DE2418518A1 - STORAGE DEVICE FOR RADIOACTIVE WASTE - Google Patents
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Description
United States Atomic Energy Commission, Washington, D.C. 20545,
U.S.A.United States Atomic Energy Commission, Washington, DC 20545,
United States
Die Erfindung bezieht sich auf die Speicherung stark radioaktiver Abfallstoffe für eine länger ausgedehnte Zeitperiode. Die Erfindung bezieht sich ferner auf einen Behälter oder ein Faß für eine derartige Speicherung und auf ein Verfahren zur Beseitigung stark radioaktiver Abfallstoffe.The invention relates to the storage of highly radioactive waste for a longer extended period of time. The invention also relates to a container or drum for such storage and to a method of disposal radioactive waste.
Ein stark beachtetes Problem der Kernindustrie ist die Beseitigung radioaktiver Abfallstoffe in der Weise, daß sie niemals eine Verunreinigung der Biosphäre mit Radioaktivität bewirken können. Das Endziel für sich mit der Beseitigung des Abfalls beschäftigendenA major issue in the nuclear industry is elimination radioactive waste in such a way that it can never cause a contamination of the biosphere with radioactivity. That End goal for dealing with the waste disposal
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Ingenieure besteht darin, die Abfallstoffe in einer solchen Form und einer solchen Umgebung abzulagern, daß unter keinerlei vorstellbaren Umständen eine Verunreinigung der Biosphäre während der gesamten Periode auftreten kann, während welcher die Radioaktivität auf einem gefährlichen Pegel liegt; bislang gelang es keinem Abfallbeseitigungsverfahren allgemein angenommen zu werden. Als eine Alternative oder zur Ergänzung für die endgültige Abfallbeseitigung kommt die Speicherung oder Aufbewahrung unter Verwendung von Gebäuden, Gewölben, Tanks, usw. in Frage, wobei fortlaufend eine Überwachung und Wartung verwendet werden kann. Beispielsweise wurden und werden große flüssige Abfallmengen in großen Tanks aufbewahrt. Infolge der enormen Kosten für dieEngineers consists in depositing the waste in such a form and such an environment that under nothing imaginable Contamination of the biosphere can occur during the entire period during which the radioactivity occurs is at a dangerous level; so far, no waste disposal process has succeeded in gaining general acceptance. as an alternative or in addition to final waste disposal is storage or preservation using of buildings, vaults, tanks, etc., in which case monitoring and maintenance can be used continuously. For example Large quantities of liquid waste have been and are kept in large tanks. As a result of the enormous cost of the
wurdebecame
Speicherung von Flüssigkeiten/ bereits ein Programm zur Umwandlung dieser Abfallstoffe in feste Abfallstoffe begonnen. Unannehmbar hohe Kosten ergeben sich durch die Speicherung und die Verbreitung stark radioaktiver Abfallstoffe entwickeln eine beträchtliche Zerfallswärme in großen Gebäuden, wobei die Wärmeleitung durch die Wände und das Dach zur Atmosphäre zur Verteilung der in den Abfallstoffen entwickelten Wärme dient. Zur Speicherung von stark radioaktiven Abfallstoffen dienende Gebäude und Gebilde wurden stets mit aktiven Mitteln zur Kühlung der Abfallstoffe ausgestattet, und zwar einschließlich der Verwendung von beispielsweise Pumpen, Ventilatoren und Wärmeaustauschern, wobei dies zusätzlich zu Ventilationsfiltern und Strahlungsabschirmungen erfolgte, die infolge des hohen Pegels der Strahlung erforderlich waren. Sämtliche bisher bekannten Ingenieurbauspeichersysteme waren daher teuer und infolge der Kosten und der begrenzten Lebensdauer der Behälter waren diese bekannten Systeme lediglich Zwischenlösungen für das Problem der Beseitigung radioaktiven Abfalls.Storage of liquids / already a program for conversion these waste materials started into solid waste materials. Unacceptably high costs result from the storage and the Dissemination of highly radioactive waste develops a considerable Decay heat in large buildings, with heat conduction through the walls and roof to the atmosphere for distribution is used for the heat developed in the waste materials. Buildings used to store highly radioactive waste materials and Structures have always been provided with active means of cooling the waste materials, including the use of for example pumps, fans and heat exchangers, in addition to ventilation filters and radiation shields required due to the high level of radiation. All previously known civil engineering storage systems were therefore expensive and, due to the cost and limited life of the containers, these known systems were mere Interim solutions to the problem of radioactive waste disposal.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden stark radioaktive Abfallsstoffe in starkwandigen Metallfässern aufbewahrt, die an der offenen Luft gelagert werden, wo die natürlich Konvektionsluft die Zerfallswärme von den Fässern abführt. Nach ungefähr 150 Jahren kann das Faß in eine Hartfelsmine überführt werden, da die thermische Leitfähigkeit des Felses ausreicht, um übermäßige Temperaturerhöhungen in den Abfallsstoffen zu verhindern. Wenn derAccording to the present invention, highly radioactive waste materials are stored in thick-walled metal drums that are attached to the open air, where the naturally convection air removes the heat of decay from the barrels. After about 150 years the barrel can be transferred to a hard rock mine, since the thermal conductivity of the rock is sufficient to prevent excessive temperature increases in the waste materials to prevent. If the
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Abfall lediglich von Plutonium-Rezyklus-DruekwasserreaktorenWaste only from plutonium recycle pressurized water reactors
Neuirongnstammt, so muß die hohe Dosisrate um das Paß herum reduziert werden, und zwar dadurch, daß man das Faß in seiner Speicherstellung mit verkleinertem Graphit umgibt,oder dadurch, daß man Kühlrippen am Faß anordnet und ein Neutronenabschirmmaterial, wie beispielsweise Polyäthylen, zwischen den Rippen verwendet.Neuirongn comes from, so the high dose rate around the passport must be reduced by keeping the barrel in its storage position with reduced graphite, or by the fact that one Arranges cooling fins on the barrel and a neutron shielding material, such as polyethylene, is used between the fins.
Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen an Hand der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt;Further advantages, objects and details of the invention result from the description of exemplary embodiments on the basis of Drawing; shows in the drawing;
Fig. 1 eine aufgebrochene perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Speicherfasses;Fig. 1 is a broken perspective view of an inventive Storage barrel;
Fig. 2 und 3 Abwandlungen des erfindungsgemäßen Speicherfasses.2 and 3 modifications of the storage barrel according to the invention.
Im folgenden sei ein spezielles Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. In der Zeichnung ist ein Behälter 10 für einen hohen Pegel aufweisende radioaktive Abfallstoffe dargestellt, der innerhalb eines dickwandigen Metallfasses 11 angeordnet ist, welches mit einem massiven Absehrimstopfen 12 versehen ist, der in eine öffnung 13 im Ende des Fasses 11 Tiefeindring-eingeschweißt ist. Für einen Behälter 10 mit 12 Zoll Durchmesser und 10 Fuß Länge, der radioaktive Abfallstoffe enthält, die 5 Kilowatt Abfallwärme abgeben, ist ein Niedrig-Kohlenstoffstahl-Faß geeignet, welches 45 Zoll Durchmesser, 13 Fuß Länge, sowie 16 Zoll starke Wände und ein Gewicht von ungefähr 35 Tonnen besitzt. Niedrig-Kohlenstoffstahl wird als Konstruktionsmaterial verwendet, um die Faßkosten niedrig zu halten. Vorzugsweise wurde dem Stahl 0,25 % Kupfer hinzugefügt, um die Korrosionsbeständigkeit zu erhöhen, da auf diese Weise die Ausbildung eines dicht gehaltenen Oxydüberzugs gefördert wird. Andere Metalle, wie beispielsweise Blei oder Uran, könnten ebenfalls verwendet werden. Um die Kosten so niedrig wie möglich zu halten, wird das Faß 11 durch Giessen in einer Form hergestellt. Es ist akzeptabel, die Fässer als Rohrgießstücke zu verwenden, wobei ein Minimum an Inspektion und/oder Untersuchungen anfällt, um sicherzustellen,A specific embodiment of the invention will be described below. In the drawing is a container 10 for a High level radioactive waste is shown, which is arranged within a thick-walled metal barrel 11, which is provided with a massive Absehrimstopfen 12, the Deep penetration welded into an opening 13 in the end of the barrel 11 is. For a container 10, 12 inches in diameter and 10 feet in length, containing radioactive waste that is 5 kilowatts Giving off waste heat is a low carbon steel drum which is 45 inches in diameter, 13 feet in length, 16 inches thick, and weighs approximately 35 tons. Low-carbon steel is used as a construction material used to keep barrel costs down. Preferably 0.25% copper was added to the steel for corrosion resistance to increase, since in this way the formation of a tightly held oxide coating is promoted. Other metals such as Lead, or uranium, could also be used. In order to keep costs as low as possible, the barrel 11 produced by casting in a mold. It is acceptable to use the barrels as pipe castings, with a minimum of Inspection and / or investigations are necessary to ensure
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daß keine Sprünge, Schichtungen oder große Leerstellen vorhanden sind. Vor dem Einsetzen des Stopfens können durch Verwendung einer Handschleifmaschine Schlacke und Oxyde aus der Schweißzone entfernt werden.that there are no cracks, stratifications or large voids. Before inserting the plug, use a Hand grinder removes slag and oxides from the welding zone will.
Die Zerfallswärme vom "Abfallmaterial wird vom Faß durch die natürliche Luftkonvektion um das Faß herum entfernt und zur Förderung der natürlichen Konvektion ist das Faß durch vorgegossene Sattelständer 14 gehaltert. Es sind keine Zusatz- oder Not-Kühlsysteme erforderlich. Die Faßaussentemperatur beträgt ungefähr 275°F und die Temperatur des inneren Abfallbehälters beträgt ungefähr 55O°F für einen 5 Kilowatt-Behälter, wobei angenommen ist, daß die Strahlungswärmeübertragung nur zwischen dem Abfallbehälter und der inneren Faßwand auftritt. Die Temperaturdifferenz zwischen der inneren und äußeren Wand des Fasses beträgt ungefähr 10°F.The heat of decay from the 'waste material is taken from the barrel by the natural Air convection around the barrel is removed and the barrel is pre-cast through to promote natural convection Saddle stand 14 supported. No additional or emergency cooling systems are required. The outside temperature of the barrel is approximately 275 ° F and the temperature of the inner waste container is approximately 550 ° F for a 5 kilowatt container, assuming that the radiant heat transfer occurs only between the waste container and the inner barrel wall. The temperature difference between the inside and outside walls of the barrel are approximately 10 ° F.
Die durch die 16 Zoll starken Stahlwände des Fasses erzeugte Abschirmgröße vermindert die äußere Gamma-Dosisrate auf 1 mr/Stunde für typische Uranabfälle. Es ist zu erwarten, daß die Neutronendos israte ungefähr 30 mr/Stunde bei einem Abstand von 6 Fuß gegenüber dem Faß beträgt.The shield size created by the 16 inch steel walls of the barrel reduces the external gamma dose rate to 1 mr / hour for typical uranium waste. It is to be expected that the neutron endos is rate is approximately 30 mr / hour at 6 feet from the barrel.
Die Aufbewahrung der Fässer erfolgt im Freien. Das Anordnen des Fasses innerhalb eines Gebäudes würde die freie Verteilung der erwärmten Luft in die Atmosphäre beschränken und einen Temperaturanstieg zur Folge haben. Vorzugsweise werden die Fässer in trockenem aridem Klima aufbewahrt, wo die Lebensdauer eines der Atmosphäre ausgesetzten Fasses annähernd 10000 Jahre beträgt.The barrels are stored outdoors. Placing the barrel inside a building would allow the free distribution of the heated Restrict air to the atmosphere and cause a rise in temperature. Preferably the barrels are kept in a dry place arid climate, where the lifespan of a barrel exposed to the atmosphere is approximately 10,000 years.
Eine Analyse eines Fasses mit 16 Zoll starken Stahlwänden ergibt, daß das Faß allen Naturereignissen, wie beispielsweise Tornados, Erdbeben, Fluten, usw., standhält. Das Faß sollte auch jedem Unfall, wie beispielsweise Feuer oder einem Flugzeugaufprall,standhalten. Da die Fässer durch Sabotage beschädigt werden könnten, und da die Dosisrate außerhalb der Fässer zwar begrenzt,aber noch immer merklich ist, müßten die Fässer in einem Gebiet aufbewahrt werden, wo der Zutritt beschränkt ist, so daß die Hauptkosten eines Abfallbeseitigungssystems mit einer Anzahl dieser Fässer inAnalysis of a barrel with 16-inch steel walls shows that the barrel can withstand all natural events such as tornadoes, earthquakes, floods, etc. The barrel should also be used in every accident such as fire or an airplane impact. Since the kegs could be damaged by sabotage, and since the dose rate outside the kegs is limited, but still is always noticeable, the barrels should be kept in an area where access is restricted, so that the main expense a waste disposal system with a number of these barrels in
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einer Bewachungsmannschaft su sehen wären, die den Zugang der Öffentlichkeit zu diesem Gebiet verhindern.a security team would be able to see the access of the Prevent public to this area.
Die in den Fässern eingekapselten Abfallstoffe sind dann für eine Unterbringungen in geologischen Gebilden geeignet, nachdem sie in dem versiegelten Faß für 150 Jahre oder mehr zerfallen sind. Der Zerfall über 150 Jahre hinweg vermindert die Wärmeabgabe in einem solchen Ausmaß, daß Gebilde mit thermischen Leitfähigkeiten - wie z.B. Hartfelsminen - verwendet werden können, und zwar mit einer relativ hohen Speicherdichte, ohne daß dabei übermäßige Temperaturerhöhungen auftreten. Es ist zu erwarten, daß ein richtiges geologisches Gebilde ausgewählt werden kann, das die Wiedergewinnung der Stahlfässer in gebrauchsfähigem Zustand nach 10000-den von Jahren gestatten würde.The waste materials encapsulated in the barrels are then suitable for placement in geological formations they have crumbled in the sealed barrel for 150 years or more. The decay over 150 years reduces the heat emission to such an extent that structures with thermal conductivities - such as hard rock mines - can be used, with a relatively high storage density without excessive temperature increases occurring. It is to be expected that a correct geological structure can be selected, which enables the recovery of the steel drums in a usable condition after 10,000 years.
Die Verwendung des Fasses und des oben beschriebenen Verfahrens zur Speicherung von Abfallstoffen aus Plutonium-Rezyklus-Druckwasserreaktoren würde lediglich eine unannehmbar hohe Neutronendosisrate außerhalb des Fasses (ungefähr 300 mr/Stunde) erzeugen.Use of the barrel and method described above to store waste from plutonium recycle pressurized water reactors would only produce an unacceptably high neutron dose rate outside the barrel (about 300 mr / hour).
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Die Neutronenstrahlung wird durch den Cm-Gehalt des Abfallstoffs hervorgerufen und verringert sich mit einer Halbwertszeit von 18 Jahren. Diese hohe Neutronendosisrate kann durch Verwendung der Ausführungsbexspiele gemäß den Figuren 2 oder 3 vermieden werden. Wie in Fig. 2 gezeigt, ist ein Stahlkasten 15 um das Faß 11 in seiner Speicherstellung herum angeordnet, wobei dieser Kasten mit zerkleinertem Graphit 16 gefüllt ist. Der Graphit bildet eine Neutronenabschirmung und die hohe thermische Leitfähigkeit des Graphits verhindert eine übermäßige Überhitzung des Fasses und des Abfallbehälters. Eine alternative Lösung ist in Fig. 3 dargestellt, wo Kühlrippen 17 am Faß 11 zur Zeit von dessen Herstellung angegossen werden, und wobei Platten aus Neutronenabschirmmaterial 18, wie beispielsweise Polyäthylen, zwischen und an der Basis der Rippen angeordnet sind. ·The neutron radiation is determined by the Cm content of the waste material elicited and decreased with a half-life of 18 years. This high neutron dose rate can be achieved by using the execution examples according to Figures 2 or 3 can be avoided. As shown in Fig. 2, a steel box 15 is around the Barrel 11 arranged around in its storage position, this Box is filled with crushed graphite 16. The graphite forms a neutron shield and the high thermal conductivity of the graphite prevents excessive overheating of the drum and the waste container. An alternative solution is in Fig. 3 shows where cooling fins 17 are cast on the barrel 11 at the time of its manufacture, and with plates made of neutron shielding material 18, such as polyethylene, are positioned between and at the base of the ribs. ·
• Die Arbeitsweise einer Abfallablagerungsanlage zur Aufnahme von Abfallspeicherfässern gemäß der vorliegenden Erfindung würde wie folgt erfolgen:• The operation of a waste disposal facility to receive Waste storage drums in accordance with the present invention would be done as follows:
a) Die Aufnahmeanlage entlädt Behälter aus festem radioaktivena) The receiving facility unloads solid radioactive containers
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Abfall aus Versandfässern in einer heißen Zelle.Waste from shipping drums in a hot cell.
b) Die Abfallbehälter werden durch einen In-Zellen-Kran durch eine Zellenbodenöffnung in ein offenes Faß übertragen-b) The waste bins are carried by an in-cell crane transfer a cell bottom opening into an open barrel -
c) Ein massiver Faßabschirmendstopfen wird in die obere Seite des Fasses eingepaßt und erzeugt somit volle Gamma-Abschirmung.c) A solid barrel shield end plug is inserted into the top of the Barrel and thus creates full gamma shielding.
d) Das geladene Faß wird auf einem Transporter zu einer kontaktbetätigten Stopfen-Schweißstation gebracht.d) The loaded barrel becomes a contact-operated one on a transporter Brought plug welding station.
e) Eine Gamma-Untersuchung wird am Äußeren des Fasses vorgenommen, um sicherzustellen, daß in der Faßwand keine Hohlräume vorhanden sind.e) A gamma examination is carried out on the outside of the barrel, to ensure that there are no cavities in the barrel wall.
f) Der Endabschirmstopfen wird in den Faßkörper durch eine Tiefeindring-Schweissung (beispielsweise 8 bis 12 Zoll) eingeschweißt, um eine hohe Korrosionsbeständigkeit in der Schweißzone ähnlich dem Faßkörper zu erhalten. Eine Anfangsuntersuchung der Schweißverfahren ergab, daß das Elektroschlackenschweißverfahren für diesen Anwendungsfall sehr geeignet ist.f) The end shielding plug is inserted into the barrel body through a Deep penetration weld (e.g. 8 to 12 inches) welded in, in order to obtain a high corrosion resistance in the welding zone similar to the barrel body. An initial investigation the welding process showed that the electroslag welding process is very suitable for this application.
g) Die Schweißqualität wird überprüft.g) The welding quality is checked.
h) Das Faß wird auf äußere Verunreinigung überprüft.h) The barrel is checked for external contamination.
i) Das Faß wird durch einen mit Gummireifen oder Gummiketten versehenen Träger zu einem Speicherplatz in der Aussenanlage gebfacht und dort - wie in Fig. 1 gezeigt - auf Sattelständern angeordnet.i) The barrel is fitted with a rubber tire or rubber chain Carriers to a storage space in the outdoor area and there - as shown in Fig. 1 - on saddle stands arranged.
Dieses Verfahren weist ein Betriebsproblem bei der Neutronenbestrahlung auf, wobei aber erwartet wird, daß dies durch örtlich angebrachte Neutronenabschirmungen an den Arbeitsstationen überwunden werden kann. Basierend auf den Neutronendosisraten - angegeben von ORNL - für Abfallversandfässer bei verlorener Neutronenabschirmung wird angenommen, daß die Neutronendosisrate für ein "typisches" Faß annähernd 30 mr/Stunde bei einem Abstand von 6 Fluß gegenüber dem Faß beträgt. Dieser Wert kann auf vernünfti-This method has an operational problem with neutron irradiation but this is expected to be overcome by locally installed neutron shields at the workstations can be. Based on neutron dose rates - indicated from ORNL - for waste shipping drums with lost neutron shielding the neutron dose rate for a "typical" barrel is believed to be approximately 30 mr / hour at a distance of 6 river opposite the barrel is. This value can be reasonably
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ge Werte in der EinkapseleiT?richtung und am Fahrersitz auf dem Transporter durch die Verwendung örtlicher Neutronenabschirmungen reduziert werden. An den Speicherplätzen im Gelände können die relativ hohen Neutronendosisraten als annehmbar angesehen werden, da der Speicherplatz normalerweise nicht zugänglich ist.ge values in the encapsulation direction and on the driver's seat in the Transporters can be reduced through the use of local neutron shields. The relatively high neutron dose rates can be considered acceptable since the storage space is normally inaccessible.
Vorteile des Verfahrens:Advantages of the procedure:
a) Die gesamten Kapital- und Betriebskosten für die Aufbewahrung mit abgedichteten Fässern sind beträchtlich niedriger als die Kosten für Gebäude mit gesonderten Abschirm-, Umschließungsund Wärmeentfernungs-Systemen.a) The total capital and operating costs of sealed keg storage are considerably lower than that Costs for buildings with separate shielding, containment and heat removal systems.
b) Dieses Verfahren bietet ein Festhalten an Stelle der kontrollierten Freigabeumschließungssysteme anderer Gebäudespeichersysteme. b) This procedure provides an adherence in place of the controlled one Share containment systems of other building storage systems.
c) Das zur überwachung erforderliche Personal wird auf 10% weniger geschätzt als das für andere Bauspeichersysteme erforderliche Personal.c) The personnel required for monitoring is reduced to 10% valued as the staff required for other building storage systems.
d) Das Verfahren hat eine Lebensdauer von mehr als 1000 Jahren gegenüber der annähernd 100-jährigen Lebensdauer anderer Bauspeichersysteme .d) The process has a lifespan of more than 1000 years compared to the almost 100-year lifespan of other building storage systems .
e) Anders als andere Bauspeichersysteme macht dieses Verfahren keine Not-Kühlsysteme erforderlich.e) Unlike other building storage systems, this procedure does no emergency cooling systems required.
f) Die Auflassungskosten für die Speicherung mit abgedichteten Fässern sind wesentlich geringer als die für Bauspeichersysteme.f) The clearance costs for storage with sealed barrels are much lower than those for building storage systems.
g) Die eingekapselten Abfallstoffe in den Fässern können in geologischen Räumen abgelagert werden, nachdem sie 150 Jahre oder mehr in dem abgedichtete Fässer verwendenden Oberflächenspeicher sys tem zerfallen sind.g) The encapsulated waste materials in the barrels can be deposited in geological spaces after they have been 150 years or more have disintegrated in the surface storage system using sealed barrels.
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