Способ космической изоляции радиоактивных отходов Советский патент 1993 года по МПК G21F9/36 

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

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

В указанном способе поставленная цель достигается тем, что перед контейнеризацией формируют твердотельные матрицы с РАО из мелкодисперсной, с размером частиц не более микрона, смеси радионуклидов и летучего наполнителя, помещают

совокупность матриц в контейнер и выводят его на эллиптическую гелиоцентрическую орбиту с периодом обращения 2...5 лет. Затем для обеспечения диспергирования РАО отделяют матрицы от контейнера в момент времени, выбираемый с таким расчетом, чтобы расстояние между Землей и облаком микрочастиц РАО в период времени их удаления из сферы действия Солнца, было минимально.

При космической изоляции особо опасных долгоживущих РАО (из отходов отрабо- танного ядерного топлива это йод, технеций, цирконий, нептуний, америций и кюрий) к матрицам из этих отходов предъявляются достаточно жесткие требования. Это связано с тем, что в процессе подготовки и

со

00

о VI

Ю Ю

со

осуществления программы изоляции РАО возможно возникновение нештатных ситуаций, приводящих к взрыву и пожару на старте, аварийному возвращению контейнера с РАО на Землю и т.п. Поэтому контейнер должен иметь высокие прочностные характеристики, а сами РАО должны быть тугоплавкими и химически инертными, поэтому используется отверждение РАО в химически инертных формах, такими обычно являются оксиды радионуклидов. Однако рассчитывать на вакуумную сублимацию монолитной матрицы из оксидов РАО в приемлемые сроки не приходится. Вместе с тем, загрузка контейнера мелкодисперсной смесью РАО представляется бесперспективной с точки зрения безопасности при контейнеризации РАО и в случае аварийных ситуаций при запуске в космос, приводящих к нарушению целостности контейнера. Минимально реализуемыми представляются матрицы с характерным размером 0,5...2 см. Поэтому необходимо формировать мелкодисперсную смесь РАО на гелиоцентрической орбите.

Здесь важным представляется вопрос о выборе максимального характерного размера микрочастиц РАО, который должен быть достаточно малым, чтобы обеспечить превосходство светового давления над гравитационным полем и возможность достаточно быстрой вакуумной сублимации РАО с таким расчетом, чтобы это время не было определяющим в формировании безвозвратной орбиты изоляции РАО. Несложные оценки показывают, что световое давление на орбите Земли превосходит гравитационную силу для частиц размером менее 1 микрона;

Оценим также потребное время для удаления микрочастиц РАО из пределов Солнечной системы. Среднее время фотоионизации на орбите Земли составит 1...1Q суток (для потока ультрафиолетового излучения (2...3)-tO фотонов/см -сприприня- том эффективном поперечном сечении фотоионизации 3 1СГ18...3 -КГ17 см2). Временем электризации микрочастиц РАО под действием солнечного ветра (средняя плотность на орбите Земли 3-10 частиц/см2-с и средняя скорость потока плазмы солнечного ветра 400 км/с) по сравнению с временем фотоионизации можно пренебречь (менее 104с).

Несущая с собой вмороженное магнитное поле плазма солнечного ветоа за счет электродинамических сил захватывает в общий поток заряженные микрочастицы. Оценки показывают, что время такого захвата составляет 1000 с, т.е. также мало по сравнению с временем ионизации. При тепловой скорости атомов, не превышающей 0,5 км/с (это условие для РАО выполняется

с запасом) за максимальное время ионизации (10 с) их пробег не превысит 0,5 млн.км. Отсюда попутно можно сделать важный вывод о том, что если микрочастицы РАО находятся вне схемы действия Земли (более 1

млн.км) то за время ионизации радионуклиды не успевают проникнуть внутрь магнитосферы Земли (ее радиус менее 0,2 млн.км) и не могут вернуться на Землю, т.е. диспергирование и вакуумную сублимацию РАО необходимо производить на гелиоцентрической орбите.

Потоком солнечного ветра и под действием светового давления микрочастицы РАО будут вынесены к границам гелиосфе- ры (100...200 а.е.) за время 400...800 суток

т.е. менее чем за 2,5 года. Размещенное время вакуумной сублимации микрочастиц РАО должно быть несколько меньшим указанного периода времени. Учитывая достаточно низкий уровень остаточного

тепловыделения РАО, принятых для удаления в космос (максимальный уровень 300 Вт/кг для композиций Ат20з + 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 мкм/год.

Поэтому микронный характерный размер диспергированных микрочастиц РАО представляет приемлемым и с точки зрения ограничения суммарно времени формирования безвозвратной орбиты изоляции РАО. Таким образом, размер частиц отвер- жденных РАО не должен превышать 1 мкм, а нижнее значение этой величины естественно ограничивается размером атомов и

молекул.

В то же время для наиболее просто реализуемого метода диспергирования - взрывного диспергирования - невозможно обеспечить размер частиц на уровне 1 мкм,

не говоря о затратах массы на фугасный заряд (не менее одной тонны на тонну РАО). Другие способы диспергирования (специальными кумулятивными зарядами, химическое диспергирование) хотя и могут

обеспечить требуемых размеров микрочастицы, также не проходят из-за массовых затрат (не менее 2...3 тонн на тонну РАО - при использовании специальных кумулятивных зарядов и не менее 0,5 тонны на тонну РАО

при химическом диспергировании). Следует также отметить потенциальную опасность вышерассмотренных методов диспергирования при нештатных реализациях программы.

Поэтому было найдено целесообразным еще на Земле перед контейнеризацией формировать твердотельные матрицы с РАО из мелкодисперсной, с размером частиц не более микрона, смеси радионуклидов и летучего наполнителя. Таким наполнителем может быть барий, эксперимент по диспергированию которого в космосе показал, что характерное время такого процесса не превышает двух недель. Технология формирования матриц из мелкодисперсной смеси

радионуклидов с барием позволяет обеспечить массовую долю последнего не более 0,1 в общей массе матрицы.

Важным также представляется правильный выбор гелиоцентрической орбиты, на которую выводится контейнер с РАО до начала их диспергирования. Формирование круговой гелиоцентрической орбиты является достаточно энергоемким процессом и, кроме того, периоды обращения на этих орбитах близки к земным и соизмеримы с временем вакуумной сублимации мелкодисперсных РАО, что не позволяет разнести в плоскости эклиптики орбиту Земли и траекторию микрочастиц РАО. Поэтому в данном случае предпочтительными являются эллиптические гелиоцентрические орбиты с периодом обращения 2...5 лет. Чтобы траектории микрочастиц РАО не пересекали орбиту Земли, необходимо, чтобы суммарное время диспергирования, вакуумной сублимации, ионизации и захвата солнечным ветром ионизированных частиц РАО не превышало трех четвертей периода обра- щения контейнера на орбите. Эта -сумма согласно выполненным оценкам составляет не более полутора лет для мелкодисперсной смеси РАО с размером частиц не более 1 мкм. Верхний предел периода обращения (5 лет) ограничен тем, что энергозатраты на формирование орбит с периодом обращения более 5 лет уже превышают затраты на формирование круговых гелиоцентрических орбит.

. Использование для реализации рассматриваемого способа эллиптических орбит позволяет четко определить момент времени отделения матриц РАО с летучим наполнителем от контейнера, который выбирается с таким расчетом, чтобы расстояние между Землей и облаком микрочастиц РАО в период времени их удаления из сферы действия Солнца было максимально. Поясним сказанное примером.

На чертеже показана схема формирования безвозвратной орбиты изоляции РАО и

различные его этапы.

На этой схеме Солнечная система представлена Солнцем 1, Венерой 2, Землей 3 и Марсом 4 с орбитами указанных планет (5-7). На эллиптической гелиоцентрической орбите

8 положением 9 отмечен момент отделения матриц с РАО от контейнера, при этом поток 10 микрочастиц, выметаемых из Солнечной системы, практически полностью состоит из ионов летучего наполнителя. Срединное положение 11 характеризуется тем, что расстояние до Земли 3 максимально, а поток 12 образован исключительно заряженными микрочастицами РАО. Момент окончания вакуумнойсублимации РАО отмечен крестиком 13.

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 5,5 км/с, а при удалении из сферы действия Солнца с гравитационным маневром в Юпитера - AVx 3,25км/с. Рассматриваемое предложение позволяет

уменьшить значение изменения характеристической скорости до 0,7...1,2 км/с. В результате даже с учетом необходимости выведения летучего наполнителя матриц с РАО достигается уменьшение затрат на

формирование безвозвратной орбиты изоляции в 2...4 раза.

Формула изобретения Способ космической изоляции радиоактивных отходов (РАО), включающий отверждение и контейнеризацию РАО, их удаление их сферы действия Земли и последующее формирование безвозвратной орбиты изоляции РАО, отличающийся тем, что, с целью расширения затрат на формирование

безвозвратной орбиты изоляции РАО посредством их диспергирования с последующим выносом солнечным ветром и световым давлением из пределов Солнечной системы, перед контейнеризацией формируют тв ердотельные матрицы с РАО из мелкодисперсной с размером частиц не более 1 мк смеси радионуклидов и летучего наполнителя, помещают совокупность матриц в контейнер и выводят его на эллиптическую гелиоцентрическую орбиту с периодом обращения 2-5 лет. а затем отделяют матрицы от контейнера в момент времени, когда расстояние

между Землей и облаком микрочастиц РАО в период времени их удаления из сферы действия Солнца максимально.

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 уменьшения затрат на формирование безвозвратной орбиты изоляции РАО посредством их диспергирования с последующим выносом солнечным ветром и световым давлением из пределов Солнечной системы предлагается перед контейнеризацией формирование твердотельных матриц с РАО из мелкодисперсной, с размером частиц не более микрона, смеси радионуклидов и летучего наполнителя. Затем контейнер с РАО выводят на эллиптическую гелиоцентрическую орбиту с периодом обращения 2...5 лет и для обеспечения диспергирования РАО отделяют матрицы от контейнера в момент времени, когда расстояние между Землей и облаком микрочастиц РАО в период времени их удаления из сферы действия Солнца было максимально. 1 ил.