способ захоронения радиоактивных отходов

Формула изобретения

1. Способ захоронения радиоактивных отходов путем последовательной загрузки капсул с отходами в скважину с легкоплавким наполнителем и последующим заполнением отходами накопительных полостей, сооруженных в асейсмическом регионе, их разогревом, расплавлением вмещающих пород и погружением в глубинные структуры коры, отличающийся тем, что в предполагаемом регионе захоронения радиоактивных отходов с геологическими структурами типа дайка, шток и т. д. , исследуя эти структуры геофизическими методами, находят целостные протяженные участки без зон расслоения, развитой трещиноватости и разломов, определяют геометрический спектр характерных размеров возмущений их границ, по полученным данным рассчитывают размеры накопительных полостей и активности загружаемых отходов, после чего сооружают в более легкоплавкой относительно вмещающих пород структуре несколько расположенных по одной вертикали полостей, заполняют нижние более крупные полости короткоживущими радиоактивными отходами с активностью, недостаточной для начала процесса самопогружения, после чего загружают верхнюю полость высокоактивными отходами до момента начала их самопогружения.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что предварительно до загрузки полости соединяют скважинами и заполняют их веществом, образующим в соединении с вмещающими породами более легкий расплав, а расстояние между полостями оставляют таким, что прохождение объемов погружающихся отходов каждой полости первоначально происходит отдельно и последовательно во времени, а их объединение начинается в верхней мантии.

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что скважины, подводящие отходы к полостям в легкоплавких геологических структурах в виде погребенного осадочными породами штока, выполняют наклонными, так что купольные части полостей сохраняют без структурных нарушений.

4. Способ по пп. 1 - 3, отличающийся тем, что накопительные полости создают в таких легких вмещающих геологических структурах, которые отделены от основного массива региона несколькими протяженными дайками.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что под нижней полостью сооружают резервуар и заполняют его высокотоксичными отходами и отравляющими веществами.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к ядерной технологии, точнее к области подземного глубинного захоронения высокоактивных отходов ядерной промышленности методом самопогружения.

Известен метод захоронения высокоактивных ядерных отходов в виде отдельных капсул, содержащих остеклованные отходы, размещаемые в глубинных подземных хранилищах в геологически стабильных породах с малой скоростью водной диффузии [1].

Недостатком этого метода является высокая стоимость и отсутствие надежности, связанные с необходимостью обеспечения долговременной (на геологических масштабах времени) принципиальной доступности к отходам с целью их возможного перезахоронения.

Известен также метод захоронения высокоактивных ядерных отходов в виде капсул, размещаемых в хранилищах под морским шельфом в водонасыщенных породах [2].

Недостатком этого метода является экологический риск, связанный с опасностью заражения мирового океана при крупномасштабном землетрясении (моретрясении).

Существует способ захоронения высокоактивных нуклидов, включающий погружение высокоактивных нуклидов в тугоплавкой капсуле, проплавляющей горные породы, под действием силы тяжести на неограниченную глубину в мантию Земли [3].

Известным недостатком метода является его потенциальная опасность, связанная с возможностью заражения окружающей среды вследствие возможного контакта капсул с подпочвенными и грунтовыми водами, эрозия капсул или их разрушение при малых горных ударах, что ведет к газообразованию и выбросу радионуклидов в атмосферу, а это экологически не допустимо. К тому же способ не технологичен.

Прототипом предлагаемого изобретения является работа [4], где изложен способ захоронения высокоактивных нуклидов, включающий последовательную загрузку капсул с отходами в скважину с легкоплавким наполнителем и последующее заполнение отходами накопительной полости, разогрев сформированного ансамбля капсул, расплавление вмещающих пород и их погружение в глубинные коры [4].

Недостатком метода являются технологические трудности при захоронении среднеактивных отходов, в надежности трассы самопогружающихся отходов в верхней части земной коры.

Целью изобретения является повышение эффективности процесса глубинного захоронения радиоактивных отходов.

Цель достигается за счет того, что в более легкоплавкой относительно вмещающих пород структуре сооружают несколько расположенных по одной вертикали накопительных полостей, заполняют нижние более крупные полости короткоживущими радиоактивными отходами с меньшей активностью, недостаточной для начала процесса самопогружения, после чего загружают верхнюю полость высокоактивными отходами до момента начала их самопогружения. Предварительно до загрузки полости соединяют скважинами и заполняют их веществом, образующим в соединении с вмещающими породами более легкоплавкий расплав, а расстояние между полостями оставляют таким, что прохождение объемов погружающихся отходов каждой полости первоначально происходит отдельно и последовательно во времени, а их объединение начинается в верхней мантии.

Скважины, подводящие отходы к полостям в легкоплавких геологических структурах в виде погребенного осадочными породами штока, выполняют наклонными, так что купольные части полостей сохраняют без структурных нарушений.

Накопительные полости создают в таких легкоплавких вмещающих геологических структурах, которые отделены от основного массива региона несколькими протяженными дайками.

Верхнюю полость выполняют наибольшего размера и первоначально заполняют низко- и среднеактивными отходами с малыми периодами полураспада до момента плавления большинства их фракций с температурой плавления ниже температуры плавления вмещающих пород, после чего завершают заполнение полости высокоактивными более плотными отходами, а после их накопления на дне полости и с момента плавления вмещающих пород возобновляют загрузку низко- и среднеактивных отходов.

Все накопительные полости загружают высокоактивными отходами одновременно, а расстояние между полостями выбирают так, что нагон всех самопрогружающихся ансамблей капсул с отходами происходит одновременно на границе верхней мантии, при этом каждый последующий ансамбль проникает в вершину еще расплавленного вещества от следа предыдущего

Под нижней полостью сооружают резервуар и заполняют его высокотоксичными отходами и отравляющими веществами.

Изобретение поясняется чертежами: на фиг. 1 дана схема захоронения радиоактивных отходов (РАО) в погребенной геологической структуре типа "шток"; на фиг. 2 - схема захоронения с многобарьерной защитой трассы движения РАО на основе природных геологических структур (даек). На фиг. 1 изображены: 1 - накопительная полость, частично заполненная высокоактивными РАО; 2, 3 - полости, заполненные высокоактивными РАО; 4 - часть полости резервуара, заполненного низкоактивными РАО; 5 - подводящие (питающие) скважины; 6 - более легкоплавкая по отношению к вмещающим породам геологическая структура (шток); 7 - вмещающая более тугоплавкая порода; 8 - водонасыщенные горизонты; 9 - технологические помещения с капсулами РАО и приспособлениями для загрузки; 10 - дневная поверхность. На фиг. 2: 11 - изолированные водонепроницаемые горизонтальные пласты; 12 - вертикальные изолированные водонепроницаемые структуры (например, дайки), более тугоплавкие, чем вмещающие породы 6; 3" - полость с токсичными и боевыми отравляющими веществами.

Реализуемость предлагаемого метода следует из теоретических и экспериментальных предпосылок. Проведем вначале общий теоретический анализ.

Основные физические характеристики, безразмерные и др. параметры, используемые ниже, сведены в таблицу 1. Анализ проводится на основе системы уравнений теплопроводности, сохранения импульса и уравнения непрерывности с соответствующими граничными условиями (см., например, [5]).

Выбор динамического режима для захоронения РАО с использованием их теплотворной способности H(t) диктуется следующими обстоятельствами:

H(t) = H₀(t/t₀)^-q.

где

H₀, t₀ и q варьируется для разных типов РАО.

При пересчете на тонну металлического урана в использованном ядерном топливе обычное среднее значение H₀ 10⁵ эрг/сг, t₀ 3 лет, q 0,9.

2. Для характерных глубин безопасного захоронения L (начиная с нескольких км и глубже) при средней скорости заглубления РАО v необходимо соблюдение условия

L/v(z(t))t₀1 (1)

откуда v 1 км/год = 310^-3 см/с.

Из дальнейшего будет видно, что стремление к много большим, либо много меньшим скоростям опускания РАО путем проплавления неоптимально.

3. Характерное время опускания _v= a/v данной массы РАО должно быть сравнимо с характерным временем затрат на нагрев и плавление среды



быть порядка характерного времени теплопереноса

= a²/, (3)

при очевидном условии T₀ T_m, где T_m - температура значительного размягчения среды (см. п.8), близкая к температуре плавления вещества недр (1200 - 1300^oC - в зависимости от породы и глубины).

Итак, необходимо

_v~ ~ , T₀ T_m (4)

4. Соотношение _v~ эквивалентно условию простейшего энергетического баланса, когда тепло, вырабатываемое опускающимся источником, идет на нагрев и плавление вещества в цилиндрическом объеме по трассе опускания



Следовательно, имеем



откуда для имеющихся значений H₀, L, c_p, ₀ и требуемых v находятся необходимые размер a и масса M источника. На деле часть тепла теряется вне трассы опускания и в (5) справа должен как и в (6) войти множитель (1/4).

5. Отношение /_v= va/ Pe. При числах Пекле Pe > 1 существен учет конвективного теплопереноса. Условие T₀ T_m обычно записывают через число Стефана

Ste = [c_p(T₀ - T_m)]/[L + c_p(T_m - T_i)] > 0

Опускание в стесненных условиях (капсулы в скважине, движение ансамбля расплавленных скважин из накопительной полости вблизи границ, разделяющих области с отличающимися теплофизическими характеристиками, и т.д.), описывается усложненными моделями. В этих случаях правая часть (6) умножается на некоторую функцию f(Pe,Ste,Pr,Re), а в общем случае и координат, задаваемую в виде рядов или вычисляемую численно. Для обсуждаемых здесь интервалов значений физических параметров значения f = 1/2 - 1.

6. Очевидно, что при опускании в вязкой жидкости даже при H₀ ---> 0, v в отличие от (6) не равно нулю. Можно показать [6], что в случае высоких но весьма больших масс (a = 30 км) реализуется своеобразный режим внедрения с некоторой ненулевой скоростью. Однако этот режим для проблем захоронения не интересен.

В случае малых вязкостей и H₀=0 очевидно имеем формулу Стокса



Сравнивая v из (6) с v_c, находим: lg 7+lg(a/см), откуда видно, что использование приближения Стокса в качестве нулевого интересно лишь в особых случаях [7], например, при опускании капсул в скважину с относительно маловязким наполнителем.

7. Опускание капсул с РАО в скважине с наполнителем и ансамбля РАО в расплавленном состоянии здесь, как и в [7] описывается базисной формулой тип (6). Однако в случае жидкого источника необходимо исследовать проблему устойчивости формы. Вариации формы сферического жидкого магматического очага с размерами a при условии несмешиваемости РАО с расплавом вещества недр зависят от величины числа Вебера W = av²₀/



Иногда вместо этой формулы Имаи используются иные близкие к ней, но нам важно указать лишь порядок величины k и W.

При значениях a 10 м, v 10^-3 см/с, ₀ 5 г/см³, 10² эрг/см², W 510^-4 и, как видно из (8), изменениями формы очага можно пренебречь.

8. Диффузионный обмен вещества расплава РАО с расплавом вмещающих пород сильно зависит от значения коэффициента диффузии D. За время прохождения жидким очагом трассы длиной L, со скоростью v характерная толщина слоя, из которого могут уходить радиоактивные элементы, порядка



откуда видно, что при D > 10^-8 см²/с уход радиоактивных элементов в жидкий след за опускающимся очагом может быть заметным. Избежать существенного загрязнения следа можно за счет выбора определенного режима опускания, задавшись необходимым значением 10^-9 см/с), т.е. необходимо Sc/Pr 10¹⁴.

9. Время кондуктивного остывания следа за источником из-за выделения теплоты при замерзании расплава несколько больше, чем = a²/, т.е. порядка нескольких лет. Соответственно, длина расплавленного следа l могла бы быть существенной. Однако при достаточно малых значениях вязкости = в расплавленном следе, рассматриваемом как цилиндрический канал сечением a² и длиной l развивается тепловая конвекция и эффективный теплоперенос



число Рэлея



Подстановка параметров показывает, что избыточная температура в следе быстро (за год)) падает до значения, соответствующего значениям вязкости ~ 10⁸ Пуаз (для a 10 м).

Рассмотрим условие стыковки потоков РАО. Пусть время загрузки и опускания капсул с РАО в i-ю скважину есть время плавления в i-й полости tⁱ₂, опускания ансамбля расплавленных капсул до следующей полости tⁱ₃. Тогда условие стыковки можно записать в виде



Обратимся к вопросам устойчивости мониторинга и управляемости технологической цепочкой мультизахоронения.

Данные по Кольской и другим глубоким скважинам показывают возможность значительной расслоенности и блоковой структуры литосферы. Вариации теплофизических параметров среды (L,T_m,c_p,) вызовут соответствующие вариации скорости погружения. Выбор _it в (11) должен основываться на оценке кумулятивного вклада положительных отклонений указанных величин от их средних значений, медленно меняющихся с глубиной (z), и элементарно учитываемых для v(z).

Мониторинг погружающихся РАО (ансамбль капсул, единая расплавленная масса, твердая сферическая масса) может быть обеспечен путем регистрации и анализа в реальном времени геофизических полей, например, сейсмических. Представив погружающийся ансамбль и его тепловой незатвердевший след длиной l как чертвертьволновой вибратор - источник сейсмических колебаний, определим их характерную частоту f₀

f₀ = c_s/41 (4000 м/с)/440 м 25 Гц.

Мощность источника N_c ориентировочно определяется тепловым излучением ансамбля Q N ~Q( - КПД источника, ~ 10^-3). Современные системы регистрации позволяют регистрировать источник с N 1 Вт на расстояниях 10 - 100 км.

Управляемость технологической цепочкой в процессе мультизахоронения может быть осуществлена в любом i-том звене по I-му каналу, путем соответственно ускоренной загрузки дополнительных порций РАО с необходимым (большим или меньшим) теплосодержанием H_a.

В заключение сделаем следующее замечание по теории мультизахоронения РАО с использованием его теплотворной способности.

Будет характеризовать динамический режим в данном (1, 2, 3) канале i-той цепочки так называемым "отношением порядка" характерных времен

₁<...<_n<t<_i<...<_m

Слева от t₀ имеем быстрые процессы, справа - медленные. Деление на одно из _n или _m приводит к эквивалентной цепочке безразмерных чисел Pe, Re, Ste и т.д. разделенных 1. При детальных расчетах за нулевое приближение выбираются те процессы, для которых характерные времена стоят слева от t₀, а группа безразмерных чисел, полученных от деления _n близка к 1. Следует упомянуть, что число возможных режимов N растет факториально с n (N=n!).

В пользу реализуемости предлагаемого метода свидетельствуют и данные экспериментов по его физическому моделированию.

В основе лабораторного эксперимента лежит имитация радиационного нагрева полостей, заполненных РАО, дистанционным нагревом микроволновым излучением РАО-модели, помещаемой в среды, подобные натурным по своим физическим характеристикам.

Погружение происходит при плавлении модельного наполнителя РАО-моделью за счет поглощенной им энергии микроволнового излучения. Материалы для моделей РАО и наполнителя подбираются таким образом, чтобы наполнитель был значительно более прозрачен для микроволн, чем РАО-модель, обеспечивая избирательный нагрев только РАО-модели.

Мощность СВЧ-излучения обеспечивает расплавление РАО-модели, и когда температура этого расплава сравняется или превысит температуру плавления среды имитатора горной породы, начинается движение расплава в среде-имитаторе как единой капли.

Лабораторный имитационный эксперимент подразумевает соблюдение известных требований теории подобия. Для обеспечения моделирования необходимо совпадение критериальных параметров, являющихся результатом обезразмеривания системы уравнений, описывающих самопогружение полости, заполненной РАО, в натуре и в имитационном эксперименте.

При моделировании процесса погружения отслеживалось численное равенство либо близость значений следующих основных критериальных чисел: Пекле - Pe= ur/k; Прандтля -Pr = /k; Кирпичева - Ki = q_sr/T, где q_s= W/4r²; Грассгофа -Gr = gr³T/²; Рейнольдса -Re = ru/, по которым подбирались материалы и среда для имитационного эксперимента.

Использованы обозначения: u - скорость, r - характерный размер, k = /c_p и - коэффициенты температуропроводности и теплопроводности, - плотность, c_p - удельная теплоемкость, - кинематическая вязкость, T - температура, W - мощность, g - ускорения силы тяжести, - коэффициент объемного расширения.

Моделью полости с РАО служил эпоксидный шар диаметром 1 см. Для увеличения коэффициента поглощения СВЧ-энергии и придания шару магнитных свойств оказалось удобным добавлять в шар ферритовый порошок в количестве 5 - 10% от объема шара с величиной зерен не более 200 мкм. Вес такого шара составлял 0,68 - 0,75 г, = 1,3 - 1,4 г/см³.

СВЧ-волна сантиметрового диапазона фокусировалась внутри безэховой вакуумной камеры. Имитационный массив представлял собой цилиндр из парафина, в который помещалась РАО-модель. Данная конструкция устанавливалась в центре фокального пятна. При воздействии микроволнового излучения на эпоксидную каплю происходит ее разогрев, а затем в результате теплопроводности разогрев и плавление близлежащих слоев парафина. Под действием силы тяжести шар опускается, проплавляя парафин. Для исследования длительного процесса погружения было разработано подъемное устройство, обеспечивающее перемещение трубки по мере погружения шара так, что последний всегда оставался в центре фокального пятна.

Результаты проведенных экспериментов согласуются с основными выводами теоретического анализа и показывают большие возможности имитационного эксперимента для моделирования процессов захоронения РАО.

Захоронение радиоактивных отходов по предлагаемому способу осуществляют следующим образом. Выбирают район захоронения: обычно это или близ комбината по переработке отработанного ядерного топлива или в регионе с благоприятными геологическими структурами; определенные выгоды дают и полигоны испытаний ядерного оружия, захоронения (наземные) РАО уже существующие, уникальные сверхглубокие скважины. В выбранном районе проводят детальное обследование геологических структур и определяют наиболее приемлемые. Далее эти структуры исследуют на отсутствие макродефектов, способных осложнить процесс захоронения. Так в случае структуры типа погребенного штока (фиг. 1), тщательно изучают проницаемость, трещиноватость и разломные зоны окружающих вмещающих пород 7. Для этого известными методами сейсмологии (активная и пассивная сейсморазведка, шумовая томография, вибролокация), геохимии и флюидодинамики, электромагнитных и электроразведочных методов, а также ядерной геофизики определяют степень трещиноватости и дефектности, флюидонасыщенности и существования разломов горных пород непосредственно у границ штока (фиг. 1). Из всех обследованных выбирают наиболее приемлемый и в случае необходимости при наличии ослабленных зон, способных обеспечить связь с водонасыщенными горизонтами, их дополнительно тампонируют. После этого бурят куст наклонных скважин 5 (фиг. 1). На концах этих скважин, заканчивающихся на одной вертикали, сооружают накопительные полости 2, 3, 4 и после заполнения скважин 5 и полостей 2, 3, легкоплавкими веществами из наземного павильона 9 начинают загрузку капсулами с РАО по уже известной технологии [4]. После этого частично заполняют верхнюю полость 4 средне- и малоактивными короткоживущими отходами, при этом объем полости как и количество отходов могут в сотни раз превосходить эти же показатели для нижних полостей. В результате загруженное во все полости 2-4 РАО, имея температуру на 100-300^oC ниже температуры плавления окружающей среды, остается неподвижным, происходит только прогрев горных пород и оттеснение флюидов от трассы движения РАО. Далее в полость 4 догружают высокоактивные с большим удельным весом РАО 1, скопление которых на дне полости приводит к дополнительному разогреву отходов и превышению их температуры на 100-300^oC температуры плавления окружающей среды и началу самопогружения РАО всей полости 4. По достижении РАО из полости 4 полости 2 температура суммы РАО возрастет и скорость самопогружения с уровня полости 2 увеличивается. Аналогично происходит и при включении в процесс самопогружения следующей (3) полости с РАО. Объединенный ансамбль всех типов РАО, значительно превосходящий по размерам полость с токсичными отходами 3, охватывая объем последней, вызывает полную диссоциацию молекул токсичного вещества. В процессе дальнейшего самопогружения РАО в верхней части ансамбля скапливается более легкое и легкоплавкое вещество (короткоживущие и малоактивные РАО, деструктурированные компоненты токсичных соединений), что исключает захват "следов" капсул с долгоживущим РАО из погружающегося ансамбля. Так как температура плавления геологической структуры (штока) 6 ниже температуры плавления вмещающих пород 7, а структура и состав среды 7 исключает миграцию флюидов из следа самопогружающегося РАО к дневной поверхности 10 и водоносные слои 8, то процесс самозахоронения отходов не вызовет отрицательных последствий.

Организация самозахоронения для случая: более легкоплавкие вмещающие породы, заключенные в более тугоплавкие геологические структуры например, дайки (фиг. 2), не имеет существенных отличий от предыдущей схемы. Следует ожидать повышения надежности метода, так как можно использовать гряду из нескольких даек, реализуя природную схему многобарьерной защиты (фиг. 2). Осуществляется не только боковой подвод скважин загрузки РАО 5 к накопительным полостям или емкостям 1-4, но и прохождение скважин через несколько даек 12, служащих естественной преградой для бокового распространения флюидов. Параллельное расположение даек упрощает задачу создания значительной по объему полости 4 для закачки малоактивных отходов в количестве 10² - 10⁴ тонн. Конкретно процесс самозахоронения не имеет никаких отличий от предыдущего случая. После заполнения накопительных полостей и емкостей 1-4 с временной последовательностью, когда вначале загружаются полости 2, 3, 3", 4 и погружение РАО отсутствует, а затем заполняется высокоактивными РАО полость 1, процесс самозахоронения начинается с полости 1. Расчетное тепловыделение РАО полостей 1, 4, масса и плотность РАО обеспечивают движение отходов по направлению полостей 2, 3, 3". Далее, соединение РАО полостей 1, 4 с РАО полостей 2-3 приводит к увеличению скорости погружения, причем более легкие фракции короткоживущих РАО находятся в верхней части погружающегося ансамбля и тем самым исключают вероятность попадания в след погружающихся отходов долгоживущих РАО. Вертикальную миграцию блокируют непроницаемые слои 11 (например соли, глины и т.д.), а горизонтальную - ряды параллельных даек 12. Так как дайки, непосредственно изолирующие погружающийся объем с РАО, имеют по предварительным исследованиям "гладкие" возмущения границ, удовлетворяющие требованиям теоретических оценок, то процесс движения РАО вдоль границ даек проходит беспрепятственно вплоть до их корней в верхней мантии.

Изобретение позволяет повысить безопасность процесса глубинного захоронения высокоактивных нуклидов более надежной локализацией их от внешней среды, одновременно устранить проблемы ликвидации токсичных отходов и отказаться от наземного хранения короткоживущих РАО. Ожидаемый экономический эффект составит 50 млн. долларов.

Литература

1. Кедровский О.Л., Савушкина М.К. и др. Обоснование условий локализации высокоактивных отходов и отработавшего ядерного топлива в геологических формациях. Атомная энергия. Т.70, в.5., М.,1991.

2. Handling and final disposal of nuclear waste. Programme for research, development and other measures. Stockholm, 1986, p.12.

3. Никифоров А.С., Полуэктов П.П., Поляков А.С. Авт. св. СССР N 826875, G 21 F 9/14 от 21.04.1980.

4. A.V.Byalko. Nuclear Waste Disposal: Geophysical Safety. Chapter 8, p. 181 - 200. CRC Press, Boca Raton, Florida, USA.

5. Л.Д.Ландау, Е.М.Лифшиц. Гидродинамика.- М.: Наука, 1988, 733 с.

6. Ockendon et al. Geodynamic thermal runway with melting. J.Fluid Mech. 1985, v.152, p. 301 - 314.

7. A. V. Byalko. Nuclear Waste Disposal: Geophysical Safety. CRC Press, Boca Raton, Florida, 281 p.