Способ обезвреживания радиоактивных отходов

 

Использование: обезвреживание радиоактивных отходов. Сущность изобретения: радиоактивные отходы и ядерные устройства помещают в подземной камере на глубину 1000 м и подрывают термоядерным устройством. 3 з. п. ф-лы.

Изобретение относится к методам обработки радиоактивных отходов (РО), а именно к методам обращения (уничтожения) с радиоактивными материалами и ядерными устройствами, в том числе с облученным топливом ядерных реакторов, продуктами его разделения и переработки; ядерными силовыми установками; отходами производств атомной энергетики; источниками ионизирующих излучений; ядерными боеприпасами (ЯБП) и их радиоактивными компонентами. Изобретение может быть использовано для одновременного (или раздельного) решения следующих основных задач: термомеханического разрушения контейнеров с радиоактивными отходами, ядерных силовых установок и ядерных боеприпасов, размещенных в ближней зоне термоядерного взрыва (в зоне испарения материалов в ударной волне); резкого снижения удельной активности ликвидируемых материалов путем их разбавления в процессе перемешивания с огромными массами расплава горных пород, создаваемых взрывом; захоронения низкоконцентрированной активности в химически устойчивом состоянии остеклованных взрывом РО на больших глубинах, в специально выбранных районах, отдаленных от мест проживания и жизнедеятельности населения; частичной трансмутации долгоживующих осколков деления и некоторых трансурановых элементов (ТУЭ); сокращения сроков и удешевления процесса, а также количества людей, вовлеченных в процессы ликвидации радиоактивных отходов и уничтожения ядерных силовых установок и ядерных боеприпасов. Аналогом предлагаемого способа может служить способ обезвреживания радиоактивных отходов, включающий выделение долгоживущих радиоактивных нуклидов, облучение их корпускулярным излучением, приводящее к образованию короткоживущих или стабильных нуклидов, и последующее захоронение облученных отходов на заданное время. Недостатками аналога являются большие капитальные затраты на строительство ускорителей или реакторов; сложность обеспечения эффективной технологии облучения; низкий КПД используемой энергии и высокие энергозатраты; продолжительность процесса трансмутации во времени. Прототипом предлагаемого способа являются используемые методы обращения с радиоактивными отходами (отработавшими ядерными силовыми установками), которые состоят в том, что РО хранятся в специальных контейнерах, размещаемых в хранилищах или на дне морей и океанов, а ядерные силовые установки размещаются в специальных бункерах. Уменьшение активности определяется путем естественного распада. В целях повышения безопасности производится переработка активности в химически устойчивое остеклованное состояние, с последующим размещением в специальных хранилищах. Отслужившие срок или снятые с вооружения ядерные боеприпасы поступают на хранение и разработку, а радиоактивные материалы ЯБП поступают на переработку или хранение. Недостатками прототипа является возможность утечки РО, находящихся в высококонцентрированном состоянии в результате нарушения герметичности контейнеров или корпуса ядерной силовой установки (в результате технологических дефектов или аварий); возможность утечки РО в результате хищения или диверсионных и террористических действий; большие капитальные затраты на создание и эксплуатацию производств по переработке, остекловыванию и хранению РО, по демонтажу ядерных силовых установок и ликвидации ядерных боеприпасов, представляющих собой потенциально большую экологическую опасность; возможность использования высококонцентрированных РО в радиологическом оружии, а в случае выделения ТУЭ (а также спецпродуктов ЯБП) в ядерных боеприпасах. Целью изобретения являются резкое уменьшение удельной активности радиоактивных материалов, повышение безопасности и технологичности процессов их переработки и захоронения; уменьшение затрат на их переработку и захоронение; сокращение сроков их переработки; сокращение персонала, обслуживающего их переработку и захоронение и изменение его функций; обеспечение невозможности использования захороненных материалов и ядерных устройств для военных целей. Это достигается в способе, включающем переработку и захоронение радиоактивных отходов, размещение радиоактивных материалов и ядерных устройств в подземной камере на большой глубине и подрыв термоядерным устройством. Сущностью изобретения является эффективное использование: энергии термоядерного взрыва для испарения уничтожаемых материалов и части породы, создания большого количества расплава горных пород, а также специально заложенных химических веществ, перемешивания РО с этим расплавом с последующим остыванием расплава и переводом активных изотопов в химически устойчивое остеклованное состояние; быстрых нейтронов (8 < ε < 14 МэВ) термоядерного взрыва для трансмутации долгоживущих РО и ТУЭ. Энергия и быстрые нейтроны, выделяющиеся в процессе взрыва термоядерного устройства на большой глубине (≈ 1000 м) в камере, содержащей радиоактивные материалы и ядерные устройства, обеспечат: резкое уменьшение удельной активности радиоактивных материалов путем частичной трансмутации и перемешивания с большим объемом расплавленной породы; повышение безопасности и технологичности процессов их переработки и захоронения в связи с заменой заводских технологий на взрывную;
уменьшение капитальных затрат на их переработку и захоронение в связи с отсутствием необходимости строительства и эксплуатации заводских производств по разборке ядерных устройств, предприятий по остекловыванию, специальных хранилищ, а в ряде случаев и производств по разделению изотопов;
резкое сокращение времени их переработки и захоронения относительно заводских способов;
сокращение персонала, занятого их переработкой и захоронением и изменение его функций с переводом на менее опасные (безопасные) категории работ;
исключение возможности использования захороненных материалов и ядерных устройств для военных целей из-за их низкой концентрации, глубины залегания и отсутствия доступа. Реализация способа состоит из последовательности следующих процессов. В горной породе, удовлетворяющей определенным требованиям по физико-химическим свойствам, на большой глубине (≈ 1000 м) создается специальная камера, размеры которой определяются закладываемым количеством радиоактивных материалов и ядерных устройств, подвергаемых переработке, и мощностью взрывного термоядерного устройства. В результате взрыва термоядерного устройства в этой камере под действием ударной волны происходит испарение заложенных радиоактивных материалов и ядерных устройств вместе с частью окружающей породы и их перемешивание в парообразном состоянии. Вместе с этим ударным образом образуется большое количество расплава горной породы. Остывание пара и расплава, образованных прохождением ударной волны, приводит к увеличению количества расплавленной породы примерно в два раза. При этом в процессе конденсации паров вначале на стенках образовавшейся полости, а затем в ее объеме на падающих каплях расплава (как центрах конденсации) осуществляется равномерное перемешивание РО с большим количеством расплава горной породы. Процесс отвердевания стеклообразного расплава будет определяться свойствами грунта (газовость, теплопроводность, химический состав.) и запаздывающим энерговыделением при β-распаде продуктов деления и α-распаде ТУЭ и захораниваемых РО. С целью уменьшения способности остеклованной массы к выщелачиванию и увеличения ее стойкости к механическим нагрузкам следует выбирать грунты с малой газовостью, оптимальным физико-химическим составом и использовать соответствующие добавки и забивки. Правильно подобранный тепловой режим остывания стеклообразного расплава также может способствовать оптимизации физико-химических свойств остеклованной массы. Уничтожаемые материалы (и установки) размещаются в специальной камере в ближней зоне термоядерного взрыва мощностью Е > 10 кт в количестве, определяемом условием М ≃ 70 т ^. Е (кт), где М масса уничтожаемых материалов (с учетом массы конструкционных материалов, контейнеров и т.д.), размещаемых в камере. При мощности взрыва Е 150 кт, масса уничтожаемых материалов оценивается до М 10 ˙ 10³ т в одном взрыве. Типичная глубина такого захоронения может составлять ≈ 1000 м. Для уменьшения затрат возможно одновременное проведение нескольких таких взрывов с разновременностью подрыва между последующими взрывами Δτ > 0,1 с и выбором расстояния R между соседними взрывами, гарантирующим их сохранность от воздействий друг друга. Величина Δ R оценивается в Δ R (км) 5 ^. Δτс. При использовании подобной серии из 10 взрывов с Е по 150 кт совокупная масса уничтожаемых материалов может составить до М 100 ^. 10³ т. Количество расплава горных пород (например, гранита) в подземном термоядерном взрыве составляет М (700-1000) т ^. Е (кт) и для взрыва мощностью Е 150 кт оценивается в М (100-150) ^. 10³ т. Достаточная равномерность перемешивания испаряемых материалов с расплавом и переход расплава в силикатное стекло подтверждены прямыми экспериментальными исследованиями. Для ликвидации используются долгоживущие РО с периодом полураспада Т_1/2 > 10 лет, прошедшие предварительную радиохимическую переработку (выделение), или без нее (при условии предварительной выдержки топлива в течение ≃ лет после его выгрузки из реактора). Совокупная активность годовой наработки таких осколков деления при тепловой мощности атомной энергетики Р_т 1000 ГВт оценивается в С ΔT ≳ 3 2,5 ^.10⁸ Ки (без короткоживущих дочерных элементов) и определяется в основном изотопами ⁹⁰Sr и ¹³⁷Cs с периодами полу- распада Т_1/2 ≃ 30 лет, а также на уровне ≈1% всей активности изотопом ¹⁵¹Sm с периодом полураспада Т_1/2 ≃ 90 лет. Совокупная их чистая масса годового производства составляет при этом m_с ≃ 6 т. После захоронения этой активности в одной серии из 10 взрывов с Е 150 кт каждый, концентрация активности в остеклованном расплаве составит η_с 1,5 ^. 10^-4 Ки/г, что в ≈ 10⁴ раз меньше концентрации активности в РО с промышленным остекловыванием (≈ 1 Ки/г). При использовании для захоронения во взрыве специально выделенных долгоживущих осколков деления с периодом полураспада Т_1/2 > 100 лет (таких как ⁹⁹Тс, ⁹³Zr, ¹³⁵Cs, ⁷⁹Se, ¹²⁶Sn, ¹⁰⁷ Pd, ¹²⁹I) совокупная активность их годовой наработки оценивается при Р_т 100 ГВт в С ≃ 3 ^.10³ Ки, а концентрация активности в расплаве η_c≃ 2·10^-9 Ки/г. Для ликвидации используются также долгоживущие ТУЭ с периодом полураспада Т_1/2 > 10 лет (например, таких как ²³⁸Pu, ²³⁹Pu, ²⁴⁰Pu, ²⁴¹Pu, ²⁴²Pu, ²⁴¹Am, ²⁴³Am, ²⁴⁴Cm), прошедшие предварительную радиохимическую переработку или без нее. Совокупная α-активность годовой наработки таких элементов при Р_т 100 ГВт оценивается в С_ТУЭ≃ 7 ^. 10⁶ Ки, а концентрация активности в остеклованном расплаве n_c≃ 4,5·10^-6 Kи/г
При использовании для захоронения во взрыве специально выделенных долгоживущих ТУЭ с периодом полураспада Т_1/2 > 100 лет совокупная активность их годовой наработки оценивается в С ≃ 10⁶ Ки, а концентрация активности в расплаве η_с n_c≃ 6·10^-7Kи 6 ^. 10^-7 Ки/г, что сравнимо с естественным уровнем активности некоторых урановых руд. При ликвидации в каждом взрыве с Е150 кт трех ядерных силовых установок мощностью с Р 100 МВт и наработкой энергии в них ≈ 0,3 ГВт ˙ год, совокупная активность при времени выдержки установки Δ Т 1 год оценивается в С ≃ 9 ^. 10⁷ Ки, а концентрация этой активности в расплаве составит после взрыва η_с 6 ^. 10^-4 Ки/г. При этом концентрация долгоживущей активности с периодом полураспада Т_1/2 > 10 лет составит η_c≃ 1,5·10^-5Kи В серии из 10 взрывов возможно уничтожение до 30 подобных ядерных установок. При ликвидации в каждом ядерном взрыве с Е 150 кт до 10³ ядерных зарядов (без предварительной их разборки), концентрация долгоживущей активности уничтоженных ЯБП в расплаве породы составит 1,5 ^. 10^-6 Ки/г. В серии из 10 взрывов возможно уничтожение до 10 ^. 10³ ядерных зарядов. При размещении уничтожаемых РО внутри термоядерного устройства возможно обеспечение нейтронной трансмутации ВАО и ТУЭ в реакциях (n, 2n) и (n, 3n) и (n, f). При этом для долгоживущих осколков деления (в том числе таких как ⁹⁰Sr и ¹³⁷Cs) определяющим процессом является их выжигание быстрыми нейтронами с энергией 8 ≲ ε ≲ 14 Мэв получаемым при сгорании термоядерного горючего, в реакциях (n, 2n) и (n, 3n). Важным обстоятельством является наличие в зоне трансмутации эффективного поглотителя медленных нейтронов, который резко ослабляет обратный процесс рекомбинации ⁹⁰Sr и ¹³⁷Cs в реакции (n, γ) из-за большего на 2 порядка сечения радиационного захвата нейтронов на этом поглотителе. Для ТУЭ (в том числе таких как ²³⁸Рu) определяющим процессом является их выжигание в нейтронном поле термоядерного заряда в реакции (n, f). Для обеспечения необходимых флюенсов быстрых нейтронов, достаточных для выжигания ⁹⁰Sr и ¹³⁷Cs на уровне 80% от их закладки могут потребоваться термоядерные устройства большой мощности (вплоть до Е ≃ 10 Мт), при уничтожении до ≈ (200-300) кг этих изотопов в одном взрыве. Для уничтожения годовой наработки ²³⁸Рu, при Р_т 100 ГВт, оцениваемой в М 150 кг, на уровне ≈ 80-90% от его закладки могут потребоваться термоядерные устройства мощностью до ≈ 1 Мт при общей мощности до ≈ 5 Мт в год. Технико-экономические преимущества предлагаемого способа определяются уменьшением удельной активности в остеклованном расплаве примерно в 10⁴ раз относительно заводского остекловывания; повышением безопасности и технологичности процессов переработки и захоронения в связи с заменой заводских технологий на взрывную глубоко под землей; уменьшением капитальных затрат на переработку и захоронение в связи с отсутствием необходимости строительства и эксплуатации заводских производств по разборке ядерных устройств, предприятий по остекловыванию, специальных хранилищ, а в ряде случаев, и производств по разделению изотопов; отсутствием отчуждаемых под радиационно опасные производства территорий и зон безопасности вокруг них; качественным сокращением времени на переработку и захоронение относительно заводских способов; сокращением персонала, занятого переработкой и захоронением, изменением его функций с переводом на менее опасные (безопасные) категории работ; исключением возможности использования захороненных материалов и ядерных устройств для военных целей из-за их низкой концентрации, глубины залегания и отсутствия доступа.

Формула изобретения

1. СПОСОБ ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ, включающий их переработку и захоронение, отличающийся тем, что, с целью уменьшения удельной активности радиоактивных материалов, повышения безопасности и технологичности процессов их переработки и захоронения, уменьшения капитальных затрат, сокращения сроков переработки, сокращения персонала и изменения его функций, обеспечивая невозможности использования захороненных материалов и ядерных устройств для военных целей, переработку осуществляют размещением радиоактивных отходов в подземной камере и подрывом термоядерным устройством. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что радиоактивные отходы размещают внутри термоядерного устройства и трансмутируют нейтронным потоком этого устройства. 3. Способ по п.1 и 2, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности и степени перемешивания веществ, осуществляют одновременный взрыв нескольких термоядерных устройств. 4. Способ по п.1 3, отличающийся тем, что, с целью удешевления технологии, производят несколько взрывов в различных камерах.