Капсула для захоронения радиоактивных отходов

 

Изобретение относится к ядерной энергетике может быть применено в других отраслях промышленности, например, в химической, для вывода из биосферы опасных токсикантов. Изобретение описывает капсулу для захоронения жидких радиоактивных отходов. Капсула представляет собой многослойный корпус, заполненный пористой керамикой с установленным внутри и жестко закрепленным патроном с сорбентом и запорным покрытием над сорбентом, причем на поверхности патрона выполнены отверстия. Капсула пригодна не только для безвозвратного захоронения в глубинных пластах земли радиоактивных отходов, но может быть использована для безопасного хранения в приповерхностных шахтах с естественным воздушным охлаждением. Конструкция капсулы обеспечивает повышение экологической безопасности и снижение затрат на вывод токсикантов широкого состава из биосферы. 2 з.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к ядерной энергетике, а именно к обращению с радиоактивными отходами (РАО), но может быть эффективно использовано и в др. отраслях, например, в химической промышленности для вывода из биосферы особо опасных токсикантов.

Известны устройства для снижения экологической опасности РАО в виде остеклованных композиций, залитых в металлические канистры [1], которые должны непрерывно, в течение сотен лет содержаться в охлаждаемых хранилищах большого объема.

Сооружение хранилищ остеклованных РАО и соответствующее технологическое оборудование отличаются высокой капиталоемкостью при недостаточном уровне экологической безопасности, вследствие возможного разрушения со временем стеклоблоков под действием облучения, стихийных катаклизмов, терроризма и др. форс-мажорных факторов.

Наиболее близким аналогом является многослойная капсула для захоронения жидких радиоактивных отходов, описанная в патенте SU N 1036257, G 21 F 9/32, 1983.

Цель изобретения - повышение надежности капсулы для захоронения РАО, повышение экологической безопасности обращения с отходами и снижение затрат на вывод токсикантов широкого состава из биосферы.

Поставленная цель достигается тем, что капсула для захоронения РАО и др. особо опасных токсикантов содержит корпус и наполнитель, корпус капсулы выполнен многослойным, внутри последнего слоя, заполненного наполнителем из пористой керамики - размещен и жестко закреплен патрон с сорбентом и запорным покрытием над ним, причем по поверхности патрона прорезаны отверстия.

Наполнитель выполнен из пористой керамики (синрок) с пористостью 50-85% и температурой плавления 2000-2800^oC. Внутренний корпус капсулы выполнен из малоуглеродистой стали, а внешний из жаропрочной и жаростойкой стали или сплава, причем на поверхность капсулы нанесено покрытие, толщиной 0,05-0,3 мм из композиций с температурой плавления 2500-3500^oC.

Конструкция капсулы, предназначенной для захоронения РАО, преимущественно, в виде тепловыделяющих растворов представлена на рис. 1, на рис. 2 представлена конструкция патрона, на рис. 3 фото капсулы в разрезе и общий вид.

Внешний диаметр шаровой капсулы может колебаться в широких пределах в зависимости от состава материалов хранения, но преимущества данного устройства в наибольшей степени реализуются при изготовлении капсул, диаметром от 50 до 250 мм, что составляет 50-80% от диаметра типовых обсадных труб буровых скважин, ибо только в этом случае обеспечивается свободное перемещение капсул по стволу к подземной каверне, формирование которой известными приемами ныне технически возможно на глубине до 4-5 км, причем размещение множества капсул в глубинных полостях радикально повышает безопасность хранения токсикантов и не требует дополнительных затрат на обслуживание.

Корпус капсулы, представленной на фиг. 1 выполнен трехслойным, каждый слой выполнен из соединенных между собой полусфер.

Внешний слой (1) толщиной 2-8 мм изготовлен из литого или штампованного жаропрочного и жаростойкого легированного сплава (стали) с температурой плавления более 1650^oC, уд.вес сплава до 9 т/м³, причем соединение полусфер осуществляется сваркой.

Второй слой (2) толщиной 3-5 мм из мягкой стали. Полусферы этого слоя соединяются между собой методом контактной сварки.

Третий слой (3) выполнен также из углеродистой стали (1-2 мм) и образует так называемый "мягкий корпус", внутри которого размещена и жестко закреплена сваркой деталь, называемая "патрон".

Конструкция патрона представлена на фиг. 2. Корпус патрона (4) выполнен из стали, причем в нем имеются отверстия (прорези). Та часть патрона, которая выполнена с отверстиями - заполнена гранулами специального сорбента (7) для улавливания вредных возгонов, образующихся при нагреве и термолизе РАО, например, паров цезия и др. нуклидов с высокой упругостью пара.

Над слоем сорбента размещен слой гранул запорного покрытия (5), например, смесь гранул сплава системы Mn-Cu (припой с температурой плавления 900-950^oC) или для экономии припоя - стальная дробь, покрытая слоем припоя.

Основным узлом капсул является наполнитель 6, изготовленный из пористой керамики, например, из пористого корунда, легированного оксидом циркония, причем наилучшими свойствами обладают спеченные искусственные материалы (синроки), получаемые по специальной технологии окислением прессовок из тонких (10-30 мкм) волокон сплава Al-Zr.

Пористость наполнителя - порядка 50-85%.

Высокая пористость наполнителя обеспечивает интенсивное поглощение (впитывание) раствора РАО и др. токсикантов в количестве до 1,0-1,5 кг/кг массы и самопроизвольное перемещение раствора по микроканалам (фитильный эффект), что является характерной особенностью структуры использованного материала и доказано экспериментально.

Пористость керамики не должна превышать 85% (по соображениям механической прочности), в тоже время при пористости синрока менее 50% снижается объем РАО, который может быть поглощен единичной капсулой и соответственно ухудшается экономика процесса обезвреживания токсикантов. Что касается температуры плавления наполнителя, то, если она меньше 2000^oC, то возрастает опасность разрушения капсул, а, если она больше 2800^oC, то увеличивается ее стоимость.

Последняя деталь, которой снабжают капсулу-воронка для слива раствора РАО и пропитки наполнителя без потерь излучающих материалов.

Воронка (8) выполняется из фольги припоя, толщиной до 0,5 мм, причем через воронку порционно-последовательно заливают растворы РАО (преимущественно нитратные растворы, остающиеся после регенерации отработанного ядерного топлива), упаривают раствор до получения сухого остатка, оседающего в порах керамики и нагревают до температуры полного термолиза сухого остатка с образованием смеси оксидов нуклидов, которые с течением времени под действием тепла радиоактивного распада взаимодействуют с оксидами наполнителя и образуют термически стойкие химические композиции.

В процессе нагрева РАО имеет место сублимация летучих компонентов, например, Cs, Am и др., которые улавливаются гранулами сорбента. По завершению термолиза сухого остатка - температуру нагрева повышают до 900-950^oC, что приводит к расплавлению припоя, воронки и закупориванию патрона-ловушки.

Капсулы изготавливают многослойными для того, чтобы ослабить радиационную опасность при обращении с РАО, а также с целью повышения механической прочности изделий к ударным воздействиям.

Выполнение внешнего корпуса из жаропрочного и жаростойкого материала, например, из сплавов хрома, легированных вольфрамом, а также нанесение на поверхность защитного слоя - обеспечивает сохранение целостности оболочки капсул при высоких температурах в течение длительного времени. Кроме того, легирование вольфрамом снижает интенсивность излучения и соответственно радиационную опасность обращения с капсулами.

Дальнейшее использование капсул массового изготовления предусматривает их перемещение в искусственные, подземные каверны через стволы скважин глубиной до 4-5 км и выдержку ансамбля капсул в течение времени, необходимого для разогрева подстилающих пород до твердо-жидкого состояния, что обеспечивает самопроизвольное, экологически безопасное перемещение массива капсул в глубинные (30-40 км) слои литосферы.

Предлагаемое устройство в виде капсул пригодно не только для безвозвратного захоронения РАО в глубинных пластах, но может быть использовано и для безопасного хранения группы капсул с тепловыделяющими материалами в вертикальных, укрепленных тюбингами стволах приповерхностных шахтах с естественным воздушным охлаждением, что позволяет утилизировать тепло радиоактивного распада, снизить затраты на хранение, повысить его надежность, а также размещать совместно с РАО капсулы, содержащие др. особо опасные токсиканты.

Формула изобретения

1. Капсула для захоронения жидких радиоактивных отходов, содержащая многослойный корпус, отличающаяся тем, что внутри капсулы, заполненной наполнителем из пористой керамики, размешен и жестко закреплен патрон с сорбентом и запорным покрытием над ним, причем по поверхности патрона прорезаны отверстия.

2. Капсула по п.1, отличающаяся тем, что наполнитель выполнен из керамики с пористостью 50-85% и температурой плавления 2000-2800^oС.

3. Капсула по п.1 или 2, отличающаяся тем, что внутренний слой корпуса капсулы выполнен из углеродистой стали, а внешний слой из жаропрочного материала.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2