ХРАНИЛИЩЕ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ
RADIOACTIVE WASTE STORAGE

Изобретение относится к области охраны окружающей среды, а точнее к области локализации радиоактивных отходов (РАО) в хранилищах приповерхностного типа. Наиболее эффективно заявляемое устройство может быть реализовано для локализации твердых радиоактивных отходов (ТРО), в частности отходов низкого уровня активности (НАО) и отходов очень низкого уровня активности (ОНАО).
Известно хранилище радиоактивных отходов приповерхностного типа, используемое для локализации контейнеров с твердыми радиоактивными отходами (заявка JP 2013210359 А, Япония // МКИ G21F 9/24, 10.10.2013, [1]), включающее полузаглубленный могильник приповерхностного типа для размещения контейнеров с твердыми радиоактивными отходами и систему обеспечения радиационной безопасности, включающую нижний защитный инженерный барьер хранилища и верхний защитный инженерный барьер хранилища.
Недостатками известного хранилища являются низкая экологическая безопасность в связи с подтоплением контейнеров с радиоактивными отходами, находящихся ниже уровня земли, нарушение их герметичности и миграции из них радионуклидов в окружающую среду, а также из-за отсутствия возможности осуществления контроля за состоянием инженерных барьеров, обеспечивающих экологическую безопасность эксплуатации хранилища.
Известно хранилище радиоактивных отходов приповерхностного типа, используемое для локализации контейнеров с твердыми радиоактивными отходами (патент 98945А (Болгария) // МКИ G21F 9/34, 02.08.1994, [2]), включающее нижний защитный инженерный барьер в виде ложа, образованного подготовленной грунтовой площадкой с системой дренажа, размещенные на ложе контейнеры с цементированными РАО, связанными между собой цементной связкой и перекрытыми поверху гидроизоляционным покрытием, верхний защитный многослойный инженерный барьер, образованный грунтовой подушкой курганного типа, изоляционным слоем глины и покрывными почвенными слоями, верхний из которых образован дерном.
Недостатками известного хранилища являются:
- низкая экологическая безопасность в связи с возможностью подтопления грунтовыми и атмосферными водами упаковок и контейнеров с РАО, находящихся на отметке, соответствующей уровню земной поверхности, что, вследствие коррозии, может привести к нарушению их целостности и миграции из них радионуклидов в окружающую среду;
- низкая эксплуатационная безопасность из-за невозможности осуществления мониторинга и управления состоянием инженерных барьеров, обеспечивающих экологическую безопасность эксплуатации хранилища.
Известно хранилище радиоактивных отходов приповерхностного типа, используемое в способе возведения защитных саркофагов полууглубленных могильников для локализации ТРО в криолитозоне (патент 2357310, Россия // МКИ G21F 9/24, 26.02.2007, опубликовано 27.05.2009, Бюл. №15, [3]), включающее полууглубленный могильник (хранилище приповерхностного типа), твердые радиоактивные отходы, сцементированные льдом, грунтовую насыпь над могильником, сцементированную льдом, первый защитный ледяной барьер (панцирь), слой грунта, сцементированный льдом, второй защитный ледяной барьер (панцирь), гидроизоляционный экран из полиэтиленовой пленки, защитный слой из песка, сцементированного льдом, теплоизоляционный слой из местных материалов, слой грунта и почвенный слой (дерн), засаженный кустарником и многолетними травами.
Недостатками известного хранилища являются:
- низкая экологическая безопасность, связанная с использованием при создании инженерных защитных барьеров технологий цементирования грунта льдом, что снижает их эффективность и надежность, особенно в связи с глобальным мировым потеплением;
- низкая эксплуатационная безопасность из-за невозможности осуществления мониторинга хранилища и управления состоянием инженерных барьеров, обеспечивающих экологическую безопасность его эксплуатации;
- ограниченная область применения, распространяющаяся только на территории, расположенные в криолитозонах.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному хранилищу радиоактивных отходов является хранилище радиоактивных отходов приповерхностного типа, используемое для локализации ОНАО (Альтернативные концепции окончательных этапов обращения с ОНАО/ А.А. Абрамов [и др.] // Безопасность ядерных технологий и окружающей среды. - М., 2012. - №3 - С.29-36. [4]), включающее нижний защитный инженерный барьер, образованный основанием, ложем с дренажной системой в виде железобетонной плиты, контейнеры и упаковки с ОНАО, а также верхний защитный инженерный барьер, образованный верхней подушкой из слоя песка, слоя бентонита, укрывной пленки из высокоплотного полиэтилена, верхним покрытием, содержащим дренажный слой из каменной крошки или гравия, гидроизоляционный слой из глины и покрывающий слой из дерна.
Недостатками известного хранилища являются:
- низкая экологическая безопасность из-за отсутствия в образующих нижний защитный инженерный барьер конструкциях элементов, исключающих контакт контейнеров и упаковок с ОНАО с водой, при аварийных ситуациях, связанных с подтоплением хранилища, и миграцию радионуклидов в окружающую среду, а также отсутствие систем, обеспечивающих осуществление мониторинга и оперативного управления экологической безопасностью хранилища в течение срока его эксплуатации без нарушения целостности защитных инженерных барьеров;
- низкая эксплуатационная безопасность из-за невозможности дистанционного осуществления работ по мониторингу и обслуживанию хранилища;
- ограниченная область применения, распространяющаяся только на локализацию ОНАО, в связи с низкой надежностью защитных инженерных барьеров, отсутствием системы мониторинга и воздействия на РАО при возникновении нештатных ситуаций.
Преимуществами заявляемого хранилища радиоактивных отходов являются:
- повышенная экологическая безопасность, обеспечиваемая конструктивным исполнением элементов, образующих нижний и верхний защитные инженерные барьеры, предусматривающих дублирование защитных функций, исключающих подтопление хранилища, контакт и миграцию радионуклидов в окружающую среду, а также наличием многофункциональной технологической системы мониторинга и обслуживания, обеспечивающей осуществление мониторинга состояния хранилища и оперативное принятие мер по восстановлению экологической безопасности хранилища без нарушения целостности защитных инженерных барьеров;
- повышенная эксплуатационная безопасность, обеспечиваемая наличием многофункциональной технологической системы мониторинга и обслуживания, позволяющей осуществлять дистанционный контроль и доступ во внутренние полости хранилища для оперативного принятия мер по устранению нештатных ситуаций;
- расширенная область применения, распространяющаяся на локализацию как ОНАО, так и НАО, обусловленная повышенной экологической безопасностью хранилища, обеспечиваемой комплексной и контролируемой мультибарьерной системой защиты окружающей среды.
Указанные преимущества обеспечиваются тем, что нижний защитный инженерный барьер хранилища включает:
- ложе, расположенное на железобетонном основании, выполненное с углублением, окруженным бортами, препятствующими контакту отходов с водой при подтоплении хранилища;
- покрывную пленку из высокоплотного полиэтилена или другого водонепроницаемого, долговечного, кислотостойкого и прочного материала, покрывающую углубление ложа и поверхности окружающих его бортов;
- дренажную систему, образованную нижней подушкой, дренажным фильтром и песчаным слоем.
Кроме того, указанные преимущества обеспечиваются тем, что в верхнем защитном инженерном барьере укрывная пленка, покрывающая верхнюю подушку, плотно прилегает по внешней поверхности бортов углубления ложа к покрывной пленке нижнего защитного инженерного барьера.
Также, указанные преимущества обеспечиваются наличием многофункциональной технологической системы мониторинга и обслуживания, обеспечивающей возможность неразрушающего защитные инженерные барьеры доступа во внутренние полости хранилища и воздействия на инженерные защитные барьеры и РАО.
Отличительные признаки предлагаемого хранилища:
- ложе нижнего защитного инженерного барьера выполнено из прессованной глины пониженной проницаемости с окруженным бортами углублением, при этом дно углубления выполнено с уклоном;
- наличие покрывной пленки, перекрывающей углубление ложа и всю поверхность окружающих бортов;
- дренажная система образована нижней подушкой из бентонито-гравийной смеси, дренажным фильтром из проницаемого кислотостойкого листового материала и песчаным слоем;
- укрывная пленка верхнего защитного инженерного барьера хранилища прилегает к покрывной пленке нижнего защитного инженерного барьера по внешней поверхности бортов углубления ложа;
- наличие многофункциональной технологической системы мониторинга и обслуживания, образованной верхним и нижним рядами труб, снабженных запорно-соединительными устройствами и датчиками мониторинга.
Таким образом, заявляемое хранилище радиоактивных отходов обеспечивает повышение экологической и эксплуатационной безопасности при обращении с радиоактивными отходами путем применения надежной и контролируемой мультибарьерной защиты окружающей среды, исключающей возможность миграции радионуклидов в окружающую среду, а также расширяет область применения хранилища приповерхностного типа, делая возможным его использование для локализации как ОНАО, так и НАО.
Предлагаемое хранилище радиоактивных отходов представлено на фигурах 1 и 2, где на фиг. 1 - вид хранилища радиоактивных отходов в разрезе, а на фиг. 2 - вид хранилища радиоактивных отходов по стрелке А (вид с верху).
Хранилище радиоактивных отходов включает: нижний защитный инженерный барьер, образованный железобетонным основанием 1, ложем 2 из прессованной глины пониженной проницаемости с выполненным в его центральной части углублением 3, окруженным бортами 4, при этом дно углубления 3 выполнено с уклоном, покрывную пленку 5 из высокоплотного полиэтилена или другого долговечного, прочного и кислотостойкого материала (например, из геомембранной пленки), перекрывающую дно углубления 3 и все поверхности бортов 4 непосредственно до железобетонного основания 1, дренажную систему, образованную нижней подушкой 6 из бентонито-гравийной смеси, дренажным фильтром 7 из проницаемого кислотостойкого листового материала (например, из геотекстиля) и дренажным песчаным слоем 8; НАО 9 и ОНАО 10, размещенные в центре дренажного песчаного слоя 8; верхний защитный инженерный барьер, образованный верхней подушкой 11 из бентонито-гравийной смеси, укрывной пленкой 12 из высокоплотного полиэтилена или другого долговечного, прочного и кислотостойкого материала (например из геомембранной пленки), и верхнего покрытия 13 выполненного из щебня, при этом укрывная пленка 12 перекрывает верхнюю подушку 11 и плотно прилегает в местах контакта к покрывной пленке 5, закрывая вторым слоем внешние поверхности бортов 4 до железобетонного основания 1 и систему доступа во внутреннее пространство хранилища - многофункциональную технологическую систему мониторинга и обслуживания, образованную двумя рядами труб перфорированных в зоне углубления 3 ложа 2 и расположенных на разных уровнях, при этом трубы верхнего ряда 14 расположены над отходами НАО 9 и ОНАО 10 и снабжены на выступающих за пределы хранилища концах запорно-соединительными устройствами 15, а трубы нижнего ряда 16 расположены под НАО 9 и ОНАО 10 и снабжены на выступающих за пределы хранилища концах датчиками 17 и запорно-соединительными устройствами 18, при этом перфорация на трубах нижнего ряда 16 может быть выполнена как по нижней поверхности, так и по верхней поверхности. Запорно-соединительные устройства 15 и 18 многофункциональной технологической системы мониторинга и обслуживания обеспечивают возможность присоединения к трубам верхнего ряда 14 и нижнего ряда 16 откачных и нагнетательных устройств (на фигурах не показаны).
Хранилище радиоактивных отходов используется следующим образом - после сооружения нижнего защитного инженерного барьера, включающего железобетонное основание 1, ложе 2, и укладки покрывной пленки 5 производится размещение труб нижнего ряда 16 с запорно-соединительными устройствами 18 и датчиками 17, осуществляется создание нижней подушки 6 из бентонито-гравийной смеси, укладка дренажного фильтра 7 и отсыпка дренажного песчаного слоя 8. На дренажный песчаный слой 8 осуществляется загрузка радиоактивных отходов, при этом НАО 9 размещаются в центральной части песчаного дренажного слоя 8, а ОНАО 10 размещаются сверху и по периферии НАО 9 (по направлению к центру ложа 2 уровень активности размещаемых отходов повышается), над ними устанавливаются трубы верхнего ряда 14, а затем создается верхний защитный инженерный барьер, путем отсыпки и образования верхней подушки 11, укладка укрывной пленки 12 и отсыпка верхнего покрытия 13.
Мониторинг внутреннего объема хранилища осуществляться как в автоматическом дистанционном режиме путем подключения к датчикам 17 стационарных считывающих устройств и передачи полученных результатов в централизованный пункт контроля радиационной ситуации на площадке размещения хранилища (на фигурах не показано), так и в ручном режиме - с подключением к датчикам 17 носимых считывающих приборов.
При установлении наличия воды в трубах нижнего ряда 16 и соответственно обводненности углубления 3 ложа 2, к запорно-соединительным устройствам 18 труб нижнего ряда 16 присоединяются шланги откачной системы (на фигурах не показана), и осуществляется организованный слив (откачка) воды из углубления 3 в специальные емкости, предназначенные для сбора жидких радиоактивных отходов.
В случае систематической обводненности углубления 3 ложа 2 и выявлении нарушений целостности барьеров инженерной защиты проводятся восстановительные работы. В зависимости от вида НАО 9 и ОНАО 10, типа их упаковок и их радиационных характеристик, восстановительные работы могут производиться путем их омоноличивания или выщелачивания. Омоноличивание производится для предотвращения миграции радионуклидов в окружающую среду и осуществляется путем нагнетания омоноличивающего (цементного или другого связующего) раствора в ложе 2 по трубам нижнего ряда 16 через запорно-соединительные устройства 18. Выщелачивание производится для сокращения сроков хранения НАО 9 и ОНАО 10 и осуществляется путем нагнетания по трубам верхнего ряда 14 выщелачивающего раствора во внутреннюю полость хранилища, взаимодействия этого раствора с НАО 9 и ОНАО 10, перехода радионуклидов в выщелачивающий раствор и выведения обогащенного радионуклидами раствора по трубам нижнего ряда 16 за пределы хранилища.
Замещение локализованных в хранилище радиоактивных отходов после их выведения из категории РАО, подпадающих под регулирующий контроль, осуществляется путем разборки верхнего покрытия 13, демонтажа укрывной пленки 12, удаления труб верхнего ряда 14, полного или частичного съема верхней подушки 11, удаления замещаемых отходов с дренажного песчаного слоя 8 и размещения на их месте новой партии НАО 9 и ОНАО 10, над которой вновь создается верхний инженерный защитный барьер с восстановлением многофункциональной технологической системы мониторинга и обслуживания.
При выводе хранилища из эксплуатации осуществляются работы по демонтажу всех элементов верхнего и нижнего инженерных защитных барьеров и многофункциональной технологической системы мониторинга и обслуживания, место расположения хранилища радиоактивных отходов дезактивируется и озеленяется.
В результате проведенного анализа проектируемых и существующих хранилищ радиоактивных отходов низкого и очень низкого уровней активности приповерхностного типа и моделирования процессов функционирования инженерных барьеров этих хранилищ было установлено, что хранилище радиоактивных отходов с предложенной системой обеспечения экологической безопасности обеспечивает значительное повышение экологической безопасности локализации радиоактивных отходов указанной активности.