способ захоронения аварийных ядерных реакторов

Формула изобретения

Способ захоронения аварийных ядерных реакторов, включающий создание под аварийным ядерным реактором подземного могильника, в виде подземной вертикальной выработки, заполнение внутреннего объема этой выработки льдом и образование за счет этого нового ледяного временного основания под фундаментом аварийного реактора, перенос веса последнего на новое ледяное основание, подачу теплоты и постепенное уменьшение высоты ледяного основания, вплоть до полного удаления льда, установку при этом аварийного реактора на основание подземной выработки в предварительно созданный могильник, отличающийся тем, что при перемещении аварийного реактора под землю предварительно увеличивают прочность (толщину) замороженного грунтового массива под фундаментом аварийного реактора, а затем, после создания нового ледяного основания, увеличивают нагрузку и разрушают прежнее грунтовое основание присоединением ледяного массива подземной выработки к фундаменту аварийного реактора посредством гибких грузонесущих связей, проложенных через вертикальные скважины.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к специальному строительству, а именно к технологии захоронения аварийных реакторов типа четвертого блока Чернобыльской АЭС и других экологически опасных объектов.

Опыт ликвидации последствий аварии на АЭС Чернобыльской (СССР) и «Три-Майл-Айленд» (США), а также утилизации выработавших свой ресурс ядерных блоков атомных электростанций свидетельствует об отсутствии эффективных способов решения подобных задач. Затраты на демонтаж даже не аварийных, а только выработавших свой ресурс ядерных реакторов превышают стоимость их строительства [1, 3].

В настоящее время считается, что наиболее рациональным путем задачу локализации последствий крупных аварий на АЭС можно решить созданием над аварийным реактором специального укрытия в виде защитной оболочки. Такое временное укрытие - «саркофаг» - над четвертым блоком Чернобыльской АЭС было построено за пять с половиной месяцев и сдано в эксплуатацию к ноябрю 1986 года. В настоящее время этот «саркофаг» находится в аварийном состоянии, что объясняется не только ударными темпами стройки, но и специфическими условиями его создания. Из-за высокой радиации монтаж конструкций выполнялся дистанционно, с помощью телевизионных установок. Все узлы, все соединения исключали сварку и точную фиксацию. Большинство несущих конструкций «саркофага» вынуждены были опирать на уцелевшие после взрыва опоры, прочность которых во многих случаях не могла быть определена достоверно. Сколько-нибудь серьезного контроля за качеством монтажа не было. По этим причинам герметичным строение не получилось, общая площадь различного рода щелей и отверстий превышала тысячу квадратных метров. Атмосферная влага, попадая внутрь «саркофага, соединялась, например, с карбидом бора, создавала кислую среду, которая существенно ускоряла скорость коррозии стальных конструкций, в том числе балок и опор. Поэтому срок службы «саркофага» еще на этапе проектирования был ограничен 30-ю годами.

Таким образом, срок гарантийной эксплуатации существующего «саркофага» заканчивается. Обрушение этого «укрытия», по мнению специалистов, может привести к еще более тяжелым последствиям, чем катастрофа 1986 года. Ведь в аварийном блоке по-прежнему находится 95% ядерного топлива, полная активность которого составляет 19 млн. кюри.

В связи с изложенным вопрос о необходимости создания нового укрытия над существующим «саркофагом» стал актуальным уже в 1992 году. В этом же году был объявлен Международный конкурс проектов на превращение «Объекта укрытие» в экологически безопасную систему. Победил Запад (французская компания «Кампенон бернар»), который Украине предложил не только техническое решение, но якобы деньги на ее реализацию своего проекта.

Новое укрытие - канфайнмент (НБК) - по французскому проекту представляло собой защитную оболочку высотой 108 м, длиной 275 м и шириной 150 м. Чтобы уменьшить дозы облучения строителей, это грандиозное сооружение должно быть создано вблизи четвертого энергоблока, затем надвинуто на старый «саркофаг».

После определения стоимости французского проекта, от 1 до 4 млрд долл., Запад от финансирования данной работы отказался.

Примерно в такую же сумму в настоящее время оценивается стоимость демонтажа и ликвидации существующих действующих АЭС после выработки ими своего ресурса [1].

Таким образом, недостатком известных способов является не только незначительный срок службы наземных «саркофагов», не только чрезвычайно высокая их стоимость, но и, что самое главное, высокие дозы радиации, которые неизбежно получат рабочие при строительстве такого сооружения.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному устройству является «Способ захоронения экологически опасных объектов» [2]. Указанный способ предполагает создание подземного могильника в практически водонепроницаемых грунтах с последующим перемещением туда, например, аварийного реактора и отводом теплоты, которая образуется в результате деления ядер атомов делящихся веществ. Для этого на безопасном от аварийного реактора расстоянии выполняют вертикальный ствол и горизонтальные штольни до центра этого реактора. В штольнях устанавливают источники холода и теплоты, грунт под фундаментом аварийного реактора предварительно закрепляют путем бурения наклонных скважин, установкой в них толстостенных обсадных труб и замораживания этого грунта с помощью источника холода, например жидким азотом, температура кипения которого составляет минус 196°С. Затем соосно аварийному реактору, выше штольни создают подземную вертикальную выработку, закрепляемую обделкой, внутри которой располагают теплообменники, присоединенные к указанным источникам теплоты и холода, далее заполняют водой внутренний объем выработки и, охлаждая ее, превращают воду в лед. Затем грунт непосредственно под аварийным реактором размораживают, извлекают обсадные трубы из наклонных скважин и бурят до льда по периметру аварийного реактора вертикальные скважины. При этом вес реактора передают на специально созданный ледяной фундамент. Затем прекращают подачу холодоносителя и подают теплоноситель в теплообменники основания вертикальной выработки. По мере таяния льда высота ледяного фундамента уменьшается - аварийный реактор опускается по вертикальной выработке в подземный могильник. Образующуюся при этом воду удаляют.

Данному способу присущи недостатки всех известных способов захоронения аварийных реакторов, хотя в значительно меньшей степени, а именно: необходимость выполнения части работ в непосредственной близости от источника радиоактивного излучения - бурения множества скважин первоначально для закрепления, затем для разрушения основания под фундаментом аварийного реактора. При этом может произойти крупная катастрофа с гибелью людей, находящихся в подземной вертикальной выработке, в том случае, если прочность замороженного грунта окажется недостаточной, тогда аварийный реактора уйдет под землю, в созданную вертикальную выработку преждевременно, до создания ледяного фундамента.

Для обеспечения безопасности работ при перемещении аварийного реактора под землю, в предварительно созданный могильник предлагается до перемещения аварийного реактора под землю увеличить прочность (толщину) грунтового массива под фундаментом аварийного реактора, далее - после создания ледяного фундамента - увеличить нагрузку и разрушить прежнее грунтовое основание присоединением ледяного массива подземной выработки к фундаменту аварийного реактора посредством гибких грузонесущих связей, проложенных через вертикальные скважины.

При реализации предлагаемого технического решения, при таянии льда в подземной вертикальной выработке вес ледяного массива присоединяется к весу аварийного реактора, благодаря чему число скважин, необходимых для ослабления грунта под основанием аварийного реактора, может быть существенно сокращено. Соответственно при этом сократится объем и стоимость работ в непосредственной близости от аварийного ядерного реактора.

Новой в заявленном изобретении является операция по установке гибких связей между существующим фундаментом аварийного реактора и подземной выработкой под ним.

Изобретение иллюстрируется следующим примером устройства, реализующим заявленный способ (см. чертеж), где показаны: аварийный реактор 1, аналогичный четвертому блоку Чернобыльской АЭС, и этот же реактор - в конечном положении 1а; наклонные скважины с толстостенными обсадными трубами 2, предназначенные для замораживания грунта под аварийным реактором; расположенная под реактором и соосно ему подземная вертикальная выработка 3 с обделкой 4, внутри которой расположены по боковым поверхностям теплообменники 5, а в основании 6 - теплообменники 7. Эти же конструкции могут выполнять функцию дополнительной арматуры, повышающей прочность обделки подземной выработки.

Для подачи в теплообменники холодоносителя и теплоносителя предусматриваются трубопроводы с запорно-регулирующей арматурой 8, 9 и 10. Для подачи воды в выработку предусматривается водовод 11. Этот же водовод используется для удаления из подземной выработки воды после таяния льда. Для этих же целей предусматриваются насос 12 и запорно-регулирующая арматура 13-17. Для получения холодоносителя предусматриваются источник холода (холодильная машина) 18, а для получения теплоносителя - источник теплоты (котел) 19. Для замораживания грунта и воды может быть использован жидкий азот.

Строительные и монтажные работы осуществляются через специальный вертикальный ствол 20 и горизонтальные штольни (потерны) 21 и 22. Для ослабления связи фундамента реактора с окружающим грунтом предусматривается бурение вертикальных скважин 23, через которые пропускают в подземную выработку 3 гибкие грузонесущие связи (трос, цепь) 24, соединенные вверху с фундаментом реактора 1.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом. На безопасном от аварийного реактора 1 расстоянии строят ствол 20 и горизонтальные штольни 21 и 22, подходящие к оси указанного реактора. В одной из штолен 22 устанавливают холодильную машину 18 и теплогенератор 19 и приступают к строительству выработки 3. Предварительно с целью преждевременного самовольного опускания аварийного реактора 1 в выработку 3 бурят наклонные скважины и устанавливают в них толстостенные обсадные трубы 2, и с их помощью замораживают грунт непосредственно под фундаментом аварийного реактора 1, повышая таким образом устойчивость этого фундамента. Для этих целей преимущественно следует использовать жидкий азот.

По мере проходки выработки 3 устанавливают обделку 4 с теплообменниками 5, а также обделку основания 6 с теплообменниками 7. Глубина подземной выработки 3 должна быть не менее высоты аварийного реактора 1. Кроме того, глубина подземной выработки определяется гидрогеологическими условиями места посадки АЭС: могильник, где аварийный реактор 1 должен храниться сотни лет, как правило, следует располагать в слабофильтрующих грунтах, например в глинах.

После строительства выработки 3 ее заполняют водой с помощью водовода 11 (задвижки 14 и 16 открыты; 13, 15 и 17 - закрыты). Для выпуска воздуха и прохода гибких грузонесущих несущих связей 24 бурят несколько вертикальных скважин 23. После полного заполнения водой выработки 3 включают холодильную машину 18, и холодоноситель по трубопроводам поступает в теплообменники 5 и 7, при этом вода в подземной выработке 3 превращается в лед, гибкие грузонесущие связи 24 вмерзают в ледовый массив этой выработки. Таким образом, аварийный реактор 1 получает новую опору в виде ледяного фундамента. Образование новой опоры позволяет ослабить старую грунтовую опору. Для этого прекращают подачу жидкого азота в толстостенные обсадные трубы наклонных скважин 2, и вместо азота подают в них теплоноситель для размораживания и ослабления окружающего грунта. После чего обсадные трубы из наклонных скважин 2 извлекают. Для дополнительного ослабления грунтового фундамента под аварийным реактором 1 могут быть пробурены вертикальные скважины 23. Далее выключают холодильную машину 18, включают теплогенератор 19 и в теплообменники 7 основания 6 подают теплоноситель. В теплообменники 5 кратковременно подают теплоноситель для устранения адгезии льда к боковым стенкам вертикальной выработки 3.

По мере поступления теплоты в основание 6 лед на его поверхности будет таять, а весь ледовый массив в подземной выработке 3 начнет опускаться под собственным весом. Одновременно вес этого массива через гибкие грузонесущие связи 24 будет передаваться на грунт под фундаментом аварийного реактора 1 и нарушит прочность этого грунта, после чего новой опорой аварийного реактора станет ледовый массив в выработке 3. По мере таяния льда высота нового ледяного фундамента будет уменьшаться и аварийный реактор 1 будет медленно опускаться в подземную выработку 3. Образовавшуюся воду удаляют по водоводу 11 с помощью насоса 12 (задвижки 13, 15 и 17 открыты, а 14 и 16 - закрыты). После полного таяния льда аварийный реактор 1 становится в новое постоянное положение 1a, где его герметизируют, а при необходимости и охлаждают с помощью теплообменников 5 и 7.

При использовании заявленного способа для захоронения аварийного реактора получается экологически безопасная система: радиоактивное излучение надежно поглощается землей, толщина которой практически может быть любая, вредное воздействие на подземные водоносные горизонты ограничивается наличием герметичной обделки подземной выработки 3 и применением заобделочной гидроизоляции, преимущественно из глины.

Применение заявленного способа позволяет решить крупнейшую научно-техническую задачу мирового уровня.

Литература.

1. Матвеев Л.В., Рудик А.П. Почти все о ядерном реакторе. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 240 с.

2. Патент РФ №2012079, кл. 5 G21F 9/24,1994.

3. Атомная энергия, т.64, вып.4, 1988, с.248-254.