Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОДГОТОВКИ И ЗАХОРОНЕНИЯ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ (РАО)

Изобретение относится к способам подготовки и захоронения в недрах земли радиоактивных отходов (РАО), образующихся и временно хранимых при эксплуатации и выводе из эксплуатации на предприятиях и объектах атомной энергетики и промышленности, объектах берегового обслуживания атомного подводного и надводного флотов, предприятий добычи и переработки уранового сырья, переработки облученного ядерного топлива, исследовательских и промышленных ядерных реакторов и установок, общепромышленных предприятий и медицинских учреждений, использующих изотопную продукцию, а также предприятий нефтегазодобычи с большим количеством металлооборудования, загрязненного природными радионуклидами (ПРН), выносимыми из недр земли вместе с продуктами добычи.

На основании заявляемого изобретения создается перспектива создания на его основе действующего (их) центра (ов) обращения с РАО, обеспечивающего: централизованный сбор, подготовку-осмотр, ремонт, восстановление и усиление наружной антикоррозионной защиты доставленных упаковок и контейнеров с РАО, перезатаривание ветхих упаковок в новые, дезактивацию возвратных транспортных упаковок и контейнеров, переработку поверхностно загрязненных металлических МРАО с возвратом очищенного (отдезактивированного) металла в хозяйственный оборот и окончательное надежное и эффективное захоронение РАО в объеме отработанных горных и(или) горнорудных карьеров.

Известны способы окончательной изоляции-захоронения радиоактивных отходов РАО в геологических формациях земной коры, в которых естественная или искусственная полость заполняется РАО в различных упаковках или контейнерах, что предполагает изоляцию РАО от окружающей среды на срок потенциальной опасности РАО ~1000 лет, обусловленной естественным распадом большинства радионуклидов в составе РАО, при этом основной упор делается на длительную надежную изоляцию РАО от подземных вод, с которыми радионуклиды РАО могут перемещаться в подземных горизонтах, загрязняя окружающую среду. Поэтому для захоронения РАО используют полости в вечномерзлом грунте, пластах глины, каменной соли, сплошных скальных породах.

Известен аналог - способ переработки радиоактивно загрязненного оборудования в описании изобретения к патенту РФ №2249056, МПК С22В 60/00, С22В 7/00, G21F 9/30, 18.04.2002, опубл. 27.03.2005, включающий дезактивацию в сборе, демонтаж, фрагментацию, сортировку по видам металлов и их активности и дезактивацию фрагментов. После фрагментации отделяют поверхностно загрязненные фрагменты, дезактивации подвергают все фрагменты способами, не изменяющими форму и структуру металлов, и осуществляют их аттестацию на механические и физические изменения, фрагменты, прошедшие аттестацию, подвергают дезактивации способами, не изменяющими форму фрагментов и структуру их металла до уровней ограниченного или неограниченного использования в зависимости от области их дальнейшего применения, и разделяют их на фрагменты для применения по своему прямому назначению или осуществляют их доработку до требуемой номенклатурной продукции, а фрагменты, не прошедшие аттестацию, направляют в виде лома металлических радиоактивных отходов (МРАО) для использования в металлургической промышленности.

Недостатки: способ не может работать автономно в отрыве от оборудованного места изоляции вторичных РАО, которые появляются в ходе его действия: стружка, обрезь фрагментации, отработанные дезрастворы, брак и т.д., поэтому отдаленность места переработки радиоактивно загрязненного оборудования от места захоронения РАО приводит к снижению эффективности переработки МРАО и повышению стоимости.

Известен наиболее близкий аналог - способ захоронения радиоактивных и токсичных отходов в заявке на изобретение РФ №2008110312, МПК G21F 9/24 от 17.03.2008, опубл. 27.09.2009, включающий захоронение отходов в слое глины в местах ее добычи, не только в скважинах, но и в открытых горных выработках или подземных горных выработках, размещение в них контейнеров с радиоактивными отходами с оставлением над ними барьерного целика, заполнение свободного объема тампонажным материалом, в качестве тампонажного материала используют эту же глину, причем контейнеры размещают в центральной части пласта глины на расстоянии 5-10 м от подошвы пласта глины и не более 5-10 м от кровли пласта глины, а между контейнерами укладывают прекрывающий слой глины около 1 м, герметизацию устья скважины.

Недостатки: недостаточно надежна изоляция, высокая стоимость, недостаточно высокая эффективность способа.

Недостаточная надежность изоляции РАО в подземных горных выработках в глине на глубине 5-10 м от подошвы пласта глины до уровня 5-10 м от кровли определяется нарушением монолитности пласта при производстве работ по выемке, установке контейнеров с РАО, тампонированию пустот комковой глиной, гидроизоляционные свойства которой не исключают контакт радионуклидов РАО с подземными водами и их миграцию за пределы захоронения.

Предлагаемое размещение контейнеров с радиоактивными отходами - захоронение не РАО, а контейнеров с РАО с перекрывающим слоем глины 1 м, приводит к низкой эффективности захоронения, высокой стоимости из-за нерационального использования вмещаемого объема захоронения.

Технический результат: повышение надежности длительной изоляции-захоронения РАО, эффективности захоронения РАО, снижение стоимости захоронения.

Технический результат достигается за счет того, что способ подготовки и захоронения радиоактивных отходов РАО, включающий доставку РАО от их производителей к месту захоронения, подготовку доставленных РАО, включая переработку поверхностно загрязненных радионуклидами металлических МРАО, размещение подготовленных РАО в объеме захоронения, окончательную изоляцию от окружающей среды, отличающийся тем, что для эффективного надежного и окончательного захоронения РАО используют открытые горные выработки с завершенным циклом добычи полезных ископаемых - горные или горнорудные карьеры со скальной основой, при которых производят оборудование площадки выгрузки и подготовки РАО к захоронению, пункта переработки МРАО, транспортной сети перемещения РАО в карьер на захоронение, по готовности к работе которых производят доставку РАО от их производителей к месту захоронения без ограничений по происхождению - техногенные, природные радионуклиды ПРН, по активности-низкоактивные НАО, среднеактивные САО, высокоактивные ВАО, по конструкции, материалам, формам, габаритам, времени и условиям предшествующего хранения контейнеров и упаковок РАО большей частью в унифицированных металлических единичных упаковках ЕУ кубической формы, производят подготовку доставленных РАО к захоронению - ремонт упаковок и контейнеров, восстановление их антикоррозионных покрытий, перезатаривание ветхих упаковок в новые, МРАО перерабатывают, удаляя радиоактивные загрязнения комплексной глубокой дезактивацией, в результате которой отдезактивированный и допустимый к неограниченному использованию металл исключается из захоронения и возвращается в хозяйственный оборот, а вторичные РАО переработки компактируют, отверждают, заключают в ЕУ и вместе с подготовленными упаковками перемещают в карьер, в котором дно-основание засыпают привозной глиной, перекрывая все неровности дна, выравнивая и уплотняя слой до ровной горизонтальной площадки, на которой доставляемые РАО, используя конструктивную особенность ЕУ, выстраивают объемными блоками или блоками-контейнерами с обеспечением зазоров между блоками и стенами карьера на высоту, не превышающую расчетную прочность унифицированной ЕУ, после чего зазоры заполняют глиной, дают ей выдержку на осадку, дозаполняют провалы и перекрывают глиной верхний срез блоков РАО и все зазоры, замыкая индивидуальную глиняную изоляцию каждого из собранных блоков первого яруса и формируя площадку-основание второго яруса, на которой продолжают блочно-ярусное заполнение карьера до верхней проектной отметки, после чего незаполненную часть карьера перекрывают глиной, замыкая контур глиняной изоляции заполненного РАО объема, и засыпают грунтом из отвалов вскрышных пород, завершая последний этап в окончательном захоронении РАО и рекультивацию карьера с восстановлением первозданного природного ландшафта.

Повышение надежности длительной изоляции-захоронения РАО достигается за счет:

- использования скальной основы карьера, обладающей высокой механической прочностью, структурной и химической стабильностью, радиационной стойкостью, а для большинства радионуклидов, содержащихся в РАО, вмещающая горная порода действует как геохимический барьер;

- блочно-ярусного способа заполнения РАО, вмещающего объема карьера, заполнения зазоров между ярусами, блоками РАО и стенами карьера, уплотняемой под действием влаги атмосферных осадков и веса верхних слоев заполнения пластичной, буферной, способной к самозалечиванию и сорбции радионуклидов пластовой глиной, что в сочетании со скальной основой карьера создает сеть мощных барьеров распространению радионуклидов РАО за пределы захоронения, обеспечивает устойчивость захоронения при усилении сейсмоактивности и тектонических подвижек;

- захоронения РАО в подготовленных-отремонтированных, перезатаренных в новые упаковки и контейнеры.

Повышение эффективности способа достигается за счет: использования для длительной изоляции-захоронения РАО отработанных горных и(или) горнорудных карьеров, обладающих большой емкостью вмещающего объема, готовой дорожно-транспортной сетью, неограниченным сроком службы, не требующим больших капитальных вложений, т.к. происходит перепрофилирование карьера из объекта добычи полезных ископаемых в объект захоронения РАО, а не сооружается новый объект для захоронения РАО.

Например, стоимость сооружения объектов захоронения РАО:

- ХТРО III гр. Курской АЭС (РФ) - 2500 млн руб.

- Горлебен (Германия) - 3350 млн DM

- Конрад (Германия) - 2735 млн DM

- Юкка Маунтин (США) - 2500 млн $

- центр Онкало (Финляндия) - 3000 млн €.

Заявляемый настоящим способом объект захоронения РАО - отработанный горный (горнорудный) карьер не требует таких огромных капитальных вложений, в разы снижая себестоимость захоронения РАО.

Повышение эффективности способа достигается за счет наличия в составе способа дезактивационной переработки металлических поверхностно загрязненных радионуклидами техногенного и природного происхождения МРАО, отдезактивированных до уровня остаточной радиоактивности, позволяющей их неограниченное использование. Металл возвращается в хозяйственный оборот и исключается из захоронения, не занимая дефицитные и дорогие кубометры объема захоронения, а вторичные РАО переработки заключают в упаковки и захоранивают. Таким образом, переработка МРАО в заявляемом способе становится эффективным компонентом подготовки РАО к захоронению, высвобождая от захоронения металл, пригодный к использованию, и освобождаясь от проблем изоляции - захоронения вторичных РАО.

Известно, что 1 тонна пустотелых (трубы, гибы, отводы…) МРАО занимает объем 3 м³. Это значит, что возврат в хозяйственный оборот одной тонны отдезактивированных МРАО высвобождает (экономит, не занимает) 3 м³ вмещающего объема захоронения по цене 200 тыс. руб./м³. Рыночные цены металлолома нержавеющих сталей АЭС, в зависимости от процентов содержащегося в них никеля, от 50 до 140 тыс. за тонну. Таким образом, экономия от переработки одной тонны МРАО по заявляемому способу при затратах на переработку 30 тыс. руб. за тонну, доходах от реализации и экономии объемов захоронения составит:

Э_{переработки}=Э_{захоронения}-3 м³×200 тыс. руб./м³+реализация - 100 тыс. руб./т-30 тыс. руб. (затраты)=670 тыс. руб./т.

При годовой производительности переработки МРАО АЭС 1000 т, годовой эффект составит: 670 тыс. руб./т×1000 т=670 млн руб.

Для МРАО нефтегазовой поставки, при ценах реализации отдезактивированного металла 4-5 тыс. руб./т, годовой производительности и переработки 4000 т/год, годовой эффект экономии составит:

575 тыс. руб./т×4000 т/год=2300 млн руб.

Суммарный годовой эффект экономии равен:

2300 млн руб.+670 млн руб.=2970 млн руб.

и обеспечивается за счет:

- прямых поставок РАО от предприятий-производителей, минуя стадию и затраты по сооружению и эксплуатации наземных временных хранилищ РАО, особенно в связи с выводом радиационно опасных объектов из эксплуатации, истечением проектного срока службы зданий - хранилищ РАО;

- совмещения последней стадии захоронения РАО и рекультивации карьера засыпкой незаполненной РАО верхней части карьера грунтом из отвалов вскрышных пород, отвалов и хвостохранилищ отходов переработки добытых руд и минералов.

В результате повышения эффективности захоронения РАО уменьшаются затраты поставщиков-производителей РАО при переработке МРАО, подготовке и захоронения РАО без ограничений по происхождению - техногенные, природные радионуклиды ПРН, по активности - низкоактивные НАО, среднеактивные САО, высокоактивные ВАО, по конструкции, материалам, формам, габаритам, времени и условиям предшествующего хранения контейнеров и упаковок РАО.

Снижение стоимости захоронения РАО при использовании заявляемого способа складывается из минимума капитальных затрат, экономии в результате переработке МРАО, сопоставимой по величине с затратами сооружения объектов захоронения РАО.

Проведенный анализ уровня техники показал, что заявленная совокупность существенных признаков, изложенных в формуле изобретения, неизвестна. Установлено, что заявленное техническое решение не следует явным образом из известного уровня техники. Изобретение является новым, имеет изобретательский уровень и промышленно применимо.

Заявляемый способ иллюстрируется чертежами, представленными на:

Фиг.1 - общая схема комплекса подготовки, переработки и захоронения РАО.

Фиг.2 - функционально-транспортная схема комплекса подготовки, переработки и захоронения РАО.

Фиг.3 - общий вид унифицированной металлической единичной упаковки РАО (ЕУ).

Фиг.4 - вид связки верхней на нижней ЕУ с элементами конструкции ЕУ, их обеспечивающими.

Фиг.5 - вид заполнения блоками и блок-контейнерами РАО на n-й площадке-ярусе.

Фиг.6 - схема установки каркаса временной кровли на грузозахватных хвостовиках верхнего ряда единичных упаковок.

Фиг.7 - схема, поясняющая последовательность заполнения и рекультивации карьера-захоронения РАО:

- подготовка дна-основания карьера к заполнению РАО,

- блочное формирование первого яруса и основания второго яруса,

- завершение заполнения объема карьера радиоактивными отходами, перекрытие глиной последнего верхнего яруса и начало рекультивации карьера,

- окончательное захоронение РАО и рекультивация карьера.

Фиг.8 - вид блок-контейнера, собираемого из ЕУ с полостью для размещения РАО в нестандартных упаковках.

Заявляемый способ включает в себя следующее.

Использование открытой горной выработки с завершенным циклом добычи полезных ископаемых - горный или горнорудный карьер 3 со скальной основой, при котором производят оборудование площадки 8 выгрузки и подготовки РАО к захоронению, пункта 2 переработки МРАО, транспортной сети 6, обеспечивающей перемещение подготовленных РАО на захоронение в карьер 3.

Доставку РАО по пути 7 от их производителей-поставщиков к месту захоронения РАО всеми видами транспорта без ограничений: по происхождению - техногенные, природные ПРИ, по активности - низкоактивные НАО, среднеактивные САО, высокоактивные ВАО, по конструкции, материалам, формам, габаритам, времени и условиям предшествующего хранения контейнеров и упаковок РАО, большей частью в унифицированных металлических единичных упаковках ЕУ 12 кубической формы (устройство для хранения твердых радиоактивных отходов по патенту на полезную модель №475643, МПК G21C 19/06, G21F 9/34, 03.02.2005, опубл. 27.08.2005). В возвратных контейнерах и оборудованных вагонах металлические поверхностно загрязненные МРАО, в том числе загрязненные природными радионуклидами ПРН элементы оборудования и трудопроводов газонефтедобычи. Возвратные контейнеры, после выгрузки МРАО направляют по пути 9 на пункт 10 дезактивации, после которой и прохождения поста 11 дозиметрического контроля возвращают поставщикам-производителям РАО под загрузку и доставку очередной партии МРАО.

Подготовку доставленных к захоронению РАО производят на оборудованной площадке 8, где контролируют целостность упаковок и контейнеров, устраняют выявленные дефекты, при необходимости перезатаривают ветхие упаковки в новые, перерабатывают МРАО в пункте 2 с использованием методов, способов и устройств комплексной глубокой дезактивации, возвращая отдезактивированный до уровня радиоактивности, позволяющей его неограниченное использование в РФ, металл через «Вторчермет» или прямыми поставками предприятиям металлургии, исключая 90-95% объема исходных МРАО из захоронения. (Фиг.2), а вторичные РАО переработки - отработанные и отвержденные дезактивирующие растворы, стружка и обрезь фрагментации и др., заключают в ЕУ 12 и направляют в карьер 3 в общем потоке подготовленных РАО на захоронение в карьер (Фиг.2).

Пример осуществления. Захоронение РАО проводят следующим образом: дно карьера укладывают слоем привозной глины 4, который разравнивают и утрамбовывают до ровной горизонтальной площадки Фиг.7, на которой располагают РАО в унифицированных металлических единичных упаковках кубической формы ЕУ 12 (Фиг.3), элементы 13, 14, 15 (Фиг.4), которые позволяют дистанционно с использованием грузоподъемных механизмов набирать и выстраивать объемные блоки 5 практически 100% заполнения, используя эффект самоэкранирования выстраивать из «контактных» ЕУ 12 с низкоактивными РАО наружный защитный периметр блоков-контейнеров 16, 17, 20, внутренний объем которых заполняют «дистанционными» ЕУ 12 с РАО более высокой активности, высвобождая и возвращая транспортные контейнеры поставщикам РАО для повторного использования, замещая их радиационную защиту защитой собранного из ЕУ 12 периметра блока (Фиг.8), цельными крупногабаритными и длинномерными РАО, упаковками РАО других конструкций и материалов, и омоноличивают, заполняя зазоры и пустоты подходящим твердеющим материалом - бетоном, бентонитом, жидким стеклом, парафинобитумом и т.д. Блоки и блоки-контейнеры 5 выстраивают на высоту, не превышающую расчетную прочность ЕУ ~10 м.п., длину, ширину и количество определяют свободным пространством в данной точке ярусной площадки. Верхний ряд 19 единичных упаковок 12, собранных в блоки, стягивают и фиксируют сваркой, или любым другим способом, а верхний торец-крышу блока проливают разогретой парафинобитумной смесью (отходы переработки нефтегазовых МРАО) для защиты объема блоков от атмосферных осадков, перенаправляя их за пределы блоков в зазоры и перекрытия, заполненные глиной 4, способствуя ее усадке, превращению из комковой в пластовую. Над блоками в стадии сборки с той же целью устанавливают временную легко собираемую кровлю 18 (Фиг.6). Зазоры между блоками и стенами карьера заполняют глиной 4, дают ей выдержку на осадку, дозаполняют провалы и перекрывают глиной верхний срез блоков РАО и все зазоры (Фиг.7), формируя площадку-основание второго яруса и замыкая глиняную изоляцию блоков РАО первого яруса (Фиг.7). Такое блочно-ярусное заполнение карьера 3 ведут от дна до верхней проектной отметки, после чего незаполненную часть карьера перекрывают глиной 4, замыкая контур глиняной изоляции заполненного РАО объема, и заполняют грунтом из отвалов вскрышных пород 1, совмещая рекультивацию карьера и завершая последний этап захоронения РАО (Фиг.7).

Использование заявляемого изобретения позволит повысить надежность длительной изоляции-захоронения РАО, эффективность захоронения РАО, снизить стоимость захоронения.