ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЧИСЛЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗАХОРОНЕНИЯ РАО МЕТОДОМ САМОПОГРУЖЕНИЯ

В лаборатории теоретической физики ИБРАЭ РАН проводятся теоретические и численные исследования способа самозахоронения радиоактивных отходов (РАО) для изоляции долгоживущих высокоактивных РАО, включая трансурановые элементы. Этот способ рассматривается как альтернатива другим способам глубинного захоронения и потенциально позволяет осуществлять погружение на глубины в несколько десятков километров. При этом обеспечивается многослойный геологический барьер, практически исключающий возвращение радионуклидов обратно в биосферу. В качестве возможных сред для захоронения долгоживущих высокоактивных PAO могут использоваться гранитоидные или базальтовые массивы, а также другие кристаллические породы. Средняя скорость погружения такой капсулы может составлять порядка 1 км/год.

Для снижения температурных нагрузок на элементы устройства предложен вариант схемы самозахоронения с раздельным размещением подлежащих захоронению РАО и тепловыделяющих радионуклидов, обеспечивающих необходимое для погружения энерговыделение. Предполагается, что тепловыделяющие радионуклиды размещаются внутри тепловыделяющих элементов, в то время как РАО помещаются в отдельные контейнеры, закрепленные к устройству со стороны, противоположной движению. Для передачи энергии окружающей породе могут быть использованы различные теплофизические механизмы, такие, как теплопроводность и прямой нагрев пород излучением.

Особое внимание уделено исследованию способа самозахоронения РАО на основе прямого нагрева пород излучением. Под прямым нагревом понимается перенос излучения и его преимущественное поглощение в окружающей породе, а не внутри устройства. Таким образом, основная доля (>80%) выделяемой энергии будет поглощаться за пределами устройства, что приведет к снижению температурных нагрузок и повышению надежности способа. Минимума поглощения энергии внутри устройства погружения можно добиться, придавая устройству форму, близкую к плоской, и используя в качестве источников тепла радионуклиды с высоким удельным энерговыделением, излучение которых характеризуется высокой проникающей способностью. По результатам проведенного анализа был сделан вывод о том, что наиболее подходящим для реализации прямого нагрева пород является радионуклид ⁶⁰Co, характеризующийся гамма-излучением с эффективной энергией 1.25 МэВ и выходом, составляющим 2 гамма-кванта на распад; удельное энерговыделение ⁶⁰Co также значительно выше, чем у ¹³⁷Cs.

В ходе проведенных исследований механизма прямого нагрева пород излучением получены:

• пространственное распределение энерговыделения за счет поглощения гамма-излучения радионуклида ⁶⁰Co в окружающих породах (гранит, соль, лед);
• уравнение для определения скорости погружения в зависимости от средней поверхностной активности радионуклидов в устройстве и свойств окружающей породы;
• аналитические выражения для вычисления распределения температур в окружающих породах;
• оценки скорости погружения для пород гранит, соль и лед в зависимости от содержания ⁶⁰Co в тепловыделяющих элементах.

Разработаны методы моделирования сопряженных процессов теплообмена и гидродинамики с учетом плавления и отвердевания неоднородных геологических пород, а также процессов нагрева пород гамма-излучением при самопогружении в них (под действием силы тяжести) тепловыделяющих капсулс РАО. Проводятся теоретические и численные исследования различных схем радиоизотопных самопогружающихся устройств гетерогенных конструкций. Проходит верификацию программный комплекс MELT-GEO, реализующий математическую модель самопогружения, основанную на использовании метода сквозного счета. Этот метод позволяет определять границу расплав-порода без дополнительных итераций.

Масса долгоживущих высокоактивных РАО, которые могут быть захоронены данным способом, оценивается на уровне нескольких тонн, что соответствует массе высокоактивных трансурановых элементов в годовой выгрузке ОЯТ более 30 энергоблоков АЭС мощностью 1 ГВт.

а) Распределение температуры в ячейке самопогружающегося устройства гетерогенной конструкции

б) Процесс вытеснения расплава породы капсулой с РАО (расчет с использованием кода MELT-GEO)

© лаборатория теоретической физики