Радиоизотопное устройство для погружения в геологические формации земной коры.

Радиоизотопное устройство для погружения в геологические формации земной коры.

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к техническим средствам погружения в глубокие пласты коры планет солнечной системы, а более конкретно в геологические формации земной коры, и может использоваться для захоронения радиоактивных отходов (РАО) в глубинных слоях литосферы и исследования строения, состава и структуры формаций земной коры.

Известные в настоящее время методы погружения в породах земной коры основаны на использовании тепловыделяющих элементов или контейнеров, содержащих радиоактивные изотопы. При погружении таких устройств происходит расплавление горных пород за счет интенсивного тепловыделения, сопровождающего радиоактивный распад нуклидов, заполняющих герметичный корпус (оболочку) тепловыделяющих элементов. Погружение контейнера с капсулами РАО в расплавляемых геологических породах происходит под действием собственного веса. В процессе перемещения устройства осуществляется дальнейшее проплавление геологических пород. При реализации данного метода возникают технические проблемы, связанные с использованием тепловой энергии, выделяющейся в процессе радиоактивного распада нуклидов, для нагрева зоны геологических пород, находящейся под нижней поверхностью устройства. Вместе с тем необходимо обеспечить минимальные градиенты температур в элементах конструкции устройства и минимальный уровень температуры в полости контейнера и тепловыделяющих элементов, при котором стабильно поддерживается процесс плавления геологических пород, контактирующих с внешней поверхностью устройства. Выполнение данных условий обуславливает обеспечение требуемых прочностных характеристик и герметичности элементов конструкции устройства в течение длительного погружения в расплавляемых геологических породах.

В авторском свидетельстве SU 826875 A1 (опубликовано 30.04.1992) описан процесс погружения в расплавляемых горных породах контейнера, заполненного подлежащими захоронению РАО. Согласно данному способу нуклиды, обладающие высоким уровнем активности, помещают во внутренний объем герметичного контейнера. Корпус контейнера выполняется из тугоплавкого материала, температура плавления которого превышает 2300°С. За счет тепловыделения при радиоактивном распаде нуклидов температура поверхности корпуса контейнера должна поддерживаться в диапазоне от 1900°С до 2100°С. Контейнер погружается в расплавляемых геологических породах под действием силы тяжести. Для этого средняя плотность устройства должна превышать плотность пород, расположенных под контейнером. Глубина погружения устройства в слои литосферы может быть более 30 км. В этом случае захоронение РАО происходит в подвижной части мантии Земли.

Способ захоронения РАО, основанный на методе погружения тепловыделяющего контейнера в расплавляемых породах, раскрыт в патенте RU 2152093 С1 (опубликован 27.06.2000). Способ включает бурение скважины и формирование в канале скважины полости-каверны диаметром до 6 м. Глубина массива каменной соли, в котором осуществляется бурение скважины, выбирается от 1 до 10 км. В полости-каверне создают вязкую среду путем закачивания растворителя каменной соли. После этого полость заполняют контейнерами (капсулами), содержащими РАО высокого и среднего уровня активности. Контейнеры погружаются в расплаве горных пород при интенсивном нагреве окружающей среды вследствие радиоактивного распада нуклидов. Каждый контейнер содержит прочную герметичную оболочку, выполненную из тугоплавкого и термостойкого материала. Оболочка имеет многослойную структуру с коррозионностойкими слоями. Корпус контейнеров может иметь сферическую либо несферическую форму с многосвязной поверхностью. Внешний диаметр сферических контейнеров составляет от 200 до 300 мм. Контейнеры заполняется РАО высокого и среднего уровня активности. Тепловыделение каждой капсулы составляет ~1 кВт, что соответствует активности радионуклидов 150÷200 Ки.

Погружение устройства в расплавляемых горных породах происходит при выполнении следующих условий: средняя плотность контейнера с РАО должна превышать плотность горных пород, расположенных под контейнером; температура плавления тугоплавкого материала, из которого выполнен корпус, должна превышать температуру плавления горных пород. Градиент температуры между поверхностью корпуса контейнера и вязкой средой (раствором каменной соли) необходимо поддерживать в диапазоне от 3°С до 10°С. При реализации способа контейнеры могут погружаться с начальной глубины 1÷1,5 км на глубину 5 км в течение одного года.

Устройство для погружения в расплавляемых горных породах, описанное в патенте RU 2137233 C1 (опубликован 10.09.1999), выполнено в виде контейнера (капсулы) в форме шара. Внешний диаметр корпуса контейнера может выбираться в широком диапазоне в зависимости от состава материалов, подлежащих захоронению. Поперечный размер (диаметр) контейнеров выбирается в диапазоне от 50 до 250 мм, что составляет 50÷80% от диаметра типовых обсадных труб буровых скважин. Герметичный контейнер выполняется с многослойным тугоплавким корпусом. Полость контейнера заполняется тепловыделяющими материалами, в том числе РАО, и опасными токсикантами. В наполнителе, выполненном из пористой керамики, размещается патрон с гранулированным сорбентом. Контейнеры помещаются в стволы скважин на глубину до 4,5 км. Далее контейнеры выдерживаются в кавернах в течение периода времени, необходимого для разогрева подстилающих пород. Выделяющиеся из рабочего материала летучие компоненты улавливаются гранулами сорбента. После расплавления подстилающих горных пород происходит перемещение контейнеров под действием собственной силы тяжести в глубинные слои литосферы.

В патенте RU 2510540 C1 (опубликован 27.03.2014) описан способ захоронения РАО и тепловыделяющая капсула, используемая для его осуществления. Тепловыделяющая капсула погружается в скважину, образованную в геологических формациях. В полости капсулы находится теплопроводящая матрица, насыщенная радионуклидами. В качестве первого компонента смеси используются долгоживущие изотопы трансурановых элементов или иные долгоживущие радионуклиды. В качестве второго компонента смеси применяют активные изотопы ⁹⁰Sr и/или ¹³⁷Cs. Количественный состав смеси радионуклидов выбирают из условия: мощность объемного тепловыделения должна превышать тепловую мощность, необходимую для расплавления геологических пород, расположенных под капсулой.

Наиболее близким аналогом изобретения является устройство для погружения в расплавляемых геологических породах, описанное в патенте RU 2535199 C1 (опубликован 10.12.2014). Устройство содержит герметичный контейнер, корпус которого выполнен из тугоплавкого материала и заполнен тепловыделяющими элементами и теплопроводящим наполнителем. Оболочки тепловыделяющих элементов заполнены РАО и активными радионуклидами. Корпус имеет две торцевые поверхности и боковую поверхность, имеющие осесимметричную форму. Высота Н контейнера вдоль его оси симметрии и максимальный поперечный размер (диаметр) контейнера D в плоскости, перпендикулярной его оси симметрии, выбраны из условия: D>4H. Контейнер снабжен теплоизоляцией, расположенной со стороны верхней торцевой поверхности. На нижней торцевой поверхности корпуса выполнены выступы.

За счет выбора оптимальных размеров контейнера повышается эффективность использования энергии, выделяемой активными нуклидами. Выделяемая тепловая энергия концентрируется в области геологических пород, расположенной непосредственно под нижней торцевой поверхностью контейнера. В результате концентрации тепловой энергии повышается эффективность ее использования для расплавления геологических пород в заданном пространственном объеме и увеличивается скорость погружения контейнера.

При использовании устройства-прототипа и других известных аналогов теплопередача от активных радионуклидов к окружающей геологической породе происходит в основном за счет теплопроводности. В этом случае значительная часть выделяемой радионуклидами тепловой энергии поглощается в элементах конструкции устройства, что приводит к их интенсивному нагреву и возникновению существенных градиентов температур между центральной частью контейнера, заполненной активными радионуклидами, и его внешней оболочкой, контактирующей с расплавляемой геологической породой.

Изобретение направлено на решение технической задачи, связанной с реализацией с помощью устройства при погружении в геологические формации режима нагрева и расплавления окружающих пород, в том числе и льда, путем их прямого нагрева излучением, в качестве которого используется гамма-излучение активных радионуклидов. При данном режиме нагрева меньшая часть энергии (менее 30%), выделяющейся при радиоактивном распаде активных нуклидов, заполняющих тепловыделяющие элементы, может поглощаться в элементах конструкции устройства. Остальная часть энергии непосредственно используется для нагрева и расплавления окружающих пород за счет поглощения гамма-излучения.

Достигаемые при решении технической задачи результаты заключаются в повышении эффективности использования выделяемой активными нуклидами энергии для расплавления окружающих пород при погружении, повышении надежности устройства и увеличении его ресурса за счет снижения рабочей температуры элементов конструкции и градиентов температур, возникающих в элементах конструкции в процессе погружения.

Указанные технические результаты достигаются с помощью радиоизотопного устройства, предназначенного для погружения в геологические формации заменой коры. Устройство содержит тепловыделяющие и соединительные элементы, образующие однослойную осесимметричную тепловыделяющую структуру. Высота Н тепловыделяющей структуры и ее максимальный размер D в плоскости, перпендикулярной оси симметрии тепловыделяющей структуры, выбраны из условия: D>4H.

Тепловыделяющие элементы имеют шарообразную форму и связаны между собой соединительными элементами, выполненными из тугоплавкого материала. Тепловыделяющие элементы расположены вдоль одной поверхности с зазорами, образующими проточные каналы между верхней и нижней поверхностями тепловыделяющей структуры. Каждый тепловыделяющий элемент содержит герметичную оболочку, выполненную из тугоплавкого материала и заполненную составом, включающим активный изотоп ⁶⁰Со. Толщина δ герметичной оболочки и диаметр d_П полости герметичной оболочки, заполненной составом, содержащим изотоп ⁶⁰Со, выбираются условий: δ<0,5·(µ_O)^-1 d_П/2<0,5·(µ_Т)^-1, где и µ_Т - линейные коэффициенты ослабления гамма-излучения в материале оболочки и в составе, заполняющем герметичную оболочку тепловыделяющего элемента.

Радиоизотопное устройство, охарактеризованное указанной выше совокупностью признаков, обеспечивает достижение технических результатов в результате реализации следующих теплофизических и гидродинамических процессов и явлений.

Использование в качестве активного нуклида, заполняющего герметичные оболочки тепловыделяющих элементов, изотопа кобальта - ⁶⁰Со позволяет реализовать процесс теплопереноса излучением (лучистого теплопереноса) от тепловыделяющих элементов к окружающим породам. Данный процесс обусловлен тем, что изотоп ⁶⁰Со обладает высоким значением энерговыделения на один акт распада за счет гамма-излучения по сравнению с другими используемыми активными радионуклидами. Вследствие этого основным механизмом нагрева окружающих пород является тепловыделение в результате поглощения гамма-излучения.

Реализация данного теплообменного процесса связана с выбором в качестве активного радионуклида изотопа ⁶⁰Со, обладающего высокой мощностью энерговыделения на 1 Бк активности. Проведенный анализ расчетных и экспериментальных данных показал, что величины удельной активности и энерговыделения изотопа ⁶⁰Со достаточны для проплавления пород коры планет известного состава. В таблице №1 представлены характеристики активности изотопа ⁶⁰Со. Представленные в таблице №1 численные значения относятся к энерговыделению изотопа за счет гамма-излучения.

Вместе с тем изотоп ⁶⁰Со существенно превосходит другие активные радионуклиды по выходу энергии при гамма-излучении. Сравнительные данные по энерговыделению при гамма-, бета- и альфа-излучении для изотопа ⁶⁰Со и других активных нуклидов представлены в таблице №2. Массовое содержание подлежащих захоронению РАО в составе, заполняющем герметичную оболочку, может достигать 93 мас. % при выбранных характерных размерах тепловыделяющих элементов и устройства в целом. В этом случае минимальное расчетное (теоретическое) значение массового содержания изотопа ⁶⁰Со в смеси радионуклидов, заполняющей герметичную оболочку, составляет 7 мас. %.

Существенным условием для обеспечения тепловыделения за пределами герметичной оболочки шарообразного тепловыделяющего элемента является выбор характерного размера тепловыделяющего элемента - диаметра d, который включает толщину δ герметичной оболочки из тугоплавкого материала и диаметр d_П полости, заполненной составом, содержащим активный радионуклид - изотоп ⁶⁰Со. В случае выполнения данного условия не менее 50% энергии, излучаемой при радиоактивном распаде изотопа ⁶⁰Со, должно выделяться за пределами герметичной оболочки. Указанное существенное условие можно представить в следующем виде: δ<0,5·(µ_O)^-1, d_П/2<0,5·(µ_T)^-1, где µ_O и µ_Т - линейные коэффициенты ослабления гамма-излучения, испускаемого изотопом ⁶⁰Со, в материале оболочки и в материале, заполняющем герметичную оболочку тепловыделяющего элемента, соответственно. Диапазоны характерных значений коэффициентов линейного ослабления гамма-излучения для используемых конструкционных материалов и составов, заполняющих герметичную оболочку, составляют: (µ_Т)^-1=(15,7÷21,3) мм, (µ_O)^-1=(9÷45) мм.

При выполнении указанных выше условий выделение энергии, образующейся при радиоактивном распаде активного изотопа, входящего в состав смеси, заполняющей герметичную оболочку тепловыделяющего элемента, в большей части происходит не в материале тепловыделяющего элемента, а за его пределами - в окружающих породах, в которых происходит погружение устройства. В этом случае, в отличие от известных устройств-аналогов, основным процессом теплопередачи из области радиоактивного распада активного изотопа (⁶⁰Со) является процесс переноса энергии излучением (гамма-излучением), а не передача энергии за счет теплопроводности материалов, из которых выполнен тепловыделяющий элемент. Вследствие этого выделяемая энергия более эффективно используется для нагрева и расплавления окружающих пород за пределами (с внешней стороны) оболочки тепловыделяющего элемента. При этом температура элементов конструкции тепловыделяющего элемента и устройства в целом поддерживается на уровне температур, близких к температуре плавления окружающих пород. В результате снижения уровня температуры внутри тепловыделяющих элементов снижаются градиенты температуры в элементах конструкции тепловыделяющей структуры и их максимальные температуры.

Наряду с реализацией процесса теплопередачи и нагрева окружающих пород излучением существенное значение имеет концентрация излучаемой энергии в области, расположенной под нижней поверхностью тепловыделяющей структуры. В этой области необходимо обеспечить интенсивный нагрев пород и их расплавление. Расплав пород затем вытесняется под действием силы тяжести устройства через проточные каналы, образованные зазорами между тепловыделяющими элементами между нижней и верхней поверхностями тепловыделяющей структуры. Для реализации концентрации излучаемой энергии в определенной пространственной области окружающих пород используется квазиодномерный режим теплопереноса (энерговыделения). Осуществление данного режима работы устройства связано с выбором размеров устройства согласно условию: D>4H, где Н - высота тепловыделяющей структуры, H=d, D - диаметр тепловыделяющей структуры (в плоскости, перпендикулярной ее оси симметрии), d - диаметр тепловыделяющих элементов, образующих тепловыделяющую структуру.

Указанное выше условие выбора размеров тепловыделяющей структуры аналогично условию выбора размеров контейнера, заполненного тепловыделяющими элементами, которое используется в устройстве, описанном в патенте RU 2535199 C1. Соотношение размеров D и Н обусловлено необходимостью концентрации (фокусировки) энергии: поток излучаемой энергии со стороны нижней поверхности тепловыделяющей структуры должен превышать поток энергии, излучаемой через боковую поверхность тепловыделяющей структуры. С целью минимизации площади поверхности для оценочного анализа в качестве формообразующей боковой поверхности тепловыделяющей структуры выбирается цилиндрическая поверхность. Верхняя и нижняя поверхности тепловыделяющей структуры для оценочного расчета выбираются плоскими. Предполагается, что источник энергии, состоящий из совокупности связанных между собой тепловыделяющих элементов, содержащих гамма-излучающий радионуклид, излучает равномерные потоки энергии во всех направлениях, т.е. поверхностная плотность гамма-излучения одинакова по всей внешней поверхности тепловыделяющей структуры (q_И=const).

Данные условия можно представить в следующем виде:

Q_НЧ>Q_БЧ; Q_НЧ=q_И·S_НЧ=q_И·πD²/4; Q_БЧ=q_И·S_БЧ=q_И·πDH;

где Q_НЧ - поток энергии через нижнюю поверхность тепловыделяющей структуры; Q_БЧ - тепловой поток через боковую поверхность тепловыделяющей структуры; Н и D - высота и диаметр тепловыделяющей структуры.

При постоянной величине q_И вдоль внешней поверхности структуры отношение Q_НЧ>Q_БЧ принимает следующий вид: S_НЧ>S_БЧ. Из данного соотношения следует: D>4H.

Таким образом, при минимальной площади боковой поверхности тепловыделяющей структуры, имеющей форму прямого круглого цилиндра, квазиодномерный режим тепловыделения реализуется при выполнении условия: D>4H. Данное условие характеризует минимальное значение соотношения размеров D и Н, следовательно, оно применимо и для других форм выполнения поверхностей тепловыделяющей структуры.

При реализации квазиодномерного режима энерговыделения в значительной степени подавляется теплоперенос в горизонтальном направлении (в плоскости, перпендикулярной оси симметрии тепловыделяющей структуры). В случае выполнения условия D>4H поток излучаемой энергии обеспечивает преимущественное расплавление пород, расположенных под нижней частью тепловыделяющей структуры. В результате перераспределения в окружающих породах излучаемых потоков энергии увеличивается скорость проплавления пород вдоль направления движения устройства.

При реализации квазиодномерного режима энерговыделения выполняется условие: , где R=D/2 - радиус тепловыделяющей структуры, χ - коэффициент температуроповодности тепловыделяющей структуры, V - скорость опускания тепловыделяющей структуры в горной породе, (µ_П)^-1 - характерный размер поглощения энергии гамма-излучения, выделяемой при радиоактивном распаде изотопа ⁶⁰Со, в окружающей породе. Согласно данному условию мощность излучения в направлении области окружающих пород, расположенной под нижней поверхностью теплопроводящей структуры, должна превышать мощность теплового потока в горизонтальном направлении. Численные значения характерного размера (µ_П)^-1 для различных видов окружающих пород представлены в таблице №3.

Наряду с перераспределением тепловых потоков с внешней стороны пространственной структуры происходит теплообмен внутри тепловыделяющей структуры за счет теплопроводности элементов конструкции устройства. Вследствие этого в элементах конструкции устройства поддерживается температура, близкая к температуре плавления геологической породы. Перетекание расплава в вертикальном направлении по каналам, связывающим верхнюю и нижнюю торцевые поверхности тепловыделяющей структуры, происходит при минимальных потерях энергии, так как суммарное гидравлическое сопротивление каналов мало по сравнению с гидравлическим сопротивлением кольцевого канала, образованного между периферийной частью устройства и стенкой канала скважины, образующейся при погружении устройства. Перетекание расплава геологических пород через указанный кольцевой канал характерно для устройства-прототипа. При использовании известных устройств жидкий расплав геологических пород, образующийся под нижней поверхностью тепловыделяющего контейнера, перетекает в верхнюю часть канала скважины через узкий кольцевой канал, имеющий неравномерную по периметру ширину, между твердой стенкой канала скважины и боковой поверхностью корпуса контейнера.

Устройство, выполненное согласно изобретению, позволяет исключить дополнительный нагрев расплава в процессе его течения вдоль нижней торцевой поверхности устройства до кольцевого проточного канала и вдоль канала до области, расположенной над верхней поверхностью устройства. Требуемая температура расплава поддерживается во внутренних каналах устройства за счет теплопроводности и конвективного теплопереноса. Температура нагрева окружающих пород до жидкого состояния зависит от теплофизических характеристик конкретной пород, в которой осуществляется погружение устройства. Расчетная температура расплава пород в проточных каналах устройства устанавливается путем выбора соответствующей концентрации активного изотопа ⁶⁰Со в составе, заполняющем герметичные оболочки тепловыделяющих элементов.

Сочетание условий, определяющих форму и размеры тепловыделяющих элементов, наличие в тепловыделяющей структуре проточных каналов и выбор определенного активного радионуклида, обеспечивающего реализацию процесса нагрева окружающих пород за счет гамма-излучения, позволяет осуществить расплавление окружающих пород до жидкого состояния при относительно низких температурах элементов конструкции устройства. При этом вытеснение жидкого расплава через проточные каналы при погружении устройства происходит с минимальными гидравлическими потерями.

В результате реализации теплопередачи от области радиоактивного распада активного изотопа в заданную пространственную область окружающих пород за счет гамма-излучения выделяемая активным радионуклидом энергия наиболее эффективно используется для расплавления пород, в которых происходит погружение радиоизотопного устройства. При этом из-за снижения уровня температур в элементах конструкции повышается надежность устройства и увеличивается его ресурс.

В случае использования устройства для захоронения РАО состав, заполняющий герметичную оболочку тепловыделяющего элемента, может содержать подлежащие захоронению радионуклиды. Массовое содержание подлежащих к захоронению радионуклидов в составе, заполняющем герметичную оболочку тепловыделяющего элемента, может достигать 93 мас. %.

В качестве подлежащих захоронению радионуклидов выбираются химические соединения или смеси химических соединений, содержащих, например, один из следующих изотопов: ⁹⁰Sr, ¹³⁷Cs, ²³⁸Pu, ²⁴¹Am, ²⁴⁴Cm.

Подлежащие захоронению радионуклиды могут использоваться в виде химического соединения или смеси химических соединений, содержащих по крайней мере один долгоживущий радионуклид. В качестве таких радионуклидов могут быть выбраны долгоживущие изотопы трансурановых элементов либо изотопы из ряда: ¹⁵¹Sm, ⁹⁹Тс, ^121mSn, ⁹³Zr, ¹²⁶Sn, ⁷⁹Se, ¹³⁵Cs, ¹⁰⁷Pd, ¹²⁹I, ¹⁶⁶Ho, ¹⁰⁸Ag, ¹⁵⁸Tb, ⁹⁴Nb.

Для повышения теплопроводности тепловыделяющего элемента состав, заполняющий его герметичную оболочку, может содержать теплопроводящий наполнитель. В качестве наполнителя используются, например, металлы или сплавы металлов, которые выбираются из следующего ряда: Pb, Al, Na, Hg, Zn, Sn, Bi. Наполнитель может быть использован в виде фторидов металлов, выбранных из следующего ряда: Na, Ka, Li или в виде смеси фторидов перечисленных металлов.

Массовое содержание активного изотопа ⁶⁰Со в составе, заполняющем герметичную оболочку, может выбираться в зависимости от решаемых задач в широком диапазоне значений - от 7 до 100 мас. %. Так, например, при использовании устройства для проведения исследований структуры и состава окружающих пород содержание изотопа ⁶⁰Со в составе, заполняющем герметичную оболочку, может быть максимальным - до 100 мас. %. В случае использования устройства для захоронения РАО теоретически возможен вариант выбора минимального массового содержания изотопа ⁶⁰Со. Для данного случая расчетные значения массового содержания компонентов состава, заполняющего герметичную оболочку, составляют: изотоп ⁶⁰Со - 7 мас. %, теплопроводящий наполнитель и РАО - остальное.

Для традиционно используемых тугоплавких конструкционных материалов толщина δ герметичной оболочки тепловыделяющих элементов выбирается в диапазоне от 3 до 6 мм. Диаметр d_П полости герметичной оболочки при использовании заполняющего его состава, содержащего смесь активного изотопа ⁶⁰Со с РАО, выбирается в диапазоне от 4 мм до 14 мм.

С целью обеспечения заданного гидродинамического режима течения жидкого расплава пород через проточные каналы тепловыделяющей структуры (при минимально возможном гидравлическом сопротивлении каналов) расстояние L между поверхностями близлежащих тепловыделяющих элементов выбирается в диапазоне от 10 до 80 мм.

В простейшем варианте конструкции тепловыделяющей структуры тепловыделяющие элементы устанавливаются вдоль одной плоской поверхности. Возможны и другие варианты конструкции, в которых тепловыделяющие элементы могут быть расположены вдоль криволинейных поверхностей.

Устройство может содержать по меньшей мере один контейнер, который соединяется с тепловыделяющей структурой со стороны ее верхней поверхности. В случае использования устройства для захоронения РАО контейнер снабжается герметичной оболочкой, заполняемой подлежащими захоронению радионуклидами. При использовании устройства для исследовательских целей контейнер снабжается герметичным защитным корпусом, в котором размещается измерительное оборудование и средства приема и передачи информации.

Далее изобретение поясняется описанием конкретных примеров выполнения радиоизотопного устройства, предназначенного для погружения в геологические формации заменой коры.

На прилагаемых чертежах изображено следующее:

на фиг. 1 - схематичный продольный разрез скважины с радиоизотопным устройством, погружающимся в расплавляемых породах;

на фиг. 2 - поперечный разрез скважины (А-А) в области расположения устройства с местным видом на тепловыделяющую структуру.

Радиоизотопное устройство для погружения в земной коре содержит шарообразные тепловыделяющие элементы 1, соединенные между собой соединительными элементами 2, выполненными из тугоплавкого материала. Тепловыделяющие и соединительные элементы 1 и 2 расположены вдоль одной плоской поверхности и образуют плоскую однослойную тепловыделяющую структуру. Максимальный размер (диаметр) тепловыделяющей структуры D в плоскости, перпендикулярной ее оси симметрии, превышает высоту Н структуры в соответствии с условием: D>4H. При данном условии для тепловыделяющей структуры реализуется квазиодномерный режим энерговыделения. В рассматриваемом примере осуществления изобретения высота структуры Н равна диаметру d шарообразных тепловыделяющих элементов 1 и составляет 20 мм. Максимальный размер (диаметр) D тепловыделяющей структуры составляет ~2 м. При выбранных размерах D и Н их соотношение составляет D=100H, что соответствует условию: D>4H.

Каждый шарообразный тепловыделяющий элемент 1 содержит прочную герметичную оболочку в форме сферы, заполненную составом, содержащим активный радионуклид, в качестве которого используется изотоп ⁶⁰Со. Температура плавления тугоплавкого материала, используемого для изготовления оболочек тепловыделяющих элементов 1, превышает температуру плавления окружающих пород, в которых происходит погружение радиоизотопного устройства. В качестве материалов оболочки применяются высокотемпературные коррозионностойкие стали, вольфрам, карбиды и нитриды тугоплавких металлов, в частности карбиды и нитриды титана, вольфрама и гафния. В рассматриваемом примере герметичные оболочки тепловыделяющих элементов 1 выполнены в виде многослойной композитной структуры из карбидов тугоплавких металлов. Такая оболочка обеспечивает коррозионную стойкость тепловыделяющих элементов в течение длительного погружения устройства в расплаве окружающих пород. Толщина δ герметичной оболочки и диаметр d_П полости герметичной оболочки, заполненной составом, содержащим изотоп ⁶⁰Со, выбираются из следующих условий: δ<0,5·(µ_O)^-1, d_П/2<0,5·(µ_Т)^-1, где µ_O и µ_Т - линейные коэффициенты ослабления гамма-излучения в материале оболочки и в составе, заполняющем герметичную оболочку тепловыделяющего элемента. Согласно указанным условиям толщина δ герметичной оболочки и диаметр d_П полости герметичной оболочки для рассматриваемого примера составляют: δ=3 мм, d_П=14 мм.

Тепловыделяющие элементы 1 вместе с соединительными элементами 2 образуют решетку с ячейками в форме равносторонних треугольников (см. фиг. 2). В рассматриваемом примере тепловыделяющие элементы размещаются в одной плоскости. Соединительные элементы 2 выполняются из тугоплавкого коррозионностойкого материала, в качестве которого используются карбиды титана, вольфрама и гафния. Тепловыделяющие элементы 1 расположены с зазорами, образующими проточные каналы между верхней и нижней поверхностями тепловыделяющей структуры. Расстояние L между поверхностями близлежащих тепловыделяющих элементов составляет 15 мм, что соответствует диапазону оптимальных значений L от 10 до 80 мм.

Внутренняя полость герметичной оболочки элементов 1 заполнена составом, содержащий активный радионуклид ⁶⁰Со, обеспечивающий нагрев и расплавление окружающих пород, расположенных под нижней поверхностью тепловыделяющей структуры, преимущественно за счет гамма-излучения. Состав, заполняющий герметичную оболочку, может содержать подлежащие захоронению нуклиды. В качестве подлежащих захоронению радионуклидов могут использоваться химические соединения или смеси химических соединений, содержащих изотопы: ⁹⁰Sr, ¹³⁷Cs, ²³⁸Pu, ²⁴¹Am, ²⁴⁴Cm. РАО могут применяться в виде химического соединения или смеси химических соединений, содержащих по крайней мере один долгоживущий радионуклид, например долгоживущий изотоп трансурановых элементов или долгоживущий радионуклид, выбранный из следующего ряда: ¹⁵¹Sm, ⁹⁹Тс, ^121mSn, ⁹³Zr, ¹²⁶Sn, ⁷⁹Se, ¹³⁵Cs, ¹⁰⁷Pd, ¹²⁹I, ¹⁶⁶Ho, ¹⁰⁸Ag, ¹⁵⁸Tb, ⁹⁴Nb.

Количественный состав смеси нуклидов в составе, заполняющем герметичные оболочки тепловыделяющих элементов, выбирается исходя из условия, согласно которому мощность гамма-излучения активного нуклида ⁶⁰Со в направлении области, пород, расположенных под нижней поверхностью тепловыделяющей структуры, должна превышать тепловую мощность, необходимую для расплавления окружающих пород в направлении погружения устройства. При использовании радиоизотопного устройства для захоронения РАО массовое содержание подлежащих к захоронению радионуклидов в составе, заполняющем герметичную оболочку тепловыделяющего элемента, может составлять до 93 мас. %. В этом случае массовое содержание изотопа ⁶⁰Со в составе будет составлять 7 мас. %.

При использовании разнородных нуклидов в виде отдельных элементов (частиц) состав включает теплопроводящий наполнитель. В качестве наполнителя применяется вещество, обладающее высокой теплопроводностью и пластичностью. Данные свойства наполнителя позволяют снизить термоупругие напряжения в тепловыделяющих элементах. Вследствие этого обеспечивается прочность герметичной оболочки в условиях высокого внешнего давления в течение длительного срока эксплуатации устройства. В качестве теплопроводящего наполнителя могут использоваться металлы и сплавы металлов, температура плавления которых ниже температуры плавления окружающих пород. Так, например, для пород, состоящих из гранитоидов, базальтов и солевых пластов, температура плавления наполнителя должна быть менее 1000°С. В качестве материала наполнителя используются металлы: Pb, Al, Na, Hg, Zn, Sn, Bi; сплавы перечисленных металлов; фториды следующих металлов: Na, Ka, Li; смеси фторидов перечисленных металлов.

В случае использования радиоизотопного устройства для исследовательских целей, например для исследования пород земной коры, массовое содержание изотопа ⁶⁰Со в составе, заполняющем герметичную оболочку тепловыделяющего элемента, может составлять до 100 мас. %. Средняя объемная плотность устройства должна превышать не менее чем на 10% плотность окружающих пород для осуществления непрерывного погружения радиоизотопного устройства в расплавляемых породах под действием силы тяжести. Расчетная средняя плотность устройства обеспечивается за счет его конструкции и выбора конструкционных материалов в зависимости от конкретного вида и структуры пород, расположенных в направлении погружения.

На тепловыделяющей структуре со стороны ее верхней поверхности закреплены контейнеры 3. Контейнеры 3 соединены с тепловыделяющей структурой с помощью соединительных элементов 4, выполненных из тугоплавкого коррозионностойкого материала, в качестве которого используются карбиды титана, вольфрама и гафния. Контейнеры 3 снабжены герметичным защитным корпусом, в котором размещено измерительное оборудование и средства приема и передачи информации. Измерительное оборудование включает в свой состав средства измерения физических и химических характеристик окружающих пород. Средства приема и передачи информации предназначены для обмена информацией с пунктом управления. Данная информация включает телеметрическую информацию и команды управления измерительным оборудованием. Контейнеры 3 могут использоваться также и для захоронения РАО. В этом случае подлежащие захоронению радионуклиды помещаются в прочную герметичную оболочку, входящую в состав контейнера.

Радиоизотопное устройство, изображенное на фиг. 1, находится в канале скважины 5, образованной в окружающих породах 6. Устройство перемещается под действием силы тяжести к центру планеты. Под нижней поверхностью тепловыделяющей структуры расположен слой 7 жидкого расплава окружающей породы. Расплав образуется под действием энергии гамма-излучения активного радионуклида ⁶⁰Со. Над верхней поверхностью тепловыделяющей структуры расположена зона 8 жидкого расплава, перетекающего через проточные каналы, образованные между тепловыделяющими элементами 1. Выше зоны 8 расположена зона 9 остывшего и затвердевшего расплава пород.

Работа радиоизотопного устройства, предназначенного для погружения в расплавляемых породах земной коры, осуществляется следующим образом.

При захоронении РАО полости герметичных оболочек тепловыделяющих элементов 1 предварительно заполняются смесью радиоактивных изотопов и теплоносителем. Смесь радионуклидов включает в свой состав изотоп ⁶⁰Со, который используется в качестве активного энерговыделяющего компонента, и подлежащие захоронению нуклиды. Минимальное расчетное значение массового содержания изотопа ⁶⁰Со в составе, заполняющем герметичную оболочку, составляет 7 мас. %, суммарное массов