подземное хранилище радиоактивных отходов

Формула изобретения

1. Подземное хранилище радиоактивных отходов, включающее горные выработки, расположенные в вечномерзлых породах, в рабочем объеме которых размещены твердые радиоактивные отходы, отличающееся тем, что в нижней части каждой горной выработки образован накопитель для жидкости, который отделен от рабочего объема горной выработки слоем не проницаемого для флюидов материала с низким коэффициентом теплопроводности.

2. Хранилище по п.1, отличающееся тем, что накопитель заполнен крупнообломочным материалом с высокой межоблочной пустотностью, объем которой равен 1,1 - 1,2 объема воды, образующейся при растеплении вечномерзлых пород.

3. Хранилище по п.1 или 2, отличающееся тем, что по периметру горной выработки размещены гофрированные пластины с продольным расположением гофр.

4. Хранилище по п. 1 или 2, отличающееся тем, что в зоне растепления размещены скважины, забои которых размещены в накопителе, а обсадные колонны скважин в интервале зоны растепления перфорированы.

5. Хранилище по п. 1, отличающееся тем, что вокруг горных выработок в пределах расчетного контура растепления размещена замкнутая траншея, заполненная материалом с низким коэффициентом теплопроводности.

6. Хранилище по п.1 или 2, отличающееся тем, что накопитель заполнен материалом, химически связывающим воду с образованием твердого тела.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к захоронению тепловыделяющих радиоактивных отходов в подземных хранилищах.

Известно подземное хранилище для радиоактивных отходов, содержащее полость в коренной породе, в которую помещено полое тело из бетона, отделенное со всех сторон зазором от стенки полости и связанное с вертикальным стволом, проходящим через коренную породу, при этом полость в коренной породе ограничена оболочкой из той же коренной породы, которая в свою очередь отделена со всех сторон зазором от монолита коренной породы, причем оболочка из коренной породы выполнена сферической или элипсовидной формы, а зазор между полым телом из бетона и стенкой полости и зазор между стенкой оболочки из коренной породы и монолитом коренной породы заполнены глиной (см. патент СССР N 1163808).

Недостатком известного хранилища является сложность конструкции и связанная с этим трудоемкость и большие затраты на сооружение хранилища.

Наиболее близким к изобретению по совокупности признаков является подземное хранилище для радиоактивных отходов, содержащее скважины, пробуренные в вечномерзлой породе, в рабочем объеме которых размещены контейнеры с радиоактивными отходами. При этом глубина захоронения определяется условием сохранения слоя вечномерзлой породы между поверхностью земли и зоной сезонного оттаивания над контейнерами с радиоактивными отходами (см. авт. св. СССР 1064791).

Недостатками такого хранилища являются возможность контакта зоны растепления горных пород вокруг рабочего объема хранилища с зоной оттаивания или с зонами растепления, которые могут соприкасаться друг с другом при сооружении группы хранилищ; исключается локализация оттаявшей воды, которая может содержать радиоактивные элементы; оттаявшая вода распределяется по всей зоне растепления и может соприкасаться с зоной сезонного протаивания, что повлечет за собой миграцию радионуклидов с последующим радиоактивным загрязнением окружающей среды.

Задачей настоящего изобретения является создание подземного хранилища радиоактивных отходов, обеспечивающего более высокую степень надежности захоронения радиоактивных отходов посредством исключения возможности миграции радионуклидов за пределы хранилища, за счет локализации оттаявшей воды в заранее ограниченной зоне вечномерзлых пород.

Поставленная задача решена путем создания подземного хранилища для радиоактивных отходов, включающего в себя горные выработки, расположенные в вечномерзлых породах, в рабочем объеме каждой из которых размещены радиоактивные отходы. Отличительными признаками предлагаемого хранилища согласно изобретению является то, что в нижней части каждой горной выработки образован накопитель для жидкости, который отделен от рабочего объема горной выработки слоем не проницаемого для флюидов материала с низким коэффициентом теплопроводности.

Наличие накопителя обеспечивает возможность сбора оттаявшей воды и ее надежную изоляцию в ограниченном объеме, который находится в самой нижней части горной выработки, что исключает выход на поверхность воды, загрязненной радионуклидами. Известно, что радиус прогрева горных пород прямо пропорционален коэффициенту теплопроводности, который примерно в три раза меньше для сухих пород, чем для тех же пород, но насыщенных водой (см., например, книгу Трупак Н.Г. Замораживание горных пород при проходке стволов. 1954 г., стр. 67). Поскольку оттаявшая вода будет стекать в накопитель, т.е. влага будет удалятся из горных пород, то объем зоны растепления при использовании заявленного устройства V_з по отношению к объему по прототипу V_пр составит

при цилиндрической форме зоны растепления

V_з/V_пр = [R_з/(3R_з)]²100%=11,1%,

при полусферической форме зоны растепления

V_з/V_пр = [R_з/(3R_з)]³100%=3,7%.

Существенное уменьшение размера зоны растепления вечномерзлых пород обеспечивает не только большую надежность захоронения отходов в предлагаемом хранилище, но и позволит более компактно разместить их на одной площадке при сооружении группы хранилищ. Перекрытие накопителя слоем непроницаемого материала с низким коэффициентом теплопроводности обеспечивает изоляцию накопителя от рабочего объема с радиоактивными отходами и снижение теплопотока, что позволяет сократить время замерзания оттаявшей воды в накопителе.

Целесообразно, чтобы накопитель был заполнен крупнообломочным материалом с высокой межобломочной пористостью. Емкостью для накопления жидкости являются межобломочные пустоты. При этом объем межобломочных пустот выбирается равным 1,1-1,2 объема воды, образующейся при растеплении вечномерзлых пород.

Выполнение накопителя в виде межобломочных пустот обеспечивает простоту его образования и возможность использования отходов горного производства.

Желательно, чтобы по периметру горной выработки были размещены гофрированные пластины с продольным расположением гофр.

Это обеспечивает более благоприятные условия для стока оттаявшей воды из зоны растепления в накопитель, из ближней зоны, прилегающей к хранилищу.

Для улучшения стока воды в накопитель из более отдаленных частей зоны растепления целесообразно, чтобы в расчетной зоне растепления были пробурены скважины, забой которых размещен в накопителе, а обсадные колонны скважин в интервале зоны растепления перфорированы.

Наличие таких скважин позволит ускорить сток оттаявшей воды и обеспечит полноту ее отвода в дополнение к перемещению ее по естественным порам и трещинам.

Желательно, чтобы вокруг горных выработок в пределах расчетного контура зоны растепления была размещена замкнутая траншея, заполненная материалом с низким коэффициентом теплопроводности.

Это обеспечивает уменьшения зоны прогрева мерзлых пород благодаря тому, что затрудняется передача тепла в более удаленную область горного массива.

Целесообразно также, чтобы накопитель был заполнен материалом, химически связывающим воду с образованием твердого тела.

Это позволит исключить миграцию радионуклидов даже в случае оттаивания массива вечномерзлых пород.

Благодаря наличию вышеизложенных отличительных признаков достигается надежная изоляция оттаявшей воды, могущей содержать радиоактивные продукты, и исключается выход ее на поверхность или в подмерзлые воды, а при заполнении накопителя материалом, химически связывающим воду с образованием твердого тела, будет исключена миграция радионуклидов даже в случае оттаивания массива вечномерзлых пород.

Заявленное подземное хранилище поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображено хранилище в разрезе, а на фиг. 2 - в плане.

Подземное хранилище содержит горную выработку 1, сооруженную в вечномерзлых породах 2, в рабочем объеме которой размещены твердые радиоактивные отходы 3, в нижней части горной выработки образован накопитель 4, заполненный крупнообломочным материалом 5 с высокой межобломочной пористостью. Накопитель 4 отделен от рабочего объема горной выработки 1 слоем 6 из непроницаемого материала с низким коэффициентом теплопроводности (например, глиной с прослоями керамзита). Объем межобломочных пустот выбирается равным 1,1-1,2 объема воды, образующейся при растеплении вечномерзлых пород. Накопитель 4 гидравлически связан с зоной растепления через боковые стенки горной выработки 1. По мере оттаивания вода поступает в накопитель, накапливается там в ограниченном пространстве и затем превращается в лед.

На боковых стенках горной выработки 1 по ее периметру размещены гофрированные пластины 7 с продольным расположением гофр, оконтуривающие рабочий объем с твердыми радиоактивными отходами 3, при этом нижние края гофрированных пластин 7 соприкасаются со слоем крупнообломочного материала 5, что обеспечивает более благоприятные условия для стока оттаявшей воды из зоны растепления в накопитель 4. С этой же целью (при низкой проницаемости горных пород) в расчетной зоне растепления пробурены скважины 8, забой которых размещен в накопителе 4, а обсадные колонны скважин в интервале зоны растепления перфорированы.

Сверху (на глубину сезонного протаивания или развития подмерзлотных вод) отходы перекрываются непроницаемым материалом 9.

В пределах контура расчетной зоны растепления размещена траншея 10, которая заполнена материалом с низким коэффициентом теплопроводности, что обеспечивает уменьшение зоны прогрева мерзлых пород.

Контроль за процессом накопления воды в накопителе 4 осуществляется посредством контрольной скважины 11. Над устьем контрольной скважины 11 сооружен смотровой колодец 12. С целью исключения свободного доступа посторонних лиц к устью скважины колодец снабжен прочно закрепленной крышкой 13, например бетонной пробкой.

Работает хранилище следующим образом. Рабочий объем горной выработки 1 заполняют твердыми радиоактивными отходами 3 (в виде остеклованных или битуминированных блоков или в виде металлических контейнеров). Сверху отходы перекрывают слоем непроницаемого материала 9. В расчетной зоне растепления бурят скважины 8 для интенсификации сбора оттаявшей воды в накопителе 4.

В процессе тепловыделения от захороненных радиоактивных отходов 3 происходит растепление части окружающих хранилище мерзлых пород 2 с образованием воды, которая накапливается в пустотах слоя из крупнообломочного материала 5. По истечении времени за счет теплоотдачи в окружающий массив пород, происходит превращение накопленной воды в лед.

Контроль за состоянием хранилища осуществляется только в первый период времени и включает выполнение в контрольной скважине гамма-каротажа, термометрии и измерение уровня накапливающейся воды в накопителе 4, что позволит проверить правильность проектных решений при сооружении первого хранилища на данном участке. После этого в контрольной скважине устанавливают цементную пробку, а смотровой колодец бетонируют.

По сравнению с известными заявленное подземное хранилище обеспечивает более высокую степень надежности захоронения отходов, при этом существенно уменьшается размер зоны растепления вечномерзлых горных пород, что позволяет на одном участке разместить большее количество хранилищ.

Кроме того, заявленное хранилище обладает еще одним важным преимуществом перед известными, которое заключается в том, что в данном случае исключается возможность парообразования и разрыва пород при их разогреве свыше 100^oC. Это означает также, что в заявленном хранилище могут быть размещены отходы с более высоким уровнем энерговыделения.