СПОСОБ СООРУЖЕНИЯ ПОДЗЕМНОГО ХРАНИЛИЩА ДЛЯ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ Российский патент 2014 года по МПК G21F9/24 

Изобретение относится к захоронению тепловыделяющих радиоактивных отходов в подземных хранилищах.

Известен способ захоронения радиоактивных отходов (РАО), предусматривающий бурение скважины, размещение в ней контейнеров с РАО и оставление над ними барьерного целика, заполнение свободного объема скважины тампонажным материалом, герметизацию устья скважины, при этом контейнеры с РАО и барьерный целик размещают в зоне пластических деформаций окружающих пород, а в качестве тампонажного материала используют расширяющуюся при затвердевании смесь.

(см. Патент РФ №2063077)

Недостатком известного способа является отсутствие надежной безопасности захоронения тепловыделяющих РАО, поскольку при разогреве горных пород и поступлении из массива горных пород воды в хранилище возможна миграция радионуклидов за пределы хранилища, особенно при парообразовании с образованием трещин гидроразрыва.

Наиболее близким к изобретению по совокупности существенных признаков к заявленному является способ сооружения подземного хранилища для радиоактивных отходов, включающий бурение скважин в вечномерзлотной породе, размещение контейнеров с радиоактивными отходами в скважинах, герметизацию верхней части скважин.

При этом глубину захоронения контейнеров с радиоактивными отходами выбирают из условия сохранения слоя вечномерзлотной породы между поверхностью земли и зоной сезонного оттаивания над контейнерами с радиоактивными отходами.

(см. патент РФ №1829721).

Недостатками известного способа является отсутствие локализации оттаявшей воды, которая может содержать радиоактивные элементы, оттаявшая вода распределяется по всей зоне растепления и может соприкасаться с зоной сезонного оттаивания, что повлечет за собой миграцию радионуклидов с последующим радиоактивным загрязнением окружающей среды. Кроме того, при повышении температуры горных пород и оттаявшей воды свыше 100°C возможно испарение воды, повышение давления с образованием трещин гидроразрыва, достигающих зоны сезонного оттаивания или поверхности со всеми вытекающими из этого последствиями.

Задачей настоящего изобретения является разработка способа сооружения подземного хранилища для радиоактивных отходов, обеспечивающего более высокую степень надежности захоронения радиоактивных отходов посредством исключения возможности миграции радионуклидов за пределы хранилища за счет локализации оттаявшей воды в заранее ограниченной зоне вечномерзлотных пород и исключения парообразования.

Поставленная задача решена путем создания способа сооружения хранилища для радиоактивных отходов, включающего бурение скважины в вечномерзлотных породах, спуск и цементирование обсадной колонны, размещение в скважине контейнеров с радиоактивными отходами, герметизацию верхней части скважины, отличием которого согласно изобретению является то, что обсадную колонну цементируют в интервале от расчетной границы зоны растепления до поверхности, а контейнеры с радиоактивными отходами устанавливают на полую колонну-хвостовик, перфорированную в нижней части, на расстоянии от забоя скважины, где h_om - высота интервала, в пределах которого произойдет оттаивание вечномерзлотных пород;

m - пористость вечномерзлотных пород;

R_om - расчетный радиус оттаивания;

R_c - внутренний радиус скважины.

Целесообразно герметизацию верхней части скважины осуществлять на глубину 5-10 метров ниже основания обсадной колонны. Желательно, в неустойчивых породах, контейнеры с радиоактивными отходами размещать в обсадной колонне-хвостовике на расстоянии от забоя скважины, при этом обсадную колонну-хвостовик устанавливать с опорой на забой и перфорировать в нижней части

Также целесообразно, в интервале зоны растепления в вечномерзлотных породах создавать щели.

При сооружении подземного хранилища для радиоактивных отходов заявленным способом достигается технический результат, заключающийся в том, что исключается возможность миграции радионуклидов за пределы хранилища за счет локализации оттаявшей воды в заранее ограниченной зоне вечномерзлотных пород и исключения парообразования.

Цементирование обсадной колонны только в интервале от расчетной границы зоны растепления до поверхности позволяет исключить растрескивание цемента за обсадной колонной при повышении температуры и обеспечивает сохранение зазора в интервале зоны растепления между стенками горных пород и контейнерами с радиоактивными отходами, который служит каналом для стока оттаявшей воды на забой скважины.

Откачка промывочной жидкости из скважины и размещение контейнеров с радиоактивными отходами на расстоянии от забоя скважины позволяет обеспечить свободный объем для накопления оттаявшей воды в нижней части ствола скважины.

Использование вышеуказанных отличительных признаков позволяет исключить возможность парообразования и, как следствие, избежать возникновения избыточного давления и образования трещин гидроразрыва.

Предложенным способом предусматривается также создание в стенках горных пород щелей в интервале зоны растепления, например, посредством пескоструйной перфорации. Это позволит обеспечить более благоприятные условия для стока оттаявшей воды из зоны растепления на забой скважины.

Отличительным признаком заявленного способа является также то, что герметизацию верхней части скважины осуществляют с отметки ниже башмака обсадной колонны на глубину не менее 5-10 метров, при этом спускную колонну труб, на которой производят спуск контейнеров с радиоактивными отходами в скважину и через которую закачивают герметизирующий материал, из скважины извлекают. Это обеспечивает исключение образование гидравлической связи хранилища радиоактивных отходов с поверхностью вследствие коррозийного разрушения со временем металла обсадных и спускных труб.

При сооружении хранилища радиоактивных отходов в неустойчивых породах контейнеры с радиоактивными отходами размещают в обсадной колонне-хвостовике, перфорированной в нижней части, на расстоянии от забоя скважины, при этом обсадную колонну-хвостовик спускают в скважину с опорой на забой.

Осуществление способа иллюстрируется фигурами 1, 2.

В вечномерзлотных породах 1 бурят скважину 2. Обсадную колонну 3 спускают на глубину до расчетной границы зоны растепления, а заколонное пространство 4 цементируют до устья. С целью улучшения условий стока воды из зоны растепления в стенках горных пород посредством пескоструйной перфорации создают щели 5. Промывочный раствор, оставшийся в скважине, удаляют погружным насосом или посредством эрлифта.

На колонне спускных труб 6 в скважину 2 спускают и размещают в ней контейнеры 7 с радиоактивными отходами (РАО). Низ колонны спускных труб 6 имеет отверстия 8 для закачки герметизирующего материала, а также оборудован разъемным узлом 9, обеспечивающим отсоединение спускной колонны от контейнера.

Контейнеры 7 устанавливают на полую колонну-хвостовик 10 на расстоянии от забоя скважины, где h_om - высота интервала, в пределах которого произойдет оттаивание вечномерзлых пород;

m - пористость вечномерзлых пород;

R_om - расчетный радиус оттаивания;

R_c - внутренний радиус скважины.

Расстояние h₁ выбирают исходя из условия равенства объема ствола скважины 2 на этом участке объему воды 12, которая выделится из зоны растепления.

При этом полая колонна-хвостовик 10 имеет длину, равную расстоянию h₁, и перфорационные отверстия 11 в нижней своей части и может быть закреплена на днище первого из контейнеров 7. При спуске в скважину последнего контейнера 7 низ спускной колонны труб 6 снабжается манжетой 13. Местоположение манжеты рассчитывают таким образом, чтобы между манжетой и башмаком обсадной колонны оставался участок открытого ствола скважины высотой h₂ не менее 5-10 метров. Через спускную колонну труб 6 закачивают герметизирующий раствор, который при прохождении через отверстия 8 заполняет все пространство в верхней части скважины выше манжеты 13, после чего спускную трубу 6 из скважины извлекают.

Наличие участка открытого ствола скважины высотой h₂, в интервале которого герметизирующий материал (например, цементный раствор, расширяющийся при затвердевании) контактирует непосредственно с горными породами, позволит исключить образование гидравлической связи хранилища радиоактивных отходов даже в случае коррозийного разрушения материала обсадных труб. Контейнеры 7 с радиоактивными отходами опираются на поддон 14, выполненный из материала с низкой теплопроводностью, с целью снижения теплового потока в нижнюю часть хранилища. Для обеспечения кольцевого зазора между стенками горных пород и контейнерами 7, необходимого для стока оттаявшей воды, контейнеры снабжены центраторами 15.

Фигура 2 поясняет осуществление способа в неустойчивых горных породах, которые могут начать осыпаться уже в процессе размещения контейнеров 7 с радиоактивными отходами в скважине 2. В этом случае предварительно в скважину 2 опускают с опорой на забой обсадную колонну-хвостовик 16 с перфорационными отверстиями 11 в нижней части для пропуска оттаявшей воды внутрь колонны-хвостовика 16.

Контейнеры 7 с радиоактивными отходами размещают внутри обсадной колонны-хвостовика 16 с опорой на седло 17 внутри колонны, которое установлено на расстоянии от забоя скважины. В остальном все операции по сооружению хранилища, размещению контейнеров 7 с радиоактивными отходами и герметизации хранилища остаются такими же, как и в первом варианте.

Высота интервала h₁ в нижней части ствола скважины, где производится накопление оттаявшей воды, определяется по формуле.

где h_om - высота интервала, в пределах которого произойдет оттаивание воды;

m - пористость горных пород;

R_om - расчетный радиус оттаивания;

R_c - внутренний радиус скважины.

Так, например, принимая значения параметров, входящих в формулу (1), равными: h_om=50 м, m=0,1, R_om=5 м, R_c=1,5 м, получим h₁=10 м.

Заявленное изобретение относится к способу сооружения хранилища для радиоактивных отходов. Заявленный способ включает бурение скважины в вечномерзлотных породах, спуск и цементирование обсадной колонны, размещение в скважине контейнеров с радиоактивными отходами, герметизацию верхней части скважины. В заявленном способе обсадную колонну цементируют в интервале от расчетной границы зоны растепления до поверхности, а контейнеры с радиоактивными отходами устанавливают на полую колонну-хвостовик, перфорированную в нижней части, на расстоянии от забоя скважины, где h_om - высота интервала, в пределах которого произойдет оттаивание вечномерзлых пород; m - пористость вечномерзлых пород; R_om - расчетный радиус оттаивания; R_c - внутренний радиус скважины. Техническим результатом является обеспечение более высокой степени надежности захоронения радиоактивных отходов и исключение возможности миграции радионуклидов за пределы хранилища. 3 з. п.ф-лы, 2 ил.

1. Способ сооружения подземного хранилища для радиоактивных отходов, включающий бурение скважины в вечномерзлотных породах, спуск и цементирование обсадной колонны, размещение в скважине контейнеров с радиоактивными отходами, герметизацию верхней части скважины, отличающийся тем, что обсадную колонну цементируют в интервале от расчетной границы зоны растепления до поверхности, а контейнеры с радиоактивными отходами устанавливают на полую колонну-хвостовик, перфорированную в нижней части, на расстоянии от забоя скважины, где h_om - высота интервала, в пределах которого произойдет оттаивание вечномерзлых пород;
m - пористость вечномерзлых пород;
R_om - расчетный радиус оттаивания;
R_c - внутренний радиус скважины.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что герметизацию верхней части скважины осуществляют на глубину 5-10 метров ниже основания обсадной колонны.

3. Способ по п.1 или п.2, отличающийся тем, что в неустойчивых породах контейнеры с РАО размещают в обсадной колонне-хвостовике на расстоянии от забоя скважины, при этом обсадную колонну-хвостовик устанавливают с опорой на забой и перфорируют в нижней части.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в интервале зоны растепления в вечномерзлых породах создают щели.