способ подготовки к хранению штучных радиоактивных отходов

Формула изобретения

1. СПОСОБ ПОДГОТОВКИ К ХРАНЕНИЮ ШТУЧНЫХ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ, включающий размещение отходов в контейнере для хранения и заливку их расплавом матричного материала, отличающийся тем, что в матричный материал вводят кадмий в количестве 1-5 мас.%, осуществляют подогрев контейнера до температуры на 10-50^oС превышающей температуру плавления матричного материала, после чего проводят заливку расплавом матричного материала.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что подогрев контейнера осуществляют одновременно с размещением или после размещения в нем радиоактивных отходов.

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что для размещения отходов используют контейнер с углублениями в толще дна или с вкладышем с отверстиями или углублениями.

4. Способ по пп.1-3, отличающийся тем, что используют матричный материал на основе свинца или его сплавов.

Описание изобретения к патенту

Способ относится к области охраны окружающей среды от загрязнения ее продуктами радиоактивного распада и преимущественно предназначен для подготовки радиоактивных отходов высокого уровня активности - отработанного ядерного топлива (твэлов) к длительному хранению.

В принципе способы хранения указанных объектов - известны. Сущность их заключается в том, что отработанное ядерное топливо (твэлы) размещают в стальных контейнерах, которые складируют в хранилищах "сухого" или "влажного" типа. Общим недостатком этих способов является возможность загрязнения окружающей среды продуктами радиоактивного распада, в связи с чем и предпринимаются различные меры для предотвращения или снижения этого явления. Например, известен способ хранения твэлов в инертной атмосфере. Сущность этого способа заключается в том, что твэлы, извлеченные из сборки, закрепляют на металлической ленте, ленту скатывают в рулон, а рулон вставляют в контейнер с трехслойным корпусом (нержавеющая сталь, нейтронопоглощающая резина, углеродистая сталь) и отправляют на хранение в хранилище, заполнив его перед этим инертным газом [1].

Использование трехслойного корпуса контейнера хотя и повышает радиационную безопасность хранения твэлов в течение длительного времени, но не исключает возможности разгерметизации контейнера, деструкции нейтронопоглощающей резины под воздействием температурных и радиационных факторов и времени, что приводит к возможности загрязнения окружающей среды продуктами радиоактивного распада и снижению радиационной безопасности хранения. Серьезным недостатком также являются конструкционные и технологические сложности при изготовлении контейнера и сборке твэлов в контейнер.

Известен другой способ хранения твэлов, заключающийся в помещении твэлов в контейнер и заливке их жидким горячим битумом, который, охлаждаясь, герметизирует твэлы в контейнере и контейнер в целом. Герметизация позволяет снизить выход продуктов деления за пределы контейнера, но низкая температура плавления матричного материала (битума), его деструкция под воздействием радиационных и температурных полей в процессе хранения не исключают возможности разрушения матричного слоя и самого контейнера (например, вследствие возгорания битума) и, следовательно, не исключается возможность загрязнения среды продуктами радиоактивного распада [2].

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ включения радиоактивных отходов высокого уровня активности (отработанных источников ионизирующего излучения) в металлические матрицы. Сущность этого способа заключается в том, что отработанные источники ионизирующего излучения (по своему радионуклидному составу и радиационным полям они сопоставимы с отработанным ядерным топливом) размещают в хранилищах "колодезного" типа и заливают расплавом матричного материала на основе свинца и его сплавов. Хранилище "колодезного" типа в этом случае выполняет функцию контейнера, оно заполняется источниками порциями с последующей порционной заливкой расплавом металла и так до полного заполнения его объема [3].

Недостатком данного способа является возникновение неравномерных радиационных и температурных полей вследствие как неупорядоченного расположения источников в контейнере, так и "тепловых" ударов при порционной загрузке колодца, приводящих к растрескиванию матричного материала и, следовательно, снижению радиационной безопасности и возможности загрязнения окружающей среды радионуклидами в процессе загрузки и хранении источников.

Способом по из обретению достигается повышение радиационной безопасности при хранении твэлов с одновременным снижением возможности загрязнения окружающей среды продуктами деления.

Достижение указанного технического эффекта обеспечивается тем, что по способу подготовки к хранению радиоактивных отходов высокого уровня активности, например твэлов, заключающемуся в помещении твэлов в контейнер и заливке их расплавом матричного материала, твэлы располагают в контейнере в фиксированно-упорядоченном порядке и заливают расплавом матричного материала с присадкой кадмия в количестве 1-5% от количества матричного материала, причем перед заливкой расплава контейнер после помещения или в процессе помещения в него твэлов подогревают од температуры на 10-50^оС выше температуры плавления матричного материала. В качестве матричного материала используют расплав на основе свинца или его сплавов, а фиксированно-упорядоченное расположение твэлов, вынутых из кассет, в контейнере обеспечивается использованием контейнера с углублениями в толще дна или путем установки в него вкладыша из материала с отверстиями или углублениями. Способ может быть осуществлен на пунктах захоронения радиоактивных отходов.

Заливка расположенных в упорядоченно-фиксированном порядке твэлов в контейнере расплавом матричного материала с присадкой кадмия и подогрев контейнера с ними перед заливкой расплавом до температуры, превышающей температуру плавления матричного материала, позволяют заполнить все свободные пространства между твэлами, твэлами и стенками контейнера и тем самым после кристаллизации расплава получить конечный продукт в виде металлического моноблока с равномерно распределенными радиационными и температурными полями. При этом твэлы как бы расположены внутри металлического стакана.

Использование в расплаве присадки кадмия в количестве 1-5% от количества матричного материала обусловлено тем, что, как следует из экспериментов, при минимальном (<1%) количестве кадмия в расплаве наблюдается относительно большой выход нейтронов за пределы контейнера в процессе хранения. При использовании максимального количества присадки (>5%) в расплаве матричного материала снижается температура его плавления, что может привести к плавлению матрицы за счет радиационно-индуцированного разогрева и тем самым к возможности загрязнения радионуклидами окружающей среды.

Осуществление способа по изобретению иллюстрируется примером подготовки к хранению твэлов с размерами 13,6х0,9х3644 мм и мощностью дозы на боковой поверхности 10² мР/ч.

В вертикально расположенный контейнер с размерами 98х5х3800 мм для твэлов, вынутых из кассет, сначала укладывают пластину-вкладыш с отверстиями диаметром, на 1-2% превышающим размеры диаметра твэлов, а затем устанавливают в эти отверстия твэлы. Если в контейнере размещается кассета с твэлами, то необходимость в пластине-вкладыше отпадает. При указанных размерах контейнера и твэлов в контейнер поместилось 18 твэлов. Одновременно с установкой твэлов осуществляется подогрев контейнера до температуры, превышающей на 10-50^оС температуру плавления (Т_пл) матричного материала. Так как в качестве матричного материала использовался расплав на основе свинца, то подогрев контейнера осуществляется до температуры 340-380^оС. Для полного заполнения контейнера с твэлами потребовалось 140-150 кг расплава из свинца и кадмия (150 кг свинца, 3-8 кг кадмия). Заливку расплава осуществляли непрерывно до полного заполнения объема контейнера. Так как заливку расплава осуществляли в подогретый выше температуры плавления свинца контейнер, то расплав свободно распределялся между твэлами, твэлами, дном и стенками контейнера. После кристаллизации расплава каждый твэл оказывается изолированным от корпусов других твэлов и стенок контейнера, т.е. оказывается в герметичном объеме. Кроме того, образовался дополнительный барьер из свинца между твэлами и стенками и дном контейнера, исключая тем самым возможность непосредственного контактирования твэла с корпусом контейнера. В целом после кристаллизации расплава матричного материала с кадмием контейнер с твэлами получился в виде цельного металлического моноблока, который и отправляется в хранилище на длительное хранение.

В таблице приведены экспериментальные данные, полученные при использовании для заливки расплава свинца с различным содержанием кадмия.

Анализ результатов показывает, что использование кадмия в качестве присадки к расплаву на основе свинца снижает относительный выход нейтронов за пределы контейнера в процессе хранения.

Ограничением по количеству используемого кадмия является снижение Т_пл получаемого сплава. Добавка 10 кг кадмия приводит к получению сплава с Т_пл, равной 285^оС, дальнейшее увеличение количества кадмия ведет к снижению удельно захораниваемой активности или возможности плавления сплава за счет радиационно-индуцированного разогрева, что приводит к выходу радионуклидов на поверхность расплава с последующей миграцией в окружающую среду.

Аналогично могут быть подготовлены к хранению отработанные источники ионизирующего излучения. Из выпускаемых промышленностью СССР нейтронных источников описанным способом может быть захоронен тип источника ИБН-8 (²³⁸Рu+Be( ,n) c Т_{1/2, сут}=3,2 x 10⁴ и активностью 1,2 ТБк).

Технико-экономическая эффективность заявляемого способа заключается в том, что способ позволяет повысить безопасность хранения твэлов за счет герметизации корпуса каждого твэла, включения их в металлический моноблок, что также снижает радиационные поля за пределами контейнера и повышает тепло-физические, физико-химические, коррозионные параметры получаемого металлоблока. Аналогично могут быть обработаны и другие высокоактивные отходы.