核废料和其他类型的有害废料的深埋方法及系统

背景技术：

在美国，核反应堆产生19%的电力，并且，此过程产生氧化铀或混合氧化物燃料的形式的高等级放射性废料。每年，从美国的商业反应堆产生约（）的高等级废料，并且，军事行动产生额外的材料。欧洲在核动力方面也投入大量资金（例如，大于法国电力的3/4由核反应堆产生），并且，世界上的其他国家也已开始积极地推行核能以激励他们的经济发展。因此，目前核废料产生的速度是约/年，并且，全世界产生的放射性废料的量预计将明显地增长。但是，并没有安全、可靠的原地，即，在废料产生的源处处理核废料的方式。此废料包括，但不限于，来自核反应堆的废核燃料、来自废核燃料的再处理的高等级废料、主要来自防御计划的铀后废料、以及来自铀矿石的开采和加工的铀加工尾料。目前，将高等级核废料储存在其所产生的反应堆处。对于处理来说，唯一认真考虑的选项是，将废料放置在低透过性地质层组，例如，密实的岩石或粘土中。目前的用于处理放射性废料的方法并不是没有问题。国会已经发布命令，要求隔离10,000年期间，但是，难以确保目前储存地的浅深度处的废料将保持与生物圈隔离，或与人的干预隔离，甚至是对于这段时间的一部分来说也是如此。

雅卡山，拉斯维加斯附近的300m深的设施，是美国唯一用于高等级废料处理的选择。此设施已经检查了20年，甚至在花费了$50B之后，其最早将在2017年开放。国会在政治上大量反对，内华达州和其他州可能甚至进一步延迟开放。例如，国会并未对2011年联邦预算中的场地开发提供任何资金支持。关于废料放在300m深度处，保持与生物圈隔离10,000年的可行性，存在明显的不确定性，并且，此不确定性是对雅卡山的大部分反对意见的基础。即使雅卡山开放，已经分配所有其容量，并考虑了对额外容量的选择。就寻找永久处理位置中所包括的政治策略而言，最好地说，是困难的，最差地说，是难以处理的。因为废料在非常长的时间内保持放射性，没有人希望此废料穿过其“后院”到达永久处理位置，或处于作为处理位置的其“后院”中。当政客和公众继续争论该问题时，废料以有争辩的比任何提出的永久处理解决方案的安全性差得多的方式，保持暂时储存在原地。例如，核反应堆暂时将废料储存在水池中的原地。日本东北部的破坏了东京电力公司福岛核电站的电源和冷却系统的毁灭性的地震和海啸证明，此储存实践实际上是如何的脆弱和可能具有危险性。因此，存在对一种安全、可靠的原地处理核废料的方法的需求，以及对一种可实现国会要求且其他国家寻求的10,000年隔离周期的方法的需求。

技术实现要素：

根据本发明的系统和方法包括，将核废料或有害废料（危险废料，）储存在通过重力驱动的水力压裂（）中，这是一种在这里称为“重力压裂”的过程。为了本公开内容的目的，将核废料或放射性废料认为是有害废料，尽管在环境工业中，放射性废料通常并未标为“有害废料”。该方法会产生包含废料的稠密流体（），将稠密流体引入裂缝（压裂，断口，断裂，）中，并使该裂缝向下延伸，直到其变得足够长以独立地蔓延（传播）为止。该裂缝将继续向下蔓延至更大的深度，永久隔离废料。通过将废料与流体混合并将其注入水力压裂中来储存固体废料，是石油工业中众所周知的技术。在20世纪60年代，在奥克里季，将核废料注入水力压裂中。本发明的本质与传统的水力压裂技术的不同之处在于，其使用比周围岩石更重的压裂液（）。此差异是基本的，因为其允许水力压裂向下（而不是水平地）蔓延，并通过重力而不是泵送来运送废料。更特别地，处理核废料和其他有害废料的方法包括以下步骤：将废料与水或其他流体以及加重材料混合，以产生预定密度、温度和粘度的稠密流体或浆料；并将该稠密流体或浆料以预定压力和/或速度注入井中，使得该流体或浆料以预定深度进入地层（），并继续向下通过地层，直到该流体或浆料变得固定为止。

在混合步骤之前，可以将废料（如果以固体形式）磨成预定大小的颗粒。加压混合的混合物开裂并扩大岩石结构，其优选地是稳定的、低透过性岩石结构，例如，许多火成岩和变质岩，以及一些沉积岩。（一开始，避免维持压裂）。因为该稠密流体具有比岩石的密度更大的密度，所以，该流体或浆料具有通过重力向下行进的绝对趋势（直到密度关系改变或其他机构阻止向下行进为止），并且，保持在地表下方较远的地方。该稠密流体可以包括水、油、凝胶或任何适合于提供所需粘度和密度的流体。优选地，在产生核废料或其他有害废料的地方处和其上钻井，从而，消除了将废料运输至厂外和处理地点的需求。该井包括用于接收混合流体、废料和加重材料的工作柱（）或管道；打包机（）；以及具有位于预定深度处或其周围的穿孔（）的渗碳钢壳体（）。该预定深度优选在约10,000至30,000英尺（约3,000至9,000米）的范围内，但是，其取决于岩石特性和钻孔限制可以更浅或更深。加重材料可能是其他核废料（包括，例如，放射性核素，例如铀），其他有害废料或金属，例如铋、铅或铁，以便对所处理的原始废料增加重量。

在地下遇到的温度和压力下处于液相的金属或合金特别适合于作为加重材料。可以拉动工作柱，以定期清洗或更换。优选地，屏蔽用来使水、废料和加重材料混合的混合器（），因为，其是用来将混合物在压力下泵送到井中的泵送单元（例如，泵送车（））。附图说明图1是根据本发明的用于处理核废料和其他有害废料的方法的优选实施方式的工艺流程图。将稠密流体引入裂缝中（见图2），并通过重力继续向下蔓延（见图3）。图2是适合于在图1的方法的实践中使用的井。而不是将流体侧向地注入井中，井的替代实施方式可以其他方式注入流体，包括在底部。图3示出了当将稠密流体引入裂缝中并且使裂缝向下延伸，直到其变得足够长以独立地蔓延为止的图1的稠密流体。该裂缝继续向下蔓延至更大的深度，使废料永久地隔离。尽管未示出，但是，该稠密流体可以向下蔓延，然后，在水平方向上弯曲（curve），产生近水平储存空间（sub-ce）。具体实施方式当填有流体的开裂中的压力导致开裂顶部的材料出现故障时，产生水力压裂。该裂缝前进，并且，流体向前流动，以填充新产生的空间。通常，通过使用泵将流体注入井中，来产生水力压裂，但是，这决不是唯一的情况。

以下地质学上的实例是众所周知的：其中水力压裂向上生长通过地壳，因为该裂缝由比其周围岩石更轻的液体填充。充满向上蔓延以供给火山爆发的岩浆的堤坝是通过重力蔓延的水力压裂的一个实例。根据本发明的系统和方法包括，通过用包含废料的稠密流体填充裂缝，使水力压裂向下蔓延。当该裂缝中的压力产生超过岩石的韧度（刚度）或强度的应力强度时，出现蔓延。参考图1至图3，产生开放式钻孔，并用稠密流体填充开放式钻孔，直到底部的压力足以产生裂缝（图3的“a”处）。当泥浆重量过大并通过开始裂缝且导致其远离钻孔生长而导致失去循环时，在失衡钻孔的过程中出现类似的压裂过程。流体会流入该裂缝中，并且，井中的流体的水平会下降（图3的“b”处）。然而，预计该裂缝前进得比井中的流体水平下降的速度更快，因此，从裂缝顶部到井中的流体柱顶部的总高度延长。这增加驱动压力，并且，当井眼中的流体通过重力排入到该裂缝中时，进一步向下蔓延（图3的“c”处）。该裂缝的垂直跨度不断增加，导致裂缝底部的压力增加并确保甚至在所有液体已经从井排入到裂缝中之后继续向下蔓延（图3的“d”处）。压力分布导致裂缝的下部膨胀开（），并导致上部收缩关闭（）。

当该裂缝封闭时，流体的残留涂层将留下，并且，这将减小该裂缝中的流体的体积。最后，原始流体将作为薄涂层分布在压裂壁上，从钻孔的底部延伸至更大的深度。在浆料的情况中，如果液体泄漏至岩石中，那么可以维持该压裂。通过将额外的流体放在井中，可重复该过程。这将产生新的裂缝（压裂），其将遵循前一个的路径（图3的“e”处）。该额外的流体到达比原始一批甚至更大的深度。稠密流体可达到的最大深度并不清楚，但是，其可超过几十千米。因此，根据本发明实践的处理核废料和其他有害废料的方法可有效地阻止废料在与社会活动和许多有害放射性核素的半衰期有关的时间内暴露于人类活动。该方法包括以下步骤：使废料与适合于产生具有预定密度和粘度的稠密流体或浆料的材料混合；并将稠密流体以预定压力或速度注入井中，使得稠密流体在预定深度处进入地层，并继续向下穿过地层，直到其流动停止为止，例如，由于固体与液体比过高以至于无法流动。当已将足够量的稠密流体或流体/浆料作为膜或残余物分布在该裂缝的上封闭部上时，蔓延才可以停止。可以使用适合于提供所需粘度和密度的油、凝胶或任何流体。加重材料对原始废料增加密度，其可以是其他类型的核废料，其他有害废料或金属，例如，但不限于，铋、铅、铁、铜，或低熔点金属或合金（例如，汞、伍德合金（铋基低熔点合金，）、铟银焊料15（）、镓），其可以与高等级废料材料混合并可能溶解或合并高等级废料材料。

低熔点合金在注入井的底部处的预期压力和温度条件下是液体。可将固体化合物诸如用于加重材料的金属与高剪切强度液体混合，以产生稠密浆料，该高剪切强度液体包括可以交联的聚合物凝胶，或可以通过使粘土矿物水合而形成的无机凝胶。在混合步骤之前，如果废料以固体形式，那么可能将其磨成预定大小。加压的稠密流体在岩石结构中产生垂直裂缝或开裂。稠密流体进入开裂中，并用来维持岩石结构。岩石结构优选地是稳定的、低透过性的岩层，其是典型地建于其上方和之上的核反应堆的类型。由于加重材料的原因，稠密流体的密度大于岩石的密度，并且，这导致流体肯定会向下行进的趋势，直到其变得固定为止。如果稠密流体的密度正好等于岩石的密度，那么稠密流体可能无法克服岩石的断裂韧度。这是压裂蔓延所需要的，因此，密度应稍微更高，以确保压裂生长。高多少取决于断裂韧度的大小、流体特性、以及工业水力压裂中的其他效果标准。一般来说，岩石的密度随着深度的增加而增加。因此，一旦裂缝（压裂）蔓延，便会到达其中稠密流体的密度变得与岩石的密度相同的点，从而限制任何进一步的向下蔓延。最后，裂缝变得近水平，并且，稠密流体水平地填充该裂缝。这与地质上的岩床相似，并且，不会影响所提出的技术，因为生长的裂缝的水平部分也允许安全地储存废料。

断裂韧度（压裂刚度，）也随着深度而增加，因为其随着诸如温度、压力和裂缝大小的因素而增加。然而，通过使压裂（裂缝）加压，也可克服断裂韧度的影响。例如且仅通过实例，固定点可能出现在稠密流体初始进入地层中的进入点下方的约2,000至50,000英尺（约600至15,000米）处。（深度可以更大，并且，通常由钻孔和泵送限制来约束）。可通过使用传统的跟踪装置看相对于井壳体中的穿孔来说是否已经向上出现任何移动或迁移，来监测稠密流体，或者，可使用微震动装置（）来监测，以评估可接近于井壳体的区域的底部下方的向下移动。优选地，在产生核废料或其他有害废料的地点处和之上钻井，从而不需要将废料运输至厂外和处理地点。该井还不需要原地的临时储存装置，因为可将废料直接运输至井，以进行立即的永久处理。如图2所示，该井包括用于接收混合的水、废料和加重材料的工作柱或管道；打包机；以及具有位于预定深度处或其周围的穿孔的水泥壳体。该预定深度优选地在约10,000至30,000英尺（约3,000至9,000米）的范围内。可以拉动工作柱，以定期清洗或更换。优选地，屏蔽用来使水、废料和加重材料混合的混合器，如是用来将稠密流体在压力下泵送到井中的泵送车（见图1）。已经描述并示出了用于深埋（）核废料和其他类型的有害废料的系统和方法的优选实施方式，但是并未描述和示出所有可能的实施方式。本发明的系统和方法本身由所附权利要求书所限定和限制。