способ захоронения радиоактивных отходов в породных массивах, имеющих неоднородное геологическое строение

Формула изобретения

1. Способ захоронения радиоактивных отходов в породных массивах, имеющих неоднородное геологическое строение, включающий бурение скважины в породном массиве, состоящем из водонепроницаемых и водопроницаемых пластов, на глубину, обеспечивающую размещение дна скважины в зоне залегания водонепроницаемого пласта, размещение в скважине выше уровня ее дна и ниже уровня ее устья радиоактивных отходов, окруженных защитным барьером, и герметизацию устья скважины, отличающийся тем, что радиоактивные отходы помещают в контейнеры, которые размещают в скважине с образованием в ней свободного объема, по периметру скважины в комбинированных слоях породного массива, состоящих из водопроницаемого пласта и прилегающих к нему сверху и снизу частей водонепроницаемых пластов, создают кольцеобразные полости с высотой по периметру скважины, равной H_кс, где H_кс - высота комбинированного слоя, причем высота каждой из частей водонепроницаемых пластов, прилегающих сверху и снизу к водопроницаемому пласту, составляет не менее 0,05 H_кс, длина кольцеобразной полости составляет не менее 0,2 D_скв, где D_скв - диаметр скважины, защитный барьер создают путем заполнения свободного объема скважины и кольцеобразных полостей тампонажным материалом после размещения в скважине контейнеров с радиоактивными отходами, в качестве тампонажного материала используют гидравлическое связующее на основе цемента или шлаковых отходов доменных печей, а дно скважины размещают за пределами залегания комбинированных слоев.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что кольцеобразные полости имеют в своем вертикальном сечении прямоугольную форму.

Описание изобретения к патенту

Заявляемый способ относится к области охраны окружающей среды, а точнее к области захоронения радиоактивных отходов (РАО) в земле. Наиболее эффективно заявляемый способ может быть реализован при захоронении твердых, а также отвержденных радиоактивных отходов в породных массивах, имеющих неоднородное геологическое строение (представляющих собой чередующиеся пласты водонепроницаемых и водопроницаемых пород).

Известен способ захоронения радиоактивных отходов [1], включающий бурение в породном массиве скважины глубиной 610 - 3500 метров, обсадку скважины закачкой цементного раствора и размещение в скважине металлических цилиндров с РАО, причем за счет того, что диаметр цилиндров с РАО меньше диаметра скважины, между цилиндрами и стенками скважины образуется кольцеобразный зазор.

Недостатками известного способа являются: невозможность реализации способа в породах, имеющих неоднородное геологическое строение, вследствие непредусмотренности создания надежного гидроизолирующего защитного барьера между цилиндрами с РАО и стенками скважины; неэкономичность, вследствие необходимости, для надежного захоронения РАО подобным способом, создания скважин большой глубины.

Известен способ захоронения контейнеров с радиоактивными отходами [2], включающий создание в породном массиве вертикальной шахты, размещение в шахте контейнеров с РАО и заполнение пространства между стенками шахты и контейнерами с РАО бентонитом.

Недостатком известного способа является: невозможность реализации способа в породах, имеющих неоднородное геологическое строение, вследствие опасности разрушения подземными грунтовыми водами защитного бентонитового барьера.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ захоронения радиоактивных отходов в породных массивах, имеющих неоднородное геологическое строение [3], включающий бурение скважины в породном массиве, состоящем из чередующихся пластов стабильных геологических формаций (водонепроницаемых пластов), зоны, содержащей соленую воду (водопроницаемого пласта), а также зоны, содержащей нефтяные углеводороды (водонепроницаемого пласта) на глубину, обеспечивающую расположение дна скважины в зоне, содержащей углеводороды, установку в скважине металлической обсадной трубы с днищем, создание в придонной части металлической обсадной трубы бетонной пробки, верхний уровень которой расположен выше верхнего уровня зоны, содержащей углеводороды, в зоне залегания стабильных геологических формаций, размещение по всему объему металлической обсадной трубы над бетонной пробкой смешанных с цементом (цементированных) РАО до уровня, расположенного ниже нижнего уровня зоны, содержащей соленую воду, создание над цементированными РАО цементной пробки, верхний уровень которой расположен выше верхнего уровня зоны, содержащей соленую воду, в зоне залегания пластов стабильных геологических формаций, размещение по всему объему металлической обсадной трубы над цементной пробкой, но ниже уровня устья скважины, в зоне залегания пласта стабильных геологических формаций, смешанных с цементом РАО, и герметизацию устья скважины.

Особенностями известного способа является то, что РАО (твердые или жидкие) предварительно смешивают с цементом (в случае твердых отходов с добавкой водной фазы) [4] и в виде цементного раствора, который со временем схватывается в цементный камень, размещают в металлической обсадной трубе, установленной в скважине, расположенной ниже уровня дна водного бассейна. Металлическая труба в известном способе помимо средства, обеспечивающего укрепление стенок скважины, одновременно выполняет функции защитного (гидроизолирующего) барьера для цементированных РАО, т.к. прямой контакт с водой или влагой при хранении последних недопустим. Бетонные и цементные пробки предназначены для изоляции зон размещения цементированных РАО от соленой воды и нефтяных углеводородов.

Недостатками известного способа являются:

ненадежность локализации радионуклидов, захораниваемых радиоактивных отходов и недолговечность их захоронения, вследствие:

- использования в качестве защитного барьера для РАО металлической обсадной трубы, контактирующей с влагой пластов стабильных геологических формаций и с зоной, содержащей высококоррозионную соленую воду [5];

- использования в качестве объекта захоронения цементированных РАО без защитных оболочек, т. к. цементная матрица не обеспечивает надежной гидроизоляционной защиты радионуклидов РАО от воды [6], в случае нарушения целостности металлической обсадной трубы.

Преимуществами заявляемого способа являются:

повышение надежности локализации радионуклидов, захораниваемых радиоактивных отходов и долговечности их захоронения.

Указанные преимущества достигаются за счет того, что заявляемый способ включает бурение в породных массивах, имеющих неоднородное геологическое строение, скважины, создание по периметру скважины в комбинированных слоях, каждый из которых состоит из водопроницаемого пласта и прилегающих к нему сверху и снизу частей водонепроницаемых пластов, кольцеобразных полостей длиной S и высотой по периметру скважины, равной H_кс, где H_кс - высота комбинированного слоя водопроницаемого пласта и прилегающих к нему сверху и снизу частей водонепроницаемых пластов, размещение в скважине ниже уровня ее устья, но выше уровня дна контейнеров с РАО, заполнение свободного объема скважины и кольцеобразных полостей до уровня ее устья тампонажным материалом и герметизацию устья скважины, причем высота каждой из частей водонепроницаемых пластов L, прилегающих сверху и снизу к водопроницаемому пласту, составляет не менее 0,05 H_кс, а длина кольцеобразной полости S составляет не менее 0,2 D_скв, где D_скв - диаметр скважины, дно скважины размещают за пределами границ залегания комбинированных слоев в зоне залегания водонепроницаемого пласта.

При затвердевании тампонажного материала происходит образование защитного барьера внутри скважины, причем подобные защитные барьеры эффективны в тех случаях, когда они в свою очередь окружены водонепроницаемыми пластами, т. к. при контакте с грунтовыми водами существует реальная опасность их разрушения.

За счет заполнения тампонажным материалом кольцеобразных полостей защитный барьер в зонах залегания водопроницаемых пластов будет иметь кольцеобразные утолщения, предохраняющие его от грунтовых вод. В зависимости от возможной формы кольцеобразной полости кольцеобразные утолщения защитного барьера могут иметь в своем вертикальном сечении треугольнообразную, трапецеобразную или прямоугольную форму, причем кольцеобразные утолщения прямоугольного сечения являются наиболее эффективным.

В случае, если высота L каждой из частей водонепроницаемых пластов, прилегающих сверху и снизу к водопроницаемому пласту, будет менее 0,05 H_кс, может произойти проскок грунтовых вод вдоль поверхности кольцеобразного утолщения к частям защитного барьера, расположенным в зонах залегания водонепроницаемых пластов, следствием чего может быть опасность его разрушения.

Если длины кольцеобразных полостей S будут менее 0,2 D_скв, в объемах кольцеобразных утолщений и частей защитного барьера, расположенных в зонах залегания комбинированных слоев при твердении тампонажного материала, может произойти образование пор и трещин, вследствие неконтролируемого проникновения тампонажного материала вглубь водопроницаемых пластов между частицами его породы. В этом случае не будет обеспечиваться надежная защита контейнеров с РАО от грунтовых вод.

Если длины кольцеобразных полостей S будут равны не менее чем 0,2 D_скв, образование пор и трещин будет происходить только в той части кольцеобразных утолщений, которая имеет непосредственный контакт с грунтовыми водами. В этом случае защитный барьер будет изолирован от грунтовых вод, примыкающей к нему и не имеющей пор и трещин, частью кольцеобразного утолщения, что обеспечит надежную изоляцию контейнеров с РАО от грунтовых вод.

В случае расположения дна скважины внутри комбинированного слоя, не будет обеспечиваться изоляция от грунтовых вод контейнеров с РАО в придонной части скважины.

В качестве тампонажного материала можно использовать гидравлические вяжущие материалы на основе цементов или шлаковых отходов доменных печей без каких-либо специальных присадок.

Заявляемый способ поясняется чертежом, где показан разрез скважины (в варианте с двумя кольцеобразными полостями треугольнообразного и трапецеобразного сечения) с размещенными в ней контейнерами с РАО, свободное пространство которой заполнено тампонажным материалом.

Заявляемый способ реализуют следующим образом:

В породном массиве 1, имеющем неоднородное геологическое строение и состоящем из чередующихся водонепроницаемых пластов 2 и водопроницаемых пластов 3, бурят скважину диаметром D_скв на глубину, обеспечивающую расположение дна скважины вне границ залегания комбинированных слоев в зоне залегания водонепроницаемого пласта 2.

По периметру скважины в комбинированных слоях толщиной H_кс, каждый из которых состоит из водопроницаемого пласта 3 и прилегающих к нему сверху и снизу частей водонепроницаемых пластов 4 толщиной L = 0,05 H_кс, создают кольцеобразные полости треугольнообразного и трапецеобразного сечения с высотой по периметру скважины, равной H_кс, и длиной S = 0,2 D_скв (наиболее жесткие условия). В скважине ниже уровня ее устья 5, но выше уровня дна 6 размещают контейнеры с РАО 7. В свободный объем скважины и кольцеобразные полости до уровня ее устья 5 закачивают тампонажный материал, образующий защитный барьер 8 и кольцеобразные утолщения 9 защитного барьера 8, причем после твердения тампонажного материала осуществляют герметизацию устья 5 путем его заливки гудроном, битумом или подобным им термопластичным гидроизолирующим материалом. Высота комбинированного слоя H_кс в этом случае определяется, как высота водопроницаемого слоя /0,9.

В результате испытаний заявляемого способа было установлено, что РАО имеют более надежную гидроизоляцию, чем в способе - прототипе, что обеспечивает повышение надежности локализации радионуклидов, захораниваемых РАО, а также долговечности их захоронения.