技術領域

本發(fā)明涉及核廢料和其他類型的有害廢料的深埋方法及系統(tǒng)。

背景技術：

在美國，核反應堆產生19％的電力，并且，此過程產生氧化鈾或混合氧化物燃料的形式的高等級放射性廢料。每年，從美國的商業(yè)反應堆產生約1000m³(6200bbl)的高等級廢料，并且，軍事行動產生額外的材料。歐洲在核動力方面也投入大量資金(例如，大于法國電力的3/4由核反應堆產生)，并且，世界上的其他國家也已開始積極地推行核能以激勵他們的經濟發(fā)展。

因此，目前核廢料產生的速度是約10000m³/年，并且，全世界產生的放射性廢料的量預計將明顯地增長。但是，并沒有安全、可靠的原地，即，在廢料產生的源處處理核廢料的方式。此廢料包括，但不限于，來自核反應堆的廢核燃料、來自廢核燃料的再處理的高等級廢料、主要來自防御計劃的鈾后廢料、以及來自鈾礦石的開采和加工的鈾加工尾料。目前，將高等級核廢料儲存在其所產生的反應堆處。對于處理來說，唯一認真考慮的選項是，將廢料放置在低透過性地質層組，例如，密實的巖石或粘土中。目前的用于處理放射性廢料的方法并不是沒有問題。國會已經發(fā)布命令，要求隔離10,000年期間，但是，難以確保目前儲存地的淺深度處的廢料將保持與生物圈隔離，或與人的干預隔離，甚至是對于這段時間的一部分來說也是如此。

雅卡山，拉斯維加斯附近的300m深的設施，是美國唯一用于高等級廢料處理的選擇。此設施已經檢查了20年，甚至在花費了$50B之后，其最早將在2017年開放。國會在政治上大量反對，內華達州和其他州可能甚至進一步延遲開放。例如，國會并未對2011年聯(lián)邦預算中的場地開發(fā)提供任何資金支持。關于廢料放在300m深度處，保持與生物圈隔離10,000年的可行性，存在明顯的不確定性，并且，此不確定性是對雅卡山的大部分反對意見的基礎。即使雅卡山開放，已經分配所有其容量，并考慮了對額外容量的選擇。

就尋找永久處理位置中所包括的政治策略而言，最好地說，是困難的，最差地說，是難以處理的。因為廢料在非常長的時間內保持放射性，沒有人希望此廢料穿過其“后院”到達永久處理位置，或處于作為處理位置的其“后院”中。當政客和公眾繼續(xù)爭論該問題時，廢料以有爭辯的比任何提出的永久處理解決方案的安全性差得多的方式，保持暫時儲存在原地。例如，核反應堆暫時將廢料儲存在水池中的原地。日本東北部的破壞了東京電力公司福島核電站的電源和冷卻系統(tǒng)的毀滅性的地震和海嘯證明，此儲存實踐實際上是如何的脆弱和可能具有危險性。

因此，存在對一種安全、可靠的原地處理核廢料的方法的需求，以及對一種可實現(xiàn)國會要求且其他國家尋求的10,000年隔離周期的方法的需求。

技術實現(xiàn)要素：

根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)和方法包括，將核廢料或有害廢料(危險廢料，hazardous waste)儲存在通過重力驅動的水力壓裂(hydraulic fracture)中，這是一種在這里稱為“重力壓裂”的過程。為了本公開內容的目的，將核廢料或放射性廢料認為是有害廢料，盡管在環(huán)境工業(yè)中，放射性廢料通常并未標為“有害廢料”。該方法會產生包含廢料的稠密流體(dense fluid)，將稠密流體引入裂縫(壓裂，斷口，斷裂，fracture)中，并使該裂縫向下延伸，直到其變得足夠長以獨立地蔓延(傳播)為止。該裂縫將繼續(xù)向下蔓延至更大的深度，永久隔離廢料。

通過將廢料與流體混合并將其注入水力壓裂中來儲存固體廢料，是石油工業(yè)中眾所周知的技術。在20世紀60年代，在奧克里季，將核廢料注入水力壓裂中。本發(fā)明的本質與傳統(tǒng)的水力壓裂技術的不同之處在于，其使用比周圍巖石更重的壓裂液(fracturing fluid)。此差異是基本的，因為其允許水力壓裂向下(而不是水平地)蔓延，并通過重力而不是泵送來運送廢料。

更特別地，處理核廢料和其他有害廢料的方法包括以下步驟：將廢料與水或其他流體以及加重材料混合，以產生預定密度、溫度和粘度的稠密流體或漿料；并將該稠密流體或漿料以預定壓力和/或速度注入井中，使得該流體或漿料以預定深度進入地層(strata)，并繼續(xù)向下通過地層，直到該流體或漿料變得固定為止。在混合步驟之前，可以將廢料(如果以固體形式)磨成預定大小的顆粒。加壓混合的混合物開裂并擴大巖石結構，其優(yōu)選地是穩(wěn)定的、低透過性巖石結構，例如，許多火成巖和變質巖，以及一些沉積巖。(一開始，避免維持壓裂)。因為該稠密流體具有比巖石的密度更大的密度，所以，該流體或漿料具有通過重力向下行進的絕對趨勢(直到密度關系改變或其他機構阻止向下行進為止)，并且，保持在地表下方較遠的地方。該稠密流體可以包括水、油、凝膠或任何適合于提供所需粘度和密度的流體。

優(yōu)選地，在產生核廢料或其他有害廢料的地方處和其上鉆井，從而，消除了將廢料運輸至廠外和處理地點的需求。該井包括用于接收混合流體、廢料和加重材料的工作柱(work string)或管道；打包機(packer)；以及具有位于預定深度處或其周圍的穿孔(perforation)的滲碳鋼殼體(cemented steel casing)。該預定深度優(yōu)選在約10,000至30,000英尺(約3,000至9,000米)的范圍內，但是，其取決于巖石特性和鉆孔限制可以更淺或更深。加重材料可能是其他核廢料(包括，例如，放射性核素，例如鈾)，其他有害廢料或金屬，例如鉍、鉛或鐵，以便對所處理的原始廢料增加重量。在地下遇到的溫度和壓力下處于液相的金屬或合金特別適合于作為加重材料。

可以拉動工作柱，以定期清洗或更換。優(yōu)選地，屏蔽用來使水、廢料和加重材料混合的混合器(blender)，因為，其是用來將混合物在壓力下泵送到井中的泵送單元(例如，泵送車(pumping truck))。

附圖說明

圖1是根據(jù)本發(fā)明的用于處理核廢料和其他有害廢料的方法的優(yōu)選實施方式的工藝流程圖。將稠密流體引入裂縫中(見圖2)，并通過重力繼續(xù)向下蔓延(見圖3)。

圖2是適合于在圖1的方法的實踐中使用的井。而不是將流體側向地注入井中，井的替代實施方式可以其他方式注入流體，包括在底部。

圖3示出了當將稠密流體引入裂縫中并且使裂縫向下延伸，直到其變得足夠長以獨立地蔓延為止的圖1的稠密流體。該裂縫繼續(xù)向下蔓延至更大的深度，使廢料永久地隔離。盡管未示出，但是，該稠密流體可以向下蔓延，然后，在水平方向上彎曲(curve)，產生近水平儲存空間(sub-horizontal storage space)。

具體實施方式

當填有流體的開裂中的壓力導致開裂頂部的材料出現(xiàn)故障時，產生水力壓裂。該裂縫前進，并且，流體向前流動，以填充新產生的空間。通常，通過使用泵將流體注入井中，來產生水力壓裂，但是，這決不是唯一的情況。以下地質學上的實例是眾所周知的：其中水力壓裂向上生長通過地殼，因為該裂縫由比其周圍巖石更輕的液體填充。充滿向上蔓延以供給火山爆發(fā)的巖漿的堤壩是通過重力蔓延的水力壓裂的一個實例。

根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)和方法包括，通過用包含廢料的稠密流體填充裂縫，使水力壓裂向下蔓延。當該裂縫中的壓力產生超過巖石的韌度(剛度)或強度的應力強度時，出現(xiàn)蔓延。參考圖1至圖3，產生開放式鉆孔，并用稠密流體填充開放式鉆孔，直到底部的壓力足以產生裂縫(圖3的“a”處)。當泥漿重量過大并通過開始裂縫且導致其遠離鉆孔生長而導致失去循環(huán)時，在失衡鉆孔的過程中出現(xiàn)類似的壓裂過程。流體會流入該裂縫中，并且，井中的流體的水平會下降(圖3的“b”處)。然而，預計該裂縫前進得比井中的流體水平下降的速度更快，因此，從裂縫頂部到井中的流體柱頂部的總高度延長。這增加驅動壓力，并且，當井眼中的流體通過重力排入到該裂縫中時，進一步向下蔓延(圖3的“c”處)。

該裂縫的垂直跨度不斷增加，導致裂縫底部的壓力增加并確保甚至在所有液體已經從井排入到裂縫中之后繼續(xù)向下蔓延(圖3的“d”處)。壓力分布導致裂縫的下部膨脹開(bulge open)，并導致上部收縮關閉(pinch shut)。當該裂縫封閉時，流體的殘留涂層將留下，并且，這將減小該裂縫中的流體的體積。最后，原始流體將作為薄涂層分布在壓裂壁上，從鉆孔的底部延伸至更大的深度。在漿料的情況中，如果液體泄漏至巖石中，那么可以維持該壓裂。

通過將額外的流體放在井中，可重復該過程。這將產生新的裂縫(壓裂)，其將遵循前一個的路徑(圖3的“e”處)。該額外的流體到達比原始一批甚至更大的深度。稠密流體可達到的最大深度并不清楚，但是，其可超過幾十千米。

因此，根據(jù)本發(fā)明實踐的處理核廢料和其他有害廢料的方法可有效地阻止廢料在與社會活動和許多有害放射性核素的半衰期有關的時間內暴露于人類活動。該方法包括以下步驟：使廢料與適合于產生具有預定密度和粘度的稠密流體或漿料的材料混合；并將稠密流體以預定壓力或速度注入井中，使得稠密流體在預定深度處進入地層，并繼續(xù)向下穿過地層，直到其流動停止為止，例如，由于固體與液體比過高以至于無法流動。當已將足夠量的稠密流體或流體/漿料作為膜或殘余物分布在該裂縫的上封閉部上時，蔓延才可以停止。

可以使用適合于提供所需粘度和密度的油、凝膠或任何流體。加重材料對原始廢料增加密度，其可以是其他類型的核廢料，其他有害廢料或金屬，例如，但不限于，鉍、鉛、鐵、銅，或低熔點金屬或合金(例如，汞、伍德合金(鉍基低熔點合金，woods metal)、銦銀焊料15(indalloy 15)、鎵)，其可以與高等級廢料材料混合并可能溶解或合并高等級廢料材料。低熔點合金在注入井的底部處的預期壓力和溫度條件下是液體?？蓪⒐腆w化合物諸如用于加重材料的金屬與高剪切強度液體混合，以產生稠密漿料，該高剪切強度液體包括可以交聯(lián)的聚合物凝膠，或可以通過使粘土礦物水合而形成的無機凝膠。在混合步驟之前，如果廢料以固體形式，那么可能將其磨成預定大小。

加壓的稠密流體在巖石結構中產生垂直裂縫或開裂。稠密流體進入開裂中，并用來維持巖石結構。巖石結構優(yōu)選地是穩(wěn)定的、低透過性的巖層，其是典型地建于其上方和之上的核反應堆的類型。由于加重材料的原因，稠密流體的密度大于巖石的密度，并且，這導致流體肯定會向下行進的趨勢，直到其變得固定為止。如果稠密流體的密度正好等于巖石的密度，那么稠密流體可能無法克服巖石的斷裂韌度。這是壓裂蔓延所需要的，因此，密度應稍微更高，以確保壓裂生長。高多少取決于斷裂韌度的大小、流體特性、以及工業(yè)水力壓裂中的其他效果標準。

一般來說，巖石的密度隨著深度的增加而增加。因此，一旦裂縫(壓裂)蔓延，便會到達其中稠密流體的密度變得與巖石的密度相同的點，從而限制任何進一步的向下蔓延。最后，裂縫變得近水平，并且，稠密流體水平地填充該裂縫。這與地質上的巖床相似，并且，不會影響所提出的技術，因為生長的裂縫的水平部分也允許安全地儲存廢料。斷裂韌度(壓裂剛度，fracture toughness)也隨著深度而增加，因為其隨著諸如溫度、壓力和裂縫大小的因素而增加。然而，通過使壓裂(裂縫)加壓，也可克服斷裂韌度的影響。

例如且僅通過實例，固定點可能出現(xiàn)在稠密流體初始進入地層中的進入點下方的約2,000至50,000英尺(約600至15,000米)處。(深度可以更大，并且，通常由鉆孔和泵送限制來約束)?？赏ㄟ^使用傳統(tǒng)的跟蹤裝置看相對于井殼體中的穿孔來說是否已經向上出現(xiàn)任何移動或遷移，來監(jiān)測稠密流體，或者，可使用微震動裝置(microseismics means)來監(jiān)測，以評估可接近于井殼體的區(qū)域的底部下方的向下移動。

優(yōu)選地，在產生核廢料或其他有害廢料的地點處和之上鉆井，從而不需要將廢料運輸至廠外和處理地點。該井還不需要原地的臨時儲存裝置，因為可將廢料直接運輸至井，以進行立即的永久處理。如圖2所示，該井包括用于接收混合的水、廢料和加重材料的工作柱或管道；打包機；以及具有位于預定深度處或其周圍的穿孔的水泥殼體。該預定深度優(yōu)選地在約10,000至30,000英尺(約3,000至9,000米)的范圍內?？梢岳瓌庸ぷ髦远ㄆ谇逑椿蚋鼡Q。優(yōu)選地，屏蔽用來使水、廢料和加重材料混合的混合器，如是用來將稠密流體在壓力下泵送到井中的泵送車(見圖1)。

已經描述并示出了用于深埋(abyssal sequestration)核廢料和其他類型的有害廢料的系統(tǒng)和方法的優(yōu)選實施方式，但是并未描述和示出所有可能的實施方式。本發(fā)明的系統(tǒng)和方法本身由所附權利要求書所限定和限制。