способ захоронения радиоактивных отходов

Формула изобретения

Способ захоронения радиоактивных отходов, включающий бурение скважины, размещение контейнеров с радиоактивными отходами и оставление барьерного целика в зоне пластических деформаций окружающих пород, заполнение свободного объема скважины расширяющимся тампонажным материалом, герметизацию устья скважины, отличающийся тем, что захоронение отходов производят в слое глин, находящихся в пластичном состоянии, контейнеры с радиоактивными отходами размещают в средней части слоя на участке длиной l=m-2h , где m - мощность слоя, h - мощность глинистых пород, а тампонаж свободного объема скважины осуществляют извлеченной из скважины, высушенной и размолотой породой, причем на участке расположения контейнеров тампонаж выполняют замещением бурового раствора, а на участке барьерного целика после откачки бурового раствора - путем порционной подачи с добавкой воды в объеме, соответствующем естественной влажности.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области захоронения радиоактивных отходов атомных электростанций и других отраслей атомной промышленности.

Известен способ захоронения радиоактивных отходов, включающий бурение скважины, спуск в нее контейнеров с радиоактивными отходами, проведение тампонажных работ путем заполнения оставшегося пространства в скважине на интервале расположения контейнеров цементным раствором, а выше этого интервала, на участке барьерного целика, путем выполнения изолирующего слоя из глины, герметизацию устья скважины (Характеристики инженерных барьеров в глубоких геологических формациях, совещание консультантов 13-17 ноября 1989 г., с.19-22, МАГАТЭ. Отдел ядерного топливного цикла и обращения с отходами. Вена, апрель 1990 г.).

Недостатком способа является наличие в породах вдоль ствола скважины зоны разгрузки от горного давления, а также наличие обсадной трубы на интервале захоронения. Зона разгрузки вокруг скважины может являться каналом, по которому к контейнерам могут проникать подземные воды. Наличие обсадной колонны на первоначальном этапе будет препятствовать плотному обжатию контейнеров со стороны породного массива, а после ее разрушения с течением времени под действием коррозии также может привести к возникновению водопроводящего канала, что не обеспечивает надежную охрану подземных вод от радиации.

Известен также способ захоронения радиоактивных отходов, включающий бурение скважины, размещение контейнеров с радиоактивными отходами и оставление над ними барьерного целика в зоне пластических деформаций окружающих скважину пород, заполнение свободного объема скважины расширяющимся при затвердевании тампонажным материалом (Способ захоронения радиоактивных отходов. Патент РФ №2063077, МПК G 21 F 9/24, E 21 F 17/16, В 09 В 1/00, опубл. 27.06.1996 г.).

Недостатком способа является оставление вокруг скважины в зоне размещения контейнеров с радиоактивными отходами и барьерного целика, расширяющегося при твердении тампонажного материала, в котором возможно появление трещин из-за неравномерной его толщины, обусловленной различными зазорами между стенкой скважины (неровности и вывалы) и контейнерами, а также в результате перераспределения горного давления в окрестности скважины при твердении и расширении тампонажного материала. Эти недостатки снижают надежность захоронения радиоактивных отходов и не обеспечивают охрану подземных вод от радиоактивного загрязнения.

Настоящее изобретение направлено на решение задачи по повышению степени надежности охраны подземных вод при захоронении радиоактивных отходов.

Для решения поставленной задачи в способе, включающем бурение скважины, размещение контейнеров с радиоактивными отходами и оставление барьерного целика в зоне пластических деформаций горных пород, заполнение свободного объема скважины расширяющимся тампонажным материалом, герметизацию устья скважины, захоронение радиоактивных отходов производят в слое глинистых пород, находящихся в пластичном состоянии, а контейнеры с радиоактивными отходами размещают в средней части слоя на участке длиной l=m-2h , где m - мощность слоя, h - мощность глинистых пород, при которой обеспечивается защита подземных вод от радиации при нарушении герметичности контейнеров. Тампонаж свободного объема скважины осуществляют расширяющейся при размокании высушенной и размолотой материнской породой. На участке расположения контейнеров тампонаж выполняют замещением бурового раствора предварительно подготовленной материнской породой. На участке барьерного целика после откачки бурового раствора материнскую породу подают порционно с добавкой воды в объеме, соответствующем естественной влажности.

Как известно, пластические свойства глинистых пород тесно связаны с влажностью. В зависимости от степени увлажнения они могут находиться в твердом, полутвердом, пластическом и текучем состоянии (Н.С.Бирюков, В.Д.Казарновский, Ю.Л.Мотылев. Методическое пособие по определению физико-механических свойств грунтов. M.: «Недра», 1975, 176 с.). Для захоронения радиоактивных отходов наилучшим образом подходят глины (с числом пластичности М_р>17) в пластичном состоянии (показатель консистенции 0,25В0,75). Барьерные целики (выше и ниже контейнеров с радиоактивными отходами) из указанных глин являются наилучшим водозащитным экраном (т.е. предотвращают проникнование подземных вод из водоносных пород), так как могут претерпевать значительные деформации без нарушения их сплошности (А.С.Ведяшкин. Оценка состояния водозащитного экрана из глинистых грунтов. Методы изучения и управления деформациями массива горных пород при разработке пластов под застроенными территориями и обеспечения устойчивости бортов разрезов. Сборник научных трудов. - Л.: ВНИМИ, 1987. - с.41-48).

В процессе бурения скважины для захоронения радиоактивных отходов извлекают глинистую породу, по образцам определяют естественную влажность, число пластичности и показатель консистенции в соответствии с «Методическим пособием...». Глинистую породу на участке с числом пластичности более 17 и показателем консистенции в диапазоне от 0,25 до 0,75 после извлечения из скважины высушивают до влажности, которая меньше, чем предел усадки при высушивании, размалывают и упаковывают во влагонепроницаемые пакеты и в дальнейшем используют для тампонажа свободного пространства скважины. Контейнеры с радиоактивными отходами размещают в средней части слоя глин с указанными параметрами на участке длиной l=m-2h и после извлечения доставочной трубы в скважину засыпается высушенная и размолотая материнская порода в объеме, определяемом исходя из диаметра скважины и размеров контейнеров, которая вытесняет буровой раствор. Затем буровой раствор, оставшийся в скважине над контейнерами, откачивается и на участке барьерного целика в скважину подается порциями высушенная и размолотая материнская порода и вода в объеме, определяемом исходя из естественной влажности глинистых пород.

Предлагаемый способ поясняется чертежами, где

на фиг.1 показан разрез скважины во время размещения в ней контейнеров с радиоактивными отходами;

на фиг.2 показан разрез по оси скважины после тампонажа свободного пространства и герметизации устья;

на фиг.3 показано сечение скважины по а-а в верхней ее части;

на фиг.4 показано сечение по в-в на интервале барьерного целика;

на фиг.5 показано сечение по с-с на интервале расположения контейнеров с радиоактивными отходами после тампонажа скважины.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом. Для захоронения отходов выбирается массив глинистых пород в пластичном состоянии. В массиве бурится скважина 1. Бурение скважины производится с извлечением керна и определением естественной влажности, числа пластичности и показателя консистенции. По полученным данным определяются верхняя 2 и нижняя 3 границы слоя 4 глинистых пород с числом пластичности М _р>17 и показателем консистенции В, в диапазоне от 0,25 до 0,75. Порода, отобранная в пределах указанного слоя, высушивается, размалывается и упаковывается в водонепроницаемую оболочку. Для размещения контейнеров намечается средняя часть выделенного границами 2 и 3 слоя 4, длина l которой находится из выражения l=m-2h , где m - мощность слоя, h - мощность глинистых пород, при которой обеспечивается защита подземных вод от радиации при нарушении герметичности контейнеров. Интервал 5 скважины 1, где будут впоследствии размещены контейнеры с радиоактивными отходами, а также интервал скважины в барьерном целике 6 и выше, вплоть до верхней границы 7 глинистых пород, не закрепляются постоянной крепью. Поддержание породных стенок на этих интервалах до размещения контейнеров производится с помощью бурового раствора.

После размещения в скважине контейнеров 8 с радиоактивными отходами в скважину засыпается сухая молотая материнская порода в объеме, определяемом исходя из зазора между контейнерами и стенками скважины и высоты интервала 5 скважины 1. Буровой раствор при этом вытесняется с участка расположения контейнеров в верхнюю часть скважины, откуда откачивается на поверхность. В процессе замещения бурового раствора сухая материнская порода увлажняется и набухает, создавая давление на окружающие скважину породы. На участке размещения барьерного целика для глин с h 4 м и выше него вплоть до границы 7 глинистых пород тампонаж производится путем последовательной порционной (на высоту двух диаметров скважины) подачи сухой молотой материнской породы и воды в объеме, который определяется исходя из естественной влажности глинистых пород. Выше границы 6 глинистых пород в обсадной трубе 9 возводится бетонная пробка 10.

При увлажнении сухая материнская порода набухает и, расширяясь, создает на стенки скважины повышенное давление, которое при достижении величины предельного напряжения сдвига приводит к перераспределению горного давления и восстановлению природного поля напряжений в окрестности скважины.

Контейнеры с радиоактивными отходами оказываются заключенными в пластичный горный массив с полем естественных напряжений и отделенными от контакта с водоносными породами 11 барьерными целиками 6.

Таким образом, благодаря предлагаемому способу захоронения радиоактивных отходов в глинистых породах, находящихся в пластичном состоянии, с оставлением барьерных целиков достаточных размеров и применению в качестве тампонажного материала расширяющейся при увлажнении сухой молотой материнской породы, в массиве вокруг контейнеров восстанавливается поле естественных напряжений, при котором исключается контакт подземных вод с радиоактивными отходами в зоне их захоронения.

Расширяющаяся при набухании высушенная размолотая материнская порода создает на стенке скважины повышенное давление, что приводит первоначально к уплотнению слоев массива, непосредственно примыкающих к стенке скважины, а в последующем, за счет перераспределения влаги приводит к восстановлению естественного горного давления в окрестности контейнеров с радиоактивными отходами.

Конкретный пример осуществления способа.

По данным ранее выполненной геологической разведки в толще осадочных горных пород на глубине от 12 до 97 м залегает слой неогеновых глин мощностью от 60 до 85 м, в котором возможно захоронение радиоактивных отходов. Скважина для захоронения радиоактивных отходов планируется на участке с прогнозной (по данным соседних разведочных скважин) глубиной верхней границы слоя глин - 12 м, нижней границы 87 м (мощность слоя глин - 75 м).

В процессе бурения скважины 1 (фиг.1) из нее извлекают глину, определяют естественную влажность W_e, верхний W_f и нижний W_p пределы пластичности и по этим данным находят число пластичности М _р=W_f-W_p и показатель консистенции В=(W_e-W_p)/М_р. Извлеченную из скважины глину высушивают, размалывают и герметично упаковывают в полиэтиленовые пакеты. По результатам испытаний устанавливают верхнюю 2 и нижнюю 3 границы слоя 4. На верхней границе W _e=37%, W_f=43%, W_p=20%, М_р =43-23=23, В=(37-20)/23=0,74, на нижней границе W_e =26%, W_f=43%, W_p=20%, М_р=43-23=23, В=(26-20)/23=0,26. Указанные границы расположены на глубинах 18 и 75 м соответственно и определяют интервал слоя 4, в котором глины находятся в пластичном состоянии (туго- и мягкопластичные). Мощность барьерных целиков 6 h принимают равными 4 м. Интервал 4 скважины для размещения радиоактивных отходов определяется глубиной от 22 до 71 м.

После бурения скважины на глубину 75 м с использованием в качестве крепления бурового раствора часть скважины с глубины 75 м до глубины 71 м (нижний барьерный целик) засыпают высушенной размолотой материнской глиной без откачки бурового раствора. Затем опускают в скважину контейнеры с радиоактивными отходами, начиная с глубины 71 м до глубины 22 м, и свободное пространство засыпают высушенной размолотой материнской глиной без откачки бурового раствора. Затем буровой раствор из скважины откачивают и на интервале от 22 до 12 мм скважину порционно заполняют высушенной размолотой материнской глиной с добавкой воды в объеме W _e=37%. Оставшиеся 12 м скважины до поверхности тампонируют бетоном. Высушенная размолотая материнская глина в скважине впитывает воду, набухает и при этом расширяется, что приводит к перераспределению горного давления и в конечном итоге к восстановлению естественного поля напряжений вокруг контейнеров с радиоактивными отходами.

Таким образом, благодаря предлагаемому способу захоронения радиоактивных отходов в глинистых породах, находящихся в пластичном состоянии, с оставлением барьерных целиков достаточных размеров и применению в качестве тампонажного материала расширяющейся при увлажнении сухой молотой материнской породы, в массиве вокруг контейнеров восстанавливается поле естественных напряжений, при котором исключается контакт подземных вод с радиоактивными отходами в зоне их захоронения.