存储危险材料的方法

专利名称:存储危险材料的方法
技术领域：
本发明涉及适用于最终处置从核反应堆中移除的废弃核燃料并且还适用于最终 处置其它极度危险材料的方法和设施，这些危险材料不能做无害化处理并且因此必须按照 这样的方式存储，从而其危险性将不会带来比能够在安全裕度非常大的情况下所接受的危 害更大的危害。
背景技术目前，将在已经燃尽之后从核反应堆中移除或者由于其它原因移除的废弃核燃料 放置在位于衰减池中的水下位置中，并且保存在那里直到其活性从而其发热已经充分降 低。目的是适时地将废燃料转移到最终存放位置(在下面也被称为存放室)，在那里它将被 无限期地安全存放。
实际上，现在仍然不存在任何真正的核燃料存放室，只有临时设施，在大多数情况 下为衰减池，用于临时存放，直到建立永久安全的存放室。在当前情况下，世界上存在大量 废弃核燃料，它们在经过几十年临时存放之后仍然等待其最终永久的安全存放。
按照瑞典当前情况来看，已经提出但是还没有实施的对于废弃核燃料的安全最终 处置的问题的解决方案在于将废弃核燃料存放在由铜制成的大桶中，每个桶包含大约二十 吨铜，并且将这些桶埋入在深达500米的岩床中的泥土(膨润土)中。采用这种设想的解 决方案，目前在最终处置之前存储在衰减池中的废弃核燃料就将需要大量的铜。除了其它 问题之外，仅铜的费用就将非常高。
对于最终处置问题还提出了其它解决方案的建议，这些方案同样没有实施。在这 些建议后面的构思在于将废弃核燃料存放在岩床中的非常深的竖直孔中，所设想的深度为 几公里的量级。已经证实不会存在地下水从处于这种深度的最终存放位置运动到地表附近 的危险。导致放射性材料从存放室中泄漏出的事故因此不会在地表附近造成任何环境问 题。钻出具有所设想深度的相当宽的孔洞是已知并且投入到实际应用的技术，并且不会太
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W02006/057603为现有技术文献，该文献披露了一种用于通过将存储容器堆叠在 深竖井中来最终处置封装在密封存储容器中的核燃料的方法。将这些容器下放到竖井中以 形成与竖井壁具有间隙空间的单独堆叠。在停靠在竖井底部上的该堆叠到达基本上低于竖 井口的高度，例如刚好低于在处置地方处的地下水地层时，终止堆叠。在堆叠不断增高时， 用合适的固化灌浆组合物(例如所谓的自压实混凝土，即，比普通混凝土自流动性基本上 更好并且因此能够在容器周围很容易形成无孔隙护套的混凝土组合物)填充在竖井中的 容器周围的间隙空间。最后，将回填材料引入引入到位于所完成的叠上方的空间中以密封 该竖井。
发明概述
根据如在上述WO文献中所披露的现有技术，本发明其目的在于提供一种改进的 方法，用于以按照期望能够满足针对人类安全的非常严格的要求的方式，在非常长的时间，甚至是几十万年的时间内，最终处置废弃核燃料和其它高放射性或其它极度危险的材料， 并且可以用合理的费用投入到实际应用中。
因此，根据本发明，将保存有危险材料的存储容器堆叠在深钻到地面、岩床，例如 两三千米或更深的竖井中，并且在任何情况下向下达到根据存放室的地理位置，岩床的状 态以及与安全有关的其它因素，例如危险材料的特性和危险性，被认为足够的深度。
在选择作为存放室并且其中岩床相当均勻的区域内彼此间隔合适的距离地钻出 多个用于存储容器的竖井。这些竖井比存储容器稍宽，从而可以采用合适的操纵设备很容 易将这些容器下放到存放高度。
基本上，存储容器的详细设计基本上对于本发明不是至关重要的，但是理所当然 这些容器应该具有这样的特征，即它们自身能够很好地防止所有危险，即，在处理过程中在 存放在存放室中之前和期间危险材料使环境受到的威胁；并 且在存放室中具有良好的基本 安全。这意味着，除此以外，必须能够按照非常安全的方式处理这些存储容器，并且这些存 储容器必须也能够承受极大的未预计到的应力而不会损害密封性，或者在所存放的危险材 料具有放射性时，能够防辐射。
提供了良好期望，即，满足了在刚才所述方面上的非常苛刻要求且同时在资 源或成本方面非常令人满意，的存储容器设计属于现有技术。在W02004/051671和 W02005/064619中描述了其示例。这些容器形成一种盒组结构，其中它们具有用于危险材料 的中央密封存储空间，该空间由合适金属材料的第一内层和混凝土或者可选金属和混凝土 的至少一层并优选几层周围层限定。因此单层的损坏至多仅导致轻微的安全损失。
根据本发明，竖井其直径稍大于最大的外部横向存储容器尺寸，即在圆形圆柱容 器的情况中，直径是例如最大横向尺寸的110-120%。在已经将这些容器下放到竖井中时， 用合适的灌浆材料，例如混凝土，优选为自压实混凝土，灌入到在容器和竖井壁之间的空间 中，从而该混凝土即使不被振动也会填充在容器周围的所有空腔，并且最好还可以用纤维 加强。因此，这些容器将由另一层保护层包围，同时固定在竖井壁上。可以通过给容器外壁 设置粗糙或其它不均勻表面来加强该固定。
优选的是，在将第一存储容器下放到竖井中之前，将高强度底座插栓安放在竖井 的底部上，并且通过灌浆将其牢牢固定在精确取向的位置中，从而它在竖井中对中，并且其 上表面水平以形成用于最下面存储容器的稳定水平支撑表面。可以将多根，例如六根或八 根，拉伸缆索牢牢固定在其周围的底座插栓上。这些拉伸缆索向上延伸至进行存储容器下 放的地方；那个地方可以处于地上平面处或者可选的是处于地下平面处。
然后，将第一存储容器悬挂在一根或多根提升缆索上下放到竖井中，并且安放在 底座插栓的顶部上。存储容器的下端可以设有用来与位于底座插栓的上端处的配合元件合 作从而使存储容器在竖井中对中的元件。围绕着存储容器分布的拉伸缆索在下放期间横向 引导存储容器，并且还可以用作容器对中元件。然后安放一连串其它存储容器，并且使之分 别在第一存储容器和下一个下面的存储容器上对中。
优选的是，按照下面的方式成组进行存储容器的堆叠。在形成在底座插塞的顶部 上的堆叠到达预定高度并且包括有例如10个存储容器时，用例如优选为自压实类型的混 凝土将由这些存储容器形成的堆叠灌浆，从而在不用振动的情况下它填充了在存储容器周 围的所有开放空间，并且优选还可以用钢纤维将该混凝土加强。[0017]在混凝土已经硬化之前，可以将拉伸缆索拉紧，从而在混凝土已经硬化了合适时 间之后，它们将使得由堆叠存储容器形成的那组或部分受到预应力，该预应力加强了这叠 存储容器和其周围的混凝土。
在混凝土已经充分硬化时，这样形成的这组或部分堆叠存储容器可以通过由多个 其它存储容器形成并且灌注有混凝土的另一组或部分按照类似的方式延伸。这组或部分可 以按照与第一组或部分相同的方式施加预应力。
在这样形成的多个叠部分之间或者在多组这些叠部分之间，可以适当地引入与底 座插栓类似，但可选地比它更短的中间插栓，并且用混凝土牢牢固定在竖井壁上，从而可以 消除或至少部分减小力从上面的堆叠部分传递给下面的堆叠部分。这些中间插栓(其也导 致危险材料竖直分开并且因此导致在危险材料发热的情况下周围岩石的受热被减小)也 可以设置在各个存储容器之间，但是这将导致花费更多时间将存储容器放入到竖井中。
竖井应该不完全填充存储容器，而是只是填充至一定的安全高度，从而最上面的 存储容器将与竖井的顶端分开一段安全的距离。该安全高度或安全距离取决于在每种情 况中的安全要求、危险材料的危险性、岩床的状况、与地下水相关的危险问题和其它相关因 素。如果危险材料在放入到竖井中时具有高放射性，则最好绝不要让存储容器的堆叠距离 地面低于500或1000米。优选的是，堆叠的顶部应该低于地下水地层。
最终将位于最上面的存储容器上方的那部分竖 井用用来密封该竖井的合适材料 填充。密封材料可以选择成难以将它移除，从而恐怖分子想要破坏或试图恢复该材料将难 以进行。
可以将一根或多根管状构件(管子或软管)与底座插栓和拉伸缆索一起通入到竖 井中。这些管状构件可以包括或者随后设置合适的通信和/或监测设备，例如用于监测活 性水平、检查存储容器、底座插栓和中间插栓的对中位置、在岩床内或在竖井内的运动等。 这些管状构件中的一根或多根最初可以是空的，以便随后可以补充该设备或者更换出故障 的设备。而且，可以使用这些管状构件将致冷剂向下引入到竖井中并且从中引出，例如通过 在存储容器中的通道。该致冷剂降低了由仍然发热的核燃料引起的在竖井周围的岩床的发 热。在核燃料从反应堆中抽出之后短时间内将核燃料放入到竖井中并且发热因此仍然相对 较强的情况下，减小这种从存储容器到周围岩床的热传递是适当地或必要的。
因为在实际和经济限制范围内应该尽可能减小在竖井周围的岩床发热，所以最好 不要在将核燃料从反应堆中取出之后立即将核燃料封装在存储容器中。在从反应堆中将核 燃料取出之后的第一年或几年期间，发热仍然较强，但是在卸载之后它相对迅速地下降至 最初的一小部分。在几年的过渡之后，它持续下降，但是下降速度低得多。
为此，最好在将核燃料从反应堆中取出之后在将它放入到竖井中之前让该核燃料 冷却合适的时期，例如3至5年。冷却可以按照与目前方式相同的方式进行，即，通过将核 燃料放置在衰减池中并且将它保持在那里直到将它封装在存储容器中并且引入到竖井中。 从安全角度看有吸引力的可选方案在于，在将核燃料从反应堆中取出之后立即将核燃料转 移到受到强制冷却的存储容器中一定的时间，例如2至5年，之后再将它们放入到竖井中。 必要时，在放入到竖井中之前，可以用不同的存储容器来更换其中进行冷却的存储容器。还 有一种可能是，在冷却时期的最后将保存有核燃料的受冷却的存储容器放到另一个存储容 器中，并且将该存储容器放入到竖井中。[0025]在存储强烈发热的危险材料尤其是燃尽并且仍然非常活性的核燃料时，通常期望 通过将该危险材料放置在更窄但是数量更多分布更广的竖井中来使得该危险材料竖直和/ 或横向分布，并且采用更多中间插栓，而不是将危险材料安放在更宽并且更少的竖井中而 且水平和竖直分布更密集。危险材料分布得更分散降低了在周围岩床上产生不利影响的危险。
在用于发热的危险材料的存储容器的优选设计中，存储容器其尺寸和结构设定为 保存单个燃料组件或者单束燃料棒。可选的是，存储容器可以在中央保存两个或更多个燃 料组件或燃料棒束，并且彼此轴向对准。当然，在该情况中，如果存储容器保存有两个组件 或燃料棒束，每个具有4米的长度，则存储容器将具有相当长的长度，例如9至12米。这种 布置的优点在于，存储容器并且因此还有竖井可以具有相对较短的直径，例如存储容器的 直径为50至70cm，竖井的直径为60至90cm。
在另一个切实可行的设计中，每个存储容器可以保存一组四个并排设置的燃 料组 件或燃料棒束。当然，在该情况中，存储容器的直径或横向尺寸以及因此竖井的直径将必须 比单个燃料组件的相应尺寸大，例如，20cm。另一个缺点在于，存储容器上的热负载和核燃 料所在的岩床的热负载将相应的更高。为此，该设计主要适用于其中核燃料的发热已经下 降至较低水平的情况。
优选的是，燃料组件或燃料棒束灌注有混凝土，它们都设置在存储容器中，从而在 燃料组件中的燃料棒或者燃料束之间的空间也将充满混凝土，优选为自压实纤维加强混凝土。
采用目前的深钻技术，可以按照合理经济的方式钻出这些竖井。这些竖井可以按 照与所需存储空间相对应的空间连续钻出，或者它们可以，例如，按照在十年或几十年对存 储空间的需求进行计算所对应的数量全部同时钻出，并且按照要求连续填充。
这些竖井彼此间隔一定距离钻出，该距离适用于针对存储空间计算出的总要求和 在存放室的位置处可得到的有用空间、竖井的直径以及其它相关因素，例如在核燃料将产 生相当大热量的那段时期内，所存储的材料很可能在每个竖井周围的施加于岩床上的热负 载。
另外下面将参照附图仅采用核燃料，更具体地说是核燃料组件中的核燃料棒，作 为根据本发明将要存储在存放室中以便最终处置的材料示例来对本发明进行说明。但是， 根据本发明的最终处置方法不限于这种材料，而是还可以用于其它需要极高安全度的危险 材料。因此，本发明不限于核燃料，而是可以应用于广义上的危险材料。
附图的简要说明

图1为用于最终存放核燃料的完成的存放室的示意图，它包括单个竖井，并且还 同样示意性地显示出用于钻出竖井且填充和密封竖井所用的设备。
图2为竖直剖视图，放大显示出保存着其中封装有核燃料组件的存储容器的一部 分竖井，并且还显示出其上放置着存储容器的中间插栓；
图3为在竖井底部附近的竖井的竖直剖视图，并且显示出底部插栓的上部，其具 有系在其上的拉伸缆索；以及还有首先插入的存储容器的下部；
图4为竖井和存储容器的沿着图1中的A-A线剖开的水平剖视图；并且
图5为用于将存储容器下放到竖井中并且使得拉伸缆索张紧并且夹紧的装置的竖直剖视图。
优选实施方案的详细说明
在图1中所示的完成的存放室10的那部分，除了钻出的竖井11之外，包括由L 表示并且形成保存着所存储的存储容器12的那部分竖井11的部分，每个这种存储容器保 存着具有燃料棒的核燃料组件；以及由F表示的部分，该部分直接设置在部分L上方并且填 充有材料E以形成存放室10的密封。如所示一样，部分F延伸至地平面M或者延伸至地平 面附近的高度。可选的是，它可以延伸至部分或完全位于地下的空间地板，例如在岩腔中。 该部分F代表使得存储在存储容器12中的核燃料与地平面M分开的安全距离。
该安全距离可以根据各种因素来确定，这些因素与施加在存放室上的安全要求相 关并且还取决于由国家或国际专家所制定的规则或准则、地下水高度、所存储的危险材料 的种类等。在只是以实施例的方式显示出的存放室10中，安全距离至少为500米，并且竖 井的深度为1500米，但是要理解的是安全距离和竖井的深度在本发明的范围内可以具有 其它数值。为此，在这里给出的数值只是当作指导。
竖井可以采用公知并且经过良好测试的深钻技术按照任意合适的方式钻出。在以 实施例的方式显示出的情况中，其中容纳着核燃料的那部分竖井横截面其尺寸设计用于单 个核燃料组件，由在图2和4中的FA表示，竖井直径例如可以为60至80cm，并且比圆柱形 存储容器12的直径小大约10cm。当然，如果核燃料在存储容器12中占据基本上更大的横 截面，则竖井直径可以更大，并且在更大范围内变化。
在所示的实施例中，存储容器12根据上述专利文献设计出，但是可以采用具有不 同设计的存储容器。它们可以在燃料组件处于存放室场所处或其附近的情况下生产出并且 装载，这些燃料组件按照任意合适的方式从衰减池输送到那里。在图1中，车辆TB表示用 于核组件FA的输送，存储容器12的生产和装载以及将所装载的存储容器输送到提升和拉 伸设备H的设备。
安放在竖井11的底部IlA上的是底座插栓13，它用作下放到竖井中的存储容器 12的底座或基架，并且作为拉伸缆索和管状构件的固定件，这些在该说明书中在前面已经 提到并且将在下面进行更详细说明。优选的是，底座插栓13也可以包含辅助设备，例如用 于监控底座插栓的下降的设备，而且后者还用于监控存放室的各个参数(温度、泄漏、辐 射、地震运动等)，并且用于与位于地平面处或者位于一些其它合适的地方中的控制中心通 信。底座插栓13基本上为钢筒，其具有圆形钢底板以及同样为圆形的钢顶板，该钢顶板设 有用于堆叠存储容器12的对中构件14而且填充有纤维加强混凝土。
底座插栓13的圆周表面设有粗糙成形部分，因此不光滑。在这些附图中，这些粗 糙成形部分例如为在圆周表面中的凹陷，但是它们可以采取任意合适的形状。在底座插栓 13灌浆之后，它们用来将底座插栓固定在竖井壁IlA上，该竖井壁自身由于钻井也是粗糙 的。
将多根拉伸缆索15系在底座插栓13的周围部分上。在所示的实施例中，在外周上 均勻分布有六根这种拉伸缆索15。在拉伸缆索15之间设有与之交替的六根管状构件16， 它们最好由软管或耐老化软管形成，其中一些可以保持在上面说明书中所提到的导线以及 其它用于通信的部件。这些管状构件16中的一个或几个可以是空的，留给需要时使用，例 如在其它管状构件中的一个中出故障的情况中。[0046]在通过钻井设备D已经将竖井11向下钻到预定深度时，该设备离开竖井以留下用 于提升和拉伸设备H的空间，该设备首先用来将底座插栓13以及系在其上的拉伸缆索15 和管状构件16下放到竖井11的底部11A，然后将存储容器12放下去并且还将混凝土灌浆 组合物或一些其它合适的灌浆材料输送到竖井中并且拉紧拉伸缆索15。
最初，将底座插栓13下放到竖井11的底部11A，在那里使得底座插栓在竖井中对 中，从而它将尽可能与竖井精确共轴。将混凝土灌浆组合物引入引入到底座插栓周围，并且 使之硬化预定时间，从而将底座插栓13固定在竖井中的共轴位置中。
然后将第一存储容器12下放到底座插栓13上，从而它将在对中位置中停靠在其 上。在下放期间，存储容器可以由保持拉紧的拉伸缆索15引导。还可以通过滑动构件来 在下放期间引导存储容器12，这些滑动构件安装在存储容器上并且与竖井壁IlA共同作用 (底座插栓13也可以按照与它下放的方式类似的方式引导)。由于与底座插栓13相同的原因而粗糙化的被下放的存储容器通过在其周围注入 混凝土灌浆组合物而被固定就位，然后按照相同的方式下放并且固定其它存储容器12。
这样，用一组例如五个或十个存储容器12在竖井中构建出堆叠部分。这些存储容 器优选可以同时灌浆，而不是一个接一个灌浆。如果要求的话，在堆叠部分中的存储容器的 数量可以根据在岩床中检测到的现场情况而改变。
在混凝土灌浆组合物已经固化之前，通过在提升和拉紧设备17中的插座17将拉 伸缆索15拉紧，然后通过由在图6中的制动楔形件表示的制动构件18锁在拉伸状态中。在 混凝土灌浆组合物已经硬化规定时间时，解除拉伸缆索15以给混凝土施加预应力。
在堆叠部分的顶部上或者必要时在最上面的堆叠部分的顶部上或者在按照与第 一个相同的方式形成的一个或几个其它堆叠部分的顶部上，设置有与底部插栓13类似但 是直径更小，最好具有与存储容器直径相同的直径的中间插栓19。该中间插栓19通过在其 周围注入混凝土灌浆组合物而固定在竖井壁IlB上。
构建存储容器13的堆叠按照所述方式一直持续到竖井11的存储容器保持部分L 填满。然后，最好通过例如与中间插栓19分开的自压实混凝土柱回填，必要时采用这种插 栓作为最终部分，在F部分中密封竖井，直到达到地平面。当然也可以采用其它回填元件或 材料。
可以通过钻出并且按照上述方式用其它存储容器12填充然后密封的其它竖井11 来扩展最终存储。竖井之间的水平间隔距离选择成由于存储在各个竖井中的核燃料所产生 出的热量而导致的在周围岩床上的加热作用不会传递给相邻的竖井。
在存放室10填满或者不再需要扩展时，可以按照针对美观和其它要求或愿望的 适当方式恢复或重新布置在存放室位置处的地面。也可以根据规定或希望组织监督和检 查。
可以想到的是，如上所述根据本发明的方法可以在由权利要求
确定的保护范围内 按照许多方式变化。例如，根据这些情况而言存储容器的尺寸和重量以及设备的容量，从而 同时下放多个预堆叠的存储容器。在权利要求
的范围内，还可以使得存储容器足够高，从而 每个存储容器能够容纳相互堆叠并且相互分开合适的轴向空间的两个核燃料组件或类似 的核燃料单元，从而可以更加快速地进行竖井的填充。而且，中间插栓可以在进行下放到竖 井中之前与上面或下面的存储容器互连。
权利要求
一种用于在地下最终处置危险材料，尤其是放射性危险废弃物，例如核燃料的方法，该方法包括以下步骤将危险材料封装在多个基本上相同的存储容器中；钻出竖井，该竖井足够宽以便容纳单独堆叠的存储容器，并且存储容器相对于竖井壁具有间隙空间和足够的深度以便容纳堆叠的存储容器和位于堆叠的上方用于密封该竖井的回填物；在分布在底座插栓周围的多个固定位置处将多根缆索连接至底座插栓，该插栓的尺寸设置成能够容纳在竖井中，并且插栓相对于竖井壁具有间隙空间，并且缆索足够长以便从竖井的口部延伸至竖井的底部；通过连接在其上的缆索将底座插栓下放到竖井的底部，将底座插栓定位在竖井底部处的中央位置中，并且通过在竖井壁和底座插栓之间引入固化灌浆组合物以及使该灌浆组合物固化而在中央位置中将底座插栓固定至竖井壁；将存储容器下放到竖井中，一次至少一个，从而将这些存储容器形成为停靠在底座插栓上的堆叠，并且在存储容器的下放期间保持缆索拉紧以便至少在存储容器接近底座插栓时阻止插栓的横向运动；在下放的存储容器周围引入固化灌浆组合物并且使该灌浆组合物固化；以及在存储容器下放完成之后，将回填物引入到竖井中以便将该竖井密封。
2.如权利要求
1所述的方法，其中，在已经将第一组存储容器下放到竖井中并且形成 位于底座插栓上方的第一堆叠部分之后，将固化灌浆组合物引入到在竖井壁和所述第一组 存储容器之间的间隙空间中，由此将缆索拉紧，使得固化灌浆组合物固化，然后松开拉紧的 缆索以便向灌浆组合物施加预应力。
3.如权利要求
2所述的方法，其中在已经将第一组存储容器放入到竖井中并且在所述第一组存储容器周围的灌浆组合 物已经完全固化之后，将第二组存储容器引入到竖井中并且形成位于第一堆叠部分上方的 第二堆叠部分，将灌浆组合物引入到在竖井壁和第二堆叠部分之间的间隙空间中并且使之 固化；以及然后再次拉紧缆索，在灌浆组合物已经固化之后，将缆索松开以便在额外的第二组存 储容器周围的灌浆组合物上施加预应力。
4.如权利要求
3所述的方法，其中，将中间插栓固定至竖井壁以用于每个部分的存储 容器或者用于选定部分的存储容器。
5.如权利要求
1或2或3或4所述的方法，其中，自压实混凝土用作固化灌浆组合物。
6.如前述权利要求
中任一项所述的方法，其中，除了缆索之外，还将至少一个管状构 件，例如至少一根软管和/或至少一根管子，固定底座插栓中，以便形成延伸至竖井的上端 的一个或多个通信通道或监测通道。
专利摘要
保存危险材料的存储容器(12)堆叠在其直径稍大于存储容器的横向尺寸的钻井(11)中。首先，将底座插栓(13)下放到竖井(11)的底部并且通过引入引入到底座插栓周围的间隙空间中的固化灌浆组合物而固定在那里。足够长以从竖井底部延伸至竖井上端的多条缆索(15)的一个端部附连在围绕着底座插栓(13)的周围分布的多个固定位置处。然后将多个存储容器在由缆索(15)包围的空间内顺序下放到竖井内，并且堆叠在竖井中。该堆叠正好在竖井(11)的上端下方停止，以便为回填密封该竖井提供空间。
文档编号G21F9/34GKCN101971268SQ200980105826
公开日2011年2月9日 申请日期2009年2月17日
发明者H·耶奥伊 申请人:奥伊斯特国际股份有限公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan