CH647553A5

CH647553A5 - Verfahren zur verarbeitung von radioaktiven abfaellen.

Info

Publication number: CH647553A5
Application number: CH8980/79A
Authority: CH
Inventors: Friedrich-Wilhelm Dr Ledebrink; Wolfgang Dr Stoll; Dieter Schaefer
Original assignee: Alkem Gmbh
Priority date: 1979-02-07
Filing date: 1979-10-05
Publication date: 1985-01-31
Also published as: GB2041627A; CA1145950A; DE2904627C2; GB2041627B; FR2448770B1; CA1146518A; FR2448770A1; BE880108A; DE2904627A1; US4293438A; BR7907330A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Rückgewinnung von Uran und Plutonium und anderen Wertstoffen aus festen, Kunststoffe enthaltenden Rohabfällen, insbesondere aus Verarbeitungsstätten von Kernbrennstoffen, und Verarbeitung der von Uran und Plutonium befreiten Abfälle zu einem raumsparenden endlagerfähigen bzw. wieder verwertbaren Produkt. Der Verunreinigungsgrad dieser voluminösen Abfälle, die innerhalb des Kontrollbereiches eines Fertigungsbetriebes anfallen, ist sehr unterschiedlich. Abfälle mit wägbaren, also stärkeren Verunreinigungen durch Spaltstoffe wie Uran und Plutonium entstehen fast ausschliesslich in den Handschuhboxen und machen etwa die Hälfte des gesamten Abfalles aus.

Materialmässig gesehen besteht dieser Abfall aus PVC (Polyvinylchlorid), Gummi, Polystyrol (PS), Polymethylmethacrylat (PMMA), Polyäthylen (PE), Polyte-trafluoräthylen (PTFE) und anderen. Ausser diesen Kunststoffen befinden sich im Abfallmaterial auch Zellstoff und andere brennbare Naturstoffe. Quantitativ überwiegt in diesem Gemisch das PVC mit einem Anteil bis zu 70 Gew.%.

Diese Abfälle können auf konventionelle Weise nicht beseitigt werden, da sie langlebige radiotoxische Spaltstoffe

(Plutonium) enthalten. Um eine gefahrlose Endlagerung der Abfälle zu erreichen, ist die Zielsetzung neuer Behandlungsverfahren die Rückgewinnung der Spaltstoffe, die Verringerung des Primärabfallvolumens und Erzeugung eines endlagerfähigen Abfallproduktes.

Bisher hat man sich in der Praxis darauf beschränkt, derartige Abfälle in Zementblöcken zu fixieren, um eine geringstmögliche Auslaugrate gegenüber Wasser oder Salzlaugen zu erreichen, und in Salzstöcken endzulagern. An diesem Verfahren ist ungünstig, dass sich das Abfallvolumen erheblich erweitert und eine Plutoniumrückgewinnung zu einem späteren Zeitpunkt nicht mehr möglich ist.

Um diese Nachteile auszuschalten, wurden vornehmlich in den USA eine Reihe von Verbrennungsverfahren entwickelt, mit denen neben der Volumenreduzierung eine Konzentrierung des Spaltstoffes auf ein kleines Restvolumen, dem Ascheanteil, erreicht werden sollte. Wie dem Übersichtsbericht KfK-2250 des Kernforschungszentrums Karlsruhe zu entnehmen ist, hat bisher kein Verfahren aufgrund ungelöster Schwierigkeiten Produktionsreife erlangen können.

Als Nachteil ist allen Verbrennungsverfahren gemeinsam, dass bei den erwähnten Abfällen mit hohem PVC-Gehalt die erzeugte kontaminierte Sekundärabfallmenge in fixierter endlagerfähiger Form das Ausgangsvolumen des Primärabfalles übersteigt. Bei einigen Hochtemperaturprozessoren kommt erschwerend hinzu, dass während der Verbrennung das Plutonium in eine sehr schwerlösliche Form überführt wird, die die Rückgewinnung aus der Asche erheblich erschwert.

Da bisher kein Verfahren bekannt ist, mit dem gleichzeitig eine Spaltstoffrückführung und Volumen verringerung erreicht wird, stellte sich die Aufgabe, nach einem Weg zur Erreichung des gesteckten Zieles zu suchen, der zusätzlich aber auch allgemein die Wiedergewinnung von Wertstoffen nicht kerntechnischer Natur ermöglicht. Solche können beispielsweise Edelmetalle oder andere seltene Materialien sein.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht erfindungsgemäss in einem Verfahren, das entsprechend den Patentansprüchen nach folgenden Schritten abläuft:

a) Zerkleinern des Rohabfalles auf ca. 5 mm Korngrösse b) Auflösung desselben bei erhöhter Temperatur in einem organischen, für Kunststoffe im Rohabfall geeigneten Lösungsmittel unter Bildung einer Polymerlösung c) Abtrennung von ungelösten grösseren Abfallschnitzeln d) Abscheiden des ungelösten Spaltstoffanteiles aus der Polymerlösung mit Hilfe einer Zentrifuge e) Verdampfung und Kondensation des Lösungsmittels zur Rückführung in den Auflösungsprozess nach b) unter Verbleiben einer Polymerschmelze. Folgende ergänzende Schritte können von Vorteil sein:

f) Einbettung des Abfallanteiles aus c) in die verbleibende Polymerschmelze g) Abfüllen der Polymerschmelze und Erstarrung derselben in Lagerbehälter zu einem Kunststoffblock.

Günstigerweise kann der Rohabfall im organischen Lösungsmittel in Schritt b) bis zur Erreichung einer Konzentration von 10 Gew.% aufgelöst werden, während in Schritt c) vorteilhafterweise Rohabfallpartikel > 1 mm abgetrennt werden, die unlöslich sind.

Das Grundprinzip dieses erfindungsgemässen Verfahrens besteht also in der Auflösung des vorzerkleinerten Rohabfalles in einem organischen Lösungsmittel, so dass lediglich nach Abtrennung von unlöslichen Kunststoffpartikeln die ungelösten Verunreinigungen wie UO2 und PuCh in fester, jedoch suspendierter Form zurückbleiben. Die Rohabfälle bestehen, wie bereits erwähnt, vornehmlich aus thermoplasti-

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sehen Kunststoffen, für die mehrere geeignete organische Lösungsmittel existieren. Es gibt auch Stoffe, wie Zellstoff und Holz oder auch stark vernetzte Kunststoffe wie z.B. Neo-pren, die zu diesen Lösungsmitteln unlöslich sind. Der Gesamtanteil dieser unlöslichen Materialien überschreitet jedoch erfahrungsgemäss nicht 25% der Gesamtabfallmenge, sie werden daher entsprechend Schritt c) aus der Polymerlösung abgetrennt, bevor diese in Zentrifugen von festen Spaltstoffpartikeln befreit wird.

In der beiliegenden Figur ist dieses Verfahren schematisch dargestellt. Die in normaler Weise aus in den Arbeitsstätten, also z.B. den Arbeitsboxen in PVC-Beuteln eingeschweissten mit Uran und/oder Plutonium verunreinigten Abfälle werden zunächst messtechnisch nach ihrem Plutoniumgehalt sortiert. Rohabfälle mit mehr als 5 Gramm pro Kubikmeter Spaltstoffgehalt eignen sich für das erfindungsgemässe Verfahren, da sich bei ihnen eine Rückführung des Spaltstoffgehaltes lohnt und empfiehlt.

Dieser Abfall, der vorher auch noch in an sich bekannter Weise von evtl. vorhandenen Metallteilen befreit wird, wird entsprechend der Fig. 1 mit Hilfe eines Transportbehälters 1 einer Zerkleinerungsanlage 2 zugeführt. In dieser werden die Abfälle je nach verfahrenstechnischer Notwendigkeit bis auf etwa 5 mm Korngrösse zerkleinert und über eine nichtdarge-stellte Austragsschnecke in einen Zwischenbunker 3 gelagert. Aus diesem Zwischenbunker 3 gelangen die zerkleinerten Abfälle mit Hilfe des Rührwerkes 31 und der Austragungsschnecke 32 in einen Kessel 4, der mit einem Rührwerk 41 versehen ist. Über die Leitung 43 wird in diesem Kessel Lösungsmittel aus dem Tank 10 zugegeben und gleichzeitig eine Erhöhung der Temperatur auf 60-80°C unter einen, dem Doppelmantel 42 des Kessels zugeführten Wärmeträger vorgenommen. Dieser besteht z.B. aus Wasser und wird bei 44 zu- und bei 45 abgeführt. In diesem Kessel 4 wird dabei soviel Material der Abfallmischung eingetragen, bis sich eine 10%ige Polymerlösung gebildet hat. Die für den Lösungsvorgang benötigte Zeit beträgt dabei etwa 30 Minuten.

An den Auflösungsvorgang schliesst sich dann der Sepa-rierungsschritt für die ungelösten Kunststoffschnitzel aus der erhitzten Polymerlösung an. Für diese groben Teile ist dazu ein Trommelfilter 5 vorgesehen, die abgeschiedenen Teilchen werden mit Lösungsmittel nachgewaschen, abgestreift und einem Sammelbehälter 51 zugeführt. Die restliche Lösung mit den suspendierten Spaltstoffteilchen gelangt dann zu einer Zentrifuge 6, die einen Zentrifugeneffekt zwischen 15 000 und 20 000 g besitzt. In dieser sammeln sich die Spaltstoffe als fester Kuchen im Zentrifugenzylinder an. Durch die konstruktive Auslegung dieses Zentrifugenzylinders auf einen Innendurchmesser von etwa nur 80 mm wird die Kritikali-tätssicherheit gewährleistet. Das Zentrifugenrohr wird nach einer ausreichenden Spaltstoffansammlung ausgewechselt und in einem Transportbehälter der Spaltstoffaufarbeitung 64 zugeführt.

Die gereinigte Polymerlösung gelangt dann aus dieser Zentrifuge über eine Pumpe 62 zu drei in Reihe geschalteten Flashverdampfern 71,72 und 73 und anschliessend zum Schneckenverdampfer 81. Während die Flashverdampfer die nach der Zentrifuge anfallende Konzentration der Polymerlösung von 10 auf 40 Gew.% erhöhen, verdampft der nachgeschaltete Schnecken verdampfer den Restanteil am Lösungsmittel. Wie in diesem Beispiel gezeigt, ist es zweckmässig, dem Schneckenverdampfer 81 einen zweiten Schneckenverdampfer 82 nachzuschalten, mit diesem die Restverdampfung des Lösungsmittels bis auf einen Restgehalt von weniger als 1% durchzuführen und gleichzeitig in die aus dem Schnek-kenVerdampfer mit ca. 160°C austretende Polymerschmelze die im Trommelfilter 5 ausgeschiedenen unlöslichen Feststoffe einzumischen. Diese gelangen aus dem Behälter 51 über die Leitung 52 zu diesem Schneckenverdampfer 82.

Die fliessfähige Polymerschmelze mit den eingebetteten Feststoffen wird alsdann in einen Transportbehälter, z.B. ein 400-1-Rollreifenfass gefüllt und bildet dort nach Abkühlung einen kompakten porenfreien Kunststoffblock, in dem unter Umständen auch noch andere nicht brennbare Abfälle wie Glas, Keramik oder metallische Maschinenteile eingebettet werden können. Dieser Block stellt ein auslaugbeständiges Gebinde dar, so dass eine Zementierung nicht mehr nötig ist und somit ein endlagerfähiges Produkt vorliegt.

Die aus den Verdampfern austretenden Lösungsmitteldämpfe werden über die Leitungen 83 einem Kondensator 9 zugeführt, dort verflüssigt und in den Lösungsmitteltank 10 eingeleitet, von dem sie dem Auflösungsprozess im Kessel 4 bei Bedarf wieder zugeführt werden. Es findet somit eine ständige Kreislaufführung des Lösungsmittels statt, so dass der Verbrauch an diesem äusserst gering ist. Als Lösungsmittel sind beispielsweise geeignet Tetrahydrofuran oder Methyläthylketon.

Dieses Verfahren lässt sich selbstverständlich von vornherein noch dadurch weiter vereinfachen, dass in den Verarbeitungsbetrieben nur solche Materialien Verwendung finden, die sich alle in einem geeigneten Lösungsmittel auflösen lassen. Ebenso ist es zur Rückgewinnung anderer unter Umständen radioaktiver und nicht löslicher feinkörniger Wertstoffe geeignet.

Gegenüber den bisher bekannten Verfahren hat dieses erfindungsgemässe Verfahren folgende Vorteile:

1. Rückgewinnung von Plutonium und Uran ohne chemische Prozesse.

2. Keine Veränderung, d.h. Verschlechterung der Löslichkeit von PuOz und UO2 während des Behandlungsprozesses im Hinblick auf deren weitere Behandlung mit Salpetersäure.

3. Keine Sekundärabfallerzeugung.

4. Das Endprodukt des Behandlungsprozesses ist endlage-rungsfähig.

5. Das endlagerfähige Abfallvolumen ist gemessen am Rohabfallvolumen um etwa den Faktor 5 kleiner.

6. Über die Abluft erfolgt keinerlei Aktivitätsfreisetzung.

7. Die benötigten Apparaturen sind bekannt und erprobt.

8. Es entstehen keine Materialprobleme durch thermische Beanspruchung, da die Temperaturen unter 170°C bleiben.

9. Durch entsprechende geometrische Dimensionierung der verwendeten Apparate ist die Kritikalitätssicherheit gewährleistet.

10. Da keine Säuren entstehen oder eingesetzt werden, gibt es auch keine Korrosionsprobleme.

11. Da keine Abgase entstehen, ist auch keine Abgasbehandlungseinrichtung notwendig.

12. Die radiolytische Gasbildung während des Prozesses ist sehr gering, da nur eine kurze Kontaktzeit des Spaltstoffes mit dem Lösungsmittel - ca. 1 Stunde - gegeben ist.

13. In Anbetracht der relativ niedrigen Temperaturen und einer Wärmekreislaufführung ist auch der benötigte Energieeinsatz gering.

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1. Verfahren zur Rückgewinnung von Uran und Plutonium und anderen Wertstoffen aus festen, Kunststoffe enthaltenden Rohabfällen, insbesondere aus Verarbeitungsstätten von Kernbrennstoffen, und Verarbeitung der von Uran, Plutonium und anderen Wertstoffen befreiten Abfällen zu einem raumsparenden endlagerfähigen bzw. wieder verwertbaren Produkt, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

a) Zerkleinern des Rohabfalles auf ca. 5 mm Korngrösse b) Auflösung desselben bei erhöhter Temperatur in einem organischen, für Kunststoffe im Rohabfall geeigneten Lösungsmittel unter Bildung einer Polymerlösung c) Abtrennung von ungelösten grösseren Abfallschnitzeln d) Abscheiden des ungelösten Spaltstoffanteiles aus der Polymerlösung mit Hilfe einer Zentrifuge e) Verdampfung und Kondensation des Lösungsmittels zur Rückführung in den Auflösungsprozess nach b) unter Verbleiben einer Polymerschmelze.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende ergänzende Schritte:

f) Einbettung des Abfallanteiles aus c) in die verbleibende Polymerschmelze g) Abfüllen der Polymerschmelze und Erstarrung derselben in Lagerbehältern zu einem Kunststoffblock.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Lösungsmittel Tetrahydrofuran oder Methyl-Äthylketon verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass für Schritt e) und f) Flashverdampfer und anschliessend Schneckenverdampfer verwendet werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass für Schritt d) hochtourige Röhrenzentrifugen mit einem Zentrifugaleffekt von 15 000-20 000 g zum Einsatz kommen.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass feinverteilte Wertstoffe aus löslichen Abfällen zurückgewonnen werden.