подземный бесконтейнерный способ захоронения твердых источников радиоактивного излучения в отработанных подземных горных выработках криолитозоны

Формула изобретения

Подземный бесконтейнерный способ захоронения твердых источников радиоактивного излучения в отработанных подземных горных выработках криолитозоны, заключающийся в том, что предварительно охлажденные в зимний период твердые источники радиоактивного излучения доставляются в подземные горные выработки, укладываются послойно на подготовленную, огороженную опалубкой площадку, разравниваются и уплотняются с проливом водой и промораживанием естественным холодом до выкладки твердых источников радиоактивного излучения на полную высоту подземных горных выработок, при этом могильник формируется в виде целика столбообразной формы, отличающийся тем, что по мере укладки слоя твердых источников радиоактивного излучения дополнительно добавляют колотый лед и с принудительным обдувом его холодным наружным воздухом.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области обращения с радиоактивными отходами (РАО), представленными геологическими пробами, кернами, а также источниками радиоактивного излучения, эталонами и т.д., выработавшими свой ресурс, скопившихся в северных труднодоступных регионах РФ, не имеющих собственных предприятий по их переработке и могильников для захоронения, транспортировка которых на перерабатывающие предприятия и захоронения сопряжена со значительными трудностями и материальными затратами.

Известен способ захоронения твердых радиоактивных отходов (ТРАО) в зоне многолетней мерзлоты [Патент РФ №2134459. Кл G 21 F 9/24; опубл. 10.08.99. Бюл. №22] в поверхностных могильниках курганного типа, разработанный для захоронения большого объема грунта, растительности, донных отложений водотоков, загрязненных радионуклидами, выброшенных на поверхность в результате аварий подземными ядерными взрывами.

Могильник возводится в зимнее время на дезактивированной территории на специально подготовленной и предварительно промороженной площадке. ТРАО доставляются с дезактивируемой территории, укладывают послойно с разравниванием, утрамбовкой, проливом водой и промораживанием естественным (атмосферным) холодом.

По окончании укладки всех ТРАО поверх образовавшейся ледопородной конструкции высотой до 15 м намораживают ледяной панцирь, играющий роль аккумулятора холода и защитного барьера, предотвращающего миграцию радионуклидов за пределы могильника. Затем последовательно укладывают теплоизоляционный, гидроизоляционный и грунтовый слой, засаживаемый в летний период многолетними травами, предотвращающими растепление могильника, защищающими от дождевых осадков и эрозионного разрушения.

Способ захоронения и конструкция могильника должны обеспечить полную изоляцию ТРАО от биоты на срок не менее 100 лет даже в условиях возможного глобального потепления климата.

Основными недостатками вышеописанного способа являются необходимость возведения могильника больших размеров (высотой >5 м) для обеспечения необходимого запаса холода для предотвращения его растепления в летний период года или применения искусственной ежегодной подзарядки атмосферным холодом зимой, что сопряжено с определенными трудностями; невозможность наращивания возведенного могильника по высоте в случае обнаружения дополнительного объема ТРАО; высокая подверженность могильника растеплению в летний период в случае его механического повреждения или возможного лесного пожара, необходимость жесткого соблюдения технологического регламента и календарного графика реабилитационных работ.

Технический результат изобретения заключается в долговременной (на срок не менее 100 лет) и надежной изоляции различных малообъемных твердых источников радиоактивного излучения, переработка и захоронение которых в настоящее время в условиях Севера невозможны, а также снижение риска радиационного облучения населения.

Предлагается подземный, бесконтейнерный способ захоронения твердых источников радиоактивного излучения (ТИРИ) в отработанных подземных горных выработках (ПГВ) криолитозоны, заключающийся в том, что предварительно охлажденные в зимний период ТИРИ доставляются в ПГВ, укладываются послойно на подготовленную огороженную опалубкой площадку, разравниваются и уплотняются с проливом водой и промораживанием естественным холодом до выкладки ТИРИ на полную высоту ПГВ, при этом могильник формируется в виде целика столбообразной формы, отличающийся тем, что по мере укладки слоя ТИРИ дополнительно добавляют колотый лед и с принудительным обдувом его холодным наружным воздухом.

Максимальное использование имеющегося подземного выработанного пространства, особенностей климата и естественных природных ресурсов Севера, в первую очередь, наличия многолетней мерзлоты значительной мощности при резкоконтинентальном климате с длительной суровой зимой, а также специфики природных и горнотехнических условий подземной разработки месторождений полезных ископаемых, благоприятствующих обеспечению высокой надежности и долговечности подземного могильника ТИРИ, позволяют надежно изолировать высокоактивные отходы. Безопасность захоронения определяется следующими факторами:

- высокой устойчивостью горных выработок при сохранении мерзлого состояния вмещающих пород;

- высокой несущей способностью возведенных ледопородных целиков и закладочных массивов;

- отсутствием притоков подземных вод в горные выработки;

- низкой интенсивностью процессов физико-химического выветривания в отработанных горных выработках;

- отрицательным тепловым балансом вмещающего массива горных пород, а также горных выработок, эксплуатируемых с естественным (знакопеременным) тепловым режимом, которые в процессе ведения добычных работ основательно промерзают, а вмещающий породный массив накапливает большое количество холода;

- круглогодичной отрицательной температурой среды в отработанных законсервированных горных выработках.

На чертеже изображено подземное, бесконтейнерное захоронение твердых источников радиоактивного излучения (ТИРИ) в отработанных подземных горных выработках криолитозоны.

1 - налегающий над горной выработкой массив мерзлых горных пород;

2 - кровля отработанной подземной горной выработки;

3 - почва горной выработки;

4 - вентиляционная скважина;

5 - нагнетающий вентилятор;

6 - вентиляционный рукав;

7 - загрузочная скважина;

8 - временный отвал ТИРИ;

9 - временный отвал колотого льда;

10 - опалубка;

11 - емкость с водой;

12 - напорный шланг;

13 - форсунки;

14 - ТИРИ, сцементированные льдом.

Заявляемый подземный способ захоронения твердых источников радиоактивного излучения (ТИРИ) на практике реализуют следующим образом. В предварительно подготовленную отработанную горизонтальную подземную горную выработку с поверхности пробуривают две вертикальные скважины, обсаживаемые металлическими трубами, одна из которых служит для целей вентиляции, вторая - для списка ТИРИ.

Подлежащие захоронению ТИРИ в зимний период временно складируют у устья загрузочной скважины, кроме этого заготавливают и складируют колотый лед, который используют в качестве наполнителя для ускорения замерзания захораниваемых ТИРИ в подземных условиях, значительно сокращая тем самым в совокупности с принудительным обдувом холодным воздухом продолжительность смерзания и возведения.

В горной выработке под загрузочной скважиной сооружают периодически наращиваемую опалубку прямоугольного сечения, размеры которой определяются объемом захораниваемых ТИРИ и габаритами выработки. На поверхности у вентиляционной скважины устанавливают нагнетающий вентилятор и прокладывают вентиляционный рукав под землю; наполняют водой емкость и приготавливают к работе разбрызгивающее устройство.

ТИРИ загружаются в скважину вперемешку с колотым льдом. Они под действием собственного веса поступают в горную выработку, в пространство, огороженное опалубкой, в количестве, необходимом для получения слоя толщиной=30 см. Далее, производится разравнивание и утрамбовка слоя ТИРИ с последующим проливом водой до полного насыщения (по технологии возведения ледопородных целиков и закладочных массивов, используемой в горном деле) [Киселев В.В., Бурцев И.С. Ликвидация последствий аварийных ядерных взрывов в зоне многолетней мерзлоты. - Якутск: Изд-во ЯНЦ СО РАН, 1999, Необутов Г.П., Зубков В.П., Шкулев С.П. Исследование формирования льдопородного закладочного массива при послойном намораживании пород // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых, 1998. - №2 - с.66-71.]. После этого включается нагнетающий вентилятор и производится обдув уложенного слоя холодным наружным воздухом для ускорения процесса промораживания, после окончания которого производят укладку следующего слоя вплоть до полной укладки всех ТИРИ или достижения высоты выработки.

В результате получается устойчивое столбообразное ледопородное сооружение - подземный могильник, надежно защищенный от растепления, пожара, дождевых осадков, в котором ТИРИ, скомпаундированные льдом, надежно защищены от возможного хищения и безопасны для биоты.

По окончании работ по захоронению ТИРИ необходимо тщательно загерметизировать на летний период все скважины, исключив тем самым возможный подсос теплого воздуха и попадание дождевых осадков в горную выработку, для изоляции от действующих выработок рудника должна быть возведена изоляционная перемычка во избежание попадания вентиляционной струи. На внешнюю поверхность перемычки наносят запрещающие знаки.

При обнаружении или появлении новых ТИРИ работы по их захоронению могут быть продолжены в зимний период. Для этого достаточно расконсервировать скважины и заготовить лед в достаточном количестве.

В этом случае возможны два варианта захоронения ТИРИ: путем наращивания существующего могильника по высоте по вышеописанной технологии или строительство нового могильника. При невозможности осуществления первого варианта, с поверхности пробуривают новую загрузочную скважину, а далее все работы производятся в вышеописанном порядке, при этом используется имеющаяся вентиляционная скважина с удлиненным вентиляционным рукавом. При полном заполнении всей площади горной выработки она отшивается (изолируется) капитальной перемычкой, все скважины заваливаются пустой породой, а их устьевые части бетонируются. Таким образом получается подземный полигон радиоактивных отходов, состоящий из нескольких индивидуальных могильников.

Предлагаемый способ позволяет (в сравнении с аналогом) возводить могильник небольших размеров и не на полную высоту выработки, обеспечить высокую степень защищенности могильника в летний период от растепления солнечной радиацией, лесными пожарами, действия дождевых осадков. Могильник к тому же имеет более простую конструкцию, и возведение его требует выполнения гораздо меньшего количества операций, т.к. нет необходимости в подготовке и промораживании площадки, возведении теплоизоляционного, гидроизоляционного слоев, противоэрозионной защиты.