RU2173490C1

RU2173490C1 - Method for disposal of radioactive and miscellaneous toxic liquid wastes

Info

Publication number: RU2173490C1
Application number: RU2000127261/06A
Authority: RU
Inventors: А.Д. Коробов; С.И. Солдаткин
Original assignee: Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского
Priority date: 2000-11-01
Filing date: 2000-11-01
Publication date: 2001-09-10

Abstract

FIELD: disposal of radioactive and toxic liquid wastes. SUBSTANCE: liquid wastes are buried deep in low-temperature geothermal system located in geotectonic magma activity areas and functioning within sour vitreous ash-and- pumice material at depth of 250-400 m. A number of shallow holes are drilled for waste disposal in zeolitized and argillized vitreous-cluster rock in vicinity of lateral geothermal water streams where there are no thermal water discharge surfaces. System includes network of radiation control stations and observation holes monitoring radiation situation and direction of geothermal water stream. Before pumping into hole wastes are turned to easily soluble state, then pumped into disposal area, and accumulated in this area to form secondary ore deposits. Materials possessing high sorbing and ion-exchange properties are used for accumulation; wastes are filtered by passing them through these materials and immobilized. EFFECT: facilitated procedure, enhanced reliability of radioactive waste disposal. 5 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области обезвреживания и захоронения радиоактивных и других токсичных жидких отходов. The invention relates to the field of neutralization and disposal of radioactive and other toxic liquid wastes.

Известен способ с выполнением полостей для захоронения радиоактивных отходов с заглушением в водоупорный грунт. В полости перед заполнением вводят цементную суспензию со вспененной гидрофобными пенообразователями глиной, вокруг полостей выполняют замкнутую щель, которую заполняют материалом, используемым для закрытия входных отверстий полостей (а.с. СССР N 1267974 МПК G 21 F 9/24). A known method with the implementation of the cavities for the disposal of radioactive waste with plugging in waterproof soil. Before filling, a cement slurry is introduced into the cavity with clay foamed with hydrophobic foaming agents, a closed slot is made around the cavities, which is filled with the material used to close the inlet openings of the cavities (AS USSR N 1267974 IPC G 21 F 9/24).

Известен способ захоронения радиоактивных жидких отходов в геологических формациях земной коры, состоящий в том, что с поверхности Земли бурят скважину, заглубленную в скальные породы. Способами развернутого бурения определяют в породах непроницаемые участки и участки вскрытия естественных трещин, закачивают содержащий радиоактивные отходя твердеющий раствор, например цементный. До отверждения раствора производят битумизацию скальных пород в зоне вскрытия. Нагнетание раствора осуществляют под давлением, не обеспечивающим опрессовки щелей и трещин, а битумизацию производят с их опрессовкой (а.с. СССР N 1340454 МПК G 21 F 9/24). A known method of burial of radioactive liquid waste in geological formations of the earth's crust, consisting in the fact that a borehole buried in rock is drilled from the Earth's surface. The methods of expanded drilling determine the impermeable sections and the sections of the opening of natural cracks in the rocks, injecting a radioactive waste hardening solution, for example cement. Prior to the curing of the solution, bituminous rocks are produced in the opening zone. The injection of the solution is carried out under pressure that does not provide pressure testing of cracks and cracks, and bitumenization is carried out with their pressure testing (AS USSR N 1340454 IPC G 21 F 9/24).

Известен также способ захоронения отходов, находящихся в водных растворах, с разбавлением этих растворов водой из пористой и находящейся под морским дном геологической формации и введением разбавленного раствора в ту же самую геологическую формацию (заявка Франции N 2545638 G 21 F 9/24). There is also a known method for the disposal of wastes in aqueous solutions by diluting these solutions with water from a porous and under the seabed geological formation and introducing a diluted solution into the same geological formation (French application N 2545638 G 21 F 9/24).

Недостатком указанных способов является то, что в случае физического или химического разрушения оболочки консервантов радиоактивные отходы сохраняют способность к миграции и рассеиванию в окружающей среде. The disadvantage of these methods is that in the case of physical or chemical destruction of the shell of preservatives, radioactive waste retains the ability to migrate and disperse in the environment.

Наиболее близким к предлагаемому является способ захоронения радиоактивных отходов в недрах высокотемпературной гидротермальной системы, расположенной в структуре андезитового стратовулкана островной вулканической дуги на глубине 2-4 км. Для захоронения используется система глубоких (2-4 км) скважин, пробуренных с монолитных трещиноватых блоках с интенсивным вторичным минералообразованием при температуре 300^o (см. патент РФ N 2001454 МПК G 21 F 9/24).Closest to the proposed is a method for the disposal of radioactive waste in the bowels of a high-temperature hydrothermal system located in the structure of the andesitic stratovolcano of an island volcanic arc at a depth of 2-4 km. For burial, a system of deep (2-4 km) wells drilled from monolithic fractured blocks with intensive secondary mineral formation at a temperature of 300 ^{o is used} (see RF patent N 2001454 IPC G 21 F 9/24).

Недостатками способа является следующее: 1. Высокая стоимость и сложность технологии бурения столь глубоких скважин. 2. Невозможность прогнозирования зон трещиноватости на больших глубинах. 3. Невозможность эффективного контроля движения радионуклидов на больших глубинах. 4. Низкая приемистость скважин. 5. Невозможность оценки геохимической и геотермической обстановки андезитового стратовулкана на глубине 3-5 км и контроля обстановки минералообразования в зоне смешения магматического флюида с подземными и морскими водами на пути миграции горячих растворов в сторону окраинного материкового склона океанического желоба или морских впадин внутренних морей. 6. Взаимодействие гидротерм с подземными холодными или морскими (океаническими) водами далеко не всегда приводит к резкому охлаждению горячих растворов и столь же резкому изменению pH среды, что лежит в основе формирования геотермо-геохимических барьеров. 7. Нельзя считать положительным моментом резкое снижение фильтрационных свойств коллекторов, вплоть до образования абсолютных водоупоров на геохимических барьерах, ибо на подступах к таким зонам будут создаваться застойные условия с постоянным накоплением токсичных веществ. 8. Депонирование жидких радиоактивных и вредных химических веществ в скважинах, пробуренных в монолитных малотрещиноватых за счет интенсивного вторичного порового минералообразования блоках, приведет к долговременному сохранению их в глубинах гидротермальных систем. Повышенная сейсмическая активность, характерная для островных вулканических дуг, рано или поздно вызовет разгерметизацию таких хранилищ и утечку токсичных и радиоактивных соединений. The disadvantages of the method are the following: 1. The high cost and complexity of the technology of drilling so deep wells. 2. The impossibility of predicting fracture zones at great depths. 3. The inability to effectively control the movement of radionuclides at great depths. 4. Low injectivity of wells. 5. The impossibility of assessing the geochemical and geothermal conditions of the andesitic stratovolcano at a depth of 3-5 km and controlling the conditions of mineral formation in the zone of mixing of magmatic fluid with groundwater and seawater on the way of migration of hot solutions towards the marginal continental slope of the oceanic trench or sea troughs of inland seas. 6. The interaction of hydrothermals with underground cold or sea (ocean) waters does not always lead to a sharp cooling of hot solutions and an equally sharp change in the pH of the medium, which underlies the formation of geothermal-geochemical barriers. 7. A sharp decrease in the filtration properties of reservoirs, up to the formation of absolute water confines at geochemical barriers, cannot be considered a positive factor, because stagnant conditions with a constant accumulation of toxic substances will be created on the approaches to such zones. 8. The deposit of liquid radioactive and harmful chemicals in wells drilled in monolithic slightly fractured blocks due to intensive secondary pore mineral formation blocks will lead to their long-term preservation in the depths of hydrothermal systems. The increased seismic activity characteristic of island volcanic arcs will sooner or later cause depressurization of such storages and leakage of toxic and radioactive compounds.

Задачей изобретения является повышение технологичности и надежности захоронения радиоактивных отходов. The objective of the invention is to improve the manufacturability and reliability of the disposal of radioactive waste.

Поставленная задача решается тем, что в способе захоронения радиоактивных и других токсичных жидких отходов в геологических формациях, заключающемся в том, что подготовленные для захоронения отходы закачивают в зону захоронения с помощью скважин и аккумулируют в этой зоне с формированием вторичного рудного месторождения, согласно изобретению в качестве геологических формаций используют недра низкотемпературной гидротермальной системы, функционирующей в толще кислого стекловатого пепло-пемзового материала, сложенного мощными интенсивно цеолитизированными и глинизированными витрокластическими породами, причем в процессе закачки отходы переводят в легкорастворимое состояние, а для аккумуляции используют обладающие высокими сорбционными и ионнообменными свойствами минералы, через которые осуществляется фильтрация и перевод отходов в немобильное состояние. The problem is solved in that in the method of disposal of radioactive and other toxic liquid wastes in geological formations, which consists in the fact that the wastes prepared for disposal are pumped into the disposal zone using wells and accumulated in this area with the formation of a secondary ore deposit, according to the invention, as of geological formations use the bowels of a low-temperature hydrothermal system functioning in the thickness of an acidic glassy ash-pumiceous material composed of powerful interactions sively tseolitizirovannymi vitroklasticheskimi slush and rocks, in which process waste is converted into the injection of readily soluble state, and is used for accumulation having high sorptive and ion exchange properties of minerals, through which the filtration and transfer of waste in the immobile state.

Для захоронения отходов используют систему рабочих и наблюдательных скважин глубиной 250-400 метров. For waste disposal, a system of working and observation wells with a depth of 250-400 meters is used.

Закачка осуществляется в породы, состоящие в среднем на 60% из высококремнистых цеолитов. Injection is carried out in rocks consisting on average of 60% of high-silicon zeolites.

Захоронение осуществляется в тех предварительно выбранных участках низкотемпературной гидротермальной системы, где температура гидротерм в недрах не превышает 100^oC и общий поток направлен от ближайшего очага разгрузки.Burial is carried out in those previously selected areas of the low-temperature hydrothermal system where the temperature of the hydrothermal in the subsurface does not exceed 100 ^o C and the total flow is directed from the nearest discharge center.

Захоронение осуществляется в те пласты, где имеется достаточно мощная водоупорная покрышка. Burial is carried out in those formations where there is a sufficiently powerful waterproof cover.

Способ поясняется чертежом, на котором представлена схема закачки жидких радиоактивных отходов, где 1 - тонкие пепловые туфы, цеолитизированные более, чем на 60%; 2 - пеплово-пемзовые туфы, цеолитизированные более, чем на 60%; 3 - тонкие пепловые туфы, цеолитизированные более, чем на 60%; 4 - туфобрекчин андезитового состава; 5 - зона закачки радиоактивных жидких отходов; 6 - геоизотерма 100^oC; 7 - пьезометрический уровень подземных вод.The method is illustrated in the drawing, which shows a scheme for pumping liquid radioactive waste, where 1 is thin ash tuffs, zeolitized by more than 60%; 2 - ash-pumice tuffs, zeolitized by more than 60%; 3 - thin ash tuffs zeolitized by more than 60%; 4 - tuff breccin andesite composition; 5 - zone of injection of radioactive liquid waste; 6 - geoisotherm 100 ^o C; 7 - piezometric groundwater level.

Захоронение можно осуществлять в зонах 1, 2 и 3. При этом наиболее оптимальным является захоронение в зоне 2 на участке скважины 5 при температуре гидротерм, не превышающей 100^oC, то есть выше линии изотермы 6. Захоронение осуществляют на участках, где изотермический уровень подземных вод 7 расположен ниже поверхности грунта.Burial can be carried out in zones 1, 2 and 3. The most optimal is the burial in zone 2 in the well section 5 at a temperature of hydrotherm not exceeding 100 ^o C, that is, above the isotherm line 6. Burial is carried out in areas where the isothermal level of underground water 7 is located below the surface of the soil.

Для реализации способа используют геологическую среду, характерную для образования полезных ископаемых радиоактивных и других химических элементов, в которой будет происходить их консервация за счет протекания ионообменных и сорбционных процессов. Захоронение жидких радиоактивных отходов производится в недрах низкотемпературной гидротермальной системы, расположенной в областях тектономагматической активности и функционирующей в толще кислого стекловатового пепло-пемзового материала преимущественно на глубине 250-400 метров. Для захоронения используется система неглубоких скважин, пробуренных в цеолитизированных и глинизированных витрокластических породах в зонах латеральных потоков гидротерм на участках отсутствия поверхностной разгрузки термальных вод. Зоны высококремнистых цеолитов (клиноптилолит, гейландит, морденит) и смектитовых глин мощностью от первых десятков до 150 метров расположена над зоной аргиллизированных пропилитов, развитой по туфобрекчиям андезитового состава 4. Общеизвестно, что клиноплилолит, гейландит, морденит и смектиты обладают высокими сорбционными и ионнообменными свойствами. Клиноптилолит используется в качестве сорбента в промышленных очистных установках по очистке сточных вод, содержащих стронций 90 и цезий 137 в США. Многочисленные опытные испытания показывают высокую степень сорбции, достигающей 93-98%, и коэффициент сорбции до 16000 мл/г по цезию 137 и 5500 мл/г по стронцию 90. Закачка радиоактивных отходов должна осуществляться в виде хлоридов в коллектор, сложенный высококремнистыми цеолитами и монтмориллонитовыми глинами, представляющими собой напорную гидродинамическую систему с достаточными для закачки фильтрационными параметрами; с расположением пьезометрической поверхности уровня подземных вод ниже вреза местной эрозионной сети; имеющую перекрывающие водоупорные отложения, представленные породами с высоким содержанием природных сорбентов и мощностью не менее 50-100 метров; обладающую трещино-поровой проницаемостью. Общее направление потока термальных вод должно быть от ближайшего очага разгрузки. Закачка производится в трещиноватые зоны с максимальной проницаемостью, что обеспечивает необходимую приемистость скважин и глубину проникновения закачиваемых отходов. По данным лабораторных исследований сорбционная емкость отдельных минералов (клиноптилолит) достигает по цезию 0,1 г/г. Скорость сорбции зависит от размера трещин и температуры, повышаясь при увеличении температуры и уменьшении трещин, но в целом не превышает нескольких часов. В реальных природных условиях водовмещающие породы содержат в среднем 60% цеолитов, достигая в отдельных случаях 80-90%, что учитывая их значительные мощности и занимаемые площади, обеспечивает значительную сорбционную емкость массива. Движение радиоактивных отходов с потоком подземных вод по водоносному пласту будет происходить с минимальными скоростями, которые существенно меньше скорости сорбирования элементов. В связи с ионообменным характером протекания процессов существенного ухудшения проницаемости пласта и приемистости скважин не ожидается. Для захоронения жидких радиоактивных отходов используется система скважин, пробуренных в цеолитизированных и глинизированных витрокластических породах, слагающих водоносный комплекс с трещинопоровой проницаемостью, содержащей термальные воды. Система включает также сеть постов радиационного контроля и наблюдательных скважин, контролирующих радиационную обстановку и направление потока гидротерм. To implement the method, a geological environment is used that is characteristic for the formation of minerals of radioactive and other chemical elements, in which they will be preserved due to ion exchange and sorption processes. Liquid radioactive waste is buried in the bowels of a low-temperature hydrothermal system located in areas of tectonomagmatic activity and functioning in the thickness of acidic glassy ash-pumiceous material mainly at a depth of 250-400 meters. For burial, a system of shallow wells drilled in zeolitized and clayed vitroclastic rocks in the areas of lateral flows of hydrothermal areas where there is no surface discharge of thermal waters is used. The zones of high-silica zeolites (clinoptilolite, heylandite, mordenite) and smectite clays with a thickness of the first tens to 150 meters are located above the zone of argillized propylites, developed by tuff breccia of andesitic composition 4. It is well known that clinoplilolite, heylandite, mordenite and smectite have high sorption and ion exchange properties. Clinoptilolite is used as a sorbent in industrial wastewater treatment plants containing strontium 90 and cesium 137 in the United States. Numerous experimental tests show a high degree of sorption, reaching 93-98%, and a sorption coefficient of up to 16,000 ml / g for cesium 137 and 5500 ml / g for strontium 90. Radioactive waste should be pumped in the form of chlorides into a collector composed of high-silicon zeolites and montmorillonite clays representing a pressure hydrodynamic system with filtration parameters sufficient for injection; with the location of the piezometric surface of the groundwater level below the incision of the local erosion network; having overlapping water-resistant deposits, represented by rocks with a high content of natural sorbents and a thickness of at least 50-100 meters; possessing crack-pore permeability. The general direction of the thermal water flow should be from the nearest discharge center. Injection is carried out in fractured zones with maximum permeability, which provides the necessary injectivity of the wells and the penetration depth of the injected waste. According to laboratory studies, the sorption capacity of individual minerals (clinoptilolite) reaches cesium 0.1 g / g. The sorption rate depends on the size of the cracks and temperature, increasing with increasing temperature and decreasing cracks, but generally does not exceed several hours. In real environmental conditions, water-bearing rocks contain an average of 60% zeolites, reaching in some cases 80-90%, which, given their significant thickness and occupied area, provides a significant sorption capacity of the massif. The movement of radioactive waste with the flow of groundwater through the aquifer will occur at minimum speeds, which are significantly less than the rate of sorption of elements. Due to the ion-exchange nature of the processes, a significant deterioration in the permeability of the formation and injectivity of the wells is not expected. For the disposal of liquid radioactive waste, a system of wells drilled in zeolitized and clayed vitroclastic rocks composing an aquifer complex with fissure-permeability containing thermal waters is used. The system also includes a network of radiation monitoring posts and observation wells monitoring the radiation situation and the direction of flow of hydrothermal fluids.

Claims

1. The method of disposal of radioactive and other toxic liquid waste in geological formations, which consists in the fact that the waste prepared for disposal is pumped into the disposal zone using wells and accumulated in this area with the formation of a secondary ore deposit, characterized in that it is used as geological formations bowels of a low-temperature hydrothermal system functioning in the thickness of an acidic glassy ash-pumiceous material composed of powerful, intensively zeolitized and clayey nnym vitroklasticheskimi rocks, wherein during injection of the waste is converted into a readily soluble state, and is used for accumulation having high sorption properties of the ion exchange minerals, through which the filtration and transfer of waste in the immobile state.

2. The method according to p. 1, characterized in that for the disposal of waste using a system of working and observation wells with a depth of 250-400 m

3. The method according to claim 1, characterized in that the injection is carried out in rocks consisting on average of 60% of high-silicon zeolites.

4. The method according to one of claims 1 to 3, characterized in that the burial is carried out in those previously selected bowels of the low-temperature hydrothermal system where the temperature of the hydrotherm does not exceed 100 ^o C and the total flow is directed from the nearest discharge center.

5. The method according to claim 1, characterized in that the burial is carried out in those formations where there is a sufficiently powerful waterproof cover.