CC BY
7Статья поступила в редакцию 22.02.10. Ред. рег. № 736
The article has entered in publishing office 22.02.10. Ed. reg. No. 736
УДК 661.039.7
ПРИМЕНЕНИЕ ПРИНЦИПА ВЛОЖЕННОСТИ ПРИ ЗАХОРОНЕНИИ РАО
12 1 И.В. Узикова , В.А. Узиков , И.Г. Меринов
Национальный исследовательский ядерный университет (Московский инженерно-физический институт) 115409 Москва, Каширское ш., д. 31, Тел. (495) 323-90-49, e-mail: upu6ka@list.ru; igmerinov@mephi.ru Научно-исследовательский институт атомных реакторов 433510 Ульяновская обл., Димитровград-10 Тел. 89265238295, e-mail: uzikov62@mail.ru
Заключение совета рецензентов: 01.03.10 Заключение совета экспертов: 06.03.10 Принято к публикации: 10.03.10
В работе рассматривается схема захоронения радиоактивных отходов (РАО) в цементной матрице (компаунде), заключающаяся в применении принципа «вложенности». Предложенный принцип состоит в том, что при заполнении долговременного монолитного хранилища РАО компаундом активность цементных включений убывает по мере удаления от центра монолитного сооружения. Внешние слои цементного компаунда с меньшей радиоактивностью служат радиационным барьером для внутренних слоев компаунда с более высокой активностью. Все сооружение окружено чистой бетонной оболочкой. Рассмотрен механизм отвода избыточного тепла для поддержания нормального температурного режима в течение длительного периода времени существования сооружения.
Ключевые слова: РАО, цементирование, способ захоронения, долговременное хранилище РАО, цементный компаунд.
APPLYING THE PRINCIPLE OF NESTING IN THE DISPOSAL OF RADIOACTIVE WASTES
I.V. Uzikova1, V.A. Uzikov2,1.G. Merinov1
'National Research Nuclear University (Moscow Engineering-Physical Institute) 31 Kashirskoye road, Moscow, 115409, Russia Tel. (495) 323-90-49, e-mail: upu6ka@list.ru; igmerinov@mephi.ru 2Scientific Research Institute of Nuclear Reactors Dimitrovgrad-10, Uljanovsk reg., 433510, Russia Tel. 89265238295, e-mail: uzikov62@mail.ru
Referred: 01.03.10 Expertise: 06.03.10 Accepted: 10.03.10
This investigation looks at the pattern of radioactive waste (RAW) disposal in the cement matrix (compound). The pattern is based on the principle of "nesting". This principle implies that when the long-term storage is filled with RAW compound, the activity of cement inclusions decreases with the increase of the distance from the center of the monolithic structure. Outer layers of the cement compound with lower radioactivity serve as the radiation barrier for the inner layers of the compound having greater potency. All the construction is surrounded by a clean concrete shell. The pattern of removal of odd heat in order to maintain normal temperature during a long period of the storage existence is also considered.
Сведения об авторе: студентка Национального исследовательского ядерного университета (Московского инженерно-физического института).
Область научных интересов: моделирование и расчет тепло-гидравлических процессов в различных программных пакетах.
Публикации: нет
Сведения об авторе: Национальный исследовательский ядерный университет (Московский инженерно-физический институт). Доцент, канд. техн. наук.
Область научных интересов: моделирование и расчет теплогид-равлических процессов в различных программных пакетах.
Публикации: около 80.
Ирина Витальевна Узикова
Игорь Геннадьевич Меринов
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 2 (82) 2010 © Научно-технический центр «TATA», 2010
Виталий Алексеевич Узиков
Сведения об авторе: старший научный сотрудник ГНЦ НИИАР.
Образование: Уральский политехнический институт, физико-технический факультет, специальность «ядерные энергетические установки», инженер-физик.
Область научных интересов: создание пассивных систем безопасности для ядерных энергетических установок, пассивных устройств, регулирующих расход жидкости, дистанционных разъемных устройств трубопроводов, а также измерительных устройств.
Публикации: 40.
Основной целью, которая должна быть достигнута при обращении с радиоактивными отходами (РАО), является охрана здоровья человека и обеспечение безопасности для окружающей среды как в настоящее время, так и для будущих поколений.
Основные принципы обращения с РАО сформулированы в [1, 2]. В них заложена концепция системного подхода, заключающегося в том, что все стадии представляют собой элементы общей системы. Однако применение в реальной практике дорогих транспортных контейнеров одноразового использования для хранения компаунда с РАО, срок жизни которых существенно меньше требуемого времени выдержки, не позволяет решить проблему без перекладывания бремени на будущие поколения, что противоречит одному из основных принципов. Кроме того, сложная и трудоемкая технологическая цепочка переработки РАО и обращения с упаковками на этапе их промежуточного хранения и последующего захоронения не очень хорошо согласуется с принципом ALARA (As Low As Reasonably Achievable или «так мало, как только возможно») -подходом к управлению риском в области радиационной безопасности, который подразумевает его максимальное снижение, достигаемое за счет реально имеющихся ресурсов. Применение принципа ALARA рекомендовано Международной комиссией по радиологической защите (ICRP) и МАГАТЭ, он включен и в российские нормы радиационной безопасности (НРБ-99) как принцип оптимизации доз.
Предлагаемый подход к организации обращения с РАО различного уровня активности заключается в отказе от использования для временного хранения компаунда с РАО упаковок (контейнеров), размещаемых во временных хранилищах, и переходе сразу к заключительному этапу в схеме обращения с отходами - захоронению компаунда в долговременном сооружении.
Современные подходы к вопросам захоронения РАО
Стратегия обращения с РАО постоянно развивается и пересматривается. Выбор стратегии и технологии утилизации радиоактивных отходов в разных странах определяется целым рядом специфических национальных факторов, таких как масштабы нацио-
нальной ядерной программы, соотношение наличных энергетических ресурсов и потребностей в энергии на перспективу, наличие дешевого ядерного топлива, особенности экономического развития страны, социально-политические факторы и др. [3].
В последнее время большинство зарубежных стран разрабатывают технологии, направленные на снижение объемов низко- и среднеактивных отходов и мобильности радионуклидов (отверждение, сжигание, прессование) с последующим захоронением их в упакованном виде в приповерхностных инженерных сооружениях [4]. Для высокоактивных отходов и отработавшего ядерного топлива (ОЯТ), как правило, в перспективе планируется захоронение в глубоких геологических формациях. При этом разные страны при разработке национальных программ захоронения ориентируются на различные вмещающие породы (соль, глина, вулканические туфы, граниты и другие кристаллические породы и т.п.).
В качестве наиболее приемлемого для целей захоронения высокоактивных РАО в настоящее время рассматривают варианты могильников в глубокоза-легающих геологических формациях. По мнению экспертов, этот вариант способен обеспечить надежную изоляцию в течение приемлемых (несколько тысячелетий) периодов времени.
В [3] отмечаются основные факторы, определяющие надежность захоронения РАО в геологических формациях:
1. Глубина залегания. Достаточной считается глубина 500-1000 м, что должно обеспечить надежный барьер между РАО и биосферой, а также защитить хранилище от непредвиденных внешних воздействий.
2. Характеристики вмещающей геологической формации. Основными характеристиками являются физические и геохимические свойства.
3. Тектоническая и сейсмическая устойчивость региона, в котором производится захоронение.
4. Гидрологический режим приповерхностных и грунтовых вод в районе размещения хранилища.
5. Выбор системы барьеров для надежной изоляции РАО и адекватной степени потенциальной безопасности захоронения РАО.
К сожалению, учитывая реальное расположение источников РАО, удовлетворить всем этим факторам надежности очень сложно, а чаще и невозможно.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 2 (82) 2010
© Scientific Technical Centre «TATA», 2010
Даже если и будет построено надежное подземное хранилище в удобном месте, остается вопрос транспортировки РАО к этому хранилищу, что является очень дорогим и опасным мероприятием.
С учетом экономических реалий долговременные хранилища для захоронения РАО лучше всего размещать в непосредственной близости от источника образования отходов. Это хранилище должно обладать элементами надежности глубинных захоронений, т.е. обеспечивать надежный долговременный барьер между РАО и биосферой.
Применение принципа вложенности при захоронении РАО
Для обеспечения надежности защиты биосферы от РАО при минимальных затратах предлагается применить зонный принцип вложенности (принцип «матрешек») при создании структуры могильника. Сама идея «зонности» размещения РАО в долговременном хранилище (могильнике) очень проста: чем ближе к центру хранилища, тем выше уровень активности захораниваемых отходов. В пользу осуществления такого принципа работает и факт соотношения между количеством низкоактивных, средне-активных и высокоактивных отходов: как правило, основную долю отходов составляют низкоактивные отходы, в меньших объемах производятся среднеак-тивные, и в еще меньших количествах производятся высокоактивные отходы. По предлагаемой технологии низко- и среденеактивные отходы затворяют в составе цементной матрицы (компаунда), жидкий раствор которого сразу после приготовления заливают послойно в ячейки хранилища (боксы). Процедура заливки проводится с учетом возможности отвода тепла, образующегося при гидратации цементного компаунда («схватывании» цемента).
Главной особенностью предлагаемого долговременного хранилища является принцип вложенности зон, предназначенных для захоронения РАО различного уровня активности, обеспечивающий много-барьерность системы защиты. Система захоронения РАО строится таким образом, чтобы снаружи сооружения находился чистый цементный монолит, а далее, приближаясь к центру, находятся монолиты из компаундов низкоактивных отходов (НАО) и сред-неактивных отходов (САО). В центре располагается область хранения высокоактивных отходов (ВАО), например, в остеклованном виде. Таким образом, менее активные кондиционированные отходы (компаунды) становятся барьером к распространению ионизирующих излучений и продуктов деления от более высокоактивных отходов. Предполагается, что массивность и конструктивные особенности такого монолитного сооружения обеспечат ненамного более худшую защиту от воздействия ВАО и САО на окружающую среду, чем изоляция этих отходов в инженерных сооружениях в стабильных геологических формациях на глубине нескольких сотен метров.
Другой особенностью предлагаемой схемы захоронения РАО является вид «упаковок» для хранения РАО после иммобилизации - монолитные блоки из цементного компаунда, облицованные оболочкой из коррозионно-стойкой стали, являющиеся частью несущих конструкций сооружения, т.е. предлагается размещение и хранение/захоронение радиоактивного компаунда не в контейнерах и упаковках, а в виде монолитных блоков, получающихся на месте хранения/захоронения путем непосредственной заливки раствора в полости (боксы) большого объема по специальной схеме, обеспечивающей предотвращение перегрева в монолите компаунда при «схватывании» цементной матрицы.
Долговечность монолитных сооружений доказана практикой. Одним из ярких примеров такого типа сооружений являются египетские пирамиды, существующие многие тысячелетия и сохранившиеся в достаточно хорошем состоянии. В то же время внутренность этих пирамид всегда была надежно защищена от внешнего проникновения.
Конструктивные особенности долговременного хранилища Вероятно, наименее затратный вариант предлагаемой технологии захоронения РАО - это строительство сухого приповерхностного хранилища, обеспечивающего надежную защиту от выхода опасных продуктов в биосферу и строгий контроль за целостностью барьеров безопасности.
Сооружение должно строиться вблизи источника радиоактивных отходов выше уровня грунтовых вод с чистыми защитными бетонными стенами и водонепроницаемым фундаментом. Чистые железобетонные конструкции отделяются от цементного компаунда с иммобилизованными РАО слоем коррозионно-стойкой стали. Внутренняя часть сооружения поделена на зоны хранения (захоронения отходов) непроницаемыми барьерами, как условно показано на рис. 1.
Чистый бетон
НАО
Рис. 1. Схема зонного принципа размещения РАО
в долговременном хранилище (могильнике) Fig. 1. The scheme of the principle of placing waste in the long-term storage (burial)
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 2 (82) 2010 © Научно-технический центр «TATA», 2010
В каждой зоне размещено определенное количество облицованных сталью полых боксов, предназначенных для заполнения цементным компаундом.
Объемы хранения должны рассчитываться с учетом как уже накопленных на обслуживаемом объекте РАО, так и прогнозируемых поступлений, исходя из возможного срока службы объекта - источника радиоактивных отходов.
Для предлагаемой технологии переработки РАО основным способом кондиционирования радиоактивных отходов является цементирование, т. е. затво-рение опасных веществ в химически устойчивую цементную матрицу (компаунд), выполненную в виде цементного блока, являющегося одновременно элементом несущей конструкции долговременного хранилища. Формирование блоков цементного компаунда проводится в течение длительного времени путем последовательного заполнения полых боксов. Длительность процедуры заливки боксов цементным компаундом при формировании блоков вызвана как необходимостью отвода тепла при гидратации цемента, так и снятием внутренних напряжений для создания благоприятных условий долговременного хранения (предотвращения появления трещин в монолитных блоках). Кроме того, растянутый во времени процесс заливки цементным компаундом создает благоприятные условия для технологии приготовления компаунда (качественного перемешивания) и контроля полученного продукта.
Технология послойной укладки свежеприготовленного жидкого компаунда в блок может осуществляться, например, при использовании мостовых кранов в автоматическом режиме. Узел приготовления (перемешивания) компаунда может размещаться на каретке мостового крана, а к этому узлу через гибкие шланги подводятся перемешиваемые компоненты -жидкие радиоактивные отходы (ЖРО) и цементная смесь в соответствии с принятой рецептурой. Кроме того, в узел перемешивания при приготовлении компаунда могут добавляться отработанные сорбенты и шламы, а также измельченные твердые радиоактивные отходы (ТРО), не подлежащие сжиганию и другим видам переработки.
После заполнения бокса компаундом до требуемого уровня производится либо его дозаливка до верхнего уровня чистой (не радиоактивной) цементной смесью (или бетоном), либо устанавливается бетонная крышка, а стыки герметизируются. В этом случае полученный блок цементного компаунда не приводит к переоблучению персонала (дозо-вым нагрузкам персонала сверх допустимых пределов), так как объемный источник излучения облицован со всех сторон «чистым» поглощающим материалом, значительно снижающим мощность излучения блока компаунда. Поэтому работы по демонтажу и переносу мостового крана с заполненного бокса на пустой бокс не должны вызывать затруднений.
Обеспечение теплового режима долговременного хранения РАО и водородной безопасности
В затвердевающем и затвердевшем цементном компаунде даже низкоактивных радиоактивных отходов (а тем более САО и ВАО) будет выделяться некоторое количество тепла, поэтому для предотвращения недопустимого перегрева цементной матрицы необходимо предусмотреть системы охлаждения монолита с использованием либо вентиляционных каналов (возможно, облицованных специальными материалами), либо теплопроводящих элементов конструкций (например, стальных). В качестве последних могут использоваться металлические радиоактивные отходы, укладываемые при заливке цементного компаунда в бокс.
Особенно интенсивно тепловыделение в компаунде происходит в первые часы и дни после заливки при затвердевании компаунда в результате гидратации цемента с водой. Для массивных блоков, с учетом плохой теплопроводности цементного компаунда, этот разогрев может достичь опасных значений, превышающих температуру кипения воды, что в условиях наличия некоторого количества несвязанной воды может привести к нежелательным последствиям с растрескиванием монолита и выходом части радиоактивных продуктов из блока. Поэтому предлагается схема послойной заливки цементным компаундом, учитывающая теплосъем от твердеющего слоя со свободной поверхности путем естественной конвекции воздуха.
По прошествии определенного времени после заливки цементного компаунда основную долю тепловыделения в массиве блока начинает составлять не тепло, выделяемое при гидратации, а тепло, генерируемое в результате радиоактивного распада частиц. Несмотря на незначительность абсолютных значений объемного тепловыделения в матрицах для средне- и низкоактивных РАО, при их длительном хранении теплоизоляционные свойства материала компаунда могут привести к опасному нагреву блоков, ведущему к растрескиванию и температурным деформациям конструкций сооружения. Поэтому одной из важнейших сторон проектирования подобного хранилища является обеспечение безопасных температурных режимов эксплуатации сооружения, что достигается системой вентиляционных каналов.
Систему охлаждающей вентиляции следует строить так, чтобы она могла работать без энергопитания, на принципе естественной конвекции. Трубопроводы (каналы) системы охлаждающей вентиляции должны быть защищены от проникновения в них радиоактивных газов. На выходе вентиляционных газов в атмосферу устанавливается система фильтров.
Особую проблему составляет обеспечение водородной безопасности долговременного хранилища. Водород - крайне летучее вещество, способное проникать сквозь многие материалы. Накапливание водорода в свободных полостях сверх допустимых
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 2 (82) 2010
© Scientific Technical Centre «TATA», 2010
пределов несет опасность взрыва. Естественная вентиляция проходов и помещений в хранилище организуется так, чтобы отсутствовали застойные зоны (полости), где мог бы накапливаться водород. Таким образом, при сплошном заполнении компаундом полостей в хранилище/могильнике попутно решается проблема водородной безопасности - то его небольшое количество, которое образуется в результате радиолиза воды, либо мигрирует в матрице, либо проходит через барьеры защиты и уходит в атмосферу.
Оценка температурных режимов в предлагаемом сооружении при радиационном энерговыделении Теплофизические параметры материалов компаунда, сооружения и грунта, принятые при оценочном расчете радиационного разогрева при длительном хранении РАО, приведены в таблице.
Теплофизические параметры цементного компаунда, материалов хранилища и грунта Thermal parameters of the cement compound, material storage and soil
Материал Плотность, р, кг/м3 Удельная теплоемкость, С Дж/(кг-град) Коэффициент теплопроводности, X, Вт/(м3-град)
Компаунд 1800 840 0,76
Стены и фундамент (бетон) 2500 840 1,9
Керамзит 550 840 0,12
Грунт 1600 840 0,75
Наибольшую проблему при реализации предлагаемого проекта представляет разогрев компаунда при заливке бокса за счет гидратации цемента. При полной гидратации в течение длительного времени в компаунде выделится около 300 Дж/г(компаунда) тепла, причем в течение первых суток выделится около половины этого количества тепла, в течение 7 суток - около 75%, в течение 28 суток - около 90%, и почти полное выделение тепла произойдет в течение 2-3 лет.
При таком режиме энерговыделение в компаунде будет изменяться так, как это показано на рис. 2 (логарифмическая шкала).
Для снижения влияния разогрева компаунда за счет гидратации при послойной заливке бокса время наложения слоя должно быть максимальным, то есть при наложении верхнего слоя в нижележащем слое уже должна успеть выделиться основная часть тепла гидратации и произойти остывание за счет отдачи тепла от поверхности в окружающую среду.
Рис. 2. Временная зависимость изменения удельного энерговыделения в компаунде при гидратации цемента Fig. 2. Time dependence of changes in specific energy in the compound during the hydration of cement
Это условие проще выполнить, если поперечные размеры бокса, а следовательно, и площадь заливки, достаточно большие. Так как укладка компаунда должна производиться с использованием мостовых кранов (кран-балок), размеры боксов лучше делать вытянутыми в одном из направлений. Исходя из стандартных размеров кран-балки 20 м, размеры бокса могут, например, составлять 20*50 м (рис. 3).
Установка Каретка с приготовления подвеской
Бетонное основание Слой керамзита
Слой грунта Подземные воды
Рис. 3. Внешний вид моделируемого бокса при укладке
слоя компаунда с указанием расчетного сечения Fig. 3. The appearance of the simulated box while laying a layer compound with an indication of the calculated cross
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 2 (82) 2010 © Научно-технический центр «TATA», 2010
В этом случае площадь заливки равна 1000 м . Исходя из производительности по компаунду 0,2 м3/ч, продолжительность укладки слоя толщиной 0,2 м будет составлять 1000 часов, или 41,7 суток. Этого времени достаточно, чтобы выделилось свыше 90% тепла от гидратации и произошло остывание слоя. При таком режиме работы бокс с высотой заполнения 3 м и полезным объемом 3000 м3 будет наполнен 15-ю слоями компаунда за 625 суток.
Нестационарный расчет температурного режима при послойной укладке компаунда в боксе с размерами 20^50 м проведен с применением программы ЛК8У8. Рассмотрим моделирующую бокс нижнего яруса ячейку с высотой наполнения компаунда 3 м (в случае многоярусного сооружения конвекция воздуха между ярусами создаст лучшие условия теплоотвода для верхних ярусов, чем для нижнего). Принимаем, что боксы нижнего яруса расположены на бетонной фундаментной плите основания толщиной 1,2 м, под которой находится слой керамзита толщиной 150 мм. Для расчета также примем, что на глубине 7,5 м от керамзитовой засыпки в почве протекают грунтовые воды с температурой 12° С. Сверху слои компаунда охлаждаются циркулирующим воздухом с температурой 20° С с ра-диационно-конвективным коэффициентом теплоотдачи 9 Вт/м2. Из условий консервативности расчета пренебрегаем вертикальными перетечками тепла по стальной облицовке помещения бокса с компаундом. Схема расчетной ячейки для проведения конечно-элементного анализа по программе Л№У8 представлена на рис. 4.
Слои компаунда
Стена бокса Основание бокса Слой керамзита
Грунт Граница омывания подземными водам1
Контрольная точка 7 Контрольная точка 6
Контрольная точка 5 Контрольная точка 4 Контрольная точка 3
Контрольная точка 2 Ось симметрии
Рис. 4. Схема расчетной ячейки для конечно-элементного теплового анализа в программе ANSYS с учетом осевой симметрии (указаны контрольные точки 2-7 для определения динамики изменения температур в компаунде - рис. 9) Fig. 4. The scheme of the computational cell for the thermal finite element analysis in program ANSYS, taking into account the axial symmetry (indicated by the reference points 2-7 to determine the dynamics of temperature change in the compound - Fig. 9)
Для расчета квазистационарного состояния при заливке последнего, верхнего слоя задаем энерговыделение по высоте залитого компаунда согласно зависимости, приведенной на рис. 2, исходя из периода слоя.
Соответствующее поле температур, обуславливаемое тепловыделением по высоте компаунда, теплоизоляционными свойствами материалов и принятыми граничными условиями сверху (радиационно-конвективное охлаждение воздухом) и снизу (охлаждение грунтовыми водами), приведено на рис. 5.
При заливке верхнего слоя компаунда и после заполнения бокса был проведен нестационарный тепловой анализ охлаждения компаунда при принятых граничных условиях для периода 16 месяцев. При расчете температурных полей в боксе, кроме тепла, выделяемого при гидратации, учитывалось радиационное энерговыделение в компаунде, принятое максимальным для РАО средней активности - 2 Вт/м3 ([1], с. 26).
45
ч: Р з ш
35
25
£
0,5
1,5 2 2,5 3 Уровень компаунда, м
Рис. 5. Распределение энерговыделения по высоте компаунда при заливке верхнего слоя Fig. 5. The distribution of energy on the height of filling compound at the upper layer
Полученные по программе ANSYS результаты расчетного нестационарного анализа температурных полей в боксе с поперечными размерами 20*50 м и высотой заполнения цементным компаундом 3 м показывают, что для РАО средней активности с тепловыделением 2 Вт/м3 при учете выделяющегося тепла при гидратации цемента максимальная температура в компаунде не превышает значений 70-80° С (рис. 6-9), что вполне безопасно для функционирования предлагаемого хранилища.
Рис. 6. Распределение квазистационарного поля температур по сечению расчетной ячейки (с учетом осевой
симметрии) на момент заливки верхнего слоя Fig. 6. Distribution of the quasi-stationary temperature field of the cross section of the computational cell (with axial symmetry) at the time of filling the upper layer
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 2 (82) 2010
© Scientific Technical Centre «TATA», 2010
0
SUB = 264 TIME = .261Е+07 TEMP (AVG) RSYS = 0 SMN = 12.103 SMX = 62.231
12.103U673 23.243 г8-В1334.3в2 38.952*5-522 5Ш2 56.66162 231
12.085 20559 29033 37 507 45.981
16.322 24.796 3327 41.744 50.219
sue = 528 TIME = .525E+07 TEMP (AVG) RSYS = 0 SMN = 12.101 SMX = 5Í.66
SUB - 1583 Т1МЁ = .168Ё*ОВ ! I TEMP (AVG) RSYS110 SMN = 12.08 SMX = -17,859
12.10117274 22.448 27,62132 794 37967 43.14 4a31353.48 59i66 b
SUB = 792 TIME = .789 E+07 TEMP (AVG) RSYS = 0 SMN — 12.096 SMX = 55.538
12.06 20.031 27.982 35932 43.883
16.055 24.006 31.957 39.908 47.859 f
12.096 16.92321.75 26.57731.404 36.23 41-057458845077155.538 c
12.07515 g21 19.566 23 31127'057 30.802 34 M738 29342 03345 784
SUB =2104 TIME = 210E+08 TEMP (AVG) RSYS = 0 SMN = 12. 071 SMX = 43.946
1г-Ш216.659 21'2272.794 30 3613í.929 39 495 d
'44.063 48'63kl98
12 071 15.61219 1 5422.69бгб'237 29.7793132136.ей240Пз,946 h
Рис. 7. Распределение поля температур по сечению расчетной ячейки (с учетом осевой симметрии) после заполнения бокса: а - через 1 месяц; b - через 2 месяца; c - через 3 месяца; d - через 4 месяца; e - через 5 месяцев; f- через 6 месяцев; g - через 7 месяцев; h - через 8 месяцев Fig. 7. Distribution of the temperature field over the cross section of calculation cell (with axial symmetry) after filling the box: a - after 1 month; b - 2 months; c - 3 months; d - 4 months; e - 5 months; f- 6 months; g - 7 months; h - 8 months
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 2 (82) 2010 © Научно-технический центр «TATA», 2010
a
e
9
SUB ^3166 UWE = 316E+0S TEMP IAVG) RSVS = 0 SMN = (2.057 SMX = 3B.07B
12 057 14.94817 839 20.7323 62226 513 *38078
SUB = «15 TIME = 121 E«B TEMP (AVG) RSVS = 0 SMN = 12.046 ЗЩ-34.4«
12MW 1702519.51322 002 24.49 2&97fW^34444 b
Рис. 8. Распределение поля температур по сечению расчетной ячейки (с учетом осевой симметрии) после заполнения бокса: а - через 12 месяцев; b - через 16 месяцев Fig. 8. Distribution of the temperature field in the cross section of the computational cell (with axial symmetry) after filling the box: a - after 2 months; b - after 16 months
701-
2000 3000
Temp 2 'Temp 3 Temp 4 Temp 5
5000 Время x104, с
Рис. 9. Изменение температуры компаунда в контрольных точках (см. рис. 4) в течение 16 месяцев после заполнения бокса
Fig. 9. The changes of the compound temperature in control points (see Fig. 4) within 16 months after filling of the box
будет существенно ниже. Высокоактивные отходы, как правило, остекловываются, и отвод выделяющегося тепла можно производить системами спецвентиляции, проложенными в бетонном монолите, в котором размещены скважины-колодцы с размещенными в них контейнерами с ВАО.
Хранение/захоронение высокоактивных отходов (ВАО) в предлагаемом сооружении предполагается в центральной части хранилища, например, по известной схеме ([1], с.172). Места хранения этих отходов имеют вид скважин-колодцев глубиной 4 м, диаметром от 200 до 400 мм, расположенных в бетонном монолите и закрытых железобетонными пробками высотой 0,9 м. Расстояние между хранилищами в монолите - 0,5 м (рис. 10). Так как эта схема хранения ВАО известна, отработана и широко применяется, дополнительные тепловые расчеты не приводятся.
Рис. 10. Хранилище для высокоактивных отходов:
1 - хранилище для упаковок диаметром 200 мм;
2 - хранилище для упаковок диаметром 300 мм;
3 - хранилище для упаковок диаметром 400 мм,
4 - бетонный монолит Fig. 10. The storage for high level wastes: 1 - a storage for packages of 200 mm diameter; 2 - a storage for packages with a diameter of 300 mm; 3 - a storage for packages with a diameter of 400 mm; 4 - concrete post
Проведенные расчетные оценки показали возможность реализации представленной технологии послойной заливки боксов цементным компаундом. Температура компаунда при затвердевании для правильно подобранного режима заливки может не превышать 80° С. Таким образом, можно сказать, что представленная технология долговременного хранения РАО осуществима на практике и обладает высоким уровнем безопасности.
Для экономии территории, занятой под могильник, долговременное хранилище может быть многоуровневым, т.е. при заполнении одного уровня (этажа) цементным компаундом он становится надежным фундаментом для следующего уровня и т. д.
Заключение
а
Тепловой расчет для компаунда с низкоактивными отходами можно не проводить, так как из-за малого радиационного тепловыделения разогрев в нем
Расчетные оценки предлагаемой технологии показывают, что можно решить проблему иммобилизации и захоронения большинства видов РАО с мини-
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 2 (82) 2010
© Scientific Technical Centre «TATA», 2010
мальными затратами, так как утилизируемая среда, затворенная в цементную матрицу, практически используется в качестве строительного материала и сама создает защитные барьеры, в первую очередь для более высокоактивных отходов. Многобарьер-ность системы изоляции РАО обеспечивается взаимным расположением кондиционированных отходов, когда матричный материал менее активных РАО служит барьером, предотвращающим или сдерживающим миграцию радионуклидов из матричного материала более высокоактивных РАО. Сбалансированное сочетание компонентов такой многобарьерной системы делает ее приемлемой для надежной изоляции РАО и обеспечивает безопасность для их хранения/захоронения.
Преимущества предлагаемой схемы обращения с РАО:
1. Решение проблем без перекладывания на будущие поколения.
2. Многобарьерность защиты от выхода активности.
3. Относительно низкая стоимость технологии при ее простоте.
4. Высокая степень защиты от внешних воздействий.
5. Комплексность хранилища.
6. Долговременность.
7. Относительная компактность (высокая емкость РАО на единицу площади хранилища).
8. Высокая степень автономности - возможность эксплуатации сооружения без подвода энергии извне.
9. Применение отработанных методов кондиционирования РАО.
10. Простота сооружения и низкие затраты на обслуживание.
11. Контролируемость защитных барьеров.
12. Ремонтопригодность сооружения.
13. Возможность автоматизации процесса обращения с РАО и, соответственно, низкие дозовые нагрузки на персонал.
В предлагаемой концепции приповерхностного хранения/захоронения РАО с различной степенью активности предполагается использование только проверенных способов кондиционирования, т. е. затраты на научно-исследовательские работы могут быть минимальны.
Список литературы
1. Технологические и организационные аспекты обращения с радиоактивными отходами, МАГАТЭ, ВЕНА, 2005, IAEA-TCS-27.
2. International Atomic Energy Agency, The Principies of Radioactive Waste Management, Safety Series, No. 111-F, IAEA, Vienna (1996).
3. Обращение с радиоактивными отходами в России и странах с развитой атомной энергетикой: под общ. ред. В.А.Василенко. СПб.: ООО «НИЦ «Мо-ринтех», 2005.
4. Дмитриев С.А., Баринов А.С. и др. Технологические основы системы управления радиоактивными отходами. М.: ГУП МосНПО Радон, 2007.
Л г г а- Л í -i 1
10TH INTERNATIONAL CONFERENCE ON GREENHOUSE GAS CONTROL TECHNOLOGIES
Amsterdam, The Netherlands. 19-23 September 2010
Chair: Wim Turkenburg - Utrecht University, NL
Vice-Chair: John Gale - IEA Greenhouse Gas R&D Programme, UK and Editor-in-Chief of the International Journal of Greenhouse Gas Control
GHGT-10 aims to build upon the long tradition established in the conferences series. In particular, the conference aims to identify the progress made against the research agenda identified at GHGT-9 in Washington D.C. in 2008 and set the technical agenda for the coming years. The objective of GHGT-10 is to bring together all stakeholders involved in the field of CCS to present and discuss new insights, experiences, needs, developments and options in GHG emission reduction, from theory to experiment, from research to demonstration, from investment to deployment, from potential to risk, from cost to acceptance, and from policies to opportunities.
Deadline for abstracts submission: Tuesday 15 December 2009
For more information email: ghgt10@ghgt.info
Download the Call for Papers: www.ieagreen.org.uk/GHGT_10_CFP_web.pdf
Visit the conference website: www.ghgt.info/ghgt10.html
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 2 (82) 2010 © Научно-технический центр «TATA», 2010
