железобетонное хранилище радиоактивных отходов

Формула изобретения

1. Железобетонное хранилище радиоактивных отходов, включающее окруженную дренажной канавой, выполненную в грунтовом массиве, сужающуюся сверху вниз емкость с плоским днищем, на котором расположен железобетонный, разделенный на отсеки резервуар со стенками, днищем и крышкой, образованными плитами перекрытия, причем внутренняя поверхность стенок и днища железобетонного, разделенного на отсеки резервуара покрыта водонепроницаемой облицовкой, отличающееся тем, что железобетонный, разделенный на отсеки резервуар расположен ниже поверхности грунтового массива; над железобетонным, разделенным на отсеки резервуаром расположен слой песка, над нижней поверхностью которого установлены горизонтальные парожидкостные термосифоны; по верхней и боковым поверхностям слоя песка расположен теплоизолятор, а по периметру слоя песка - дренажная канава; пространство между стенками сужающейся сверху вниз емкости и стенками железобетонного, разделенного на отсеки резервуара, а также между крышкой железобетонного, разделенного на отсеки резервуара и поверхностью сужающейся сверху вниз емкости заполнено дисперсным грунтом.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что по периметру железобетонного, разделенного на отсеки резервуара расположены вертикальные парожидкостные термосифоны до глубины, превышающей глубину расположения днища резервуара.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области охраны окружающей среды, а точнее к области хранения переработанных радиоактивных отходов (РАО), и разработано для районов с устойчивой отрицательной температурой атмосферного воздуха в зимнее время. Наиболее эффективно заявляемое устройство может быть использовано при захоронении твердых, а также предварительно отвержденных РАО без их загрузки - выгрузки в процессе эксплуатации хранилища.

Известно хранилище РАО [1], представляющее собой железобетонный отсек размером 2,4×4,8×6,0 м, размещенный в грунтовом массиве. Внутренняя поверхность отсека, в котором размещают РАО, покрыта водонепроницаемой облицовкой, а наружная - слоем битума. Сверху железобетонный отсек закрыт железобетонной крышкой, на которой сверху последовательно расположены слой бетона толщиной 0.1 м, двойной слой битумной изоляции, бетонный слой, защищающий битумную изоляцию, и 0,5 м слой глины.

Недостатком известного хранилища являются: его повышенная экологическая опасность для окружающей среды, обусловленная возможностью проникновения в железобетонный отсек грунтовых вод, вымываемости ими радионуклидов из РАО и их выноса в окружающую среду, вследствие того, что при долгосрочном хранении железобетонные стенки отсека, их водонепроницаемая облицовка и слой битума сами будут подвергаться разрушению в результате многочисленных циклов сезонного промерзания-оттаивания, а также естественного старения материалов.

Известно железобетонное хранилище РАО [2], представляющее собой окруженную дренажной канавой, выполненную в грунтовом массиве, сужающуюся сверху вниз емкость с плоским наклонным днищем, над которым расположен выступающий над поверхностью грунтового массива железобетонный, разделенный на отсеки резервуар со стенками, днищем и крышкой, образованной плитами перекрытия, причем внутренняя поверхность стенок и днища железобетонного резервуара покрыта водонепроницаемой облицовкой. По внешнему периметру резервуара выше уровня поверхности грунтового массива выполнен прилив, под которым находится прилегающий к стенкам и днищу резервуара гидроизоляционный барьер из глины, ниже и с боков барьера расположен слой водопроницаемого грунта, в нижней точке которого имеется водозаборное устройство, снабженное водотранспортной магистралью для перекачивания в дренажную канаву профильтровавших в водопроницаемый слой атмосферных осадков и грунтовых вод.

Недостатком известного хранилища являются: его повышенная экологическая опасность для окружающей среды, обусловленная возможностью проникновения в железобетонный отсек грунтовых вод, вымываемости ими радионуклидов из РАО и их выноса в окружающую среду вследствие того, что при долгосрочном хранении железобетонные стенки отсека, их водонепроницаемая облицовка сами будут подвергаться разрушению в результате естественного старения материалов; его недостаточная долговечность, обусловленная повышением на 3-4 порядка фильтрационных свойств глин при промерзании-оттаивании в результате появления макропористости (см., например, 4) и, как следствие, ухудшение качества гидроизоляционного барьера со временем, разрушение бетона и облицовки внутренних стенок хранилища в результате многочисленных циклов их промерзания-оттаивания, особенно при замерзании попадающей в них воды, а также естественного старения материалов.

Наиболее близким к заявляемому устройству является железобетонное хранилище РАО (3), представляющее собой окруженную дренажной канавой, выполненную в грунтовом массиве, сужающуюся сверху вниз емкость с плоским горизонтальным днищем, на котором расположен выступающий над поверхностью грунтового массива железобетонный, разделенный на отсеки резервуар со стенками, днищем и крышкой, образованными плитами перекрытия, в котором размещают РАО, причем внутренняя поверхность стенок и днища железобетонного резервуара покрыты водонепроницаемой оболочкой, а в пространстве между стенками сужающейся сверху вниз емкости и стенками железобетонного резервуара расположен прилежащий к ним слой глиняного гидроизолирующего барьера (глиняный замок).

Недостатком известного хранилища являются: его повышенная экологическая опасность для окружающей среды, обусловленная возможностью проникновения в железобетонный отсек грунтовых вод, вымываемости ими радионуклидов из РАО и их выноса в окружающую среду, вследствие того, что при долгосрочном хранении железобетонные стенки отсека, их водонепроницаемая облицовка сами будут подвергаться разрушению в результате естественного старения материалов; его недостаточная долговечность, обусловленная повышением на 3-4 порядка фильтрационных свойств глин при промерзании-оттаивании в результате появления макропористости (см., например, 4) и, как следствие, ухудшение качества гидроизоляционного барьера со временем, разрушение бетона и облицовки внутренних стенок хранилища в результате многочисленных циклов их промерзания-оттаивания особенно при замерзании попадающей в них воды.

Техническим результатом заявляемого устройства являются повышение его экологической безопасности для окружающей среды и увеличение его долговечности.

Для достижения технического результата предлагается устройство, представляющее собой окруженную дренажной канавой, выполненную в грунтовом массиве, сужающуюся сверху вниз емкость с плоским днищем, на котором ниже поверхности грунтового массива расположен железобетонный, разделенный на отсеки резервуар для хранения РАО со стенками, днищем и крышкой, образованной плитами перекрытия, причем внутренняя поверхность стенок и днища железобетонного резервуара покрыта водонепроницаемой облицовкой, над резервуаром расположен слой песка, над нижней поверхностью которого установлены горизонтальные парожидкостные термосифоны, по верхней и боковым поверхностям слоя песка расположен теплоизолятор, а по периметру этого слоя - дренажная канава, пространство между стенками сужающейся сверху вниз емкости и стенками железобетонного резервуара заполнено дисперсным грунтом.

Отличительными признаками заявляемого устройства являются следующие признaки: резервуар расположен ниже поверхности грунтового массива; над резервуаром расположен слой песка, над нижней поверхностью которого установлены горизонтальные парожидкостные термосифоны; по верхней и боковым поверхностям слоя песка расположен теплоизолятор; дренажная канава расположена по периметру слоя песка; пространство между стенками сужающейся сверху вниз емкости и стенками железобетонного резервуара, а также между крышкой железобетонного резервуара и поверхностью сужающейся сверху вниз емкости заполнено дисперсным грунтом.

Дополнительным отличием предлагаемого устройства является то, что по периметру железобетонного, разделенного на отсеки резервуара расположены вертикальные парожидкостные термосифоны до глубины, превышающей глубину расположения днища резервуара.

Перечисленные отличительные признаки обеспечивают достижение указанного выше технического результата - повышение экологической безопасности железобетонного хранилища РАО для окружающей среды и увеличение его долговечности, а именно: находящийся ниже поверхности грунтового массива резервуар защищен от воздействия атмосферных осадков и колебаний температуры атмосферного воздуха; над резервуаром расположен слой песка, который, будучи промороженным, является гидроизоляционным барьером и защищает резервуар от попадания поверхностных вод; расположенные у нижней границы слоя песка горизонтальные парожидкостные термосифоны обеспечивают создание вокруг резервуара гидроизоляционного барьера из вечномерзлого грунта, при этом шаг расстановки термосифонов зависит от климатических условий; теплоизолятор, уложенный по верхней и боковым поверхностям слоя песка, уменьшает глубину сезонного оттаивания песка в летнее время и обеспечивает круглогодичное существование гидроизоляцонного барьера из вечномерзлого грунта над резервуаром, при этом толщина теплоизолятора зависит от климатических условий; дренажная канава, расположенная вокруг слоя песка, обеспечивает сбор и отвод в сторону от хранилища попадающих на поверхность теплоизолятора атмосферных осадков, а также грунтовых вод с сопредельной территории; наличие дисперсного грунта между стенками сужающейся сверху вниз емкости и стенками резервуара, а также между крышкой резервуара и поверхностью сужающейся сверху вниз емкости обеспечивает непосредственное примыкание гидроизоляционного барьера из вечномерзлого грунта к стенкам и крышке железобетонного резервуара; наличие по периметру железобетонного, разделенного на отсеки резервуара вертикальных парожидкостных термосифонов, установленных до глубины, превышающей глубину расположения днища резервуара, увеличивает скорость процесса промерзания грунта и обеспечивает создание гидроизоляционного барьера из вечномерзлого грунта по всей глубине железобетонного хранилища РАО уже в первые зимние сезоны.

Заявляемое устройство иллюстрируется чертежом, на котором показан поперечный разрез железобетонного хранилища РАО.

Железобетонное хранилище РАО состоит из сужающейся сверху вниз емкости 1 с плоским горизонтальным дном, железобетонного, разделенного на отсеки резервуара 2, железобетонной крышки 3 железобетонного разделенного на отсеки резервуара, слоя песка 4, горизонтальных парожидкостных термосифонов 5, теплоизолятора 6, дренажной канавы 7, гидроизолирующего барьера из вечномерзлого грунта 8, поверхности сужающейся сверху вниз емкости 9, по периметру железобетонного, разделенного на отсеки резервуара 3 расположены вертикальные парожидкостные термосифоны 10.

Заявляемое устройство функционирует следующим образом. В отсеках железобетонного, разделенного на отсеки резервуара 2, установленного на плоское горизонтальное дно сужающейся сверху вниз емкости 1, размещают твердые или отвержденные РАО. После заполнения отсеков железобетонного, разделенного на отсеки резервуара 2 свободное пространство между кусками РАО заливают цементным раствором и сам железобетонный, разделенный на отсеки резервуар 2 закрывают крышкой 3. Затем в пространство между стенками сужающейся сверху вниз емкости 1 и стенками железобетонного, разделенного на отсеки резервуара 2, а также между крышкой 3 железобетонного, разделенного на отсеки резервуара и поверхностью 9 сужающейся сверху вниз емкости отсыпают дисперсный грунт, который плотно утрамбовывают. Далее выше поверхности 9 сужающейся сверху вниз емкости отсыпают слой песка 4, в котором прокладывают горизонтальные парожидкостные термосифоны 5 (парожидкостные термосифоны являются холодильными устройствами, работающими за счет низких отрицательных температур атмосферного воздуха в зимний период и не требующими энергетических затрат в процессе эксплуатации, см., например, 5) и поверх этого слоя располагают теплоизолятор 6. Вокруг слоя песка устраивают дренажную канаву 7. После чего приступают к долгосрочному хранению РАО. В процессе хранения автоматически за счет охлаждения массива грунта в зимнее время горизонтальными парожидкостными термосифонами 5 создается гидроизоляционный барьер из вечномерзлого грунта 8, размеры которого с каждой новой зимой увеличиваются. В летнее время, когда горизонтальные парожидкостные термосифоны 5 не работают, теплоизолятор 6 удерживает границу сезонного оттаивания грунта в слое песка 4 и железобетонный, разделенный на отсеки резервуар 2 оказывается навсегда захороненным в вечномерзлом грунте 8. Будучи захороненньм в вечномерзлом грунте 8, железобетонный, разделенный на отсеки резервуар 2 не подвержен действию атмосферных осадков и грунтовых вод, находится при стабильной отрицательной температуре, которая существенно замедляет процессы его старения. Это обеспечивает повышение экологической безопасности заявляемого устройства для окружающей среды и увеличение его долговечности.

В настоящее время авторами проведено математическое моделирование теплового взаимодействия железобетонного хранилища РАО с вмещающей его грунтовой средой, которое показало большую перспективность заявляемого устройства. Так, например, в районах С.-Петербурга, Москвы, Нижнего Новгорода, Казани и Саратова только за счет естественного “холода” удается создать вокруг железобетонных резервуаров с РАО гидроизоляционный барьер из вечномерзлого грунта за 10-12 зимних сезонов при наличии горизонтальных парожидкостных термосифонов и за 1-3 зимних сезона - при наличии горизонтальных и вертикальных парожидкостных термосифонов. При этом толщина слоя песка над резервуаром с РАО составляет 1,7 м, толщина изолятора из пенополистирола 0,2 м, диаметр термосифонов 0,052 м и шаг их расстановки 1,0 м.

В текущем году планируется строительство опытного фрагмента хранилища РАО на полигоне ГУП МосНПО “Радон” в районе г Сергиев Посад (Московская область).

К сожалению, опыта хранения РАО в вечномерзлых грунтах пока нет, однако многочисленные палеонтологические находки органического вещества в вечномерзлых грунтах, пролежавшего там без гниения многие тысячи лет, говорят о высокой надежности и большой долговечности защитных барьеров из этих грунтов.

Источники информации

1. И.А.Соболев, Л.М. Хомчик. Обезвреживание радиоактивных отходов на централизованных пунктах. - М.: Энергоиздат, 1983, с.72.

2. В.Прозоров, А.С.Баринов, Ф.А.Лифанов, В.И.Титков, Е.И.Веселов. Железобетонное хранилище радиоактивных отходов. Патент №2168224, 2001.

3. И.А.Соболев, Л.М.Хомчик. Обезвреживание радиоактивных отходов на централизованных пунктах. - М.: Энергоиздат, 1983, с.74.

4. Г.Д.Потрашков, Л.Н.Хрусталев. О влиянии текстуры оттаявших глинистых грунтов на их прочность и фильтрационные свойства. Известия Сибирского отделения АН СССР, №1, 1961, с.33 и 34.

5. Основы геокриологии. Ч.5. Инженерная геокриология. Под ред. Э.Д.Ершова. - М.: Изд-во МГУ, 1999, с.310.