устройство для погружения в расплавляемых геологических породах

Формула изобретения

1. Устройство для погружения в расплавляемых геологических породах, содержащее герметичный контейнер, корпус которого выполнен из тугоплавкого материала и заполнен теплопроводящим наполнителем и тепловыделяющими активными радионуклидами, отличающееся тем, что корпус контейнера выполнен с двумя торцевыми поверхностями и боковой поверхностью, имеющими осесимметричную форму, при этом высота Н контейнера вдоль его оси симметрии и максимальный поперечный размер D контейнера в плоскости, расположенной перпендикулярно его оси симметрии, выбраны из условия: D>4H.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что боковая поверхность корпуса контейнера образована цилиндрической поверхностью.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что боковая поверхность корпуса контейнера образована конической поверхностью.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что боковая поверхность корпуса контейнера образована сферической поверхностью.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что, по крайней мере, одна торцевая поверхность корпуса контейнера имеет плоскую форму.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что, по крайней мере, одна торцевая поверхность корпуса контейнера имеет сферическую форму.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что, по крайней мере, одна торцевая поверхность корпуса контейнера имеет форму эллипсоида вращения.

8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что контейнер снабжен теплоизоляцией, расположенной со стороны верхней торцевой поверхности.

9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что на нижней торцевой поверхности корпуса контейнера выполнены выступы, симметрично расположенные относительно оси симметрии контейнера.

10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что выступы выполнены в виде плоских ребер, направленных от боковой поверхности контейнера к центру его нижней торцевой поверхности.

11. Устройство по п.1, отличающееся тем, что содержит, по меньшей мере, один дополнительный контейнер, установленный со стороны верхней торцевой поверхности корпуса основного контейнера.

12. Устройство по п.11, отличающееся тем, что дополнительный контейнер заполнен подлежащими захоронению радиоактивными отходами.

13. Устройство по п.11, отличающееся тем, что в дополнительном контейнере размещено измерительное оборудование.

14. Устройство по п.1, отличающееся тем, что содержит тепловыделяющие элементы с прочной оболочкой, заполненной активными радионуклидами.

15. Устройство по п.14, отличающееся тем, что тепловыделяющие элементы имеют сферическую или цилиндрическую форму.

16. Устройство по п.1, отличающееся тем, что корпус герметичного контейнера заполнен смесью теплопроводящего наполнителя и тепловыделяющих активных радионуклидов.

17. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве активных радионуклидов использована смесь, содержащая, по крайней мере, один долгоживущий радионуклид и, по крайней мере, один из следующих высокоактивных изотопов: ⁹⁰Sr, ⁹⁰Sr0, ⁹⁰Sr, ¹³⁷Cs, ²³⁸Pu, ²⁴¹ Pu, ²⁴¹Am, ²⁴⁴Cm.

18. Устройство по п.17, отличающееся тем, что в качестве долгоживущего радионуклида выбран долгоживущий изотоп трансурановых элементов.

19. Устройство по п.18, отличающееся тем, что долгоживущий изотоп трансурановых элементов выбран из следующего ряда веществ: ²³⁷Np, ²⁴¹Am, ²⁴³Am, ²⁴² Cm, ²⁴⁴Cm.

20. Устройство по п.17, отличающееся тем, что в качестве долгоживущего радионуклида выбран изотоп из следующего ряда веществ: ¹⁵¹Sm, ⁹⁹Tc, ^121mSn, ⁹³Zr, ¹²⁶Sn, ⁷⁹ Se, ¹³⁵Cs, ¹⁰⁷Pd, ¹²⁹I, ¹⁶⁶Ho, ¹⁰⁸Ag, ¹⁵⁸Tb, ⁹⁴ Nb.

21. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве теплопроводящего наполнителя контейнера используются металлы или сплавы металлов с температурой плавления менее 1000°С.

22. Устройство по п.21, отличающееся тем, что в качестве теплопроводящего наполнителя контейнера использованы металлы или сплавы металлов, выбранных из следующего ряда: Pb, Al, Na, Hg, Zn, Sn, Bi.

23. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве теплопроводящего наполнителя контейнера использованы соли металлов с температурой плавления менее 1000°С.

24. Устройство по п.23, отличающееся тем, что в качестве теплопроводящего наполнителя контейнера использованы фториды металлов, выбранных из следующего ряда элементов: Na, Ka, Li, или смеси фторидов перечисленных металлов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к средствам и методам погружения в глубокие геологические формации земной коры, вплоть до верхних слоев мантии Земли, для захоронения радиоактивных отходов (РАО) атомной энергетики, долгоживущих радиоактивных изотопов, обладающих низким уровнем активности, а также для исследования геологических пород в глубинных слоях литосферы.

В настоящее время разработаны методы погружения в расплавляемых горных породах с использованием тепловыделяющих элементов на основе радиоактивных изотопов. Сущность процесса погружения контейнера в расплавляемых горных породах заключается в использовании интенсивного тепловыделения, сопровождающего радиоактивный распад нуклидов, которые заполняют тепловыделяющие элементы, для расплавления окружающей (вмещающей) геологической породы. Контейнер с капсулами РАО погружается в расплавленную геологическую породу под действием собственного веса и вызывает дальнейшее проплавление геологических пород. При реализации данного метода возникают технические проблемы, связанные с созданием контейнеров (капсул) больших размеров, которые необходимы для решения одновременно двух задач. Во-первых, в контейнеры необходимо поместить максимально возможное количество РАО, подлежащих захоронению. Во-вторых, контейнеры должны обеспечивать необходимую мощность объемного тепловыделения для эффективного проплавления геологических пород. При этом в процессе проплавления пород должна сохраняться герметичность корпуса контейнера.

Известная технология погружения контейнера, заполненного подлежащими захоронению РАО, в расплавляемых горных породах описана в авторском свидетельстве SU 826875 (опубликовано 30.04.1992). Согласно данному методу радионуклиды высокого уровня активности помещают во внутренний объем герметичного контейнера. Корпус контейнера выполняется из тугоплавкого материала с температурой плавления выше 2300°С. За счет тепловыделения РАО на поверхности корпуса контейнера должна обеспечиваться температура в диапазоне от 1900°С до 2100°С. Контейнер погружается в горную породу, которая проплавляется под действием тепловыделения РАО.

При реализации данного метода контейнер может погружаться в глубинные слои литосферы на глубины до 30 км и больше. Захоронение РАО производится в подвижной части мантии Земли. Погружение контейнера в расплавленной горной породе происходит в случае, если плотность устройства превышает плотность горных пород, расположенных под контейнером.

В патенте RU 2115964 (опубликован 20.07.1998) описан метод погружения контейнера с РАО в расплавляемых горных породах. Данный метод направлен на сокращение продолжительности операций захоронения РАО за счет повышения выделяемой тепловой мощности. Для этого в состав контейнера, заполненного РАО, включают термитную смесь. В качестве термитной смеси используют стехиометрическую смесь гранул окислов алюминия и окислов тяжелых металлов, выбранных из группы, включающей железо, марганец и хром.

При осуществлении способа в скважину большого диаметра помещают контейнеры, заполненные РАО и термитной смесью, со стальным корпусом и контейнеры, заполненные флюсом, с тонкостенным алюминиевым корпусом. Саморазогрев устройства, вызванный тепловыделением РАО, приводит к расплавлению флюса. В результате контейнеры с РАО оказываются под слоем расплава, взаимодействующего с горными породами. Дальнейшее повышение температуры приводит к инициированию экзотермической реакции между компонентами термитной смеси. За счет суммарного тепловыделения контейнеров, заполненных РАО с термитной смесью, обеспечивается уровень температур от 2000°С до 2200°С. Данный уровень температур превышает температуру плавления базальтовых пород.

Согласно расчетам, проведенным авторами изобретения, скорость перемещения (погружения) устройства в окружающих геологических породах тяжелого горячего расплава должна составлять 2÷3 км в год. Однако необходимость использования скважины достаточно большого диаметра и сложность изготовления контейнера, заполняемого РАО и термитной смесью существенно усложняет процесс самозахоронения РАО и ограничивает возможности его применения. Кроме того, ограниченное количество компонентов термитной смеси, помещаемых в каждый контейнер, не обеспечивает требуемого тепловыделения в течение длительного периода времени (более одного года).

Способ захоронения РАО в глубинные слои литосферы, основанный на методе погружения контейнера с РАО в расплавляемых горных породах, и предназначенное для этого устройство раскрыты в патенте RU 2152093 (опубликован 27.06.2000).

Способ включает бурение скважины и формирование полости-каверны диаметром до 6 м в пластах каменной соли. Глубина массива каменной соли, в котором осуществляется бурение скважины, выбирается от 1 до 10 км. В полости-каверне создают вязкую среду путем закачивания в нее растворителя каменной соли. После этого полость заполняют контейнерами (капсулами), содержащими РАО высокого и среднего уровня активности.

Способ основан на погружении контейнеров с РАО в расплаве горных пород в результате интенсивного нагрева окружающей среды при радиоактивном распаде нуклидов. Каждый контейнер содержит прочную герметичную оболочку (корпус), выполненную из тугоплавкого и термостойкого материала. Оболочка выполняется многослойной с коррозионностойкими слоями. Корпус контейнеров может иметь сферическую форму либо несферическую форму с многосвязной поверхностью. Внешний диаметр сферических контейнеров составляет от 200 до 300 мм. Внутренняя полость контейнера заполняется РАО высокого и среднего уровня активности. Тепловыделение каждой капсулы составляет ~1 Вт, что соответствует активности радионуклидов 150÷200 Ки.

Погружение устройства в расплавляемых горных породах происходит при выполнении следующих условий: средняя плотность контейнера с РАО должна превышать плотность горных пород, расположенных под контейнером; температура плавления тугоплавкого материала, из которого выполнен корпус устройства, должна превышать температуру плавления горных пород. Для обеспечения высокой скорости погружения устройства градиент температуры между поверхностью корпуса контейнера и вязкой средой (раствором каменной соли) необходимо поддерживать в диапазоне от 3°С до 10°С. Предполагается, что при реализации известного способа контейнеры с РАО могут погружаться с начальной глубины 1÷1,5 км на глубину до 5 км в течение одного года.

Наиболее близким аналогом изобретения является устройство для погружения в расплавляемых горных породах, которое описано в патенте RU 2137233 (опубликован 10.09.1999). Устройство содержит контейнер в форме шара. Внешний диаметр корпуса контейнера может выбираться в широких пределах в зависимости от состава материалов, предназначенных для захоронения (хранения). Преимущественно поперечный размер (диаметр) контейнеров выбирается в диапазоне от 50 до 250 мм, что составляет 50-80% от диаметра типовых обсадных труб буровых скважин.

Устройство содержит герметичный контейнер с многослойным тугоплавким корпусом. Полость контейнера заполняется тепловыделяющими материалами, РАО и другими опасными токсикантами. В наполнителе, выполненном из пористой керамики, размещается патрон с гранулированным сорбентом. Патрон жестко закреплен в наполнителе. Над слоем сорбента расположен слой гранул защитного покрытия в виде гранул сплава системы Mn-Cu с температурой плавления 900÷950°С. Наполнитель изготовлен из пористого корунда, легированного оксидом циркония. Пористость керамики-наполнителя составляет 50÷85%. Температура плавления наполнителя - 2000÷2800°С.

Корпус контейнера выполнен трехслойным, при этом каждый слой корпуса образован соединенными между собой полусферами. Внешний слой корпуса изготавливается из жаропрочного и жаростойкого легированного сплава. Данное выполнение обеспечивает сохранение целостности корпуса контейнера при высоких температурах в течение длительного времени.

Контейнеры, заполненные тепловыделяющими материалами, помещаются в стволы скважин на глубину до 4,5 км. Контейнеры выдерживаются в кавернах в течение периода времени, необходимого для разогрева подстилающих пород до твердожидкого состояния. Выделяющиеся из тепловыделяющего материала летучие компоненты улавливаются гранулами сорбента. После расплавления подстилающих горных пород происходит самопроизвольное перемещение контейнеров под действием силы тяжести в глубинные слои литосферы. Устройство обеспечивает безопасное захоронение РАО в глубинных горных пластах.

Перемещение описанных выше устройств-аналогов в расплавленных горных породах происходит с достаточно низкой скоростью: (от 2 до 2,5 км в год) на ограниченную глубину. Низкий уровень скорости погружения устройства связан с неэффективным использованием выделяющейся энергии. При сферической форме контейнера выделяемая радионуклидами энергия равномерно распределяется во всех радиальных направлениях относительно центра контейнера. Однако для вертикального (в направлении действия силы тяжести) перемещения устройства требуется расплавление подстилающих горных пород, расположенных непосредственно под нижней частью контейнера. Энергия, выделяющаяся в горизонтальном направлении и в направлении верхней торцевой части контейнера, в большей ее части не влияет на скорость погружения устройства и, следовательно, расходуется неэффективно для реализации назначения устройства.

Изобретение направлено на решение теплофизической задачи, связанной с концентрацией (фокусировкой) энергии, выделяемой тепловыделяющими материалами, которые заполняют полость контейнера, в направлении геологических пород, расположенных непосредственно под нижней торцевой поверхностью (днищем) контейнера.

Достигаемый при решении данной задачи технический результат заключается в увеличении скорости погружения устройства в расплавляемых геологических породах за счет повышения эффективности использования выделяемой радионуклидами энергии. Кроме того, за счет повышения эффективности использования выделяемой радионуклидами энергии, обеспечивается увеличение объема и массы веществ, погружаемых в геологические породы, и оборудования, предназначенного для проведения исследований в глубинных слоях литосферы. При этом уменьшается температура корпуса контейнера и других элементов устройства вследствие снижения перегрева расплавляемых геологических пород относительно их температуры плавления. Данные результаты в целом позволяют оптимизировать (по энерговыделению и скорости перемещения) процесс погружения устройства в расплавляемых геологических породах.

Достижение указанных выше технических результатов обеспечивается за счет использования устройства для погружения в расплавляемых геологических породах. Устройство включает в свой состав герметичный контейнер, корпус которого выполнен из тугоплавкого материала и заполнен теплопроводящим наполнителем и активными радионуклидами. Согласно изобретению корпус контейнера выполнен с двумя торцевыми поверхностями и боковой поверхностью, имеющими осесиммтеричную форму. Высота Н контейнера вдоль его оси симметрии и максимальный поперечный размер D контейнера в плоскости, расположенной перпендикулярно его оси симметрии, выбираются из условия: D>4Н. Данное условие, согласно которому выбираются размеры устройства, определяет возможность реализации квазиодномерного режима проплавления геологических пород.

Для дискообразного контейнера, радиус которого R существенно больше его высоты Н (D=2R>4H), результаты проведенного оценочного анализа подтверждают реализуемость квазиодномерного режима проплавления геологических пород. Результаты анализа можно представить в виде следующих зависимостей и неравенств, определяющих взаимосвязь значений среднего удельного объемного тепловыделения q при распаде активных радионуклидов в полости контейнера устройства, размеров контейнера (R и Н), а также теплофизических характеристик расплавляемых геологических пород земной коры.

Квазиодномерный режим расплавления геологических пород реализуется при выполнении следующего условия:

где t_p - характернее время выхода устройства на стационарный квазиодномерный режим погружения в расплавляемых геологических породах; - температуропроводность расплавляемой среды; R - радиус осесимметричного контейнера в плоскости, перпендикулярной его оси симметрии.

Для практических условий погружения устройства в расплавляемых породах данное условие сводится к следующему виду:

Скорость V погружения устройства определяется в соответствии со следующей формулой:

где Т - текущее значение температуры, T - изменение температуры; С - удельная теплоемкость расплавляемой породы; - удельная плотность расплавляемой породы, - удельная теплоемкость расплавляемой породы; q - среднее значение удельного объемного тепловыделения в контейнере.

Значение среднего удельного объемного тепловыделения q определяется согласно следующей формуле:

где A_i - атомный вес i-того изотопа, _i - плотность i-того изотопа, - период полураспада i-того изотопа, t - время погружения в расплавляемых породах.

Минимальное значение скорости V_min погружения устройства можно оценить на основании следующего соотношения:

Условия пренебрежения гидродинамическими процессами вытеснения расплава легко получить из решения задачи погружения тяжелой пластины в несжимаемой легкой жидкости. Характерное время t_B вытеснения расплава можно оценить из стационарного уравнения Бернулли:

где _K - средняя плотность заполненного контейнера устройства; _P - средняя плотность расплава, g=9,8M/c ².

Для применяемых на практике значений R=0.5÷1 м, Н=10÷20 см и _P=2,5÷3 г/см³ характерное время t_B имеет значения меньше одной секунды. Максимальный дополнительный нагрев (перегрев) T расплава геологических пород за время его вытеснения t_B составит:

,

где _P - теплопроводность расплавляемой среды.

За счет снижения перегрева расплава геологических пород по отношению к температуре плавления повышается эффективность использования выделяемой радионуклидами энергии. Вследствие этого увеличивается скорость погружения устройства. В результате увеличивается объем и масса веществ, погружаемых в геологические породы. Повышение эффективности использования выделяемой радионуклидами энергии обусловлено концентрацией (фокусировкой) энергии в направлении геологических пород, расположенных непосредственно под нижней торцевой поверхностью (днищем) контейнера. Данный эффект связан с выбранной формой контейнера устройства, определяемой соотношением его размеров D и Н.

Кроме того, выбранная форма контейнера позволяет значительно уменьшить уровень термоупругих напряжений и максимальную температуру элементов устройства в процессе его эксплуатации. Величину перепада температуры Т вдоль вертикальной оси симметрии устройства можно оценить путем решения одномерной задачи теплопроводности с равномерно распределенным источником тепла в исследуемой области при температуре на границе области, равной температуре плавления расплавляемых пород. Величина T определяется в соответствии со следующим соотношением:

где _у - средняя теплопроводность материала устройства.

Учитывая выбранную форму контейнера устройства, определяемую соотношением его размеров (D>4Н), при использовании на практике устройства высота Н контейнера вдоль его оси симметрии будет составлять порядка 10 см. Следовательно, при данных значениях Н исключаются существенные тепловые нагрузки ( T) на конструкции устройства, которые характерны для контейнеров сферической формы (H=D).

Квазиодномерный режим тепловыделения может быть осуществлен при определенном соотношении размеров контейнера D и Н (D>4H). Необходимость и достаточность данного условия для реализации с помощью устройства квазиодномерного режима тепловыделения и проплавления геологических пород подтверждается следующим обоснованием.

Для обеспечения режима квазиодномерного режима тепловыделения контейнера требуется концентрация (фокусировка) тепловых потоков в определенном направлении, а именно: тепловыделение со стороны нижней торцевой поверхности контейнера должно превышать тепловыделение через боковую осесимметричную поверхность контейнера.

С целью минимизации боковой поверхности в качестве формообразующей поверхности для оценочного анализа выбирается цилиндрическая поверхность. Нижняя торцевая поверхность контейнера выбирается плоской, в форме круга. Источник тепловыделения (смесь радионуклидов), находящийся в контейнере, создает равномерные тепловые потоки во всех направлениях, т.е. поверхностная плотность тепловыделения q_T одинакова по всей поверхности источника тепловыделения (q_T=const).

Вышеуказанные условия можно формализовать в следующем виде:

Q_НЧ>Q_БЧ,

Q_НЧ=q_T·S_НЧ=q_T · D²/4; Q_БЧ=q_T·S _БЧ=q_T· DH;

где D - диаметр контейнера; Н - высота контейнера; Q_НЧ - тепловой поток через нижнюю торцевую поверхность контейнера; Q_БЧ - тепловой поток через боковую поверхность контейнера.

При q_T =const указанное выше соотношение принимает вид; S_НЧ >S_БЧ, т.е. D>4H.

Из вышеизложенного следует, что при минимальной площади боковой поверхности контейнера, имеющей форму прямого круглого цилиндра, квазиодномерный режим погружения устройства с контейнером, имеющим осесимметричную форму, может быть реализован при выполнении условия: D>4H. Данное условие, характеризующее минимальное значение соотношения размеров D и Н, применимо и для других форм выполнения боковой и нижней торцевой поверхностей контейнера. При указанном соотношении размеров (D и Н) контейнер приобретает форму осесимметричного диска.

В результате применения дискообразного контейнера (при выполнении условия:

D>4H) по сравнению с традиционно используемым контейнером, имеющим сферическую форму, в значительной степени подавляется перенос тепловых потоков в горизонтальном направлении (в плоскости, перпендикулярной оси симметрии контейнера). Если в случае применения сферического контейнера тепловой поток, направляемый на расплавление геологических пород, расположенных непосредственно под контейнером, составлял не более 1/6 от общего теплового потока через всю поверхность корпуса контейнера, то при использовании дискообразного контейнера с соотношением размеров D>4H тепловой поток, обеспечивающий расплавление геологических пород, расположенных под днищем контейнера, составляет не менее 50% от общего теплового потока через всю поверхность корпуса контейнера (при условии подавления тепловых потоков через верхнюю часть контейнера). Следствием данного перераспределения интенсивностей тепловых потоков в окружающих геологических породах является существенное увеличение скорости проплавления геологических пород вдоль траектории движения устройства в земной коре.

Боковая поверхность корпуса контейнера может быть образована цилиндрической, конической или сферической поверхностью. По крайней мере одна торцевая поверхность корпуса контейнера может иметь плоскую или сферическую форму либо выполнена в форме эллипсоида вращения.

С целью дополнительного повышения эффективности использования выделяемой радионуклидами энергии в устройстве применяется теплоизоляция верхней торцевой поверхности контейнера. В этом случае снижаются тепловые потери через верхнюю часть контейнера. Теплоизоляция может быть расположена как внутри, так и снаружи корпуса. При использовании теплоизоляции верхнего днища контейнера увеличивается тепловой поток, обеспечивающий расплавление геологической породы под нижним днищем контейнера, и соразмерно ему увеличивается скорость перемещения устройства в земной коре.

Для организации движения расплавленных геологических пород вдоль нижней торцевой поверхности корпуса контейнера на нижнем днище выполняются выступы, симметрично расположенные относительно оси симметрии контейнера. Выступы предпочтительно выполняются в виде плоских ребер, направленных от боковой поверхности контейнера к центру его нижней торцевой поверхности.

В состав устройства может входить, по меньшей мере, один дополнительный контейнер. Такой контейнер с оборудованием, предназначенным, например, для проведения исследований глубинных слоев литосферы, устанавливается со стороны верхней торцевой поверхности корпуса основного контейнера. Дополнительный контейнер может быть заполнен РАО, которые подлежат захоронению. В этом случае увеличивается масса РАО, удаляемых из биосферы.

Тепловыделяющие активные радионуклиды могут быть помещены в тепловыделяющие элементы с прочной оболочкой. Такие элементы помещаются в полость контейнера. Элементы могут иметь цилиндрическую или сферическую форму.

В качестве активных радионуклидов, обеспечивающих необходимый для проплавления геологических пород уровень удельной объемной мощности тепловыделения, могут быть использованы включенные в таблицу № 1 изотопы и их химические соединения. В таблице № 1 представлены энергетические характеристики некоторых изотопов, обладающих высокой удельной объемной мощностью тепловыделения (характеристики для радионуклидов ⁹⁰Sr0, ⁹⁰ Sr и ¹³⁷Cs приведены в таблице № 1 при условии, что ⁹⁰Sr находится в равновесии с ⁹⁰Y, a ³⁷Cs - в равновесии с ^137m Ва, для всех указанных в таблице № 1 актиноидов не учтен вклад в энерговыделение спонтанного деления).

Таблица № 1
Вещество	Выход энергии, МэВ/распад			Выход энергии, МэВ/ распад	Удельное энерговыделение
	Гамма-излучение	Бета-излучение	Альфа-излучение	Суммарное значение	Массовое энерговыд., Вт/кг	Объемное энерговыд., Вт/см3
90 Sr0	1,69Е-6	1,131	0	1,131	786	3,69
90Sr	1,69Е-6	1,131	0	1,131	926	2,35
137Cs	0,564	0,2486	0	0,8126	417	0,781
238Pu	1,83Е-3	1,06Е-2	5,59	5,60	569	11,3
60Co	2,5	9,65Е-2	0	2,60	1,74Е+4	155
241Am	3,24Е-2	5,19Е-2	5,57	5,65	115	1,57
244Cm	1,70Е-3	8,59Е-3	5,89	5,90	2830	38,2

В качестве активных радионуклидов, заполняющих тепловыделяющие элементы, предпочтительно используется смесь, содержащая, по крайней мере, один долгоживущий радионуклид и, по крайней мере, один высокоактивный изотоп. Высокоактивный изотоп может быть выбран из числа изотопов, указанных в таблице № 1. В качестве долгоживущего радионуклида может быть выбран долгоживущий изотоп трансурановых элементов: ²³⁷Np, ²⁴¹Аm, ²⁴³Аm, ²⁴²Сm, ²⁴⁴ Сm. Долгоживущий радионуклид также может быть выбран из следующего ряда изотопов: ¹⁵¹Sm, ⁹⁹Тc, ^121m Sn, ⁹³Zr, ¹²⁶Sn, ⁷⁹Se, ¹³⁵Cs, ¹⁰⁷Pd, ¹²⁹I, ¹⁶⁶ Ho, ¹⁰⁸Ag, ¹⁵⁸Tb, ⁹⁴Nb.

Теплопроводящим наполнителем контейнера могут служить металлы и/или сплавы металлов с температурой плавления менее 1000°С. В качестве теплопроводящего наполнителя контейнера могут быть, в частности, использованы металлы или сплавы металлов, выбранных из следующего ряда: Pb, Al, Na, Hg, Zn, Sn, Bi. Кроме того, в качестве теплопроводящего наполнителя могут использоваться соли металлов с температурой плавления менее 1000°С, например фториды металлов: Na, Ka, Li, или смеси фторидов перечисленных металлов.

Далее изобретение поясняется описанием конкретных примеров реализации устройства для погружения в расплавляемых геологических породах.

На прилагаемых чертежах изображено следующее:

на фиг.1 - схема устройства, перемещающегося в расплавляемых геологических породах;

на фиг.2 - схема устройства с цилиндрического контейнера (изображен местный разрез контейнера);

на фиг.3 - вид на нижнюю торцевую поверхность устройства, изображенного на фиг.2;

на фиг.4 - схема устройства с контейнером, торцевые части которого образованы концентрическими сферическими поверхностями (изображен местный разрез контейнера);

на фиг.5 - вид на нижнюю торцевую поверхность устройства, изображенного на фиг.4;

на фиг.6 - схема устройства с контейнером, нижняя торцевая поверхность которого имеет форму эллипсоида вращения (изображен местный разрез контейнера);

на фиг.7 - вид на нижнюю торцевую поверхность устройства, изображенного на фиг.6.

Устройство для погружения в расплавляемых геологических породах, изображенное на фиг.1, включает в свой состав герметичный контейнер с прочным корпусом 1, выполненным из тугоплавкого сплава. Температура плавления тугоплавкого материала, из которого выполнен корпус 1, превышает температуру плавления геологических пород. В качестве материалов корпуса 1 применяются высокотемпературные стали, вольфрам, карбиды и нитриды тугоплавких металлов, в частности карбиды и нитриды титана, вольфрама и гафния.

Корпус 1 контейнера имеет цилиндрическую форму со скругленной нижней торцевой поверхностью и кольцевым периферийным выступом со стороны верхней торцевой поверхности контейнера. Высота Н контейнера вдоль его оси симметрии и максимальный поперечный размер D контейнера в плоскости, расположенной перпендикулярно его оси симметрии, выбраны из условия: D>4H.

Внутренняя полость корпуса 1 заполнена сферическими тепловыделяющими элементами 2, в которые помещены активные радионуклиды. В качестве основного компонента смеси радионуклидов, обеспечивающих нагрев и расплавление геологических пород земной коры можно использовать один изотоп или смесь изотопов выбранных из следующих высокоактивных радионуклидов: ⁹⁰Sr0, ⁹⁰Sr, ¹³⁷ Cs, ²³⁸Pu, ²⁴¹Рu, ²⁴¹Am, ²⁴⁴Cm. Перечисленные радионуклиды обладают высокой удельной мощностью тепловыделения, достаточной для расплавления геологических пород (см. таблицу № 1).

В рассматриваемом примере осуществления изобретения в качестве радионуклидов используется смесь радиоактивных изотопов, содержащая высокоактивные изотопы ⁹⁰Sm (основные тепловыделяющие изотопы) и РАО, подлежащие захоронению. РАО могут включать долгоживущие изотопы трансурановых элементов, например ²³⁷Np, ²⁴¹Am, ²⁴³Am, ²⁴² Cm, ²⁴⁴Cm, или долгоживущие радионуклиды, выбранные из следующего ряда: ¹⁵¹Sm, ⁹⁹Тc, ^121m Sn, ⁹³Zr, ¹²⁶Sn, ⁷⁹Se, ¹³⁵Cs, ¹⁰⁷Pd, ¹²⁹I, ¹⁶⁶ Ho, ¹⁰⁸Ag, ¹⁵⁸Tb, ⁹⁴Nb. Количественный состав смеси радионуклидов выбирают исходя из следующего условия: мощность объемного тепловыделения смеси радионуклидов должна превышать тепловую мощность, необходимую для расплавления геологических пород, расположенных под контейнером.

Внутренний объем между тепловыделяющими элементами 2 и внутренней стенкой корпуса 1 заполняется теплопроводящим наполнителем 3, который обладает высокой теплопроводностью и пластичностью. Данные свойства наполнителя позволяют снизить термоупругие напряжения (деформацию) корпуса контейнера.

В качестве теплопроводящего наполнителя контейнера могут использоваться металлы и сплавы с температурой плавления ниже температуры плавления проплавляемой геологической породы. Для гранитоидов, базальтов и солевых пластов температура плавления теплопроводящего наполнителя выбирается ниже 1000°С. Теплопроводящий наполнитель может содержать следующие металлы: свинец, алюминий, натрий, ртуть, цинк, а также сплавы олова, свинца и висмута. Кроме того, в качестве теплопроводящего наполнителя могут использоваться следующие соли: фториды натрия, калия, лития и их смеси.

Для обеспечения непрерывного самопроизвольного погружения устройства в расплавляемых геологических породах под действием силы тяжести средняя объемная плотность заполненного РАО контейнера должна превышать более чем на 10% плотность геологических пород земной коры, расположенных непосредственного под нижней торцевой поверхностью контейнера.

С внешней стороны корпуса 1, со стороны верхней торцевой поверхности, расположен слой теплоизоляции 4. С помощью теплоизоляции 4 обеспечивается перераспределение тепловых потоков с целью наиболее эффективного использования энергии, выделяемой активными радионуклидами, для расплавления геологических пород, расположенных непосредственно под нижней торцевой поверхностью контейнера 1.

На верней части основного контейнера установлен дополнительный контейнер 5, в котором расположен приборный отсек. В контейнере устанавливаются приборы 6, предназначенные для исследования глубинных слоев литосферы Земли. Приборы 6 включают в свой состав средства измерений физических и химических характеристик геологических пород. Наряду с приборами 6 в контейнере 5 размещается оборудование 7 для приема и передачи информации к наземному центру управления (на чертеже не показан). В корпусе дополнительного контейнера 5 вместо приборов 6 и исследовательского оборудования 7 могут быть помещены капсулы, заполненные подлежащими захоронению РАО.

На фиг.1 изображено устройство в рабочем положении в окружающих геологических породах 8 земной коры. Устройство перемещается под действием силы тяжести в направлении к верхнему слою мантии 9, расположенному на расстоянии от 20 до 30 км от поверхности Земли. Под нижней торцевой поверхностью корпуса 1 расположен достаточно тонкий слой 10 расплава геологической породы, образующегося под действием тепловой энергии, выделяемой тепловыделяющими активными радионуклидами. Направление обтекания расплавом корпуса 1 на фиг.1 показано стрелками. Над верхней торцевой поверхностью устройства располагается зона 11 расплавленных геологических пород. Над зоной 11 вдоль траектории движения устройства расположена зона 12 затвердевшего расплава геологических пород.

Упрощенный вариант конструкции устройства, изображенный на фиг.2 и 3, также содержит корпус 1, заполненный тепловыделяющими элементами 2 с активными радионуклидами и теплопроводящим наполнителем 3. Толщина корпуса 1 составляет 2 см. На верхней торцевой поверхности корпуса 1 расположен слой теплоизоляции 4. Контейнер имеет форму цилиндра. Высота контейнера Н=0,2 м вдоль его оси симметрии. Диаметр контейнера D=1 м (максимальный поперечный размер контейнера в плоскости, расположенной перпендикулярно его оси симметрии). Размеры контейнера выбираются на основании условия: D>4H. При выполнении данного соотношения размеров (D=5H) контейнер приобретает форму плоского диска.

Отличительной особенностью варианта конструкции устройства, изображенного на фиг.2 и 3, являются выступы в форме плоских ребер 13, которые симметрично расположены относительно оси симметрии контейнера (на фиг.2 изображен вид сбоку, а на фиг.3 - вид снизу на ребра 13). Ребра 13 направлены от боковой поверхности контейнера к центру его нижней торцевой поверхности. Выступы (ребра 13) предназначены для равномерного распределения расплава под нижним днищем контейнера и для организации направленного течения расплава вдоль внешней поверхности контейнера.

Возможны и другие формы выполнения устройства. На фиг.4 и 5 изображена конструкция устройства с контейнером, обе торцевые поверхности которого образованы сферическими поверхностями. Высота контейнера Н=0,6 м вдоль его оси симметрии и диаметр контейнера В=3,52 м выбраны из условия: D>4Н. При данном соотношении размеров (D=5,9H) и выбранной форме торцевых поверхностей контейнер приобретает форму вогнутого диска.

Устройство содержит корпус 1, на верхней торцевой поверхности которого расположен слой теплоизоляции 4. Толщина корпуса составляет 2 см. Корпус 1 заполнен гомогенной средой, представляющей собой смесь 14 тепловыделяющих активных радионуклидов и теплопроводящего наполнителя. На нижнем днище устройства образованы выступы в форме плоских ребер 13, которые симметрично расположены относительно оси симметрии контейнера (на фиг.4 изображен вид сбоку, а на фиг.5 - вид снизу на ребра 13). Ребра 13, предназначенные для организации направленного течения расплава геологических пород, направлены от боковой поверхности контейнера к центру его нижней торцевой поверхности.

Устройство, изображенное на фиг.6 и 7, содержит корпус 1, заполненный тепловыделяющими элементами 2 с активными радионуклидами и теплопроводящий наполнитель 3. Толщина корпуса составляет 2 см. На верхней торцевой поверхности корпуса 1 расположен слой теплоизоляции 4.

Корпус 1 заполнен тепловыделяющими элементами 2 с активными радионуклидами. Пространство между внутренней поверхностью корпуса 1 и тепловыделяющими элементами 3 заполнено теплопроводящим наполнителем 3. В качестве теплопроводящего наполнителя 3 используется смесь фторидов натрия, калия и лития с температурой плавления менее 1000°С.

Верхняя торцевая поверхность контейнера образована плоской поверхностью. Нижняя торцевая поверхность контейнера имеет форму эллипсоида вращения. Высота контейнера Н=0,1 м вдоль его оси симметрии и диаметр контейнера D=1 м выбраны из условия: D>4H. При данном соотношении размеров (D=10H) и выбранной форме торцевых поверхностей контейнер приобретает форму плоского диска с выпуклой нижней торцевой поверхностью.

Так же как в предшествующих вариантах конструкции устройства, на нижнем днище корпуса 1 образованы выступы в форме плоских ребер 13, которые симметрично расположены относительно оси симметрии контейнера (на фиг.6 изображен вид сбоку, а на фиг.7 - вид снизу на ребра 13). Ребра 13 предназначены для организации направленного течения расплава геологических пород. Внешняя поверхность ребер 13 повторяет форму нижней торцевой поверхности контейнера. Ребра 13 ориентированы в направлении от боковой поверхности контейнера к центру его нижней торцевой поверхности.

Работа устройства (см. фиг.1), предназначенного для погружения в расплавляемых геологических породах, осуществляется следующим образом на примере метода захоронения РАО.

Внутренняя полость корпуса 1 заполняется сферическими тепловыделяющими элементами 2, содержащими смесь радиоактивных изотопов. В состав смеси входят высокоактивные изотопы ⁹⁰Sr в качестве основных тепловыделяющих изотопов и РАО, подлежащие захоронению. РАО включают в свой состав долгоживущие изотопы трансурановых элементов (²³⁷Np, ²⁴¹ Am, ²⁴³Am, ²⁴²Cm, ²⁴⁴Cm) и долгоживущие радионуклиды, выбранные из следующего ряда: ¹⁵¹Sm, ⁹⁹Tc, ^121mSn, ⁹³Zr, ¹²⁶ Sn, ⁷⁹Se, ¹³⁵Cs, ¹⁰⁷Pd, ¹²⁹I, ¹⁶⁶Ho, ¹⁰⁸Ag, ¹⁵⁸ Tb, ⁹⁴Nb. В дополнительном контейнере 5 помещаются капсулы, заполненные подлежащими захоронению РАО. Количество высокоактивных изотопов (⁹⁰Sr) выбирается достаточным для того, чтобы мощность объемного тепловыделения смеси радионуклидов превышала тепловую мощность, необходимую для расплавления окружающих геологических пород.

Внутренний объем между тепловыделяющими элементами 2 и внутренней стенкой корпуса 1 заполняется теплопроводящим наполнителем 3, в качестве которого используется смесь фторидов натрия, калия и лития с температурой плавления менее 1000°С. В качестве теплопроводящего наполнителя могут применяться легкоплавкие металлы, их сплавы, соли и смеси солей и другие теплоносители, температура плавления которых ниже температуры плавления окружающих геологических пород.

Малая сжимаемость теплоносителя 3, который находится в жидком состоянии в процессе работы устройства, обеспечивает механическую прочность элементов конструкции устройства при высоких значениях пластового давления на глубинах до 30 км.

Контейнер, изображенный на фиг.2 и 3, имеет форму плоского диска с соотношением размеров D=5H. Средняя объемная плотность заполненного контейнера превышает не менее чем на 10% плотность геологических пород, расположенных под нижним днищем устройства. Данное условие обеспечивается на основании предварительно полученной информации о типе и составе геологических пород, расположенных вдоль предполагаемой траектории движения устройства в земной коре.

Для повышения эффективности использования устройства на верхней части основного контейнера устанавливается дополнительный контейнер 5, который заполняется подлежащими захоронению РАО с низким уровнем энерговыделения. Следует отметить, что в случае использования устройства для научно-исследовательских целей в дополнительном контейнере 5 размещаются приборы 6, предназначенные для исследования глубинных слоев литосферы Земли, и оборудование 7 для приема и передачи информации к наземному центру управления. В данном варианте выполнения устройства с помощью приборов 6 и оборудования 7 осуществляется передача в наземный центр управления физических и химических характеристик геологических пород в глубинных слоях литосферы.

Снаряженное устройство погружается в скважину, образованную в геологических формациях. После выхода устройства на заданный режим мощности тепловыделения происходит разогрев до температуры плавления окружающих геологических пород 8, расположенных непосредственно под нижним днищем контейнера. После этого устройство под действием силы тяжести начинает перемещаться вглубь геологических пород земной коры в направлении к верхнему слою мантии 9, расположенному на глубине 20-30 км.

Под нижней торцевой поверхностью контейнера образуется тонкий слой 10 расплава геологической породы. Расплав обтекает корпус 1 вдоль его боковой поверхности (направление движения расплава показано стрелками на фиг.1). Расплавленные геологические породы заполняют пространство под нижним днищем контейнера между направляющими ребрами 13 (см. фиг.2-7). Расплав вытесняется контейнером под действием силы тяжести за счет высокой средней плотности устройства по отношению к плотности окружающих геологических пород. С помощью ребер 13 под нижним днищем контейнера создается фиксированная по толщине зона расплавленных геологических пород, в которой происходит равномерное перемещение (погружение) устройства.

За счет выбора соотношения размеров контейнера устройства (D>4H), большая часть энергии, выделяемой тепловыделяющими элементами 2, расходуется на нагрев окружающих геологических пород преимущественно в одном направлении. В этом случае реализуется квазиодномерный режим погружения устройства в расплавляемых геологических породах.

При концентрации (фокусировке) тепловых потоков выделяемая энергия эффективно расходуется на разогрев и расплавление геологических пород, расположенных непосредственно под нижним днищем контейнера. Данный режим, как было показано выше, осуществляется при определенном соотношении размеров контейнера устройства. При выбранных размерах D и Н контейнер приобретает форму диска, что определяет его отличие от известных устройств-аналогов.

Дополнительная концентрация тепловых потоков в области под нижним днищем контейнера достигается за счет использования слоя теплоизоляции 4, который расположен на верхней торцевой поверхности контейнера. За счет применения теплоизоляции 4 величина теплового потока, используемого для нагрева и расплавления геологических пород под контейнером, может быть существенно увеличена. Вследствие этого повышается скорость погружения устройства.

В результате вытеснения расплава геологических пород из зоны, расположенной под нижним днищем контейнера, над верхней торцевой поверхностью устройства образуется зона 11 неостывшего желеобразного расплава. После остывания расплава вдоль траектории движения устройства образуется зона 12 затвердевшего расплава геологических пород.

В случае гомогенного заполнения полости контейнера смесью радионуклидов (см. фиг.4) работа устройства осуществляется аналогичным образом. В корпус 1 помещается гомогенная среда, представляющая собой смесь 14 тепловыделяющих активных радионуклидов и теплопроводящего наполнителя. В качестве теплопроводящего наполнителя может применяться теплопроводящая матрица, которая предварительно насыщается высокоактивными радионуклидами, например изотопами ¹³⁷Cs.

При использовании контейнера дискообразной формы существенно снижаются термоупругие напряжения в конструкционных элементах устройства за счет снижения перепада температур в вертикальном направлении (вдоль оси симметрии контейнера) от центральной части контейнера устройства, заполненной активными радионуклидами, до внешней поверхности корпуса устройства. При этом температура поверхности нижнего днища контейнера должна быть не менее температуры плавления расплавляемых геологических пород. Вследствие этого снижается максимальная температура внутренних элементов конструкции устройства.

Рассмотрим примеры погружения устройства в расплавляемых геологических породах для различных вариантов конструкции.

Пример № 1.

Корпус 1 плоского цилиндрического контейнера, изображенного на фиг.2, заполнен свинцовым теплопроводящим наполнителем (теплоносителем) 3. В наполнителе 3 размещены тепловыделяющие элементы 2 цилиндрической формы. Радиус тепловыделяющих элементов r =1 см. Размеры контейнера: d=1 м, Н=0,2 м.

Тепловыделяющие элементы 2 заполнены смесью радиоактивных изотопов, в состав которой в качестве основного тепловыделяющего изотопа входит ⁹⁰Sr, а также другие изотопы, подлежащие захоронению. Суммарная активность изотопа ⁹⁰Sr составляет 5÷10 МКи. При массе 60÷120 кг данного активного радионуклида в полости контейнера суммарная мощность тепловыделения составит 50÷120 кВт (величина мощности рассчитана без учета тепловыделения подлежащих захоронению РАО). Масса остальных подлежащих захоронению РАО, в состав которых входят долгоживущие продукты деления и трансурановые элементы, может составлять от 200 до 500 кг.

При указанных выше характеристиках скорость погружения устройства в расплавляемых геологических породах, рассчитанная в соответствии с соотношением (5), будет составлять 2,5÷5,0 м/сутки. Полученные расчетные значения соответствуют условию реализации квазиодномерного режима проплавления геологических пород согласно соотношению (2). В этом случае тепловой поток в вертикальном направлении (вдоль оси симметрии контейнера) со стороны нижнего днища контейнера превышает тепловой поток, генерируемый в радиальном направлении (относительно оси симметрии контейнера).

Пример № 2.

Корпус 1 контейнера, изображенного на фиг.6, образован плоской верхней торцевой поверхностью в форме круга и нижней торцевой поверхностью в форме эллипсоида вращения (нижняя торцевая поверхность образована вращением эллипса с большой осью ~ 1 м и малой осью ~0,2 м). Размеры контейнера: d=1 м, Н=0,2 м.

Контейнер заполнен теплопроводящим наполнителем (теплоносителем) 3, представляющим собой смесь фторидов натрия, калия и лития. В теплопроводящем наполнителе 3 размещены тепловыделяющие элементы 2 цилиндрической формы (r=1 см).

Тепловыделяющие элементы 2 заполнены смесью радиоактивных изотопов, содержащей изотоп ²³⁸Рu в виде окиси РuO₂ в качестве основного тепловыделяющего изотопа и РАО, подлежащие захоронению. Суммарная масса тепловыделяющего изотопа ²³⁸Рu составляет 140÷260 кг. При данном количестве активного радионуклида суммарная мощность тепловыделения составит 70÷130 кВт (величина мощности рассчитана без учета тепловыделения радиоактивных отходов, подлежащих захоронению). Масса остальных подлежащих захоронению РАО, в том числе долгоживущих продуктов деления и трансурановых элементов, может составлять от 200 до 500 кг,

При указанных выше характеристиках скорость погружения устройства в расплавляемых геологических породах, рассчитанная в соответствии с соотношением (5), будет составлять 3÷6 м/сутки. Полученные расчетные значения соответствуют условию реализации квазиодномерного режима проплавления геологических пород согласно соотношению (2). В этом случае тепловой поток в вертикальном направлении (вдоль оси симметрии контейнера) со стороны нижнего днища контейнера превышает тепловой поток, генерируемый в радиальном направлении (относительно оси симметрии контейнера).

Представленные расчетные данные подтверждают возможность увеличения скорости погружения устройства в расплавляемых геологических породах земной коры. В качестве вещества, заполняющего контейнер, может использоваться широкий спектр подлежащих захоронению веществ, в частности РАО, накапливающиеся в процессе облучения реакторного топлива, и РАО, содержащиеся в закрытых радионуклидных источниках энергии. Такие РАО включают в свой состав долгоживущие радионуклиды, в том числе изотопы трансурановых элементов.

При использовании устройства оптимизируется процесс погружения за счет эффективного распределения в пространственной области, окружающей контейнер, энергии, выделяемой активными радионуклидами. В этом случае тепловые потоки фокусируются в области геологических пород, расположенных под нижним днищем контейнера. При этом снижается перегрев расплавляемой геологической породы относительно ее температуры плавления и, соответственно, снижается максимальный уровень температур внутренних элементов конструкции устройства.

При достигаемом уровне скоростей погружения в расплавляемых геологических породах с помощью устройства обеспечивается достаточно быстрое захоронение РАО в глубоких геологических формациях. На границе мантии Земли (20÷30 км от поверхности) произойдет безвозвратное растворение устройства с содержащимися с нем РАО. При захоронении РАО с помощью устройства существенно снижается вероятность радиоактивного заражения окружающей среды (биосферы). Устройство позволяет реализовать возможность эффективного очищения биосферы от долгоживущих РАО, включающих долгоживущие изотопы трансурановых элементов.

В случае использования устройства для исследования глубинных слоев литосферы Земли с помощью средств измерения производится регистрация физических и химических характеристик геологических пород и передача зарегистрированных параметров в наземный центр управления. Передача и прием информации может осуществляться по кабелю связи либо посредством применения акустических сигналов. Простейший способ связи с погружаемым устройством реализуется с помощью тонких высокотемпературных электропроводящих кабелей, разматывающихся с катушки, установленной в дополнительном контейнере 5. Вес катушки с кабелем при размере поперечного сечении волокна порядка одного миллиметра составит ~1000 кг.

При применении устройства исключаются технические проблемы, связанные со значительным перегревом стенок тепловыделяющих элементов и перегревом расплава окружающих геологических пород со стороны верхней торцевой поверхности устройства. Вследствие этого обеспечивается возможность использования в конструкции устройства известных высокотемпературных материалов при сохранении необходимой механической прочности и коррозионной стойкости элементов конструкции устройства при погружении в горячем химически активном расплаве в условиях высокого давления окружающей среды. За счет снижения перепада температуры между внешними и внутренними частями устройства существенно уменьшаются и термоупругие напряжения в оболочках тепловыделяющих элементов и в корпусе контейнера.

В результате повышения эффективности использования выделяемой радионуклидами энергии увеличивается скорость погружения устройства в расплавленных геологических породах, а также объем и масса погружаемых в геологические породы веществ и оборудования.

Изобретение может найти применение при захоронении широкого спектра РАО, образующихся при облучении ядерного топлива и других делящихся материалов в устройствах и приборах различного назначения, а также для проведения исследований в глубинных слоях литосферы.