ПОДЗЕМНЫЙ МОГИЛЬНИК ДЛЯ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ Советский патент 1996 года по МПК G21F9/24 

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано при подъемной локализации радиоактивных отходов (РАО).

Целью изобретения является повышение надежности захоронения за счет исключения процессов миграции радионуклидов за пределы могильника.

Поставленная цель достигается тем, что в подземном могильнике радиоактивных отходов, включающем расположенные в вечномерзлой породе горные выработки, в рабочем объеме которых установлены контейнеры с радиоактивными отходами, рабочие объемы выработок расположены в зоне сливающейся мерзлоты сплошного распространения на глубине выбираемой из соотношений
Н₁ > H_ак + R₀,
Н₂ < H_м R₀, где Н₁ глубина расположения верхней части рабочего объема горной выработки;
Н₂ глубина расположения нижней части рабочего объема горной выработки;
Н_ак граница зоны аккумуляции вечномерзлых пород;
Н_м нижняя граница (подошва) слоя вечномерзлых пород;
R₀ размер теплокомпенсационной зоны рабочего объема горной выработки, а расстояние L_i между соседними горными выработками выбрано из соотношения
L_i >R_0i, где R_0i размер теплокомпенсационной зоны рабочего объема каждой из соседних горных выработок.

Естественные свойства сливающихся многолетнемерзлых пород, в первую очередь, характеризуются отрицательными температурами и отсутствием влаги в свободном состоянии, что позволяет практически исключить приток подземных вод в подземный могильник или хранилище и, следовательно, миграцию радионуклидов за пределы зоны локализации. Кроме того, отсутствие кислорода, света, влаги в свободном состоянии существенно замедляет течение окислительно-восстановительных процессов в мерзлых породах. Это обстоятельство, в частности, существенно увеличивает срок службы инженерных барьеров, применяемых при подъемной локализации РАО.

Техногенные нагрузки на вмещающие породы возрастают при размещении РАО высокого уровня активности (ВАО), так как по своим свойствам ВАО являются тепловым источником с монотонно убывающим по времени (и поэтому конечным) энерговыделением. В результате энергетического взаимодействия ВАО с окружающим массивом пород изменяется естественное термодинамически равновесное состояние этих пород, что сопровождается появлением и распространением потоков тепловой энергии от теплового источника (ВАО) вглубь окружающего массива. Эти обстоятельства в случае мерзлых пород приводят к образованию зоны оттаивания вокруг теплового источника (ВАО). Таким образом, при локализации ВАО в многолетнемерзлых породах вокруг теплового источника (ВАО) возникает и развивается граница раздела фаз, по разные стороны которой вода, содержащаяся в породе, находится, соответственно, в талом и мерзлом состоянии. В результате этого вокруг теплового источника (ВАО) возникает замкнутая зона с положительной температурой, ограниченная поверхностью раздела фаз за пределами которой среда находится в естественном мерзлом состоянии с присущими ей в отношении РАО изолирующими функциями.

Распространение границы фронта протаивания вокруг теплового источника, размещенного в мерзлых породах, возможно лишь в том случае, если плотность расходящегося теплового потока, поступающего к каждому элементарному объему на этой границе, превышает, во-первых, энергозатраты на увеличение количества теплоты, которое накапливается в каждом элементарном объеме вследствие его теплопроводности, и, во-вторых, действия внутренних стоков тепла (энергозатраты на осуществление фазового перехода лед-вода в мерзлой породе). Следовательно, зона оттаивания вокруг теплового источника с монотонно убывающим во времени энерговыделением всегда будет ограничена по размерам и, более того, после достижения экстремума в своем развитии, в процессе дальнейшего энерговыделения в тепловом источнике начнет уменьшаться, вплоть до полного смерзания первоначально оттаявшей зоны.

Таким образом, разумный выбор характеристик теплового источника (ВАО), прежде всего мощности начального энерговыделения и степени его падения во времени, пространственно-геометрических условий развития тепловых процессов (например, цилиндрическая или сферическая симметрия), свойств окружающего массива мерзлых пород, позволит сформировать, зону оттаивания технологически приемлемых размером, за пределами которой мерзлые породы всегда будут находиться в естественном состоянии, тем самым исключая вынос радионуклидов за пределы этой зоны.

Размер теплокомпенсационной зоны определяется как максимально возможный размер зоны протаивания вокруг рабочего объема горной выработки с РАО в течение всего срока их локализации.

Размещение горной выработки и окружающей ее теплокомпенсационной зоны производится в толще сливающихся многолетнемерзлых пород сплошного распространения в зоне годовых нулевых амплитуд. Это исключает контакт теплокомпенсационной зоны с подмерзлотными водами, а также с зоной аккумуляции, где порода хотя и находится в мерзлом состоянии, но, тем не менее, подвержена сезонным колебаниям температур, что может вызвать соединение теплокомпенсационной зоны с зоной сезонного протаивания и, следовательно, вынос радионуклидов в надмерзлотные воды. Такой подход соответствует критериям МАГАТЭ, предъявляемым к подземному захоронению РАО.

На фиг.1, 2 показан предлагаемый подземный могильник.

Рабочие объемы горных выработок 1 размещены в сливающихся многолетнемерзлых породах в слое 2 нулевых годовых амплитуд. В рабочем объеме 1 выработок установлены контейнеры 3 с радиоактивными отходами. Горные выработки окружены теплокомпенсационной зоной 4. Рабочие объемы выработок с окружающими их теплокомпенсационными зонами расположения ниже границы зоны аккумуляции Н_к и выше подошвы слоя многолетнемерзлых пород Н_м. Расстояние L между выработками выбрано из условия, чтобы их теплокомпенсационные зоны не контактировали между собой, т.е. L > 2R₀. В качестве горных выработок могут быть использованы штольни, скважины, стволы, подъемные сооружения шахтного типа.

Могильник работает следующим образом.

В горные выработки 1 устанавливают контейнеры 4 с радиоактивными отходами. Затем производится закладка свободных пространств буферными материалами (например, бентонит и т.д. с последующей консервацией всего рабочего объема горных выработок. После этого производится консервация горных выработок в целом.

В процессе выполнения этих работ, начиная с момента подготовки рабочего объема горных выработок для последующего размещения там РАО и далее на других этапах работ, в горных выработках размещаются специальные системы контроля для организации системы геомониторинга на весь период функционирования такого могильника. После консервации подземного могильника, в случае размещения ВАО, вокруг такого могильника развивается зона оттаивания, которая плавно увеличивается до максимальных размеров, и затем начинается ее обратное смерзание по мере падения энерговыделения в тепловом источнике (ВАО), вплоть до полного ее смерзания.

По сравнению с прототипом предлагаемый могильник позволяет повысить надежность захоронения, исключить миграцию радионуклидов за пределы могильника.

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано при подземной локализации радиоактивных отходов. Подземный могильник представляет собой горные выработки, расположенные в вечномерзлой породе. При этом рабочие объемы выработок, в которых установлены контейнеры с радиоактивными отходами, расположены в зоне сливающейся мерзлоты сплошного распространения на глубине, выбираемой из соотношения Н₁ > Н_а к + R₀ Н₂ < Н_м - R₀, где Н₁ - глубина расположения верхней части рабочего объема горной выработки: Н₂ - глубина расположения нижней части рабочего объема: Н_а к - граница зоны аккумуляции вечномерзлых пород: Н_м - нижняя граница слоя вечномерзлых пород: R₀ - максимальный размер теплокомпенсационной зоны рабочего объема. Расстояние L₁ между соседники выработками выбрано из соотношения где R_o i - размер теплокомпенсационной зоны рабочего объема каждой горной выработки. Подземный могильник позволяет повысить надежность захоронения, исключить миграцию радионуклидов за пределы могильника. 2 ил.

ПОДЗЕМНЫЙ МОГИЛЬНИК ДЛЯ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ, включающий расположенные в вечномерзлой породе горные выработки, в рабочем объеме которых установлены контейнеры с радиоактивными отходами, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности захоронения за счет исключения процессов миграции радионуклидов за пределы могильника, рабочие объемы выработок расположены в зоне сливающейся мерзлоты сплошного распространения на глубине, выбираемой из соотношений
H₁ > H_а к + R₀,
H₂ < H_m - R₀,
где H₁ - глубина расположения верхней части рабочего объема горной выработки;
H₂ - глубина расположения нижней части рабочего объема горной выработки;
H_а к - граница зоны аккумуляции вечномерзлых пород;
H_m - нижняя граница слоя вечномерзлых пород;
R₀ - максимальный размер теплокомпенсационной зоны рабочего объема данной выработки,
а расстояние L между соседними горными выработками выбраны из соотношения

где R_o i - размер теплокомпенсационной зоны рабочего объема каждой из соседних горных выработок.