СПОСОБ КОНТРОЛЯ УПЛОТНЕНИЯ СЫПУЧЕГО МАТЕРИАЛА ПРИ СОЗДАНИИ БАРЬЕРОВ БЕЗОПАСНОСТИ В ПУНКТЕ РАЗМЕЩЕНИЯ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ
METHOD OF CONTROLLING BULK MATERIAL SEAL WHEN CREATING SAFETY BARRIERS AT A RADIOACTIVE WASTES DISPOSAL STATION

Изобретение относится к технологии исследования прочностных свойств твердых материалов путем приложения повторяющихся или пульсирующих усилий и может быть использовано для определения областей образования пустот и величины плотности глиносодержащего барьерного материала при создании барьеров безопасности в пунктах размещения радиоактивных отходов, а также при выводе из эксплуатации уран-графитового реактора.
Известен способ определения плотности геологических формаций и устройство для его осуществления [US 5608215, МПК G01V 5/10, G01V 5/00, G01V 005/10, опубл. 04.03.1997], выбранный в качестве аналога. По указанному способу геологические формации облучают потоком быстрых нейтронов через скважину. В качестве источника излучения используют импульсный генератор нейтронов. Регистрируют гамма-излучение, испускаемое ядрами атомов кислорода за счет неупругого рассеяния нейтронов. Анализируют регистрируемый гамма-спектр и по калибровочным зависимостям определяют концентрацию атомов кислорода. По концентрации атомов кислорода судят о плотности геологических формаций.
Недостатки этого способа:
- очень низкая точность определения мест образования полостей (областей пониженной плотности), что обусловлено генерацией быстрых нейтронов по всей области зондирования;
- высокая погрешность измерений плотности, поскольку регистрируется гамма-излучение, испускаемое ядрами атомов кислорода, которые входят в состав не только воздуха, но и воды;
- необходимость выбуривания скважины для размещения в ней каротажного зонда.
Известен способ контроля качества уплотнения неоднородного глинистого грунта [RU 2010083, МПК Е02В 1/00, опубл. 30.03.1994], выбранный в качестве аналога. По указанному способу перед определением плотности и степени уплотнения определяют нижний предел пластичности и плотность частиц грунта. Между степенью уплотнения и относительной влажностью грунта устанавливают корреляционную связь. По формуле рассчитывают относительную влажность грунта. По корреляционной связи между степенью уплотнения и относительной влажностью грунта находят степень уплотнения.
Недостатки этого способа:
- сложность определения плотности сыпучих глинистых грунтов вследствие изменения физических свойств при отборе проб, что накладывает ограничения на область применения способа;
- необходимость пробоотбора глинистого грунта для определения его влажности приводит к изменению плотности материала в окрестностях места отбора, что снижает точность нахождения величины степени уплотнения.
Известен способ лабораторного определения максимальной плотности грунта и устройство для его осуществления [RU 2328718, МПК G01N 3/32, опубл. 10.07.2008], выбранный в качестве прототипа. По указанному способу собирают контейнер, состоящий из поддона, разъемного кольца и стяжного хомута, устанавливают его на жесткое неподвижное основание, загружают в него слой подготовленного к испытанию увлажненного образца грунта и устанавливают на него наковальню. Устанавливают на наковальню направляющий стержень с подвижным тарированным грузом. Путем попеременного поднятия груза на заданную высоту и сбрасывания на наковальню уплотняют этот слой образца грунта. После его уплотнения демонтируют направляющий стержень с грузом и наковальней, укладывают в разъемное кольцо следующий слой образца грунта, снова устанавливают на образец грунта наковальню и стержень с грузом и повторяют все операции до полного уплотнения образца. Образец состоит из трех слоев с заданным количеством повторений всех операций с образцами-аналогами, уплотняемыми с постепенно повышаемой влажностью. После их обработки по необходимому количеству образцов устанавливают зависимость плотности скелета грунта от влажности. По графику этой зависимости определяют максимальную плотность скелета грунта и оптимальную влажность, при которой достигнута максимальная плотность. Для концентрации направляющего стержня и его демонтажа вместе с грузом и наковальней используют смонтированные на жестком основании вертикальные направляющие. Указанный способ имеет недостатки:
- для определения плотности материала требуется проводить отбор пробы грунта, что приводит к увеличению времени ведения процесса и ограничивает применимость способа;
- определение максимальной плотности грунта занимает длительное время и возможно только при полном уплотнении образца, что достигается при многократном повторении операции подъема и сбрасывании груза;
Техническим результатом изобретения является сокращение времени определения уплотнения сыпучего глиносодержащего барьерного материала без нарушения его целостности, а также увеличение точности проводимых измерений.
Предложенный способ включает сбор устройства для определения плотности сыпучего материала при создании барьеров безопасности, установку его на жесткое неподвижное основание, установку плиты динамического нагружения на поверхность отобранного барьерного материала и направляющих с подвижным тарированным грузом, уплотнение слоя барьерного материала путем попеременного поднятия груза на заданную высоту и сбрасывания на плиту динамического нагружения, повторение операций, установление зависимости плотности материала от динамических параметров установки. Согласно изобретению для контроля уплотнения сыпучего барьерного материала при создании барьеров безопасности в пункте размещения радиоактивных отходов собирают устройство, состоящее из штанги подвески, нагрузочного устройства с подвижным тарированным грузом, плиты динамического нагружения, электронного блока, электропривода и блока управления. Указанное устройство устанавливают на поверхность создаваемого барьера безопасности из сыпучего материала таким образом, чтобы нижняя часть плиты динамического нагружения находилась в плоскости, параллельной плоскости поверхности барьера. Подвижный тарированный груз нагрузочного устройства с помощью электропривода поднимают на заданную высоту и сбрасывают на плиту динамического нагружения. При ударе подвижного тарированного груза измеряют силу удара и ускорение плиты динамического нагружения. Определяют плотность сыпучего барьерного материала по корреляционным зависимостям между динамическими параметрами установки и плотностью материала. Повторяют последовательность операций на протяжении всего процесса создания барьеров безопасности в различных областях пункта размещения радиоактивных отходов. Определяют уплотнение сыпучего барьерного материала. При отклонении величины средней плотности от допустимого значения проводят радиационное обследование участка для выявления местонахождения области с недостаточным уплотнением.
Технический результат достигают за счет того, что для определения плотности сыпучего материала при создании барьеров безопасности устройство, состоящее из штанги подвески, нагрузочного устройства с подвижным тарированным грузом, плиты динамического нагружения, электронного блока, электропривода и блока управления, собирают непосредственно в пункте размещения радиоактивных отходов. Указанное устройство устанавливают на поверхности создаваемого барьера безопасности без нарушения его целостности и изменения состояния. Путем локального ударного воздействия на поверхность барьеров безопасности, состоящих из сыпучего материала, измеряют силу удара подвижного тарированного груза о плиту динамического нагружения и возникающее у нее ускорение с помощью встроенных тензометрических датчиков и акселерометра. Для определения насыпной плотности используют корреляционные зависимости между силой удара, перемещением плиты динамического нагружения, модулем упругости и плотностью, которые предварительно получают в лабораторных экспериментах. Уплотнение сыпучего материала определяют путем измерения динамических параметров установки и расчета плотности на каждом этапе создания барьеров безопасности. При выявлении недостаточно уплотненного участка проводят его радиационное зондирование путем регистрации ионизирующего излучения от пункта размещения радиоактивных отходов. По изменению интенсивности ионизирующего излучения определяют области, требующие дополнительного уплотнения.
На фиг. 1 показана схема определения плотности сыпучего материала при создании барьеров безопасности.
На фиг. 2 приведена схема обнаружения недостаточно уплотненного участка барьерного материала.
Сыпучий глиносодержащий барьерный материал 1 нагнетают внутрь пункта размещения радиоактивных отходов 2 по перфорируемому каналу 3, например, с применением способов по патентам RU 2625329 С1 или RU 2534228 C1 (фиг. 1). Устройство, состоящее из штанги подвески 4, нагрузочного устройства с подвижным тарированным грузом 5, плиты динамического нагружения 6, электропривода 7, электронного блока 8, и блока управления 9, установлено на поверхность глиносодержащего барьерного материала 1. Дозиметр-радиометр 10 размещен напротив недостаточно уплотненного участка 11 сыпучего глиносодержащего барьерного материала 1 с противоположной стороны от источника ионизирующего излучения 12 (фиг. 2).
Способ осуществляется следующим образом.
Сыпучий глиносодержащий барьерный материал 1 нагнетают по перфорируемому каналу 3 внутрь пункта размещения радиоактивных отходов 2. На поверхности сыпучего глиносодержащего барьерного материала 1 собирают устройство для контроля уплотнения, состоящее из штанги подвески 4, нагрузочного устройства с подвижным тарированным грузом 5, плиты динамического нагружения 6, электропривода 7, электронного блока 8, и блока управления 9. Указанное устройство устанавливают на поверхность барьера безопасности, состоящего из сыпучего глиносодержащего барьерного материала 1, таким образом, чтобы нижняя часть плиты динамического нагружения 6 находилась в плоскости, параллельной плоскости поверхности барьера.
Нагрузочное устройство с подвижным тарированным грузом 5 с помощью электропривода 7 поднимают на заданную высоту, где оно удерживается электромагнитами. Путем обесточивания электромагнитов, расположенных в верхней части электропривода 7, нагрузочное устройство с подвижным тарированным грузом 5 сбрасывают на плиту динамического нагружения 6. Путем локального ударного воздействия на поверхность сыпучего глиносодержащего барьерного материала 1 измеряют силу удара нагрузочного устройства с подвижным тарированным грузом 5 о плиту динамического нагружения 6 и возникающее у нее ускорение с помощью встроенных тензометрических датчиков и акселерометра, данные с которых передают на электронный блок 8, связанный с блоком управления 9. По корреляционным зависимостям между динамическими параметрами установки и плотностью сыпучего глиносодержащего барьерного материала 1 определяют его плотность в области плиты динамического нагружения 6. Корреляционные зависимости между силой удара, перемещением плиты динамического нагружения, модулем упругости и плотностью получают экспериментально в лабораторных условиях. Последовательность операций повторяют на протяжении всего процесса создания барьеров безопасности на основе сыпучего глиносодержащего барьерного материала 1 в различных областях пункта размещения радиоактивных отходов 2.
При выявлении участка сыпучего глиносодержащего барьерного материала 1, значение величины плотности которого отклоняется от средней величины плотности сыпучего глиносодержащего барьерного материала 1 в пункте размещения радиоактивных отходов 2, проводят радиационное обследование данного участка. Для этого используют дозиметр-радиометр 10 или аналогичный дозиметрический прибор, который размещают напротив недостаточно уплотненного участка 11 сыпучего глиносодержащего барьерного материала 1 с противоположной стороны от источника ионизирующего излучения 12 (фиг. 2). Путем перемещения дозиметра-радиометра 10 в горизонтальном и вертикальном направлении по ослаблению интенсивности ионизирующего излучения определяют границу недостаточно уплотненного участка 11 сыпучего глиносодержащего барьерного материала 1. При необходимости проводят дополнительное уплотнение участка.
Пример осуществления изобретения приведен ниже.
3
3
3
При создании искусственных барьеров безопасности в пункте размещения радиоактивных отходов 2 использовали сыпучий глиносодержащий барьерный материал 1, содержащий от 18 до 28% масс. илистой фракции и от 34 до 50% масс. тонкопылеватой фракции. Значительная часть породы состояла из тонкодисперсного материала катионобменной емкостью больше 30 мг-экв./100 г породы. Выбранный сыпучий глиносодержащий барьерный материал являлся приемлемым для использования только при насыпной плотности более ~0,9 г/см при влажности (16-26%), что обеспечивало надежную изоляцию источника ионизирующего излучения 12, находящегося в пункте размещения радиоактивных отходов 2, на весь период его потенциальной опасности. Предварительно в лабораторных условиях определяли зависимость плотности указанного сыпучего глиносодержащего барьерного материала 1 от модуля упругости, силы удара нагрузочного устройства с подвижным тарированным грузом 5 о плиту динамического нагружения 6 и величины перемещения самой плиты динамического нагружения 6. Определено, что величине насыпной плотности 0,9 г/см соответствует величина модуля упругости ~5 Н/см, силы удара ~2080 Н и среднего перемещения плиты ~2453 мкм. Аналогичные корреляционные зависимости были построены для широкого диапазона величины насыпной плотности сыпучего глиносодержащего барьерного материала 1.
В процессе заполнения пустот в пункте размещения графитовых и металлических радиоактивных отходов 2 при выводе из эксплуатации уран-графитовых реакторов, приреакторных хранилищ и прочих ядерно- и радиационно опасных объектов сыпучим глиносодержащим барьерным материалом 1 на внешней поверхности создаваемого искусственного барьера собирали устройство для контроля уплотнения. Указанное устройство состояло из штанги подвеса 4 длиной 870 мм, нагрузочного устройства с подвижным тарированным грузом 5 массой 16 кг и диаметром 200 мм, плиты динамического нагружения 6 диаметром 200 мм, электропривода 7, электронного блока 8 для преобразования сигнала, и блока управления 9. Указанное устройство устанавливали на внешнюю поверхность создаваемого искусственного барьера безопасности таким образом, чтобы нижняя часть плиты динамического нагружения 6 находилась в плоскости, параллельной плоскости поверхности барьера.
3
3
С помощью электропривода 7 нагрузочное устройство с подвижным тарированным грузом 5 поднимали на высоту 850 мм, где оно удерживалось электромагнитами. При подаче сигнала с блока управления 9 происходило обесточивание электромагнита. Нагрузочное устройство с подвижным тарированным грузом 5 сбрасывали на плиту динамического нагружения 6. Путем локального ударного воздействия на поверхность сыпучего глиносодержащего барьерного материала 1 измеряли силу удара нагрузочного устройства с подвижным тарированным грузом 5 о плиту динамического нагружения 6 и возникающее у нее ускорение с помощью встроенных тензометрических датчиков и акселерометра, данные с которых передавали на электронный блок 8, связанный с блоком управления 9. Для получения более точных данных операции повторяли. По заранее полученным корреляционным зависимостям определяли плотность сыпучего глиносодержащего барьерного материала 1 в области плиты динамического нагружения 6. В первой серии измерений величина модуля упругости изменялась в диапазоне (5-34) Н/см, силы удара - (2100-2180) Н и среднего перемещения плиты - (2455-2570) мкм. Было определено, что плотность сыпучего глиносодержащего барьерного материала 1 в области плиты динамического нагружения 6 составляла более 0,9 г/см.
3
Во второй серии измерений, проводимых в области, расположенной на расстоянии 2 м от описанной выше, было определено, что модуль упругости составлял 4 Н/см, сила удара - 2000 Н и среднее перемещение плиты -2415 мкм. Проводили радиационное обследование выявленного участка сыпучего глиносодержащего барьерного материала 1 с недостаточным уплотнением. Для этого использовали дозиметр-радиометр 10 ДКС-96. Указанный дозиметр-радиометр ДКС-96 размещали напротив недостаточно уплотненного участка 11 сыпучего глиносодержащего барьерного материала 1 с противоположной стороны от источника ионизирующего излучения 12. Сканировали недостаточно уплотненный участок 11 с шагом 10 см путем перемещения дозиметра-радиометра 10 в горизонтальном и вертикальном направлении. По увеличению величины мощности эквивалентной дозы гамма-излучения определяли границу недостаточно уплотненного участка 11 сыпучего глиносодержащего барьерного материала 1.
Предлагаемый способ позволяет сократить время определения уплотнения за счет исключения этапа подготовки сыпучего глиносодержащего барьерного материала к измерениям и создания дополнительных скважин и проходок, что дополнительно обеспечивает целостность барьеров безопасности. Точность проводимых измерений увеличивается за счет одновременного определения модуля упругости барьерного материла, силы удара нагрузочного устройства с подвижным тарированным грузом о плиту динамического нагружения и величины перемещения данной плиты, а также за счет дополнительного радиационного обследования некоторых участков барьера безопасности.