ПОДЗЕМНОЕ СООРУЖЕНИЕ В ОДНОРОДНЫХ ПЛАСТАХ ГЛИНИСТЫХ ПОРОД ДЛЯ ДЛИТЕЛЬНОГО ХРАНЕНИЯ И/ИЛИ ЗАХОРОНЕНИЯ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ Российский патент 1999 года по МПК G21F9/24 

Изобретение относится к области обращения с радиоактивными отходами в ядерной энергетике и промышленности и других видах деятельности и может быть использовано при длительном хранении и/или захоронении умеренно и нетепловыделяющих радиоактивных отходов (РАО), проблема надежной изоляции которых стоит наиболее остро.

Известны разработанные в Швеции и Финляндии конструкции подземных сооружений, создаваемых на промежуточной глубине в скальной породе для захоронения отходов среднего и низкого уровней активности ("Атомная техника за рубежом N 8 1985, стр. 23 - 27; "Siting, Design and Conctruction of Underground Repositories for Radioaktive Wastes". Proc. Int. Simp., Hannover, 3 - 7 March, 1986, LAEA, p. 331-339).

Все они аналогичны и представляют собой цилиндрической формы камеры большого объема и ряд параллельных горизонтальных выработок большого поперечного сечения, предназначенных для размещения захораниваемых РАО, предварительно затаренных в различную упаковку: металлические и бетонные бочки и контейнеры. Камеры и выработки соединены друг с другом и дневной поверхностью транспортными горными выработками.

Недостатки рассмотренных конструкций сооружений, разработанных для твердой скальной породы, состоят в необходимости создания крупногабаритных камер-выработок, что требует применения дорогостоящих уникальных строительных решений, ручной проходки и, соответственно, приводит к длительным срокам и дороговизне строительства.

Известно подземное сооружение в виде полости, вокруг которой создают замкнутый концентрический контур в качестве гидролитического барьера (а.с. N 1782135 МКИ G 21 F 9/34).

Известен также патент Швеции (N 1371511 МКИ G 21 F 9/36), где этот концентрический контур выполняется в виде спирального туннеля, опоясывающего на разных уровнях полость по всему объему.

Спиральный туннель служит как для транспортировки обломков породы при строительстве сооружения, так и в качестве гидролитического барьера. От него отходят строительные галереи и туннели, направляемые к центру подземного сооружения. Между витками спирального туннеля располагаются скважины на расстоянии 1 - 2 м друг от друга. Скважины открываются во внешнюю стенку спирального туннеля и, соединяясь, образуют множество скважин от верхнего уровня сооружения до его нижнего уровня. Вместе со спиральным туннелем скважины образуют гидролитический барьер.

Недостатками этих типов конструкций является то, что используется спиральная выработка в качестве дополнительного элемента по обеспечению безопасности захоронения, поскольку полость создается в скальной породе, не обладающей способностью сорбционной задержки радионуклидов и склонной к трещинообразованию. Создание этого дополнительного элемента приводит к увеличению объема горных пород и стоимости строительства.

Известно подземное сооружение для размещения отходов (патент США N 5022788 МКИ G 21 F 9/34), представляющее собой проходной туннель, идущий вниз к противоположной тектонической плите, и хотя бы одну отводную штольню, служащую для захоронения отходов. Штольня отделена от проходного туннеля, являющегося транспортным.

Недостаток этого сооружения состоит в том, что его конструктивное решение не увязано с типом геологической формации и, соответственно, с технологией строительства. Кроме того, размещение различных видов РАО по крайней мере в одной штольне потребует ее обустройства, исходя из требований к захоронению наиболее опасной категории отходов, что приводит к удорожанию строительства.

Наиболее близким к заявляемому подземному сооружению является подземное сооружение (концептуальный проект Франции), создаваемое в граните или любой другой из исследуемых типов пород (гранит, каменная соль, глина) и предназначенное для длительного хранения и/или захоронения альфа-излучающих и других РАО с низким уровнем тепловыделения (Siting Design and Construction of Underground Repositories for Radioaktive Wastes. - Vienna: LAEA, 1986, p. 553 - 571). Подземная полость в нем представляет собой поле в горизонтальной плоскости, состоящее из сети параллельных туннелей небольшого поперечного сечения (15 - 40 м²) и небольшой протяженности (300 м). Эти туннели используются для размещения РАО. Транспортные выработки имеют в плане форму прямоугольника, который дополнительно разделен на 4 части перпендикулярно расположенными относительно друг друга центральными транспортными выработками. Туннели для размещения РАО расположены с 2-х сторон от одного из центральных транспортных туннелей и параллельной ему одной из боковых сторон прямоугольника, занимая всю площадь внутри прямоугольника. Туннели захоронения расположены параллельно друг другу, на равном расстоянии друг от друга, имеют равную протяженность от транспортных туннелей и являются тупиковыми. На других свободных боковых сторонах прямоугольника также расположены ряды параллельных туннелей небольшой протяженности, занимая площадь за пределами периметра прямоугольника. Туннели захоронения через транспортные выработки связаны с наземным комплексом площадки захоронения несколькими шахтными стволами, служащими для спуска отходов, вентиляции полости и удаления горной породы при строительстве.

Недостаток прототипа состоит в том, что:
однотипное конструктивное решение предложено для различных типов пород, различающихся по своим физико-механическим свойствам и другим параметрам, и не учитывает специфику этих свойств и специфику технологии строительства;
строительство отдельных тупиковых параллельных выработок небольшой протяженности нетехнологично из-за невозможности проведения скоростной механизированной проходки (щитом) и требует включения в технологию строительства элементов ручной проходки и затрат времени на перевод горно-проходческого оборудования из одного туннеля в другой, что увеличивает сроки строительства и его стоимость;
тупиковость выработок не позволяет при необходимости осуществить их загрузку с 2-х торцов и повысить производительность (пропускную способность) площадки захоронения. Тупиковость выработок не позволяет также делить их при необходимости герметичными перемычками на части и, соответственно, увеличивать число отдельных вместилищ отходов, что при большом разнообразии видов РАО может привести или к необходимости размещения нескольких видов отходов в одной выработке, или к необходимости строительства дополнительных выработок и, соответственно, к увеличению стоимости строительства;
расположение транспортных выработок по внешнему, а не по внутреннему контуру подземного сооружения приводит к увеличению их протяженности и, соответственно, увеличению объема горных работ и стоимости строительства;
ограничение внешнего контура шахтного поля транспортными выработками снижает перспективу увеличения объема горных работ для захоронения отходов за пределами этого контура.

Целью настоящего изобретения является сокращение срока и стоимости строительства при обеспечении требуемой технологии погрузочно-разгрузочных работ и безопасности изоляции РАО.

Поставленная цель достигается тем, что в подземном сооружении, включающем в себя полость для размещения герметичных упаковок с РАО, имеющую связь с наружной поверхностью, обеспечивающую доставку отходов, вентиляцию сооружения и его достройку, полость выполнена в виде непрерывной спиральной в горизонтальной плоскости выработки, разделенной на сегменты поперечно-радиальными распределительно-транспортными туннелями, а сегменты в свою очередь могут быть разделены на две части герметичными перемычками, причем количество витков спирали выбрано исходя из количества отходов, а количество поперечно-радиальных туннелей и герметичных перемычек - из количества видов отходов и производительности загрузочного оборудования, в том числе первый от центра виток спирали является транспортным, места пересечения его с поперечно-радиальными распределительно-транспортными туннелями, а также места пересечения последних с каждым заполняемым отходами витком спирали снабжены поворотными кругами.

Поставленная цель достигается за счет следующего:
1. Выполнение в однородных глинистых пластах подземной полости в виде непрерывной спиральной в горизонтальной плоскости выработки протяженностью, определяемой количеством отходов, позволяет вести строительство методом скоростной проходки с использованием одной единицы типового горно-проходческого оборудования - механизированного щита, что существенно сокращает сроки и стоимость строительства. Кроме того, данное решение позволяет осуществить строительство подземного сооружения пусковыми комплексами. Уже после проходки первых 2-х витков спирали подземное сооружение можно эксплуатировать, предварительно создав временные диафрагмы в поперечно-радиальных туннелях для отсечения построенных и строящихся его частей, т.е. пусковой комплекс можно свести к минимуму - к одному технологическому (загружаемому) витку. Это значительно сокращает объем горных работ на пусковой комплекс, время его строительства и, соответственно, приближает срок пуска в эксплуатацию, снижает стоимость строительства подземного сооружения в целом.

2. Деление спиральной выработки на части поперечно-радиальными туннелями, а частей сегментов (при необходимости) герметичными перемычками, позволяет получить несколько отдельных сегментов-выработок, предназначенных для захоронения РАО, и реализовать требуемый транспортно-технологический процесс хранения/захоронения, т.е. осуществлять доставку отходов по первому транспортному витку и поперечно-радиальным туннелям, используемых в качестве распределительно-транспортных, к сегментам-выработкам и осуществлять адресное складирование, выделив один или несколько сегментов под определенный вид отходов.

3. Решение по определению количества поперечно-радиальных туннелей и герметичных перемычек в зависимости от количества видов отходов позволяет предусмотреть столько отдельных сегментов-выработок, сколько потребуется для размещения в каждом только одного вида РАО. Это обеспечивает необходимую технологию хранения/захоронения и позволяет осуществить локальное обустройство каждого сегмента, исходя из конкретной характеристики размещаемых отходов, а не обустраивать их, исходя из требований для наиболее опасной категории отходов, что приводит к снижению стоимости строительства при обеспечении необходимого уровня безопасности.

4. Использование первого к центру витка спирали в качестве транспортного позволяет связать подземное сооружение с наземным комплексом (через шахтные стволы или горизонтальные туннели) и обеспечить требуемую технологию погрузочно-разгрузочных работ.

5. Использование первого к центру, а не любого другого последующего витка спирали в качестве транспортного сокращает протяженность транспортных коммуникаций и, соответственно, объем горных работ и стоимость строительства. Кроме того, это решение расширяет возможность практически без ограничений с точки зрения технологии строительства увеличивать вместимость подземного сооружения, ограничив ее только требованиями транспортной технологии и геолого-гидрогеологических условий.

6. Строительство поперечно-радиальных туннелей и (при необходимости) герметичных перемычек в количестве, определяемом наряду с количеством видов отходов производительностью загрузочного оборудования, позволяет организовать такое количество одновременно загружаемых различными видами отходов сегментов, которое определяется потребностью региона, для поставщиков отходов которого предназначено подземное сооружение, и осуществить (при необходимости) загрузку сегмента с 2-х торцов.

7. Обустройство мест пересечения первого транспортного витка спирали с поперечно-радиальными туннелями, а мест пересечения последних - с каждым заполняемым отходами витком спирали поворотными кругами позволяет организовать доставку отходов к месту их складирования и осуществлять разворот транспортных средств, не увеличивая протяженности транспортных коммуникаций.

Все отличительные признаки заявляемой конструкции подземного сооружения: выполнение полости в виде спиральной в горизонтальной плоскости выработки с количеством витков, определяемым количеством отходов; деление ее на сегменты поперечно-радиальными туннелями; деление сегментов (при необходимости) на части герметичными перемычками; определение количества поперечно-радиальных туннелей и герметичных перемычек, исходя из количества видов отходов и производительности загрузочного оборудования; использование первого от центра витка спирали в качестве транспортного, а поперечно-радиальных туннелей - в качестве распределительно-транспортных; обустройство мест пересечения первого витка спирали с поперечно-радиальными туннелями, а мест пересечения последних - с каждым заполняемом отходами витков спирали поворотными кругами, обеспечивает в совокупности достижение поставленной цели.

Предлагаемая конструкция подземного сооружения может быть использована для длительного хранения и/или захоронения короткоживущих и долгоживущих (в т.ч. α -излучающих) низкоактивных среднеактивных и, частично, высокоактивных отходов, если их удельное тепловыделение позволяет осуществить плотную расстановку.

На чертеже схематично показана в плане заявляемая конструкция подземного сооружения для варианта с вертикальной шахтной связью с наземным комплексом, где:
1 - спиральная выработка;
1a - первый виток спиральной выработки;
2 - поперечно-радиальный распределительно-транспортный туннель;
3 - герметичные перемычки;
4 - сегменты - выработки для захоронения РАО;
5 - перекресток.

Подземное сооружение эксплуатируется следующим образом.

Самоходная транспортная тележка с упаковкой РАО, доставленная из наземного комплекса в спиралевидную выработку (1) на первый виток спирали (1a), направляется по этому транспортному туннелю к одному из распределительно-транспортных туннелей (2) в соответствии с адресом места хранения/захоронения отходов. На перекрестке (5) первого витка спирали с требуемым распределительно-транспортным туннелем тележка устанавливается на поворотный круг, которой разворачивает ее на 90^o по направлению движения вдоль распределительно-транспортного туннеля (2). Затем тележка по распределительно-транспортному туннелю перемещается до места пересечения (перекрестка (5)) этого туннеля с той выработкой-сегментом (4), в которую будет осуществляться разгрузка отходов, где вновь устанавливается на поворотный круг и разворачивается им для транспортировки по загружаемой выработке-сегменту (4). Затем по сегментной выработке тележка перемещается до загрузочной машины, с помощью которой упаковка с РАО снимается с тележки и устанавливается в выработке, заполняя по возможности все ее сечение, вплотную к другим упаковкам. Порожняя тележка возвращается обратно тем же путем.

Таким образом, подземное сооружение для длительного хранения и/или захоронения РАО, создаваемое в однородных пластах глинистых пород, представляет собой полость размещения герметичных упаковок с РАО, имеющую связь с наружной поверхностью и выполняемую в виде непрерывной спирали в горизонтальной плоскости выработки, разделенной на сегменты поперечно-продольными распределительно-транспортными туннелями, а сегменты в свою очередь могут быть разделены на две части герметичными перемычками, причем количество витков спирали выбрано исходя из количества отходов, а количество поперечно-радиальных туннелей и герметичных перемычек - из количества видов отходов и производительности загрузочного оборудования, в том числе первый от центра виток спирали является транспортным, места пересечения его с поперечно-радиальными распределительно-транспортными туннелями, а также места пересечения последних с каждым заполняемым отходами витков спирали снабжены поворотными кругами.

При необходимости подземное сооружение может быть достроено путем увеличения количества витков спирали и удлинения поперечно-радиальных распределительно-транспортных туннелей при одновременной эксплуатации уже действующей части сооружения.

Изобретение относится к области обращения с радиоактивными отходами в ядерной энергетике и промышленности и других видах деятельности и может быть использовано при длительном хранении и/или захоронении умеренно и нетепловыделяющих радиоактивных отходов. Изобретение обеспечивает сокращение срока и стоимости строительства при обеспечении требуемой технологии погрузочно-разгрузочных работ и безопасности изоляции радиоактивных отходов. Полость подземного сооружения выполняется в виде непрерывной спиральной в горизонтальной плоскости выработки, разделенной на сегменты радиальными распределительно-транспортными туннелями, а сегменты в свою очередь разделены на две части негерметичными перемычками. Количество витков спирали выбирается исходя из количества отходов, а количество поперечно-радиальных туннелей и герметичных перемычек - из количества видов отходов и производительности загрузочного оборудования. Первый от центра виток спирали является транспортным, места пересечения его с поперечно-радиальными распределительно-транспортными туннелями, а также места пересечения последних с каждым заполняемым отходами витком спирали снабжены поворотными кругами. 1 ил.

Подземное сооружение в однородных пластах глинистых пород для длительного хранения и/или захоронения радиоактивных отходов, включающее в себя полость для размещения герметичных упаковок с радиоактивными отходами, имеющую связь с наружной поверхностью, обеспечивающую доставку отходов, вентиляцию сооружения и его достройку, отличающееся тем, что полость выполнена в виде непрерывной спиральной в горизонтальной плоскости выработки, разделенной на сегменты поперечно-радиальными распределительно-транспортными туннелями, а сегменты в свою очередь разделены на две части герметичными перемычками, причем количество витков спирали выбрано исходя из количества отходов, а количество поперечно-радиальных туннелей и герметичных перемычек - из количества видов отходов и производительности загрузочного оборудования, в том числе первый от центра виток спирали является транспортным, места пересечения его с поперечно-радиальными распределительно-транспортными туннелями, а также места пересечения последних с каждым заполняемым отходами витком спирали снабжены поворотными кругами.