резервуар для хранения, утилизации загрязненной жидкости

Формула изобретения

1. Резервуар для хранения, утилизации загрязненной жидкости, содержащий по меньшей мере две емкости, выполненные преимущественно из железобетонна, отличающийся тем, что для гарантированного предотвращения утечек грязной жидкости в окружающую среду емкости выполняются соосно, одна внутри другой, с зазором между ограждающими конструкциями, причем загрязненная жидкость заливается во внутреннюю емкость, а пространство между емкостями заполняется аналогичной по физико-механическим свойствам жидкостью, но высокой степени очистки, при этом верхний ее уровень равен или больше уровня загрязненной жидкости.

2. Резервуар по п. 1, отличающийся тем, что, с целью усиления жесткости сооружения в целом, пространство между ограждающими конструкциями наружной и внутренней емкостей разделено диафрагмами на отдельные пустоты, сообщающиеся между собой, которые заполняются жидкостью высокой степени очистки до уровня, равного или большего уровня загрязненной жидкости во внутренней емкости.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к строительству резервуаров на предприятиях атомной энергетики, предназначенных для хранения (утилизации) как "грязной" жидкости, содержащей радиоактивные изотопы (источники проникающих излучений нейтронов и -квантов), так и для хранения твердых радиоактивных отходов (или контейнеров с ними), помещенных в резервуар и затопленных водой, представляющих опасность загрязнения окружающей среды. Преимущественная область применения изобретения строительство специальных резервуаров, предназначенных для временной (до отправки на переработку и захоронение) локализации "грязной" воды, появившейся в результате штатной отработки системы аварийной остановки реактора и системы локализации и обезвреживания выбросов при аварии на атомных станциях.

Известными являются:

1) железобетонные и металлические резервуары подземного, заглубленного или наземного исполнения с защитным покрытием внутренних поверхностей, выполненным, например, из листовой нержавеющей стали по всей площади контакта с загрязненной жидкостью; бетон представляет собой недорогой и в достаточной степени эффективный защитный материал, а сталь благодаря сравнительно большой плотности достаточно эффективно ослабляет g-излучение);

2) резервуары, также имеющие внутреннее защитное покрытие (облицовку), выполненные с двойными стенами, причем с воздушной прослойкой между ними и одним общим днищем. Между стенами находится несущий каркас для закрепления несущих элементов стен и металлоизоляции внутренней емкости. В нижней части воздушной прослойки предусмотрен специальный лоток, имеющий уклон к смотровому колодцу, который доступен для визуального наблюдения. Лоток и смотровой колодец предназначены для осуществления контроля за возможными протечками "грязной" воды через стены внутренней емкости с целью срочного принятия мер по их устранению. Резервуары такой конструкции, например, включены в проект системы аварийной остановки реактора ("САОР") и системы локализации и обезвреживания радиоактивных выбросов при аварии ("СОВА") для Ленинградской атомной электростанции в соответствии с "Правилами устройства и эксплуатации локализующих систем безопасности атомных станций" /1/, "Нормам проектирования железобетонных сооружений для локализующих систем безопасности" /2/ и "Санитарным правилам проектирования и эксплуатации атомных станций" /3/;

3) резервуары для сточных вод, выполненные с возможностью заполнения сточными водами и/или очищенной водой из водоприемника, при этом смешивание воды различного качества предотвращается дополнительной подвижной стенкой, устанавливаемой в резервуаре /4/;

4) плавающие подводные железобетонные резервуары без днища, предназначенные для хранения нефтепродуктов. При подаче в такой резервуар бензина, например, вода вытесняется через низ резервуаров. Бензин выкачивается без помощи насосов под влиянием разности удельных весов бензина и воды /5/;

5) железобетонные резервуары конструкции К.П. Чалкина /6/ с гидравлической изоляцией, выполненные из специального прочного крупнопористого бетона, который характеризуется наличием сообщающихся пустот. Это позволяет строить резервуары с гидравлической изоляцией одностенными. Боковые стены резервуара, выполненные из крупнопористого бетона, напряженно армируют и торкретируют с обеих сторон. Днище выполняют из обычного бетона и покрывают водой толщиной 40-45 см. Для лучшего выхода воздуха пустоты бетона боковой стенки заполняют водой, подаваемой снизу;

6) железобетонные резервуары с гидравлической изоляцией, предназначенные для хранения нефтепродуктов, имеющие двойные стенки /5/. В междустенное пространство заливают воду, образующую гидравлическую изоляцию. Такое конструктивное решение резервуара по своей сущности и достигаемому результату является наиболее близким к данному изобретению и принято за прототип. Так как удельный вес воды больше удельного веса, например, бензинов, она медленно фильтруется через бетон, вследствие чего он становится непроницаемым для бензина. Скорость фильтрации воды ограничивается капиллярным (поверхностным) натяжением, препятствующим выходу воды из пор. Внешняя и внутренняя стены резервуара связаны анкерными связями. Междустенное пространство иногда заполняют полыми пористыми кирпичами, продольные каналы которых соединены с поперечными каналами. Внутренняя бетонная стенка, работающая на сжатие, делается толщиной около 10 см; внешняя стенка работает на растяжение, толщина ее определяется из расчета по полному гидростатическому напору воды. Уровень воды в междустенном пространстве и на перекрытии поддерживается постоянным при помощи специальных автоматов. На днище резервуара всегда находится защитный слой воды. Резервуары этого типа емкостью до 3000 м³ строят на избыточное давление 0,2 ати. Они обладают большой тепловой инерцией, вследствие чего температура газового пространства практически постоянна. В некоторых конструкциях вода в междустенном пространстве, находящаяся под избыточным напором, сообщается с водой, подстилающей нефтепродукт в резервуаре. Благодаря этому такой резервуар всегда заполнен жидкостью до перекрытия и газовое пространство в нем отсутствует. Этим полностью ликвидируются потери от "больших" и "малых" дыханий. Иногда вместо двойных стенок резервуар выполняют в виде двух концентрических стаканов. Внутренний стакан плавает в воде, заполняющей пространство между ним и наружным стаканом. Вес внутреннего стакана подбирают таким образом, что уровень воды в рубашке всегда стоит выше уровня хранимого нефтепродукта. Поэтому стены внутреннего резервуара испытывают лишь небольшое одностороннее давление и могут быть выполнены незначительной толщины.

Однако все перечисленные конструктивные решения резервуаров, включая прототип, имеют следующие недостатки, не позволяющие их применение для хранения (утилизации) загрязненной жидкости:

1) по п. 1: в случае появления течи "грязной" воды сквозь трещины в листах внутренней металлооблицовки или в материале ограждающих конструкций стен резервуара не предусмотрены мероприятия, которые позволили бы предпринять своевременные и эффективные меры по защите ограждающих конструкций резервуара и окружающей среды от радиоактивного загрязнения, поскольку только аварийное опорожнение и специальная обработка резервуара изнутри позволят выполнить работы по восстановлению защитных покрытий или облицовок внутренних поверхностей. Места появления течей в конструкции днища и проникание "грязной" воды в основание под сооружение и в грунтовые воды вообще становятся неконтролируемыми;

2) по п.2: наличие наклонного лотка уже как бы заранее предполагает возможность появления течей "грязной" воды из резервуара, о чем будет сигнализировать ее появление в смотровом колодце. Но при этом выяснить характер и месторасположение появившихся трещин в днище или в стенах емкости, срочно разработать мероприятия по их устранению, а тем более ликвидировать течи будет опять же возможным только после полного опорожнения резервуара, проведения дезактивации его внутренних поверхностей, лотка и смотрового колодца. Кроме того что такой резервуар прекращает выполнение своих функций (перестает соответствовать своему основному назначению), возникает дополнительная проблема по срочной утилизации всего объема "грязной" воды. Аналогичная проблема не решается в случае возникновения течей через общее днище емкостей. Указанные выше "Правила." /1, 3/ и "Нормы." /2/ не разрешают заглубление резервуаров в землю, т.к. возможность возникновения неконтролируемых течей повлечет за собой непредсказуемое загрязнение грунтовых подземных вод и окружающей среды, а также лишает обслуживающий персонал возможности визуального наблюдения за состоянием наружных поверхностей сооружения. Это сооружение не может быть отнесено к 1 категории по условиям ответственности за радиационную безопасность /7/, т.к. допускает возможность протечек, а запрет на подземное или заглубленное конструктивное исполнение делает сооружение менее защищенным, не соответствующим 1 категории по сейсмостойкости /8/. Кроме того, большое гидростатическое давление воды и температурные воздействия водяного пара, поступающего в емкость по паросбросному каналу (во время работы систем "САОР" и "СОВА" при аварии) на стены и днище внутренней емкости, покрытые металлоизолящией, приводит к необходимости устройства тяжелого и материалоемкого несущего каркаса, что увеличивает нагрузку на сооружение в целом; несущий каркас и поверхность металлоизоляции между стенами труднодоступны для выполнения не только строительно-монтажных и противокоррозионных работ, но и для проведения профилактических работ по эксплуатационному обслуживанию (осмотру и восстановлению антикоррозионного покрытия) металлоконструкций;

3) по п.3: в данной конструкции резервуара обеспечивается защита окружающей среды от случайных протечек загрязненной жидкости только лишь со стороны подвижной перегородки, разделяющей емкость на два отсека, но ее нет по днищу и по оставшемуся контуру стен; конструкция не содержит даже минимальных весогабаритных характеристик биологической защиты;

4) по п. 4 и п.5: конструкция резервуара с двойными стенками, но без двойного днища не позволяет разделить "грязную" воду, находящуюся во внутреннем резервуаре (или стакане), от чистой воды, которая выполняет роль гидравлического затвора для нефтепродуктов, но не для воды в случае непосредственного контакта. Разделить воду, содержащую радиоактивные изотопы, и воду высокой чистоты (дистиллят или бидистиллят) на верхний и подстилающий слой во внутреннем резервуаре, исключив при этом ее смешивание, совершенно нереально, поскольку их физические свойства практически одинаковы, в то время как резервуар для нефтепродуктов полностью основан на различии удельного веса нефтепродуктов и воды, что позволяет исключить необходимость устройства второго днища;

5) по п.6: для хранения (утилизации) "грязной" воды применять одностенный резервуар, стены которого выполнены из крупнопористого бетона категорически запрещено, поскольку такие стены после образования микротрещин в защитном внутреннем слое торкретбетона и попадания в них "грязной" воды не поддаются дезактивации, что сразу же выведет сооружение из эксплуатационного режима и потребует его разборки и захоронения в специальном могильнике;

6) по п. п. 1-6: кроме перечисленных конкретных недостатков известных конструкций резервуаров, есть общие:

требуются постоянное наблюдение за уровнем воды, заполняющей внешний резервуар;

для защиты воды в резервуаре против замерзания необходимы дополнительные мероприятия (на большей части территории России).

Целью изобретения является создание такой конструкции резервуара, которая бы предполагала возможность:

1) хранения (утилизации) загрязненной жидкости (в частности, воды, загрязненной радиоактивными изотопами), представляющей экологическую опасность для окружающей среды, с полной гарантией отсутствия течей за пределы наружного контура "грязной" емкости;

2) свободного прохода персонала внутри сооружения для проведения профилактического осмотра, эксплуатационного обслуживания, дезактивации внутренних поверхностей "грязного" резервуара после штатной отработки систем локализации аварийных выбросов;

3) повышения защищенности резервуара и увеличения его стойкости от внешних динамических нагрузок, разработав подземный или заглубленный (с обваловкой грунтом) вариант;

4) создания прочной и надежной конструктивной схемы сооружения в целом;

5) снижения стоимости сооружения за счет уменьшения его металлоемкости (в основном за счет снижения или полного исключения использования нержавеющей стали для изоляции внутренних поверхностей "грязной" емкости).

Достигнуть этих целей, а также устранить перечисленные недостатки, характерные для прототипа, предполагается тем, что резервуар выполняется по меньшей мере из двух емкостей, стены и днища которых изолированных друг от друга по жидкости, причем внутренняя емкость предназначена для хранения (утилизации) загрязненной жидкости, а по наружной поверхности ограждающих конструкций этой емкости устраивается "рубашка" из чистой жидкости, имеющей те же физико-механические характеристики, что и "грязная" жидкость. Для этого обе емкости выполняются либо соосно с зазором между ограждающими конструкциями, либо одна из емкостей выполняется в виде системы взаимосвязанных пустот в ограждающих конструкциях другой емкости. Главное и необходимое условие, гарантирующее невозможность перетекания жидкости из внутренней емкости в ограждающую, одинаковый верхний уровень заполнения в обеих емкостях. При этом гидростатическое давление на перегородки по высоте (и по всей площади днища) будет одинаковым с обеих сторон.

От воздействия температурно-усадочных деформаций или из-за низкого качества строительных работ в разделяющих емкости конструкциях могут образоваться трещины, но, в отличие от прототипа, где течь "грязной" воды при этом неизбежна, в предложенной конструкции резервуара течь просто невозможна. Для абсолютно полной гарантии отсутствия течей, начиная с момента подачи во внутреннюю емкость водяного пара, содержащего радиоактивные элементы (в случае аварии на атомной станции), до полной откачки "грязной" воды на переработку с последующим захоронением, предусматривается выполнение дополнительных мероприятий повышение уровня чистой воды в ограждающей емкости исключительно только для того, чтобы выровнять или перекрыть колебания гидростатического давления на вертикальные стенки внутренней емкости, возникающие при вводе пара в емкость под давлением.

На фиг. 1 представлен план прямоугольного резервуара, предназначенного для хранения "грязной" жидкости, с диафрагмами жесткости; разрез резервуара по А-А; фиг. 2 то же, цилиндрического резервуара; разрез по Б-Б; фиг. 3 -расчетная схема для стен ограждающей емкости и для стен и днища внутренней емкости; фиг. 4 конструкция резервуара, или так называемого бассейна-барбатера, предназначенного для системы локализации радиоактивных выбросов при аварии на атомной станции (вариант строительства в сейсмическом районе); фиг. 5 то же, разрез по В-В; фиг. 6 многоэтажное защищенное цилиндрическое сооружение, предназначенное для локализации водяного пара и воды, содержащих радиоактивные изотопы, в случае аварии на атомной станции (для сейсмических районов); фиг. 7 то же, разрез по Г-Г.

Позиции (фиг. 1-4 и фиг. 6-7) обозначают: 1 ограждающая емкость (прямоугольная или круглая в плане); 2- фундаменты под внутреннюю емкость; 3

емкость для хранения загрязненной жидкости; 4 трубопровод с запорным устройством для заполнения жидкостью внутренней емкости; 5 то же, для заполнения ограждающей емкости; 6 трубопровод с запорным устройством для опорожнения внутренней емкости; 7 то же, для ограждающей емкости; 8 - диафрагмы жесткости (перегородки) между стенами внутренней и ограждающей емкостей; 9 датчик контроля уровня воды по внутренней емкости; 10 - пароподводящий (паросбросной) канал (для подачи под давлением во внутреннюю емкость водяного пара, содержащего радиоактивные изотопы); 11 эжектор для ввода пара в воду; 12 трубопроводы системы вентиляции и очистки воздуха, выбрасываемого в атмосферу; 13 помещение для сбора конденсата (спецстоков) в пароподводящем канале; 14 лестницы для спуска в емкости обслуживающего персонала; 15 сейсмоизолирующие опоры (для внутренней емкости 3); 16 окна (гильзы) в стенах фундаментов под внутреннюю емкость, предназначенные для сообщения жидкости, находящейся под днищем, с жидкостью в ограждающей емкости.

Примечание: поз. 15 (сейсмоизолирующие опоры) предусматривается только в случае необходимости защиты внутренней емкости от динамических и сейсмических нагрузок, действующих на сооружение извне.

Позиции на фиг. 3 обозначают: P_о гидростатическое давление жидкости на стену ограждающей емкости; P_г горизонтальное активное давление грунта; P_в горизонтальное давление грунта от нагрузки по поверхности; P_с гидростатическое давление жидкости на стену внутренней емкости изнутри; P_д гидростатическое давление жидкости на дно изнутри внутренней емкости; P_а гидростатическое давление жидкости на дно внутренней емкости снаружи; P_н гидростатическое давление жидкости на стену внутренней емкости снаружи; P_з вертикальная нагрузка от покрытия, засыпки и временных нагрузок на покрытие; P_т - вертикальная нагрузка от технологического оборудования.

Резервуар для хранения (утилизации) загрязненной жидкости (фиг.1 и фиг. 2) состоит из ограждающей емкости 1 (подземного, заглубленного или наземного исполнения), внутри которой, на ее днище, установлены фундаменты 2 под внутреннюю емкость 3, которая предназначена для хранения загрязненной жидкости. Емкость 1 выполняется из известных материалов (преимущественно из железобетона), а емкость 3 предлагается выполнять из нового материала - фибробетоносила, обладающего хорошей водонепроницаемостью, прочностью и высокими показателями биологической защиты. Обе емкости оборудованы трубопроводами чистой жидкости 5 для заполнения емкости 1, трубопроводами 7 для ее опорожнения, трубопроводами 4 для заполнения емкости 3, трубопроводами 6 для ее опорожнения. Обе емкости оборудованы датчиками 9 контроля уровня жидкостей в них, трубопроводами 12 систем вентиляции и очистки воздуха, выбрасываемого в атмосферу, и лестницами 14 для спуска в емкости обслуживающего персонала.

Работа описанного устройства.

Вся загрязненная жидкость, хранящаяся в емкости 3, представляющая собой угрозу загрязнения окружающей среды в случае ее протечек за пределы сооружения, блокируется "рубашкой" из аналогичной по физическим характеристикам жидкости, но высокой степени очистки (дистиллят или бидистиллят), путем ее заполнения в емкость 1 ( применение дистиллята или бидистиллята в защите существенно снижает уровень активации воды). Как только ограждающая емкость 1 (или весь объем системы взаимосвязанных пустот, образованных разделением пространства между емкостями 1 и 3 диафрагмами 8) будет заполнена до уровня, равного уровню жидкости в емкости 3, наступает состояние, при котором гидростатическое давление на разделяющие их стенки, а также днище будет одинаковым по обе стороны (по высоте). Такой "гидравлический подпор" со стороны незагрязненной жидкости предотвращает всякую возможность образования протечек загрязненной жидкости из емкости 3.

Для осуществления описанного выше устройства в качестве резервуара для хранения (утилизации) воды, загрязненной радиоактивными изотопами, без нарушения требований "Правил." /1 и 3/ и "Норм" /2/ по сейсмостойкости и радиационной безопасности предлагается сооружение, показанное на фиг. 4 и фиг. 5 (для хранилищ небольшого объема) или на фиг. 6 и фиг. 7 (для многоэтажных, многофункциональных и большеобъемных резервуаров). В таких резервуарах диафрагмы 8 не выполняются (емкости 1 и 3 изолированы друг от друга конструктивно), а под днище внутренней емкости 3 (по ее периметру), в верхней части фундаментов 2 устанавливаются сейсмоизолирующие опоры 15, предохраняющие внутреннюю емкость от внешних воздействий. Предназначенная для хранения "грязной" воды емкость 3 (фиг. 4 и фиг. 5) выполняется преимущественно из железобетона, задерживающего поток нейтронов спектра деления при фильтрации через себя по типу песчаного фильтра /9/ или других аналогичных материалов, обеспечивающих надежную биологическую защиту, например, из фибробетоносила. Емкость 3 (в отличие от ранее описанных элементов см. фиг. 1 и фиг. 2) включает в себя пароподводящий (паросбросной) канал 10, заканчивающийся устройствами для ввода радиоактивного пара в чистую воду эжекторами 11, установленными в стенах емкости 3, которые отделяют "грязную" емкость от паросбросного канала. Помещение 13 для сбора спецстоков (конденсата из водяного пара, загрязненного радиоактивными изотопами) размещено в нижней части канала 10. При аварии на реакторе атомной станции пар (100 ^oС), содержащий радиоактивные элементы, вводится по пароподводящему каналу 10 в воду высокой чистоты, хранящуюся в "дежурном" режиме во внутренней емкости 3, с помощью эжекторов 11. Конденсируясь, пар оставляет в жидкости радиоактивные примеси (жидкость становится "грязной"). Воздух из емкостей 1 и 3 отводится по трубопроводам 12 системы вентиляции и очистки воздуха, после чего выбрасывается в атмосферу. Конденсат с содержанием радиоактивных загрязнений, который образуется в пароподводящем канале 10 во время движения пара к эжекторам 11, стекая по внутренним стенкам, собирается в помещении для сбора спецстоков 13 в нижней части канала, затем отправляется на переработку (по известной технологии), как и вся "грязная" вода из емкости 3. Спуск в емкости 1 и 3 обслуживающего персонала для производства работ по дезактивации внутренних поверхностей и их профилактическому осмотру и ремонту предусмотрен по лестницам 14. Возможен вариант, при котором ограждающая емкость (или сеть взаимосвязанных пустот, образованных разделением ограждающей емкости перегородками-диафрагмами) до загрязнения хранящейся в "дежурном" режиме чистой воды в емкости 3, не заполняется (чистая вода не представляет опасности загрязнения окружающей среды, с ее протечками можно бороться известными методами). Но для того чтобы иметь абсолютно полную гарантию того, что течей "грязной" воды в емкость 1 не будет в момент загрязнения воды в емкости 3, важно одновременно с началом подачи радиоактивного пара в емкость 3 поднять уровень чистой воды в емкости 1 настолько, чтобы по крайней мере выровнять (и даже несколько увеличить) гидростатическое давление P_н (на стены емкости 3) и P_а (на ее днище) с наружной стороны.

В отличие от прототипа предложенное изобретение не позволяет распространяться загрязненной радиоактивными примесями воде из внутренней емкости и не требует выполнения нештатных, аварийных работ по ее утилизации и дезактивации сооружения из-за протечек за пределы ограждающих конструкций.

Размещение помещений и емкостей сооружения по принципу от "грязного" центра к "чистой" периферии позволяет надежно локализовать не только воду бассейнов-барбатеров, но и пароподводящие (паросбросные) каналы, которые предлагается размещать в центральной шахте (внутри емкости 3). Сооружение в такой компоновке может быть выполнено и в подземном или заглубленном варианте, причем возможные протечки воды из ограждающей ("чистой") емкости за пределы периферийной ограждающей конструкции в грунт не будут опасны с экологической точки зрения. В то же время предлагаемая конструкция резервуара значительно повышает сейсмостойкость и защищенность всего сооружения и особенно его внутренней емкости от внешних воздействий. Кроме этого, ограждающая "рубашка" из воды высокой чистоты является очень хорошей биологической защитой. Высокая плотность ядер водорода делает воду эффективным защитным материалом от быстрых нейтронов. Слой воды толщиной, например, 80 см ослабляет поток нейтронов спектра деления приблизительно в 10⁴ раз /10/. А при подземном варианте возведения резервуара еще больше повышается радиационная безопасность для окружающей среды.

В связи с тем, что "в настоящее время в нашей стране нет достаточного опыта проектирования, строительства и эксплуатации современных полигонов по обезвреживанию и захоронению токсичных промышленных отходов" /11/, цель, которая достигается изобретением, сегодня очень актуальна -хранение (утилизация) загрязненной жидкости на предприятиях ядерной энергетики, а главное с полной гарантией отсутствия протечек и загрязнения окружающей среды.