РАДИОИЗОТОПНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОГРУЖЕНИЯ В ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ФОРМАЦИИ ЗЕМНОЙ КОРЫ.
RADIOISOTOPE DEVICE FOR IMMERSION INTO GEOLOGICAL FORMATIONS OF THE EARTH'S CRUST

Изобретение относится к техническим средствам погружения в глубокие пласты коры планет солнечной системы,  а более конкретно  в геологические формации земной коры, и может использоваться для захоронения радиоактивных отходов (РАО) в глубинных слоях литосферы и исследования строения, состава и структуры формаций земной коры.
Известные в настоящее время методы погружения в породах земной коры основаны на использовании тепловыделяющих элементов или контейнеров, содержащих радиоактивные изотопы. При погружении таких устройств происходит расплавление горных пород за счет интенсивного тепловыделения, сопровождающего радиоактивный распад нуклидов, заполняющих герметичный корпус (оболочку) тепловыделяющих элементов. Погружение контейнера с капсулами РАО в расплавляемых геологических породах происходит под действием собственного веса. В процессе перемещения устройства осуществляется дальнейшее проплавление геологических пород. При реализации данного метода возникают технические проблемы, связанные с использованием тепловой энергии, выделяющейся в процессе радиоактивного распада нуклидов, для нагрева зоны геологических пород, находящейся под нижней поверхностью устройства. Вместе с тем необходимо обеспечить минимальные градиенты температур в элементах конструкции устройства и минимальный уровень температуры в полости контейнера и тепловыделяющих элементов, при котором стабильно поддерживается процесс плавления геологических пород, контактирующих с внешней поверхностью устройства. Выполнение данных условий обуславливает обеспечение требуемых прочностных характеристик и герметичности элементов конструкции устройства в течение длительного погружения в расплавляемых геологических породах.
В авторском свидетельстве SU 826875 A1 (опубликовано 30.04.1992) описан процесс погружения в расплавляемых горных породах контейнера, заполненного подлежащими захоронению РАО. Согласно данному способу нуклиды, обладающие высоким уровнем активности, помещают во внутренний объем герметичного контейнера. Корпус контейнера выполняется из тугоплавкого материала, температура плавления которого превышает 2300°С. За счет тепловыделения при радиоактивном распаде нуклидов температура поверхности корпуса контейнера должна поддерживаться в диапазоне от 1900°С до 2100°С. Контейнер погружается в расплавляемых геологических породах под действием силы тяжести. Для этого средняя плотность устройства должна превышать плотность пород, расположенных под контейнером. Глубина погружения устройства в слои литосферы может быть более 30 км. В этом случае захоронение РАО происходит в подвижной части мантии Земли.
Способ захоронения РАО, основанный на методе погружения тепловыделяющего контейнера в расплавляемых породах, раскрыт в патенте RU 2152093 С1 (опубликован 27.06.2000). Способ включает бурение скважины и формирование в канале скважины полости-каверны диаметром до 6 м. Глубина массива каменной соли, в котором осуществляется бурение скважины, выбирается от 1 до 10 км. В полости-каверне создают вязкую среду путем закачивания растворителя каменной соли. После этого полость заполняют контейнерами (капсулами), содержащими РАО высокого и среднего уровня активности. Контейнеры погружаются в расплаве горных пород при интенсивном нагреве окружающей среды вследствие радиоактивного распада нуклидов. Каждый контейнер содержит прочную герметичную оболочку, выполненную из тугоплавкого и термостойкого материала. Оболочка имеет многослойную структуру с коррозионностойкими слоями. Корпус контейнеров может иметь сферическую либо несферическую форму с многосвязной поверхностью. Внешний диаметр сферических контейнеров составляет от 200 до 300 мм. Контейнеры заполняется РАО высокого и среднего уровня активности. Тепловыделение каждой капсулы составляет ~1 кВт, что соответствует активности радионуклидов 150÷200 Ки.
Погружение устройства в расплавляемых горных породах происходит при выполнении следующих условий: средняя плотность контейнера с РАО должна превышать плотность горных пород, расположенных под контейнером; температура плавления тугоплавкого материала, из которого выполнен корпус, должна превышать температуру плавления горных пород. Градиент температуры между поверхностью корпуса контейнера и вязкой средой (раствором каменной соли) необходимо поддерживать в диапазоне от 3°С до 10°С. При реализации способа контейнеры могут погружаться с начальной глубины 1÷1,5 км на глубину 5 км в течение одного года.
Устройство для погружения в расплавляемых горных породах, описанное в патенте RU 2137233 C1 (опубликован 10.09.1999), выполнено в виде контейнера (капсулы) в форме шара. Внешний диаметр корпуса контейнера может выбираться в широком диапазоне в зависимости от состава материалов, подлежащих захоронению. Поперечный размер (диаметр) контейнеров выбирается в диапазоне от 50 до 250 мм, что составляет 50÷80% от диаметра типовых обсадных труб буровых скважин. Герметичный контейнер выполняется с многослойным тугоплавким корпусом. Полость контейнера заполняется тепловыделяющими материалами, в том числе РАО, и опасными токсикантами. В наполнителе, выполненном из пористой керамики, размещается патрон с гранулированным сорбентом. Контейнеры помещаются в стволы скважин на глубину до 4,5 км. Далее контейнеры выдерживаются в кавернах в течение периода времени, необходимого для разогрева подстилающих пород. Выделяющиеся из рабочего материала летучие компоненты улавливаются гранулами сорбента. После расплавления подстилающих горных пород происходит перемещение контейнеров под действием собственной силы тяжести в глубинные слои литосферы.
90
137
В патенте RU 2510540 C1 (опубликован 27.03.2014) описан способ захоронения РАО и тепловыделяющая капсула, используемая для его осуществления. Тепловыделяющая капсула погружается в скважину, образованную в геологических формациях. В полости капсулы находится теплопроводящая матрица, насыщенная радионуклидами. В качестве первого компонента смеси используются долгоживущие изотопы трансурановых элементов или иные долгоживущие радионуклиды. В качестве второго компонента смеси применяют активные изотопы Sr и/или Cs. Количественный состав смеси радионуклидов выбирают из условия: мощность объемного тепловыделения должна превышать тепловую мощность, необходимую для расплавления геологических пород, расположенных под капсулой.
Наиболее близким аналогом изобретения является устройство для погружения в расплавляемых геологических породах, описанное в патенте RU 2535199 C1 (опубликован 10.12.2014). Устройство содержит герметичный контейнер, корпус которого выполнен из тугоплавкого материала и заполнен тепловыделяющими элементами и теплопроводящим наполнителем. Оболочки тепловыделяющих элементов заполнены РАО и активными радионуклидами. Корпус имеет две торцевые поверхности и боковую поверхность, имеющие осесимметричную форму. Высота Н контейнера вдоль его оси симметрии и максимальный поперечный размер (диаметр) контейнера D в плоскости, перпендикулярной его оси симметрии, выбраны из условия: D>4H. Контейнер снабжен теплоизоляцией, расположенной со стороны верхней торцевой поверхности. На нижней торцевой поверхности корпуса выполнены выступы.
За счет выбора оптимальных размеров контейнера повышается эффективность использования энергии, выделяемой активными нуклидами. Выделяемая тепловая энергия концентрируется в области геологических пород, расположенной непосредственно под нижней торцевой поверхностью контейнера. В результате концентрации тепловой энергии повышается эффективность ее использования для расплавления геологических пород в заданном пространственном объеме и увеличивается скорость погружения контейнера.
При использовании устройства-прототипа и других известных аналогов теплопередача от активных радионуклидов к окружающей геологической породе происходит в основном за счет теплопроводности. В этом случае значительная часть выделяемой радионуклидами тепловой энергии поглощается в элементах конструкции устройства, что приводит к их интенсивному нагреву и возникновению существенных градиентов температур между центральной частью контейнера, заполненной активными радионуклидами, и его внешней оболочкой, контактирующей с расплавляемой геологической породой.
Изобретение направлено на решение технической задачи, связанной с реализацией с помощью устройства при погружении в геологические формации режима нагрева и расплавления окружающих пород, в том числе и льда, путем их прямого нагрева излучением, в качестве которого используется гамма-излучение активных радионуклидов. При данном режиме нагрева меньшая часть энергии (менее 30%), выделяющейся при радиоактивном распаде активных нуклидов, заполняющих тепловыделяющие элементы, может поглощаться в элементах конструкции устройства. Остальная часть энергии непосредственно используется для нагрева и расплавления окружающих пород за счет поглощения гамма-излучения.
Достигаемые при решении технической задачи результаты заключаются в повышении эффективности использования выделяемой активными нуклидами энергии для расплавления окружающих пород при погружении, повышении надежности устройства и увеличении его ресурса за счет снижения рабочей температуры элементов конструкции и градиентов температур, возникающих в элементах конструкции в процессе погружения.
Указанные технические результаты достигаются с помощью радиоизотопного устройства, предназначенного для погружения в геологические формации заменой коры. Устройство содержит тепловыделяющие и соединительные элементы, образующие однослойную осесимметричную тепловыделяющую структуру. Высота Н тепловыделяющей структуры и ее максимальный размер D в плоскости, перпендикулярной оси симметрии тепловыделяющей структуры, выбраны из условия: D>4H.
60
60
-1
-1
П
O
П
Т
Т
Тепловыделяющие элементы имеют шарообразную форму и связаны между собой соединительными элементами, выполненными из тугоплавкого материала. Тепловыделяющие элементы расположены вдоль одной поверхности с зазорами, образующими проточные каналы между верхней и нижней поверхностями тепловыделяющей структуры. Каждый тепловыделяющий элемент содержит герметичную оболочку, выполненную из тугоплавкого материала и заполненную составом, включающим активный изотоп Со. Толщина δ герметичной оболочки и диаметр d полости герметичной оболочки, заполненной составом, содержащим изотоп Со, выбираются условий: δ<0,5·(µ) d/2<0,5·(µ), где и µ - линейные коэффициенты ослабления гамма-излучения в материале оболочки и в составе, заполняющем герметичную оболочку тепловыделяющего элемента.
Радиоизотопное устройство, охарактеризованное указанной выше совокупностью признаков, обеспечивает достижение технических результатов в результате реализации следующих теплофизических и гидродинамических процессов и явлений.
60
60
Использование в качестве активного нуклида, заполняющего герметичные оболочки тепловыделяющих элементов, изотопа кобальта - Со позволяет реализовать процесс теплопереноса излучением (лучистого теплопереноса) от тепловыделяющих элементов к окружающим породам. Данный процесс обусловлен тем, что изотоп Со обладает высоким значением энерговыделения на один акт распада за счет гамма-излучения по сравнению с другими используемыми активными радионуклидами. Вследствие этого основным механизмом нагрева окружающих пород является тепловыделение в результате поглощения гамма-излучения.
60
60
60
Реализация данного теплообменного процесса связана с выбором в качестве активного радионуклида изотопа Со, обладающего высокой мощностью энерговыделения на 1 Бк активности. Проведенный анализ расчетных и экспериментальных данных показал, что величины удельной активности и энерговыделения изотопа Со достаточны для проплавления пород коры планет известного состава. В таблице №1 представлены характеристики активности изотопа Со. Представленные в таблице №1 численные значения относятся к энерговыделению изотопа за счет гамма-излучения.
60
60
60
Вместе с тем изотоп Со существенно превосходит другие активные радионуклиды по выходу энергии при гамма-излучении. Сравнительные данные по энерговыделению при гамма-, бета- и альфа-излучении для изотопа Со и других активных нуклидов представлены в таблице №2. Массовое содержание подлежащих захоронению РАО в составе, заполняющем герметичную оболочку, может достигать 93 мас. % при выбранных характерных размерах тепловыделяющих элементов и устройства в целом. В этом случае минимальное расчетное (теоретическое) значение массового содержания изотопа Со в смеси радионуклидов, заполняющей герметичную оболочку, составляет 7 мас. %.
П
O
П
T
O
Т
Т
O
60
60
-1
-1
60
-1
-1
Существенным условием для обеспечения тепловыделения за пределами герметичной оболочки шарообразного тепловыделяющего элемента является выбор характерного размера тепловыделяющего элемента - диаметра d, который включает толщину δ герметичной оболочки из тугоплавкого материала и диаметр d полости, заполненной составом, содержащим активный радионуклид - изотоп Со. В случае выполнения данного условия не менее 50% энергии, излучаемой при радиоактивном распаде изотопа Со, должно выделяться за пределами герметичной оболочки. Указанное существенное условие можно представить в следующем виде: δ<0,5·(µ), d/2<0,5·(µ), где µ и µ - линейные коэффициенты ослабления гамма-излучения, испускаемого изотопом Со, в материале оболочки и в материале, заполняющем герметичную оболочку тепловыделяющего элемента, соответственно. Диапазоны характерных значений коэффициентов линейного ослабления гамма-излучения для используемых конструкционных материалов и составов, заполняющих герметичную оболочку, составляют: (µ)=(15,7÷21,3) мм, (µ)=(9÷45) мм.
60
При выполнении указанных выше условий выделение энергии, образующейся при радиоактивном распаде активного изотопа, входящего в состав смеси, заполняющей герметичную оболочку тепловыделяющего элемента, в большей части происходит не в материале тепловыделяющего элемента, а за его пределами - в окружающих породах, в которых происходит погружение устройства. В этом случае, в отличие от известных устройств-аналогов, основным процессом теплопередачи из области радиоактивного распада активного изотопа (Со) является процесс переноса энергии излучением (гамма-излучением), а не передача энергии за счет теплопроводности материалов, из которых выполнен тепловыделяющий элемент. Вследствие этого выделяемая энергия более эффективно используется для нагрева и расплавления окружающих пород за пределами (с внешней стороны) оболочки тепловыделяющего элемента. При этом температура элементов конструкции тепловыделяющего элемента и устройства в целом поддерживается на уровне температур, близких к температуре плавления окружающих пород. В результате снижения уровня температуры внутри тепловыделяющих элементов снижаются градиенты температуры в элементах конструкции тепловыделяющей структуры и их максимальные температуры.
Наряду с реализацией процесса теплопередачи и нагрева окружающих пород излучением существенное значение имеет концентрация излучаемой энергии в области, расположенной под нижней поверхностью тепловыделяющей структуры. В этой области необходимо обеспечить интенсивный нагрев пород и их расплавление. Расплав пород затем вытесняется под действием силы тяжести устройства через проточные каналы, образованные зазорами между тепловыделяющими элементами между нижней и верхней поверхностями тепловыделяющей структуры. Для реализации концентрации излучаемой энергии в определенной пространственной области окружающих пород используется квазиодномерный режим теплопереноса (энерговыделения). Осуществление данного режима работы устройства связано с выбором размеров устройства согласно условию: D>4H, где Н - высота тепловыделяющей структуры, H=d, D - диаметр тепловыделяющей структуры (в плоскости, перпендикулярной ее оси симметрии), d - диаметр тепловыделяющих элементов, образующих тепловыделяющую структуру.
И
Указанное выше условие выбора размеров тепловыделяющей структуры аналогично условию выбора размеров контейнера, заполненного тепловыделяющими элементами, которое используется в устройстве, описанном в патенте RU 2535199 C1. Соотношение размеров D и Н обусловлено необходимостью концентрации (фокусировки) энергии: поток излучаемой энергии со стороны нижней поверхности тепловыделяющей структуры должен превышать поток энергии, излучаемой через боковую поверхность тепловыделяющей структуры. С целью минимизации площади поверхности для оценочного анализа в качестве формообразующей боковой поверхности тепловыделяющей структуры выбирается цилиндрическая поверхность. Верхняя и нижняя поверхности тепловыделяющей структуры для оценочного расчета выбираются плоскими. Предполагается, что источник энергии, состоящий из совокупности связанных между собой тепловыделяющих элементов, содержащих гамма-излучающий радионуклид, излучает равномерные потоки энергии во всех направлениях, т.е. поверхностная плотность гамма-излучения одинакова по всей внешней поверхности тепловыделяющей структуры (q=const).
Данные условия можно представить в следующем виде:
НЧ
БЧ
НЧ
И
НЧ
И
БЧ
И
БЧ
И
2
Q>Q; Q=q·S=q·πD/4; Q=q·S=q·πDH;
НЧ
БЧ
где Q - поток энергии через нижнюю поверхность тепловыделяющей структуры; Q - тепловой поток через боковую поверхность тепловыделяющей структуры; Н и D - высота и диаметр тепловыделяющей структуры.
И
НЧ
БЧ
НЧ
БЧ
При постоянной величине q вдоль внешней поверхности структуры отношение Q>Q принимает следующий вид: S>S. Из данного соотношения следует: D>4H.
Таким образом, при минимальной площади боковой поверхности тепловыделяющей структуры, имеющей форму прямого круглого цилиндра, квазиодномерный режим тепловыделения реализуется при выполнении условия: D>4H. Данное условие характеризует минимальное значение соотношения размеров D и Н, следовательно, оно применимо и для других форм выполнения поверхностей тепловыделяющей структуры.
При реализации квазиодномерного режима энерговыделения в значительной степени подавляется теплоперенос в горизонтальном направлении (в плоскости, перпендикулярной оси симметрии тепловыделяющей структуры). В случае выполнения условия D>4H поток излучаемой энергии обеспечивает преимущественное расплавление пород, расположенных под нижней частью тепловыделяющей структуры. В результате перераспределения в окружающих породах излучаемых потоков энергии увеличивается скорость проплавления пород вдоль направления движения устройства.
П
П
-1
60
-1
При реализации квазиодномерного режима энерговыделения выполняется условие: , где R=D/2 - радиус тепловыделяющей структуры, χ - коэффициент температуроповодности тепловыделяющей структуры, V - скорость опускания тепловыделяющей структуры в горной породе, (µ) - характерный размер поглощения энергии гамма-излучения, выделяемой при радиоактивном распаде изотопа Со, в окружающей породе. Согласно данному условию мощность излучения в направлении области окружающих пород, расположенной под нижней поверхностью теплопроводящей структуры, должна превышать мощность теплового потока в горизонтальном направлении. Численные значения характерного размера (µ) для различных видов окружающих пород представлены в таблице №3.
Наряду с перераспределением тепловых потоков с внешней стороны пространственной структуры происходит теплообмен внутри тепловыделяющей структуры за счет теплопроводности элементов конструкции устройства. Вследствие этого в элементах конструкции устройства поддерживается температура, близкая к температуре плавления геологической породы. Перетекание расплава в вертикальном направлении по каналам, связывающим верхнюю и нижнюю торцевые поверхности тепловыделяющей структуры, происходит при минимальных потерях энергии, так как суммарное гидравлическое сопротивление каналов мало по сравнению с гидравлическим сопротивлением кольцевого канала, образованного между периферийной частью устройства и стенкой канала скважины, образующейся при погружении устройства. Перетекание расплава геологических пород через указанный кольцевой канал характерно для устройства-прототипа. При использовании известных устройств жидкий расплав геологических пород, образующийся под нижней поверхностью тепловыделяющего контейнера, перетекает в верхнюю часть канала скважины через узкий кольцевой канал, имеющий неравномерную по периметру ширину, между твердой стенкой канала скважины и боковой поверхностью корпуса контейнера.
60
Устройство, выполненное согласно изобретению, позволяет исключить дополнительный нагрев расплава в процессе его течения вдоль нижней торцевой поверхности устройства до кольцевого проточного канала и вдоль канала до области, расположенной над верхней поверхностью устройства. Требуемая температура расплава поддерживается во внутренних каналах устройства за счет теплопроводности и конвективного теплопереноса. Температура нагрева окружающих пород до жидкого состояния зависит от теплофизических характеристик конкретной пород, в которой осуществляется погружение устройства. Расчетная температура расплава пород в проточных каналах устройства устанавливается путем выбора соответствующей концентрации активного изотопа Со в составе, заполняющем герметичные оболочки тепловыделяющих элементов.
Сочетание условий, определяющих форму и размеры тепловыделяющих элементов, наличие в тепловыделяющей структуре проточных каналов и выбор определенного активного радионуклида, обеспечивающего реализацию процесса нагрева окружающих пород за счет гамма-излучения, позволяет осуществить расплавление окружающих пород до жидкого состояния при относительно низких температурах элементов конструкции устройства. При этом вытеснение жидкого расплава через проточные каналы при погружении устройства происходит с минимальными гидравлическими потерями.
В результате реализации теплопередачи от области радиоактивного распада активного изотопа в заданную пространственную область окружающих пород за счет гамма-излучения выделяемая активным радионуклидом энергия наиболее эффективно используется для расплавления пород, в которых происходит погружение радиоизотопного устройства. При этом из-за снижения уровня температур в элементах конструкции повышается надежность устройства и увеличивается его ресурс.
В случае использования устройства для захоронения РАО состав, заполняющий герметичную оболочку тепловыделяющего элемента, может содержать подлежащие захоронению радионуклиды. Массовое содержание подлежащих к захоронению радионуклидов в составе, заполняющем герметичную оболочку тепловыделяющего элемента, может достигать 93 мас. %.
90
137
238
241
244
В качестве подлежащих захоронению радионуклидов выбираются химические соединения или смеси химических соединений, содержащих, например, один из следующих изотопов: Sr, Cs, Pu, Am, Cm.
151
99
121m
93
126
79
135
107
129
166
108
158
94
Подлежащие захоронению радионуклиды могут использоваться в виде химического соединения или смеси химических соединений, содержащих по крайней мере один долгоживущий радионуклид. В качестве таких радионуклидов могут быть выбраны долгоживущие изотопы трансурановых элементов либо изотопы из ряда: Sm, Тс, Sn, Zr, Sn, Se, Cs, Pd, I, Ho, Ag, Tb, Nb.
Для повышения теплопроводности тепловыделяющего элемента состав, заполняющий его герметичную оболочку, может содержать теплопроводящий наполнитель. В качестве наполнителя используются, например, металлы или сплавы металлов, которые выбираются из следующего ряда: Pb, Al, Na, Hg, Zn, Sn, Bi. Наполнитель может быть использован в виде фторидов металлов, выбранных из следующего ряда: Na, Ka, Li или в виде смеси фторидов перечисленных металлов.
60
60
60
60
Массовое содержание активного изотопа Со в составе, заполняющем герметичную оболочку, может выбираться в зависимости от решаемых задач в широком диапазоне значений - от 7 до 100 мас. %. Так, например, при использовании устройства для проведения исследований структуры и состава окружающих пород содержание изотопа Со в составе, заполняющем герметичную оболочку, может быть максимальным - до 100 мас. %. В случае использования устройства для захоронения РАО теоретически возможен вариант выбора минимального массового содержания изотопа Со. Для данного случая расчетные значения массового содержания компонентов состава, заполняющего герметичную оболочку, составляют: изотоп Со - 7 мас. %, теплопроводящий наполнитель и РАО - остальное.
П
60
Для традиционно используемых тугоплавких конструкционных материалов толщина δ герметичной оболочки тепловыделяющих элементов выбирается в диапазоне от 3 до 6 мм. Диаметр d полости герметичной оболочки при использовании заполняющего его состава, содержащего смесь активного изотопа Со с РАО, выбирается в диапазоне от 4 мм до 14 мм.
С целью обеспечения заданного гидродинамического режима течения жидкого расплава пород через проточные каналы тепловыделяющей структуры (при минимально возможном гидравлическом сопротивлении каналов) расстояние L между поверхностями близлежащих тепловыделяющих элементов выбирается в диапазоне от 10 до 80 мм.
В простейшем варианте конструкции тепловыделяющей структуры тепловыделяющие элементы устанавливаются вдоль одной плоской поверхности. Возможны и другие варианты конструкции, в которых тепловыделяющие элементы могут быть расположены вдоль криволинейных поверхностей.
Устройство может содержать по меньшей мере один контейнер, который соединяется с тепловыделяющей структурой со стороны ее верхней поверхности. В случае использования устройства для захоронения РАО контейнер снабжается герметичной оболочкой, заполняемой подлежащими захоронению радионуклидами. При использовании устройства для исследовательских целей контейнер снабжается герметичным защитным корпусом, в котором размещается измерительное оборудование и средства приема и передачи информации.
Далее изобретение поясняется описанием конкретных примеров выполнения радиоизотопного устройства, предназначенного для погружения в геологические формации заменой коры.
На прилагаемых чертежах изображено следующее:
на фиг. 1 - схематичный продольный разрез скважины с радиоизотопным устройством, погружающимся в расплавляемых породах;
на фиг. 2 - поперечный разрез скважины (А-А) в области расположения устройства с местным видом на тепловыделяющую структуру.
Радиоизотопное устройство для погружения в земной коре содержит шарообразные тепловыделяющие элементы 1, соединенные между собой соединительными элементами 2, выполненными из тугоплавкого материала. Тепловыделяющие и соединительные элементы 1 и 2 расположены вдоль одной плоской поверхности и образуют плоскую однослойную тепловыделяющую структуру. Максимальный размер (диаметр) тепловыделяющей структуры D в плоскости, перпендикулярной ее оси симметрии, превышает высоту Н структуры в соответствии с условием: D>4H. При данном условии для тепловыделяющей структуры реализуется квазиодномерный режим энерговыделения. В рассматриваемом примере осуществления изобретения высота структуры Н равна диаметру d шарообразных тепловыделяющих элементов 1 и составляет 20 мм. Максимальный размер (диаметр) D тепловыделяющей структуры составляет ~2 м. При выбранных размерах D и Н их соотношение составляет D=100H, что соответствует условию: D>4H.
60
60
-1
-1
П
O
П
Т
O
Т
П
П
Каждый шарообразный тепловыделяющий элемент 1 содержит прочную герметичную оболочку в форме сферы, заполненную составом, содержащим активный радионуклид, в качестве которого используется изотоп Со. Температура плавления тугоплавкого материала, используемого для изготовления оболочек тепловыделяющих элементов 1, превышает температуру плавления окружающих пород, в которых происходит погружение радиоизотопного устройства. В качестве материалов оболочки применяются высокотемпературные коррозионностойкие стали, вольфрам, карбиды и нитриды тугоплавких металлов, в частности карбиды и нитриды титана, вольфрама и гафния. В рассматриваемом примере герметичные оболочки тепловыделяющих элементов 1 выполнены в виде многослойной композитной структуры из карбидов тугоплавких металлов. Такая оболочка обеспечивает коррозионную стойкость тепловыделяющих элементов в течение длительного погружения устройства в расплаве окружающих пород. Толщина δ герметичной оболочки и диаметр d полости герметичной оболочки, заполненной составом, содержащим изотоп Со, выбираются из следующих условий: δ<0,5·(µ), d/2<0,5·(µ), где µ и µ - линейные коэффициенты ослабления гамма-излучения в материале оболочки и в составе, заполняющем герметичную оболочку тепловыделяющего элемента. Согласно указанным условиям толщина δ герметичной оболочки и диаметр d полости герметичной оболочки для рассматриваемого примера составляют: δ=3 мм, d=14 мм.
Тепловыделяющие элементы 1 вместе с соединительными элементами 2 образуют решетку с ячейками в форме равносторонних треугольников (см. фиг. 2). В рассматриваемом примере тепловыделяющие элементы размещаются в одной плоскости. Соединительные элементы 2 выполняются из тугоплавкого коррозионностойкого материала, в качестве которого используются карбиды титана, вольфрама и гафния. Тепловыделяющие элементы 1 расположены с зазорами, образующими проточные каналы между верхней и нижней поверхностями тепловыделяющей структуры. Расстояние L между поверхностями близлежащих тепловыделяющих элементов составляет 15 мм, что соответствует диапазону оптимальных значений L от 10 до 80 мм.
60
90
137
238
241
244
151
99
121m
93
126
79
135
107
129
166
108
158
94
Внутренняя полость герметичной оболочки элементов 1 заполнена составом, содержащий активный радионуклид Со, обеспечивающий нагрев и расплавление окружающих пород, расположенных под нижней поверхностью тепловыделяющей структуры, преимущественно за счет гамма-излучения. Состав, заполняющий герметичную оболочку, может содержать подлежащие захоронению нуклиды. В качестве подлежащих захоронению радионуклидов могут использоваться химические соединения или смеси химических соединений, содержащих изотопы: Sr, Cs, Pu, Am, Cm. РАО могут применяться в виде химического соединения или смеси химических соединений, содержащих по крайней мере один долгоживущий радионуклид, например долгоживущий изотоп трансурановых элементов или долгоживущий радионуклид, выбранный из следующего ряда: Sm, Тс, Sn, Zr, Sn, Se, Cs, Pd, I, Ho, Ag, Tb, Nb.
60
60
Количественный состав смеси нуклидов в составе, заполняющем герметичные оболочки тепловыделяющих элементов, выбирается исходя из условия, согласно которому мощность гамма-излучения активного нуклида Со в направлении области, пород, расположенных под нижней поверхностью тепловыделяющей структуры, должна превышать тепловую мощность, необходимую для расплавления окружающих пород в направлении погружения устройства. При использовании радиоизотопного устройства для захоронения РАО массовое содержание подлежащих к захоронению радионуклидов в составе, заполняющем герметичную оболочку тепловыделяющего элемента, может составлять до 93 мас. %. В этом случае массовое содержание изотопа Со в составе будет составлять 7 мас. %.
При использовании разнородных нуклидов в виде отдельных элементов (частиц) состав включает теплопроводящий наполнитель. В качестве наполнителя применяется вещество, обладающее высокой теплопроводностью и пластичностью. Данные свойства наполнителя позволяют снизить термоупругие напряжения в тепловыделяющих элементах. Вследствие этого обеспечивается прочность герметичной оболочки в условиях высокого внешнего давления в течение длительного срока эксплуатации устройства. В качестве теплопроводящего наполнителя могут использоваться металлы и сплавы металлов, температура плавления которых ниже температуры плавления окружающих пород. Так, например, для пород, состоящих из гранитоидов, базальтов и солевых пластов, температура плавления наполнителя должна быть менее 1000°С. В качестве материала наполнителя используются металлы: Pb, Al, Na, Hg, Zn, Sn, Bi; сплавы перечисленных металлов; фториды следующих металлов: Na, Ka, Li; смеси фторидов перечисленных металлов.
60
В случае использования радиоизотопного устройства для исследовательских целей, например для исследования пород земной коры, массовое содержание изотопа Со в составе, заполняющем герметичную оболочку тепловыделяющего элемента, может составлять до 100 мас. %. Средняя объемная плотность устройства должна превышать не менее чем на 10% плотность окружающих пород для осуществления непрерывного погружения радиоизотопного устройства в расплавляемых породах под действием силы тяжести. Расчетная средняя плотность устройства обеспечивается за счет его конструкции и выбора конструкционных материалов в зависимости от конкретного вида и структуры пород, расположенных в направлении погружения.
На тепловыделяющей структуре со стороны ее верхней поверхности закреплены контейнеры 3. Контейнеры 3 соединены с тепловыделяющей структурой с помощью соединительных элементов 4, выполненных из тугоплавкого коррозионностойкого материала, в качестве которого используются карбиды титана, вольфрама и гафния. Контейнеры 3 снабжены герметичным защитным корпусом, в котором размещено измерительное оборудование и средства приема и передачи информации. Измерительное оборудование включает в свой состав средства измерения физических и химических характеристик окружающих пород. Средства приема и передачи информации предназначены для обмена информацией с пунктом управления. Данная информация включает телеметрическую информацию и команды управления измерительным оборудованием. Контейнеры 3 могут использоваться также и для захоронения РАО. В этом случае подлежащие захоронению радионуклиды помещаются в прочную герметичную оболочку, входящую в состав контейнера.
60
Радиоизотопное устройство, изображенное на фиг. 1, находится в канале скважины 5, образованной в окружающих породах 6. Устройство перемещается под действием силы тяжести к центру планеты. Под нижней поверхностью тепловыделяющей структуры расположен слой 7 жидкого расплава окружающей породы. Расплав образуется под действием энергии гамма-излучения активного радионуклида Со. Над верхней поверхностью тепловыделяющей структуры расположена зона 8 жидкого расплава, перетекающего через проточные каналы, образованные между тепловыделяющими элементами 1. Выше зоны 8 расположена зона 9 остывшего и затвердевшего расплава пород.
Работа радиоизотопного устройства, предназначенного для погружения в расплавляемых породах земной коры, осуществляется следующим образом.
60
60
60
При захоронении РАО полости герметичных оболочек тепловыделяющих элементов 1 предварительно заполняются смесью радиоактивных изотопов и теплоносителем. Смесь радионуклидов включает в свой состав изотоп Со, который используется в качестве активного энерговыделяющего компонента, и подлежащие захоронению нуклиды. Минимальное расчетное значение массового содержания изотопа Со в составе, заполняющем герметичную оболочку, составляет 7 мас. %, суммарное массовое содержание РАО и теплопроводящего наполнителя - 93 мас. %. Количество активного радионуклида (Со) выбирается исходя из условия достаточности мощности гама-излучения, поглощаемого в окружающих породах, для расплавления окружающих пород, расположенных непосредственно под нижней поверхностью тепловыделяющей структуры.
237
241
243
242
244
151
99
121m
93
126
79
135
107
129
166
108
158
94
В состав РАО входят долгоживущие изотопы трансурановых элементов (Np, Am, Am, Cm, Cm) и другие долгоживущие радионуклиды (Sm, Тс, Sn, Zr, Sn, Se, Cs, Pd, I, Ho, Ag, Tb, Nb). В качестве теплопроводящего наполнителя используется смесь фторидов натрия, калия и лития с температурой плавления менее 1000°С. Малая сжимаемость теплоносителя, находящегося в жидком состоянии в процессе погружения, обеспечивает прочностные характеристики тепловыделяющих элементов при высоком давлении, действующем на устройство в процессе его погружения в коре планет.
60
После заполнения герметичных оболочек тепловыделяющих элементов составом, включающим активный радионуклид (Со), подлежащие захоронению радионуклиды и теплопроводящий наполнитель, производится сборка теплопроводящей структуры с помощью жестких соединительных элементов 2. На верхней части теплопроводящей структуры с помощью соединительных элементов 4 закрепляются контейнеры 3. Герметичные оболочки контейнеров 3 заполняются подлежащими захоронению радионуклидами.
Для погружения радиоизотопного устройства в расплавляемых породах средняя объемная плотность устройства должна превышать не менее чем на 10% плотность пород, расположенных под нижней поверхностью тепловыделяющей структуры.
Выполнение данного условия обеспечивается на основании предварительно полученной информации о типе и составе окружающих пород, расположенных вдоль предполагаемой траектории движения устройства.
Снаряженное устройство погружается в скважину 5, образованную в окружающих породах, либо устанавливается на поверхности земной коры. После выхода устройства на стационарный режим тепловыделения происходит разогрев окружающих геологических пород до температуры плавления. Под нижней поверхностью тепловыделяющей структуры образуется слой 7 жидкого расплава. После этого устройство, вытесняя под действием силы тяжести жидкий расплав через каналы 4, начинает перемещаться вглубь окружающих пород.
За счет использования проницаемой тепловыделяющей структуры жидкий расплав перетекает через проточные каналы, образованные между тепловыделяющими элементами 1, в вертикальном направлении между нижней и верхней поверхностями структуры. Жидкий расплав вытесняется через проточные каналы при минимальном гидравлическом сопротивлении. Перетекание расплава в канале скважины 5 при погружении устройства в окружающих породах не ограничено узким кольцевым каналом между твердыми стенками скважины и периферийной частью устройства. Следует отметить, что указанное ограничение характерно для устройств-аналогов.
Расплав из слоя 7 направляется через систему проточных каналов в вертикальном направлении к зоне 8 жидкого расплава, которая находится в канале скважины над погружающимся устройством. Вытеснение расплава происходит под действием собственной силы тяжести устройства вследствие того, что средняя плотность устройства больше плотности окружающих геологических пород.
60
При движении расплава через проточные каналы одновременно происходит его подогрев за счет поглощения гамма-излучения, создаваемого активным изотопом Со. В результате постоянного подогрева поддерживается жидкое состояние расплава при его перетекании в вертикальном направлении. Оптимальное расстояние L между поверхностями близлежащих тепловыделяющих элементов 1 выбирается таким образом, чтобы время, необходимое для нагрева твердожидкого расплава в проточных каналах до температуры, превышающей его температуру плавления, было меньше времени погружения устройства в вертикальном направлении на расстояние, соразмерное высоте Н тепловыделяющей структуры, равной диаметру d шарообразных тепловыделяющих элементов 1. С другой стороны, при выбранном расстоянии L должно обеспечиваться минимальное гидравлическое сопротивление системы проточных каналов и требуемая температура расплава, достигаемая за счет поглощения в окружающих породах гамма-излучения. Для используемых материалов конструкции устройства и выбранного типа окружающих пород расстояние L выбирается в диапазоне от 10 до 80 мм.
Вместе со снижением гидравлических потерь при течении жидкого расплава по проточным каналам снижаются и тепловые потери, связанные с локальным перегревом расплава и перегревом тепловыделяющих элементов. Данный эффект обусловлен существенным уменьшением размеров тепловыделяющих элементов по сравнению с устройствами-аналогами. В радиоизотопном устройстве используется тепловыделяющая структура с проточными каналами. Структура образована совокупностью отдельных тепловыделяющих элементов, имеющих существенно меньшие размеры по сравнению с тепловыделяющими контейнерами, которые используются в устройствах-аналогах.
За счет выбора размеров тепловыделяющей пространственной структуры согласно условию D>4H большая часть выделяемой тепловой энергии концентрируется в направлении перемещения устройства. При выполнении данного условия реализуется квазиодномерный режим тепловыделения, обеспечивающий эффективное использование энергии для разогрева и плавления геологических пород, расположенных непосредственно под нижней поверхностью тепловыделяющей структуры. Следует отметить, что квазиодномерный режим тепловыделения реализуется и при использовании устройства-прототипа (RU 2535199 C1), однако тепловыделение при погружении устройства, выполненного согласно изобретению, осуществляется не только с внешней стороны, но и в объеме расплава, заполняющего проточные каналы структуры. В этом случае повышается эффективность теплопередачи между тепловыделяющими элементами 1 и расплавом, перетекающим в вертикальном направлении.
В результате вытеснения расплава геологических пород из области скважины, расположенной под нижней поверхностью тепловыделяющей структуры, в область скважины над верхней поверхностью тепловыделяющей структуры образуется зона 8 неостывшего жидкого расплава. После остывания расплава в канале скважины формируется зона 9 остывшего и затвердевшего расплава пород.
60
3
2
-1
-1
60
-1
-1
-1
-1
S
1
1
2
2
S
i
i
1
1
2
2
При работе радиоизотопного устройства основным механизмом передачи тепловой энергии является поглощение гамма-излучения в окружающих геологических породах. Скорость погружения радиоизотопного устройства зависит от пространственного распределения в окружающих породах энерговыделения при гамма-излучении активного изотопа Со. Расчетное соотношение для удельного энерговыделения Q (Вт/м) в зависимости от расстояния z (м) от источника излучения (тепловыделяющей структуры) можно представить, используя приближение бесконечного плоского источника с равномерно распределенной по поверхности активностью, в следующем виде: Q(z)=A·Q·[A·exp(-µ.·z)+А·ехр(-µ.·z)], где A - поверхностная активность источника (Бк/м), Q - мощность энерговыделения источника активностью 1 Бк (Вт/Бк); A, (м) и µ (м) - постоянные коэффициенты, определяющие пространственное распределение объемного тепловыделения при поглощении гамма-излучения, i=1,2. При использовании в качестве активного радионуклида изотопа Со и выборе гранита в качестве окружающих пород значения постоянных коэффициентов составляют: A=6,13 м, µ=14,67 м, А=6,94 м, µ=84,17 м.
60
17
2
S
Распределение удельного энерговыделения Q(z) в граните при использовании в качестве активного радионуклида изотопа Со с поверхностной активностью A=5·10 Бк/м приведено в таблице №4. При проведении расчета принято, что доля поглощенной энергии гамма-излучения в элементах конструкции устройства составляет 16%.
Пренебрегая выстой Н тепловыделяющей структуры по сравнению с ее максимальным размером D в плоскости, перпендикулярной оси симметрии структуры, и предполагая, что тепловыделяющая структура расположена в плоскости z=0, можно вычислить скорость V погружения радиоизотопного устройства в окружающих породах при фиксированной доле поглощенной энергии в элементах конструкции устройства. Ниже представлены расчетные примеры погружения радиоизотопного устройства в различных окружающих породах.
Пример №1
П
Тепловыделяющая структура устройства образована соединенными между собой шарообразными тепловыделяющими элементами. Погружение осуществляется в окружающих породах, представляющих собой гранит. Диаметр тепловыделяющей структуры (максимальный размер в плоскости, перпендикулярной оси симметрии структуры): D=2 м. Тепловыделяющие элементы с внешним диаметром d=20 мм расположены в узлах формообразующей треугольной решетки. Расстояние L между поверхностями близлежащих тепловыделяющих элементов (шаг решетки) составляет: L=10 мм. Диаметр полости герметичной оболочки тепловыделяющих элементов: d=14 мм. Оболочка тепловыделяющих элементов выполнена из молибдена, толщина оболочки δ=3 мм.
60
60
60
Полость герметичной оболочки заполнена смесью активного радионуклида Со с подлежащими захоронению РАО, включающими трансурановые элементы, и свинцовым теплопроводящим наполнителем. Массовое содержание РАО в смеси радионуклидов, содержащихся в тепловыделяющих элементах, составляет 9 мас. %, что соответствует общей массе РАО во всех тепловыделяющих элементах - 4 кг. Массовое содержание активного радионуклида Со в смеси радионуклидов, содержащихся в тепловыделяющих элементах, составляет 91 мас. %. Масса изотопа Со в одном тепловыделяющем элементе - 11,1 г. Масса РАО в одном тепловыделяющем элементе - 1,2 г.
Устройство содержит контейнеры 3, соединенные с тепловыделяющей структурой со стороны ее верхней поверхности. Контейнеры заполнены подлежащими захоронению РАО. Общая масса РАО, находящихся в контейнерах 3, составляет ~1000 кг.
60
60
17
2
2
2
Доля энергии, поглощенной в элементах конструкции устройства, составляет менее 30% от энергии гамма-излучения изотопа Со. Средняя поверхностная активность радионуклида Со составляет ~5·10 Бк/м, средняя поверхностная мощность тепловыделения - 200 кВт/м. Указанные значения соответствуют начальному периоду погружения радиоизотопного устройства. Через 15 лет после начала погружения мощность тепловыделения снизится до 28 кВт/м.
При выбранных параметрах расчетная скорость погружения радиоизотопного устройства достигает 5,8 м в сутки.
60
Приведенные расчетные данные подтверждают возможность обеспечения высокой скорости погружения радиоизотопного устройства с полезной нагрузкой в расплавляемых породах при использовании проницаемой тепловыделяющей структуры, реализации условий для осуществления квазиодномерного режима тепловыделения и использовании гамма-излучения активного радионуклида Со для нагрева и расплавления окружающих пород.
В качестве веществ, заполняющих герметичную оболочку тепловыделяющих элементов и контейнеры, может использоваться широкий спектр подлежащих захоронению веществ, в частности РАО, накапливающиеся в процессе облучения реакторного топлива, и РАО, содержащиеся в изотопных источниках энергии. Такие РАО содержат долгоживущие радионуклиды, в том числе изотопы трансурановых элементов. С помощью радиоизотопного устройства обеспечивается безопасное захоронение долгоживущих РАО в глубоких  геологических формациях Земли.
Устройство может также использоваться для исследования глубинных слоев коры планет, включая литосферу Земли. Для этого в контейнерах 3 устанавливается измерительное оборудование и средства приема и передачи информации. С помощью средств измерения производится регистрация физических и химических характеристик окружающих пород и передача зарегистрированных параметров в пункт управления и приема телеметрической информации. Обмен информацией между радиоизотопным устройством и удаленным пунктом управления может осуществляться по кабелю связи либо с использованием акустических сигналов. Простейший способ связи с погружаемым устройством реализуется с помощью тонких высокотемпературных кабелей, разматывающихся с катушки, устанавливаемой в одном из контейнеров 3.
60
С помощью радиоизотопного устройства осуществляется прямой нагрев и расплавление окружающих пород за счет гамма-излучения активного радионуклида, в качестве которого используется изотоп Со. При использовании теплообмена излучением меньшая часть энергии, выделяемой при радиоактивном распаде активного радионуклида, поглощается в элементах конструкции устройства. Большая часть выделяющейся энергии расходуется на нагрев окружающих пород. При этом за счет реализации квазиодномерного режима тепловыделения излучаемые потоки концентрируются в области окружающих пород, расположенной под нижней поверхностью проницаемой тепловыделяющей структуры. Вследствие данных явлений повышается эффективность использования выделяемой активным радионуклидом энергии для расплавления окружающих пород при погружении радиоизотопного устройства. За счет снижения рабочей температуры элементов конструкции и градиентов температур, возникающих в элементах конструкции при погружении устройства, повышается надежность устройства и увеличивается его ресурс.
60
При работе устройства исключаются проблемы, связанные с перегревом стенок тепловыделяющих элементов и расплава окружающих пород. Требуемое объемное тепловыделение устанавливается расчетным путем за счет выбора размеров, количества и взаимного расположения тепловыделяющих элементов, а также массового содержания активного изотопа Со в составе, заполняющем герметичные оболочки тепловыделяющих элементов. Параметры процесса погружения определяются удельным количественным содержанием активного радионуклида на единицу площади поверхности тепловыделяющей структуры. Количество, распределение и состав тепловыделяющих элементов выбирается расчетным и/или экспериментальным путем так, чтобы обеспечить нагрев окружающих пород до температуры плавления как с внешней стороны устройства, так и в проточных каналах тепловыделяющей структуры.
При реализации процесса теплообмена излучением за счет снижения максимальной температуры и градиентов температуры в материале тепловыделяющих элементов уменьшаются термоупругие напряжения (деформации) элементов конструкции устройства. Вследствие этого обеспечивается механическая прочность и коррозионная стойкость элементов конструкции в течение длительного процесса погружения в расплавляемых геологических породах. Эффективное пространственное распределение выделяемой радионуклидами энергии и существенное снижение гидравлических потерь при перетекании жидкого расплава в вертикальном направлении позволяет увеличить скорость погружения устройства, массу полезной нагрузки, в качестве которой могут использоваться подлежащие захоронению РАО, измерительное оборудование и средства приема и передачи информации.
Вышеописанные примеры осуществления изобретения основываются на выборе конкретных конструкционных материалов, размеров и расположения тепловыделяющих элементов и массового содержания компонентов состава, заполняющего герметичные оболочки тепловыделяющих элементов. В то же время представленное описание примеров осуществления изобретения не исключает возможности достижения технических результатов в других частных случаях реализации радиоизотопного устройства в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте формулы изобретения. Так, в частности, в зависимости от конкретных технических требований, предъявляемых к радиоизотопному устройству, включая требования по скорости погружения, и условий эксплуатации устройства могут использоваться иные, по сравнению с описанными выше, конструкционные материалы, выбираться иные размеры и расположение тепловыделяющих элементов, а также массовое содержание компонентов состава, заполняющего герметичные оболочки. Тепловыделяющие элементы могут размещаться не только вдоль плоской поверхности, но вдоль сложной поверхности, имеющей, например, выпуклую в направлении погружения форму.
Перечисленные выше преимущества радиоизотопного устройства, предназначенного для погружения в земной коре, предопределяют возможность его использования для захоронения широкого спектра РАО и проведения исследований глубинных слоев коры планет.