Патент на изобретение №2331127

(54) ХРАНИЛИЩЕ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ

(57) Реферат:

Изобретение относится к устройствам хранения радиоактивных отходов. Хранилище радиоактивных отходов содержит баки или капсулы, размещенные в помещениях хранения, снабженных вентиляционными входными и выходными каналами, сообщенными с атмосферой воздуховодами. Выходы вентиляционных каналов помещения хранения сообщены с атмосферой через общий для них центральный выходной воздуховод вертикальной башни. Входные вентиляционные каналы в помещения хранения расположены в их нижней части. Входные связанные с атмосферой окна входных воздуховодов расположены по уровню ниже, чем выходное сечение центрального выходного воздуховода. В по меньшей мере в одном общем для помещений хранения воздуховоде (входном или выходном) установлена пневмотурбина с электрогенератором, преимущественно обратимым. В верхней части башни установлена ветроэлектростанция, через коммутатор электрически сообщенная с внешним источником электроэнергии и электромашиной пневмотурбины, а также сопловой аппарат, создающий пониженное давление на выходе из башни. Дополнительно в канале башни размещены теплообменники для охлаждения и/или нагрева воды, сообщенные с внешними источниками тепла или его потребителями, фильтры и поглотители выделяемых газов. В результате использования изобретения повышается надежность хранилища, его независимость от внешних источников электроэнергии, а также обеспечивается его работа в режиме генерирования тепловой и электрической энергий, передаваемых внешним потребителям. 10 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к устройствам хранения радиоактивных отходов, например тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ) атомных станций, концентрат которых герметично упакован в специальные емкости, капсулы или остеклован.

Поскольку в результате распада нестабильных изотопов радиоактивных отходов указанные емкости или капсулы разогреваются [1, стр.41], в известных хранилищах указанные емкости или капсулы размещают в специальных помещениях хранения, располагаемых под водой, в шахтах или специальных сооружениях, снабженных вентиляционными входными и выходными каналами, сообщенными с атмосферой и обычно снабженными приводными вентиляторами для принудительной обдувки и охлаждения емкостей с отходами. Как правило, выделяемое тепло теряется в окружающей среде. При определенной организации систем хранения возможно использование выделяемого тепла, например, для отопления, в том числе и с применением тепловых насосов [2], что однако требует сложного машинного оборудования.

Недостатками известных систем, например, шахтного хранения (обеспечивающих доступность хранимого материала для последующего регенерирования) с принудительными системами вентиляции и потому наиболее пригодных для больших объемов сохраняемого материала, является необходимость использования внешних источников электроэнергии, требующих резервирования и сложных систем автоматического управления для обеспечения надежности функционирования хранилища [3].

Целями данного предложения являются:

– одновременное обеспечение вентиляционного охлаждения помещений и емкостей хранения без использования внешних источников энергии после К% загрузки хранилища радиоактивными отходами, где К%<100%, например К%=60%, определяется техническим заданием и условиями размещения отходов в хранилище;

– выработка электроэнергии и/или тепловой энергии за счет тепловой энергии, выделяемой емкостями хранения применением технически простых и надежных в работе устройств;

– использование хранилища как опорной башни ветроэлектростанции для дополнительного получения электроэнергии и повышения посредством нее надежности хранилища в процессе его загрузки радиоактивными отходами, эксплуатации, ремонтов;

– возможность технически просто реализуемой автоматической выгрузки из хранилища радиоактивных отходов для их регенерации.

Поставленная цель решается тем, что в хранилище радиоактивных отходов с баками или капсулами, размещенными в по меньшей мере одном помещении хранения, снабженном вентиляционными входными и выходными каналами, сообщенными с атмосферой воздуховодами:

– выходные вентиляционные каналы помещения(ий) хранения сообщены с атмосферой через общий для них центральный выходной воздуховод вертикальной башни, входные вентиляционные каналы в помещение хранения расположены в их нижней части, а входные связанные с атмосферой окна входных воздуховодов расположены по уровню ниже, чем выходное сечение центрального выходного воздуховода, причем в по меньшей мере в одном общем для помещений хранения воздуховоде (входном или выходном) установлена по меньшей мере одна пневмотурбина с электрогенератором, преимущественно обратимым;

– помещения хранения выполнены непосредственно во внутренней вертикальной проходной камере башни;

– на выходе воздуховода на вертикальной башни установлен осесимметричный сопловой аппарат понижения давления в выходном сечении воздуховода;

– на верхней части башни установлена ветростанция с электрогенератором, электрически связанным с электрогенератором пневмотурбины, выполненным с возможностью работы в режиме электродвигателя;

– верхняя часть башни выполнена как ось поворота по ветру ветроэлектроустановки, например и преимущественно двухроторного типа с вертикальным расположением роторов барабанного типа;

– вертикальная внутренняя камера башни выполнена разделенной на этажи-помещения хранения с перекрытиями, по меньшей мере, часть площади которых выполнена с проходными для воздуха окнами, например, в виде перекрытий-решеток;

– в башне в зоне расположения помещений хранения вентиляционные каналы выполнены в виде осесимметричных камер центральной приосевой и концентрической, а помещения хранения расположены поэтажно в пространстве между указанными камерами;

– помещения хранения выполнены в виде радиально расположенных секций, сообщенных с центральной лифтовой шахтой с поворотным загрузочным манипулятором и входным воздуховодом, выполненным как транспортная магистраль подачи герметичных баков и капсул;

– в общем для всех помещений хранения выходном воздуховоде установлена система улавливания радиоактивных газов, а на входе – входные воздуховоды устройства улавливания пыли;

– в общем для всех помещений хранения выходном воздуховоде установлены нагреватели, сообщенные с внешним источником энергии, например теплообменники, гидравлически сообщенные с источником тепловой энергии, например с устройством конденсации пара паровой турбины;

– в общем для всех помещений хранения выходном воздуховоде установлены теплообменники, гидравлически сообщенные, например, с системой обогрева жилых или производственных помещений.

На фиг.1 и 2 показаны примеры выполнения предложенного устройства.

Радиоактивные отходы, помещенные в герметичные баки или капсулы, в том числе могущие располагаться в подвижных контейнерах-тележках 1 (см. фиг.1), размещены в помещении (ях) хранения 2, снабженных вентиляционными входными 3 и выходными 4 каналами.

Выходные вентиляционные каналы 4 помещений хранения 2 сообщены с атмосферой через общий для них центральный выходной воздуховод 6 вертикальной башни 7, входные вентиляционные каналы 3 в помещение хранения 2 расположены в их нижней части. Связь каналов 3 с атмосферой выполнена через окна 8 входных воздуховодов 9, причем окна 8 расположены по уровню существенно ниже, чем расположенное в верхней части башни 7 выходное сечение 10 центрального выходного воздуховода 6. По меньшей мере, в одном общем для помещений хранения 2 воздуховоде (входном 9 или выходном 6) установлена пневмотурбина 11 с электрогенератором 12, преимущественно обратимым.

Для упрощения хранилища, его обслуживания и эксплуатации помещения хранения 2 предпочтительно выполнены непосредственно в башне 7 в ее внутренней вертикальной проходной камере, расположенной между входным(и) 9 и выходным(и) 6 воздуховодами. Т.е. камеры хранения 2 выполнены как часть (объем, камера) воздуховода между окнами 8 и общим для всех камер хранения 2 выходным сечением 10 системы воздуховодов. В предельном случае камера хранения (и емкости для хранения 1) может занимать практически все пространство входного и выходного воздуховодов, что однако затрудняет загрузку/выгрузку на регенерацию хранилища и его эксплуатацию.

Для повышения напора воздуховода (6, 9) на выходе воздуховода в его выходном сечении 10 на вертикальной башне 7 установлен сопловой аппарат 13 понижения давления в сечении 10 и повышения расхода воздуха через весь воздуховод (8, 10), что приводит к повышению полезной мощности пневмотурбин 11 при наличии ветра, обдувающего башню 7 и сопловой аппарат 13.

Для повышения выходной мощности по электричеству на башне 7 хранилища на ее верхней части установлена ветроэлектроустановка 14 с электрогенератором (на чертеже не показан), электрически связанным токопроводом 15 через коммутатор 16 с электрогенератором (ами) 12 пневмотурбин 11. Электрогенераторы 12 преимущественно выполнены с возможностью работы в режиме электродвигателя. Коммутатор 16 может быть связан с дополнительным источником (потребителем) электроэнергии 17.

Верхняя часть башни 7 может быть выполнена как опора любого известного типа ветроэлектроустановки, однако для повышения энергоэффективности и мощности ее желательно выполнять поворотной по ветру. С этой целью верхняя часть башни 7 предпочтительно выполнена как ось поворота поворотной по ветру ветроэлектроустановки, например и преимущественно двухроторного типа с вертикальным расположением роторов 18, 19 барабанного типа (см. фиг.1 и 2) в общем поворотном по ветру воздухозаборнике 20, например, по типу ветроустановки по патенту РФ №2242635. Такое решение позволяет существенно увеличить расход воздуха через рабочие органы ветроустановки. Сопловой аппарат 13 также может быть выполнен поворотным вместе с воздухозаборником 20, что дополнительно увеличивает его “отсасывающую” эффективность и повышает расход воздуха через помещения хранения 2, что существенно позволяет увеличить мощность ветростанции при сообщении каналов выхода воздуха с роторов 18 и 19 с центральной частью соплового аппарата 13, см. фиг.1 (течение воздуха показано стрелками).

При описанном техническом решении ветроустановки ее выходная мощность существенно увеличивается за счет того, что верхняя часть башни выполняет функцию направляющего аппарата, увеличивающего поступление на роторы 18 и 19 воздуха, обтекающего верхнюю часть башни 7 и направляющего его в воздухозаборник 20, см. фиг.2, где показано стрелками обтекание верхней части башни потоком ветра. Поскольку роторы 18 и 19 смещены относительно оси башни (как оси поворота), при изменении направления ветра воздухозаборник 20, например, вместе со связанным с ним сопловым аппаратом 13 автоматически разворачивается по ветру.

Для повышения полезной емкости хранилища при сохранении хороших условий теплосъема потоком воздуха тепловой энергии радиоактивного распада хранимого материала вертикальная внутренняя камера башни 7 выполнена преимущественно в ее нижней части, разделенной на этажи-помещения хранения 2 с перекрытиями 21, по меньшей мере, часть площади которых выполнена с проходными для воздуха окнами, например, в виде перекрытий-решеток, см. вариант выполнения на фиг.1 слева от оси симметрии башни.

Для обеспечения одинаковых условий теплоотвода от баков и капсул в контейнерах 1 в башне 7 в зоне расположения помещений хранения 2 вентиляционные воздуховоды и каналы могут быть выполнены и в виде осесимметричных камер: центральной приосевой – 22 и периферийной концентрической – 23, а помещения хранения 2 расположены поэтажно в пространстве между камерами 22 и 23, см. фиг.1 в варианте выполнения, показанном справа от вертикальной оси симметрии, где кольцевая камера 23 последовательно подключена к входному воздуховоду 9, а центральная камера 22 в своей верхней части переходит в выходной воздуховод 6.

При описанной выше компоновке камеры хранения, вентиляционных каналов и воздуховодов для упрощения процесса загрузки/выгрузки хранилища помещения хранения 2 выполнены в виде радиально расположенных поэтажных секций, сообщенных с центральной лифтовой шахтой 24 (выполняющей и функции воздуховода 22 в варианте, показанном на фиг.1 справа от оси симметрии башни) с поворотным загрузочным манипулятором 25 и входным воздуховодом 26, выполненным как транспортная магистраль подачи герметичных баков и капсул в контейнерах 1.

Рассмотренные варианты формирования камеры хранения (или их комбинирование) обеспечивают постоянную и стабильную продувку контейнеров 1 за счет естественного конвективного движения нагретого контейнерами 1 воздуха между входными окнами 8 и выходным сечением 10 выходного воздуховода 6. Для повышения безопасности эксплуатации хранилища в общем для всех помещений хранения выходном воздуховоде может быть установлена система улавливания радиоактивных газов 27 и пыли, а на входе во входные воздуховоды устройства улавливания пыли, например фильтры 28, которые рационально выполнять как легкозаменяемые элементы.

Для упрощения запуска хранилища в работу, а также для увеличения мощности электрогенерирования посредством пневмотурбин 11 в общем для всех помещений хранения выходном воздуховоде 6 могут быть установлены нагреватели, например теплообменники 29, подключаемые к источнику тепловой энергии, требующему его охлаждения, например к конденсатору паровой турбины атомной электростанции.

С другой стороны, в воздуховоде 6 могут также устанавливаться теплообменники 30 для отвода тепловой энергии потребителю, например, в систему отопления жилых или производственных помещений, оранжерей, теплиц и т.п.

Работа предложенного хранилища осуществляется следующим образом.

При небольшой загрузке хранилища, например при К%<30, конвективное движение воздуха за счет его недостаточного разогрева малым объемом хранимого материала может привести к перегреву контейнеров 1, поэтому по датчикам температуры, необходимым образом включаемым в эксплуатационную систему управления хранилищем, включаются пневмотурбины 11 от внешнего источника электроэнергии, в качестве которого может быть использована ветроэлектростанция 14 в совокупности с электроаккумуляторами, включенными в структуру коммутатора 16. Пневмотурбины 11 и электрогенераторы в данном варианте исполнения выполнены обратимыми. Это (или дополнительные электровентиляторы, на фигурах не показаны) обеспечивает требуемую принудительную вентиляцию помещений хранения 2. Для интенсификации принудительной вентиляции могут быть также использованы теплообменники 29 при их подключении к источнику тепловой энергии. По мере заполнения хранилища радиоактивными отходами увеличивается разогрев воздуха и интенсифицируется естественная продувка всей последовательной цепи вентиляционных каналов и воздуховодов, что позволяет переключить пневмотурбины в режим электрогенерирования и подавать электроэнергию в сеть 17 или/и подавать тепловую энергию посредством теплообменников 30 внешнему потребителю.

Естественно, что величина коэффициента заполнения К%, при котором хранилище переходит в режим “энергосамообеспечения” и режим электрогенерирования, зависит от высоты башни 7, допустимой температуры емкостей с радиоактивными отходами и количеством хранимого материала.

Важно, что данное хранилище всегда может быть выполнено с возможностью самообеспечения необходимого температурного режима хранения радиоактивных отходов, что существенно повышает безопасность хранения, а также позволяет использовать радиоактивные отходы как дополнительный источник тепловой (при размещении в выходном воздуховоде 6 теплообменных аппаратов 30 системы теплоснабжения) и электрической энергии.

Использование башни 7 независимо от геологических условий местности позволяет камеры хранения 2 располагать выше уровня расположения грунтовых вод, что существенно повышает надежность хранения и снижает затраты на хранение. На фиг.1 грунт, окружающий башню 7 и камеру хранения в ней, может быть насыпным, т.е. располагаемым выше уровня поверхности земли местности, где построено данное хранилище.

В целом предложенное хранилище позволит использовать накопившиеся радиоактивные отходы для выработки тепловой и электрической энергии, повысит безопасность хранения, в том числе за счет доступности обслуживания хранилища, снизит затраты на обеспечение хранения.

Литература

1. Радиоизотопные источники электрической энергии. Под ред. Г.М.Фрадкина, Атомиздат. 1978 г., стр.41 и далее.

2. Тепловые ресурсы холодной воды. “Наука Сибири”, №15 (2251), апрель 2000 г.

Формула изобретения

1. Хранилище радиоактивных отходов с баками или капсулами, размещенными в по меньшей мере одном помещении хранения, снабженном вентиляционными входными и выходными каналами, сообщенными с атмосферой воздуховодами, отличающееся тем, что выходы вентиляционных каналов помещения хранения сообщены с атмосферой через общий для них центральный выходной воздуховод вертикальной башни, входные вентиляционные каналы в помещения хранения расположены в их нижней части, а входные связанные с атмосферой окна входных воздуховодов расположены по уровню ниже, чем выходное сечение центрального выходного воздуховода, причем в по меньшей мере в одном общем для помещений хранения воздуховоде (входном или выходном) установлена по меньшей мере одна пневмотурбина с электрогенератором, преимущественно обратимым.

2. Хранилище по п.1, отличающееся тем, что помещения хранения выполнены непосредственно во внутренней вертикальной проходной камере башни.

3. Хранилище по п.1, отличающееся тем, что на выходе воздуховода на вертикальной башне установлен осесимметричный сопловой аппарат понижения давления в выходном сечении воздуховода.

4. Хранилище по п.1, отличающееся тем, что на верхней части башни установлена ветростанция с электрогенератором, электрически связанным с электрогенератором пневмотурбины, выполненным с возможностью работы в режиме электродвигателя.

5. Хранилище по п.1, отличающееся тем, что верхняя часть башни выполнена как ось поворота по ветру ветроэлектроустановки, например и преимущественно двухроторного типа с вертикальным расположением роторов барабанного типа.

6. Хранилище по п.1, отличающееся тем, что вертикальная внутренняя камера башни выполнена разделенной на этажи-помещения хранения с перекрытиями, по меньшей мере часть площади которых выполнена с проходными для воздуха окнами, например, в виде перекрытий – решеток.

7. Хранилище по п.1, отличающееся тем, что в башне в зоне расположения помещений хранения вентиляционные каналы выполнены в виде осесимметричных камер центральной приосевой и концентрической, а помещения хранения расположены поэтажно в пространстве между указанными камерами.

8. Хранилище по п.1, отличающееся тем, что помещения хранения выполнены в виде радиально расположенных секций, сообщенных с центральной лифтовой шахтой с поворотным загрузочным манипулятором и входным воздуховодом, выполненным как транспортная магистраль подачи герметичных баков и капсул.

9. Хранилище по п.1, отличающееся тем, что в общем для всех помещений хранения выходном воздуховоде установлена система улавливания радиоактивных газов, а на входе в входные воздуховоды устройства улавливания пыли.

10. Хранилище по п.1, отличающееся тем, что в общем для всех помещений хранения выходном воздуховоде установлены нагреватели, сообщенные с внешним источником энергии, например, теплообменники гидравлически сообщенные с источником тепловой энергии, например, с устройством конденсации пара паровой турбины.

11. Хранилище по п.1, отличающееся тем, что в общем для всех помещений хранения выходном воздуховоде установлены теплообменники, гидравлически сообщенные, например, с системой обогрева жилых или производственных помещений.

РИСУНКИ