжести в скважину с расплавленной серой [4].

Способ имеет некоторые недостатки: использование среды усложняет и удорожает оборудование, а общий цикл захоронения требует до 30 лет.

Изобретение направлено на радикальное сокращение стоимости и продолжительности процесса самозахоронения при одновременном повышении безопасности и возможности захоронения ОЯТ, поставляемого для захоронения в виде тепловыделяющихся сборок (ТВС с ОЯТ) и/или тепловыделяющих элементов твэлов.

Указанный результат достигается тем, что на площади с геологическим строением без мощных флюидосодержащих структур в скальных породах проходят магистральную скважину диаметром 80 - 120 мм, на глубине 1 - 3 км в сторону от магистральной скважины последовательно по глубине через каждые 50 - 100 м разбуривают несколько ярусов наклонных скважин длиной 40 - 80 м, гидроизолируют обсадкой от грунтовых и поверхностных вод первые сотни метров магистральной скважины, по оставшейся части измеряют расход поступающих из горных пород флюидов и наиболее проницаемые участки стенок скважины тампонируют, заполняют скважину суспензией из нетоксичных углеводородных отходов или легкоплавких шлаков с общей плотностью, превышающей 1,0 г/см³; повышают давление в скважине до момента начала заметной фильтрации суспензии в окружающие структуры и продолжают подачу суспензии до момента полного прекращения фильтрации, после этого откачивают суспензию, осушают скважину, оборудуют оголовок загрузочными приспособлениями и одновременно каждый из твэлов помещают в гибкий контейнер, внутренняя поверхность которого покрыта слоем термитной смеси на основе окислов железа, марганца, хрома и т.п. и алюминиевого порошка, донные части контейнеров с внешней стороны снабженных стыковочными замками, а с внутренней - дистанционно инициируемыми запальными устройствами, часть из контейнеров заполняют термитной смесью полностью, а часть - вместо твэлов легкоплавким веществом, образующим после взаимодействия с горными породами и затвердевания прочное соединение, после чего через загрузочное устройство начинают опускать колонну из состыкованных контейнеров с термитной смесью; к которым затем в процессе опускания последовательно пристыковывают все контейнеры с твэлами, после которых - снова контейнеры с термитной смесью, а затем с легкоплавким веществом, при этом после заполнения контейнерами с термитом одной или нескольких наклонных скважин, инициируют их поджиг, герметизируют скважину и образовавшимися высокотемпературными газами под избыточным давлением прокаливают и герметизируют закоксовыванием углеводородов каналы фильтрации в стенках скважин и окружающих структур, затем последовательно по мере заполнения наклонных скважин инициируют термитную смесь в контейнерах с твэлами и так заполняют весь нижний ярус, после этого аналогично последовательно снизу вверх заполняют остальные за исключением самого верхнего и ствол скважины магистральной скважины, соединяющий эти ярусы, затем заполняют верхний ярус наклонных скважин контейнерами с термитом и инициируют экзотермические реакции, тепло которых расплавляет перемычку из горных пород между ярусами, тяжелый металлический расплав сливается с расплавленным содержимым твэлов всего яруса. Образовавшийся конгломерат с повышенной за счет слияния температурой опять проплавляет нижнюю перемычку со следующим ярусом расплавленных твэлов и т.д. до нижнего яруса, после чего суммарный высокотемпературный компакт с плотностью ~ 7,0 г/см³ и температурой до 2000^oC, с вобравший все радионуклиды ОЯТ, проплавляя горные породы с максимальной температурой плавления, не превышающей 1500^oC, и плотностью не более 3,0 г/см³, погружается в мантийные структуры земли. В завершение операции заполняют оставшийся ствол магистральной скважины контейнерами с легкоплавким веществом, поджигают термит и расплавом заполняют всю скважину. При этом после поджига термита в контейнере его отстыковывают, а остальные приподнимают (удаляют) на 1 - 10 м; в средние ярусы предварительно вводят вещество - поглотитель нейтронов, а в нижний - вещество, повышающее температуру плавления расплавленного конгломерата до 2000^oC. Все контейнеры и вещества первоначально в соответствии с изложенной схемой располагают по всем скважинам ярусов и магистральной, а затем инициируют экзотермические реакции. В каждый ярус наклонных скважин вводят такое количество ОЯТ, суммарная активность которого обеспечивает тепловыделение, достаточное без учета тепловыделения алюмотермических реакций ОЯТ соседних ярусов для размягчения и частичного расплавления перемычки из горных пород, находящихся над нижним соседним ярусом за 3 - 5 лет. В качестве магистральной скважины берут существующую стандартную скважину глубиной 3 - 5 км, нижний участок которой расположен в гранитном массиве, в донной части взрывами дробят горные породы в окрестности 50 - 100 м, затем последовательно опускают в скважину колонну из состыкованных контейнеров, головная часть которых содержит термитную смесь с суммарным тепловым эффектом, обеспечивающим испарение и нагрев флюида разрыхленной части и нижнего участка скважины до 300 - 400^oC, по достижении нагретых до 300^oC паров самого нижнего из контейнеров с ОЯТ в последнем инициируют поджиг термита и т.д. с последующими контейнерами с ОЯТ по мере прохождения мимо их стенок паров флюида, одновременно колонну наращивают следующими контейнерами с ОЯТ и продолжают так опускать в скважину всю запланированную партию ОЯТ, после чего колонну наращивают таким количеством контейнеров со смесью термита и легкоплавкого вещества, образующих при одновременном поджиге смеси всех этих контейнеров быстротвердеющую пробку из материала термитной реакции, контейнеров и обсадной колонны труб по всей длине скважины до зоны формирования компакта ОЯТ. Предварительно в зону раздробления до начала самозахоронения вводят углеводородную суспензию, содержащую серу и другие легкоплавкие и жидкотекучие в расплавленном состоянии вещества, а стенки скважины покрывают теплоизолирующей обмазкой.

В основе предлагаемого метода самозахоронения лежит широкое применение алюмотермических реакций, термита и запальных смесей. При поджиге термитной смеси протекают экзотермические реакции, в том числе

В результате горения термитных смесей как в наклонных скважинах, так и в случае горения по всему стволу вертикальной скважины или в зоне раздробления на дне скважины на финишной стадии образуются два несмешивающихся расплава: металлический расплав системы уран-железо-хром-марганец с плотностью 10 - 12 т/м³ и оксидный расплав в виде продукта взаимодействия корунда с базальтом или гранитом, т. е. с силикатами системы, температура плавления которой не превышает 1580 - 1600^oC при плотности около 2,5 - 3,0 г/м³.

При использовании раздробленной зоны на дне скважины и одновременного протекания алюмотермической реакции по всему объему ствола скважины суммарное металлостатическое (расплав системы уран-железо-Me) и геостатическое (расплав оксидов в виде продукта взаимодействия с гранитом или базальтами, т. е. с силикатами) давление на горные породы вызовет рост напряжений, превышающий их прочность на глубине около 4,0 км для холодной среды и менее 2 - 3 км для прогретой за счет алюмотермических реакций даже до 400 - 500^oC [4]. Так как раздробленная зона подвергается максимальному прогреву и статическому избыточному давлению, то она послужит начальным элементом формирования полости, заполняемой металлическим расплавом U, Fe, Cr.

Предварительная опрессовка необсадных участков скважины суспензией на основе углеводородных нетоксичных отходов, порошков серы и композиций на основе фторидов, хлоридов обеспечит забивку каналов фильтрации и оттеснение глубинных флюидов из зоны ствола скважины. Прогрев горных пород в зоне скважины до 400 - 500^oC вызовет расплавление серы и неорганических композиций в каналах фильтрации, а частичный крекинг углеводородов коксование в капиллярной сети фильтрационного поля. Поэтому последующее снижение температуры горных пород обеспечит превращение участков фильтрации у зоны ствола скважины в непроницаемый для флюидов барьер.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 дана схема самозахоронения с ярусной системой наклонных скважин и схема с центральной скважиной и зоной раздробления; на фиг. 2 - конструктивная схема колонны из контейнеров с термитом, твэлами и флюсом. Основные элементы схемы самозахоронения (фиг. 1): вертикальный ствол основной скважины 1 с верхним участком, оборудованным обсадными трубами 2. От основного ствола 1 пробурены наклонные или горизонтальные скважины 3, образующие пространственную систему ярусов, расположенных вдоль одной вертикали; каждый ярус включает 3 - 10 скважин длиной 40 - 80 м и расстоянием между ними 5 - 10 м, расстояние между ярусами - 50 - 100 м. Над устьем скважины 2 сооружен павильон 4 с блоком 5 систем загрузки-выгрузки контейнеров с твэлами и термитом, герметичный затвор оголовка скважины, газоочистка, магистрали подачи суспензии и опрессовки. Локальная система трещиноватости вдоль необсадных участков скважин 1, 3 заполнена суспензией и образует экранирующие скважины 1, 3 от внешней геологической среды барьеры 6, которые могут захватывать и перемычки 7 между ярусами наклонных скважин 3.

Колонна из различного типа контейнеров (фиг. 2) в начальной части имеет один или несколько контейнеров 9 только с термитом 10. Затем через гибкий стыковочный узел 11 (например, сильфонного типа) присоединяются контейнеры 12 с твэлами 13, каждый из которых снабжен дистанционным запальным устройством 14 и датчиком температуры 15. Завершают колонну контейнеры 16 с термитно-шлаковой смесью.

Самозахоронение отработанного ядерного топлива в соответствии с предлагаемым способом осуществляется следующим образом. В предполагаемом регионе захоронения определяют площадку под бурение с наиболее благоприятным гидрологическим режимом и гранитными структурами с глубины 1 - 2 км. После этого проходят ствол основной скважины 1 (фиг. 1) диаметром 80 - 120 мм, а на глубине 1 - 3 км последовательно через каждые 50 - 100 м разбуривают кусты наклонных или горизонтальных скважин 3 длиной 40 - 80 м, гидроизолируют от грунтовых и поверхностных вод обсадными трубами первые сотни метров основного ствола скважины 1 (фиг. 1) и тампонируют наиболее проницаемые участки всей системы скважин 1, 3. Затем в павильоне 4 получают суспензию на основе нетоксичных углеводородных жидких отходов и порошков серы и/или легкоплавких шлаков (например, NaF-NaCl) с удельным весом более 1,0 г/см³ и постепенно, начиная с глубинных участков, заполняют всю систему скважин 1, 3, после этого герметизируют устье скважины 1 и повышают давление до момента начала заметной утечки суспензии через участки с заметной пористостью и трещиноватостью. Процесс ведут до тех пор, пока расход суспензии не упадет до уровня 10 л/сутки, после чего скважину разгерметизируют и остатки суспензии извлекают. В результате по всей периферии стенок скважин 1, 3 образуются зоны 6, проницаемых пород, поры и трещины которых забиты порошком серы, шлаков и вязкой компонентой углеводородов. Одновременно контейнеры с ОЯТ доставляют в павильон 4 (фиг. 1) производственной площадки региона захоронения; выгруженные сборки или твэлы загружают в контейнеры с термитной смесью 12 (фиг. 2) и подают их в блок системы загрузки 5 над устьем скважины 2. После этого на самый глубокий горизонт наклонных скважин 3 опускают контейнеры с термитной смесью 9 (фиг. 2), герметизируют устье скважины 1 и поджигают смесь. Из-за высокой температуры остатки суспензии испаряются и заполняют весь объем скважин 1, 3 высокотемпературными газами под избыточным давлением. Пористые участки стенок скважин дополнительно закрываются и заплавляются спекшейся смесью углеводородов, серы и шлаков, и проницаемость зон 6 дополнительно снижается. После этого все наклонные скважины 3 последовательно снизу вверх заполняют контейнерами 12 с ОЯТ и термитной смесью и в заключение основной ствол 1, и поджигают контейнеры самого нижнего горизонта 3. В верхнюю часть скважины 1 и обсадного участка 2 помещают и поджигают контейнеры 16 со смесью термита. За счет тепла экзотермических реакций и радиоактивного распада последовательно во времени сначала образуются два несмешивающихся расплава из уран-железо-хром системы и оксидного расплава из корунда, провзаимодействовавшего с гранитом перемычек между наклонными скважинами одного яруса, затем тяжелый металлический расплав верхнего яруса, проплавляя перемычку, сливается с расплавом нижнего соседнего яруса и т.д. вплоть до самого нижнего. В результате интеграции расплавов всех ярусов и основной скважины в самом нижнем ярусе образуeтся компактный металлический объем с плотностью 7,0 т/м³, температурой ~ 2000^oC и массой более 500 - 1000 тонн. Так как в средние ярусы предварительно были заложены вещества-поглотители нейтронов, а в нижний - вещества, повышающие температуру плавления металлического расплава свыше 2000^oC, то сформировавшийся компакт в конечном счете образует твердую сферообразную форму, и учитывая, что температура плавления окружающей среды не превышает 800 - 1500^oC, а плотность 2,0 - 3,0 т/м³, компакт из U, Fe, Ct начинает погружаться в глубинные структуры земной коры и верхней мантии со скоростью 1 - 3 км/год. Все процессы формирования компакт происходят в отсутствие естественной фильтрации или ее полного подавления в зонах 6. Дополнительный прогрев зон 6 сопровождается образованием в порах и трещинах нерастворимых сернистых соединений с горными породами, шлаком и углеводородами, что исключает загрязнение даже глубинных флюидов. Указанное обстоятельство и закупорка всего ствола верхней части скважины 1 и обсадного участка 2 затвердевшими шлаками исключает нежелательные экологические последствия предлагаемого метода захоронения.

Экономические оценки эффективности предлагаемого способа показывают на возможность использования различных средств при полной экологической безопасности.

Список литературы
1. Авторское свидетельство СССР, N 826875, кл., G 21, 9124, 21.04.80.

2. Бялко А. В. , Хаврошкин О.Б., Халатников Л.М. Патент SU, N 1725667 22.01.990.

3. Бялко А.В., Хаврошкин О.Б., Патент SU, N 178727, G 01, V, 1/40.

4. Журнал "Наука и жизнь", N 2, 1993 г., стр. 60.

Изобретение решает проблему захоронения отработанного ядерного топлива более безопасным и дешевым способом. Отработанное ядерное топливо в виде неразмонтированных сборок помещается в отдельные контейнеры с термитом, контейнерами заполняют скважины со специальными зонами или с элементами наклонных или горизонтальных участков. Поджиг контейнеров в определенной пространственно-временной последовательности обеспечивает безопасное формирование в глубинных геологических структурах металлического компакта из Сr, U , Fе с плотностью 7,0 г/см³ и температурой ~ 2000^oС, погружающегося в менее плотных и легкоплавких вмещающих породах, причем температура компакта постоянно поддерживается выше температуры плавления последних за счет энергии радиоактивных распадов компонентов ОЯТ. Технический результат изобретения выражается в сокращении стоимости и продолжительности процесса захоронения при одновременном повышении безопасности и возможностей захоронения ОЯТ. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ захоронения отработанного ядерного топлива (ОЯТ) путем последовательной загрузки ансамбля капсул с температурой, превышающей температуру плавления вмещающих горных пород, и самопогружающихся под действием силы тяжести в скважину с расплавленной серой, отличающийся тем, что на площадке с геологическим строением без мощных флюидосодержащих структур в скальных породах проходят магистральную скважину диаметром 80 - 120 мм, на глубине 1 - 3 км в сторону от магистральной скважины последовательно по глубине через каждые 50 - 100 м разбуривают несколько ярусов наклонных скважин длиной 40 - 80 м, гидроизолируют обсадкой от грунтовых и поверхностных вод первые сотни метров магистральной скважины, по оставшейся части измеряют расход поступающих из горных пород флюидов и наиболее проницаемые участки стенок скважины тампонируют, заполняют скважину суспензией из нетоксичных углеводородных отходов и легкоплавких шлаков с общей плотностью, превышающей 1,0 г/см³, повышают давление в скважине до момента начала фильтрации суспензии в окружающие структуры и продолжают подачу суспензии до момента полного прекращения фильтрации, после этого откачивают суспензию, осушают скважину, оборудуют оголовок загрузочными приспособлениями и одновременно каждый из твэлов помещают в жесткий контейнер, внутренняя поверхность которого покрыта слоем термитной смеси на основе окислов железа, хрома и т.п. и алюминиевого порошка, донные части с внешней стороны снабжены стыковочными замками, а с внутренней - дистанционно инициируемыми запальными устройствами, часть контейнеров заполняют термитной смесью полностью, а часть - вместо ОЯТ - легкоплавким веществом, образующим после затвердевания с горными породами прочное соединение, после чего через загрузочное устройство начинают опускать один или несколько состыкованных контейнеров с термитной смесью, к которым затем в процессе опускания последовательно пристыковывают все контейнеры с ОЯТ, после которых - снова контейнеры с термитной смесью, а затем с легкоплавким веществом, при этом после заполнения контейнерами с термитом одной или нескольких наклонных скважин инициируют их поджиг, герметизируют скважину и образовавшимися высокотемпературными газами под избыточным давлением прокаливают и герметизируют закоксовыванием углеводородов каналы фильтрации в стенках скважин и окружающих структур, затем последовательно по мере заполнения наклонных скважин инициируют термитную смесь в контейнерах с ОЯТ и так заполняют весь нижний ярус, после этого аналогично последовательно снизу вверх заполняют остальные, за исключением самого верхнего, и ствол магистральной скважины, соединяющий эти ярусы, затем заполняют верхний ярус наклонных скважин контейнерами с термитом и инициируют экзотермические реакции, затем в завершение операции заполняют оставшийся ствол магистральной скважины контейнерами с легкоплавким веществом, поджигают термит и расплавом заполняют всю скважину. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что после поджига термита в контейнере его отстыковывают, а остальные приподнимают на 1 - 10 м. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в средние ярусы предварительно вводят вещество - поглотитель нейтронов, а в нижний - вещество, повышающее температуру плавления расплавленного конгломерата до 2000^oС. 4. Способ по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что все контейнеры и вещества первоначально в соответствии с изложенной схемой располагают по всем скважинам ярусов и магистральной, а затем инициируют экзотермические реакции. 5. Способ по любому из пп.1 - 4, отличающийся тем, что в каждый ярус наклонных скважин вводят такое количество ОЯТ, суммарная активность которого обеспечивает тепловыделение, достаточное без учета тепловыделения алюмотермических реакций ОЯТ соседних ярусов для размягчения и частичного расплавления перемычки из горных пород, находящихся над нижним соседним ярусом за 3 - 5 лет.