Результат интеллектуальной деятельности: Способ глубинного захоронения облученного графита уран-графитовых ядерных реакторов

Изобретение относится к способам обращения с радиоактивными отходами и может быть использовано для утилизации облученного графита при выводе из эксплуатации уран-графитового ядерного реактора.

Известен способ изоляции твердых радиоактивных отходов от окружающей среды [RU 2497607 C1, МПК B09B3/00 (2006.01), опубл. 10.11.2013], выбранный в качестве аналога, заключающийся в том, что предварительно подготовленные отходы в виде суспензии pH 6…8, состоящей из твердых бытовых отходов, буровых отходов, бытовых и сточных вод, инициирующей добавки, периодически закачивают в существующие, не менее одной, нагнетательной скважины газовых, газоконденсатных и нефтяных месторождений, по которым достигнут конечный коэффициент извлечения пластовых флюидов. Закачку производят под давлением, не превышающим давления гидроразрыва пласта.

Известный способ имеет следующие недостатки:

- существует вероятность распространения закачиваемых в скважину отходов, вследствие отсутствия гидроизоляционного барьера или добавки, обеспечивающей их надежную изоляцию;

- не предусмотрена система контроля состояния скважины после захоронения отходов;

- ограниченность в использовании вследствие обязательной закачки отходов в скважины, в которых достигнут конечный коэффициент извлечения пластовых флюидов.

Известен способ захоронения жидких радиоактивных отходов [RU 2307412 C2, МПК G21F9/24 (2006.01), опубл. 27.09.2007], выбранный в качестве аналога. По указанному способу проводят предварительную подготовку пласта-коллектора путем нагнетания в него азотной кислоты в количестве, достаточном для нейтрализации карбонатов, содержащихся в грунте, взаимодействующем с отходами. Закачку азотной кислоты проводят до достижения pH межпоровой жидкости 1–1,5. Жидкие радиоактивные отходы, содержащие гидроизолирующие примеси, захоранивают в подготовленном пласте-коллекторе вместе с раствором азотной кислоты с pH 1–1,5.

Указанный способ имеет следующие недостатки:

- необходимость поддержания в пласте-коллекторе pH в диапазоне 1–1,5, что существенно увеличивает время процесса захоронения отходов;

- не предусмотрена система контроля состояния скважины после захоронения отходов.

Известен способ захоронения пульпообразных буровых отходов при разработке месторождений скважинными системами [RU 2196884 C2, МПК E21B43/22, G21F9/24 (2006.01), опубл. 20.01.2003], выбранный в качестве прототипа. По указанному способу отходы, предназначенные для захоронения, предварительно подготавливают к глубинному захоронению. В выбранном месте осуществляют гидроразрыв пласта в открытом стволе скважины в подбашмачной зоне обсадных труб после вскрытия этих зон бурением. Гидроразрыв ведут с использованием пульпопроводящей колонны труб, опущенной до зоны гидроразрыва пласта. Для гидроразрыва в качестве жидкости используют указанные отходы в ожиженном состоянии, которые подают в трещины, располагаемые ниже нефтяных и газовых залежей. Захоронение ведут рассредоточено по скважинам и равномерно по площади месторождения.

Указанный способ имеет следующие недостатки:

- существует вероятность распространения закачиваемых в скважину отходов, вследствие отсутствия гидроизоляционного барьера или добавки, обеспечивающей их надежную изоляцию;

- не предусмотрена система контроля состояния скважины после захоронения отходов.

Задачей изобретения является разработка способа глубинного захоронения облученного графита уран-графитовых ядерных реакторов в геологических формациях, обеспечивающего его долговременную изоляцию.

Поставленная задача решается за счет того, что радиоактивные графитовые отходы, также как и в прототипе, предварительно подготавливают к глубинному захоронению. Проводят гидроразрыв пласта с использованием указанных отходов в ожиженном состоянии, которые попадают в трещины. Согласно предлагаемому изобретению для глубинного захоронения облученного графита уран-графитовых ядерных реакторов выбирают тектонически устойчивые участки земной коры, сложенные осадочными породами. В выбранных участках земной коры бурят скважину на глубину до 3500 м и одновременно проводят обсадку и цементаж затрубного пространства. В нижней части ствола скважины выполняют перфорацию. Область перфорации отсекают пакером. Облученный графит извлекают из графитовой кладки уран-графитового реактора, измельчают механическим способом до образования графитовых частиц размером менее 0,05 мм. Подготавливают смесь размельченного графита (до 250 г/л), бентонита (до 100 г/л) и пропанта (до 20 г/л) в воде. Выполняют гидроразрыв пласта с использованием смеси геля для гидроразрыва пласта (ГРП) с пропантом с концентрацией не менее 50 г/л. Не снижая давления, в скважину подают расчетное количество графит-бентонитовой смеси с пропантом. После заполнения пласта используемый участок скважины изолировали путем установки цементного стакана с расчетным количеством цемента. Последующие операции выполняют подъемом участков гидроразрыва вверх по скважине до глубины 1000 м. Для контроля состояния глубинного захоронения создают наблюдательную скважину на расстоянии 50–70 м от нагнетательной.

Положительный эффект достигается за счет того, что для утилизации облученного графита уран-графитовых ядерных реакторов проводят его предварительное измельчение, а затем смешивают с водой и природным барьерным материалом, обеспечивающим надёжную изоляцию радионуклидов. Образующиеся ожиженные радиоактивные отходы под высоким давлением инжектируют в образованные методом гидроразрыва пласта полости, расположенные ниже водоносных горизонтов. Закачку глиняного раствора, содержащего облученный графит, ведут до полного заполнения пласта. Затем используемую область скважины цементируют и повторяют последовательность операций в вышележащих пластах до достижения водоносных горизонтов. Долговременная изоляция графитовых радиоактивных отходов обеспечивается путем использования природного глиносодержащего барьерного материала – бентонита - обладающего противофильтрационными и противомиграционными свойствами, нагнетаемого в смеси с облученными графитовыми отходами на глубину ниже водоносных горизонтов.

На фиг. 1 представлена схема глубинного захоронения облученного графита уран-графитовых ядерных реакторов.

На фиг. 2 показан внешний вид глубинного захоронения ожиженных графитовых радиоактивных отходов.

Для глубинного захоронения облученного ядерного графита в виде раствора, содержащего барьерный материал, используют нагнетательную скважину 1 (фиг. 1), пробуренную в геологических формациях 2, устойчивых к тектоническим воздействиям. Закачка ожиженных радиоактивных отходов 3, содержащих облученный ядерный графит, проводится через перфорированную трубу 4 в участки земной коры, в которых был проведен гидроразрыв пласта ниже уровня водоносных горизонтов 5.

Выполнение способа захоронения облученного графита уран-графитовых ядерных реакторов поясняется следующим примером.

Известны тектонически устойчивые участки земной коры 2, сложенные осадочными породами 5, расположенные вдали от краев платформы. По указанному способу выбуривали скважину 1 глубиной до 3500 м и одновременно проводили ее обсадку с цементажом затрубного пространства. В нижней части ствола скважины выполняли перфорацию 4, диаметр отверстий при этом выбирали, исходя из размеров скважины, но не менее 1 см. После проведения операции область перфорации отсекали пакером.

Облученный ядерный графит уран-графитовых реакторов, служащий замедлителем нейтронов, извлекали из кладки реактора и проводили его паспортизацию. Выбранные графитовые элементы, представляющие собой графитовые блоки и графитовые кольца (втулки), измельчали с помощью механической дробилки до образования частиц размером не менее 0,05 мм. Измельченный графит концентрацией 250 г/л смешивали с бентонитом концентрацией 100 г/л, пропантом концентрацией 20 г/л и водой.

В подготовленной скважине 1 проводили гидроразрыв пласта путем нагнетания смеси геля ГРП с пропантом 3 под давлением 20–70 Мпа. В результате гидроразрыва пласта в земной коре образовывались трещины длиной до 707,8 м, шириной до 3,8 см, высотой до 50 м, которые заполнялись ожиженным графитовыми радиоактивными отходами 3.

После заполнения свободного объема в пласте ожиженными радиоактивными отходами 3, содержащими облученный графит, используемый участок скважины консервировали с помощью гидроизоляционного цемента 6 (фиг. 2). Повторно проводили гидроразрыв пласта на расстоянии 150–400 м от первого участка глубинного захоронения радиоактивных отходов и повторяли последовательность операций до достижения глубины 1000 м от поверхности земли.

По окончании нагнетания ожиженных радиоактивных отходов на расстоянии 50–70 м от нагнетательной скважины пробуривается наблюдательная скважина на ту же глубину. Контроль за состоянием барьеров безопасности и миграцией радионуклидов осуществляли методом гамма-каротажа через наблюдательную скважину.

Таким образом, реализация настоящего изобретения дает возможность проводить утилизацию облученного ядерного графита путем надежной изоляции в тектонически устойчивых пластах земной коры с использованием геологически совместимого со средой барьерного материала без его дополнительной переработки.