Способ космической изоляции радиоактивных отходов Советский патент 1993 года по МПК G21F9/34 

Заявляемое изобретение относится к области способов и средств для изоляции радиоактивных отходов (РАО) атомных-элек- тростанций и других ядерных производств в космическом пространстве.

Цель изобретение состоит в уменьшении затрат на формирование безвозвратной орбиты изоляции РАО посредством их вакуумной сублимации с последующим выносом солнечным ветром и световым давлением из пределов Солнечной системы.

В указанном способе поставленная цель достигается тем, что перед контейнеризацией формируют матрицы из химически инертных отвержденных соединений РАО, помещают совокупность матриц в контейнер и выводят его на круговую гелиоцентрическую орбиту, не примыкающую к орбитам планет Солнечной системы. Затем для обеспечения вакуумной сублимации РАО отделяют матрицы от контейнера. Размеры отдельной матрицы и состав смеси радионуклидов в матрице с учетом скорости распада каждого из радионуклидов выбирают из условия обеспечения равновесной температуры матриц достаточной для полной вакуумной сублимации РАО за период времени, не превышающий гарантированное время устойчивости выбранной гелиоцентрической орбиты.

При космической изоляции особо опасных долгоживущих РАО (из отходов отрабо00

со о к ел

00

тайного ядерного топлива это йод, технеций, цирконий, нептуний, америций и кюрий) к матрицам из этих отходов предъявляются достаточно противоречивые требования. Так, при удалении РАО из сферы действия Земли желательно, чтобы они были тугоплавкими, высокопрочными и химически инертными. Это связано с тем, что в процессе подготовки и осуществления программы изоляции РАО возможно воз- ник,новение нештатных ситуаций, приводя щих к взрыву и пожару на старте, аварийному возвращению контейнера с РАО на Землю и. т.п. Чтобы подобные события не привели к экологическим катастрофам и используется отверждение РАО в химически инертных формах, Наиболее распространенным методом отверждения РАО признано включение оксидов продуктов деления в борсиликатную, фосфатную или бо- рофрсфатную матрицу, т.к. стекло будучи нестехмометрическим соединением при нагревании способно растворять, а при последующем охлаждении довольно прочно удерживать сложную смесь оксидов радионуклидов и.-продуктов коррозии. Получаемый продукт (50...ТОО кг стекломассы на тонну РАО) обладает высокой химической и радиационной стойкостью, является изотропным и непористым.

С другой стороны в обеспечении приемлемого времени вакуумной сублимации РАО, которые уже находятся на гелиоцентрической орбите, термическая стойкость является фактором нежелательным, поскольку тугоплавкие материалы имеют низкую скорость испарения в вакууме. Однако если нет другой возможности обеспечить безопасность при удалении контейнера с РАО из сферы действия Земли, с этим приходится мириться и, чтобы обеспечить приемлемые сроки сублимации РАО, отправить их в космос не в виде единой монолитной матрицы, а помещая в контейнер совокупность большого числа малоразмерных матриц. Учитывая достаточно низкий уровень остаточного тепловыделения РАО, принятых для удаления в космос (максимальный уровень 300 Вт/кг для композиций АтаОз + +СтаОз. для других радионуклидов существенно ниже) равновесная температура даже с учетом внешнего солнечного облучения будет достаточно низка (300...350 К). Для тугоплавких соединений РАО с температурой плавления 2500...2600 К при указанной равновесной температуре скорость испарения составит 1 мкм/год (см.справочник Особо тугоплавкие элементы и соединения, М., Металлургия , 1969). Загрузка контейнера матрицами микронных размеров представляется бесперспективной с точки зрения безопасности при контейнеризации РАО и в случае аварийных ситуаций при

запуске в космос, приводящих к нарушению целостности контейнера. Минимально реальными представляются матрицы с характерным размером 0,5...2 см. Отсюда следует вывод о том, что вакуумная сублимация РАО

будет продолжаться по меньшей мере сотни лет. Оценим также потребное время для удаления атомов и молекул РАО из Солнечной системы. Среднее время фотоионизации на орбите Земли составит 1... 10 суток

5 (для потока ультрафиолетового излучения (2...3) 1011 фотонов/см2 -с при принятом эффективном поперечном сечении фотоионизации 3-10 ..-3. см2). Средняя скорость потока плазмы солнечного ветра

0 400 км/с и средняя плотность на орбите Земли 3 108 частиц/см2 -с. Несущая с собой вмороженное магнитное поле плазмы солнечного ветра за счет электродинамических сил захватывает в общий поток заряженные

5 ионы. Оценки показывают, что время такого захвата составляет 1000 с, т.е. мало даже по сравнению с временем ионизации, При тепловой скорости атомов, не превышающей 0,5 км/с (это условие для РАО выполняется

0 с запасом), за максимальное время ионизации (106 с) их пробег не превысит 0,5 млн.км. Отсюда следует важный вывод о том, что если РАО в атмосферном виде находятся вне сферы действия Земли (более 1 млн.км),

5 то за суммарное время ионизации и захвата магнитным полем РАО не успеют проникнуть внутрь магнитосферы Земли (ее радиус менее 0,2 млн.км) и не смогут вернуться на Землю, т.е. вакуумную сублимацию РАО

0 необходимо производить на гелиоцентрической орбите.

Потоком солнечного ветра и под действием светового давления атомы (молекулы) 5 РАО будут вынесены к границам гелиосфе- ры (100...200 а.е.) за время 400...800 суток). Отсюда следует, что время испарения матрицы РАО будет определяющим в обеспечении удаления РАО из пределов Солнечной

0

5

системы и составит величину порядка 103...104 лет. Естественно, что в течение всего этого срока выбранная гелиоцентрическая орбита должна сохранять устойчивость. Непригодными для этой цели представляются эллиптические гелиоцентрические орбиты из-за их чрезвычайной чув- ствительности к малым возмущениям. Более подходящими представляются круговые гелиоцентрические орбиты, но только те

из них, которые не примыкают к орбитам планет Солнечной системы (т.е. гарантированно не пересекаются со сферами действия планет и их спутников). Современная астрономия прогнозирует устойчивость таких орбит в течение по меньшей мере 10 лет. .. „

Вышеприведенные оценки времени вакуумной сублимации относятся к матрицам безотносительно к их форме, вместе с тем возможно бесчисленное множество их различных конфигураций, что с одной стороны позволяет варьировать продолжительность испарения в вакууме матриц с РАО. а с другой - не дает возможности дать общие аналитические закономерности в обеспечении минимизации времени вакуумной сублимации фиксированной массы РАО. Ситуация осложняется и тем, что сублимации подвергается смесь РАО, причем отдельная матрица может быть сформирована из однородного химического соединения РАО или содержать смесь радионуклидов. Поясним сказанное несколькими примерами.

На фиг.1 и 2 показано изменение по времени размеров сферической и плоской однородных матриц, соответственно: на фиг.З - сферическая матрица, содержащая смесь радионуклидов.

Начальный габаритный размер однородных матриц показан сплошной линией (1), а остаточные размеры этих матриц через равные промежутки времени вакуумной сублимации представлены пунктирными линиями (2-4). Для сферической матрицы характерно снижение темпа-испарения по мере уменьшения ее размера, это обусловлено тем, что в случае поверхность матрицы уменьшается медленнее, чем объем, что приводит к снижению равновесной температуры. Скорость испарения для плоской матрицы постоянна по времени, но она существенно ниже, чем для сферической матрицы, что обусловлено большим отношением поверхности к объему. Весьма перспективной представляется сферическая матрица, центральная часть (5) которой заполнена горячими радионуклидами, например, СтаОз (тепловыделение 3000 Вт/кг), средняя (6) - теплыми, например, смесью Np02 и АтаОз (тепловыделение 130 Вт/кг), а наружная (7) - холодными, например, смесью Тс02 и ZrOa (тепловыделение 0,01 Вт/кг). В этом случае сублимация холодных, а потом и теплых радионуклидов обеспечивается теплом горячих РАО, что позволяет расширить номенклатуру радионуклидов, которые могут

быть изолированы вакуумной сублимацией вне пределов Солнечной системы. Однако необходимо отметить, что представленная картина является упрощенной, поскольку

основное тепловыделение обеспечивается изотопами радионуклидов, период полураспада которых меньше характерного времени испарения матрицы в РАО.

Уменьшение затрат на формирование

безвозвратной орбиты изоляции РАО в результате использования предлагаемого изобретения может быть оценено, если учесть различие в энергозатратах на формирование этих орбит. Критерием энергозатрат

в данном случае выступает потребное изменение характеристической скорости ( AVX). Его значение для прототипа в случае прямого удаления из Солнечной системы составляет AVX 5,5 км/с, а при удалении из

сферы действия Солнца с гравитационным маневром у Юпитера - AVX 3,25 км/с. Рассматриваемое предложение позволяет уменьшить значение изменения характеристической скорости до 1,85 км/с при выводе

контейнера с РАО на круговую гелиоцентрическую орбиту радиусом 0,8 а.е. (между орбитами Земли и Венеры) и до 1,2 км/с при удалении на такую же орбиту радиусом 1,2 а.е, (между орбитами Земли и Марса). В результате достигается уменьшения затрат на формирование безвозвратной орбиты изоляции РАО в 1,8...3,5 раза.

35

Формула изобретения

Способ космической изоляции радиоактивных отходов (РАО), включающий отверждение и контейнеризацию РАО, их удаление из сферы действия Земли и последующее

формирование безвозвратной орбиты изоляции РАО, отличающийся тем, что, с целью уменьшения затрат на формирование безвозвратной орбиты изоляции РАО посредством их вакуумной сублимации с последующим выносом солнечным ветром и световым давлением из пределов Солнечной системы, перед контейнеризацией формируют матрицы из химически инертных отвержденных соединений РАО, помещают

совокупность матриц в контейнер и выводят его на круговую гелиоцентрическую орбиту, не примыкающую к орбитам планет Солнечной системы, а затем отделяют матрицы от контейнера, причем размеры

отдельной матрицы и состав смеси радионуклидов в матрице с учетом скорости распада каждого из радионуклидов выбирают из условия обеспечения равновесной температуры матриц, достаточной для полной

вакуумной сублимации РАО за период времени, не превышающий гарантированное

время устойчивости выбранной гелиоцентрической орбиты.

Использование: изобретение относится к области способов и средств для изоляции радиоактивных отходов (РАО) атомных электростанций и других ядерных производств в космическом пространстве. Сущность изо- бретения: с целью уменьшения затрат на формирование безвозвратной орбиты изоляции РАО посредством их вакуумной сублимации с последующим выносом солнечным ветром и световым давлением из пределов Солнечной системы. Предлагается перед контейнеризацией формирование матриц из химически инертных отвержден- ных соединений РАО. Затем контейнер с РАО выводят на круговую гелиоцентрическую орбиту, не примыкающую к орбитам планет Солнечной системы, и для обеспечения вакуумной сублимации РАО отделяют матрицы от контейнера, причем размеры отдельной матрицы и состав смеси радионуклидов в матрице с учетом скорости распада каждого из радионуклидов выбирают из условия обеспечения равновесной температуры матриц, достаточной для полной вакуумной сублимации РАО за период времени, не превышающий гарантированное время устойчивости выбранной гелиоцентрической орбиты. 3 ил.