Способ консервации подземного хранилища большого объема с концентрированными солевыми осадками высокоактивных жро

Изобретение относится к области ядерной энергетики и касается вопросов консервации на длительное хранение подземных хранилищ больших объемов с концентрированными солевыми осадками высокоактивных жидких радиоактивных отходов (ЖРО). Для заполнения хранилища бетоном-консервантом в зоне нахождения хранилища понижают грунтовые воды ниже уровня нижней кромки свода хранилища. Затем через насыпной грунт и свод хранилища бурят скважины, в которые устанавливают обсадные трубы. После этого в скважины и штатные технологические отверстия вводят вертикально перемещаемые бетоноводы, с помощью которых в хранилище укладывают радиационностойкий бетон-консервант с радиационной стойкостью не менее 6000 Мрад последовательными слоями с перерывом на каждый последующий слой в 7-10 дней. Конец бетоновода должен быть заглублен в укладываемый бетон на глубину, обеспечивающую непрерывность и качество процесса укладки. Перед укладкой каждого слоя бетона-консерванта проводят откачку имеющихся в хранилище ЖРО в объеме, равном объему укладываемого слоя бетона-консерванта, а толщина укладываемого слоя определяется с учетом результатов теплового расчета на выделение количества тепла в процессе гидратации цемента, при котором температура отвержденного монолита не должна превышать 20-25°. При реализации изобретения обеспечивается надежный иммобилизационный барьер при консервации хранилищ больших объемов высокоактивных ЖРО. 4 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

Изобретение относится к области ядерной энергетики и касается вопросов консервации на длительное хранение подземных хранилищ больших объемов с концентрированными солевыми осадками высокоактивных жидких радиоактивных отходов (ЖРО).

Известен способ создания иммобилизационных барьеров в радиационноопасных отсеках с удаленными ЖРО из атомных подводных лодок (АПЛ) и/или плавучих технических баз атомного технологического обеспечения (АТО) путем заполнения их бетонами-консервантами, локализующими радионуклиды, приведенный в описании патента РФ №2133662.

Однако этот способ не может быть использован при консервации подземных хранилищ больших объемов (далее - хранилищ), из-за возникающих различных технологических и технических трудностей, по причине которых укладка указанных бетонов-консервантов в большие жидкостные объемы хранилищ приведет к расслоению бетонов и, соответственно, резкому снижению их прочностных и сорбирующих свойств.

Известен также из патента РФ №2294571 принятый за прототип способ консервации наземных или заглубленных хранилищ отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) с удаленными ЖРО, включающий непрерывное заполнение открытым и закрытым наливом отсеков хранилища жидкофазными композициями из отверждающих веществ, переводящих оставшиеся высокоактивные фракции в надежную матричную структуру, и создание системы иммобилизационных барьеров. Для заполнения полостей хранилища, имеющих просыпи ОЯТ, в нем используют эпоксиакриловую композицию (ЭАК) с радиационной стойкостью не менее 8000 Мрад, а для заполнения других пространств - бетон-консервант с радиационной стойкостью не менее 6000 Мрад.

Однако высокая стоимость исходных компонентов ЭАК, большая трудоемкость ее приготовления и укладки в больших объемах, а также возникающая при этом токсичная и пожароопасная категория производства в зоне радиационно-опасного объекта делают нецелесообразным использование этого способа для консервации хранилищ больших объемов.

Задачей предлагаемого изобретения является создание экологически- и пожаробезопасной, а также сравнительно недорогой технологии консервации подземных хранилищ, содержащих в своих пространствах большие количества высокоактивных ЖРО (до несколько тысяч м³) и концентрированные солевые осадки. Технический результат, достигаемый при реализации изобретения, состоит в обеспечении надежного иммобилизационного барьера при консервации хранилищ больших объемов высокоактивных ЖРО.

Решение этой задачи достигается в способе, сущность которого выражается в следующей совокупности и последовательности проведения операций (признаков). Для заполнения хранилища бетоном-консервантом в зоне нахождения хранилища понижают грунтовые воды ниже уровня нижней кромки свода хранилища, а затем через насыпной грунт и свод хранилища бурят в нем скважины, в которые устанавливают обсадные трубы. После этого в скважины и штатные технологические отверстия вводят вертикально перемещаемые бетоноводы, с помощью которых в хранилище укладывают радиационностойкий бетон-консервант с радиационной стойкостью не менее 6000 Мрад последовательными слоями с перерывом на каждый последующий слой в 7÷10 дней, причем конец бетоновода должен быть заглублен в укладываемый бетон на глубину, обеспечивающую непрерывность и качество процесса укладки. Перед укладкой каждого слоя бетона-консерванта проводят откачку имеющихся в хранилище ЖРО в объеме, равном объему укладываемого слоя бетона-консерванта, а толщина укладываемого слоя определяется с учетом результатов теплового расчета на выделение количества тепла в процессе гидратации цемента, при котором температура отвержденного монолита не должна превышать 20÷25°. Таким образом, за счет использования указанной совокупности признаков в консервируемом хранилище создается иммобилизационный барьер для локализации радионуклидов.

Процесс гидратации цемента связан с выделением тепла. Общее количество тепла, которое может выделить при реакции гидратации 1 кг цемента, достигает примерно 80-120 Ккал/кг. В 1 м³ гидротехнического бетона содержится от 150 до 300 кг цемента. Таким образом, при обычном бетонировании на воздухе объема в несколько тысяч м³ температура бетона при твердении может достигать значительных величин, что приводит к большим внутренним тепловым напряжениям и вызывает появление трещин в монолите, а это совершенно недопустимо для иммобилизационного барьера. Из теории температурных напряжений в бетонных массивах известно, что уменьшение тепловых перепадов можно достигнуть следующими способами: охлаждением бетонной смеси, уменьшением толщины укладываемых слоев (блоков), назначением оптимальных технологических перерывов в укладке блоков. Исходя из указанных условий предлагается укладка бетона-консерванта в жидкостную среду, так как вода имеет хорошие характеристики по теплопроводности и будет интенсивно отводить тепло от бетонного монолита, при этом температура монолита должна быть в пределах 20-25°С, так как такая температура исключит температурные напряжения монолита. Оптимальная толщина монолита и оптимальные технологические перерывы в укладке блоков определяются из результатов расчетов по определению теплового и термонапряженного состояния блока монолита и необходимой производительности и времени его укладки (П.И.Васильев, Ю.И.Кононов «Температурные напряжения в бетонных массивах», курс лекций, ЛПИ им. Калинина, 1969 г.).

С учетом изложенного предлагается бетон-консервант укладывать слоями определенной толщины с технологическим перерывом 7-10 дней в жидкостную среду емкости хранилища.

В частном случае заявленного способа понижение уровня грунтовых вод осуществляют изолированием зоны нахождения хранилища подземным шпунтовым ограждением на глубину ниже уровня дна хранилища, последующим бурением скважин вдоль периметра этой зоны и установкой в них иглофильтров, подключенных к насосам, после чего производят откачку грунтовых вод.

В другом частном случае в бетон-консервант вводят суперпластификатор С-3, обеспечивающий показатель подвижности осадки конуса бетона-консерванта в пределах 16-18 см.

В третьем частном случае в бетоне-консерванте часть портландцемента заменяют одной из следующих гидравлических добавок:

- трассом или пуццоланой на 40-50%, или

- трепелом на 30-40%, или

- сиштофом на 20-30%.

В еще одном частном случае заявленного способа осуществляют контроль уровней ЖРО и укладываемого бетона-консерванта с помощью поплавковых уровнемеров и телевизионной аппаратуры.

Предложенный способ позволяет обеспечить высокую экологическую безопасность окружающей среды, снизить стоимость консервации хранилища за счет высокой механизации работ, а также сократить дозовые нагрузки на персонал, работающий вне зоны радиационно опасного излучения.

Изобретение поясняется следующими чертежами.

Фиг.1 - вид сверху на подземное хранилище.

Фиг.2 - схема укладки бетона-консерванта по слоям в хранилище (в продольном разрезе).

Фиг.3 - схема укладки бетона-консерванта по слоям в хранилище (в поперечном разрезе), отдельные положения.

На фиг.4 показан выносной узел Б заглубления бетоновода в бетон-консервант при его укладке.

На фиг.5 показан разрез А-А понижения грунтовых вод ниже свода крыши хранилища и его шпунтовое ограждение.

На фиг 6 показан разрез В-В скважин для ввода бетоновода.

Подземное хранилище больших объемов для сбора и хранения высокоактивных солевых жидких радиоактивных отходов (фиг.1 и фиг.2) представляет собой емкость, выполненную из монолитного железобетона, габаритные размеры которого могут быть до нескольких десятков метров, а внутренняя емкость может иметь объем до нескольких тысяч м³. Внутренняя полость емкости хранилища обычно облицовывается металлическим листом Ст3 толщиной около 12 мм (Фиг.2 поз.16).

Такое хранилище, как правило, заглубляется на 4-5 метров от поверхности земли. В целях соблюдения экологической и радиационной безопасности свод хранилища засыпается грунтом до естественного уровня почвы. (Фиг.2 поз.15). Начальный уровень грунтовых вод в местах расположения таких хранилищ обычно не превышает 2 м от поверхности земли. (Фиг.5 поз.10).

В процессе длительного хранения ЖРО (около 50 лет) в таких хранилищах могло произойти расслаивание содержимого емкости (ферроцианидных и хроматных пульп), в результате чего образовались три слоя радиоактивных отходов (РАО):

- на дне емкости образовался плотный слой осадка толщиной b в пределах 0,2÷0,5 м (поз.17 фиг.2 и 3);

- до высоты приблизительно 2÷3 м от плотного слоя осадка находится пульпообразный слой ЖРО;

- над пульпообразным слоем ЖРО до уровня крыши хранилища образовался солевой раствор ЖРО сложного химического состава.

Объемная активность обследованных хранилищ составляет 3,4×10⁸÷12,0×10⁸ Бк/л (от 9 до 34 Ku/м³), а осадка 1,1×10¹⁰÷2,4×10¹⁰ Бк/л. Суммарная активность содержимого емкости может достигать 3,15×10¹⁶ Бк/л (0,85×10⁶Ku).

Заявленный способ консервации таких хранилищ осуществляется в следующей последовательности (см. фиг 1-6). Для защиты наружных поверхностей хранилища от грунтовых вод - главных переносчиков радионуклидов в почвах и горных породах - предлагается использовать подземные шпунтовые ограждения или траншеи, заполненные по всему периметру ограждения и объему бентонитовой глиной.

Понижение уровня грунтовых вод предлагается провести по технологической схеме (фиг.1 и 5) в следующей последовательности: на определенном расстоянии от стенки емкости хранилища по всему периметру на заданную глубину забивается подземное шпунтовое ограждение 7 (фиг.1 и фиг.5 поз.7). Расстояния и глубины подземного шпунтового ограждения выбираются и задаются в зависимости от результатов геологических изысканий и требований строительных норм и правил (СНиП). Также на определенном расстоянии от шпунтового ограждения бурят систему скважин 13 для понижения грунтовых вод и устанавливают в них иглофильтры (фиг.5,), которые подключают к установке понижения уровня грунтовых вод (фиг.1 и фиг.5, поз.9). Производится откачка грунтовых вод до установленного уровня (фиг.5, поз.11). Откачиваемые грунтовые воды сливаются в систему дренажных вод предприятия.

После понижения уровня грунтовых вод до определенного проектом уровня производится бурение системы технологических скважин 3 диаметром d каждой скважины(фиг.1, фиг.6). Шаг скважин выбирается в зависимости от конструкции емкости хранилища и показателя удобоукладываемости бетона-консерванта (подвижность осадки конуса по ГОСТ 10181.0-81). В каждую технологическую скважину 2 устанавливают обсадную трубу 4 с выходом над наружной поверхностью грунта на расстояние d₁ (фиг.6) и защитную пробку (условно не показана). Система технологических скважин определяется в зависимости от площади дна хранилища и свойств удобоукладываемости бетона-консерванта (показателя осадки конуса по ГОСТ 10181.0-81). Бурение технологических скважин производится с использованием типовой бурильной установки.

Затем в обсадные трубы и штатные технологические отверстия устанавливают бетоноводы с возможностью их вертикального перемещения, что обеспечивает послойную укладку бетона-консерванта. Для обеспечения равномерной подачи и качественной укладки бетонного раствора на место укладки в жидкостной среде его консистенция должна быть не жидкой (не расслаиваться под водой), но достаточно текучей (удобоукладываемой). Этому требованию удовлетворяет в большей степени бетон-консервант с подвижностью осадки конуса 16÷18 см.

Перед укладкой каждого слоя бетона-консерванта необходимо провести откачку и переработку (очистку) имеющихся в хранилище ЖРО в объеме, равном объему укладываемого бетона-консерванта.

Откачка и переработка ЖРО до природного фона и допустимого химического состава производится на установке откачки и переработки ЖРО (фиг.1, поз.8). Установка монтируется вблизи зоны хранилища на поверхности земли и соединяется системой трубопроводов с жидкостной средой хранилища через определенные для этого технологические скважины. Установка смонтирована из унифицированных технологических блоков, обеспечивающих следующие операции переработки высокоактивных ЖРО:

- переработка пульпы;

- фильтрация механических примесей;

- сорбирование радионуклидов цезия-137 и стронция-90;

- отделение высококонцентрированного солевого остатка методом обратного осмоса;

- слив очищенных водных остатков в канализацию.

В процессе переработки ЖРО фильтрующие элементы и сорбенты, набравшие большую активность, а также высококонцентрированные солевые остатки, полученные методом обратного осмоса, сбрасываются через технологические отверстия d скважин 2 (фиг.6) в создаваемые иммобилизационные барьеры емкости хранилища, а очищенные водные остатки по согласованию с государственными санитарными и надзорными органами сливаются в канализацию.

Непосредственно порядок и способы укладки бетона-консерванта в емкость хранилища показаны на (фиг.2, фиг.3, фиг.4). Укладка бетона-консерванта производится послойно на величину «а» (фиг.2) с интервалом 7-10 дней до проектной величины «a»×«i», где i - количество слоев укладки бетона-консерванта (фиг.2).

Перед началом процесса укладки бетона-консерванта необходимо над каждой технологической скважиной установить поддерживающее устройство 14 для бетоновода 5 (фиг.2, Фиг.4,), при этом величина высоты заглубления бетоновода d₂ (фиг.4) в бетон-консервант при его укладке по слоям определяется в рабочей технологии укладки иммобилизационного барьера. Через поддерживающие устройства (фиг.3, поз.14) и обсадную трубу (фиг.6 поз.4) необходимо завести бетоноводы и закрепить их в поддерживающих устройствах в соответствии с положением I (фиг.3), каждый бетоновод должен иметь съемные секции 6, количество которых зависит от числа «i» (фиг.2) укладываемых слоев. Нагнетание бетонного раствора в бетоноводы производится от серийно выпускаемых бетононасосов (не показаны).

При укладке бетона-консерванта осуществляется непрерывный контроль его уровня и уровня ЖРО с помощью поплавковых уровнемеров и телеаппаратуры.

По окончании укладки I-го слоя (положение I) бетона-консерванта выдвигают бетоноводы вверх на величину «а» (фиг.2) в положение II (фиг.3) и демонтируют их первые верхние секции 6 и тем самым подготавливают бетоноводы к укладке следующего слоя консерванта.

После технологической выдержки в 7-10 дней, откачки и переработки объема ЖРО, равного объему укладки II-го слоя бетона-консерванта, производится укладка II-го слоя бетона-консерванта с соответствующим вертикальным перемещением бетоноводов и последующим демонтажем вторых секций бетоноводов. Аналогично происходит укладка всех промежуточных и верхнего слоя бетона-консерванта в емкость хранилища (положения II и III, фиг.3).

После укладки верхнего слоя бетона-консерванта (положение III, фиг.3) и его выдержки 7-10 дней производится демонтаж бетоноводов поз.5 и каждая технологическая скважина закрывается крышкой (не показано). Затем производится поочередная консервация скважины с необходимым давлением с помощью манипулятора поз.18 бетононасоса поз.19 (фиг.3).

После консервации технологических скважин хранилище полностью подготовлено к длительному безопасному хранению в подземном положении.

Исследования, проведенные во ФГУП «ЦНИИТС» на стенде-имитаторе показали, что отверждение бетона-консерванта, например, изготовленного по патенту №2117665, с вышеуказанными гидравлическими добавками, уложенного двумя слоями толщиной 500 мм с помощью вертикального бетоновода с вертикальным перемещением и послойной укладкой бетонного раствора в водную среду с интервалом в 7 дней, прошли нормально.

Расслоений массы бетонного раствора при укладке не наблюдалось. Температура от реакции гидратации цемента не поднималась выше 25°С, что обусловило хорошее качество полученного монолита с классом по прочности на сжатие В40, а это удовлетворяет условиям прочности иммобилизационного барьера.

Работы, проведенные ЗАО «НПП Экоатом» (г.Сосновый бор, Ленинградской обл.), по очистке ЖРО на объектах ВМФ, показали, что предлагаемая технологическая последовательность очистки высокоактивных ЖРО является рациональной, так как обеспечивает качество очистки ЖРО и увеличивает рабочий ресурс всех фильтрующих и сорбирующих элементов.

1. Способ консервации подземного хранилища большого объема с концентрированными солевыми осадками высокоактивных ЖРО, при котором заполняют хранилище бетоном-консервантом с радиационной стойкостью не менее 6000 Мрад с использованием штатных технологических отверстий хранилища, отличающийся тем, что понижают грунтовые воды ниже уровня нижней кромки свода хранилища, затем через насыпной слой грунта и свод хранилища бурят скважины, в которые устанавливают обсадные трубы и вводят в них и штатные технологические отверстия вертикально перемещаемые бетоноводы, с помощью которых в хранилище укладывают радиационно стойкий бетон-консервант последовательными слоями с перерывом на каждый последующий слой в 7-10 дней, причем конец бетоновода должен быть заглублен в укладываемый бетон на глубину, обеспечивающую непрерывность процесса укладки, а перед укладкой каждого слоя бетона-консерванта проводят откачку имеющихся в хранилище ЖРО в объеме, равном объему укладываемого слоя бетона-консерванта, при этом толщина укладываемого слоя бетона-консерванта определяется с учетом результатов теплового расчета на выделение количества тепла в процессе гидратации цемента, при котором температура отвержденного монолита не должна превышать 20-25°С.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что понижение уровня грунтовых вод осуществляют изолированием зоны нахождения хранилища подземным шпунтовым ограждением на глубину ниже уровня дна хранилища, последующим бурением скважин вдоль периметра зоны и установки в них иглофильтров, подключенных к насосам, после чего производят откачку грунтовых вод.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в бетон-консервант вводят суперпластификатор С-3, обеспечивающий показатель подвижности осадки конуса бетона-консерванта в пределах 16-18 см.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в бетоне-консерванте часть портландцемента заменяют одной из следующих гидравлических добавок:
трассом или пуццоланой на 40-50%, или
трепелом на 30-40%, или
сиштофом на 20-30%.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что осуществляют контроль уровней ЖРО и укладываемого бетона-консерванта с помощью поплавковых уровнемеров и телевизионной аппаратуры.