Способ космической изоляции радиоактивных отходов и разгонный блок для его осуществления Советский патент 1993 года по МПК G21F9/34 

Заявляемая группа изобретений относится к области способов и средств для изоляции радиоактивных отходов (РАО) атомных электростанций и других ядерных производств в космическом пространстве.

Цель изобретения состоит в увеличении относительной массы удаляемых РАО в составе ракетно-космических средств за счет использования радиогенных газов в качестве рабочего тела ракетного двигателя при работе второй ступени разгонного блока (вне сферы действия Земли). Вместе с тем, имея в виду не абсолютную надежность ракетно-космических средств, необходимо избежать при возникновении нештатных ситуаций (задержка реализации космической изоляции РАО, аварийное возвращение контейнера в сферу действия Земли или невыход его из этой сферы) разрушения контейнера внутренним давлением накопившихся радиогенных газов и последующего экологического заражения биосферы Земли.

При штатной реализации программы космической изоляции РАО поставленная цель достигается тем, что в указанном способе при контейнеризации РАО в их состав вводят а-излучающие радионуклиды с пе00

со

О XI ГО

К

со

риодом полураспада порядка 1...10 лет и герметизируют полость контейнер, а вне сферы действия Земли разгерметизируют полость.контейнера и подают радиогенные газы на вход ракетного двигателя. Введение в состав удаляемых РАО а-излучапгел.ей обусловлено тем, что они являются источником радиогенного гелия,

Рассмотрим возможный состав «-излучателей на примере космической изоляции особо опасных долго-живущих РАО атомных электростанций. В отработанном ядерном топливе (ОЯТ) к числу долгоживущих радионуклидов относятся нептуний-237, амери- ций-241 и 243 и кюрий-245, 246, 247 и 248, Однако из-за большого периода полураспада их газовыделение ничтожно, вместе с тем указанные актиноиды присутствуют в отходах в смеси с другими своими изотопами, разделение которых является крайне дорогостоящей операций. Проведенные оценки локазывают, что радионуклиды с периодом полураспада, существенно меньшим одного года, хотя и обеспечивают большое газовыделение, за период космической изоляции вплоть до завершения формирования безвозвратной орбиты успевают практически полностью разложиться, а в случае задержки реализации космической изоляции РАО эти радионуклиды просто не успевают сработать. С другой стороны, согласно выполненным оценкам, для радионуклидов с периодом полураспада, существенно большим 10 лет, за время реализации акта космической изоляции РАО выход радиогенных газов составляет лишь незначительную долю потребного запаса рабочего тела при работе разгонного блока второй ступени. Так, время между снаряжением контейнера РАО и запуском ракеты-носителя может составлять от недели до полугода. Вывод на околоземную опорную орбиту и удаление контейнера из сферы действия Земли, как правило, не превышает нескольких суток, а процесс формирования безвозвратной орбиты при использовании электроракетных двигателей (ЭРД) малой тяги может продолжаться до полутора лет. Таким образом, в качестве рабочего тела ЭРД могут использоваться радиогенные газы за два года распада радионуклидов.

Рассмотрим выход гелия из типичной дяя ОЯТ смеси изотопов кюрия, среди которых значительный выход радиогенных газов обеспечивают кюрий-242 (период полураспада Ii/2 0,442 года, массовая доля в отработанном топливе m 4 г/т) и кюрий-244 CTi/2 18,1 года, т в 41 г/т). Смесь изотопов кюрия генерируют. 10 атомов гелия в

секунду из грамма смеси. Учитывая изотопный состав всех рассматриваемых актиноидов, нетрудно убедиться, что одна тонна РАО за год генерирует 2,0...2,5 кг гелия. При

этом целесообразно использовать и тот газ, который накоплен за время между снаряжением контейнера РАО и началом формирования безвозвратной орбиты. Поэтому сразу по снаряжении контейнера герметизируют его полость и только вне сферы действия Земли разгерметизируют полость контейнера и подают радиогенные газы на вход ракетного двигателя. Таким образом, при изоляции в космос особо опасных РАО

из состава ОЯТ целесообразно снаряжать контейнер до выгорания кюрия-242.

Для исключения разрушения контейнера с РАО внутренним давлением радиогенных газов в случае длительной (в

рассматриваемом примере более полугода) задержки реализации космической изоляции РАО периодически дренируют полость контейнера, а в случае возникновения нештатных ситуаций, приводящих к аварийному возвращению контейнера в сферу действия Земли или к невыходу его из этой сферы, сразу по выявлению аварийной ситуации необратимо сообщают полость контейнера с окружающей средой. Последнее

необходимо, поскольку при падении контейнера (естественно, он подразумевается неразрушаемым при ударе) на грунт или в воду он может быть не обнаружен достаточно долгое время.

Цели группы изобретений в предлагаемом блоке достигается тем, что он снабжен магистралью подвода радиогенных газов из полости контейнера к ракетному двигателю второй ступени ускорителя и запорным устройством в этой магистрали. Сам удаляемый контейнер снабжен для предотвращения его разрушения накопившимися радиогенными газами дренажным клапаном и нормально закрытым пироклапаном. Одна или

несколько матриц отвержденных РАО размещаются в полости контейнера с зазорами друг по отношению к другу и со стенками полости контейнера, причем объем свободной от РАО части этой полости должен быть

достаточным для накопления радиогенных, газов без разрушения контейнера в течение периода времени между контейнеризацией РАО и началом формирования безвозвратной орбиты (в рассматриваемом примере в течение полугода).

.На фиг.1 схематично представлен разгонный блок для космической изоляции РАО; на фиг,2 - пневмосхема двигатеАьной

установки второй ступени ускорителя разгонного блока.

Разгонный блок для космической изоляции РАО состоит из удаляемого контейнера (1) с матрицами отвержденного РАО (2). двух ступеней ускорителя (3,4), стыковочных элементов (5, 6) и головного обтекателя (7). Ускоритель первой ступени (3) содержит двухкомпонентный ЖРД (8) с управляющими клапанами (9, 10), два топливных .бака (11, 12) с жидким компонентами (13, 14). Ускоритель второй ступени (4) включает в себя ракетный двигатель малой тяги (15) с управляющим клапаном (16) и топливный бак (17) с запасом штатного рабочего тела (18). Дополнительно разгонный блок снабжен магистралью (19) подвода радиогенных газов из полости (20) контейнера (1) к ракетному двигател ю (15) второй ступени (4) ускорителя и запорным устройством (21) в этой магистрали (19). Удаляемый контейнер (1) снабжен также дренажным клапаном (22) для сброса избыточного давления радиогенных газов в полости (20) контейнера (1) при задержке реализации космической изоля- ции РАО и нормально закрытым пироклапа- ном (23) для необратимого сообщения полости (20) контейнера (1) с окружающей средой сразу по выявлению аварийной ситуации, приводящей к возвращению кон- тейнера в сферу действия Земли или к невыходу его из этой сферы. Матрицы (2) отвержденных РАО размещены в полости (20) контейнера (1) с зазорами (24, 25) друг по отношению другу и со стенками полости контейнера.

Использование предполагаемый группы изобретения при космической изоляции РАО позволит на 3-4 кг увеличить массу отходов при удалении 1 т РАО, Это, на пер- вый взгляд, немного, однако, учитывая предполагаемую широкомасштабность реализации программы, а также то, что согласно оценкам, космическая изоляция РАО будет обходиться примерно 0,3 млн.долла- ров за килограмм РАО, данное предложение при удалении, тонны РАО позволяет сэкономить приблизительно миллион долларов.

Формула изобретения

1. Способ космической изоляции радиоактивных отходов (РАО), включающий отверждение и контейнеризацию (РАО), и удаление из сферы действия Земли и последующее формирование безвозвратной орбиты изоляции РАО, отличающийся тем, что, с целью.увеличения относительной массы удаляемых РАО в составе ракетно-космических средств, при контейнеризации РАО в их состав вводят а-излучающие радионуклиды с периодом полураспада порядка 1-10 лет и герметизируют полость контейнера, а вне сферы действия Земли разгерметизируют полость контейнера и подают радиогенные газы на вход ракетного двигателя.

2.Способ по п. 1, от л и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью исключения разрушения контейнера с РАО внутренним давлением радиогенных газов в случае задержки реализации космической изоляции РАО, периодически дренируют полость контейнера.

3.Способно пп.1 и 2, отличающийся тем, что, с целью исключения разрушения контейнера с РАО внутренним давлением радиогенных газов в случае возникновения нештатных ситуаций при изоляции РАО, приводящих к аварийному возвращению контейнера в сферу действия Земли или к невыходу его из этой сферы, сразу по выявлении аварийной ситуации необратимо сообщают полость контейнера с окружающей средой.

4.Разгонный блок для космической изоляции радиоактивных отходов, содержащий контейнер с отвержденными РАО и двусту- пенчатый ускоритель, в состав каждой ступени которого входит двигательная установка, включающая ракетный двигатель с управляющими клапанами и один или несколько топливных баков со штатными рабочими телами, отличающийся тем, что разгонный блок снабжен магистралью подвода радиогенных газов из полости контейнера к ракетному двигателю второй ступени ускорителя и запорным устройством в этой магистрали, а контейнер снабжен дренажным клапаном и нормально закрытым пироклапаном, причем одни или несколько матриц отвержденных РАО размещены в полости контейнера с зазорами между ними и со стенками полости контейнера.

L; 24

Использование: изобретение относится к области способов и средств для изоляции радиоактивных отходов (РАО) атомных электростанций и других ядерных производств в космическом пространстве. Сущность изобретения: с целью увеличения относительной массы удаляемых РАО в составе ракетно-космических средств, предполагав ется при контейнеризации РАО введение в их состав а -излучающих радионуклидов с периодом полураспада 1...10 лет. радиогенные газы которых вне сферы действия Земли используются в качестве рабочего тела ракетного двигателя второй ступени разгонного блока наряду со штатным рабочим телом. В разгонном блоке это обеспечивается наличием магистрали подвода радиогенных газов из полости контейнера с РАО к ракетному двигателю второй ступени. Матрицы с РАО установлены в полости контейнера с зазорами друг по отношению другу и со стенками полости контейнера. Для парирования нештатных ситуаций контейнер снабжен дренажным клапаном и нормально закрытым пи- роклапаном. 2 с. и 2 з.п.ф-лы, 2 ил.