способ возведения защитных саркофагов полууглубленных могильников твердых радиоактивных отходов в криолитозоне

Формула изобретения

Способ возведения защитного саркофага полууглубленного могильника твердых радиоактивных отходов (ТРАО) в криолитозоне, включающий возведение ледопородного сооружения курганного типа, отличающийся тем, что поверх существующего могильника после пропитки водой и промораживания в зимний период находящихся в нем ТРАО, начиная с предварительно промороженной и защищенной ледяным барьером насыпи послойно укладывают грунтовый материал с проливом его водой и промораживанием естественным (атмосферным) холодом до достижения требуемой (расчетной) высоты; затем всю поверхность сооружения вновь покрывают ледяным панцирем, играющим роль 2-го защитного барьера, поверх которого укладывается экран из полиэтиленовой пленки, после этого последовательно возводятся защитный, теплоизоляционный, грунтовый и почвенный слои, защищающие сооружение от растепления в летний период; при этом толщину единичного слоя определяют по формуле t_сл=1,5|t_н.в|-15, см, где 1,5 и 15 - постоянные коэффициенты; |t_н.в| - абсолютное среднемесячное значение температуры наружного воздуха.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области обращения с твердыми радиоактивными отходами (ТРАО), может быть использовано при возведении и модернизации грунтовых саркофагов насыпного типа существующих полууглубленных могильников криолитозоны, где захоронены техника, почва, грунт, относящиеся по уровню загрязненности радионуклидами к ТРАО.

Известен способ возведения защитных саркофагов в приповерхностных (полууглубленных) могильниках бункерного типа. По предлагаемой технологии поверх полууглубленного бункерного могильника с применением землеройной техники послойно отсыпается насыпь (курган) из гравия и песка, поверх которой для гидроизоляции возводится водонепроницаемая битуминозная геомембрана, покрываемая затем технически мелиорируемыми, утрамбовываемыми слоями гравия, песка, грунта. Затем насыпь покрывается слоем почвы, засаживаемой впоследствии кустарниками и многолетними травами для защиты от эрозии. Общая высота насыпи (саркофага) составляет 10 метров и должна обеспечивать защиту бункерного могильника от внешних воздействий природного и техногенного характера в течение 300 лет (по заключению специалистов) [1] (Прототип).

Основными недостатками и факторами, сдерживающими реализацию данного способа в условиях малообжитых территорий криолитозоны, являются: необходимость разработки, доставки и технической мелиорации грунтов (гравия, песка) в больших объемах для возведения десятиметровой насыпи (саркофага), находящихся большую часть года (8 месяцев) в мерзлом (и, соответственно, высокопрочном) состоянии; необходимость завоза битума и установки для возведения битуминозной геомембраны; сезонность работ - только в летний период, продолжительного которого на Севере не более 3-4 месяцев; техническая сложность возведения высотного защитного барьера (саркофага).

Технической задачей является: повышение герметичности могильника; упрощение технологии возведения; снижение расхода материалов; повышение защищенности могильника от неблагоприятных внешних воздействий.

Требуемый технический результат при реализации изобретения предполагается получить при учете и максимальном использовании особенностей климата и естественных природных ресурсов криолитозоны:

- резкоконтинентальный климат с суровой продолжительной зимой;

- отрицательная среднегодовая температура наружного воздуха;

- наличие сплошной многолетней мерзлоты;

- небольшая мощность сезонной оттайки грунтов в летний период (1,5-2,0 м);

- отрицательный тепловой баланс, количество атмосферного тепла, получаемого саркофагом в летнее время, намного ниже его оттока в холодное время года.

Предлагаемый способ отличается тем, что поверх существующего могильника после пропитки водой и промораживания в зимний период находящихся в нем ТРАО, начиная с предварительно промороженной и защищенной ледяным барьером насыпи, послойно укладывают грунтовый материал с проливом его водой и промораживанием естественным (атмосферным) холодом до достижения ледопородного саркофага (курганного типа) расчетной высоты; затем всю поверхность сооружения вновь покрывают ледяным панцирем, играющим роль 2-го защитного барьера, поверх которого укладывается гидроизоляционный экран из полиэтиленовой пленки; после этого последовательно возводятся: защитный, теплоизоляционный, грунтовый и почвенные слои, защищающие сооружение от растепления в летний период, а также эрозионного разрушения; при этом для ускорения возведения саркофага толщина единичного ледопородного слоя (t_сл.) зависит от температуры наружного воздуха и должна определяться по формуле:

t_сл. =1,5|t_н.в.|-15, см,

где: 1,5 и 15 - постоянные коэффициенты; |t_н.в.| - абсолютное среднемесячное значение температуры наружного воздуха. Расход воды для пропитки 0,5-0,6 м³ на 1 м³ грунтов.

Введенный в формулу изобретения такой существенный признак, как пропитка водой и проморозка в зимнее время естественным холодом ранее уложенных в траншейный могильник ТРАО, позволяет надежно, с наименьшими затратами скомпаундировать их льдом, предотвращая тем самым миграцию радионуклидов.

Другой существенный признак заключается в том, что предлагаемый саркофаг имеет более надежную монолитную, а не насыпную конструкцию. При его возведении используются любые, даже самые низкокачественные грунты, без их предварительной технической мелиорации. В качестве цементирующего материала используется дешевый, но в то же время надежный в условиях криолитозоны и технически легко получаемый материал - лед (замерзшая вода), который обеспечивает конструктивную прочность возведенного сооружения в условиях отрицательных температур. Кроме этого обеспечивается высокая скорость возведения (при относительной дешевизне), так как капельно разбрызгиваемая вода быстро замерзает в холодном воздухе.

Третий существенный признак заключается в том, что поверх промороженного и гидроизолированного ледопородного монолита (саркофага) укладывается теплоизоляционный слой требуемой толщины, который позволяет поддерживать круглогодичную отрицательную температуру сооружения и надежно защищает его от растепления в летний период.

Четвертый существенный признак заключается в том, что в конструкции саркофага предусмотрено наличие двух ледяных защитных барьеров, что позволяет: минимизировать диффузионную миграцию радионуклидов; повысить хладоемкость ледопородного сооружения и, как следствие этого, обеспечить повышенную защищенность при возможном потеплении климата в криолитозоне.

Следующий существенный признак заключается в том, что взамен битуминизированного гидроизоляционного экрана возводится не менее надежный, но легко возводимый, не требующий больших затрат экран из полиэтиленовой пленки, что позволяет вести работы при отрицательных температурах воздуха и отказаться от завоза битума и специальной техники.

Существенным признаком можно считать то, что в ледопородном саркофаге круглогодично поддерживается устойчивая отрицательная температура, тем самым он обладает высокой герметичностью, а также повышенными прочностными и защитными свойствами, кроме этого высокой хладоемкостью, что позволяет в два раза уменьшить его высоту в сравнении с обычной.

Следующий существенный признак заключается в том, что в зависимости от динамики температуры наружного воздуха в течение зимнего периода выбирается оптимальная толщина единичного слоя (определяемая по эмпирической формуле), что дает возможность ускорить процесс возведения.

Существенным признаком является тот факт, что в получаемый искусственным путем лед предлагается вводить в качестве наполнителя древесные опилки, значительно повышая тем самым (в 2,5 раза) прочность возводимых защитных барьеров.

Способ поясняется чертежом, где показан разрез заявляемого ледопородного саркофага.

Условные обозначения, принятые на чертеже:

1 - существующий полууглубленный могильник;

2 - уложенные в могильник ТРАО, сцементированные льдом;

3 - существующая грунтовая насыпь над могильником, сцементированная льдом (замерзшей водой);

4 - 1-й защитный ледяной барьер (панцирь);

5 - слой грунта, сцементированного льдом;

6 - 2-й защитный ледяной барьер (панцирь);

7 - гидроизоляционный экран из полиэтиленовой пленки;

8 - защитный слой из сцементированного льдом песка;

9 - теплоизоляционный слой из местных материалов;

10 - слой грунта;

11 - почвенный слой;

12 - кустарник, многолетние травы.

Реализация способа осуществляется следующим образом. Предварительно в зимний период пропитываются водой и промораживаются естественным холодом уложенные в полууглубленный могильник 1 ТРАО 2, а также существующая насыпь 3. Затем намораживается 1-ый защитный ледяной барьер 4 расчетной толщины с использованием в качестве наполнителя древесных опилок. После этого послойно укладываются слои грунта 5 с пропиткой водой и промораживанием естественным холодом по технологиям, применяемым в горном деле и гидротехническом строительстве [2, 3].

Затем поверх ледопородного сооружения расчетной высоты намораживается 2-ой защитный ледяной барьер (панцирь) 6, поверх которого укладывается гидроизоляционный экран 7 из полиэтиленовой пленки. Для защиты экрана от механических повреждений поверх его укладывается слой песка 8 с последующей пропиткой водой и промораживанием естественным холодом.

После этого укладывается теплоизоляционный слой 9 из местных материалов расчетной толщины, защищающий саркофаг от растепления в летний период, засыпаемый затем слоем грунта 10 и почвенным слоем 11, который в летний период засаживается многолетними травами и кустарником 12 для защиты саркофага от эрозии.

Основные преимущества предлагаемого способа:

- низкие материальные затраты за счет использования местных материалов;

- простота технологических операций и высокая механизация работ;

- использование обычных серийно выпускаемых механизмов и апробированных технологий горного дела и гидротехнического строительства;

- высокая прочность, холодоемкость и герметичность монолитного саркофага;

- простота сооружения саркофага ввиду небольшой высоты ( 5 м);

- низкие энергетические затраты за счет использования естественного (атмосферного) холода.

Источники информации

1. Steerage des deehets radioactiff un abei a'tontes eprenves (Surehamp Ar 11 Chant. Ее.) 1992 - 251. с.28-29 - Фр.

2. Биянов Г.Ф. Грунтовые плотины на вечной мерзлоте. - Якутск, 1989. - 152 с.

3. Необутов Г.П., Гринев В.Г. Разработка рудных месторождений с использованием замораживаемой закладки в условиях многолетней мерзлоты. - Якутск: Изд-во ЯНЦ СО РАН, 1997. - 104 с.