DE102006013836A1

DE102006013836A1 - Verfahren und Vorrichtung zur sicheren Betreibung von Kernkraftwerken durch sichere Endlagerung hochradioaktiver, wärmeproduzierender Abfälle mittels Selbstversenkung im Erdmantel Vorort

Info

Publication number: DE102006013836A1
Application number: DE102006013836A
Authority: DE
Inventors: Werner Foppe
Original assignee: Radermacher Franz Josef Prof Dr Dr
Current assignee: Radermacher Franz Josef Prof Dr Dr
Priority date: 2006-03-24
Filing date: 2006-03-24
Publication date: 2007-09-27
Also published as: WO2007110211A3; US20090145659A1; US8693609B2; EP1999759A2; ATE479190T1; DE502007004859D1; EP1999759B1; WO2007110211A2

Abstract

Um ein Verfahren mit Vorrichtungen zur sicheren Endlagerung hochradioaktiver Abfälle bei sicherer Beherrschung einer Reaktorkernschmelze sowie der Endlagerung des hochradioaktiven wie auch schwach- und mittelradioaktiven Inventars bei Demontage des Kernkraftwerks selbst vor Ort bereitzustellen, wird vorgeschlagen, am Kernkraftwerksstandort einen metallverschalten Super-Tief-Bohrschacht aus einem Gujss als Endlagerschacht zu nutzen, dem das endzulagernde Material über einen bombensicheren, hermetisch von der Biosphäre getrennten Transporttunnel vom Reaktorgebäude oder Zwischenlager aus mittels eines Magnetgleiter-Transportsystems zur Einlagerung zugeführt wird, wobei verfüllte Endlagersegmente nach Separierung vom Restschacht unter Restwärmeerzeugung und Schwerkraftwirkung beschleunigt in den Erdmantel auswandern.

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtung zur sicheren Endlagerung von hochradioaktivem und/oder hochtoxischem Material in bis zu 20 km tiefen SuperTief-Bohrschächten mit Metallverschalung aus einem Guss in folgenden Schritten: Die Niederbringung von SuperTief-Bohrschächte mit gleichbleibend großen Bohrlochdurchmessern bis zum Bohrziel nach dem bekannten Metallschmelze-Bohrverfahren ( EP 1 157 187 B1 ) erfolgt erfindungsgemäß bevorzugt Vorort, wo das endzulagernde Material entsteht bzw. bereits zwischenlagert.
Erfindungsgemäß wird das im Schachttiefsten endgelagerte hochradioaktive Material beispielsweise mit Flüssigblei als Moderator sowie Wärme- und Druckausgleichmedium aufgefüllt oder umgekehrt endzulagerndes Material in Flüssigblei eingefüllt.
Ein so abgefülltes Schachtsegment wird erfindungsgemäß oberhalb der Einfüllung vom übrigen Bohrlochstrang durch Abschmelzen der Metallverschalung in einem Bereich von einigen Metern separiert und wandert unter Eigenwärmeerzeugung und hohem Eigengewicht als Ganzes aus dem heißen Tiefengestein in Richtung Erdmittelpunkt aus.
Die Erfindung betrifft ferner Vorrichtungen als sichere und kostengünstige Endlager für schwach-, mittel-, wie insbesondere hochradioaktiver und/oder hochtoxischer Stoffe, wobei Letztere durch Selbstversenkung direkt Vorort endlagerbar sind.
Die Erfindung betrifft weiterhin Vorrichtungen für ein bombensicheres Verbindungs- und Transportsystem zwischen Reaktor- bzw. Zwischenlager und Endlagerschacht.
Die Erfindung betrifft zudem Vorrichtungen zur kontrollierten Beherrschung eines Reaktor-Gaus mit Kernschmelze und automatisierter direkter Endlagerung der ausgetretenen Kernschmelze.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Verfahren und Vorrichtung eingangs genannter Art bereitzustellen, die eine sichere und kostengünstig Endlagerung direkt Vorort bieten und in allen Ländern gleichermaßen zu nutzen sind und darüber hinaus noch die Möglichkeit bieten, im Falle des Durchbrennen eines Reaktors den Reaktorgau so zu kontrollieren, ohne dass eine Belastung der Umwelt eintritt.
Die sichere Endlagerung hochradioaktiver Stoffe ist ein gesellschaftlich ernstes und weltweit immer noch ungelöstes Problem. Bisher gibt es in keinem Land ein sicheres Endlagerkonzept, obwohl für die Suche und Erprobung geeigneter Endlager-Standorte weltweit Hunderte Milliarden EURO ausgegeben wurden.
Nach 50 Jahren hat die Kernenergie-Community mit ihrem wissenschaftlichen und wirtschaftspolitischen Potential es in keinem Land bisher geschafft, ein sicheres Endlager zur Verfügung zu stellen, obwohl das ungelöste Endlagerproblem neben dem unabweislichen Reaktorrestrisiko den Rückgang des Kernenergiemarktanteils an der Weltenergieproduktion am stärksten beeinflusst.
Nach gegenwärtigen Endlagerkonzepten und Methoden zur Demontage von Kernkraftwerken und kerntechnischen Anlagen ist deren Demontage und die Endlagerung des sich daraus ergebenen kontaminierten Materials absolut teuerer als der Bau der Anlagen selbst, so dass die Suche nach dem ,bestmöglichen Endlager' ein hohes Einsparpotential bei gleichzeitiger Erhöhung der Sicherheit bringen sollte.
Unverantwortbare Verfahrensvorschläge wie Versenken in Tiefseegräben oder Schießen zum Mond oder in den Weltraum verbieten sich bereits aus Sicherheitsgründen und stehen nicht zur Diskussion.
Fast jedes Land mit Nukleartechnik ist dabei, eigene Endlagerkonzepte und Vorrichtungen zu entwickeln oder zu bauen.
Die USA arbeiten an ein Endlager im Tuff des Jucca-Gebirges nicht unweit von Las Vegas.
Kanada, Schweden, Schweiz und Andere erkunden Hartgestein(Kristallin) als Endlager.
Die deutsche Endlagerkonzeption ist auf Salz als Wirtsgestein zugeschnitten, zumindest bis zum Beginn des gegenwärtig laufenden Moratorium für den Salzstock Gorleben, das spätestens bis zum Jahre 2010 läuft und zur Suche nach einem ,bestmöglichen Endlager' in unterschiedlichen Wirtsgesteinen genutzt werden soll. Zielsetzung ist, bis 2030 ein einsatzfähiges Endlager zur Verfügung zu haben, wobei man davon ausgeht, das nach dem beschlossenen Kernkraftwerksausstieg alle bis 2080 anfallenden hochradioaktiven Stoffe in einem Endlager untergebracht werden.
Allen Konzepten gemeinsam in den verschiedenen Ländern ist das Auffahren eines bergwerkähnlichen Tunnelsystems als Zentrallager mit großem Fassungsvermögen in Tiefen maximal um 1000 m Tiefe und damit im Bereich der Biosphäre verbleibt. Die Gefahr besteht, dass über längere Zeiträume nach tektonischen Veränderungen Grundwässer, Oberflächenwässer und Tiefenwässer eindringen können und die Biosphäre verseuchen.
In Deutschland herrscht weitgehende Übereinstimmung unter den Verantwortlichen, dass sowohl der Salzstock ,Gorleben' wie auch das Erzbergwerk ,Schacht Konrad' bei Salzgitter höchsten als Endlager für schach- und mittelradioaktives Material in Frage kommt, das mit geschätzten 280.000 m³ auch 90% des endzulagernden radioaktiven Material bis 2080 ausmacht, wenn es beim vereinbarten Ausstieg bleibt. Die Suche nach dem ,bestmöglichen Endlager' in Deutschland, insbesondere für hochradioaktive Stoffe, steht damit weiter vordringlich auf der Tagesordnung und kann zudem ein Multi-Milliarden Megamarkt für die Deutsche Wirtschaft werden.
Ausschlaggebend für die Option auf ein zentrales Endlager sind die hohen Explorations- und Baukosten für den Schachtbau und die unterirdischen Tunnel und Kavernen, da die Erschließungskosten damit nur einmal zu tätigen wären. Gleichzeitig sind nach den gegenwärtigen Endlagerkonzepten geeignete Standorte von der Geologie her dünn gesät.
Gegen ein zentrales Endlager sprechen die Risiken beim Transport und beim Umladen aus den Transportbehältern im Endlager sowie die hohen Transportkosten und der Widerstand der Bevölkerung gegen die Transporte und gegen den Zentralstandort, denn keiner will den langlebigen und gegebenenfalls tödlichen Müll von anderen in seiner Gegend haben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diesen Widerspruch aufzulösen und der Forderung nach einem ,bestmöglichen Endlager' zu entsprechen.
In dem Internationalen Abkommen zur Endlagerung mit der Unterzeichnung der Nuklearen Entsorgungskonvention vom 1. Oktober 1997 sind sich alle 42 Signatarstaaten einig, dass die Endlagerung hochradioaktiver, langlebiger Produkte der Kernenergie außerhalb der Biosphäre sicher in tiefliegenden geologischen Formationen bei möglichst kurzen Transportwegen durchzuführen ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass erstmals mit dem METALLSCHMELZE-BOHRVERFAHREN EP 1 157 187 B1 ein technisch umsetzbares Magnetgleiter-SuperTief-Bohrverfahren zum Einsatz kommt, dass in einem kontinuierlichen Schmelzbohrprozess, schnell und kostengünstig produktionsfertige SuperTiefbohrungen mit großem, maßhaltigen Bohrlochdurchmesser bis in Tiefen von 20 km zu erstellen sind. Beim kontinuierlichen Vortrieb der Magnetgleiter-Schmelzbohranlage wird gleichzeitig aus der als Bohrmedium fungierenden Metallschmelze eine nahtlose Druckguss-Bohrlochverschalung erstellt, die dem Magnetgleiter als ,Reaktionsschiene' und Fahrröhre dient.
Diese Druckguss verschalten Bohrlochschächte sind erfindungsgemäß als Endlager zu nutzen.
Verfahren und Vorrichtungen zur Nutzung von Tiefbohrungen, Schächten und Tunnel sind bekannt, wie in den Patentschriften DE 195 28 496 C1 und US 5,022,788 als Beispiel gezeigt.
Allen mir bekannten Verfahren zur Endlagerung hochradioaktiven Materials in druckfesten Vorrichtungen durch Absenkung ins Erdinnere bedienen sich der Subduktionszone, wo das eingelagerte Material mit der subduzierenden Platte im Laufe von Jahrmillionen im Erdmantel verschwindet.
Eine mit gegebener Technik zu realisierende Möglichkeit der Endlagerung in Subduktionszonen war nur dort gegeben, wie in US 5,022,788 ausgeführt, wo die Subduktionszone dicht an der Oberfäche ansteht und von der Kontinentalkruste durch Schachtbohrungen oder Tunnel zu erreichen ist, um auch nennenswerte Mengen einlagern zu können.
Endlagerung von radioaktiven, in druckfesten und hitzebeständigen Behältern eingeschlossenes Material ist mit herkömmlicher Bohrtechnologie(KTB) und Schachtbauweise bis in eine Tiefe mit zähflüssigem Tiefengestein, wie in DE 195 28 496 C1 postuliert, technisch nicht möglich.
Die benannte Kontinentale Tiefbohrung(KTB) in der Oberpfalz erreichte bei 300°C Gesteinstemperatur in 9000 m Tiefe ihr technisch und mineralgeologisch bedingtes Ende. Ab 300°C und insbesondere in Gegenwart von Wasser nimmt die Standfestigkeit des Gestein so stark ab, dass unter dem Druck des Seitengesteins der freiliegende, unverschalte Bohrloch- bzw. Schachtbereich von der Seite einbricht. (GEOWISSENSCHAFTEN Jahrg. 13, April 1995, Seite 151-153)
Anders im erfindungsgemäßen Verfahren, wo das Metallschmelze-Bohrverfahren zum Einsatz kommt. Beim kontinuierlich ablaufenden Metallschmelze-Bohrverfahren liegt zu keiner Zeit ein freiliegender, unverschalter Bohrlochbereich vor, da aus der Metallschmelze, die auch als ,Bohrkopf' dient, direkt eine starkwandige Metallverschalung aufgebaut wird. Die Standfestigkeit eines derart verschalten Bohrlochs bzw. Bohrschachts hängt von der dicke der Metallwandung, der vorherrschenden Druckdifferenz zwischen Innen- und Außenwand und insbesondere der vorherrschenden Temperatur. Ein derart metallverschaltes Bohrloch wird bis im Gesteinstemperaturbereich von mindestens 600°C–700°C standfest bleiben, so dass in der Kontinentalkruste Tiefen um 20 km zu erwarten sind. Aber auch unter diesen Temperatur- und Druckbedingungen liegt das Tiefengestein nicht in zähflüssiger sondern in fester wenn auch duktiler Form vor, das heißt:
Nach erfindungsgemäßer Lösung verschieben sich unter den vorgegebenen Temperatur- und Druckbedingungen im heißen Tiefengestein die Gesteinskristalle gegenüber einem freien, festen und schweren Metallkörper auf den die Schwerkraft der Erde stärker wirkt als auf das umgebene, leichtere und duktil gewordene Tiefengestein, was vorteilhafterweise ein beschleunigtes Auswandern eines separierten Endlagersegments zur Folge hat. Begünstigt wird die Auswanderungsgeschwindigkeit des gesamten Endlagersegments noch durch seine ganz besonders vorteilhaft gestaltete, keilförmige Außenkontur, wodurch die enormen seitlichen Druckkräfte zu vertikalen Schubkraft werden.
Diese erfindungemäße Auswanderung des schweren Metallkörpers in Form eines Endlagersegments erfährt durch die erhöhte Innentemperatur mittels der radioaktiven Restwärmebildung durch die Fluideansammlung im Grenzbereich Metallmantel/Tiefengestein zusätzlich eine Beschleunigung durch Reibungsreduzierung, insbesondere da diese Fluide unter den vorherrschenden Temperatur- und Druckbedingungen superkritisch sind und sich daher ihr Reibungswert drastisch reduziert.
Vorteilhafterweise gleitet ein Endlagersegment unter seiner Schwerkraft, umgeben vom Fluide bzw. benetzt von einem Fluidefilm beschleunigt dem Erdmittelpunkt zu wie ein Gletscher auf seinem Wasserfilm zu Tal gleitet.
Nach detaillierter Erläuterung des Selbstversenkungsprozess jetzt der Ablauf des Verfahrens mit Vorrichtung zur Endlagerung hochradioaktiver Stoffe Vorort durch Selbstversenkung im Erdmantel:
Erfindungsgemäß wird in unmittelbarer Nähe von Kernkraftwerken oder Zwischenlagern ein beispielsweise 20 km tiefer SuperTief-Bohrschacht (10) nach dem bekannten Metallschmelze-Bohrverfahren niedergebracht.
Dreiviertel des SuperTief-Bohrschachts mit durchgehend gleichbleibendem Durchmesser von vorzugsweise größer als 0,5 m, versehen mit einer starkwandigen Metallverschalung aus einem Guss und vorzugsweise guter magnetischer Permeabilität, sind erfindungsgemäß als Endlagerschacht zu nutzen, wobei etwa das untere Viertel im Bereich superkritischer Fluidbedingungen günstigerweise als Endlagersegment (1) für hochradioaktive und/oder wärmentwickelnde Materialien zu nutzen ist und die mittlere Hälfte als Endlager für schwach-und mittelradioaktives Material verfügbar ist, das insbesondere bei der Demontage eines Kernkraftwerks oder einer sonstigen kerntechnischen Anlage anfällt.
Das Endlagersegment (1) wird bei der Produktion des SuperTief-Bohrschachts (10) günstigerweise im Bereich der Metallgussverschalung wie ein Gusseisenkonus (2) ausgebildet, derart, dass die Wandstärke im unteren Konusbereich beispielsweise mit 0,25 m startet und oben mit 0,05 m endet.
Das Endlagersegment (1) ist erfindungsgemäß als Ganzes nach Abfüllung endzulagern und/oder nach Bedarf segmentweise, wobei die Separierung des jeweiligen Segments vom Restschacht vorteilhafterweise durch Abschmelzen eines Schachtwandungsbereichs (4) durch Strahlungsenergie erfolgt, die wiederum vorteilhafterweise von einem Graphitzylinder kommt, der über eine Magnetgleiter-Vorrichtung (14) im Schacht rauf und runter gefahren werden kann.
Das erfindungsmäßige Separieren durch Abschmelzen eines Bohrlochbereichs direkt oberhalb des mit hochradioaktiven Material aufgefüllten und mit beispielsweise Flüssigblei vergossenen Endlagersegments (1) wird günstigerweise gleich zur sicheren Verschließung des separierten Endlagersegments (1) durch die anfallende Metallschmelze ausgeführt, die sich oberhalb des Metalldeckelverschluss (5) absetzt und/oder direkt auf dem Flüssigblei ausschwimmt und mit dem verbliebenen Rest der Endlagersegmentverschalung einen festen Metallverschluss bildet.
Der erfindungsgemäße verschalungsfreie Abschmelzbereich (4) im SuperTief-Bohrschacht wird bis auf einen Restbereich für eine neue Schachtsegmentspitze (3) günstigerweise mit einem Material aufgefüllt, das die Selbstversenkung durch Auswanderung aus dem heißen Lagergestein fördert.
Der nach der Separierung nach unten offene Restschacht wird erfindungsgemäß mit einer Metallgussfüllung verschlossen, die als neue Schachtsegmentspitze (3) dient und günstiger durch Legierungselemente verstärkt, den Selbstversenkungsprozess sichert.
Die erfindungsgemäße Endlagerungsvorrichtung besteht günstigerweise aus einem sicher zur Biosphäre abgeschlossenen System (12), das den Endlagerschacht (10) mit dem Reaktor und/oder Zwischenlager durch eine geeignete, automatisierte Transportvorrichtung (14) verbindet, wie beispielsweise ein Magnetgleitersystem.
Der erfindungsgemäße bombensichere, hermetisch zur Außenwelt abgeschottete Transporttunnel (12) zwischen Reaktor und Endlagerschacht ermöglicht den Bau einer Auffang- und Endlagervorrichtung für den Fall einer Reaktorschmelze (13), die das Restrisiko beim Betrieb von Kernkraftwerken stark reduziert und erheblich längere Laufzeiten der Kernkraftwerksanlagen erlaubt, wodurch günstigerweise das ,goldene Ende' der Produktionszeit verlängert wird.
Die erfindungsgemäße Auffang- und Endlagervorrichtung (13) für den Fall einer Reaktorschmelze wird bei Reaktorneubauten sofort mit eingeplant und damit optimal gestaltet. Bei vorhandenen Kernkraftwerksanlagen, die nicht mit einem Bodenschutz aus Graphitziegeln versehen sind, ist günstigerweise ein Abzugstunnel unterhalb des Reaktorfundamets zu bauen, der günstigerweise mit Graphitziegel belegt ist und eine auftretende Reaktorschmelze zielsicher in eine tieferliegende Auffangvorrichtung (15), die günstigerweise ebenfalls mit Graphitziegel ausgekleidet ist und zusätzlich mit Spezialtiegel aus Graphit so ausgelegt ist, dass die einfließende Reaktorschmelze sich in den bereitstehenden Graphittiegeln verteilt und nach einer Abklingzeit über das automatisierte Transportsystem ins Endlager zu befördern ist.
Die erfindungsgemäße Auffang- und Endlagervorrichtung für den Fall einer Reaktorschmelze (13) ist mit einem Medium aufzufüllen, das möglichst inert gegen radioaktive Strahlung, schwerer als Luft und leichter als die Reaktorschmelze ist. Damit wird günstigerweise die Verstrahlung der Auffang- und Endlagervorrichtung (13) begrenzt, wobei das Medium nach Endlagerung der Reaktorschmelze abgepumpt und ebenfalls endzulagern ist.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Endlagerverfahrens mit einer direkten Endlagervorrichtung Vorort auf dem Gelände von Nuklearanlagen mittels SuperTief-Bohrschächte nach dem Metallschmelze-Bohrverfahren, gegenüber bekannten Verfahren und gegenüber einem zentralen Endlager, liegen auf der Hand.

1. Die Niederbringung und Nutzung kostengünstiger Endlagerschächte für insbesondere hochradioaktive Stoffe direkt am Ort der Endstehung und/oder Lagerung erspart hohe Explorationskosten bei der Suche und Erprobung geeigneter Standorte und spart kostbare Zeit, da jeder vorhanden Standort mit Nuklearanlagen für das o. g. erfindungsgemäßen Endlagerverfahren per se geeignet ist.
2. Der nukleare Mülltourismus mit hochradioaktivem Material gegen den Widerstand der Bürger hat ein Ende, bzw. kann auf Randbereiche beschränkt werden, reduziert für die Bevölkerung die Strahlenbelastung, das Unfallrisiko und die Entsorgungskosten erheblich.
3. Sichere Endlagerung von hochradioaktiven Brennelementen bis zum hochradioaktiven Inventar der Kernkraftwerke Vorort durch Selbstversenkung über SuperTief-Bohrschächte von 15–20 km Tiefe in historisch überschaubaren Zeiträumen, unter hermetischem Abschluss zur Biosphäre und mit hoher Kostenreduzierung durch vollautomatisierbare Abläufe bei kürzeren Abklingzeiten, überzeugt Betreiber und betroffene Bevölkerung.
4. Mit der Schaffung von Endlagern an den Hauptkernkraftwerks-Standorten liegen deren Kosten insgesamt erheblich niedriger als bei einer Zentral-Endlager-Lösung. Gleichzeitig wird durch ,burden-sharing' die Verteilung des Problems auf mehrere Standorte, der Widerstand der betroffenen Bevölkerung reduziert, zumal nur die Bevölkerung an den Nuklearanlagenstandorten betroffen ist, die sich ohnehin schon mit der Kernkraft arrangiert hat und deren Risiko und Belastung durch die nicht mehr stattfindenden Nuklearmüll-Transporte erheblich reduziert wird.
5. Die Kombination von direkter Endlagerung Vorort mit einer integrierten Vorrichtung zur Beherrschung eines Reaktorgaus ermöglicht eine erhebliche Verlängerung der Reaktorlaufzeiten und erhöht die Akzeptanz der efindungsgemäßen Endlagerkonzeption bei Kraftwerksbetreiber, Politiker und betroffener Standortbevölkerung.
6. Die Endlagerung vor Ort bringt für die Standortsbevölkerung betreffender Nuklearanlagen nicht nur die Risiko- und Transportentlastung, sondern schafft mit dem Bau des Endlagers in der Region Arbeitsplätze, die auch langfristig bis zur vollständigen Demontage der Nuklearanlage gesichert sind. Gleichzeitig erhöhen sich die Steuereinnahmen und werden langfristig gesichert.
7. Die Akzeptanz der Bevölkerung mit Nuklearanlagen für Endlagerstandorte Vorort wird insbesondere durch die Selbstversenkung des hochradioaktiven Materials auf nimmer Wiederkehr ins Erdinnere erzielt, da weder der Region noch der nachfolgenden Generation ein unkalkulierbares ,böses Erbe' hinterlassen wird, sondern im Gegenteil auch von der Generation die Lasten der Entsorgung übernommen werden, die auch die Vorteile der Kernenergie genießt.
8. Die Gesamtgesellschaftlichen Vorteile der Endlagerung durch Selbstversenkung an den Nuklearstandorten Vorort über SuperTief-Bohrungen und der damit als Voraussetzung verbundenen Entwicklung des Metallschmelze-Bohrverfahrens zur Einsatzreife werden noch erheblich übertroffen durch die Schaffung eines völlig neuen Multi-Billionen-Marktes aus der neuen Basistechnologie ,Metallschmelze-Bohrverfahren, von der die sichere Endlagerung nur eine der Anwendungen ist.
9. Neben größtmöglicher Sicherheit sind der Zeit- und Kostenfaktor wichtige Argumente für die Endlagerung Vorort: Die Kosten für einen 20 km SuperTief-Bohrschacht mit einem Fassungsvermögen von einem m³/m werden auf etwa EUR 200 Mio. geschätzt. Die reine Bohrzeit mit dem kontinuierlich arbeitenden Metallschmelze-Bohrverfahren beträgt dafür etwa ein halbes Jahr, so dass der Rest des Jahres für An- und Abtransport verbleibt und damit pro Jahr mit einer Bohranlage ein 20 km SuperTief-Bohrschacht produktionsfertig erstellt werden kann. Pro Tiefbohrschacht können beispielsweise 5 × 1000 m Endlagersegmente mit einem Endlagervolumen von etwa 5000 m³ genutzt werden. Bei 24000 m³ hochradioaktiver, wärmeentwickelnder Abfälle für die gegenwärtig vorhandenen Kernkraftwerke in Deutschland, wären 5 efindungsgemäße Endlager notwendig mit einer Gesamtinvestition von EUR 1 Milliarde. Dieser Betrag ist bereits in den Bau der sich als Endlager ungeeignet erwiesenen Standorte Gorleben und Schacht Konrad investiert worden und muß in dieser Höhe noch einmal investiert werden, bevor sie als Endlager für schwach- und mittelradioaktive Materialien einsatzfähig sind.
10. Die Kosten für die Suche Erprobung und Bau eines neuen Zentralendlagers zur Lösung für Deutschlands Endlagerproblem wird nach gegenwärtigen Erfahrungswerten mindestens doppelt so teuer wie die efindungsgemäße Endlagerlösung Vorort, wobei die Kosten für den Transport und die Kostenersparnis beim Rückbau der Kernkraftanlage nicht eingerechnet sind. Für das Bauzeitszenario zeichnet sich ein ähnliches Bild ab. Für die erfindungsgemäßen Endlager ist unter Einbeziehung der technischen Entwicklung der MagnetgleiterMetallschmelze-SuperTiefBohranlagen zur technischen Einsatzreife, eine Fertigstellung von 5 Endlagerschächten bis 2020 zu erwarten. Die Fertigstellung eines Zentral-Endlagers nach konventioneller Bergwerksbauweise wohl nicht vor 2030.

Legende:

1: Endlagersegment
2: Gusseisenkonus (die Wandstärke des Endlagersegments(1) nimmt von oben nach unten zu und bildet so einen nach oben offen Konus)
3: Schachtsegmentspitze (Metallgussspitze mit Legierungselementen verstärkt)
4: Abschmelzbereich zur Separierung des Endlagersegment vom Restschacht
5: Metalldeckelverschluss mit leicht gewölbter, elliptischer Oberfläche
6: Metallschmelzeverschluss aus der Metallschmelze im Abschmelzbereich (4)
7: Separiertes Endlagersegment
8: Endlagermaterial (hochradioaktiv/wärmeentwickelnd)
9: Moderator- und Wärmetransport-Medium (beispielsweise Flüssigblei)
10: SuperTief-Bohrschacht
11: Trägereinheit für Brennelemente
12: Transporttunnel (Verbindungstunnel Reaktor-Zwischenlager-Endlager)
13: Auffang- und Endlagervorrichtung für den Fall einer Reaktorschmelze
14: Magnetgleitervorrichtung zum automatisierten Transport
15: Auffangvorrichtung für Reaktorschmelze
16: Graphit-Spezialtiegel zum Auffangen der Reaktorschmelze zu späterem, automatisiertem Abtransport ins Endlager
17: Kernkraftwerks-Reaktor
18: Kernkraftwerk
19: Zwischenlager
20: Endlagerschacht-Kuppel

1 Schema des Verfahren mit Vorrichtungen zur sicheren Betreibung von Kernkraftwerken bei Beherrschung einer Reaktorschmelze durch sichere Endlagerung hochradioaktiver, wärmeproduzierender Abfälle mittels Selbstversenkung über mindestens ein separiertes Endlagerschachtsegment

Claims

Verfahren zur Schaffung sicherer Endlager im unteren Teil von SuperTief-Bohrschächten (10) nach dem Magnetgleiter Schmelzbohrverfahren mit einer Metallverschalung aus einem Guss (2), dadurch gekennzeichnet, dass hochradioaktives Material (8), unterkritisch im Bohrlochschacht (1) deponiert wird, dieser nach Abfüllung vom Restschacht separiert (4) durch Restwärmeerzeugung des hochradioaktiven Materials und/oder Gebirgsdrucks und/oder Eigengewichts unter Schwerkraft und/oder Gesteinsschmelzebildung aus dem heißen Tiefengestein in Richtung Erdmittelpunkt auswandert.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Guss-Metallverschalung (2) mindestens ein als Endlager bestimmtes unteres Schachtsegment (1/7) von außen betrachtet wie ein Konus gestaltet ist, dessen Wandstärke von oben nach unten zunimmt.
Verfahren nach Anspruch 1–2, dadurch gekennzeichnet, dass die seitlichen Druckkräfte des Tiefengesteins auf den Metallmantel eines separierten, konusförmigen Endlager-Schachtsegments (1/7) sich zu abwärtsgerichteten Druckkräften auf die Spitze des Segments(3) kumulieren.
Verfahren nach Anspruch 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass SuperTief-Bohrschächte zur Endlagerung durch Selbstversenkung direkt Vorort an Kernkraftwerken (18), Zwischenlagern (19) und sonstigen kerntechnischen Anlagen niedergebracht werden können.
Verfahren nach Anspruch 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass Brennelemente und sonstiges hochradioaktives, endzulagerndes Material (8) ohne Kontakt zur Biosphäre direkt über ein Magnetgleitersystem ins jeweils Bohrlochtiefste deponiert werden.
Verfahren nach Anspruch 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass Kokillen, Brennstäbe usw. in druckstabilen Trägereinheiten im Bohrlochschacht durch wärmtauschende Abstandhalter übereinander gestapelt zu deponieren sind.
Verfahren nach Anspruch 1–6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Medium wie beispielweise Flüssigblei, in die Freiräume (9) zwischen dem eingelagerten Material – zur Entlastung der Trägereinheiten durch Auftrieb – eingefüllt wird.
Verfahren nach Anspruch 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass ein entsprechend abgefüllter Bohrlochabschnitt durch einen druckfesten Deckel (5) zu verschließen ist.
Verfahren nach Anspruch 1–8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Medium (9) wie beispielsweise Flüssigblei, als Wärmeträger und Moderator für schnelle Neutronen zur Erhöhung der Wärmeproduktion dient.
Verfahren nach Anspruch 1–9, dadurch gekennzeichnet, dass die produzierte Restwärme aus dem eingelagerten, hochradioaktiven Material durch die Konvektion des Wärmeträgermediums (9), zu einer gleichmäßigen Aufheizung im Metallmantel des Schachtabschnitts führt.
Verfahren nach Anspruch 1–10, dadurch gekennzeichnet, dass oberhalb des druckfest verschlossenen unteren Bohrlochabschnitts die Metallgussverschalung des Bohrlochschachts (4) über eine geeignete Länge mittels einer Magnetgleiter-Schmelzvorrichtung abgeschmolzen und so vom Restschacht zu trennen ist.
Verfahren nach Anspruch 1–11, dadurch gekennzeichnet, dass die beim abschmelzen der Metallguss-Bohrlochverschalung anfallende Metallschmelze als zusätzlicher Druckverschluss des Endlagersegments(6) dient.
Verfahren nach Anspruch 1–12, dadurch gekennzeichnet, dass unter Restwärmeproduktion, Eigenwärme des Tiefengesteins, Seitendruck des Gebirges und Schwerkraftwirkung auf das abgetrennte Endlagersegment (7/1) mit einer 2–3fach höheren Massendichte als das Umgebungsgestein, es zu Teilschmelzebildung zwischen Umgebungsgestein und Metallmantel des Endlagersegments(2) kommt.
Verfahren nach Anspruch 1–13, dadurch gekennzeichnet, dass die gebildeten Teilschmelzen als Gleitbahn zwischen heißem Tiefengestein und Metallmantel des Endlagersegments (1/7)) wirken und unter Seitendruck des Gebirges, Schwerkraftwirkung auf das abgetrennte Endlagersegment ein beschleunigtes Auswandern in Richtung Erdinneres zur Folge haben.
Verfahren nach Anspruch 1–14, dadurch gekennzeichnet, dass durch einpressen einer Flüssigkeit, die auch mittel- oder schwachradioaktiv sein kann, im Bereich des Endlagersegment die Bildung von Teilschmelzen unter den superkritischen Bedingungen des Fluids im heißen Tiefengestein verstärkt wird.
Verfahren nach Anspruch 1–15, dadurch gekennzeichnet, dass die in der Teilschmelze gelösten Fluide das heiße Endlagersegment bei der Auswanderung in heißere Regionen des Erdinneren folgen, bzw. vorauseilen, wodurch die sichere Entsorgung der eingepressten Fluide, sofern sie radioaktiv sind, gesichert und die Auswanderung zusätzlich beschleunigt wird.
Verfahren nach Anspruch 1–16, dadurch gekennzeichnet, dass der abgeschmolzene Bohrschachtbereich (4) mit geeignetem Material aufgefüllt, der Restbohrschacht mit einer geeignete Schachtsegmentspitze (3) aus Metallschmelze versehen, das Verfahren zur Abfüllung weiterer Endlagersegmente solange neu zu starten ist, wie die Bedingungen für eine Selbstversenkung gegeben sind.
Verfahren nach Anspruch 1–17, dadurch gekennzeichnet, dass im unteren Teil des verbliebenen Restschachts mittel- und schwachradioaktives Material zu deponieren und zur Biosphäre sicher zu verschließen ist, wenn die Bedingungen zur Selbstversenkung von hochradioaktiven Material nicht mehr gegeben sind.
Verfahren nach Anspruch 1–18, dadurch gekennzeichnet, dass nicht nur die Endlagerung des hochradioaktiven Inventars eines Kernkraftwerks (18), sondern auch dessen Demontage mit direkter Endlagerung des anfallenden Materials Vorort in ein und dem selben SuperTief-Bohrschacht durchzuführen ist, derart, dass eine bombensichere Verbindung (12) vom Reaktorgebäude und/oder Reaktor, und/oder Zwischenlager zum Endlagerschacht, hermetisch abgetrennt von der Biosphäre, zu bauen ist.
Verfahren nach Anspruch 1–19, dadurch gekennzeichnet, dass die Freiräume zwischen dem deponierten mittel- und schwachradioaktiven Material mit einem derartigen Material aufzufüllen sind, wodurch eine Korrosion des Endlagersegments von innen her unterbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 1–20, dadurch gekennzeichnet, dass der obere, nicht mit mittel- und schwachradioaktiven Material beschickte Bereich des SuperTief-Bohrschachts luft- und wasserdicht verfüllt wird.
Verfahren nach Anspruch 1–21, dadurch gekennzeichnet, dass das ,Handling' beim Wechsel abgebrannter Kernbrennstäbe vollautomatisiert und nach einer kurzen oder keinen Zwischenkühlung, die abgebrannten Brennelemente beispielsweise mit einer Magnetgleitereinrichtung direkt im Kühlmedium (9), des Endlagers zu deponieren sind und damit die höhere Restwärme der abgebrannten Brennstäbe zur schnelleren Selbstversenkung eines Endlagersegments zu nutzen ist.
Verfahren nach Anspruch 1–22, dadurch gekennzeichnet, dass vom Reaktor (17) zu einem tiefliegenden Becken (15) das durch Graphitkokillen mit Überlaufvorrichtungen (16) belegt ist und im Abklingbereich des Reaktors oder Zwischenlagers liegt, ein Tunnel (21) verläuft, der mit Graphitplatten ausgekleidet ist, damit für den Fall einer Reaktorschmelze, die hochradioaktive Schmelze in die Graphitkokillen (16) läuft und über das automatisierte Transportsystem der Endlagervorrichtung direkt ins Medium befüllte Endlagersegment (mit beispielweise Flüssigblei) abzusetzen ist.
Vorrichtung zur Schaffung sicherer Endlager aus SuperTief-Bohrschächten mit einer Metallverschalung aus einem Guss, in dem hochradioaktive und/oder hochtoxische Stoffe deponierbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Schachtsegment (1/7) nach Abfüllen mit hochradioaktivem Material in unterkritischem Zustand vom Bohrschacht abtrennbar ist, um sich durch Eigenwärmeerzeugung und/oder Gebirgsdruck und/oder Eigengewicht unter Schwerkraftwirkung und/oder Gesteinsschmelzebildung in Richtung Erdmittelpunkt zu versenken.
Vorrichtung zur Schaffung sicherer Endlager nach Anspruch 1–24, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallverschalung (2) des als Endlager genutzten Segments des SuperTief-Bohrschachts (10) mit insbesondere gleichbleibend großem Innendurchmesser, nach außen hin eine Kegelform bildet, bei der die Stärke der Wandung von unten nach oben abnimmt.
Vorrichtung zur Schaffung sicherer Endlager nach Anspruch 1–25, dadurch gekennzeichnet, dass die horizontale Druckspannung des Tiefengestein auf den Mantel des abgetrennten, kegelförmigen Endlager-Schachtsegments (1/7) wirken und sich als vertikale Vortriebskraft an der Spitze der Vorrichtung auswirkt.
Vorrichtung zur Schaffung sicherer Endlager nach Anspruch 1–26, dadurch gekennzeichnet, das mindest ein mit radioaktiven Material beladenes Bohrschachtsegment (1/7) in den Freiräumen mit einem Medium wie etwa Flüssigblei (9) auffüllbar ist.
Vorrichtung zur Schaffung sicherer Endlager nach Anspruch 1–27, dadurch gekennzeichnet, dass in den Freiräumen zwischen dem eingelagerten hochradioaktiven Material eingefülltes Medium wie etwa Flüssigblei zu dessen Gewichtsentlastung durch Auftrieb und als Moderator und Wärmetauscher dient.
Vorrichtung zur Schaffung sicherer Endlager nach Anspruch 1–28, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Mediumkonvektion der Metallmantel des zu versenkenden Schachtabschnitts gleichmäßig aufgeheizt wird.
Vorrichtung zur Schaffung sicherer Endlager nach Anspruch 1–29, dadurch gekennzeichnet, dass SuperTief-Bohrschächte zur Endlagerung durch Selbstversenkung direkt Vorort an Kernkraftwerken, Zwischenlagern und sonstigen kerntechnischen Anlagen nutzbar sind.
Vorrichtung zur Schaffung sicherer Endlager nach Anspruch 1–30, dadurch gekennzeichnet, dass ein entsprechend abgefüllter Bohrlochabschnitt mit einem Druckverschluss (5/6) versehbar ist.
Vorrichtung zur Schaffung sicherer Endlager nach Anspruch 1–31, dadurch gekennzeichnet, dass oberhalb eines mit hochradioaktiven und/oder hochtoxischen Material abgefüllter und mit Flüssigblei aufgefüllter Bohrlochabschnitt ein Bohrschachtsegment durch eine Magnetgleiter-Schmelzbohreinrichtung abschmelzbar ist und die anfallende Metallschmelze als stabilerer Druckverschluss für das so vom Schacht abgetrennte, untere Endlagersegment nutzbar ist.
Vorrichtung zur Schaffung sicherer Endlager nach Anspruch 1–32, dadurch gekennzeichnet, dass das abgetrennte, als Endlager dienende untere Schachtsegment (1/7) unter Restwärmeproduktion des eingelagerten, radioaktiven Materials (8) und/oder der Eigenwärme des Tiefengesteins und/oder horizontalen Druckspannung des Gebirges und/oder der Teilschmelzebildung im Kontaktbereich Tiefengestein/Metallmantel und der Schwerkraftwirkung in Richtung Erdmittelpunkt auswandert.
Vorrichtung zur Schaffung sicherer Endlager nach Anspruch 1–33, dadurch gekennzeichnet, dass nach Selbstversenkung ein oder mehrerer Endlager-Schachtsegmente der dann nach unten offene Restschacht mit einer Metallschmelzefüllung im Bohrlochtiefsten verschließbar ist und daraufhin zur Endlagerung für mittel- und schwachradioaktives Material nutzbar ist, derart, dass nach Abfüllung bis in Bereiche mit sicheren Abstand zu Grundwasser führenden Schichten, der freie Teil des Restschachts mit einem luft- und wasserdichten Material zu verfüllen ist.
Vorrichtung zur Schaffung sicherer Endlager nach Anspruch 1–34, dadurch gekennzeichnet, dass der von der Außenwelt hermetisch abgeschirmte kurze Transporttunnel (12) von der entsprechenden kerntechnischen Anlage zum Endlagerschacht mit seinen Magnetgleitertransporteinheiten nach Ende der Laufzeit der kerntechnischen Anlage auch zur direkten Endlagerung des gesamten kontaminierten Demontagematerials zu nutzen ist, wodurch enorme Kosten eingespart und die Biosphäre maximal geschützt bleibt.