CN109891046B - 用于在核电设施处核材料就地处理与控制的应急方法和系统 - Google Patents

Abstract

一种在紧急情况时安全地隔离可移动的放射性物质的系统和方法，包括一位于极接近处并位于一足够的深度处以安全地隔离物质的钻井。已经或预先准备好的垂直定向的重力裂缝被定位在钻井的底端，其中可移动的放射性物质在紧急情况时进入重力裂缝中。在放射性物质正被处理时，稠密的浆体或流体可与可移动的放射性物质混合以建立或传播重力裂缝。

Description

用于在核电设施处核材料就地处理与控制的应急方法和系统

技术领域

本发明涉及有害物质和核废料处理，尤其是涉及在正常操作时和紧急情况时放射性物质的现场实时处理。

背景技术

当核反应堆堆芯过热到至少一个核燃料元件或棒超过其熔点时，核燃料和核裂变产物可能暴露在冷却水中而导致爆炸。随后的故障可导致这些放射性物质破坏安全壳的其他层，并被运输到周围环境中。

在发生过热情况或熔化情况时，通常就地采用应急措施来控制放射性物质的扩散。但是，当紧急情况发生时，这些措施都不能立即实时地就地处理该物质。

目前正在开发用于待在深钻井(15000ft或4572m)被处理的核材料或废料的计划，但所述废料首先被放入专用的安全壳中，然后安全壳被沉入钻井中并接合在里面。这种方法被认为是一种将废料与人类或生态系统隔离的方法，但安全壳的使用使其不适合紧急情况。此外，钻井一旦被接合就不能重复使用。

发明内容

一种就地处理系统和方法使用了一位于接近于污染源或放射性物质源(例如但不限于反应堆堆芯或现有的核废料处理场)处的钻井。钻井被钻孔至以可接受的岩石(例如但不限于花岗岩和片麻岩)中，并位于一足够的深度处以安全地将放射性物质与环境以及泄露到所述钻井中的任何潜在的水源隔离。所述系统和方法被布置使得反应堆堆芯和钻井之间不需要离场运输。即使电力或其他供电不可用时，所述系统的设计也能够起作用。

所述系统和方法的优选实施例旨在于钻井中隔离热固体或流体、水、或者流体或细粒的固体、或者这些材料的组合。在一优选实施例中，一完全被包住的钻井被多孔材料部分地填充，而且一泵被用于保持上述多孔材料干燥。这提供了干燥的钻井，其中熔化的物质可被放置至其中以安全地将熔化的物质与环境隔离，并阻止或降低蒸汽爆炸的危险。

在另一优选实施例中，一具有泵的包装机被用于保持可放置熔化的物质的干燥的钻井。砂砾或其他合适的材料可被放置在封隔器的顶部，以建立熔化的物质的向下移动的隔离屏障。

在又一优选实施例中，钻井的套管被穿孔，且穿孔与诸如水能够容易流动的天然砂层或砂砾填充的水力压裂的可渗透区相交。该实施例可被用于安全地隔离污水，并可被用于在紧急情况时足够快速地处理所述水以阻止污染环境。

在又一个优选实施例中，在岩层中的重力裂缝位于或朝向钻井的底端，其中放射性物质进入重力裂缝，并且可选地，由于密度效应而进一步向下传播重力裂缝。

在另一优选实施例中，在放射性物质正被处理时，与放射性物质混合的稠密的浆体或流体建立和传播重力裂缝。

钻井可选地包括沿其长度的至少一部分被定位的加热装置，以阻止熔化的物质过早固化。

本发明的目的包括提供一种系统和方法，(1)其就地与地下处理和容纳放射性物质，从而消除了将物质转移至场外的需要；(2)将所述物质从其源头移除——例如但不限于反应堆堆芯——并将所述物质输送至一位于所述源头附近的深钻井中；(3)其随时可用且迅速的用于紧急情况的处理和所述物质的安全的地下隔离；(4)安全地使热固体或流体、水、或者流体或细粒的固体与环境下层隔离；(5)不需要电源来处理所述物质；(6)降低或消除在处理时的蒸汽的产生与爆炸的危险；(7)控制在处理时的所述物质的粘度和温度；(8)适应被储存在现场的其他放射性废料的处理，例如但不限于预先被储存在玻璃容器中的废料；(9)利用已准备好的(预先、在紧急情况发生之前)重力裂缝或在处理时建立重力裂缝；(10)在处理之前不需要将所述物质放置在安全壳中；以及(11)能够使用监测井进行监测。

附图说明

图1是用于在核电设施处核材料的就地处理与控制的应急方法和系统的一优选实施例的示意图。在底部具有砂砾的完全被包住的钻井被建立。一抽水装置可被用于移除水并在水有通道进入钻井的情况下保持钻井干燥。注意，在该实施例和其他实施例中，在套管或钻井下方可能存在开孔或腔室。在紧急情况时所产生的热物质被输送至钻井中以在紧急情况时将其隔离。钻井被保持干燥以消除在热物质接触水时产生蒸汽的机会。

图2是另一优选实施例的示意图。钻井是穿孔的并与被支撑的水力压裂相交。或者，钻井与具有足够渗透性的深地质构造相交以接受被处理的水。在紧急情况中，污水被导入钻井中。在失去动力的情况下，水可通过重力流入钻井中，或者它可被泵入钻井中。除了图1的钻井之外，该钻井可以是第二就地钻井。污水可以是从图1的钻井被泵出的水。

图3示出了另一优选实施例。作为稠密流体的放射性物质的处理被引入钻井中并产生向下延伸的重力裂缝。该重力裂缝可变得足够长以独立地向下传播。钻井孔的底部和重力裂缝的顶部足够深以确保岩石中的应力状态，使得重力裂缝的方向是垂直(或者几乎垂直)的。传统的水力压裂也可以与重力裂缝结合使用，例如，以用于产生用于重力裂缝的“缺口”或“开端”。

图4是包括具有被支撑的重力裂缝的钻井的另一优选实施例的示意图，被支撑的重力裂缝形成在钻井下方延伸的透水层。水被引入钻井中，并随后被引入重力裂缝和包络构造中。该实施例将允许水在紧急情况时被快速隔离，以便阻止污染物在近表面环境中传播。

图5A是一实施例的示意图，其中用于紧急隔离热物质的钻井靠近反应器或物质的另一潜在源。在紧急情况时，物质将被输送至钻井中用于隔离。

图5B是一实施例的示意图，其中热物质或水可以通过重力或无需供电的其他方式流入至钻井中。钻井被直接放置在污染物质或放射性物质源的下方或接近于污染物质或放射性物质源。

图6示出了接近于潜在污染源或在潜在污染源(例如但不限于核反应堆)下方的两个钻井。钻井被用于紧急隔离危险物质。一个钻井被保持干燥并用于隔离热物质。另一个钻井与水力压裂或具有足够渗透性的地质构造相交，以允许水足够快地流入其中，以便在紧急情况时被隔离。

附图标记

10 系统及其使用方法

20 钻井(或钻孔或钻井孔)

21 套管

23 穿孔

25 20的底部或底端

27 泵或人工提升装置

29 多孔材料(例如砂砾层或其等效物)

31 29的顶端

40 重力裂缝

M 热物质

R 反应堆或放射性物质源

S 稠密浆体或流体

W 水

定义

为了本发明的目的，如下定义被应用：

钻井——在地下被开凿或钻出的孔，且其可以是无套管的，也可以是完全或部分套管的。深钻井被钻孔到含水土层深度以下的安全深度，优选地到至少10000ft(3048m)的深度，甚至优选更深到15000ft(4572m)。

输送——通过不同于有轨或机动工具的方式将放射性物质从其源头运输至钻井。导管或管道系统是非轨道或非机动方式的一个示例。输送还可包括将物质沉入钻井中。

重力裂缝——在岩层中的垂直(或者接近垂直)的裂缝，起始于钻井的底端、当前重力裂缝的底端、或者由现有水力压裂产生的缺口或开端处，仅由具有密度大于岩层的浆体或流体、或具有单位重量大于最小水平压缩原地应力的垂直梯度的浆体或流体引起。压力辅助重力裂缝是一种外部压力被施加至稠密浆体或流体的压裂。

紧急隔离——当紧急情况出现或当前应急控制措施被宣传无效或处于最大容量之前被采取或将被采取的措施。

安全隔离——通过在钻井中处理以将放射性物质从任何含水层或陆地环境隔开，放射性物质保留在钻井中、或重力裂缝、水平裂缝或在岩层内的孔隙空间中。

充分渗透性——在岩层内的孔隙空间或水力压裂允许离开被穿孔的钻井套管的水以预定的压力或流速进入地层或水力压裂，而不会导致钻井内的水位上升超过预定水平。

具体实施方式

用于核废料的就地处理与控制的系统和方法的优选实施例在近熔化或熔化情况下从反应堆堆芯移除核材料，并将所述材料放置在深地表下岩石以将其与环境和水源隔离，因为当(高热能)材料接触水时可导致蒸汽爆炸。

由热核材料接触水导致的蒸汽爆炸是切尔诺贝利和福岛事件时放射性传播的主要原因。从水源中分离热核材料降低了紧急情况时蒸汽爆炸的风险。

此外，反应堆中的核材料包含大量的放射性物质，这本身对人类和生态系统造成危险。将该放射性物质放置在深钻井中会将其与可能增加暴露至人类或生态系统的危险的路径隔离。例如，在紧急情况时，被放置在深钻井中的放射性物质与被允许保留在适当位置(例如，不是在钻井中)的相同的放射性物质相比能更好地与人类或环境的接触隔离。与将放射性物质放置在钻井中相关的风险能够被预先评估，以在紧急情况时提供改进和更快决策制定的架构。

优选地，一导管系统将放射性物质的源头与加压的流体或空气源连接，用于将放射性物质注入钻井中。在利用处于钻井底端的重力裂缝的实施例中，导管系统也可被连接至加重材料源，用于在钻井的底端产生比岩层更致密的稠密的流体或浆体。所述物质能够被沉入而不是泵入钻井中，而且无论泵入还是沉入，随后利用水泥或其等效物将钻井密封并阻止放射性物质逸出。

参考图1，系统和方法10利用由管体完全装套21的深钻井20以防止地下水流入。管体由钢或其他合适的材料制成。在水有通道进入钻井的路径的情况下，用于提升水的泵27或其他装置被安装在套管21的底端25，并且一层例如砂砾29的多孔材料被放置超过泵27。泵27被用于移除可能由冷凝或渗漏而聚积并通过钢管套管21或其他套管装置的水。

U形管系统也可用于从钻井20的底端25移除水。U形管可包括多个管和多个止回阀，管和止回阀被布置为在不需要供电的情况下提升水。U形管系统的一个示例可在B.M.弗赖费尔德等，U形管：一种用于从深地质CO₂隔离实验获取钻井流体样本的新系统，B10203J.地球物理研究快报.Res.(2005，vol.110)中找到，在此通过引入结合在本文中。

多孔材料或砂砾层29被用于限制热物质M的向下移动。砂砾层27的顶端31应安全地位于可能聚积在套管21的底端25中的任何水的上方，所以砂砾层27将热物质与水隔开一安全距离。现有技术中已知类型的热传计算可被用于确定该安全距离，并且结合被普遍接受的安全实践，确定层27的高度。

在紧急情况时，热物质M被引入干燥的钻井20中。这可以例如包括熔化、半熔化或固态热核燃料。热物质将通过重力被向下移位，而且将停留在砂砾层29的顶端31处。在所述物质被隔离之后，钻井20可被水泥或相关材料密封以进一步隔离所述热物质。

在热物质M冷却和固化之后，所述物质就地固定。现有技术中已知类型的加热装置可沿钻井20被放置，以控制物质的温度并确保任何熔化的物质不会在钻井中深度太浅处或太早固化。加热还提供了一选项以在处理过程中降低粘度或用于熔化物质。

在处理过程之前或在处理过程中，可在该钻井20下方建立重力裂缝40(参见例如图3)。钻井20可位于反应堆“R”旁边或直接位于反应堆R的下方(参见图5和图6)。一个监控井或多个监控井(未示出)可位于钻井20旁边。

在另一优选实施例中，在钻孔20上的套管21被穿孔以进入邻近(渗透性)地层(例如水能够容易流动的天然砂层或用砂填充的水力压裂)中的孔隙空间。该实施例被用于隔离污水并能够在紧急情况时快速处理它(参见例如图2、图3和图4)。钻井20现在充当一井。被放置在该井中的水“W”(或其他被污染的流体)从多个穿孔23流出并流入储存其的层。在套管21中的多个穿孔23将被定位得足够深，使得在该深度处被注入的水会被有效地与淡水含水层或陆地环境隔离。

以该方式被建立的钻井提供了用于在紧急情况时将水或其他流体与环境隔离的一装置。该钻井将被装配有一用于注入水的泵。一替代方案将允许水通过重力流入井中，而无需使用需要供电的泵。在使用操作泵所需的电力可能难以获得的情况下，这提供了用于在一紧急情况中移除和隔离水的系统和方法。所述水能够在紧急情况时或紧急情况之后很快被处理。另一紧急情况发生时，所述钻井能够被重复使用。

一水力压裂可被建立在钻井的底部，以提高被施加至井的每单位压力下进入地层的流速。污水或被污染的流体可被储存在地层内或水力压裂内或两者内。钻井和裂缝将足够深，使得任何水力压裂的方向将是垂直或几乎垂直的。

在其中一个实施例中，常规的水力压裂被砂砾支撑并横向传播(参见例如图2)。在另一实施例中，水力压裂被稠密流体填充，并且它作为重力裂缝40向下传播(参见图4)。在两种情况下，可渗透的水力压裂被建立以提高水在被施加至井的每单位压力下流出井的速度。

现在参考图3，所述系统和方法的另一实施例建立了一废料和加重材料所需的稠密浆体“S”，并且利用该混合物来建立从钻孔20的底部向下行进的重力裂缝40。这提供了一隔离固体或流体物质的结构。关于重力裂缝和稠密浆体或流体，该申请引用并入以下专利申请和专利的主题：2015年11月16日提交的申请号为14/942,643的美国专利申请，其为2013年12月26提交的申请号为14/129,504的美国专利申请(现为US9190181B2)的接续案，其要求了2012年6月29日提交的申请号为US2012/045084的PCT专利申请的优先权，该PCT专利申请要求了2011年6月29日提交的美国专利申请No.61/502,557的优先权。

固体物质将是足够小至进入重力裂缝40的小颗粒。流体物质可为液体金属或含有小的稠密的颗粒的浆体。液体金属可以是在反应堆中被使用的低熔点金属，例如用以传递热量。流体物质也可以是熔化的核燃料或在熔化时被释放的反应堆堆芯的其他组分。当液体金属的温度高于水的沸点时，钻井20需要是接近干燥的，以避免爆炸。

在该实施例中被使用的流体的密度优选地超过整个裂缝40上的岩石的密度。因此，加重材料被选择使得流体的密度超过包围重力裂缝40的岩层的密度(例如≥3.0g/cm³)。适于该目的的加重材料的类型在上面所引用的专利申请中被描述，在此通过引入结合在本文中。在要被处理的核材料是熔化金属的情况下，所述物质可足够重以在不用附加加重材料的情况下靠自身向下传播重力裂缝。在要被处理的物质包括污水的情况下，附加加重材料最有可能被需要。

所述过程可通过将附加的流体几次或多次放入井中被重复。附加的流体可使现有的重力裂缝膨胀或重新松动，或者其可建立新的重力裂缝。可通过稠密流体达到的最大深度仅受被处理的物质的重量和在深处裂缝传播的阻力的限制，但是其可超过数十公里。在涉及熔化的多种情况中，需要处理的物质的体积可将重力裂缝的传播深度限制至小于数十公里或者甚至小于在钻井的底部以下一公里。

在存在两次或更多次注入(处理)时，则在第二次事件之前，在裂缝中的所述物质会是不动的。在这种情况下，附加的物质被注入钻井中，且第二重力裂缝穿过或沿原重力裂缝或者稍微远离它传播，但是依然向下传播。同一钻井或不同的钻井可在同一熔化或随后的熔化时被用于处理和再压裂。

在钻井的底部，一小狭槽可被切割或一小常规水力压裂可被形成，且被用作“缺口”或“开端”，以使其成为将由熔化的物质本身建立的重力裂缝的中心。这种起动缺口可通过其他方式建立，例如，水力喷射、热压裂或其他方式。常规的水力压裂可被预先建立以定位和引发由熔化的物质或相关的废料产生的水力压裂。

重力裂缝进一步向下传播，因为密度大于岩石的密度的稠密流体产生一应力强度，其足够导致在裂缝的下端前端的传播。这导致所述流体向下行进的绝对趋势，直至其不动。稠密流体可包含污水。

稠密流体流入预先存在的裂缝中，并且井中的液位下降。因为所述裂缝发展得比在井中的液位下降的速度更快，所以从所述裂缝的尖端至在井中的流体柱的顶部的总高度变长。这增加了驱动压力，并增加了随着在井中的流体通过重力排入所述裂缝中的进一步向下传播。

裂缝的垂直跨度继续增加，导致在裂缝的底部处的压力增加并确保继续向下的传播，甚至在所有流体已经从井被排入裂缝中之后。熔化的物质可在裂缝壁的部分上固化。

放射性物质在地下的几何形状可以是影响处理的安全性的因素。在薄层中的熔化的放射性物质的处理是优选的，因为远离薄层的热传递速度比其远离厚层或圆柱体的速度更快，而且这降低了在通过由于放射性衰变的能量释放导致的温度升高。限制温度变化将减少放射性物质附近的地下水的对流。使废料成为薄层的组成部分将也减少与核材料的相互作用，该相互作用导致或维持危险程度。将所述物质放置在一薄重力裂缝中将导致危险程度的降低，并有效地阻止熔化进行。

现在参考图5A，钻井20可位于反应堆R的附近，且物质M、S或W被输送到钻井用于紧急隔离。这将提供设置钻井20的最大灵活性。被加压的空气和其他的被加压的流体可被用于将被移除的核材料和污水沿管道或管道系统运输至钻井，其中根据需要其在注入之前与加重材料混合。化学推进剂可被用于将被移除的物质输送至钻井中。例如，被加压的空气或推进剂和加压材料可被就地放置，所以每个都在被需要时能够容易地使用。稠密流体可被侧向注入钻井中(包括在钻井的底部)，或者以其他方式注入。

在图5B中，钻井20位于接近于反应堆或潜在的污染源处或反应堆或潜在的污染源下方。所述极接近将有助于在紧急情况时将物质放置在钻井中。这可通过打开钻井并允许物质仅通过重力移动至钻井中来完成。利用泵或其他被设计的输送方法将物质放置在钻井中是优选的，但是这些方法可能在紧急情况时不能运行，例如当电力或其他电源不可用时。在极接近处设置钻井将有助于其在紧急情况时的使用。在反应堆正常运行期间，钻井可被结构板覆盖。

第二钻井也可位于反应堆旁边或附近，用于定期计划地处理核废料。这种相同的钻井可被用于处理预先被储存在玻璃安全壳中的物质，其中玻璃和物质被磨碎并在钻孔中被处理。所述物质的密度将使得重力压裂发生。

参考图6，在另一优选实施例中，至少两个钻孔20被使用。一个钻井可被用于固体物质，而另一个钻井用于流体。

用于在核电设施的核材料的就地处理和控制的系统和方法的优选实施例已经被描述和说明。本发明的系统和方法本身由以下权利要求限定。

Claims (12)

1.一种可移动的放射性材料的就地地下隔离的应急方法，所述可移动的放射性材料从所述可移动的放射性材料的源头进入至一钻井中，并从所述钻井进入至一第一人工的垂直定向的重力裂缝中；

所述钻井被定位在所述可移动的放射性材料的所述源头的附近，并与所述可移动的放射性材料的所述源头流动连通，且所述钻井位于一适于安全地隔离所述可移动的放射性材料的深度处；

一导管系统连接所述放射性材料的所述源头和所述钻井；以及

所述第一人工的垂直定向的重力裂缝位于一包围的岩层中，所述包围的岩层位于所述钻井的底端的下方且与所述钻井的底端连通；

所述方法包括：

在紧急情况时，将所述可移动的放射性材料从所述放射性材料的所述源头输送至所述导管系统，然后至所述钻井，其中所述可移动的放射性材料通过所述钻井进入所述第一人工的垂直定向的重力裂缝；

其中，在所述在紧急情况时，将所述可移动的放射性材料从所述放射性材料的所述源头（R）输送至所述钻井的步骤之前，所述第一人工的垂直定向的重力裂缝被形成在所述包围的岩层中，并能够接收在所述紧急情况时离开所述钻井的所述底端的所述可移动的放射性材料；

其中，所述第一人工的垂直定向的重力裂缝利用一包括加重材料的浆体制成，所述浆体比所述包围的岩层更致密且不包括所述可移动的放射性材料；

其中，所述方法进一步包括，将所述可移动的放射性材料的至少一部分与一加重材料混合以产生足够致密的一流体或浆体，以引起所述第一人工的垂直定向的重力裂缝的附加的垂直向下的传播。

2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括，输送步骤包括将所述可移动的放射性材料注入至所述钻井中。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，包含所述可移动的放射性材料的所述浆体具有一在所述包围的岩层中垂直向下行进的绝对趋势。

4.根据权利要求1所述的方法，进一步包括，在将所述可移动的放射性材料输送至所述钻井中之后，将附加的可移动的放射性材料输送至所述钻井中。

5.根据权利要求1所述的方法，进一步包括，在所述可移动的放射性材料行进通过所述钻井的至少一部分时，控制所述可移动的放射性材料的冷却速度。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述可移动的放射性材料包括熔化的材料、浆体和水溶液中的至少一种。

7.根据权利要求1所述的方法，进一步包括，在进入所述第一人工的垂直定向的重力裂缝时，将所述可移动的放射性材料的厚度减小至一裂缝厚度。

8.根据权利要求1所述的方法，进一步包括，在所述钻井的底端和所述第一人工的垂直定向的重力裂缝的顶端之间保持一无水区。

9.一种将来自于放射性材料的源头的可移动的放射性材料就地地下隔离的应急系统，所述系统包括：

一钻井，其被定位在所述可移动的放射性材料的所述源头的附近并与所述可移动的放射性材料的所述源头流动连通，所述钻井位于一适于安全地隔离所述可移动的放射性材料的深度处；

一连接所述放射性材料的所述源头和所述钻井的导管系统；以及

一已准备好的第一人工的垂直定向的重力裂缝，其位于一包围的岩层中，所述包围的岩层位于所述钻井的底端的下方且与所述钻井的底端连通，且所述第一人工的垂直定向的重力裂缝能够接收在紧急情况时离开所述钻井的所述底端的所述可移动的放射性材料，所述第一人工的垂直定向的重力裂缝利用一包括加重材料的浆体制成，所述浆体比所述包围的岩层更致密且不包括所述可移动的放射性材料；

其中，在所述紧急情况时，所述可移动的放射性材料进入所述钻井中，并从所述钻井进入所述第一人工的垂直定向的重力裂缝中；

其中，所述第一人工的垂直定向的重力裂缝被形成在在所述包围的岩层，以备在紧急情况时，将所述可移动的放射性材料从所述放射性材料的所述源头（R）输送至所述钻井；以及

其中，所述可移动的放射性材料的至少一部分与一加重材料混合以产生足够致密的一流体或浆体，以引起所述第一人工的垂直定向的重力裂缝的附加的垂直向下的传播。

10.根据权利要求9所述的系统，其中，包含所述可移动的放射性材料的所述浆体具有一在所述包围的岩层中垂直向下行进的绝对趋势。

11.根据权利要求9所述的系统，进一步包括，位于所述钻井的所述底端和所述第一人工的垂直定向的重力裂缝的顶端之间的多孔材料的层。

12.根据权利要求9所述的系统，进一步包括，位于所述钻井的所述底端和所述第一人工的垂直定向的重力裂缝的顶端之间的人工提升泵装置。

Images