СПОСОБ ЗАХОРОНЕНИЯ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ И КОНТЕЙНЕР ДЛЯ ИХ ХРАНЕНИЯ Российский патент 2021 года по МПК G21F9/24 

Уровень техники

Из уровня техники широко известны способы окончательной изоляции – захоронения радиоактивных отходов (РАО) в геологических формациях земной коры, в которых естественная или искусственная полость заполняется РАО в различных упаковках или контейнерах, что предполагает изоляцию РАО от окружающей среды на срок потенциальной опасности РАО ~1000 лет, обусловленной естественным распадом большинства радионуклидов в составе РАО, при этом основной упор делается на длительную надежную изоляцию РАО от подземных вод, с которыми радионуклиды РАО могут перемещаться в подземных горизонтах, загрязняя окружающую среду.

Описание и анализ применяемых концепций утилизации отходов низкого и среднего уровня активности (НСАО) или трансурановых (TRU) отходов, принятых в разных странах приведен в работе (T. W. Hicks. T. D. Baldwin, P. J. Hooker. P. J. Richardson, N. A. Chapman, I. G. McKinley and F. B. Neall / Concepts for the Geological Disposal of Intermediate-Level Radioactive Waste, Galson Sciences Limited report lo NDA-RWMD. 2008 ).

В Бельгии принята концепция утилизации НСАО в туннелях в пластичной глинистой вмещающей породе с использованием контейнеров для отходов, защищенных в бетонных установках для захоронения, которые размещаются в осевом направлении в туннелях, облицованных бетоном. Во Франции концепция предполагает захоронение НСАО в затвердевшей глинистой вмещающей породе в туннелях с контейнерами для отходов, упакованными в бетонные транспортные пакеты, которые укладываются в облицованные бетоном туннели; отдельная зона захоронения выделена для отходов, содержащих органические вещества. По Швейцарской концепции утилизация НСАО должна производиться в туннелях во вмещающих породах мергеля, с контейнерами для отходов, упакованными в бетонные блоки для захоронения, которые укладываются в облицованные бетоном туннели, закрытые газопроницаемым раствором. По принятой концепции Японии должен производиться вывоз в туннель отходов TRU в твердых или мягких вмещающих породах, с контейнерами для отходов, залитыми в стальные контейнеры, которые укладываются в туннели (облицованные бетоном в мягких породах), и с цементным раствором, включенным в качестве засыпки; для некоторых отходов предусмотрен бентонитовый барьер, а отходы, содержащие нитраты, выделяются в отдельную зону захоронения. В Швеции принята концепция захоронения НСАО внутри пещер в кристаллической вмещающей породе с отходами, упакованными в бетон и стальные контейнеры, которые складываются в пещеры (малоактивные отходы) или заливаются в бетонные своды внутри пещер (высокоактивные отходы); пещеры засыпаются щебнем, который действует как гидравлический сепаратор. В принятой Канадой концепции захоронение НСАО должно производится в известняковой вмещающей породе с размещением НАО и экранированных контейнеров с САО в отдельных помещениях (без последующей засыпки). Концепция Германии предусматривает захоронение НСАО в кавернах глинистых образований, при этом упаковки с отходами размещаются в стальные контейнеры и цементируются, а затем складываются штабелями в кавернах; каверны заливаются раствором.

Однако из-за сложности и высоких затрат на реализацию большинство этих концепций, связанных с использование геологических структур, все еще находятся в стадии разработки или больше не разрабатываются в соответствии с первоначальными проектами. В соответствии с принятым в атомной отрасли принципом ALARA (сокр. As Low As Reasonably Achievable), сформулированным как принцип оптимизации доз еще в 1954 году Международной Комиссией по Радиологической защите с целью минимизации вредного воздействия ионизирующей радиации, в сложившихся экономических условиях в практической деятельности по обезвреживанию РАО для снижения затрат нужно больше внимания уделять инженерным сооружениям, в первую очередь приповерхностным, как наименее затратным.

Известно хранилище радиоактивных отходов приповерхностного типа, используемое для локализации контейнеров с твердыми радиоактивными отходами (заявка JP 2013210359 А, Япония // МКИ G21F 9/24, 10.10.2013), включающее полузаглубленный могильник приповерхностного типа для размещения контейнеров с твердыми радиоактивными отходами и систему обеспечения радиационной безопасности, включающую нижний защитный инженерный барьер хранилища и верхний защитный инженерный барьер хранилища.

Недостатком этого способа окончательной изоляции являются низкая экологическая безопасность в связи с возможным подтоплением контейнеров с радиоактивными отходами, находящихся ниже уровня земли, нарушение их герметичности и возможность миграции из них радионуклидов в окружающую среду.

Известен способ захоронения супертоксичных промышленных отходов (патент РФ №2317160, опубл. 20.02.2008), который включает последовательную укладку водонепроницаемого экрана, уплотнение его, укладку и уплотнение отходов, покрытие отходов вторым водонепроницаемым экраном, уплотнение и засыпку его слоем почвенно-растительного грунта с последующей посадкой растений. В качестве водонепроницаемого экрана используют изолирующий материал ИМ-1, содержащий нефтяной шлам, известняк в мелкокусковой форме, отходы бурения, глинистые породы, биопрепараты, пропитанные жидким битумом или гудроном. Перед укладкой из супертоксичных отходов формуют во влажной среде при 40-60°С в течение 1-3 суток зацементированные блоки, включающие: супертоксичные отходы, портландцемент, речной песок, изолирующий материал ИМ-1 при следующем соотношении компонентов, маc. ч.: супертоксичные отходы - 1 маc. ч., портландцемент - 0,1-0,3 маc. ч., речной песок - 0,1-0,3 маc. ч., изолирующий материал ИМ-1 - 0,05-0,1 маc. ч., которые покрывают жидким битумом или гудроном в течение 3-5 мин, затем охлаждают и направляют на укладку.

Недостатком данного способа является повышенная пожаропасность и биологическая деградация битума.

Известен способ захоронения твердых радиоактивных отходов в приповерхностные могильники (патент РФ №2366011, опубл. 27.08.2009). При захоронении отходов производят обваловывание могильника снизу и с боков слоем от 0,5 до 1,5 м уплотненной смеси глины с бокситовым шламом. После заполнения могильника отходами производят обваловывание сверху так, чтобы вертикальная планировка этого гидроизолирующего слоя обеспечивала сток атмосферных осадков. Бокситовый шлам получают при обжиге бокситовой руды совместно с известью и содой и последующей промывке водой от растворимых натриевых соединений.

Недостатком данного способа являются наличие специфичных ингредиентов и высокая трудоемкость процессов по использованию способа.

Известна концепция хранилища радиоактивных отходов приповерхностного типа, используемого для локализации ОНАО (Альтернативные концепции окончательных этапов обращения с ОНАО/ А.А. Абрамов [и др.] // Безопасность ядерных технологий и окружающей среды. - М., 2012. - №3 - С.29-36.), включающее нижний защитный инженерный барьер, образованный основанием, ложем с дренажной системой в виде железобетонной плиты, контейнеры и упаковки с ОНАО, а также верхний защитный инженерный барьер, образованный верхней подушкой из слоя песка, слоя бентонита, укрывной пленки из высокоплотного полиэтилена, верхним покрытием, содержащим дренажный слой из каменной крошки или гравия, гидроизоляционный слой из глины и покрывающий слой из дерна.

Недостатками известного хранилища являются:

- низкая экологическая безопасность из-за отсутствия в образующих нижний защитный инженерный барьер конструкциях элементов, исключающих контакт контейнеров и упаковок с ОНАО с водой, при аварийных ситуациях, связанных с подтоплением хранилища, и миграцию радионуклидов в окружающую среду, а также отсутствие систем, обеспечивающих осуществление мониторинга и оперативного управления экологической безопасностью хранилища в течение срока его эксплуатации без нарушения целостности защитных инженерных барьеров;

- ограниченная область применения, распространяющаяся только на локализацию ОНАО, в связи с низкой надежностью защитных инженерных барьеров.

Прототипом по технической сущности к заявленному способу захоронения радиоактивных отходов является хранилище радиоактивных отходов приповерхностного типа, используемое для локализации отвержденных ЖРО (Атомная стратегия XXI, №153, Виталий Узиков //Оптимизация технологии обезвреживания ЖРО / Информационное агентство «ПРоАтом», Санкт-Петербург, 2019, с.14-19.)

При этом предлагается переводить ЖРО средней и низкой активности (включая ОНАО) сначала в высокосолевой раствор с содержанием солей 700-900 г/л, а затем использовать его для получения унифицированных цементных блоков, пригодных для плотной укладки в пунктах окончательной изоляции. При таком подходе основным конструкционным материалом таких инженерных сооружений являются сами УЦБ на основе высокосолевых концентратов ЖРО, причем формирование массива из блоков должно проводиться так, чтобы на его периферии были низкоактивные (НАО) или очень низкоактивные блоки (ОНАО), а к центральной части массива активность блоков постепенно возрастала до уровня среденактивных (САО).

Недостатками этого способа являются:

- недостаточная экологическая безопасность из-за высокой выщелачиваемости цементного компаунда при ситуациях, связанных с подтоплением хранилища, обуславливающем возможную миграцию радионуклидов в окружающую среду;

- возможный риск выхода радионуклидов в окружающую среду при проведении транспортно-технологических операций с открытыми блоками цементного компаунда;

- возможность разрушения блоков цементного компаунда при проведении транспортно-технологических операций.

Наиболее близким аналогом заявленному способу является способ подготовки и захоронения радиоактивных отходов (патент РФ №2537815, опубл. 10.01.2015), включающий доставку РАО от их производителей к месту захоронения, подготовку доставленных РАО, включая переработку поверхностно загрязненных радионуклидами металлических МРАО, размещение подготовленных РАО в объеме захоронения, окончательную изоляцию от окружающей среды, отличающийся тем, что для эффективного надежного и окончательного захоронения РАО используют открытые горные выработки с завершенным циклом добычи полезных ископаемых - горные или горнорудные карьеры со скальной основой, при которых производят оборудование площадки выгрузки и подготовки РАО к захоронению, пункта переработки МРАО, транспортной сети перемещения РАО в карьер на захоронение, по готовности к работе которых производят доставку РАО от их производителей к месту захоронения без ограничений по происхождению - техногенные, природные радионуклиды ПРН, по активности - низкоактивные НАО, среднеактивные САО, высокоактивные ВАО, по конструкции, материалам, формам, габаритам, времени и условиям предшествующего хранения контейнеров и упаковок РАО большей частью в унифицированных металлических единичных упаковках ЕУ кубической формы, производят подготовку доставленных РАО к захоронению - ремонт упаковок и контейнеров, восстановление их антикоррозионных покрытий, перезатаривание ветхих упаковок в новые, МРАО перерабатывают, удаляя радиоактивные загрязнения комплексной глубокой дезактивацией, в результате которой отдезактивированный и допустимый к неограниченному использованию металл исключается из захоронения и возвращается в хозяйственный оборот, а вторичные РАО переработки компактируют, отверждают, заключают в ЕУ и вместе с подготовленными упаковками перемещают в карьер, в котором дно-основание засыпают привозной глиной, перекрывая все неровности дна, выравнивая и уплотняя слой до ровной горизонтальной площадки, на которой доставляемые РАО, используя конструктивную особенность ЕУ, выстраивают объемными блоками или блоками-контейнерами с обеспечением зазоров между блоками и стенами карьера на высоту, не превышающую расчетную прочность унифицированной ЕУ, после чего зазоры заполняют глиной, дают ей выдержку на осадку, дозаполняют провалы и перекрывают глиной верхний срез блоков РАО и все зазоры, замыкая индивидуальную глиняную изоляцию каждого из собранных блоков первого яруса и формируя площадку-основание второго яруса, на которой продолжают блочно-ярусное заполнение карьера до верхней проектной отметки, после чего незаполненную часть карьера перекрывают глиной, замыкая контур глиняной изоляции заполненного РАО объема и засыпают грунтом из отвалов вскрышных пород, завершая последний этап в окончательном захоронении РАО и рекультивацию карьера с восстановлением первозданного природного ландшафта.

Недостатком данного способа являются сложность проведения транспортно-технологических операций в открытом карьере, высокие дозовые нагрузки на персонал при проведении операций по дезактивации МРАО, отсутствие технологии кондиционирования вторичных РАО непосредственно в пунктах захоронения, скапливание атмосферных осадков в карьере при его заполнении.

Сущность изобретения

Заявленное изобретение направлено на создание универсальной эффективной технологии для надежной и долговременной окончательной изоляции отвержденных РАО разной степени опасности при минимальных затратах.

Технический результат достигается за счет того, что способ захоронения радиоактивных отходов и конструкция единичной упаковки обеспечивают защиту от выхода опасных радионуклидов в окружающую среду вследствие применения сорбирующих и изолирующих материалов, не подверженных деградации со временем (стекло, бентонитовая глина или её аналоги) и имеющих относительно низкую стоимость.

Повышение надежности длительной изоляции – захоронения РАО достигается за счет:

применения принципа вложенности, при котором единичные упаковки (ЕУ) в металлическом корпусе с более высоким уровнем радиационной опасности для окружающей среды размещаются ближе к центру кладки, чем ЕУ с более низким уровнем радиационной опасности. Таким образом, структура размещения ЕУ в массиве кладки препятствует миграции радионуклидов в окружающую среду;

использование для инженерных барьеров, препятствующих выходу опасных радионуклидов в окружающую среду, сорбирующих и изолирующих материалов, не подверженных деградации со временем (стекло, бентонитовая глина или её аналоги).

Повышение эффективности способа достигается за счет:

применения при окончательной изоляции отвержденных РАО универсальных единичных упаковок с металлическим корпусом, в которых цементный компаунд занимает 90-95% в отличие от невозвратных защитных контейнеров НЗК-150-1,5П, где полезная емкость под компаунд составляет 40% от общего объема контейнера;

стоимость приемки на захоронение национальным оператором НЗК-150-1,5П составляет 200 тыс.руб./м³, т.е. 750 тыс.руб. за приемку контейнера. Вместе со стоимостью НЗК-150-1,5П затраты на передачу 1,5 м³ отвержденных РАО составят 870 тыс. руб. при тарифах 2017 года. Затраты на передачу аналогичного объема отвержденных РАО в металлических единичных упаковках, облицованных изнутри стеклом и бентонитовой глиной составят 50 тыс.руб. за стоимость унифицированных ЕУ и 330 тыс.руб. за объем хранения – в сумме 380 тыс. руб., т.е. в 2,3 раза ниже чем при существующей технологии.

Радикальное снижение затрат на окончательную изоляцию РАО 2 класса при использовании заявленного способа достигается, тем, что он позволяет отказаться от строительства дорогостоящих пунктов глубинного захоронения, стоимость изоляции которых составляет 700 тыс.руб./м³. Заявленный способ позволяет обеспечить надежную изоляцию в одном пункте захоронения радиоактивных отходов отвержденных РАО 2, 3,4 и 6-го класса применяя технологию дистанционной укладки ЕУ в соответствии с принципом вложенности. Применение при транспортно-технологических операциях промышленных роботов с вакуумным захватом позволяет сделать металлическую единичную упаковку простой формы, технологичную и с низкой стоимостью. Простая форма ЕУ и применение промышленного робота с вакуумным захватом на платформе мостового крана дает возможность автоматизировать и оптимизировать процесс формирования кладки из ЕУ с РАО разного класса опасности в соответствии с принципом вложенности, что снижает дозовые нагрузки на персонал и риск аварийных ситуаций в результате ошибок персонала.

Проведенный анализ уровня техники показал, что заявленная совокупность существенных признаков, изложенных в формуле изобретения, неизвестна. Установлено, что заявленное техническое решение не следует явным образом из известного уровня техники. Изобретение является новым, имеет изобретательский уровень и промышленно применимо.

Описание чертежей

Заявляемый способ иллюстрируется рисунками, представленными на:

Фиг. 1 – Общая схема структуры комплексного пункта приповерхностного захоронения РАО с применением промышленных манипуляторов с вакуумным захватом;

Фиг. 2 – Конструкция единичной упаковки с цементным компаундом, оболочка которой облицована изнутри листовым стеклом;

Фиг. 3 – Схема структуры кладки единичных упаковок разного класса радиационной опасности в комплексном пункте приповерхностного захоронения.

Пример конкретного исполнения

В качестве неограничивающего примера на Фиг.1 показано применение заявленного способа в приповерхностном пункте захоронения радиоактивных отходов (1), оснащенном мостовым краном (2) с грузовой тележкой (3), на которой установлен промышленный манипулятор (4), оснащенный захватом (5), позволяющим производить транспортно-технологические операции с единичными упаковками цементного компаунда РАО прямоугольной формы, облицованными металлом (6). Единичные упаковки (6) укладываются в пункте захоронения (1) в соответствии с принципов вложенности, когда ЕУ с более высоким уровнем радиационной опасности для окружающей среды размещаются ближе к центру кладки, чем ЕУ с низким уровнем радиационной опасности, размещаемые ближе к периферии кладки. На периферии кладки толстым слоем укладываются ЕУ с очень низким уровнем радиоактивности (ОНАО), основная роль которых заключается в создании надежной зоны долговременной защиты от миграции в окружающую среду опасных радионуклидов из центра кладки (7). ЕУ с более высоким уровнем укладываются ближе к центру (8), а с наибольшей радиоактивностью размещаются в центре кладки (9).

Структура единичной упаковки (6) приведена на Фиг.2. Металлический корпус ЕУ имеет форму прямоугольного параллелепипеда (10). Изнутри металлические стенки ЕУ облицованы листовым стеклом (11), что позволяет обеспечить надежную и долговременную защиту от миграции радионуклидов из цементного компаунда упаковки (12) за её границы.

Единичные упаковки (6) укладываются промышленным манипулятором (4) послойно с соблюдением требуемого зазора между боковыми гранями, который, после полной укладки слоя (яруса), заполняется бентонитовой (монтмориллонитовой) глиной или её смесью (Фиг.3, 13). Затем производится покрытие всего слоя ЕУ ровным слоем бентонитовой глины (14), после чего укладывается следующий слой ЕУ.

Для обеспечения возможности использования промышленным манипулятором вакуумного захвата высота ЕУ должна быть ограничена, чтобы атмосферное давление обеспечило надежное прижатие упаковки к захвату. Для этого необходимо выполнение условия по допустимой высоте ЕУ исходя из соотношения:

,

где h_ЕУ – максимальная высота единичной упаковки, см;

F_ЕУ – площадь основания призмы ЕУ, cм²;

F_вак – площадь вакуумного захвата, cм²;

P_вак – давление вакуумирования, кг/см²;

P_ат – давление атмосферное, кг/см²;

ρ_ЕУ – средняя плотность единичной упаковки, кг/см².

Для повышения уровня долговременной зашиты от миграции опасных радионуклидов дополнительно к заполнению зазоров между ЕУ бентонитовой глиной устанавливают слои листового стекла. После коррозионного разрушения металлических оболочек ЕУ роль надежных барьеров, препятствующих миграции опасных радионуклидов примет на себя стекло, которое может сохранять свои свойства тысячелетиями. Образование трещин в стекле слабо повлияет на его изолирующие свойства, так как щели заполнятся частицами бентонитовой глины.

Заявленный способ окончательной изоляции отвержденных РАО разного класса соответствует реальному распределению объемов накопленных РАО, например, жидких радиоактивных отходов. Основная их часть относится к РАО с низким и очень низким уровнем радиоактивности (НАО и ОНАО). Поэтому, после кондиционирования ЖРО в цементном компаунде и заполнения этим компаундом ЕУ, количество единичных упаковок с НАО и, особенно, ОНАО будет многократно превосходить количество ЕУ со средним и высоким уровнем активности (САО и ВАО). ЕУ с ОНАО не представляют большой угрозы для окружающей среды, но, исходя из их количества, могут служить хорошим и долговременным инженерным барьером с гарантированными параметрами радиационной защиты от выхода опасных радионуклидов из пункта захоронения в течение тысячелетий. Поэтому вся периферийная область кладки формируется из ЕУ с низким и очень низким уровнем радиоактивности (НАО и ОНАО), которые по объему кладки должны занимать не менее 60% от общего объема. Таким образом, решая проблему накопления больших объемов НАО и ОНАО, одновременно решается инженерная проблема надежной долговременной изоляции опасных радионуклидов в относительно простом и надежном инженерном сооружении с хорошо просчитываемыми параметрами долговременности защиты.

Простота технологии производства упаковок, их заполнения цементным компаундом и герметизации, а так же низкая стоимость листовой стали, листового стекла и глины обеспечивают экономичность заявляемого способа. Это позволяет создать стандартизированное оборудование для производства ЕУ, что исключит затраты предприятий на проектирование и производство собственных систем формирования единичных упаковок с цементным компаундом различного класса радиационной опасности. Транспортировка ЕУ к пункту окончательной изоляции должна производиться с использованием специально разработанных для этого транспортно-упаковочных комплектов (ТУК), что обеспечит выполнение всех требований нормативных документов по безопасной транспортировке РАО.

Использование заявляемого изобретения позволит повысить надежность длительной изоляции захоронения РАО и её эффективность, а также снизить затраты на окончательную изоляцию и дозовые нагрузки на персонал при работах по захоронению РАО.

Изобретение относится к способам подготовки и захоронения радиоактивных отходов (РАО). Способ включает формирование герметичных унифицированных металлических единичных упаковок (ЕУ) с отвержденными РАО и повышенной защитой от миграции радионуклидов. ЕУ с более опасными РАО размещаются ближе к центру массива кладки, чем с менее опасными. Металлический корпус единичной упаковки облицован изнутри слоем глинистой смеси и прилегающим к глинистой смеси листовым стеклом. Изобретение позволяет совместить захоронение (окончательную изоляцию) в одном инженерном сооружении всех классов отверждённых РАО – от очень низкоактивных (ОНАО) до среднеактивных (САО) и, после длительной выдержки, высокоактивных радиоактивных отходов (ВАО). 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ захоронения радиоактивных отходов, включающий доставку отвержденных РАО различного уровня радиоактивности в унифицированных металлических единичных упаковках (ЕУ) от их производителей к пункту окончательной изоляции, выполненных в форме правильных призм, ЕУ, используя транспортно-перегрузочный механизм размещаются в кладке пункта на одном уровне с обеспечением проектных зазоров между ними, формируя тем самым ярус кладки, после чего верхнюю часть ЕУ и все зазоры между ними покрывают глинистой смесью на основе монтмориллонитовой глины, замыкая индивидуальную изоляцию каждой ЕУ сформированного яруса глинистой смесью и формируя площадку-основание для следующего яруса, на котором продолжают блочно-ярусное заполнение кладки до верхней проектной отметки, массив кладки ЕУ с отвержденными РАО различного уровня радиоактивности в пункте окончательной изоляции формируется таким образом, что ЕУ с более высоким уровнем радиационной опасности для окружающей среды размещаются ближе к центру кладки, чем ЕУ с более низким уровнем радиационной опасности, отличающийся тем, что металлический корпус единичной упаковки облицован изнутри слоем глинистой смеси и прилегающим к глинистой смеси листовым стеклом.

2. Способ захоронения радиоактивных отходов по п.1, отличающийся тем, что между ярусами дополнительно укладывается слой листового стекла.

3. Способ захоронения радиоактивных отходов по п.1 и 2, отличающийся тем, что между боковыми гранями ЕУ дополнительно укладывается слой листового стекла.

4. Способ захоронения радиоактивных отходов по п.1, отличающийся тем, что при транспортно-перегрузочных операциях с ЕУ используется вакуумный захват, а высота ЕУ не превышает значения, определяемого по формуле

,

где h_ЕУ – максимальная высота единичной упаковки, см;

F_ЕУ – площадь основания призмы ЕУ, cм²;

F_вак – площадь вакуумного захвата, cм²;

P_вак – давление вакуумирования, кг/см²;

P_ат – давление атмосферное, кг/см²;

ρ_ЕУ – средняя плотность единичной упаковки, кг/см².