СПОСОБ ЗАХОРОНЕНИЯ РАДИОАКТИВНЫХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 2000 года по МПК G21F9/24 

Изобретение относится к области обращения с радиоактивными отходами высокого и среднего уровня активности, в частности к методам захоронения и технике безопасного размещения и последующего самопогружения в глубинные слои литосферы значительных масс радиоактивных материалов, и может быть использовано для освобождения биосферы от излишков радиоактивных материалов, накопившихся в результате развития различных ядерных технологий и энергетики.

Известен способ захоронения радиоактивных отходов (РАО), основанный на самозахоронении тепловыделяющих отходов (РАО) путем проплавления ими горных пород и погружении в размягченную геологическую среду под действием силы тяжести контейнеров, содержащих РАО (Авторское свидетельство СССР N 826815 от 23.04.75).

Это предложение носит лишь концептуальный характер и обладает рядом принципиальных недостатков, связанных с технологическими трудностями создания контейнеров больших размеров и экологической опасностью самопогружения РАО при старте с дневной поверхности.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ захоронения радиоактивных материалов в глубинные слои литосферы, включающий бурение скважины, формирование искусственной полости-каверны, создание в ней вязкой среды, погружение РАО в вязкой среде под действием сил тяжести. Скважину и полость-каверну заполняют серой (Byalko A., Khavroshkin О. A method of disposal of high level nuclear waste by deep sinking, RECORD, 91-Proceedings. Sendfi. 1991, p. 486-490).

Недостатками этого способа являются следующие:
отсутствуют надежные способы заполнения глубоких скважин большим количеством серы, а разработка уникального оборудования для бурения скважин большого (500-800 мм) диаметра требует значительных расходов, так как является самостоятельной проблемой, механизм взаимодействия серы, особенно в жидком состоянии, с горными породами не изучен и не может надежно прогнозироваться с учетом всей гаммы долговременных последствий;
процесс перемещения большой группы контейнеров (десятки тысяч единиц) или остеклованных монолитов РАО в среде серы, а также накопление контейнеров в каверне протекает в течение десятков лет (30-50 лет), что повышает вероятность разрушения ствола скважины и каверны под влиянием горных ударов и других природных и техногенных механизмов;
слипание отдельных контейнеров в расплаве серы в конгломерат (ансамбль) маловероятно вследствие неизбежного образования легкоплавких сульфидов на поверхности стального контейнера, а использование керамических контейнеров слишком дорого и не может обеспечить надежную изоляцию РАО;
любые случайные отклонения теплового равновесия по трассе перемещения единичных контейнеров (локальный прорыв грунтовых вод) могут привести к закупорке ствола скважины, загрязнению стартовых горизонтов и другим аварийным ситуациям.

Цель изобретения - сокращение продолжительности операций самозахоронения РАО, уменьшение опасности радиоактивного заражения окружающей среды и повышение экономической эффективности всего комплекса операций очищения (санации) биосферы от радиоактивных отходов.

Поставленная цель достигается тем, что при захоронении радиоактивных материалов в глубинные слои литосферы, бурение скважины, формирование полости-каверны, создание в ней вязкой среды, размещение и порционное накопление радиоактивных материалов в капсулах с последующим их погружением в вязкой среде под действием сил тяжести, осуществляют в пластах и (или) куполах каменной соли с глубиной массива 1-10 км, а вязкую среду создают, закачивая в полость-каверну растворитель каменной соли, при этом задают активность единичной капсулы, обеспечивающую ее нагрев и достижение градиента температур между поверхностью капсулы и вязкой средой в 3-10^o. Растворитель соли может быть на водной основе. Растворитель соли может быть на неводной основе, например керосин или этиленгликоль. В растворитель могут быть введены поверхностно-активные вещества, уменьшающие поверхностное натяжение вязкой среды (раствора) на 10-30%.

Капсулы могут быть выполнены сферической формы. Капсулы могут быть выполнены несферической формы с многосвязной поверхностью. Капсулы могут быть выполнены с многослойной защитной оболочкой. Скорость загрузки капсул может составлять 500-700 ед/час.

Следствием радиоактивного распада нуклеидов является разогрев капсул и соответствующий разогрев окружающей среды. При высокой активности РАО и высокой стойкости капсул может произойти расплавление породы, причем, если плотность капсул выше плотности расплава породы, то капсулы начинают неизбежно погружаться. Проплавление пород тепловым источником является универсальным методом, пригодным для широкого класса горных пород, однако для каменной соли существует и другая возможность самопогружения. Именно если тепловой источник находится в растворе (рассоле) на дне полости, и эта полость заполнена жидкостью, в которой растворяется соль, то дно полости неизбежно размывается (вследствие более эффективного растворения при нагреве и в результате протекания конвекционных процессов), а избыток соли кристаллизуется на верхней поверхности полости, таким образом имеет место самозакупоривание каверны. Процесс растворения ускоряется при конвективном переносе раствора соли (рассола) от границы раздела с твердой солью. В результате происходит транспортирование соли со дна полости на ее потолок и боковые поверхности и, как следствие, перемещение полости с капсулами в глубь соляного массива.

Для обеспечения режима погружения необходимо, чтобы капсулы находились на дне или вблизи дна. Скорость погружения можно описать выражением:

где C_нас - концентрация раствора соли при средней температуре полости;
T - температура;
ΔT - градиент температур между поверхностью капсулы и раствором соли;
V₀ - кинетический коэффициент растворения;
K - коэффициент, учитывающий форму и размеры капсулы.

Градиент температур между поверхностью капсулы и раствором не должен быть меньше 3^oC, т.к. при этом процесс самопогружения сильно замедляется, при градиенте температур более 10^oC, процесс растворения соли сильно ускоряется, размеры каверны значительно увеличиваются, процесс растворения дна идет гораздо быстрее, чем кристаллизация излишков рассола у потолка каверны. Растворитель соли может быть на водной основе, содержание воды в растворе может достигать 30%. Можно использовать неводный растворитель соли, например керосин или этиленгликоль, в условиях ограниченной смачиваемости раствор не будет оттекать из полости по трещинам. При выборе растворителя необходимое требование - прямая температурная зависимость растворимости соли.

Для обеспечения более эффективной конвекции и стабильного процесса растворения соли в рассол можно ввести поверхностно-активные вещества, уменьшающие поверхностное натяжение раствора на 10-30%. Уменьшение поверхностного натяжения менее 10% не эффективно и раствор проникает в поры и трещины массива. При уменьшении более чем на 30% резко возрастают расходы на поверхностно-активные вещества.

Как правило, капсулы изготавливают сферической формы диаметром 200-300 мм, однако процесс конвективного переноса соли со дна увеличивается, если капсулы удлиненной формы и имеют каналы для перетока раствора, т.е. капсулы могут быть с многосвязной поверхностью. Так как соляной раствор - среда очень агрессивная, то защитная оболочка капсул выполняется многослойной и хотя бы один слой - коррозионно-стойкий.

Скорость загрузки капсул не должна быть менее 500 ед./час, так как при увеличении длительности завалки возрастают тепловые потоки и нарушается геометрия каверны. При скорости загрузки капсул более 700 ед./час возрастают расходы на создание специального высокопроизводительного оборудования.

Для захоронения радиоактивных материалов выбирают пласты или купола каменной соли (галита) с глубиной залегания массива 1-10 км. Использовать массивы соли глубиной менее 1 км - экологически не безопасно, а массивов более 10 км на территории нашей страны нет. При этом надежность захоронения радиоактивных отходов определяется:
- выбором геологической формации, исключающей водообмен;
- стабильностью матричного материала в условиях погружения капсул и их последующего хранения на подстилающей породе;
- стабильностью оболочек капсул на весь период залегания в пластах соли до момента распада нуклидов.

Пример реализации способа
Пример экспериментального захоронения РАО в каменную соль (галит) представлена на чертеже. В соляном куполе создается стартовая скважина глубиной 1-1,5 км со стандартной обсадной трубой, имеющей внутренний диаметр 220 мм (поз. 1). На конце скважины формируется сферическая полость диаметром 5-6 м путем размыва галита горячей водой. Полость остается заполоненной раствором с добавкой поверхностно-активных веществ (поз. 2).

На радиохимическом заводе функционируют линии по производству сферических капсул диаметром 200 мм, содержащих РАО с тепловыделением приблизительно 1 Вт на одну капсулу, что соответствует активности 150-200 кюри. Для экспериментального захоронения изготовили 5000 капсул, включающих суммарную активность порядка 10⁶ кюри.

Капсула транспортируется на стартовую позицию в специальных контейнерах, не требующих системы охлаждения. Капсулы свободно опускаются в стартовую полость через скважину, заполняют ее объем примерно на 50% (поз. 3). Заполнение полости проводят за время, меньше характерного времени отрыва полости. Время отрыва оценивают как время перемещения полости на свой диаметр (6-7 часов). Капсулы опускают в скважину через каждые 7 секунд, для этого используют специальное стартовое устройство, обеспечивающее разгрузку транспортных контейнеров и безопасный сброс капсул в ствол. После загрузки полости в течение нескольких часов происходит разогрев капсул и полость начинает погружаться, через 6-8 часов полость отрывается и реализуется процесс самозахоронения. Движение полости контролируется с помощью ультразвуковых и электромагнитных датчиков.

Преимущества способа заключаются в следующем:
1. Возможность использования типовых скважин минимального диаметра и глубиной 1-1,5 км и создания стартового горизонта с целью повышения безопасности и, как следствие, минимизация затрат.

2. Быстрый - в течение 6-10 часов вывод материала с высокой активностью из биосферы и их изоляция в течение года на глубину до 5 км.

3. Размещение массива РАО на глубине более 5 км исключает опасность выхода активности на поверхность при форсмажорных обстоятельствах.

4. Использование многослойных капсул, которые отличаются высокой стойкостью в рассолах, повышает безопасность захоронения.

Изобретение относится к методам самозахоронения радиоактивных материалов высокого и среднего уровня активности в глубинные слои литосферы. В пластах или куполах каменной соли (галита) с глубиной залегания 1-10 км разбуривают скважину и полость-каверну, закачивают в нее растворитель каменной соли и загружают капсулы с радиоактивными материалами, которые тонут в растворе. Под действием тепла, выделяемого капсулами с радиоактивными материалами, происходит растворение дна каверны. Технический результат заключается в том, что способ обеспечивает быстрый, в течение 6-10 ч, вывод материала с высокой активностью из биосферы и в течение года самозахоронение на глубину до 5 км, что исключает опасность выхода активности при форсмажорных обстоятельствах. 7 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Способ захоронения радиоактивных материалов в глубинные слои литосферы, включающий бурение скважины, формирование искусственной полости-каверны, создание в ней вязкой среды, размещение и порционное накопление радиоактивных материалов в капсулах в полости каверны и последующее погружение капсул под действием силы тяжести в вязкой среде, отличающийся тем, что бурение скважины и формирование полости каверны осуществляют в пластах или куполах каменной соли с глубиной массива 1-10 км, а вязкую среду создают, закачивая растворитель каменной соли, при этом задают активность единичной капсулы, обеспечивающую ее нагрев и достижение градиента температур между поверхностью капсулы и вязкой средой в 3-10°С. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в полость-каверну закачивают растворитель каменной соли на водной основе. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в полость каверны закачивают растворитель каменной соли на неводной основе, например, керосин или этиленгликоль. 4. Cпособ по п. 1, или 2, или 3, отличающийся тем, что в растворитель вводят поверхностно-активные вещества, уменьшающие поверхностное натяжение раствора соли на 10-30%. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что скорость загрузки капсул составляет 500-700 ед/ч. 6. Способ по п.1 или 5, отличающийся тем, что капсулы выполнены с многослойной защитной оболочкой. 7. Способ по п.1, или 5, или 6, отличающийся тем, что капсулы выполнены сферической формы. 8. Способ по п. 1, или 5, или 6, отличающийся тем, что капсулы выполнены несферической формы с многосвязной поверхностью.