СПОСОБ ПРИПОВЕРХНОСТНОГО ЗАХОРОНЕНИЯ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ Российский патент 2016 года по МПК G21F9/24 

Изобретение относится к области приповерхностного захоронения твердых или отвержденных радиоактивных отходов (далее по тексту РАО), содержащих в опасной концентрации радионуклиды с периодом полураспада не более 30 лет и может быть использовано для повышения надежности их окончательной изоляции. Оно также может быть использовано для численной оценки риска выхода из расположенного на некотором участке массива грунтов могильника опасной концентрации радионуклидов в зону активного водообмена, представленную первым от поверхности водоносным горизонтом. Изобретение позволяет научно-обоснованно выбрать оптимальный по фактору надежности долговременной изоляции радионуклидов участок среди перечня потенциально пригодных.

Известен способ подземной изоляции радиоактивных отходов, включающий проведение в выбранном для их подземной изоляции районе исследования геологических формаций с количественной оценкой параметров физических процессов в породном массиве, определение риска выхода радионуклидов из подземной выработки с помощью выражения (1), по которому судят о пригодности массива для окончательной изоляции РАО

где r - риск выхода радионуклидов из подземной выработки, 1/год; V_p - скорость подземных вод, соответствующая наиболее вероятному значению, м/год; L - радиус предполагаемого стабильного непроницаемого геологического блока, м; R - фактор задержания радионуклида на плоскостях трещин в породном массиве, е_р; а - константа Вейбулла (см., патент РФ №2160476, кл. G21F 9/24. Опубл. 2000 г.).

Недостатком данного способа является то, что он может применяться только для случая подземной изоляции РАО, не позволяя оценить риск выхода радионуклидов из приповерхностного могильника РАО.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ приповерхностного захоронения радиоактивных отходов, включающий создание котлована для размещения могильника РАО, бетонирование его дна и стенок и образование в основании котлована экрана с абсорбирующим веществом (см. патент ФРГ №3717884, кл. В09В 1/00, Опубл. 1988 г.).

Недостатком известного способа является неудовлетворительная надежность долговременной изоляции радионуклидов из-за того, что зона толщи грунтов для захоронения РАО выбирается без количественного учета природных особенностей структуры и свойств грунтового массива, которые могут привести к нарушению целостности приповерхностного могильника РАО в результате природных или техногенных воздействий.

Отмеченный недостаток обусловлен тем, что известный способ, предполагает полное отсутствие нештатных ситуаций на всех этапах жизненного цикла приповерхностного могильника РАО и, соответственно, не ставит под сомнение сохранение целостности и отсутствие процессов деградации противомиграционных свойств инженерных барьеров на весь срок потенциальной опасности (300 лет) изолируемых радионуклидов. При этом на современном уровне научно-технического развития не существует промышленных строительных технологий, дающих возможность создать инженерные барьеры приповерхностного могильника РАО, например, на основе железобетона или иного композитного материала, с гарантированным сроком службы не менее срока потенциальной опасности изолируемых радионуклидов.

В настоящей заявке решается задача разработки способа приповерхностного захоронения радиоактивных отходов, обеспечивающего повышение надежности долговременной изоляции радионуклидов за счет научно-обоснованного подбора из перечня потенциально возможных для размещения приповерхностного могильника РАО, участка грунтового массива, обеспечивающего природный барьер, достаточный для соблюдения требований экологической безопасности на весь срок потенциальной опасности изолируемых радионуклидов, даже при полной деградации всех инженерных барьеров могильника и, одновременно, характеризующийся наибольшей степенью надежности изоляции радионуклидов от окружающей среды среди всего перечня потенциально пригодных участков.

Для решения поставленной задачи в способе приповерхностного захоронения радиоактивных отходов, включающем в себя создание котлована для размещения могильника РАО, бетонирование его дна и стенок и образование в основании котлована экрана с абсорбирующим веществом, перед началом указанных строительных работ предварительно выбирают потенциально пригодные для изоляции РАО участки грунтового массива, проводят количественную оценку величин физических параметров свойств, структуры и состояния слагающего их грунтового массива, а именно путем многократных измерений определяют значения коэффициента фильтрации местных вод через подстилающий могильник грунт и минимального расстояния по толще грунтов от границы зоны размещения РАО до первого от поверхности водоносного горизонта, величины среднегодового водотока в первом от поверхности водоносном горизонте и фактора удержания радионуклидов вмещающими породами за счет абсорбционно-десорбционных процессов, собирают статистическую информацию о климатическом режиме на этих участках и с учетом проектно заложенных требований к размерам и наполнению приповерхностного могильника РАО, для каждого из этих участков в отдельности определяют величину коэффициента риска r_u выхода опасной концентрации радионуклидов из котлована в первый от поверхности водоносный горизонт из выражения:

где: r_u - коэффициент риска попадания опасной концентрации радионуклидов в первый от поверхности водоносный горизонт;

U_m - коэффициент фильтрации местных вод через подстилающий могильник грунт, м/год;

Р - среднегодовой объем атмосферных осадков, характерный для рассматриваемой местности, м;

t_d - время потенциальной опасности изолируемых радионуклидов, лет;

k_р - коэффициент, учитывающий зарегистрированные в рассматриваемой области за последние t_d/10 лет пиковые значения обводненности P_i, под которыми понимаются не менее чем трехкратные превышения значения Р, в течение периода времени n, длительностью не менее 8 ч. Может быть записан как $$k_p={\displaystyle \sum (\frac{P_i\cdot n}{P\cdot N}+1)}$$ , где P_i - средний объем осадков, выпавших за n часов, N- количество часов в соответствующем году;

t_ƒ - срок службы вмещающей РАО упаковки, лет. В первом приближении может быть определена как t_ƒ=h_pb/V_d, где h_pb - эквивалентная толщина упаковки для захораниваемых РАО, мм; V_d - скорость деградации изоляционных свойств основного материала упаковки в условиях прямого воздействия местных вод, мм/год;

H_min - минимальное расстояние по толще грунтов от границы зоны размещения РАО до первого от поверхности водоносного горизонта, м; С - средневзвешенная за период времени Т=t_d-t_ƒ концентрация жидких радиоактивных отходов (ЖРО), способных образоваться в камере окончательной изоляции при выщелачивании поступающими в него водами радионуклидов из иммобилизирующей их матрицы, Бк/(м³·год);

S - площадь котлована под могильник РАО в свету, м²;

k_л - эмпирический коэффициент, учитывающий снижение скорости фильтрации при сезонном промерзании грунта;

L_ув - уровень вмешательства, Бк/м³;

Y_s - наиболее вероятный объем грунтового массива, который, в случае выноса из могильника радионуклидов, содержащая их среда массопереноса должна преодолеть перед попаданием в первый от поверхности водоносный горизонт, м³. Для первичного расчета может быть определен как: $$Y_s=\frac{4}{6}\cdot \pi \cdot a\cdot b\cdot H_{\min }$$ , где а и b - длина и ширина камеры изоляции РАО в свету, м;

R - фактор удержания радионуклидов вмещающими породами за счет абсорбционно-десорбционных процессов, Бк/м³;

V_w - среднегодовой водоток в первом от поверхности водоносном горизонте, м³.

Величины U_m, H_min, V_d, R, V_w - измеряют с помощью известных лабораторных и полевых методов.

Величины Р, k_р и k_л - определяют путем аналитического рассмотрения статистической информации о районе предполагаемых строительных работ.

Величины L_yв и t_d - определяются изотопным составом и начальной активностью предполагаемых к захоронению РАО.

Величины h_pb и S- закладываются в Проекте.

Величины С, t_ƒ и Y_s - получают известными методами математического и физического моделирования или, при наличии, из результатов обследования объектов-аналогов.

Участки с r_u<1,0 характеризуются как допустимые для строительства приповерхностных могильников - пунктов окончательной изоляции РАО. При этом границы котлована под приповерхностный могильник РАО на дневной поверхности должны отстоять от поверхностных водотоков не менее чем на удвоенную величину H_min.

Участки с r_u=1,0÷10,0 допустимы только для строительства хранилища РАО. Границы котлована под могильник РАО на дневной поверхности также должны отстоять от поверхностных водотоков не менее чем на удвоенную величину H_min.

Из сформированного, как это показано выше, перечня допустимых для размещения приповерхностного могильника РАО участков грунтового массива для производства соответствующих строительных работ и захоронения РАО выбирают участок с наименьшим значением r_u, в котором сооружают котлован и строят приповерхностный могильник для изоляции РАО, содержащих опасные концентрации радионуклидов с периодом полураспада не более 30 лет.

Техническим результатом изобретения является практически полное исключение возможности выноса из приповерхностного могильника РАО в окружающую среду изолируемых радионуклидов в ситуации некачественного исполнения или даже полного разрушения его инженерных барьеров, что в наибольшей степени обеспечивает соблюдение требований экологической безопасности окружающей среды и надежности долговременной изоляции радионуклидов в приповерхностных могильниках.

Технический результат достигается за счет того, что впервые в практике приповерхностной изоляции твердых или отвержденных РАО, содержащих в опасной концентрации радионуклиды с периодом полураспада не более 30 лет, разработан способ, обеспечивающий количественную оценку надежности захоронения радионуклидов на определенном участке грунтового массива.

Это позволяет научно-обоснованно выбрать среди перечня потенциально пригодных для строительства приповерхностного могильника РАО участков тот, который, среди всего перечня последних, за счет протяженности и абсорбционно-десорбционных, а также прочих противомиграционных свойств слагающих его грунтов как естественный геохимический барьер обеспечивает минимальный и одновременно допустимый риск выноса в первый от поверхности водоносный горизонт опасной концентрации изолируемых радионуклидов в случае разрушения или некачественного исполнения инженерных барьеров.

Предлагаемый способ базируется на закономерностях, экспериментально установленных авторами и подтвержденных при проведении специалистами инжинирингового центра ОАО «ВНИПИпромтехнологии» серии работ по комплексному инженерному и радиационному обследованию (КИРО) некоторых хранилищ РАО, относящихся к объектам исторического наследия. Подтверждено, что при вышеуказанных значениях r_u долговременная безопасность изоляции радионуклидов обеспечивается за счет абсорбционно-десорбционных процессов и противомиграционных свойств естественного барьера из грунтов, например, глин или глинистых пород, способных естественным путем иммобилизировать радионуклиды из поступающих в них ЖРО, а также самозалечивать возможные каналы миграции среды массопереноса радионуклидов.

Способ приповерхностного захоронения радиоактивных отходов реализуют следующим образом.

Перед производством строительных операций, включающих в себя создание котлована, предназначенного для размещения приповерхностного могильника РАО, бетонирование его дна и стенок и образование в основании котлована экрана с абсорбирующим веществом, предварительно выбирают несколько потенциальных участков для размещения этого котлована. На этих участках отбирают керны, изготавливают из них образцы и на них по известным методикам измеряют величины параметров сорбционных и фильтрационных свойств, с помощью комплекса нормативно обеспеченных методов инженерных изысканий, например, с помощью электрометрических, сейсморазведочных и георадиолокационных методов определяют мощность, степень однородности, протяженность слагающего рассматриваемый участок грунтового массива и картируют динамику расстояния Н от дневной поверхности до первого водоносного горизонта. Анализируют заложенные в Проекте требования к размерам приповерхностного могильника РАО и характеристики их изотопного состава, а также к начальной активности, далее методами математического и физического моделирования создают вероятностную оценку интенсивности образования ЖРО при контакте вод с захороненными РАО. Из официальных источников собирают статистические сведения о климатическом режиме в области возможного строительства, особое внимание уделяют параметризации величин атмосферных осадков и глубины промерзания грунтов. На основе полученной измерительной информации по выражению (2) рассчитывают коэффициент риска r_u попадания опасной концентрации радионуклидов в первый от поверхности водоносный горизонт. Исходя из экспериментально подтвержденного в ходе ряда КИРО допустимого значения риска r_u ^∂on=0,99(9) признают допустимыми для размещения котлована под приповерхностный могильник РАО участки с r_u<1,0, а для строительства выбирают участок с наименьшим r_u. Далее на этом участке грунтового массива с помощью известных технологий строят приповерхностный могильник - пункт для окончательной изоляции РАО и захоранивают последние, например, в контейнерах. При этом границы этого могильника на дневной поверхности размещают так, чтобы они отстояли от ближайших поверхностных водотоков не менее чем на удвоенную величину H_min.

Таким образом, предложенный способ приповерхностного захоронения радиоактивных отходов, содержащих в опасной концентрации радионуклиды с периодом полураспада не более 30 лет, позволяет обеспечить практически абсолютную надежность их долговременной изоляции в могильнике за счет научно-обоснованного выбора для его размещения среди перечня потенциально пригодных участков того из них, который за счет протяженности и противомиграционных свойств слагающего его грунтового массива является естественным геохимическим барьером, обеспечивающим одновременно допустимый и наименьший риск попадания опасной концентрации радионуклидов в первый от поверхности водоносный горизонт в ситуации некачественного исполнения или даже полного разрешения всех инженерных барьеров.

Изобретение относится к области приповерхностного захоронения твердых или отвержденных радиоактивных отходов (РАО). Способ приповерхностного захоронения РАО включает в себя создание котлована, бетонирование его дна и стенок, образование в основании котлована экрана с абсорбирующим веществом. Выбирают несколько пригодных для изоляции РАО участков грунтового массива. Путем многократных измерений определяют значения коэффициента фильтрации местных вод и минимальные расстояния по толще грунтов от границы зоны размещения РАО до первого от поверхности водоносного горизонта. Собирают статистическую информацию о климатическом режиме. Для каждого участка определяют величину коэффициента риска r_u попадания опасной концентрации радионуклидов в зону активного водообмена. Отсеивают из рассмотрения участки с r_u>1,0. Среди оставшихся для строительства рекомендуют участок с наименьшим значением r_u. На этом участке грунтового массива строят приповерхностный могильник. Изобретение позволяет исключить возможность выноса из приповерхностного могильника РАО в окружающую среду в ситуации некачественного исполнения или разрушения его инженерных барьеров.

Способ приповерхностного захоронения радиоактивных отходов, включающий создание котлована, предназначенного для размещения приповерхностного могильника РАО, бетонирование дна и стенок котлована и образование в основании котлована экрана с абсорбирующим веществом, отличающийся тем, что перед началом строительных работ отбирают потенциально пригодные для изоляции РАО участки грунтового массива, проводят на них количественную оценку величин физических параметров их свойств, структуры и состояния, путем измерений определяют значения коэффициента фильтрации местных вод через подстилающий могильник грунт и минимального расстояния по толще грунтов от границы зоны размещения РАО до первого от поверхности водоносного горизонта, значения среднегодового водотока в первом от поверхности водоносном горизонте и фактора удержания радионуклидов вмещающими породами за счет абсорбционно-десорбционных процессов, собирают статистическую информацию о климатическом режиме на этих участках и с учетом проектно заложенных требований к размерам и наполнению могильника РАО для каждого из этих участков определяют величину коэффициента риска r_u попадания опасной концентрации радионуклидов в первый от поверхности водоносный горизонт, участки с r_u<1,0 признают допустимыми для размещения котлована под могильник РАО, а котлован создают на участке с наименьшим значением r_u, в котловане строят приповерхностный могильник для изоляции РАО, содержащих опасные концентрации радионуклидов с периодом полураспада не более 30 лет, при этом значение r_u находят из выражения

где: r_u - коэффициент риска попадания опасной концентрации радионуклидов в первый от поверхности водоносный горизонт;
U_m - коэффициент фильтрации местных вод через подстилающий могильник РАО грунт, м/год;
P - среднегодовой объем атмосферных осадков, характерный для рассматриваемой местности, м;
t_d - время потенциальной опасности изолируемых радионуклидов, лет;
k_p - коэффициент, учитывающий зарегистрированные в рассматриваемой области за последние t_d/10 лет пиковые значения обводненности P_i;
t_f - срок службы вмещающей РАО упаковки, лет;
H_min - минимальное расстояние по толще грунтов от границы зоны размещения РАО до первого от поверхности водоносного горизонта, м;
С - средневзвешенная за период времени Т=t_d-t_f концентрация жидких радиоактивных отходов (ЖРО), способных образоваться в камере окончательной изоляции при выщелачивании поступающими в него водами радионуклидов из иммобилизирующей их матрицы, Бк/(м³·год);
S - площадь котлована под могильник РАО в свету, м²;
k_л - эмпирический коэффициент, учитывающий снижение скорости фильтрации при сезонном промерзании грунта;
L_ув - уровень вмешательства, Бк/м³;
Y_s - наиболее вероятный объем грунтового массива, который, в случае выноса из могильника радионуклидов, содержащая их среда массопереноса должна преодолеть перед попаданием в первый от поверхности водоносный горизонт, м³;
R - фактор удержания радионуклидов вмещающими породами за счет абсорбционно-десорбционных процессов, Бк/м³;
V_w - среднегодовой водоток в первом от поверхности водоносном горизонте, м³.