Способ уничтожения токсичных веществ и устройство для его осуществления

 

Использование: для уничтожения токсичных химических веществ с помощью ядерных взрывов. Сущность изобретения: в заранее организованную в массиве каменной соли полость загружают токсичные химические вещества и реагенты, разлагающие и превращающие химические вещества в растворы или твердые безвредные вещества под действием высоких температур, создаваемых ядерным взрывом, для чего в полости размещают ядерное устройство, скважины, соединяющие полость с поверхностью земли, герметизируют, причем массу токсичных химических веществ M_ТХВ, массу реагентов M_реаг и мощность пласта каменной соли H_пл определяют из соотношений M_TXB≅α(V₀)·β·E₀), M_peaг= γ·M_TXB, H_пл≥60·E¹₀^/3, где α(V₀) - коэффициент, зависящий от объема полости V₀, β - коэффициент, зависящий от доли и вида конструкционных материалов и вида токсичных химических веществ (т/кт), g - коэффициент, зависящий от вида токсичных химических веществ, E₀ - мощность ядерного взрыва в кт тротилового эквивалента. 2 с. и 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

Настоящее изобретение относится к области использования ядерных взрывов в мирных целях, в частности к уничтожению токсичных веществ с помощью ядерных взрывов.

Известны способы уничтожения токсичных веществ путем химической, термической, электрохимической и плазменной переработки [1] Все эти способы успешно используются при малых количествах токсичных веществ. Но при переходе на крупномасштабные операции по уничтожению этих веществ и в особенности химбоеприпасов чистота технологий в экологическом отношении и безопасность персонала при этом остаются неудовлетворительными, т. к. образующиеся в процессе детоксикации реакционные массы содержат продукты нейтрализации отравляющих веществ типа зомана, моноэтаноламина, ортофосфорной кислоты и др. представляющие собой по степени токсичности и опасности как чрезвычайно опасные (1 класс опасности).

Известны система для выработки ядерной энергии, переработки отходов и способ ее изготовления прототип [2] заключающиеся в следующем: в подземной полости, созданной взрывом по крайней мере одного ядерного устройства, помещается предварительно определенное количество вещества (в частности, отходов), производится взрыв ядерного устройства с тем, чтобы вызвать протекание ядерных или химических реакций в указанном веществе с использованием реагентов, способствующих превращению этих веществ под действием высоких температур, создаваемых ядерным взрывом, в газообразное состояние, после чего по скважинам этот газ или пар поступает в подземную электростанцию. Таким образом, изобретение дает возможность использовать накапливаемую на месте тепловую энергию и утилизировать удаленные отходы. Тепловую энергию можно использовать вне участка взрыва в местах с требуемыми температурами.

Недостаток известного способа и устройства заключается в том, что с их помощью невозможно уничтожение токсичных химических веществ (ТХВ) без нарушения экологии, так как в результате протекания химических реакций в ряде ТХВ возможно образование других ТХВ, которые могут оказаться достаточно опасными с экологической точки зрения, а также в том, что при создании полости в произвольном грунте невозможно обеспечить ее герметичность как до, так и после проведения ядерного взрыва. Это объясняется тем, что в произвольных породах после прохождения волны нагружения массив дробится на блоки разной величины, появляются новые и расширяются природные трещины. Размер зон разрушения кроме мощности взрыва в сильной степени зависит от свойств горной породы, окружающей ядерный заряд. В среднем для плотных и прочных силикатных пород (гранит, сиенит, кварцевые сланцы) радиус зоны дробления (то есть зоны, в которой разрушение породы происходит по всем трем направлениям) составляет порядка 25 м/кт^1/3. Вне этой зоны разрушение пород имеет характер радиальных трещин, которые простираются вплоть до расстояний порядка 100 м/кт^1/3. Форма зоны разрушения близка к сферической. По этим трещинам продукты разложения ТХВ под действием ядерного взрыва, да и сами продукты этого взрыва могли бы распространяться на большие расстояния вплоть до земной поверхности или до встречи с подземными водными слоями, а это привело бы к нарушению экологической чистоты.

Таким образом, заявляемое изобретение направлено на решение задачи по созданию способа и устройства для уничтожения токсичных веществ с высокими эксплуатационными возможностями. Технический результат при решении этой задачи выразится в обеспечении экологической чистоты способа и устройства для уничтожения токсичных веществ.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе уничтожения токсичных веществ, заключающемся в организации подземной полости, загрузке в нее токсичных веществ, ядерного взрывного устройства и реагентов, способствующих разложению этих веществ под действием высоких температур, герметизации полости и осуществлении в полости ядерного взрыва, согласно изобретению подземную полость организуют в массиве каменной соли, в полость загружают токсичные химические вещества (ТХВ), причем в качестве реагентов используют вещества, способные связывать продукты разложения сложных молекул ТХВ с образованием раствора или твердого осадка безвредных веществ, а массу загружаемых в полость ТХВ и массу реагентов определяют из соотношений где E₀ мощность ядерного взрыва в кт тротилового эквивалента; β коэффициент, зависящий от доли и вида конструкционных материалов и вида ТХВ, загружаемых в полость (т/кт); a(V₀) коэффициент, зависящий от объема полости V₀, определяется из выражения γ коэффициент, зависящий от вида ТХВ и определяемый из выражения ρ_TXB плотность ТХВ (г/см³);
ρ_peaг плотность реагента (г/см³);
μ_TXB молекулярный вес ТХВ;
N -число видов опасных компонентов, образующихся при разложении одной молекулы ТХВ;
m_i количество молекул каждого компонента,
i 1, N;
μ_i молекулярный вес реагента;
К_i необходимое число молекул реагента;
V_м суммарный объем ТХВ и реагентов (м³).

Более четко задача решается в том случае, если в качестве реагентов используют или цеолиты, или кремнезоли, или оксиды щелочноземельных металлов.

Кроме того, поставленная цель достигается за счет того, что в устройстве для уничтожения ТХВ, содержащем полость для размещения в ней ТХВ и ядерного взрывного устройства, по крайней мере одну скважину, соединяющую полость с поверхностью земли, а также средства для герметизации скважины, согласно изобретению полость выполнена в массиве каменной соли, мощность пласта которой выбирается из соотношения
H_пл≥60·E¹₀^/3,
где E₀ мощность ядерного взрыва в кт тротилового эквивалента;
и снабжена приемником ядерного устройства, установленным по вертикальной оси полости, а ядерное устройство установлено в массиве ТХВ на приемнике в центральной части полости. Приемник выполнен с открытым устьем и снабжен конусной юбкой, установленной в верхней его части; кроме того, он снабжен по крайней мере тремя заостренными "лапами", которые могут быть закреплены цементирующим составом. При заливке жидких уничтожаемых продуктов надобность в приемнике отпадает, а ядерный заряд опускается внутрь их слоя.

Коэффициент α(V₀)≅1 определяется объемом полости и соответственно суммарным объемом V_м материала (ТХВ и реагентов), который может быть размещен в полости данного размера, и равен

где ρ_TXB и ρ_peaг плотности ТХВ и реагента соответственно.

Коэффициент β определяется долей и видом конструкционных материалов и видом ТХВ, загружаемых в полость, и в каждом конкретном случае он должен определяться расчетным путем с учетом экспериментальных и теоретических данных по разложению данного ТХВ.

Например, если ТХВ полностью разлагается при испарении в ударной волне взрыва, то b ≃ 70 т/кт.. Если температура разложения ТХВ ниже температуры его плавления и разложение происходит в ударной волне взрыва, то β ≃ 500 т/кт. Если ТХВ находится в некоторых технологических корпусах, например химические боеприпасы, и разложение происходит в результате длительного воздействия температуры в полости после взрыва, то необходимо обеспечить разрушение корпусов и доступ ТХВ в полость. При этом расчетное значение β ≃ 500 т/кт (за массу ТХВ принимается полная масса вместе с корпусами), что обеспечивает плавание и соответственно разрушение стальных корпусов.

Коэффициент γ определяется видом ТХВ и зависит от состава продуктов его разложения, наличия среди них экологически опасных составляющих и количества реагентов, необходимых для их связывания. Если при разложении 1 молекулы ТХВ с молекулярным весом m_TXB образуется N видов опасных компонентов, каждая в количестве m_i молекул, i 1, N, и для связывания каждой молекулы опасной компоненты требуется K_i молекул реагента с молекулярным весом μ_i, то γ определяется соотношением

Существует приближенная интерполяционная зависимость радиуса полости от нескольких основных факторов, полученная по данным 46 американских подземных взрывов:
R_п (м) 21 W^0,306 E^0,514 b^-0,244 G^-0,576 h^-0,161,
где W мощность взрыва в кт;
E и G модуль Юнга и сдвига в Мбар;
b плотность в г/см³;
h глубина взрыва в метрах.

C другой стороны, известно, что развитие процессов при камуфлетных взрывах отличается подобием. Это означает, что все пространственные (радиус, полости, радиусы зон дробления и трещиноватости) и временные (время образования полости) характеристики взрыва изменяются с изменением мощности (Е₀) взрыва пропорционально E¹₀^/3.

Учитывая изложенное и на основании экспериментальных данных (см. например, опыт "Вега-3") мощность пласта выбирается из условия, что при уничтожении ТХВ расстояние от местоположения заряда до целика должно превышать радиусы зон дробления и трещиноватости, т.е. R_з≥25·E¹₀^/3. Отсюда мощность пласта каменной соли не должна быть менее 60 E^1/3 метров.

Именно заявленные соотношения объема полости, мощности взрыва, массы ТХВ и массы реагентов и размещение полости в массиве каменной соли обеспечивают согласно изобретениям удержание первоначально загружаемых ТХВ и продуктов их разложения в процессе уничтожения в полости и превращение ТХВ в безопасные и экологически чистые растворы или твердые осадки и тем самым достижение технического результата решаемой задачи. Это позволяет сделать вывод о том, что заявляемые изобретения связаны между собой единым изобретательским замыслом.

Сравнение заявляемых технических решений с прототипом позволило установить соответствие их критерию "новизна".

Причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков заявляемых изобретений и достигаемым техническим результатом обусловлена тем, что в настоящих решениях удалось избежать образования других ТХВ, опасных с экологической точки зрения, в результате протекания химических реакций при уничтожении ТХВ, а также удалось обеспечить герметичность подземной полости как до, так и во время, и после проведения ядерного взрыва.

В качестве примера конкретного выполнения описываются способ и устройство для уничтожения химических боеприпасов, содержащих боевое отравляющее вещество (ОВ) зарин.

В выбранном соляном массиве на требуемую глубину (600.1000 м) бурится вспомогательная скважина для спуска ядерного устройства (d_скв≃ 300мм).

Прямо над точкой заложения ядерного заряда вертикально бурится основная технологическая скважина большого диаметра (D ≃ 1100мм). Производится опускание контейнера с ядерным зарядом мощностью 5.10 кт, который после возведения забивки подрывается. В результате взрыва в соляном массиве образуется герметичная полость объемом 25.50 тыс. м³.

Спустя необходимое время после взрыва (в зависимости от выбора технологии проведения второго взрыва) забивочный комплекс вспомогательной скважины разбуривается и в нее опускаются приборы рациационного и химического контроля, датчики температуры и давления и телевизионная установка. Указанный комплекс используется для обследования полости, контроля за составом газа в полости и для выполнения последующих работ. При получении положительных результатов обследования полости производится добуривание технологической скважины с помощью установки типа БУ-75. По оси скважины в полость опускается труба-приемник ядерного устройства диаметром 430 мм с остроконечными "лапами" длиной до ≈ 10 м и длиной рабочей части ≈ 20 м для завески ядерного устройства. "Лапы" под действием собственного веса приемника войдут в размягченную соль и, таким образом, произойдет фиксация приемника. Для более надежной фиксации приемника в него можно закачать некоторое количество цементного раствора, который, пройдя через нижнюю перфорированную часть приемника, зацементирует частично "лапы" и нижнюю часть трубы, что обеспечит жесткую фиксацию приемника. В верхней части приемник имеет конусообразную юбку для "отражения" спускаемых контейнеров с химбоеприпасами, при этом устье приемника остается открытым.

На рабочей площадке скважины производится закладка химбоеприпасов в специальные контейнеры. Вес закладываемых в один контейнер боеприпасов ≈ 5 т, размеры контейнера: наружный диаметр ≈ 820 мм, длина ≈ 2000 мм. Контейнеры соединяются между собой гибкой связью, расстояние между контейнерами при спуске ≈ 3 м, образуется гирлянда из 10-12 контейнеров. После этого к верхнему контейнеру гирлянды крепится бурильная труба и вся гирлянда опускается на бурильных трубах в полость. После укладки контейнеров на дно полости (работа ведется с телеконтролем) производится их отцеп от бурильных труб с помощью электромагнита или пиропатрона.

После спуска в полость запланированного количества контейнеров по отработанной штатной технологии спускается ядерное устройство и располагается в приемнике примерно в центре массы контейнеров с химбоеприпасами. Контрольная аппаратура из вспомогательной скважины извлекается, обе скважины забиваются. Масса боеприпасов примерно в 7 раз превышает собственно массу ОВ. Масса боеприпасов, загружаемых в полость, составляет 500 E, где E мощность взрыва в кт, что обеспечивает разрушение стальных оболочек боеприпасов и испарение ОВ под действием взрыва, то есть в рассматриваемом случае β ≃ 500 т/кт. При использовании заряда мощностью 10 кт масса уничтожаемых боеприпасов составляет 5000 т, а масса собственно зарина 700 т. Такое количество боеприпасов занимает объем существенно меньший, чем объем полости и α = 1. В результате взрыва после окончания движения полости температура в полости заметно превышает температуру стенок, происходит оплавление стенок полости, сопровождающееся стеканием расплава на дно, и в полости устанавливается температура, равная температуре плавления каменной соли примерно 800^oС. В дальнейшем происходит медленное остывание полости путем теплопроводности. Температура начала разложения зарина составляет 100^oС, при температуре 500^oC степень разложения достигает 99,8% а константа скорости реакции (время разложения в l раз) 23 сек. В этих условиях за время менее 1 суток происходит термическое разложение ОВ до очень высоких степеней диссоциации.

При термическом разложении зарина образуются два основных экологически опасных вещества (N 2) метафосфорная кислота HPO₃ и фтористый водород НF по одной молекуле на каждую молекулу зарина (m₁ m₂ 1). Для нейтрализации этих продуктов разложения используется гидроксид кальция Ca(OH)₂:
2HPO₃ + Ca(OH)₂ Ca(PO₃)₂ + 2H₂O;
2HF + Ca(OH)₂ CaF₂ + 2H₂O и К₁ K₂ 0,5.

При этом на одну молекулу зарина требуется одна молекула гидроксида. При молекулярном весе зарина μ_TXB= 140·1 и молекулярном весе гидроксида кальция μ₁= μ₂= 74 требуемое количество реагента составит 380 т. Значение γ составляет 0,53.

Продукты разложения взаимодействуют с реагентом и образуют экологические безопасные твердые осадки СаF₂ и Ca(PO₃)₂.

На чертеже схематично изображена система для уничтожения ТХВ, состоящая из подземной полости 1, выполненной в массиве каменной соли 2, технологических скважин 3, соединяющих полость 1 с поверхностью земли, ядерного устройства, расположенного в трубе-приемнике 5 и уничтожаемого ТХВ 6 в смеси с реагентами. В скважине 3 имеются затворы 7, герметизирующая бетонная пробка 8 и датчики экологического контроля 9. На поверхности земли и в скважине находится аппаратура управления и контроля за уничтожением ТХВ и другими процессами, происходящими в полости и других горных выработках в момент и после проведения ядерного взрыва (для простоты схематичного изображения на чертеже не показана).

Работа системы заключается в следующем. По сигналу с поверхности земли производят подрыв ядерного устройства 4. В результате взрыва происходит движение стенок полости 1, после окончания которого в полости устанавливается высокая температура, превышающая температуру разложения ОВ. В этих условиях происходит термическое разложение ОВ до очень высоких степеней диссоциаций. Продукты разложения ТХВ, взаимодействуя с реагентами, образуют твердые и экологически безвредные осадки или растворы. При этом обеспечивается разрушение стальных оболочек химбоеприпасов и испарение ОВ. Поверхность полости 1 оплавляется без образования трещин, что препятствует распространению продуктов ядерного взрыва за пределы массива каменной соли 2. Этому же способствует и бетонная пробка 8. Датчики экологического контроля 9 фиксируют состояние атмосферы в скважине 3 и по линии связи и контроля их информация передается на поверхность земли, где фиксируется и обрабатывается.

Через определенное время, порядка нескольких месяцев, данная полость может быть использована повторно. Времена разложения ОВ с точки зрения возможности вскрытия скважины и повторного ее использования необходимо определять, исходя из конкретного проекта и состава ОВ при данном взрыве. Заявителем создана и активно используется программа, позволяющая рассчитывать кинетику ионизации и диссоциации химических веществ с учетом возбуждения уровней. С ее помощью при необходимости возможен детальный расчет кинетики разложения конкретных видов ОВ в конкретном эксперименте по уничтожению при предоставлении необходимых данных о составах ОВ или других ТХВ.

Использование настоящего способа и устройства для его осуществления позволяет производить уничтожение химбоеприпасов и различных ТХВ в больших количествах (сотни и тысячи тонн) без нарушения экологии, т.к. в результате протекания химических реакций исключено образование других отравляющих веществ, а весь процесс производится с высокой степенью герметизации, которая гарантирует нераспространение токсичных веществ за пределы полости и дает возможность контролировать состав веществ в полости после взрыва и влиять на него в случае необходимости с помощью реагентов. При этом сейсмический эффект ядерного взрыва, производимый в полости соляного массива, а десятки и сотни раз меньше, чем от целикового взрыва такой же мощности.

Экономическая эффективность предложенного способа и устройства для его осуществления очевидна из следующего сравнения.

Стоимость уничтожения ОВ в сопоставимых ценах при химическом способе переработки составляет порядка 100 тыс. руб. за тонну ОВ. Стоимость уничтожения ОВ предлагаемым способом составляет порядка 1 тыс.руб. за тонну ОВ (в ценах 1991 г.).

Немаловажную роль играет факт многоразовости использования подземных выработок полости и скважин, выполненных в массиве каменной соли.

ЛИТЕРАТУРА
[1] В. Н. Александров, В.И. Емельянов. Отравляющие вещества. М. Военное издательство, 1990 г.

[2] Патент Великобритании N 2089558 (G 21J 3/00) "Система для выработки ядерной энергии и переработки отходов и способ ее изготовления" прототип, 1982 г.

Формула изобретения

1. Способ уничтожения токсичных веществ, заключающийся в организации подземной полости, загрузке в нее токсичных веществ, реагентов и ядерного взрывного устройства, герметизации полости и осуществлении в ней ядерного взрыва, отличающийся тем, что подземную полость организуют в массиве каменной соли, в полость загружают токсичные химические вещества, причем в качестве реагентов используют вещества, способные связывать продукты разложения сложных молекул токсичных химических веществ с образованием раствора или твердого осадка безвредных веществ, а массу загружаемых в полость токсичных химических веществ и массу реагентов определяют из соотношений
M_тхв≅ α(V_o)βE_o;
M_реаг= γ·M_тхв;
где E₀ мощность ядерного взрыва в КT тротилового эквивалентта;
β коэффициент, зависящий от доли и вида конструкционных материалов и вида токсичных химических веществ, загружаемых в полость, Т/КТ;
коэффициент, зависящий от объема полости V₀, определяется из выражения

γ коэффициент, зависящий от вида ТХВ и определяемый из выражения

ρ_тхв плотность ТХВ, г/см^З;
ρ_реаг плотность реагента, г/см^З;
μ_тхв молекулярный вес ТХВ;
N число видов опасных компонентов, образующихся при разложении одной молекулы ТХВ;
m_i количество молекул каждого компонента;
μ_i молекулярный вес реагента;
K_i необходимое число молекул реагента;
V_m суммарный объем ТХВ и реагентов, М³.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве реагентов используют цеолиты, или кремнеземы, или оксиды щелочноземельных металлов.

3. Устройство для уничтожения токсичных веществ, содержащее подземную полость для размещения в ней массива токсичных веществ и ядерного взрывного устройства и по меньшей мере одну скважину, соединяющую полость с поверхностью земли, а также средства для герметизации скважины, отличающееся тем, что полость выполнена в массиве каменной соли, причем мощность пласта каменной соли выбрана из соотношения
H_пл≥ 60·E¹_o^/3;
где Н_пл мощность пласта каменной соли, м;
E₀ мощность ядерного взрыва в КТ тротилового эквивалента,
а ядерное взрывное устройство размещено в массиве токсичных веществ.

4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что оно снабжено приемником ядерного устройства, установленным по центральной оси полости, выполненным с открытым устьем и снабженным конусной юбкой, установленной в верхней части приемника.

5. Устройство по пп. 3 и 4, отличающееся тем, что в нем приемник ядерного устройства снабжен по крайней мере тремя заостренными "лапами".

6. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что в нем "лапы" приемника ядерного устройства закреплены цементирующим составом.

РИСУНКИ

Рисунок 1