ХРАНИЛИЩЕ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ Российский патент 2014 года по МПК B09B1/00 

Изобретение относится к области охраны окружающей среды, а точнее к области консервации радиоактивных отходов (РАО) в породных массивах. Наиболее эффективно заявляемое устройство может быть реализовано при консервации твердых радиоактивных отходов низкого и среднего уровней активности в хранилищах скважинного типа.

Известно хранилище радиоактивных отходов, используемое в способе захоронения радиоактивных отходов в породных массивах, имеющих неоднородное геологическое строение (Патент 2143759 (Россия), 6 G21F 9/24, 9/34, B09B 1/00, 22.07.98, опуб. 27.12.99. Бюл. №36 [1]), включающее пробуренную в породном массиве скважину с созданием по периметру скважины в зонах залегания водонасыщенных пород кольцевых полостей, перекрывающих мощности этих пластов и имеющих увеличенное сечение, размещенные в скважине посредством спускоподъемного устройства контейнеры с радиоактивными отходами, инженерный защитный барьер по высоте скважины, созданный путем тампонажа пространства между контейнерами и внутренней образующей скважины бентонито-цементным раствором, и герметизированное устье, созданное путем заливки тампонажного материала гудроном, битумом или подобным термопластичным материалом.

Недостатками известного хранилища являются:

- низкая экологическая безопасность при долговременной эксплуатации вследствие наличия единственного инженерного защитного барьера хранилища (монобарьерная защита окружающей среды) и возможности нарушения его целостности при нештатных ситуациях, в частности смещении пород, слагающих породный массив;

- низкая экологическая безопасность из-за невозможности извлечения отходов из хранилища при возникновении нештатной ситуации и после завершения срока эксплуатации этого хранилища.

Известно хранилище РАО, используемое в способе длительного хранения отработанного ядерного топлива (ОЯТ) в скважинах большого диаметра с трехслойной сталебетонной обсадкой (Патент 2212720 (Россия), 7 G21F 9/34, 11.03.2002, опубликовано 20.09.03. Бюл. №26 [2], включающее пробуренную в породном массиве скважину, обсаженную трехслойной сталебетонной крепью, состоящей из двух концентрически расположенных обечаек, выполненных из углеродистой стали с пространством между ними, заполненным бентонито-цементным раствором, бетонное дно, колпак с воздухозаборными устройствами, обваловку из глины и размещенные в хранилище контейнеры (2).

Недостатками известного хранилища являются:

- низкая экологическая безопасность при долговременной эксплуатации вследствие наличия в нижней части хранилища инженерного барьера пониженной надежности - бетонного дна, связанного с крепью за счет связи «металл-цемент», нарушающейся при температурном воздействии ОЯТ из-за разности коэффициентов температурного расширения у металла и бетона, что приводит к образованию трещин и каналов, способствующих проникновению в хранилище грунтовых вод;

- высокая стоимость и большая трудоемкость изготовления и монтажа, препятствующая распространению этого типа хранилища для хранения отходов различных уровней активности.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному хранилищу радиоактивных отходов является хранилище радиоактивных отходов (Прозоров Л.Б., Литинский Ю.В., Ткаченко А.В. «Новые хранилища РАО; скважины большого диаметра». //Барьер безопасности. - М.: «Радон-Пресс», 2005, №3-4, с.47-50 [3]), включающее форшахту, закрепленную стальной обечайкой, пробуренную через эту форшахту в породном массиве скважину, обсаженную металлической обсадной колонной с дном, внешний инженерный защитный барьер с нижним защитным экраном из бентонито-цементного монолита, созданного путем тампонажа затрубного пространства, внутренний инженерный защитный барьер с верхним защитным экраном, образованный внутри обсадной колонны бентонито-цементным монолитом, спускоподъемную колонну, контейнеры с РАО, установленные на спускоподъемной колонне, систему радиоэкологического мониторинга, размещенную в каналах внутреннего инженерного защитного барьера, и крышку обсадной колонны.

Недостатками известного хранилища являются:

- низкая экологическая безопасность при долговременной эксплуатации хранилища с внутренним инженерным защитным барьером, образованным бентонито-цементным монолитом, вследствие отсутствия возможности оперативного извлечения размещенных в нем контейнеров с радиоактивными отходами при деформации и нарушении целостности инженерных защитных барьеров, вызываемых подвижкой пород вмещающего массива и, соответственно, снижения надежности системы обеспечения экологической безопасности, отсутствия возможности восстановления целостности внутреннего инженерного защитного барьера при незначительных нарушениях в этом барьере, вызванных техногенными факторами и выявленных в ходе мониторинга, повышенной опасности разрушения внутреннего защитного барьера хранилища при нарушении соосности обсадной колонны и спускоподъемной колонны с контейнерами из-за возможного нарушения вертикальности скважины, результатом чего является неравномерность зазора между стенками обсадной колонны и контейнерами и, соответственно, толщины и прочности внутреннего инженерного защитного барьера, состоящего из бентонито-цементного монолита;

- повышенная трудоемкость вывода хранилища радиоактивных отходов из эксплуатации при завершении срока его использования по причине сложности извлечения размещенных в нем контейнеров с РАО, находящихся в бентонито-цементном монолите, образующем внутренний инженерный защитный барьер;

- низкий коэффициент эффективности использования площади землеотвода, выделенного под хранилище, в связи с ограничениями по глубине и вместимости хранилища, обусловленных прочностными характеристиками спускоподъемной колонны и грузоподъемностью используемого при загрузке спускоподъемного оборудования, и, как следствие, отсутствие возможности хранения значительных объемов отходов повышенной активности, глубина размещения которых регламентируется нормативными документами Международного Агенства по Атомной Энергии (МАГАТЭ) (General Safety Guide. Classification of Radioactive Waste. GSG-1. IAEA-2009 [4]).

Преимуществами заявляемого хранилища радиоактивных отходов являются повышение экологической безопасности, повышение коэффициента использования площади землеотвода, выделяемого под хранилище радиоактивных отходов, возможность размещения в хранилище увеличенного количества отходов повышенной активности, пониженная трудоемкость вывода хранилища радиоактивных отходов из эксплуатации при завершении срока его использования.

Указанные преимущества достигаются тем, что хранилище радиоактивных отходов включает форшахту, закрепленную стальной обечайкой, пробуренную через эту форшахту в породном массиве скважину, обсаженную металлической обсадной колонной с дном, снабженным посадочными опорно-центрирующими башмаками, термоизолятор из инертного водонепроницаемого и термостойкого материала, размещенный по внутренней образующей металлической обсадной колонны, внешний инженерный защитный барьер с нижним защитным экраном из бентонито-цементного монолита, созданный путем тампонажа затрубного пространства, внутренний инженерный защитный барьер с верхним защитным экраном, образованный внутри металлической обсадной колонны инертным материалом, твердым в естественных условиях, но способным изменять свое агрегатное состояние (твердое - жидкое) под тепловым воздействием, систему управления агрегатным состоянием материала внутреннего инженерного защитного барьера, выполненную из труб, спускоподъемную колонну с размещенными на ней контейнерами с РАО, систему радиоэкологического мониторинга и крышку обсадной колонны.

Отличительными признаками предлагаемого хранилища радиоактивных отходов является то, что дно металлической обсадной колонны снабжено посадочными опорно-центрирующими башмаками, выполненными с направляющими скосами и обеспечивающими коаксиальность расположения спускоподъемной и обсадной колонн, что позволяет достичь равной толщины и соответственно одинаковых прочностных и защитных характеристик внутреннего инженерного защитного барьера по всему периметру хранилища; термоизолятор из инертного водонепроницаемого и термостойкого материала, размещенный по внутренней образующей металлической обсадной колонны, снижает воздействие температурных факторов на внутренний и внешний инженерные защитные барьеры и вмещающий массив; внутренний инженерный защитный барьер образован инертным материалом, твердым в естественных условиях, но способным изменять свое агрегатное состояние (твердое-жидкое) под тепловым воздействием (например: бентонит, гудрон, другие аналогичные термопластичные материалы или алюмосиликаты), что позволяет в ходе эксплуатации хранилища обеспечить надежную изоляцию контейнеров с РАО во внутреннем инженерном защитном барьере, образованном твердым водонепроницаемым материалом, а перевод этого материала в жидкое агрегатное состояние обеспечивает возможность оперативного извлечения контейнеров с РАО из хранилища при выводе хранилища из эксплуатации и возникновении аварийной ситуации, а также осуществлять восстановление защитных свойств внутреннего инженерного защитного барьера, поскольку приведение его в жидкое состояние приводит к заполнению и ликвидации трещин и других деформаций, образующихся в процессе эксплуатации хранилища, кроме того, использование термопластичного материала для внутреннего инженерного защитного барьера позволяет сооружать хранилища радиоактивных отходов увеличенных глубин для обеспечения возможности размещения в них контейнеров с отходами различного уровня активности на рекомендованных глубинах без использования техники увеличенной грузоподъемности, поскольку в процессе размещения контейнеров с РАО в хранилище радиоактивных отходов материал, образующий внутренний инженерный защитный барьер, находится в жидком агрегатном состоянии и частично компенсирует массу загружаемых контейнеров с РАО; система управления агрегатным состоянием материала внутреннего инженерного защитного барьера выполнена из последовательно связанных в единую коммуникационную систему U-образных труб, равномерно размещенных по внутренней образующей металлической обсадной колонны и связанных через подводное устройство с технологическим комплексом подготовки используемого теплоносителя (воды, пара или воздуха), а верхние части этих труб снабжены оголовками с герметизирующими крышками, обеспечивающими в процессе эксплуатации хранилища доступ во внутренние полости этих труб и размещение там системы радиоэкологического мониторинга, такая конструкция системы управления агрегатным состоянием материала внутреннего инженерного защитного барьера позволяет осуществлять его перевод из одного агрегатного состояния в другое и обеспечивать возможность радиоэкологического мониторинга всего объема хранилища радиоактивных отходов.

Таким образом, предлагаемое изобретение обеспечивает повышение экологической безопасности хранилищ радиоактивных отходов путем создания эффективной и надежной многобарьерной защиты окружающей среды, исключающей возможность миграции радионуклидов в породы вмещающего массива и грунтовые воды, снижает трудоемкость вывода хранилищ этого типа из эксплуатации, а также позволяет повысить коэффициент эффективности использования площади землеотвода, выделенного под хранилище, за счет сооружения хранилищ повышенной глубины и вместимости и размещения в них контейнеров с отходами различного уровня активности на рекомендованных глубинах.

Предлагаемое хранилище радиоактивных отходов представлено на фиг.1, 2, 3 и 4, где фиг.1 - вид хранилища радиоактивных отходов в разрезе; фиг.2 - вид хранилища радиоактивных отходов в разрезе по A-A, фиг.3 - развертка системы управления агрегатным состоянием материала внутреннего инженерного барьера по стрелке B фиг.2, фиг.4 - пример расположения системы радиоэкологического мониторинга в трубе системы управления агрегатным состоянием материала внутреннего инженерного защитного барьера.

Хранилище радиоактивных отходов включает форшахту 1 закрепленную стальной обечайкой 2, пробуренную через форшахту 1 в породном массиве 3 скважину 4 глубиной (L_t), выполненную с расширением в зонах залегания пластов 5, представленных слабыми неустойчивыми и обводненными породами, металлическую обсадную колонну 6 с дном 7, снабженным посадочными опорно-центрирующими башмаками 8, внешний инженерный защитный барьер 9 с нижним защитным экраном 10, созданным путем тампонажа затрубного пространства, термоизолятор 11 из инертного водонепроницаемого и термостойкого материала, размещенный по внутренней образующей металлической обсадной колонны 6, внутренний инженерный защитный барьер 12 с верхним защитным экраном 13, образованный внутри металлической обсадной колонны 6 инертным материалом, твердым в естественных условиях, но способным изменять свое агрегатное состояние (твердое-жидкое) под тепловым воздействием, систему управления агрегатным состоянием 14 материала внутреннего инженерного защитного барьера 12, выполненную из труб 15, спускоподъемную колонну 16 с размещенными на ней контейнерами с РАО - контейнерами с низкоактивными отходами 17 и контейнерами с отходами повышенной активности 18, технологический комплекс (на рисунке не показан) подготовки (нагрева или охлаждения) используемого в технологическом процессе теплоносителя (воды, пара или воздуха), связанный посредством подводного устройства 19 с системой управления агрегатным состоянием 14 материала внутреннего инженерного защитного барьера 12, спускоподъемное устройство (на рисунке не показано), обеспечивающее спускоподъемные операции со спускоподъемной колонной 16, и систему радиоэкологического мониторинга 20, крышку 21 металлической обсадной колонны 6. При этом глубина (L₁) скважины 4 превышает высоту (L₂) металлической обсадной колонны 6 на толщину нижнего защитного экрана 10, определяемого в зависимости от горно-геологической ситуации в месте сооружения хранилища и радиационных характеристик, размещаемых в этом хранилище радиоактивных отходов, высота (L₂) металлической обсадной колонны 6 превышает общую высоту (L₃) контейнеров с отходами повышенной активности 18, размещенных в этом хранилище, на рекомендованную для данных отходов минимальную глубину (L₄) (для отходов среднего уровня активности эта глубина составляет 30÷35 м) [4]; материал, используемый для создания внутреннего инженерного защитного барьера 12, является термопластичным (например: бентонит, гудрон, другие аналогичные материалы или алюмосиликаты) и способен изменять свое агрегатное состояние (твердое-жидкое) под тепловым воздействием; система управления агрегатным состоянием 14 внутреннего инженерного защитного барьера 12 выполнена из последовательно связанных в единую коммуникационную систему U-образных труб 15, равномерно размещенных по внутренней образующей металлической обсадной колонны 6 хранилища (фиг.3) и снабженных в верхней части оголовками 22 с герметизирующими крышками 23, обеспечивающими в процессе эксплуатации хранилища доступ во внутренние полости труб 15 системы радиоэкологического мониторинга 20 состояния инженерных барьеров, и связана через патрубки 19 с технологическим комплексом подготовки теплоносителя; опорно-центрирующие башмаки 8 выполнены с направляющими скосами, обеспечивающими коаксиальность взаимного расположения металлической обсадной колонны 6 со спускоподъемной колонной 16 с размещенными на ней контейнерами с РАО.

Хранилище радиоактивных отходов используется следующим образом - в металлическую обсадную колонну 6 загружается выбранный для создания внутреннего инженерного барьера 12 термопластичный материал в объеме, достаточном для заполнения всего свободного от контейнеров с РАО пространства, после чего посредством технологического комплекса подготовки теплоносителя через патрубки 19 в трубы 15 системы управления агрегатным состоянием 14 подается нагретый теплоноситель. Под тепловым воздействием размещенный в металлической обсадной колонне 6 термопластичный материал переходит в жидкое агрегатное состояние, при этом термоизолятор 11 снижает воздействие температуры на внешний инженерный защитный барьер 9 и тепловые потери во внешнюю среду. После приведения термопластичного материала в жидкое агрегатное состояние осуществляется загрузка хранилища радиоактивных отходов, для чего над металлической обсадной колонной 6 монтируется спускоподъемная колонна 16, на которой устанавливаются контейнеры с РАО, при этом в нижней части спускоподъемной колонны 16 устанавливаются контейнеры с отходами повышенной активности 18 с таким условием, что верх верхнего ряда этих контейнеров при размещении в хранилище будет находиться на отметке не выше глубины (L4) над контейнерами с отходами повышенной активности 18, на спускоподъемной колонне 16, устанавливаются контейнеры с низкоактивными отходами 17 на которые ограничения по глубине размещения не распространяются. Такое расположение контейнеров с РАО в хранилище радиоактивных отходов позволяет наиболее эффективно использовать полезный объем этого хранилища, поскольку контейнеры с отходами различных уровней активности размещаются на глубинах, регламентированных нормативными документами для размещения отходов данного уровня активности, что обеспечивает как полную загрузку хранилища, так и наиболее рациональное использование его глубины при обеспечении экологической безопасности. Заполнение спускоподъемной колонны 16 контейнерами с РАО может осуществляться как полностью перед ее спуском в металлическую обсадную колонну 6, так и в процессе этого спуска. Спускоподъемная колонна 16 с контейнерами с РАО, спускоподъемным устройством опускается в металлическую обсадную колонну 6 и устанавливается на опорно-центрирующие башмаки 8, которые способствуют их взаимному коаксиальному расположению и обеспечивают равновеликий зазор между контейнерами с РАО и стенками металлической обсадной колонны 6. Спускаемые контейнеры с РАО вытесняют вверх по металлической обсадной колонне 6 излишки жидкого термопластичного материала, который заполняет все технологические полости и зазоры, а также свободное пространство в верхней части металлической обсадной колонны 6 над контейнерами с низкоактивными отходами 17. При этом плотность находящегося в жидком состоянии термопластичного материала частично компенсирует массу спускаемой в металлическую обсадную колонну 6 спускоподъемной колонны 16 с контейнерами с РАО. После завершения спуска спускоподъемной колонны 16 в металлическую обсадную колонну 6 путем изменения температуры теплоносителя, подаваемого в систему управления агрегатным состоянием 14, термопластичный материал переводится в твердое агрегатное состояние, образуя надежный водонепроницаемый внутренний инженерный защитный барьер 12 с верхним защитным экраном 13. Затем подача теплоносителя в систему управления агрегатным состоянием 14 прекращается, теплоноситель удаляется из труб 15 через патрубки 19 и металлическая обсадная колонна 6 закрывается крышкой 21.

Контроль состояния барьеров инженерной защиты системы обеспечения экологической безопасности хранилища радиоактивных отходов в процессе эксплуатации производится системой радиоэкологического мониторинга 20, для чего с оголовков 22 снимаются герметизирующие крышки 23 и в трубах 15 размещается система радиоэкологического мониторинга 20 (фиг.4), при этом расположение труб 15 по всему периметру хранилища обеспечивает возможность получения информации о состоянии барьеров инженерной защиты по всему объему хранилища.

При выводе хранилища радиоактивных отходов из эксплуатации посредством подачи теплоносителя в систему управления агрегатным состоянием 14 термопластичный материал, образующий внутренний инженерный защитный барьер 12, переводится в жидкое агрегатное состояние и спускоподъемная колонна 16 с контейнерами с РАО спускоподъемным устройством извлекается из металлической обсадной колонны 6, затем извлекается термопластичный материал, а внутренний объем металлической обсадной колонны 6 заполняется материалом, способным зафиксировать оставшиеся радионуклиды, например бентонито-цементный раствор, глина.

В результате проведенного анализа проектируемых и существующих хранилищ скважинного типа и моделирования процессов функционирования инженерных барьеров этих хранилищ было установлено, что хранилище радиоактивных отходов скважинного типа с предложенной системой обеспечения экологической безопасности обеспечивает значительное повышение надежности локализации радиоактивных отходов в различных горно-геологических условиях и наиболее полное и рациональное использование землеотвода.

Изобретение относится к области охраны окружающей среды, а точнее к области консервации радиоактивных отходов (РАО) в породных массивах. Предложенное хранилище РАО включает форшахту 1, закрепленную стальной обечайкой 2, пробуренную через эту форшахту 1 в породном массиве 3 скважину 4, обсаженную металлической обсадной колонной 6 с дном 7, термоизолятор 11 из инертного водонепроницаемого и термостойкого материала, размещенный по внутренней образующей металлической обсадной колонны 6, внешний инженерный защитный барьер 9 с нижним защитным экраном 10 из бентонито-цементного монолита, внутренний инженерный защитный барьер 12 с верхним защитным экраном 13, систему управления агрегатным состоянием 14 материала внутреннего инженерного защитного барьера 12, выполненную из труб 15, спускоподъемную колонну 16 с размещенными на ней контейнерами 17, 18 с РАО, систему радиоэкологического мониторинга 20 и крышку 21 обсадной колонны 6. Дно 7 снабжено посадочными опорно-центрирующими башмаками 8. Внешний инженерный защитный барьер 9 создан путем тампонажа затрубного пространства. Внутренний инженерный защитный барьер 12 с верхним защитным экраном 13 образован внутри металлической обсадной колонны 6 инертным материалом, твердым в естественных условиях, но способным изменять свое агрегатное состояние (твердое-жидкое) под тепловым воздействием. Изобретение повышает экологическую безопасность, коэффициент использования площади землеотвода, выделяемого под хранилище РАО, увеличивает количество отходов повышенной активности в хранилище, снижает трудоемкость вывода хранилища РАО из эксплуатации при завершении срока его использования. 4 ил.

Хранилище радиоактивных отходов включающее форшахту, закрепленную стальной обечайкой, пробуренную через эту форшахту в породном массиве скважину, обсаженную металлической обсадной колонной с дном, внешний инженерный защитный барьер с нижним защитным экраном из бентонито-цементного монолита, созданный путем тампонажа затрубного пространства, внутренний инженерный защитный барьер с верхним защитным экраном, образованный внутри металлической обсадной колонны, спускоподъемную колонну с размещенными на ней контейнерами с РАО, систему радиоэкологического мониторинга и крышку обсадной колонны, отличающееся тем, что дно металлической обсадной колонны снабжено посадочными опорно-центрирующими башмаками, внутренняя поверхность металлической обсадной колонны снабжена термоизолятором из инертного водонепроницаемого и термостойкого материала, внутренний инженерный защитный барьер с верхним защитным экраном внутри металлической обсадной колонны образован инертным материалом, твердым в естественных условиях, но способным изменять свое агрегатное состояние (твердое-жидкое) под тепловым воздействием, и имеет систему управления агрегатным состоянием материала, образующего внутренний инженерный защитный барьер, выполненную в виде последовательно связанных U-образных труб, размещенных по внутренней образующей металлической обсадной колонны, а система радиоэкологического мониторинга в процессе эксплуатации хранилища радиоактивных отходов размещена в трубах системы управления агрегатным состоянием материала внутреннего инженерного защитного барьера.