способ захоронения радиоактивных отходов и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ захоронения радиоактивных отходов в нагнетательной скважине в геологических формациях высокотемпературных гидротермальных системах путем закачки радиоактивных отходов в дренажную систему, сложенную ультраосновными, основными и кислыми алюмосиликатными магматическими породами, содержащими магний, и контроля за захоронением посредством наблюдательных скважин, закачку радиоактивных отходов урана в нагнетательную скважину производят совместно с пароводяной смесью геотермальной скважины из реактора, переводящего уран в жидкое состояние, при этом по данным наблюдательных скважин изменяют количество вводимого урана в нагнетательную скважину в пределах 1,5 - 2,0 г/с, поддерживая общий расход потока гидротермальных вод в диапазоне 90-100 л/с, а температуру смеси - не ниже 350С.

2. Устройство для захоронения радиоактивных отходов, содержащее нагнетательную скважину, наблюдательные скважины и систему подачи радиоактивных отходов в нагнетательную скважину, содержащую дозирующий насос и контейнер с радиоактивными отходами, отличающееся тем, что система подачи выполнена в виде реактора, входы и выходы которого соединены с узлами подачи измельченного урана, кислорода и плавиковой кислоты, выход реактора соединен с накопителем раствора уранила, а выход накопителя через дозирующий насос связан с накопительной скважиной.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам захоронения жидких радиоактивных отходов в геологических формациях земной коры на длительный период.

Известен способ захоронения радиоактивных отходов, при котором бурят скважину в подземной коре выветривающегося базальта, вокруг которой выполняют не менее четырех дополнительных контрольных скважин (патент США №3959172, кл.252-301.1, опубл.1976).

В основную скважину нагнетают высококонцентрированный раствор хлористоводородной кислоты, которой вымывает из базальта алюминий, железо, кальций и образует полость, заполненную силикагелем. Затем в скважину нагнетают радиоактивный раствор, который, взаимодействуя с силикагелем, кристаллизуется.

Известный способ является ненадежным, так как на стенках полости, образовавшейся под действием кислоты, могут быть несплошности, трещины, через которые возможна утечка хранимого вещества из мест захоронения, а проведение геофизических исследований, определяющих, в частности, целостность пород, в подобных полостях технически невозможно. Кроме того, не исключено, что из отвержденного силикагеля под действием потоков могут быть вымыты радиоактивные вещества и вынесены в окружающую среду.

Близким к предлагаемому изобретению по назначению и технической сущности является способ захоронения жидких радиоактивных отходов, осуществляемый путем удаления их в полые пространства, выполненные в геологических формациях, с последующим закрытием входных отверстий материалом, предотвращающим распространение радиоактивных веществ в окружающую среду, при этом полые пространства выполняют путем бурения скважин в кромке или крае тектонического океанского пласта, находящегося в состоянии погружения под другой пласт (патент СССР №718026, кл.G 21 F 9/24, опубл.25.02.80).

Известен способ захоронения радиоактивных отходов в геологических формациях, действующих по принципу природной ловушки радиоактивных элементов, при котором в качестве геологической формации используют недра высокотемпературной гидротермальной системы, расположенной в структуре андезитового стратовулкана островной вулканической дуги, где в среде с температурным перепадом осуществляются фильтрация и перевод радиоактивных элементов в немобильное соединение на геотермических барьерах (патент РФ №2001454, кл.G 21 F 9/24, опубл.1993).

В основе известного способа лежат сложные геотемпературые и геохимические процессы, при которых радиоактивные элементы осаждаются из фильтрующихся растворов при изменении температуры и химического состава горных пород, через которые фильтруются растворы. Радиоактивные элементы из мест захоронения уходят в известном направлении, и до перехода их в немобильное соединение возможен выход радиоактивных элементов в окружающую среду. Непроницаемость природной среды для радиоактивных элементов в данном способе условная в связи с неопределенностью места расположения геотермо-геохимических барьеров.

Как и предыдущий, данный способ не обладает достаточной надежностью захоронения радиоактивных отходов, поскольку из-за тектонической нестабильности многих районов дна океана, предполагаемых для данного способа, возможен возврат радиоактивных веществ на поверхность.

Известен способ захоронения жидких отходов в нагнетательной скважине в геологических формациях высокотемпературных гидротермальных систем, заключающийся в том, что отходы сливают в зону захоронения и консервируют их в этой зоне, в качестве зон захоронения используют дренажные системы в геологических формациях высокотемпературных гидротермальных систем, сложенных ультраосновными, основными и кислыми по содержанию кремнезема алюмосиликатными магматическимими породами, содержащими магний с температурой до 350С, с контролем за захоронением посредством наблюдательных скважин (патент РФ №2069397, МПК G 21 F 9/24, опубл.1996, прототип).

Недостатком прототипа, как и аналогов, является низкая эффективность захоронения именно урановых отходов, сложность технологии захоронения твердых отходов урана.

Техническим результатом изобретения является упрощение технологии захоронения радиоактивных отходов, увеличение коэффициента использования геотермальных вод, повышение эффективности захоронения урана и его соединений.

Технический результат достигается тем, что в способе захоронения радиоактивных отходов в нагнетательной скважине в геологических формациях высокотемпературных гидротермальных систем путем закачки радиоактивных отходов в дренажную систему, сложенную ультраосновными и кислыми алюмосиликатными магматическими породами, содержащими магний, и контроля за захоронением посредством наблюдательных скважин, закачку радиоактивных отходов урана производят совместно с пароводяной смесью геотермальной скважины из реактора, переводящего уран в жидкое состояние, при этом по данным наблюдательных скважин изменяют количество вводимого урана в нагнетательную скважину в пределах от 1,5 до 2,0 г/с, поддерживают общий расход гидротермальных вод в диапазоне до 90-100 л/с, а температуру смеси - не ниже 350С.

В устройстве для захоронения радиоактивных отходов в нагнетательной скважине, содержащем нагнетательную скважину, наблюдательные скважины и систему подачи радиоактивных отходов в нагнетательную скважину, содержащую дозирующий насос и контейнер с радиоактивными отходами, система подачи выполнена в виде реактора, входы которого соединены с узлами подачи измельченного урана, кислорода и плавиковой кислоты, выход реактора соединен с накопителем раствора уранила, а выход накопителя через дозирующий насос связан с нагнетательной скважиной. При захоронении отходов нагрев воды происходит в скважине за счет остаточной радиации до температуры не ниже 350С.

Привнос катионов и анионов природными растворами в высокотемпературные воды, фильтрующиеся в породах алюмосиликатного состава, сопровождается одновременным сорбированием их гелиями коллоидных растворов, глинистыми минералами с последующей нейтрализацией заряда коагуляцией и желатированием. На конечной стадии этого процесса происходит осаждение гидролей с сорбированием катионами и анионами на геохимических и биохимических барьерах.

Геохимические и биохимические барьеры распределены в основном по периферии потока в зоне резких перепадов температур при смешивании потока с холодными окружающими водами или в результате подземного кипения.

Наиболее эффективным барьером, на котором происходит массированное выпадение из коллоидного гидротермального раствора с сорбированными катионами и анионами, является зона смешивания вод гидротермального потока с водой, в составе которой есть магний. Эта часть высокотемпературной гидротермальной системы может быть эффективной геологической структурой для захоронения на многие тысячелетия радиоактивных отходов, так как здесь происходит образование из силикагеля коллоидного раствора нерастворимого колломорфного кварца (халцедона), при недостатке магния его количество увеличивают искусственным путем.

Гель кремнекислоты при конденсации на нем катионов мгновенно не коагулирует, а продолжает миграцию и осаждается только при снижении температуры или в случае смешения с растворами, содержащими магний, поэтому первоначальные концентрации радиоактивных элементов в отходах уменьшаются в процессе миграции гидротермального потока. В связи с этим, а также и смешением с гидротермальными растворами, происходит дезактивация радиоактивных отходов.

Удержание радиоизотопов и химических веществ, обладающих незаполненными внешними электронными оболочками, при конденсации на кремнекислородные цепочки геля кремнекислоты, осуществляется путем образования ковалентной связи, которая создает надежное соединение сорбируемых ионов со структурой халцедона (колломорфного кварца). Такой же процесс происходит на урановых месторождениях гидротермального происхождения. Халцедоновые жилы почти не разбрасываются из-за трудоемкости извлечения руды из колломорфного кварца (халцедона). Это подтверждается и исследованиями структурного положения халцедоновых жил с урановыми минералами в областях активного сейсмотектонического и вулканического режимов в палеогеосинклинальных областях от архея до кайнозоя (миллиарды лет). Халцедоновые жилы с настураном многократно подвергались воздействию сейсмотектонических нарушений и прорывов магматических расплавов, тем не менее растворения и переноса урана за пределы рудообразующих систем не происходило.

Описанные выше процессы реализовываются в геологических формациях алюмосиликатного состава и в присутствии водного раствора магния, насыщенных горячей водой.

Температурный порог 350С, количество вводимого урана в нагнетательную скважину в пределах от 1,5 до 2,0 г/с при общем расходе потока гидротермальных вод в диапазоне от 90 до 100 л/с позволяют полностью связать поступающие радиоактивные отходы. Количественные изменения в сторону увеличения расхода вводимого урана и снижение расхода потока гидротермальных вод, по данным наблюдательных скважин, приводит к появлению радиоактивности в потоке, т.е. сорбционные эффекты не успевают поглотить вводимые отходы.

Известны устройства для захоронения, при которых отходы укладывают в упаковочные контейнеры с защитной оболочкой, размещают их в полости в скале или горной выработке и формируют барьерную зону, вводя в пространство между контейнером и скалой различные наполнители.

При использовании устройств (патент США №3925992, кл. G 21 F 9/24, 1975, заявка Японии №57-480, кл. G 21 F 9/24, 1982; патент Швеции №412657, кл.G 21 F 9/24, 1980) пространство между контейнером и скалой заполняют соответственно битумом или бентонитом, пластичным материалом, аналогичным глине, пористой массой, содержащей окись магния (или аммония) или карстенит.

Недостатком этих устройств является то, что используемые в качестве оболочки материалы изготавливаются в средах, отличающихся от среды их последующей эксплуатации, что значительно уменьшает или даже полностью исключает надежное захоронение отходов.

Известно устройство для захоронения радиоактивных отходов, содержащее нагнетательную скважину, наблюдательные скважины и систему подачи радиоактивных отходов в скважину, содержащую дозированный насос и контейнер с радиоактивными отходами (патент РФ №2001454, кл. G 21 F 9/24, 1991).

Указанное устройство, принятое нами за прототип имеет следующие недостатки: технология захоронения усложнена, т.к. требует смешивания отходов в процессе закачки с кислыми водными растворами на глубине до 500 м; для захоронения используются системы рабочих и наблюдательных скважин глубиной от 2 до 4 км.

Настоящее изобретение устраняет указанные недостатки.

Техническим результатом изобретения являются: расширение области применения для захоронения отходов, упрощение технологии и повышение надежности захоронения.

Сущность изобретения поясняется на чертеже, на котором схематично изображено устройство перевода твердых отходов урана в жидкое состояние для его закачки и захоронения в геотермальных системах, а именно представлен перевода урана в уранил и общая структура для захоронения, где 1 - реактор, 2 - контейнер измельченного урана (система измельчения и подачи урана в реактор не показаны), 3 - узел подачи плавиковой кислоты, 4 - узел подачи кислорода, 5 - накопитель уранила, 6 - дозирующий насос, 7 - нагнетательная скважина, 8 - наблюдательная скважина.

Устройство работает следующим образом. Эксплуатационная геотермальная скважина 1 расположена в геологических формациях высокотемпературных гидротермальных систем с диапазоном температур от 200С и выше. Гидротермальные системы сложены ультраосновными, основными и кислыми алюмосиликатными породами, содержащими магний.

Сначала включают систему подачи радиоактивных отходов в нагнетательную скважину 7, а именно на входы реактора 1 из контейнера 2 подается измельченный уран, из узла подачи кислорода 3 обычно через накопитель в реактор 1 поступает кислород, а узел подачи 3 поставляет плавиковую кислоту. Из реактора 1 в накопителе 5 собирают уранил (на чертеже не показана система утилизации водорода, сопутствующее производство). Через дозирующий насос 6 водный раствор уранила поступает в нагнетательную скважину 7. Управление дозирующим насосом 6 идет по команде контролирующих и управляющих приборов, расположенных в наблюдательной скважине 8. При нагнетании в недра гидротермальных систем жидких радиоактивных отходов происходит разбавление радиоактивных отходов, а главное их подкисление, что уменьшает вероятность преждевременного осаждения радиоактивных элементов в прискваженной зоне.

Радиоактивные сточные воды закачиваются в нагнетательную скважину 7, где на первой стадии образуются гели кремнекислоты и частичное осаждение сульфидов тяжелых металлов. Эти процессы характерны для участка гидротермальных систем с формированием кислых и слабокислых SO₄-Сl-Na- и затем нейтральных Сl-Na-К-гидротерм, содержащих растворимые соли тяжелых металлов типа MeCl, MeSO₄, а также Me+SiO₂.

На второй стадии наблюдается осаждение тяжелых металлов из водных окисей в коллоидном состоянии при коагуляции в форме аморфного кремнезема (Ме+SiO₂). Количество и состояние радиоактивных отходов контролируются приборами наблюдательной скважины 8 (на схеме приборы не показаны).

На третьей стадии образуются и осаждаются окислы и карбонаты тяжелых металлов (МеСО₃, МеO₂, Me+SiO₂, СаСО₃). Высокая концентрация магния в подземных водах морского генезиса способствует образованию нерастворимого кремнезема.

Проведенные эксперименты показали, что кремнезем и алюмосиликаты сорбируют 100% уранила, 50-70% цезия и стронция.

Закачиваемый в пласт раствор из жидких радиоактивных отходов при взаимодействии с минеральной нагрузкой термальных вод, заключенных в пласте, и минералами породы образуют нерастворимые соединения.

Наблюдательны скважины 8 располагают в зоне влияния нагнетательной скважины 7. Существующая практика показывает, что радиус влияния скважины составляет 0,3-1,0 км в зависимости от фильтрационных свойств водовмещающих пород месторождения.

Управляя дозирующим насосом 6, можно изменять в широких пределах температуру закачиваемой смеси радиоактивных отходов, а также концентрацию последних, что позволяет гарантировать радиационную безопасность и необходимые температурные режимы.