Способ космической изоляции радиоактивных отходов

 

Использование: изобретение относится к области способов и средств для изоляции радиоактивных отходов (РАО) атомных электростанций и других ядерных производств в космическом пространстве. Сущность изобретения: с целью уменьшения затрат на формирование безвозвратной орбиты изоляции РАО посредством их вакуумной сублимации с последующим выносом солнечным ветром и световым давлением из пределов Солнечной системы. Предлагается перед контейнеризацией формирование матриц из химически инертных отвержденных соединений РАО. Затем контейнер с РАО выводят на круговую гелиоцентрическую орбиту, не примыкающую к орбитам планет Солнечной системы, и для обеспечения вакуумной сублимации РАО отделяют матрицы от контейнера, причем размеры отдельной матрицы и состав смеси радионуклидов в матрице с учетом скорости распада каждого из радионуклидов выбирают из условия обеспечения равновесной температуры матриц, достаточной для полной вакуумной сублимации РАО за период времени , не превышающий гарантированное время устойчивости выбранной гелиоцентрической орбиты. 3 ил.

„„5Q„„1836725 АЗ

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)э G 21 F 9/34

ГОСУДАРСТВЕН1ОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

К ПАТЕНТУ формирование безвозвратной орбиты изоляции PAO посредством их вакуумной (21) 5016817,/25 (22) 05.07.91 . (46) 23.08.93, БюлЛФ 31

° (71) Центральный научно-исследовательский институт машиностроения ... (72) В,Б.Бычков, В.Н.Коньков и Ю,А,Мозжорин

" (73) Центральный научно-исследовательский институт машиностроения (56) Атомная техника эа рубежом, 1990. М 8, --. с.7.

Мозжорин Ю.; Карелин А., Коньков 8.

Космические шансы острейшей земной проблемы, --Московский бизнес, 1989, hk 4. (54) СПОСОБ КОСМИЧЕСКОЙ ИЗОЛЯЦИИ

РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ

: .(57) Использование: изобретение относится к области способов и средств для изоляции . радиоактивных отходов (РАО) атомных электростанций и других ядерных производств в .космическом пространстве. Сущность изо- бретения: с целью уменьшения. затрат на сублимации с последующим выносом солнечным ветром и световым давлением иэ пределов Солнечной системы. Предлагается перед контейнеризацией формирование матриц из химически инертных отвержденных соединений PAO. Затем контейнер с

PAO выводят на круговую гелиоцентрическую орбиту, не примыкающую к орбитам планет Солнечной системы, и для обеспечения вакуумной сублимации PAO отделяют матрицы от контейнера, причем размеры отдельной матрицы и состав смеси радионуклидов в матрице с учетом скорости распада каждого из радионуклидов выбирают иэ условия обеспечения равновесной температуры матриц, достаточной для полной вакуумной сублимации PAO за период времени, не превышающий гарантированное время устойчивости выбранной гелиоцентрической орбиты. 3 ил. и

Заявляемое изобретение относится к тейнер и выводят его. на круговую гелиоцен.области способов и средств для изоляции .: трическуюорбиту,непримыкающуюкорби- . Ch радиоактивных отходов(РАО) атомных элек- .там планет Солнечной системы. Затем для

: тростанций и других ядерных производств в обеспечения вакуумной сублимации РАО - Я космическом пространстве. - .отделяют матрицы от контейнера. Размеры (Я

Цель изобретение состоит в уменьше- отдельной матрицы и состав смеси радио. нии затрат на формирование безвозвратной нуклидов в матрице с учетом скорости расорбиты изоляции РАО посредством их ваку- . паде каждого иэ радионуклидов выбирают ,умной сублимации с последующим выносом из условия обеспечения равновесной темсОлнечнымветромисветовымдавлениемиэ.. пературы матриц достаточной для полной . пределов Солнечной системы.. вакуумной сублимации PAO за период вреВ указанном способе поставленная мени, не превышающий гарантированное цель достигается тем, что перед контейне- время устойчивости выбранной гелиоцентризацией формируют матрицы из химиче- рической орбиты.. ски инертных отвержденных соединений При космической изоляции особо опасРАО, помещают совокупность матриц в кон- ных долгоживущих PAO (из отходов отрабо1836725 танного ядерного топлива это йод, технеций, цирконий. нептуний, америций и кюрий) к матрицам из этих отходов предьявляются достаточно противоречивые требования, Так, при удалении РАО из сфе-. ры действия Земли желательно, чтобы они были тугоплавкими, высокопрочными и химически инертными. Это связано с тем, что в процессе подготовки и оСуществления программы изоляции РАО возможно возникновение нештатных ситуаций, приводя-: щих к взрыву и пожару на старте, аварийному возвращению контейнера с

РАО на Землю и т,п. Чтобы подобные события не привели к экологическим катастрофам и используется отверждение РАО в химически инертных формах, Наиболее распространенным методом отверждения РАО признано включение оксидов продуктов деления в борсиликатную, фосфатную или борофосфатную матрицу, т.к. стекло будучи нестехиометрическим соединением при на гревании способно растворять„а при последующем охлаждении довольно прочно удерживать сложную смесь оксидов радионуклидов и продуктов коррозии. Получаемый продукт,50...100 кг- стекломассы на тонну РАО) обладает высокой химической и радиационной стойкостью, является иэотропным и непористым. другой стороны в обеспечении приемлемого времени вакуумной сублимации

РАО, которые уже находятся на гелиоцентрической орбите, термическая стойкость является фактором нежелательным, поскольку тугоплавкие материалы имеют низкую скоро, сть испарения в вакууме. Однако если нет другой возможности обеспечить безопасность при удалении контейнера с PAO из сферы действия Земли, с этим приходится мириться и, чтобы обеспечить приемлемые сроки сублимации РАО, отправить их в космос не в виде единой монолитной матрицы, а помещая в контейнер совокупность большого числа малоразмерных матриц. Учитывая достаточно низкий уровень остаточного тепловыделения РАО, принятых для удаления в космос (максимальный уровень 300

Вт/кг для композиций Am20o ++Cm20a, для других радионуклидов существенно ниже) равновесная температура даже с учетом внешнего солнечного облучения будет достаточно низка (300...350 К}. Для тугоплавких соединений РАО с температурой плавления 2500...2600 К при указанной равновесной температуре скорость испарения составит 1 мкм/год (см,справочник Особо тугоплавкие элементы и соединения", М., Металлургия, 1959), Загрузка контейнера матрицами микронных размеров представляется бесперспективной с точки зрения безопасности при контейнеризации

РАО и в случае аварийных ситуаций при запуске в космос, приводящих к нарушению целостности контейнера, Минимально реальными представляются матрицы с характерным размером 0,5...2 см. Отсюда следует вывод о том, что вакуумная сублимация PAO

"0 будет продолжаться по меньшей мере сотни лет. Оценим также потребное время для удаления атомов и молекул PAO из Солнечной системы. Среднее время фотоионизации на орбите Земли составит 1...10 суток

15 (для потока ультрафиолетового излучения (2...3) 10 фотонов/см2 с при принятом эффективном поперечном сечении фотоиониэации 3 10 " ...3.10 см ), Средняя скорость потока плазмы солнечного ветра

20 400 км/с и средняя плотность на орбите

Земли 3 10 частиц/см с. Несущая с собой

"вмороженное" магнитное поле плазмы солнечного ветра за счет электродинамических сил захватывает в общий поток заряженные

25 ионы. Оценки показывают, что время такого захвата составляет 1000 с, т,е. мало даже по сравнению с временем ионизации, При тепловой скорости атомов, не превышающей

0,5 км/с (это условие для PAO выполняется с запасом), за максимальное время ионизации (10 с) их пробег не превйсит 0,5 млн.км.

Отсюда следует важный вывод о том, что если PAO в атмосферном виде находятся вне сферы действия Земли (более 1 млн.км), 35 то за суммарное время иониэации и захвата магнитным полем PAO не успеют проникнуть внутрь магнитосферы Земли (ее радиус менее 0,2 млн.км) и не смогут вернуться на Землю, т,е. вакуумную сублимацию PAO

40 .необходимо производить на гелиоцентрической орбите.

Потоком солнечного ветра и под действием светового давления атомы (молекулы)

РАО будут вынесены к границам гелиосферы (100...200 а.е.) за время 400...800 суток), Отсюда следует, что время испарения матрицы PAO будет определяющим в обеспечении удаления РАО иэ пределов Солнечной

50 системы и составит величину порядка

10 ...10 лет. Естественно, что в течение всего этого срока выбранная гелиоцентрическая орбита должна сохранять устойчивость. Непригодными для этой цели

55 представляются эллиптические .гелиоцентрические орбиты из-эа их черезвычайной чувствительности к малым возмущениям.

Более подходящими представляются круговые гелиоцентрические орбиты, но только те

1836725 возможно бесчисленное множество их различных конфигураций, что с одной стороны позволяет варьировать продолжительность испарения в вакууме матриц с РАО, а с другой — не дает возможности дать общие 15 аналитические закономерности в обеспечении минимизации времени вакуумной сублимации фиксированной массы PAO.

Ситуация осложняется и тем, что сублимации подвергается смесь РАО, причем от- 20 дельная матрица может быть сформирована из однородного химического соединения

PAO или содержать смесь радионуклидов, Поясним сказанное. несколькими примера- . ми. 25

На фиг.1 и 2 показано изменение по времени размеров сферической и плоской однородных матриц, соответственно; на фиг;3 — сферическая матрица, содержащая смесь радионуклидов. 30

Начальный габаритный размер однородных матриц показан сплошной линией (1), а остаточные размеры этих матриц через равные промежутки времени вакуумной сублимации представлены пунктирными линиями (2 — 4). Для сферической матрицы характерно снижение темпа -испарения по мере уменьшения ее размера. это обусловлено тем, что в случае поверхность матрицы

:. уменьшается медленнее. чем обьем, что приводит к снижению равновесной температуры. Скорость испарения для плоской матрицы постоянна по времени, но она существенно ниже, чем для сферической

45 матрицы, что обусловлено большим отношением поверхности к объему. Весьма перспективной представляется сферическая матрица, центральная. часть (5) которой заполнена "горячими" радионуклидами, например, СвгОз (тепловыделение 3000

Вт/кг), средняя (6) — "теплыми", например, 50 смесью йр02 и АпцОз (тепловыделение

130 Вт/кг), а наружная (7) — "холодными", например, смесью ТсОг и ЕгО (тепловыделение 0,01 Вт/кг). В этом случае сублима- 55 ция "холодных", а потом и "теплых" радионуклидов обеспечивается теплом "горячих" РАО, что позволяет расширить номенклатуру радионуклидов, которые могут иэ них, которые не примыкают к орбитам планет Солнечной системы (т.е, гарантированно не пересекаются со сферами действия планет и их спутников), Современная астрономия прогнозирует устойчивость та- 5 ких орбит в течение по меньшей мере 10 лет.

Вышеприведенные оценки времени вакуумной сублимации относятся к матрицам безотносительно к их форме, вместе с тем 10 быть изолированы вакуумной сублимацией вне пределов Солнечной системы. Однако необходимо отметить, что представленная картина является упрощенной, поскольку основное тепловыделение обеспечивается изотопами радионуклидов, период полураспада которых меньше характерного времени испарения. матрицы в PAO.

Уменьшение затрат на формирование безвозвратной орбиты изоляции PAO в результате использования предлагаемого изобретения может быть оценено, если учесть различие в энергозатратах на формирование этих орбит. Критерием энергозатрат в данном случае выступает потребное изменение характеристической скорости (ЛЧх). Его значение для прототипа в случае прямого удаления из Солнечной системы составляет Ж/х- 5,5 км/с, а при удалении из сферы действия Солнца с гравитационным маневром у Юпитера — ЬV = 3,25 км/с.

Рассматриваемое предложение позволяет уменьшить значение изменения характеристической скорости до 1,85 км/с при выводе контейнера с PAO на круговую гелиоцентрическую орбиту радиусом 0,8 а.е. (между орбитами Земли и Венеры) и до 1,2 км/с при удалении на такую же орбиту радиусом 1,2

a,å. (между орбитами Земли и Марса). В результате достигается уменьшения затрат на формирование безвозвратной орбиты изоляции PAO в 1,8...3,5 раза.

Формула изобретения

Способ космической изоляции радиоактивных отходов (РАО), включающий отверждение и контейнеризацию РАО, их удаление из сферы действия Земли и последующее формирование безвозвратной орбиты изоляции РАО, отличающийся тем, что, с целью уменьшения затрат на формирование безвозвратной орбиты изоляции РАО посредством их вакуумной сублимации с последующим выносом солнечным ветром и световым давлением иэ пределов Солнечной системы, перед контейнеризацией формируют матрицы из химически инертных отвержденных соединений РАО, помещают совокупность матриц в контейнер и выводят его на круговую гелиоцентрическую орбиту, не примыкающую к орбитам планет Солнечной системы, а затем отделя ют матрицы от контейнера, причем размеры отдельной матрицы и состав смеси радионуклидов в матрице с учетом скорости распара каждого из радионуклидов выбирают иэ условия обеспечения равновесной температуры матриц, достаточной для полной

-1836725 . вакуумной сублимации PAO за период вре- . время устойчивости выбранной гелиоцентмени, не превышающий гарантированное рической орбиты, Фйг.3

Составитель Т.Горчакова

Редакгор М.Кузнецова Техред М.Моргентэл Корректор Л.Пилипенко

Заказ 3023 .. . Тираж . . Подписное

ВНИИХИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

1.13035, Москве, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101