Способ захоронения экологически опасных объектов

 

Использование: изобретение относится к технике захоронения крупных экологически опасных объектов типа аварийных реакторов атомных электростанций. Сущность изобретения: для снижения вредного воздействия аварийного объекта на людей, а также повышения надежности его захоронения под объектом создают подземный могильник, осуществляют в него перемещение объекта и отвод выделяемого объектом тепла. На безопасном от реактора расстоянии выполняют вертикальный ствол и горизонтальные штольни до центра объекта. В штольнях устанавливают источники холода и тепла, грунт основания объекта предварительно закрепляют путем бурения наклонных скважин с установкой в них толстостенных обсадных труб и замораживания этого грунта с помощью источника холода. Затем соосно объекту выше штольни создают подземную выработку, закрепляемую обделкой, внутри которой располагают теплообменники, присоединенные к указанным источникам тепла и холода, заполняют внутренний объем выработки, замораживают воду и затем грунт под объектом размораживают, извлекают обсадные трубы из наклонных скважин и бурят до льда по периметру объекта вертикальные скважины, затем прекращают подачу хладоносителя и подают теплоноситель в теплообменники основания выработки. По мере таяния льда и опускания объекта образующуюся при этом воду удаляют. 1 з. п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к специальному строительству, а именно к технике захоронения экологически опасных объектов, преимущественно аварийных блоков атомных электростанций типа четвертого блока Чернобыльской АЭС.

Опыт ликвидации последствий Чернобыльской аварии свидетельствует об отсутствии эффективных способов решения этой актуальной проблемы.

В настоящее время считается, что наиболее рациональным путем эту задачу можно решить созданием вокруг аварийного реактора специальной защитной оболочки - "саркофага".

Этот способ был реализован на практике, поэтому он принят за прототип.

Существенным недостатком выбранного прототипа является его трудоемкость из-за больших размеров "саркофага" и сопутствующее при этом сильное радиоактивное облучение людей, вынужденных работать в непосредственной близости от аварийного реактора.

Существенным недостатком данного способа является также и низкая надежность захоронения экологически опасного объекта. Внутренние тепловыделения, а также атмосферные переменные воздействия на конструкцию "саркофага" приводят к его разрушению.

Известен способ захоронения ядерного реактора, выведенного из эксплуатации [1] . После извлечения топлива и теплоносителя из активной зоны реактора, подлежащего захоронению, ее заполняют связующим раствором и для устранения опасности радиоактивного облучения запечатывают все отверстия. Прямо под реактором в земле роют яму и сооружают бункер с бетонными стенками.

Известен способ захоронения ядерного реактора АЭС в скальном грунте, включающий извлечение топлива из реактора, дезактивацию реакторного отделения, отсоединение примыкающих к реактору конструкций, перемещение в подземный могильник и отвод выделяемого тепла [2] . С поверхности проходят главные подходные выработки под реакторное помещение ниже глубины расположения могильника, с нижней высотной отметки главных подходных выработок под реактором по его оси проходят компенсационный восстающий до фундамента АЭС, в нижней части компенсационного восстающего разделывают выпускную воронку, ось выпускного отверстия которой располагают по оси реактора.

Недостатком этих конструкций является недостаточное снижение общей дозы облучения персонала при проведении работ, сокращение времени производства работ.

Известен способ захоронения экологически опасного объекта, заключающийся в том, что в описании примера использования заявленного способа в качестве экологически опасного объекта принят аварийный реактор, аналогичный четвертому блоку Чернобыльской АЭС, вместе с созданным после аварии "Саркофагом" [3] .

Дополнительное изучение материалов аварии на ЧАЭС показало, что эффективность способа захоронения может быть во много раз больше, если в качестве экологически опасного объекта может быть не весь саркофаг, а только часть его - аварийный реактор вместе с бетонной шахтой, где расположен. Размер этой шахты - 26х26 в плане и высота - 35,5 вместе с подреакторными помещениями, т. е. намного меньше наружных размеров всего "Саркофага". Способ позволяет извлечь и захоронить только бетонную шахту вместе с аварийным реактором, поэтому в приведенном примере именно эту конструкцию следует считать экологически опасным объектом.

Цель изобретения - снижение вредного воздействия на людей, а также повышение надежности захоронения экологически опасного объекта.

Цель достигается тем, что на безопасном от объекта расстоянии проходят вертикальный ствол и горизонтальную штольню (патерну) под центр этого объекта; устанавливают холодоисточник и теплоисточник; грунт основания объекта предварительно закрепляют путем бурения наклонных скважин с установкой в них толстостенных обсадных труб, а также замораживанием указанного грунта с помощью этих скважин; затем соосно объекту выше штольни создают подземную выработку, внутренние размеры которой в плане и по высоте больше, чем соответствующие внешние размеры объекта; выработку закрепляют обделкой, внутри которой располагают теплообменники, присоединенные с помощью трубопроводов и запорно-регулирующей арматуры к упомянутым выше холодильнику и теплоисточнику; герметизируют заобделочное пространство выработки, верх которой соединяют с помощью скважины с атмосферой, и заполняют внутренний объем выработки водой, затем в теплообменники подают хладоноситель с отрицательной температурой, превращая упомянутую воду в лед, после этого грунт под объектом размораживают; извлекают толстостенные обсадные трубы из наклонных скважин и бурят до льда по периметру объекта вертикальные скважины, затем прекращают подачу хладоносителя в теплообменники и подают вместо него теплоноситель только в теплообменники основания выработки; по мере таяния льда и опускания объекта образующуюся при этом воду удаляют; после установки объекта на основание выработки последнюю заполняют гидрофобным герметиком, смешанным с хорошо теплопроводным материалом, например медной фиброй, и снова в теплообменники подают хладоноситель, ограничивая саморазогрев объекта.

Таким образом производят медленное опускание экологически опасного объекта под землю в специально созданную герметическую оболочку с холодильником.

Изобретение иллюстрируется следующим примером устройства, реализующим заявленный способ.

В данном примере в качестве экологически опасного объекта принят аварийный реактор, аналогичный четвертому блоку Чернобыльской АЭС, вместе с созданным после аварии "саркофагом". Схема устройства изображена на чертеже, где показаны: аварийный реактор в начальном положении I и этот же реактор в конечном положении Iа, наклонные скважины с толстостенными обсадными трубами 2, предназначенные для замораживания грунта под реактором; расположенная под реактором и соосно ему подземная выработка 3 с обделкой 4, внутри которой расположены по боковым поверхностям теплообменники 5, а в основании 6 - теплообменники 7. В качестве теплообменников могут быть использованы конструкции типа "труба в трубе". Эти же конструкции могут выполнять функцию дополнительной арматуры, повышающей прочность обделки подземной выработки. Для подачи в теплообменники хладоносителя и теплоносителя предусматриваются трубопроводы с запорно-регулирующей арматурой 8, 9 и 10. Для подачи воды в выработку предусматривается водовод 11. Этот же водовод используется для удаления из выработки воды после таяния льда. Для этих же целей предусматривается насос 12 и запорно-регулирующая арматура 13-17. Для получения хладоносителя предусматривается холодоисточник (холодильная машина) 18, а теплоносителя - теплогенератор 19. В качестве холодоносителя для замораживания воды и грунта могут быть эффективно использованы криогенные жидкости, например жидкий азот или жидкий воздух.

Строительные и монтажные работы осуществляются через специальный вертикальный ствол 20 и горизонтальные штольни 21 и 22 (патерны). Для ослабления связи реактора с окружающим грунтом предусматривается бурение вертикальных скважин 23.

Способ осуществляется следующим образом. На безопасном от реактора 1 расстоянии строят ствол 20 и горизонтальные штольни 21 и 22, подходящие к оси указанного реактора. В одной из штолен 22 устанавливают холодильную машину 18 и теплогенератор 19 и приступают к строительству выработки 3. Предварительно, с целью преждевременного опускания реактора 1, бурят наклонные скважины и устанавливают в них толстостенные обсадные трубы 2 и с их помощью замораживают непосредственно под реактором грунт, повышая таким образом его прочность. Для этих целей лучшим образом может быть использован жидкий азот.

По мере проходки выработки 3 устанавливают боковую обделку 4 с теплообменниками 5, а обделку основания 6 - с теплообменниками 7. Высота выработки 3 должна быть больше высоты реактора 1 с "саркофагом". Кроме этого при строительстве выработки 3 необходимо учесть объем замороженного под реактором 1 грунта. Затем заполняют упомянутую выработку 3 водой через водовод 11 (задвижки 14 и 16 открыты, 13, 15 и 17 - закрыты).

Для полного и быстрого наполнения водой выработки 3 целесообразно пробурить хотя бы одну скважину 23 для выпуска воздуха в атмосферу. После полного заполнения водой выработки 3 включают холодильную машину 18 и хладоноситель по трубам поступает в теплообменники 5 и 7, при этом происходит превращение воды в лед, в результате чего реактор 1 получает новую опору в виде основания 6 выработки, через ледяной массив и грунт, оставшийся после его замораживания под реактором. Образование новой опоры позволяет удалить старую опору. Для этого прекращают подачу хладоносителя в толстостенные обсадные трубы наклонных скважин 2 и подают туда для размораживания грунта теплоноситель. После размораживания грунта обсадные трубы из скважин 2 извлекают. Для уменьшения связи основания реактора с окружающим грунтом по периметру реактора 1 бурят вертикальные скважины 23. После этого включают холодильную машину 18, прекращают подачу хладоносителя в теплообменники 5 и 7 и включают теплогенератор 19, от которого теплоноситель подается только в теплообменники 7 основания 6. В теплообменники 5 возможна лишь кратковременная подача тепла для устранения адгезии льда к боковым стенкам выработки 3.

За счет естественного теплообмена выработки с окружающим грунтом этот процесс произойдет со временем и самопроизвольно.

По мере поступления тепла к основанию 6 лед на его поверхности будет таять. Удаляя образовавшуюся воду по водоводу 11 с помощью насоса 12 (задвижки 13, 15 и 17 открыты, а 14 и 16 - закрыты), высоту ледяного массива уменьшают, опуская при этом в выработку 3 реактор 1, стоящий на упомянутом ледяном массиве. После полного таяния льда реактор 1 становится в свое новое постоянное положение - поз. Iа. Скорость опускания реактора, его наклон относительно вертикальной оси регулируют подачей теплоносителя с помощью задвижек 9. Затем аварийный реактор Iа герметизируют путем наполнения выработки 3 герметиком. Вид и свойства герметика принимают по конкретным условиям применения данного способа, в том числе по фактическим тепловыделениям, наличию и мощности окружающих выработку 3 водоносных горизонтов.

В качестве герметика могут быть использованы: литой бетон (со специальными добавками, понижающими его вязкость), жидкое стекло, различные смолы и мастики. При наличии водоносных горизонтов предпочтение следует отдавать мастикам, состоящим из гидрофобных материалов, например бимута. Для поддержания заданного теплового режима аварийного реактора Iа следует использовать теплообменники 5 и 7 вместе с холодильной машиной 18. Для улучшения охлаждения реактора Iа в герметик целесообразно добавить фибру (мелконарезанную проволоку) из хорошо проводящего материала, например меди, что значительно повысит коэффициент теплопередачи упомянутой мастики.

Захоронение по такому способу экологически опасного объекта практически исключает нахождение в непосредственной близости людей от этого объекта, а следовательно, и вредное на них воздействие.

Кроме того, в результате такого захоронения получается экологически безопасная система. Радиоактивное излучение надежно поглощается землей, толщина которой практически может быть любая, а вредное воздействие на подземные водоносные горизонты ограничивается наличием обделки подземной выработки, применением заобделочной гидроизоляции, преимущественно из глины, создаваемой путем инъекции глиняного раствора в окружающий грунт, а также использованием гидрофобного герметика для заполнения пространства между обделкой выработки и экологически опасным объектом. Захороненный по такому способу объект позволяет организовать надежный контроль и поддержание заданной температуры путем искусственного его охлаждения. При наличии достаточно мощных подземных горизонтов целесообразно температуру обделки выработки снизить до отрицательных температур.

Образующийся при этом вокруг выработки слой замороженного грунта станет дополнительной непроницаемой преградой на пути фильтрации вредных веществ в подземные водоносные горизонты.

Формула изобретения

1. СПОСОБ ЗАХОРОНЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИ ОПАСНЫХ ОБЪЕКТОВ, включающий создание под объектом подземного могильника, перемещение в него экологически опасного объекта и отвод выделяемого объектом тепла, отличающийся тем, что на безопасном от объекта расстоянии выполняют вертикальный ствол и горизонтальные штольни от ствола до центра этого объекта, в штольнях устанавливают источники холода и тепла, грунт основания объекта предварительно закрывают путем бурения наклонных скважин с установкой в них толстостенных обсадных труб и замораживания указанного грунта с помощью источника холода, затем соосно с объектом выше штольни создают подземную выработку, внутренние размеры которой в плане и по высоте больше, чем соответствующие внешние размеры объекта, выработку закрепляют обделкой, внутри которой располагают теплообменники, присоединенные с помощью трубопроводов и запорно-регулирующей арматуры к указанным источникам тепла и холода, герметизируют заобделочное пространство выработки, которую соединяют с помощью скважины с атмосферой, и заполняют внутренний объем выработки водой, с помощью подаваемого в теплообменники хладоносителя с отрицательной температурой замораживают воду, после чего грунт под объектом размораживают, извлекают обсадные трубы из наклонных скважин и бурят до льда по периметру объекта вертикальные скважины, затем прекращают подачу хладоносителя и подают теплоноситель в теплообменники основания выработки, по мере таяния льда и опускания объекта образующуюся при этом воду удаляют, после установки объекта на основание выработки последнюю заполняют гидрофобным герметиком, смешанным с высокотеплопроводным материалом и снова в теплообменники подают хладоноситель.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве высокотеплопроводного материала используют медную фибру.

РИСУНКИ

Рисунок 1