Способ захоронения радиоактивных отходов в горных породах

 

Изобретение относится к области охраны окружающей среды, а именно к области обработки радиоактивных отходов (РАО). Способ захоронения радиоактивных отходов в горных породах включает создание в горной породе скважины с байпасной газоотводной магистралью, смешение РАО с минералообразующей добавкой, обезвоживание полученных минерализированных РАО, последующее смешение обезвоженных минерализированных РАО с окислителем и восстановителем, загрузку полученной шихты в скважину, инициирование экзотермической реакции, отвод отходящих газов в систему газоочистки, снятие заглушки и тампонирование скважины. Преимуществами заявляемого способа являются его упрощение, ускорение, обеспечение надежности, повышение безопасности реализации, а также расширение области его применения.

Изобретение относится к области охраны окружающей среды, а точнее, к области обработки радиоактивных отходов (РАО). Наиболее эффективно заявляемый способ может быть реализован при захоронении высоко-, средне- и низкоактивных твердых и жидких РАО в горных породах, т.к. они содержат минералы, способные связывать (включать в свои кристаллические матрицы) радионуклиды.

Известен способ захоронения РАО [1], включающий бурение в породе скважины глубиной 2,5-4 км, размещение в скважине упаковок с радиоактивными отходами, установку контрольного оборудования и заглушение скважины.

Недостатками известного способа являются: - повышенная сложность его реализации, обусловленная необходимостью бурения скважины глубиной 2,5-4 км; - ненадежность локализации радионуклидов в скважине, обусловленная возможностью их миграции из упаковок с РАО и попаданием за пределы скважины в окружающую среду.

Известен способ захоронения РАО в горных породах, [2], включающий смешение РАО с наполнителем, состоящим из природных стабильных материалов, спекание полученной шихты при высоких температурах и захоронение полученных матричных блоков в пробуренных скважинах или шахтах.

Недостатками известного способа являются: - повышенная опасность реализации способа, обусловленная проведением операции высокотемпературного спекания РАО вне шахты или скважины, следствием чего может быть загрязнение окружающей среды образующимися при высокотемпературном спекании радиоактивными аэрозолями и отходящими газами; - ненадежность локализации радионуклидов в скважине, обусловленная возможностью их миграции из упаковок с РАО и попаданием за пределы скважины в окружающую среду.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ захоронения РАО в горных породах [3], включающий создание в горной породе скважины глубиной до 5 км с байпасной газоотводной магистралью, укрепление скважины обсадными колоннами, создание в нижней части скважины полости, загрузку в полость скважины контейнеров с флюсом (смесью криолита и датолита), загрузку в полость скважины на контейнеры с флюсом контейнеров с РАО и контейнеров со смесью окислителя и восстановителя (порошкообразной экзотермической термитной смесью), вперемежку с контейнерами с флюсом, размещение в стволе скважины пористого сорбента, установку на скважину заглушки, подсоединение байпасной газоотводной магистрали к системе газоочистки, инициирование путем постепенного нагрева (за счет выделяющегося тепла радиоактивного распада радионуклидов РАО) в течение 200-300 ч экзотермической реакции между окислителем и восстановителем при давлении в скважине 1-20 атм, отвод образующихся отходящих радиоактивных газов в систему газоочистки, снятие со скважины заглушки и ее тампонирование.

Недостатками известного способа являются: - повышенная сложность реализации, обусловленная необходимостью создания скважины глубиной до 5 км, а также его многостадийностью; - повышенная продолжительность; - пониженная надежность, обусловленная вероятностью невозможности инициирования экзотермической реакции между окислителем и восстановителем вследствие окисления порошкообразного алюминия до окиси алюминия, не способной к экзотермическому взаимодействию с высшими окислами тяжелых металлов. Причиной указанного недостатка является то, что в результате замедленного нагрева (200-300 ч) алюминий, входящий в качестве восстановителя в состав порошкообразной экзотермической термитной смеси, может окислиться до его окиси, не способной к экзотермическому взаимодействию с окислителем; - повышенная опасность его реализации, связанная с возможностью выброса в атмосферу отходящих радиоактивных газов через неплотности между обсадными колоннами и стенками скважины, обусловленной повышенным в процессе экзотермической реакции газообразованием, а также повышенным давлением, поддерживаемым в скважине; - ограниченная область применения, обусловленная возможностью реализации способа только для захоронения твердых высокоактивных, тепловыделяющих [3] отходов.

Преимуществами заявляемого способа являются его упрощение, ускорение, обеспечение надежности, повышение безопасности реализации, а также расширение области его применения.

Указанные преимущества обеспечиваются за счет того, что заявляемый способ включает создание в горной породе скважины с байпасной газоотводной магистралью, смешение РАО с минералообразующей добавкой, обезвоживание полученных минерализированных РАО, последующее смешение обезвоженных минерализированных РАО с окислителем и восстановителем при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Радиоактивные отходы - 1-40
Минералообразующая добавка - 2-40
Окислитель - 26-41
Восстановитель - 18-32
загрузку полученной шихты в скважину, установку на скважину заглушки, подсоединение байпасной газоотводной магистрали к системе газоочистки, инициирование экзотермической реакции между окислителем и восстановителем путем их скачкообразного нагрева внешним источником тепла (с помощью электроразрядника, запального устройства, огнепроводного шнура), отвод образующихся отходящих радиоактивных газов в систему газоочистки, снятие заглушки со скважины и ее тампонирование.

В качестве минералообразующей добавки используют циркон (ZrSiO₄), или двуокись титана, или их смесь, в качестве окислителя - перманганат калия, или пятиокись ванадия, или их смесь, а в качестве восстановителя - кремний, или сплав кремния с кальцием, или сплав кремния с титаном, или их смесь.

В качестве тампонажного материала используют гидравлические вяжущие материалы на основе цементов или шлаковых отходов доменных печей.

Отличительными признаками заявляемого способа являются:
- то, что РАО предварительно смешивают с минералообразующей добавкой, после чего полученные минерализированные РАО обезвоживают, а обезвоженные минерализированные РАО смешивают с окислителем и восстановителем при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Радиоактивные отходы - 1-40
Минералообразующая добавка - 2-40
Окислитель - 26-41
Восстановитель - 18-32
- то, что инициирование экзотермической реакции между окислителем и восстановителем осуществляют путем их скачкообразного нагрева внешним источником тепла;
- то, что в качестве минералообразующей добавки используют циркон (ZrSiO₄), или двуокись титана, или их смесь,
- то, что в качестве окислителя используют перманганат калия, или пятиокись ванадия, или их смесь;
- то, что в качестве восстановителя используют кремний, или сплав кремния с кальцием, или сплав кремния с титаном, или их смесь.

Заявляемый способ реализуют следующим образом.

В горной породе бурят скважину, к верхней части которой подсоединяют байпасную газоотводную магистраль. РАО в количестве 20 мас.% смешивают с 21 мас.% минералообразующей добавки, после чего минерализированные РАО обезвоживают и смешивают с 34 мас.% окислителя и 25 мас.% восстановителя. В качестве минералообразующей добавки используют двуокись титана, в качестве окислителя - пятиокись ванадия, а в качестве восстановителя - кремний (двуокись титана, пятиокись ванадия и кремний являются наименее предпочтительной комбинацией, т.к. достигаемые технические эффекты при их использовании в заявляемом способе являются наименьшими по сравнению с аналогичными техническими эффектами, обеспечиваемыми применением других возможных комбинаций минералообразующей добавки, окислителя и восстановителя).

После этого полученную шихту загружают в скважину, устанавливают на скважину заглушку, байпасную газоотводную магистраль подсоединяют к системе газоочистки и инициируют с помощью электроразрядника экзотермическую реакцию между окислителем и восстановителем.

В результате экзотермической реакции температура в шихте поднимается до 1500 - 1800^oC, а сам процесс протекает при незначительном газовыделении. При этом в результате химического взаимодействия компонентов РАО, минералообразующей добавки и продуктов экзотермической реакции окислителя и восстановителя происходит образование не растворимого в воде, химически, термодинамически и радиационно устойчивого, механически прочного (после охлаждения) минерального матричного конечного продукта. По своему составу минеральный матричный конечный продукт приближается к геохимическому составу горных пород и надежно локализует в себе радионуклиды, причем в процессе нагрева он спекается с окружающей его горной породой, образуя с ней единое целое. Смешение минерализованных обезвоженных РАО с окислителем и восстановителем обеспечивает высокую гомогенность шихты, без чего невозможно обеспечить получение конечного продукта с вышеуказанными свойствами, а величина давления в скважине в процессе реализации способа не превышает атмосферное.

Спекание конечного продукта с окружающей его горной породой обеспечивает дополнительную гарантию надежной локализации радионуклидов в пределах скважины.

В случае, если соотношение между РАО, минералообразующей добавкой, окислителем и восстановителем, а также их качественный состав будут отличны от вышеприведенных, получить спеченный с окружающей его горной породой конечный продукт с вышеуказанными свойствами будет невозможно. Радиоактивные парообразные и аэрозольные продукты, присутствующие в образующихся радиоактивных отходящих газах, по мере их движения по шахте конденсируются на ее стенках, а неконденсируемая часть радиоактивных отходящих газов поступает в систему газоочистки, где очищается от радионуклидов и сбрасывается в атмосферу.

После завершения процесса в скважине с нее снимают заглушку и осуществляют ее тампонирование цементом.

Заявляемый способ более прост в реализации, а скачкообразный нагрев внешним источником тепла окислителя и восстановителя обеспечивает надежность его реализации за счет гарантированного инициирования между ними экзотермической реакции. С помощью заявляемого способа можно захоранивать наряду с высокоактивными также и низко- и среднеактивные отходы, для которых не характерно тепловыделение, достаточное для перевода шихты в форму минеральной матрицы.

Кратковременная и быстропротекающая экзотермическая реакция делает возможным реализацию заявляемого способа в течение нескольких минут, что обеспечивает его ускорение по сравнению со способом наиболее близкого аналога.

Литература
1. Заявка Великобритании N 2286284 A1, МПК⁶: G 21 F 9/34, опубл. 09.08.95.

2. Патент РФ N 2064696 C1, МПК⁶: G 21 F 9/32, опубл. 27.07.96, Бюл. N 21.

3. Патент РФ N 2115964 C1, МПК⁶: G 21 F 9/24, B 09 B 1/00, опубл. 20.07.98, Бюл. N 20.

4. А. С. Никифоров, В.В. Куличенко, М.И. Жихарев. ОБЕЗВРЕЖИВАНИЕ ЖИДКИХ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ. М.: Энергоатомиздат, 1985, стр. 10.

Формула изобретения

Способ захоронения радиоактивных отходов (РАО) в горных породах, включающий создание в горной породе скважины с байпасной газоотводной магистралью, загрузку в скважину радиоактивных отходов, окислителя и восстановителя, установку на скважину заглушки, подсоединение байпасной газоотводной магистрали к системе газоочистки, инициирование экзотермической реакции путем нагрева окислителя и восстановителя, отвод из скважины отходящих радиоактивных газов в систему газоочистки, снятие заглушки со скважины и тампонирование скважины, отличающийся тем, что РАО предварительно смешивают с минералообразующей добавкой, после чего полученные минерализированные РАО обезвоживают, а обезвоженные минерализированные РАО смешивают с окислителем и восстановителем при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Радиоактивные отходы - 1 - 40
Минералообразующая добавка - 2 - 40
Окислитель - 26 - 41
Восстановитель - 18 - 32
инициирование экзотермической реакции между окислителем и восстановителем осуществляют путем их скачкообразного нагрева внешним источником тепла, в качестве минералообразующей добавки используют циркон (ZrSiO₄), или двуокись титана, или их смесь, в качестве окислителя используют перманганат калия, или пятиокись ванадия, или их смесь, а в качестве восстановителя используют кремний, или сплав кремния с кальцием, или сплав кремния с титаном, или их смесь.