Способ захоронения высокоактивных отходов Советский патент 1993 года по МПК G21F9/24 

Ё

Использование: захоронение высокоактивных отходов в скважинах гео логических формаций. Сущность изобретения в скважине по ее высоте устанавливают нагреватель стенок породы с помощью которого нагревают скважину до температуры, превышающей температуру хранения отходов, но не выше температуры разрушения породы в прискважинной зоне., После нагрева опускают контейнеры. Подбор их диаметров осуществляют исходя из условия , чтобы после остывания нагретой породы зазоры между стенками скважины и контейнера исчезли. 1 табл.

Изобретение относится к переработке радиоактивных отходов (РАО), в частности к захоронению отходов высокого уровня активности. Наиболее эффективно предлагаемый способ может быть использован на предприятиях радиохимических производств и на центрированных пунктах захоронения радиоактивных отходов, особенно твэ- лов.

Способы захоронения высокоактивных отходов известны. Обычно их захоранивают в металлических контейнерах, бочках и т„д., в специально оборудованных хранилищах, созданных в геологических формациях или выработанных шахтах. В хранилище контейнеры с отходами устанавливают штабелями, заполняя пустоты между еамими контейнерами и между контейнерами и стенками хранилища водонерастворимым после отверждения раствором (1).

Недостатком-этих способов является их высокая стоимость, связанная с затратами на оборудование хранилища и его герметизацию, а также сложность технологии заполнения пустот водонерастворимым после отверждения материалом.

Необходимость заполнения пустот между стенками хранилища и контейнера, а также между самими контейнерами обусловлена тем, что в этих зазорах под влиянием выделяемого отходами тепла циркулирует воздух, вынося, с одной стороны, в окружающую среду радионуклиды в виде горячих аэрозолей, а с другой, поставляя к контей- |нерам свежие порции кислорода, способствующих коррозии поверхностей

V4 СО

fc

ю о

контейнеров,, Все это приводит к снижению безопасности и надежности захоронения отходовс

В последнее время получили расп- ространение способы захоронения высокоактивных отходов в отработанных нефтяных, газовых и специально пробуренных в геологических формациях скважинаХо При этом отходы в упаков- ках опускаются в скважины, а последние герметизируются (2)0 Однако, наличие пустот между упаковками и стенками скважины приводит также к циркуляции воздуха внутри скважины и меж- |ду упаковками, способствуя тем самым коррозии поверхностей упаковокс Коррозии поверхностей упаковок способствует также вода, находящаяся в микротрещинах породы (естественных, технологических), которая вместе с воздухом под воздействием мощного радиационного поля подвергается ра- диолизУс Основными продуктами радио- лиза являются оксиды азота, азон и дрс В присутствии воды диоксид азота образует ШО, которая при многократном увлажнении и высыхании концентрируется на поверхности упаковок, стенок скважины и микротрещины поро- ды. Все это приводит к коррозии упаковок, которая увеличивается при озонировании воздухас Следствием этих причин является разгерметизация упаковок, в процессе хранения, и вынос радионуклидов в окружающую среду, Toe снижение безопасности и надежности захоронения отходовс

В связи с этим при захоронении высокоактивных отходов в скважинах также стремятся ликвидировать зазоры между контейнером и стенками скважины путем заливки в скважину после опускания контейнеров с отходами расплава металла „

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ захоронения высокоактивных отходов в скважины, в котором в зазоры через цилиндрический элемент вводят гравий, затем опускают нагревательный элемент и нагревают гравий до температуры плавления (1000-1500°С) и плавят его (3).

Недостатками данного способа является следующее,,

Указанная операция обеспечивает герметизацию только в природной части скважиньи После опускания контейнера в скважину пустоты между

g 0 5 0 .

Q 5

5

стенками скважины и контейнером остаются, так как при следующей заброске гравия последний не всегда попадает в эти пустоты и не всегда проп лавляется при нагреве и плавлении (проплавляется только верхняя часть гравия)0 Опасность растрескивания породы в прискважинной зоне при плж лении r-равия порциями (сначала )- природной части скважины, затем пос ле опускания контейнера с отходами)0

Указанные недостатки снижают безопасность и надежность захоронения высокоактивных отходов,, Кроме того, существенным недостатком является сложность технологии заполнения пустот в скважине (установка на скважине необходимого оборудования для подготовки заливки или заброски материала, заполняющего пустоты, наличие самого материала и т„дс)„

Целью изобретения является повышение безопасности и надежности захоронения высокоактивных отходов в скважине с одновременным упрощением технологии захоронения

Указанная .цель достигается тем, что непосредственно перед операцией захоронения высокоактивных отходов в скважину последнюю нагревают по всей высоте до температуры ТМС 200°С и не выше температуры термического разрушения породы в прискважинной зоне (Трп.); после чего в скважину опускают упаковки с отходами, при этом диаметры упаковок с отходами и скважины удовлетворяют соотношению

i + о1(т,р -TO) TOO Ј «Ф

+ Х(ТИ,С- Te)- 100%,

где Т) ц - диаметр упаковки с высоко активными отходами; - диаметр скважины об - эффективный коэффициент

термического расширения породы ;

Т„р - температура хранения упако- г вок;

TO - начальная температура в скважине и герметизируют выходной конец скважиныс Новым в предлагаемом способе является нагрев скважины по всей рабочей высоте до температуры не ниже 20Р С и не выше температуры разруше5

ния породы; соотношение диаметров упэ ковок с отходами и скважины (Du/Dc), которое удовлетворяет выражению

i (т(р-тв) 100% 2 т +

+ Х (TMiC- Т0) 100%.

Указанные отличительные признаки позволяют использовать эффекты теплового расширения и сжатия различных материалов Причем при нагреве породы в скважине в указанном интервале температур диаметр скважины увеличивается и упаковка с высокоактивными отходами свободно проходит в скважину В процессе естественного остывания происходит термическое сжатие скважины и одновременный обхват стенками скважины упаковки с высокоактивными отходами, ликвидируя тем самым зазоры между упаковкой и скважиной по всей высоте Кроме того, при нагреве скважины в указанном интервале температур испаряется полностью вола из скважины я микротрещин в прискважинной зоне, а воздух высушивается„ И так как скважина герметизирована, зазоры между упаковками и стенками скважины отсутствуют, то влияние водно- воздушной среды на поверхности упаковок практически устраняется и, следовательно, сроки появления коррозии поверхности упаковок значительно удлиняются, что приводит к повышению безопасности и надежности хранения упаковок в скважине

Способ осуществляется следующим образом

В породе (соль, гранит, базальт и дро) бурят скважину с диаметром « Пс 0,k м (на глубину 10-12 м) „ После, этого в скважину опускают линейный нагреватель и обогревают скважину рг тех пор, пока не достигается Т„.с 200°С, но не выше Т „р. в присквлжинной зоне, Пля разных пород температура разрушения (Т р|Г1 ) имеет следующие значения: для каменной соли 801°С; для базальта 1100 - 1250вСо В связи с этим время рева при использовании одного нагревателя также будет разным. При нагреве Dc за счет термического расширения породы увеличивается на ol(THC-T0) 100%, После достижения температуры свыше 200°С вынимают нагре3 96б

вательи опускаю в скважину упаковки с высокоактивными отходами, и после наполнения скважины с упаковками она герметизируется заглушкой. Так как диаметр упаковки будет меньше, чем диаметр скважины, то упаковка с высокоактивными отходами свободно проходит в ствол скважины В проJQ цессе естественного остывания за счет термического сжатия происходит схватывание упаковок скважины, т„е диаметр скважины TV уменьшается на величину о(,(Тур- Т0 ) , 100% и стано15 вится практически равным диаметру упаковки , ликвидируя тем самым зазоры между стенками скважины и поверхностью упаковки или поверхностями упаковок. R процессе нагрева

20 скважины из нее удаляется путем испарения водная среда, а сама скважина с прилежащей к ней зоной высушивается. Высушивается также и воздух, который вытесняется из скважины при

25 опускании в нее упаковок с отходами и сжатии породы при остывании.

Нижняя граница температурного интервала нагрева, т0е„ нагрев не ниже 200°С, обусловлена тем, что как пока-30 эывают эксперименты, существует наличие остаточной влаги на стенках скважины и в микротрещинах породы в прискважинной области, а верхняя граница не выше Тр.п тем, что при Т

35

7 Т

рп происходит разрушение породы

в прискважинной зоне, и тем самым увеличивается вероятность появления пустот, в которых может циркулировать воздух

40 Примеры проведенных экспериментов по захоронению упаковок с высокоактивными отходами в скважины приведены в таблице, при этом Pu Dc

0,0 мме

Из таблицы видно, что при изменении температуры породы в прискважинной зоне на 90-150°С не происходит полного удаления водной среды со стен°к скважины, выполненной как в каменной соли, так и граните. При этом диаметр скважины увеличивается на незначительную величину, что приводит к трудностям установки упаковок с отходами в скважину, выполненную в каменной соли. В случае нагрева скважины в каменной соли до ТИс 800°С порода в рабочей зоне наминает разрушаться, а в граните это явление

начинает происходить при Т значительно более высоких,, Таким образом, нагрев в интервале температур от 200°С до 600 С для скважины в камен- ной соли и граните оказывается достаточным для полного испарения воды, находящейся в скважине и микротрещинах породы, и ликвидации зазоров между стенками скважины и упаковками, т.е. устранение причин возникновения коррозии на поверхности упаковок.

Улучшение условий хранения упаковок с высокоактивными отходами (отсутствие водной среды, ликвидация за зоров между стенками скважины и упаковкой, минимальный объем сухой воздушной среды) приводит к более безопасному и надежному хранению упаковок с отходами в течение длительного времени Использование предлагаемого изобретения снижает затраты на процесс захоронения высокоактивных отходов по сравнению с известными и упрощает сам процесс захоронения 0

Р

Формула изобретения

Способ захоронения высокоактивных отходов в скважинах геологических формаций, включающий бурение скважины и размещение в ней упаковок с высокоактивными отходами и герметизации скважины, отличающийся тем, что, с целью повы-

Гранит

1000

0,9

20

шения безопасности и надежности захоронения упаковок с отходами путем исключения влияния водновоздушной среды на поверхности упаковок с одновременным упрощением процесса захоронения, скважину перед захоронением в нее упаковок с отходами нагревают до температуры Тис

200 Г.

Ти.с Т

рп

Тис Т р,п

-температура нагрева скважины, °С;

-температура разрушения породы скважины при нагреве, °С,

а диаметр скважины и диаметр упаковок с отходами выбирают исходя из соотношения

О + (тхр -т0)

+ Х(Тн.с - Т0)-100$ ,

1

де Du - диаметр упаковки с высокоактивными отходами; - диаметр скважины; ос - эффективный коэффициент термического расширения; начальная температура в скважине;

температура хранения упаковок с отходами; температура в нагретой скважине

Р.

Т.

н.с

влаги в микротрещинах породы Скважина сухая. При помещении упаковок после остывания отсутствуют зазоры

То же

Порода вблизи стенок скважин разрушается

Наличие влаги на стенках скважины

Наличие остаточной влаги на стенках скважины

173М96tO

Продолжение таблицы

2000,16Скважина сухая. При

помещении упаковок после остывания отсутствуют зазоры

6000,5 То же

8000,70