СПОСОБ ЗАХОРОНЕНИЯ ЖИДКИХ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ Российский патент 2001 года по МПК G21F9/24 F24D15/00 

Изобретение относится к технологии захоронения радиоактивных отходов.

Известен способ захоронения отходов, находящихся в водных растворах, с разбавлением этих растворов водой из пористой и находящейся под морским дном геологической формации и введением разбавленного раствора в ту же самую геологическую формацию (FR, заявка N 254638, МПК G 21 F 9/24).

Недостатком способа является то, что в случае физического или химического разрушения оболочки консервантов радиоактивные отходы и химически вредные вещества сохраняют способность к миграции и рассеиванию в окружающей среде.

Известен способ захоронения жидких радиоактивных отходов в нагнетательной скважине в геологических формациях высокотемпературных геотермальных системах, путем закачки радиоактивных отходов в дренажную систему сложенную ультраосновными, основными и кислыми алюмосиликатными магматическими породами, содержащими магний, и контроля за захоронением посредством наблюдательных скважин (Патент Российской Федерации N 2001454, МПК G 21 F 9/24, 1993, прототип).

Однако это изобретение имеет ряд недостатков: использование гидротермальных систем только в структуре андезитового стратовулкана островной вулканической дуги силикатного состава. Это очень сужает область применения, т. к. толщи силикатного состава встречаются в природе так же редко, как и золотоносные жилы; технология захоронения усложнена, т.к. требует смешивания отходов в процессе закачки с кислыми водными растворами на глубине до 500 м.

Данное изобретение устраняет указанные недостатки.

Техническим результатом изобретения является упрощение технологии захоронения радиоактивных отходов, увеличение коэффициента использования геотермальных вод, улучшение экологии и одновременная возможность использования гидротерм в бытовых нуждах.

Технический результат достигается тем, что в способе захоронения жидких радиоактивных отходов в нагнетательной скважине в геологических формациях высокотемпературных гидротермальных системах путем закачки радиоактивных отходов в дренажную систему, сложенную ультраосновными, основными и кислыми алюмосиликатными магматическими породами, содержащими магний, и контроля за захоронением посредством наблюдательных скважин, закачку радиоактивных отходов производят совместно с отработанным теплоносителем и конденсатом пара из пароводяной смеси, полученной из эксплуатационной геотермальной скважины, дозированное количество отработанного теплоносителя, конденсата пара и жидких радиоактивных отходов, а также температуру теплоносителя определяют и изменяют по данным наблюдательной скважины, при этом отработанный теплоноситель и конденсат пара получают из эксплуатационной скважины путем разделения пароводяной смеси на турбосепараторе, в результате которого геотермальную воду направляют в теплообменник, заполняемый водой, а затем через дозировочный насос в нагнетательную скважину, пар с турбосепаратора направляют на турбогенератор, а затем в конденсатор пара, из которого через дозировочный насос конденсат направляют в нагнетательную скважину.

При захоронении радиоактивных отходов нагрев воды происходит в скважине и за счет остаточной радиации.

Привнос катионов и анионов природными растворами в высокотемпературные воды, фильтрующиеся в породах алюмосиликатного состава, сопровождается одновременным сорбированием их гелиями коллоидных растворов, глинистыми минералами, с последующей нейтрализацией заряда коагуляцией и желатированием. На конечной стадии этого процесса происходит осаждение гидролей с сорбированием катионами и анионами на геохимических и биохимических барьерах.

Геохимические и биохимические барьеры распределены, в основном, по периферии потока в зоне резких перепадов температур, при смешивании потока с холодными окружающими водами или в результате подземного кипения.

Наиболее эффективным барьером, на котором происходит массированное выпадение из коллоидного гидротермального раствора с сорбированными катионами и анионами, является зона смешивания вод гидротермального потока с водой, в составе которой есть магний. Эта часть высокотемпературной гидротермальной системы может быть эффективной геологической структурой для захоронения на многие тысячелетия радиоактивных отходов, так как здесь происходит образование из силикагеля коллоидного раствора нерастворимого колломорфного кварца (халцедона).

Гель кремнекислоты при конденсации на нем катионов мгновенно не коагулирует, а продолжает миграцию и осаждается только при снижении температуры или в случае смешения с растворами, содержащими магний, поэтому первоначальные концентрации радиоактивных элементов в отходах уменьшаются в процессе миграции гидротермального потока. В связи с этим, а также и смешением с гидротермальными растворами, происходит дезактивация радиоактивных и других видов отходов.

Удержание радиоизотопов и химических веществ, обладающих незаполненными внешними электронными оболочками, при конденсации на кремнекислородные цепочки геля кремнекислоты, осуществляется путем образования ковалентной связи, которая создает надежное соединение сорбируемых ионов со структурой халцедона (колломорфного кварца). Такой же процесс происходит на урановых месторождениях гидротермального происхождения. Халцедоновые жилы почти не разбрасываются из-за трудоемкости извлечения руды из колломорфного кварца (халцедона). Это подтверждается и исследованиями структурного положения халцедоновых жил с урановыми минералами в областях активного сейсмотектонического и вулканического режимов в палеогеосинклинальных областях от архея до кайнозоя (миллиарды лет). Халцедоновые жилы с настураном многократно подвергались воздействию сейсмотектоническим нарушениям и прорывам магматических расплавов, тем не менее растворения и переноса урана за пределы рудообразующих систем не происходило.

Описанные выше процессы реализовываются и в геологических формациях алюмосиликатного состава, и в присутствии водного раствора магния, насыщенных горячей водой.

Сущность изобретения поясняется на чертеже, где 1 - эксплуатационная скважина, 2 - нагнетательная скважина, 3 - наблюдательная скважина, 4 - турбосепаратор, 5 - генератор турбосепаратора, 6 - сетчатый сепаратор, 7 - турбогенератор, 8 - генератор, 9 - конденсатор пара, 10 - первый дозирующий насос (для подачи теплоносителя), 11 - вторичный теплоноситель (вода для отопления), 12 - теплообменник, 13 - потребитель (например, система центрального отопления), 14 - контейнер с жидкими радиоактивными отходами, 15 - второй дозирующий насос.

Устройство работает следующим образом.

Эксплуатационная геотермальная скважина 1 расположена в геологических формациях высокотемпературных гидротермальных системах с диапазоном температур от 100^oC и выше. Гидротермальные системы сложены ультраосновными, основными и кислыми алюмосиликатными магматическими породами, содержащими магний. Из эксплуатационной скважины 1 пар и пароводяная смесь поступают на турбосепаратор 4, в котором происходит разделение смеси на воду и пар, при этом генератор 5 уже начинает вырабатывать электроэнергию. Сепарированный пар поступает на сетчатый сепаратор 6, из которого полностью осушенный подается на турбину 7 (турбогенератор), с генератора 8 которой электроэнергия поступает потребителю, отработанный пар поступает в конденсатор пара 9, откуда жидкость поступает с помощью первого дозирующего насоса 10 в нагнетательную скважину 2, т.е. происходит обратная закачка.

В это же время отсепарированная жидкость с турбогенератора 4 направляется в теплообменник 12, через который пропускают вторичный теплоноситель 11, в нашем случае вода для системы центрального отопления, которая, нагреваясь, поступает к потребителю 13. Наличие геотермальной воды и дренажная структура в геологических формациях высокотемпературных системах позволяет использовать нагнетательную скважину 2 как для реинжекции (обратная закачка термальных вод), так и для захоронения жидких радиоактивных отходов. Из контейнера 14 через второй дозирующий насос 15 жидкие радиоактивные отходы подаются в нагнетательную скважину 2. Управление как первым дозирующим насосом 10, так и вторым насосом 15 идет по команде контролирующих и управляющих приборов, расположенных в наблюдательной скважине 3. При совместном нагнетании в недра гидротермальных систем жидких радиоактивных отходов и отработанного теплоносителя происходит еще большее разбавление радиоактивных отходов, а главное - их подкисление конденсатом пара из сбрасываемых вод, что уменьшает вероятность преждевременного осаждения радиоактивных элементов в прискважинной зоне.

Радиоактивные сточные воды закачиваются в нагнетательную скважину 2, где на первой стадии образуются гели кремнекислоты и частичное осаждение сульфидов тяжелых металлов. Эти процессы характерны для участка гидротермальных систем с формированием кислых и слабокислых SO₄ - Cl - Na и затем нейтральных Cl - Na - K гидротерм, содержащих растворимые соли тяжелых металлов типа MeCl, MeSO₄, а также Me+SiO₂.

На второй стадии наблюдается осаждение тяжелых металлов из водных окисей в коллоидном состоянии при коагуляции в форме аморфного кремнезема (Me+SiO₂). Количество и состояние радиоактивных отходов контролируется приборами наблюдательной скважины 3. При необходимости включаются первый дозирующий насос 10 или второй дозирующий насос 15, или оба работают одновременно.

На третьей стадии образуются и осаждаются окислы и карбонаты тяжелых металлов (MeCO₃, MeO₂, Me+SiO₂, CaCO₃). Высокая концентрация магния в подземных водах морского генезиса способствует образованию нерастворимого кремнезема.

Проведенные эксперименты показали, что кремнезем и алюмосиликаты сорбируют 100% уранила, 50-70% цезия и стронция.

Закачиваемый в пласт раствор, представляющий смесь сбрасываемой после сепарации воды, конденсата пара и жидких радиоактивных отходов при взаимодействии с минеральной нагрузкой термальных вод, заключенных в пласте, и минералами породы, образуют нерастворимые соединения. Это обстоятельство делает безопасным извлечение пластовой воды даже вблизи участка нагнетательной скважины 2. Тем не менее для полной гарантии безопасного извлечения пароводяной смеси из эксплуатационной скважины 1 эксплуатационную скважину 1 и нагнетательную скважину 2 располагают согласно условию
R_эн/R_вл≥2,
где R_эн - расстояние между нагнетательной и эксплуатационной скважинами;
R_вл - радиус зоны влияния эксплуатационной скважины,
а наблюдательная скважина расположена в зоне влияния нагнетательной скважины.

Наблюдательную скважину 3 располагают в зоне влияния нагнетательной скважины 2. Существующая практика показывает, что радиус влияния скважины составляет 0,3 - 1,0 км в зависимости от фильтрационных свойств водовмещающих пород месторождения.

Управляя дозирующими насосами, можно изменять в широких пределах температуру закачиваемой смеси отработанной воды, сконденсированного пара и радиоактивных отходов, а также концентрацию последних, что позволяет гарантировать радиационную безопасность.

При необходимости в нагнетательную скважину 2 для резкого изменения температуры и концентрации закачиваемой смеси направляют пароводяную смесь из эксплуатационной скважины 1.

Изобретение относится к технологии захоронения радиоактивных отходов и химически вредных активных веществ. Захоронение радиоактивных отходов производят в нагнетательной скважине, в которую накачивают геотермальную пароводяную смесь из эксплуатационной геотермальной скважины, предварительно отсепарированную и использованную для теплоэлектроснабжения. Подачу пароводяной смеси и радиоактивных отходов регулируют дозировочными насосами по сигналам, получаемым из наблюдательной скважины. Техническим результатом изобретения является упрощение технологии захоронения радиоактивных отходов, увеличение коэффициента использования геотермальных вод, улучшение экологии и одновременная возможность использования гидротерм в бытовых нуждах. 1 ил.

Способ захоронения жидких радиоактивных отходов в нагнетательной скважине в геологических формациях высокотемпературных гидротермальных системах путем закачки радиоактивных отходов в дренажную систему, сложенную ультраосновными, основными и кислыми алюмосиликатными магматическими породами, содержащими магний, и контроля за захоронением посредством наблюдательных скважин, отличающийся тем, что закачку радиоактивных отходов производят совместно с отработанным теплоносителем и конденсатом пара из пароводяной смеси, полученной из эксплуатационной геотермальной скважины, дозированное количество отработанного теплоносителя, конденсата и жидких радиоактивных отходов, а также температуру теплоносителя определяют и изменяют по данным наблюдательной скважины, при этом отработанный теплоноситель и конденсат пара получают из геотермальной эксплуатационной скважины путем разделения пароводяной смеси на турбосепараторе, в результате которого геотермальную воду направляют в теплообменник, заполняемый потребляемой водой, а затем через дозировочный насос - в нагнетательную скважину, пар с турбосепаратора направляют на турбогенератор, а затем в конденсатор пара, из которого через дозировочный насос конденсат направляют в нагнетательную скважину.