СПОСОБ СОЗДАНИЯ АТОМНЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ Российский патент 2001 года по МПК G21C9/16 G21F9/34 E04H5/02 

Способ относится к области создания атомных электростанций (АЭС). Обостряющийся дефицит сырьевых ресурсов для нужд топливной и химической отраслей народного хозяйства ускоряет развитие энергетического кризиса и требует расширения сети действующих АЭС. Вместе с тем, негативный опыт эксплуатации АЭС чернобыльского типа серьезнейшим образом ставит вопросы обеспечения гарантированной безопасности и экологичности эксплуатации, консервации и захоронения продуктов деятельности АЭС. Известные способы - аналоги [1,2], а также способ-прототип [3] не обеспечивают достаточной безопасности использования АЭС и захоронения ядерных отходов ее деятельности.

Так, например, в известном способе создания АЭС [3], выбранном в качестве прототипа, создают энергетическую ядерную установку с ядерным реактором 1, вертикальную шахту 2, сообщающуюся с расположенным в ее нижней части могильником 3, наклонный ствол 4, сопряженный с вертикальной шахтой 2 и соединяющий ее с энергетической ядерной установкой, закладочное хозяйство 5, сообщающееся наклонной скважиной 6 с вертикальной шахтой 2, производят отсоединение корпуса реактора 1 энергетической ядерной установки от прилегающих и связанных с ним конструкций с помощью взрывчатых веществ и его перемещение в могильник 3, а также засыпку вертикальной шахты 2 слоями пород и материалов, сорбирующих и задерживающих распространение радионуклидов, что совпадает с существенными признаками предлагаемого способа.

Рассмотрим работу способа - прототипа. Энергия в известном способе производится ядерным реактором 1 энергетической ядерной установки. При необходимости захоронения реактора 1, он отделяется от связанных с ним конструкций с помощью локальных взрывов и перемещается по наклонному стволу 4 в вертикальную шахту 2 и далее в могильник 3 на дне этой шахты 2. После чего с помощью закладочного хозяйства 5 по наклонной скважине 6 производят засыпку могильника 3 через шахту 2 слоями пород и материалов, сорбирующих и задерживающих распространение радионуклидов.

При этом регулируемое перемещение реактора диаметром 20 м и весом 5000 т на дно шахты глубиной порядка 1 км трудно реализовать технически с необходимой надежностью. Действительно, процесс перемещения реактора характеризуется перепадом энергии начального и конечного состояния системы 1,5 · 10¹⁰ кгм = 1,5 · 10¹¹ Дж. Рассеивание такого количества энергии без нарушения механической целостности перемещаемого реактора может создавать значительные технические трудности. А разрушение реактора при его погружении в шахту неприемлемо из-за соображений экологического характера.

Таким образом требуемый технический результат состоит в повышении надежности и экологической чистоты захоронения отходов и последствий деятельности АЭС.

Для устранения недостатков прототипа и обеспечения указанного технического результата предложен "Способ создания АЭС", при котором создают энергетическую ядерную установку с ядерным реактором 1, вертикальную шахту 2, сообщающуюся с расположенным в ее нижней части могильником 3, наклонный ствол 4, сопряженный с вертикальной шахтой 2 и соединяющий ее с энергетической ядерной установкой, закладочное хозяйство 5, сообщающееся наклонной скважиной 6 с вертикальной шахтой 2, производят отсоединение корпуса реактора 1 энергетической ядерной установки от прилегающих и связанных с ним конструкций с помощью взрывчатых веществ и его перемещение в могильник 3, а также засыпку вертикальной шахты 2 слоями пород и материалов, сорбирующих и задерживающих распространение радионуклидов, что совпадает с существенными признаками способа-прототипа.

При этом АЭС выполняют состоящей из n отдельных энергетических ядерных установок, которые размещают на самостоятельных стройплощадках, удаленных на безопасное расстояние друг от друга, наклонный ствол 4 от каждой энергетической установки сопряжен с общей для всех вертикальной шахтой 2, причем места сопряжения наклонных стволов и наклонной скважины с вертикальной шахтой располагают на разных глубинах.

Кроме того, могильник 3 размещают в стороне от оси вертикальной шахты 2, соединяют его с вертикальной шахтой 2 наклонным каналом 8, на продолжении оси вертикальной шахты 2 создают дополнительную камеру 9, в месте сопряжения наклонного канала 8 и вертикальной шахты 2 помещают заслонку 10, переключаемую из одного крайнего положения в другое крайнее положение так, чтобы опускаемый сверху груз при первом крайнем положении заслонки 10 перемещался в могильник 3, а при втором - в дополнительную камеру 9.

Кроме того, заслонку 10 переключают во второе крайнее положение, сверху опускают в дополнительную камеру 9 отработанные элементы ядерного топлива и размещают их там для временного хранения;
кроме того, дополнительную камеру 9 оснащают системой охлаждения 11 активного типа;
кроме того, систему охлаждения 11 дополнительной камеры 9 выполняют конвекционного типа, причем резервуар водяной рубашки 12 вокруг дополнительной камеры 9 делают сообщающимся с расположенным на поверхности водяным бассейном 13;
кроме того, могильник 3 через вертикальную шахту 2 засыпают породами и материалами, вступающими в реакции с поглощением энергии;
кроме того, в состав АЭС вводят общий для всех энергетических ядерных установок технологический комплекс кондиционирования радиоактивных отходов 7.

На чертеже представлена схема создания предлагаемой АЭС, где использованы следующие обозначения:
1 - ядерный реактор;
2 - вертикальная шахта;
3 - подземный могильник;
4 - наклонный ствол;
5 - закладочное хозяйство;
6 - наклонная скважина;
7 - технологический комплекс кондиционирования радиоактивных отходов;
8 - наклонный канал;
9 - дополнительная камера;
10 - переключаемая заслонка;
11 - система охлаждения;
12 - резервуар водяной рубашки;
13 - водяной бассейн.

Действие предлагаемого способа основано на том, что ядерный реактор требуемой мощности образуется набором n реакторов 1 уменьшенных мощностей и, соответственно, весогабаритных показателей. При этом могильник 3 размещают в стороне от оси вертикальной шахты 2, соединяют его с вертикальной шахтой 2 наклонным каналом 8, на продолжении оси вертикальной шахты 2 создают дополнительную камеру 9, в месте сопряжения наклонного канала 8 и вертикальной шахты 2 помещают заслонку 10, переключаемую из одного крайнего положения в другое крайнее положение так, чтобы опускаемый сверху груз при первом крайнем положении заслонки 10 перемещался в могильник 3, а при втором - в дополнительную камеру 9.

При возникновении необходимости захоронения каждый из реакторов 1, в свое время, перемещается по своему наклонному стволу 4 к соответствующему месту сопряжения с вертикальной шахтой 2, разнесенному по глубине относительно места сопряжения с вертикальной шахтой наклонной скважины 6, проложенной к закладочному хозяйству 5, и мест сопряжения других наклонных стволов 4. Далее реактор 1 через шахту 2 при первом крайнем положении заслонки 10, по наклонному каналу 8 перемещают в могильник 3. Дополнительная камера 9 имеет систему теплоотвода 11 активного - конвекционного типа, действие которой основано на явлении свободной конвекции в неравномерно нагретой жидкой среде. Для этого дополнительная камера 9 размещена внутри камеры, заполненной водой, в т.н. "водяной рубашке" 12, сообщающейся с расположенным на поверхности водяным бассейном 13.

При этом наряду с решением задачи захоронения ядерного реактора 1 обеспечивается возможность безопасного хранения отработанного ядерного топлива.

Вместе с тем, в состав АЭС вводят общий для всех энергетических ядерных установок технологический комплекс кондиционирования радиоактивных отходов, поскольку достаточно эффективные технологии предусматривают раздельную подготовку к захоронению твердых, жидких и газообразных радиоактивных отходов деятельности АЭС.

Покажем, что при осуществлении предлагаемого способа требуемый технический результат обеспечивается. Действительно, то что АЭС выполняют состоящей из n отдельных энергетических ядерных установок, которые размещают на самостоятельных стройплощадках, удаленных на безопасное расстояние друг от друга, повышает надежность работы АЭС, сообщает ей "непотопляемость". Территориальное разнесение реакторов исключает необходимость блокировки всего комплекса в случае аварии на каком-либо реакторе, возникшую, например, на чернобыльской АЭС. Кроме того, снижение мощности отдельного реактора уменьшает и его потенциальную опасность, способствует более уверенному выходу из аварийной ситуации. Кроме того, при этом открываются широкие возможности эксплуатации АЭС с применением методов "блочного резервирования", показавших свою эффективность для повышения надежности функционирования сложных систем, к числу которых, безусловно, относится и АЭС.

Кроме того, сооружение общей вертикальной шахты 2 и общего могильника 3 снижает затраты на создание АЭС.

Вместе с тем, n-кратное снижение массы отдельного реактора повышает и надежность процесса его захоронения. Действительно, перепад энергий механической системы, перемещаемой с уровня поверхности земли на дно шахты, W = mgh, пропорционален массе m опускаемого объекта, которую принято считать пропорциональной кубу линейного размера - условного радиуса (обобщенного линейного размера): m·R³. Силы торможения F_торм - трение о стенки шахты или аэродинамическое сопротивление, можно считать пропорциональными площади поверхности или площади поперечного сечения, т.е. квадрату линейного размера тела: F_торм · R² Таким образом, ускорение (в нашем случае - замедление) тела "а", определяемое вторым законом Ньютона как отношение а = F_торм, изменяется в зависимости от размера R по закону: a 1/R. Таким образом, n-кратное уменьшение величины реактора 1 по массе и, соответственно, по размеру приводит к обратно пропорциональному изменению ускорения, т.е. меньшие тела тормозятся быстрее. При этом необходимое замедление тела может быть обеспечено при меньшем значении сил торможения, т.е. при меньшей удельной рассеиваемой мощности. Это облегчает реализацию данного способа, делает его более надежным и экологичным, снижает затраты на его реализацию.

Разнесение мест сопряжения наклонных стволов 4 и наклонной скважины 6 по глубине вертикальной шахты 2 позволяет снизить затраты на сооружение предлагаемой АЭС за счет упрощения технологических задач при рытье системы наклонных стволов 4 и скважины 6, а также системы сообщения резервуара водяной рубашки 12 вокруг дополнительной камеры 9 с расположенным на поверхности водяным бассейном 13. При этом также повышается надежность совместного функционирования вышеперечисленных элементов АЭС. Это достигается, например, за счет снижения плотности их компоновки в объеме земных пород.

Вместе с тем, то, что могильник размещают в стороне от вертикальной шахты, соединяют его с вертикальной шахтой наклонным каналом, на продолжении оси вертикальной шахты создают дополнительную камеру, в месте сопряжения наклонного канала и вертикальной шахты помещают заслонку, переключаемую из одного крайнего положения в другое крайнее положение так, чтобы опускаемый сверху груз при первом крайнем положении заслонки перемещался в могильник, а при втором - в дополнительную камеру, позволяет расширить функциональные возможности АЭС, увеличить функциональную гибкость ее подземных элементов, снизить себестоимость производимой энергии, поскольку избавляет от дополнительных сопутствующих расходов на обеспечение экологических норм при эксплуатации АЭС. При этом следует учесть, что расположение дополнительной камеры на оси вертикальной шахты облегчает повторный доступ к хранящимся там элементам отработанного ядерного топлива, что повышает надежность системы хранения этих элементов, удешевляет стоимость сооружения и эксплуатации АЭС. Аналогичное повышение эффективности эксплуатации АЭС обеспечивается и с учетом введения в ее состав общего для всех энергетических ядерных установок технологического комплекса кондиционирования радиоактивных отходов 7, что позволяет локализовать полный цикл "жизнедеятельности" АЭС в месте ее расположения. Подобная безотходная технология, по мере повышения значимости экологических проблем, должна стать единственно приемлемой при дальнейшем развитии ядерного энергетического комплекса.

При этом удается обеспечить временное хранение в дополнительной камере 9 отработанных элементов ядерного топлива.

Размещение дополнительной камеры 9 внутри "водяной рубашки" позволяет повысить емкость и надежность системы временного хранения элементов отработанного ядерного топлива, т.к. обеспечивает увеличение оттока тепла из зоны размещения радиоактивных веществ с возможностью их саморазогрева, снижая таким образом скорость нежелательных процессов во временно законсервированных объектах.

Кроме того, то что система охлаждения дополнительной камеры 9 выполнена конвекционного типа, причем резервуар водяной рубашки 12 вокруг дополнительной камеры 9 сообщается с расположенным на поверхности водяным бассейном 13, повышает надежность работы АЭС, снижает себестоимость ее сооружения с учетом простоты указанной системы и высокой надежности ее работы в автономном режиме.

Вместе с тем, централизованное закладочное хозяйство, общее для обслуживания всех локальных энергетических установок, также снижает себестоимость обслуживания АЭС, повышает надежность указанного этапа захоронения отходов, повышает эффективность эксплуатации АЭС в целом. И, наконец, то что могильник 3 засыпают породами и материалами, вступающими в реакции с поглощением энергии, повышает надежность процесса консервации захороненных материалов, поскольку создает дополнительный механизм уменьшения концентрации тепловой энергии в могильнике, переводя ее в химическую, безопасную для элементов АЭС.

Таким образом показано, что при реализации существенных отличий предлагаемого способа обеспечивается требуемый технический результат.

Способ создания АЭС.

Список библиографии.

1. Патент ФРГ N DE 19078 A1. lnt.cl.4: G 21 F 9/00 от 15.12.88 г.

2. Патент ФРГ N DE 19078 A1. lnt.cl.4: G 21 F 9/00 от 22.09.88 г.

3. Патент ФРГ DE N 3704466 A1. lnt.cl.4: G 21 С 9/00 от 22.09.88 г. (прототип).

Предлагаемый способ относится к области создания атомных электростанций (АЭС). Технический результат - повышение надежности и экологической чистоты захоронения отходов и последствий деятельности АЭС. Сущность изобретения: создают энергетическую ядерную установку с ядерным реактором, вертикальную шахту, сообщающуюся с расположенным в ее нижней части могильником, наклонный ствол, сопряженный с вертикальной шахтой и соединяющий ее с энергетической ядерной установкой, закладочное хозяйство, сообщающееся наклонной скважиной с вертикальной шахтой, обеспечивают возможность отсоединения корпуса реактора энергетической ядерной установки от прилегающих и связанных с ним конструкций с помощью взрывчатых веществ и его перемещение в могильник, а также засыпку шахты слоями пород и материалов, сорбирующих и задерживающих распространение радионуклидов, при этом АЭС выполняют состоящей из n отдельных энергетических ядерных установок, которые размещают на самостоятельных стройплощадках, удаленных на безопасное расстояние друг от друга, наклонный ствол от каждой энергетической установки сопряжен с общей для всех вертикальной шахтой, причем места сопряжения наклонных стволов и наклонной скважины с вертикальной шахтой располагают на разных глубинах. 6 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Способ создания АЭС, при котором создают энергетическую ядерную установку с ядерным реактором, вертикальную шахту, сообщающуюся с расположенным в ее нижней части могильником, наклонный ствол, сопряженный с вертикальной шахтой и соединяющий ее с энергетической ядерной установкой, закладочное хозяйство, сообщающееся наклонной скважиной с вертикальной шахтой, производят отсоединение корпуса реактора энергетической ядерной установки от прилегающих и связанных с ним конструкций с помощью взрывчатых веществ и его перемещение в могильник, а также засыпку шахты слоями пород и материалов, сорбирующих и задерживающих распространение радионуклидов, отличающийся тем, что АЭС выполняют состоящей из n отдельных энергетических ядерных установок, которые размещают на самостоятельных стройплощадках, удаленных на безопасное расстояние друг от друга, наклонный ствол от каждой энергетической установки сопрягают с общей для всех вертикальной шахтой, причем места сопряжения наклонных стволов и наклонной скважины с вертикальной шахтой располагают на разных глубинах. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что могильник размещают в стороне от оси вертикальной шахты, соединяют его с вертикальной шахтой наклонным каналом, на продолжении оси вертикальной шахты создают дополнительную камеру, а в месте сопряжения наклонного канала и вертикальной шахты помещают заслонку, переключаемую из одного крайнего положения в другое крайнее положение так, чтобы опускаемый сверху груз при первом крайнем положении заслонки перемещался в могильник, а при втором - в дополнительную камеру. 3. Способ по п.2, отличающийся тем, что заслонку переключают во второе крайнее положение, сверху опускают в дополнительную камеру отработанные элементы ядерного топлива и размещают их там для временного хранения. 4. Способ по п.2, отличающийся тем, что дополнительную камеру оснащают системой охлаждения активного типа. 5. Способ по п.4, отличающийся тем, что система охлаждения дополнительной камеры выполнена конвекционного типа, причем резервуар водяной рубашки вокруг дополнительной камеры сообщается с расположенным на поверхности водяным бассейном. 6. Способ по п.1, отличающийся тем, что могильник засыпают породами и материалами, вступающими в реакции с поглощением энергии. 7. Способ по п.1, отличающийся тем, что в состав АЭС вводят общий для всех энергетических ядерных установок технологический комплекс кондиционирования радиоактивных отходов.