DE102009044963A9 - Blöcke aus Graphit-Matrix mit anorganischem Bindemittel geeignet zur Lagerung von radioaktiven Abfällen und Verfahren zur Herstellung derselben - Google Patents

Blöcke aus Graphit-Matrix mit anorganischem Bindemittel geeignet zur Lagerung von radioaktiven Abfällen und Verfahren zur Herstellung derselben Download PDF

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen neuartigen Werkstoff und ein Konzept zur Herstellung von Blöcken aus demselben, die hochradioaktiven Abfall z.B. in Form von beschichteten Waste-Teilchen enthalten. Die Blöcke, wo erforderlich versehen mit Kühlkanälen, werden aus einer auf Graphit- vorzugsweise Naturgraphitbasis und einem anorganischen Bindemittel, vorzugsweise Glas, aufgebauten Matrix durch Pressen hergestellt. In die Matrix sind Waste-Teilchen/-Komponenten eingebettet und die Waste Bereiche sind mit der restlichen Blockstruktur übergangslos miteinander verbunden und bilden eine Einheit. Das Kalzinieren, Sintern und Beschichten der eingebetteten Waste-Teilchen mit pyrolytischem Kohlenstoff und Siliziumkarbid erfolgt in einem kontinuierlichen Prozessablauf durch den Einsatz von z.B. miteinander verbundenen und höhenversetzten Kaskadendrehrohröfen. Weiterhin können mit dem Verfahren HLW Glasperlen aus dem Verglasungsprozess von HLW eingebettet und mit einer erhöhten Sicherheit gegen Korrosion und Auslaugung für eine ultra lange Zeit gelagert werden. Die Graphit-Matrix und der Einsatz von beschichteten Waste-Partikeln und das beschriebene Herstellungsverfahren von mit Waste beladenen Graphit-Blöcken ist eine Voraussetzung, um die Endlagerbedingungen für hochradioaktive Abfälle erfüllen zu können. Ferner ist das Verfahren zur Herstellung von dichten, inpermeablen Blöcken, bestehend aus bestrahltem, mit C-14 kontaminierten Graphit aus graphitmoderierten ...

Description

  • Die Erfindung betrifft die Zusammensetzung einer inpermeablen, korrosions- und auslaugbeständigen Graphit-Matrix mit anorganischem Bindemittel, durch Pressen aus dieser Matrix hergestellte Blöcke, und das Einbetten von radioaktiven Abfällen in diese Blöcke. Außerdem werden erfindungsgemäß neben diesem Verfahren zur Herstellung solcher Blöcke und der Verwendung derselben zur Lagerung von radioaktiven Abfällen die Methoden zur Konditionierung und Einbettung verschiedenartiger, radioaktiver Abfälle beschrieben.
  • Zur Konditionierung und Lagerung von radioaktiven Abfällen, hier vorzugsweise mittel- und hoch-radioaktive Abfälle (im allgemeinen später „Waste” oder „HLW” genannt) z. B. aus dem Betrieb von Kernkraftwerken oder Forschungseinrichtungen wurden eine Reihe von Verfahren entwickelt und werden heute in verschiedenen Formen angewendet. Dazu zählen unter anderem Verfahren der Verglasungstechnik, wie sie vorzugsweise für hoch-radioaktiven Abfall nach einer Wiederaufarbeitung abgebrannter Brennstäbe angewendet wird. Das Glas-Waste Gemisch wird gemäß dem heutigen Stand der Technik in spezielle metallische Behälter eingebracht und zur Endlagerung bereitgestellt. Weiterhin werden abgebrannte Brennelemente auch ohne Wiederaufarbeitung in spezielle metallische Behälter zur Langzeit-Lagerung eingebracht. Die Problematik dieser Behälter liegt vor allem darin, dass alle bis heute bekannten metallischen Materialien eine zu erwartende Korrosionsbeständigkeit von maximal 10.000 Jahren haben und somit ein dauerhaft sicherer Einschluss der radioaktiven Abfälle nicht gegeben ist und damit durch Auslaugung ein erhebliches Risiko eines Austrittes der radioaktiven Elemente besteht und erfüllen somit die Anforderungen an eine Endlagerung nicht.
  • Die Verwendung anderer, nicht-metallischer, anorganischer Werkstoffe als „Behältermaterial” ist bisher auf Grund verschiedener Tatsachen wie unzureichende, Korrosions- und Auslaugbeständigkeit verbunden mit Festigkeitseigenschaften und Porosität nicht angezeigt. Graphitmaterialien würden sich jedoch zumindest bezogen auf die Korrosion- und Auslaugbeständigkeit nachgewiesenermaßen hervorragend für eine solche Anwendung eignen. Dabei muss allerdings vermieden werden, dass sich auf Grund des bei der Verarbeitung und Formgebung üblicherweise verwendeten organischen Bindemittels Poren bilden, die z. B. das Eindringen von Feuchtigkeit in die Material-Matrix ermöglichen. Der eingebundene radioaktive Abfall zersetzt diese Feuchtigkeit durch die von ihm abgegebene Strahlung (Radiolyse) und die so gebildeten Sauerstoffradikale führen zu einer innerer Oxidation und ermöglichen somit die Auslaugung der Spaltprodukte, was zu verhindern ist.
  • Eine der wichtigsten Anforderung, das HLW endlagern zu können, ist die sichere Waste-Einbindung über einen ultra langen Zeitraum von mehr als 10 Millionen Jahren. Diese Anforderung erfüllt keines der bisher bekannt gewordenen Verfahren.
  • Bei der Aufarbeitung von abgebrannten Brennelementen (BE), z. B. eines Leichtwasser-Kernreaktors (LWR) mit einer Leistung von 1000 MWe fallen jährlich etwas 750 kg hochradioaktive Abfälle (HLW – High Level Waste) an. Die Abfälle liegen nach der Aufarbeitung in flüssiger Form vor und werden vorzugsweise durch Kalzinierung in feste Form überführt. Die Zusammensetzung der Spaltprodukte ist sehr komplex und ist in 1 dargestellt. Hinzu kommt, dass sich die Zerfallswärme (decay heat) und die Halbwertzeiten (half-life periods) der entstehenden Spaltprodukte um mehrere Zehnerpotenzen voneinander unterscheiden (2). In der vorliegenden Beschreibung werden die Begriffe „Abfall” und „Waste” und damit ebenso die Begriffe „Abfallteilchen” und „Waste-Teilchen” synonym verwendet.
  • Zur Konditionierung und Lagerung derartiger radioaktiver Abfälle wurde eine Reihe von Verfahren entwickelt und teilweise mit Simulat im Technikumsmaßstab erprobt.
  • M. Hrovat et al. („Highly Dense Graphite Matrix: New Material for the Conditioning of Radioactive Waste", Nuclear Technology, Vol. 61, June 1983) beschreibt das Einbinden eines HLW-Simulats.
  • Alfred E. Ringwood, („Treatment of High Level Nuclear Reactor Waste”, US Patent 4,274,976 ) beschreibt ein Verfahren zur Einbindung von radioactivem Abfall in eine Kristallstruktur aus Oxiden, die auf Grund ihrer Gitterabstände für eine Demobilisierung des Abfalls sorgen soll.
  • D. P. Stinton („Coating of Crystalline Nuclear Waste Forms to improve Interness", ORNL Bericht, August 1982) beschreibt die Untersuchung von beschichteten Teilchen mit im Labormaßstab hergestellten Waste-Proben durch „Inductively Coupled Plasma Atomic Emission and Atomic Absorption” Analyse auf Korrosions- und Auslaugbeständigkeit. Die Ergebnisse waren sehr ermutigend und lagen um vier Zehnerpotenzen günstiger als die Vergleichswerte für die Proben mit eingeschmolzenem Waste in Borsilikat-Glas.
  • Wegen der erschwerten Herstellungsbedingungen im Heißzellenbetrieb (Remote Operations) bei der Beschichtung von gesinterten Waste-Teilchen in Wirbelbettanlagen, verbunden mit einem hohen Bedarf an Trägergasen (bis zu 20 m3/Stunde), gefolgt von der schwierigen und aufwändigen Konditionierung der Teilchen in die Bohrungen der Blöcke aus Elektrographit und der Porosität dieses Materials (ca. 20 Vol.-% offene Porosität), hat das Verfahren keine technologisch-wirtschaftliche Bedeutung erlangt. Dazu trägt auch die teure Entsorgung des Trägergases bei.
  • V. Petitjean et al. („Development of Vitrification Process and Glass Formulation for Nuclear Waste Conditioning", WM 02 Conference, Feb. 2002, Tucson, AZ) beschreibt ein besonders hervorzuhebendes Verfahren zum Einbinden und zur Lagerung von HLW in Blöcken aus Borsilikat-Glas. Das Verfahren wird weltweit im Produktionsmaßstab angewandt. Hierzu wurden u. a. in Marcoule und La Hague, Frankreich, Produktionsanlagen gebaut, die seit 1970 erfolgreich in Betrieb sind. Das Verfahren hat jedoch zwei Nachteile:
    • – Relativ niedrige Wärmeleitfähigkeit der Glasmatrix und
    • – die auf etwa 10.000 Jahre begrenzte Korrosions- und Auslaugbeständigkeit der in metallischen Behältern eingebrachten und in die unterirdischen geologischen Formationen eingelagerten Glasblöcke.
  • C. W. Forsberg („Disposal of Partitioning-Transmutation Wastes with Separate Management of High-Heat-Radionuclides Organisation for Economic Co-Operation and Development Nuclear Energy Agenda", Paris, 2002 (p. 245–254 of 958 p.) beschreibt ein Verfahren zum Umgehen dieser Nachteile, indem er vorsieht, die Radionuclide mit hoher Zerfallswärmeentwicklung und relativ kurzer Halbwertzeit, z. B. Cäsium-137 (T 1/2 = 30 Jahre) und Strontium-90, von dem Waste abzutrennen und zunächst oberirdisch in glaskonditionierten Blöcken zwischen zulagern. Die Nuklide mit sehr langer Halbwertzeit, z. B. Americium- und Curium-Isotope sowie Cäsium-135 (T 1/2 = 3 Millionen Jahre), sollen durch Transmutation (Bestrahlen mit schnellen Neutronen, z. B. in einem natriumgekühlten Schnellbrutreaktor, zu Nukliden mit zulässig niedrigen Halbwertzeiten umgewandelt werden).
  • Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine geeignete Graphit-Matrix und Blöcke aus derselben bereitzustellen, die zur sicheren Einbettung und zur ultra langen Lagerung von radioaktiven Abfällen, vorzugsweise aber nicht ausschließlich in Form beschichteter HLW-Teilchen, geeignet sind, und ferner nicht die oben genannten Nachteile der Verfahren des Standes der Technik aufweisen und dass die Blöcke gemäß der vorliegenden Erfindung kostengünstig herstellbar sind.
  • Es ist insbesondere die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, beschichtete Abfallteilchen im kontinuierlichen Betrieb herzustellen, Blöcke anzufertigen und die Teilchen in die Blöcke im Heißzellenbetrieb sicher einzubetten, so dass Blöcke erzeugt werden, die den Anforderungen für eine sichere Langzeit-Endlagerung genügen.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch eine Graphit-Matrix, bestehend aus einer Mischung von synthetischem und Natur-Graphit, der ein anorganisches Bindemittel zur Herstellung eines nach dem Verpressen porenfreien Blockes mit erforderlichen Festigkeitseigenschaften beigemischt ist.
  • Die Aufgabe wird insbesondere auch dadurch gelöst, dass Waste-Teilchen in einem kontinuierlichen Beschichtungsverfahren, insbesondere in mehreren hintereinander angeordneten Kaskadendrehrohröfen mehrfach beschichtet und diese Teilchen mit einem aus der vorstehend genannten Graphit-Matrix aufgebautem Granulat vermischt werden.
  • Weiterhin umfasst die erfindungsgemäße Lösung einen Block in den die vorstehend genannten Mischung aus beschichteten Waste-Teilchen und Granulat eingebracht und die mit dem Block zu einer Einheit verpresst wird sowie die Herstellung des Blocks.
  • Darüber hinaus umfasst die Lösung der Aufgabe neben der Graphit-Matrix als Grundelement, der Konditionierung der Waste-Teilchen, deren Einbettung und der Blockherstellung auch die Verwendung dieser Lösung für die Langzeit-Endlagerung von anderen Formen radioaktiver Abfälle in Blöcke aus einer derartigen Graphit-Matrix wie
    • • Einbetten unbeschichteter oder beschichteter Waste-Teilchen
    • • Einbettung von Granulat/Kügelchen aus verglastem, hochradioaktivem Abfall
    • • Einbetten abgebrannter, nicht-aufgearbeiteter Brennstoffpellets
    • • Einbetten abgebrannter, nicht-aufgearbeiteter Brennstoffpellets nach einer Beschichtung/Kapselung
    • • Einbetten abgebrannter Brennelmente von Hoch-Temperatur-Reaktoren (z. B. Brennstoffkugeln), auch ohne vorherige Trennung Graphit/Brennstoff bzw. Wiederaufarbeitung
    • • Anwendung dieser Graphit-Matrix und der beschriebenen Block-Herstellung zur Endlagerung von bestrahltem Graphit Komponenten zur Vermeidung der Freisetzung von darin enthaltenem C14-Isotopen
    • • sowie eine Kombination des Vorstehenden, bei der der bestrahlte Graphit einen Teil der Graphit-Matrix darstellt.
  • Ferner wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung solcher Blöcke gelöst, das die folgenden Verfahrensschritte umfasst:
    • a. Beschichten von Abfallteilchen,
    • b. Herstellung eines Grundkörpers mit Ausnehmungen zur Aufnahme von beschichteten Abfallteilchen und Kühlkanäle,
    • c. Herstellung einer homogenen Mischung aus beschichteten Abfallteilchen und Granulat und
    • d. Verpressen der Mischung aus beschichteten Abfallteilchen und Granulat mit dem Grundkörper
  • Wenn in dieser Beschreibung von Blöcken die Rede ist, so sind damit Blöcke gemeint, die eine Matrix aus Graphit unter Verwendung/Beimischung von Naturgraphit und einem anorganischen Bindemittel umfasst; es sind also nicht nur solche Blöcke darunter zu verstehen, die gänzlich aus Graphit bestehen.
  • Wenn in dieser Beschreibung und in den Ansprüchen von „Waste” oder „Abfällen” die Rede ist, so sind damit alle radioaktiven Abfälle gemeint. Diese Begriffe beziehen sich also nicht nur auf hochradioaktive Abfälle (HLW), sondern auch auf schwachradioaktive und mittelradioaktive Abfälle. Die Blöcke, das Verfahren zu deren Herstellung und deren Verwendung, sind geeignet für alle Arten von radioaktivem Abfall, z. B. auch Glasperlen aus Borsilikatglas die HLW enthalten, abgebrannte Brennelemente aus Hochtemperatur-Reaktoren, wie z. B. Brennelementkugeln oder Segmente von zerlegten prismatischen Brennelementen und bestrahlter Graphit aus Kernkraftwerken sowie Forschungseinrichtungen.
  • Die Waste-Teilchen, die in den erfindungsgemäßen Blöcken vorzugsweise mit Naturgraphit verpresst sind, stellen Bereiche radioaktiven Abfalls dar, der eine Beschichtung trägt. Diese Beschichtung umfasst bevorzugt pyrolytischen Kohlenstoff. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Beschichtung der Waste-Teilchen Siliziumkarbid. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst die Beschichtung der Waste-Teilchen sowohl pyrolitischen Kohlenstoff als auch aus Siliziumkarbid.
  • Graphit-Matrix und Blockherstellung
  • Das Verfahren zur Herstellung erfindungsgemäßer Blöcke umfasst zunächst den Schritt des Mischen von Graphit mit Bindemittel. Die so enthaltene Mischung ist das Presspulver.
  • Die Matrix aus Graphit besteht bevorzugt aus einer Mischung aus synthetischem und Naturgraphit und einem anorganischen Binder, bevorzugt Glas und weiter bevorzugt Borsilikatglas. Erfindungsgemäß wird das anorganische Bindemittel in fein gemahlener Form, d. h. als Pulver, eingesetzt.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung ist der Graphit zur Herstellung der erfindungsgemäßen Blöcke vorzugsweise Naturgraphit. Naturgraphit hat den Vorteil, dass er preisgünstiger ist als das graphitierte Elektrographit-Pulver und sich leichter zu Blöcken verpressen lässt. Im Sinne der vorliegenden Erfindung bedeutet Naturgraphit, dass der so bezeichnete Stoff zu mindestens 20 Gew.-% aus Naturgraphit besteht, bevorzugt besteht der so bezeichnete Stoff zu 60 Gew.-% aus Naturgraphit und weiter bevorzugt zu 80 Gew.-% aus Naturgraphit. Es ist im Sinne der vorliegenden Erfindung am meisten bevorzugt, dass der so bezeichnete Stoff im Wesentlichen vollständig aus Naturgraphit und Bindemittel besteht.
  • In der vorliegenden Beschreibung soll die Formulierung „im Wesentlichen vollständig bestehen aus” bedeuten, dass der Gegenstand auf den Bezug genommen wird, keine weiteren Komponenten umfasst, die dem Gegenstand absichtlich hinzugefügt wurden.
  • Der erfindungsgemäße Block umfasst bevorzugt zu mehr als 60 Gew.-% Naturgraphit, weiter bevorzugt sind mehr als 80 Gew.-%. Das anorganische Bindemittel ist in Anteilen von 10 bis 30, bevorzugt 15 bis 25, und weiter bevorzugt 20 Gew.-% im Block enthalten.
  • Der erfindungsgemäße Block ist bevorzugt von Kühlkanälen durchzogen, so dass eine Zwischenlagerung von radioaktivem Abfall ohne eine Abtrennung von solchen Radionukliden hoher Zerfallswärme möglich ist. Erfindungsgemäß liegt der Volumenanteil der Kühlkanäle im Block vorzugsweise zwischen 2 und 8%, besonders bevorzugt bei etwa 3%. Diese Kanäle werden während der Herstellung des Grundkörpers durch Einführen von Metallstäben vor dem Pressvorgang erzielt. Die Metallstäbe werden später entfernt.
  • Der erfindungsgemäße Block ist vorzugsweise aus Bereichen, die radioaktiven Abfall enthalten, und solchen, die keinen radioaktiven Abfall enthalten, aufgebaut. Dabei liegt der Volumenanteil der Waste-haltigen Bereiche im Block bevorzugt zwischen 40 und 60%, besonders bevorzugt liegt der Volumenanteil der Waste-haltigen Bereiche im Block bei etwa 50%.
  • Im Gegensatz zu dem Volumenanteil der Waste-haltigen Bereiche im Block bezieht sich die Volumenbeladung auf den Anteil der beschichteten Waste-Teilchen innerhalb eines Wast-haltigen Blockbereiches. Bevorzugt liegt die Volumenbeladung der beschichteten Teilchen im Waste-Bereich des Blockes zwischen 20 und 45%, besonders bevorzugt bei etwa 35%.
  • Durch das Verpressen dieses Graphit Matrix entsteht ein Block aus einem dichten porenfreiem Gefüge, dass das Eindringen von Feuchtigkeit verhindert. Dadurch wird eine durch die radioaktive Strahlung hervorgerufene Hydrolyse der Feuchtigkeit und damit ein Korrosionsangriff z. B. auf die Beschichtung eingebetteter Waste-Teilchen durch aktivierten Sauerstoff verhindert.
  • Das anorganische Bindemittel hat den Vorteil, dass das eingesetzte Bindemittel – im Gegensatz zu herkömmlichen Binderharzen – nicht während des Press- oder Sintervorganges durch Cracken in gasförmige Substanzen überführt wird und so zur Porenbildung in der Graphitmatrix führt. Die Partikel des eingesetzten anorganischen Bindemittelpulvers haben bevorzugt eine Größe von 1 bis 100 μm, weiter bevorzugt von 10 bis 50 μm und am meisten bevorzugt von 25 μm.
  • Zur Erhöhung der Isotropie des Blockes kann das Presspulver zuerst zu Granulat verarbeitet werden. Hierzu werden Kugeln oder andere Formkörper bei Raumtemperatur weitgehend isostatisch und bei relativ hohem Druck von bevorzugt 150 bis 250 MPa, weiter bevorzugt mehr als 100 MPa gepresst. Anschließend werden die Formkörper gebrochen und durch Sieben erhält man ein Granulat mit einem mittleren Durchmesser von etwa 1 mm. Das Granulatkorn besteht im Mittel aus etwa einer Million räumlich weitgehend isotrop angeordneten Primärgraphitteilchen. Das Verfahren zur Herstellung von isotropem Granulat ist in der Veröffentlichung, M. Hrovat et al.: Fabrication and Pproperties of Molded Block Fuel Elements for HTGRs, The European Nuclear Conference, Paris, April 1975, beschrieben.
  • Aus dem Graphitgranulat werden Grundkörper vorgepresst und beim Vorpressen werden die Ausnehmungen zur Aufnahme der Mischung aus Granulat und Waste-Teilchen und falls erforderlich auch die Kühlkanäle geformt.
  • Beschichtung von Waste-Teilchen
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung erfolgt das Sintern und die Mehrfachbeschichtung der Waste-Teilchen mit pyrolitischem Kohlenstoff und/oder Siliziumkarbid vorzugsweise in einem kontinuierlichen Prozessablauf unter Einsatz von Kaskadendrehrohröfen mit innenliegender Transportschnecke oder integrierten Tiegelformteilen (Kaskaden, 3), wobei die Öfen geneigt und höhenversetzt miteinander verbunden sind. Die Öfen umfassen ein beidseitig gelagertes und geneigtes Rohr, im Rohrinneren sind Tiegelformteile (Kaskaden) integriert. Die Tiegelformteile weisen vorzugsweise bodenseitig Durchbrechungen zum Durchtritt der Teilchen auf und sind aufeinanderfolgend versetzt angeordnet. Bei einer Umdrehung des Rohres bewegen sich die Teilchen schonend in die nächste in Fließrichtung befindliche Kaskade. Die Bodenrestfläche der Kaskade beträgt vorzugsweise mehr als 50%. Sie verhindert das Durchrutschen der Teilchen in der Drehachse und dient als Strahlenschirm. Folglich wird eine optimale Bewegung der Teilchen in allen drei Raumrichtungen (radial = 2× und axial = 1×) gewährleistet. Außerdem wird ein definierter Teilchenstrom entlang der gesamten Öfenanordnung erzielt. Erfindungsgemäß ist es bevorzugt, dass zumindest eine Kaskade gegenüber dem Trägerrohr gegen Verdrehen gesichert ist. Ferner ist es bevorzugt, dass die Ausschnitte einer jeden Kaskade gleich groß sind.
  • Das sind die wichtigsten Voraussetzungen für die Vergleichmäßigung der angestrebten Qualität der Kerne bei der Sinterung und bei der Beschichtung der Kerne mit Pyrokohlenstoff (= pyrolytischer Kohlenstoff) und Siliziumkarbid. Die schematische Darstellung der miteinander verbundenen Kaskadendrehrohröfen zum Sintern und Beschichten zeigt 3.
  • Die Beschichtung der Waste-Teilchen umfasst bevorzugt sechs Fertigungs-Schritte:
    • 1. Kalzinieren und Sintern
    • 2. Herstellen einer porösen Pufferschicht
    • 3. Herstellen einer inneren, bei niedriger Temperatur abgeschiedenen, hochdichten isotropen Schicht umfassend pyrolytischen Kohlenstoff
    • 4. Herstellen der Siliziumkarbidschicht
    • 5. Herstellen einer äußeren, bei niedriger Temperatur abgeschiedenen hochdichten isotropen Schicht umfassend pyrolytischen Kohlenstoff
    • 6. Herstellen einer äußeren porösen Pufferschicht
  • Diese sechs Schritte werden in den aufeinander folgenden Drehrohröfen durchgeführt wie sie in 3 dargestellt sind.
  • Blockbeladung und Fertigstellung
  • Die Ausnehmungen des Blockes werden mit einem homogenen Gemisch aus Waste-Teilchen und Granulat beladen. Zur Erhaltung der vorgeformten Kühlkanäle werden Metallstäbe eingesetzt. Die fertig assemblierten Blöcke werden auf eine Temperatur von etwa 400 bis 900°C. bevorzugt auf ca. 600°C, erhitzt und vorzugsweise bei einem Vakuum von 1 bis 300 hPa, bevorzugt 150 hPa, fertiggepresst. Der Pressdruck liegt im Bereich von 6 bis 16 MPa, bevorzugt 8 bis 14 MPa, und besonders bevorzugt 12 MPa. Beim Fertigpressen werden die Blöcke unter Volllast in der Pressmatrize bewegt. Dadurch wird gewährleistet, dass die so gepressten Blöcke frei von unzulässigen Eigenschaftsgradienten sind. Die Abkühlung der fertiggepressten Blöcke erfolgt unter Druck bis zu einer Temperatur von 400 bis 150°C, bevorzugt 250°C, wobei die Blöcke anschließend formstabil ausgeformt werden. Da der Block in einem mehrfach geteilten Matrizeninneneinsatz gepresst wird, der sich beim Ausstoßen aus der Matrize selbsttätig öffnet und den Block frei gibt, erfolgt das Ausformen ohne große Kraftanwendung.
  • Die Blöcke haben bevorzugt die Form von Sechskantprismen, da so eine optimale, platzsparende Lageranordnung im Endlager ermöglicht wird.
  • Vorzugsweise werden die Blöcke zum Abführen der Zerfallswärme zur Säule aufeinander gestapelt, miteinander verbunden und in, mit Wasser gefüllten, Abklingbecken zwischengelagert. Nach dem Abbau der Zerfallswärme auf den für das Endlager zulässigen Wert werden die mit Waste beladenen Blöcke unterirdisch endgelagert.
  • Das Verfahren der vorliegenden Erfindung ist für Heißzellenbetrieb (remote condition) geeignet und ermöglicht es, die vorstehend genannten Nachteile zu umgehen. Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet es, radioaktive Abfälle zu beschichteten Waste-Teilchen zu verarbeiten und diese durch Pressen in Blöcke einzubetten. Die so hergestellten mit Abfall beladenen Blöcke sind erfindungsgemäß nach dem Abbau der unzulässigen Zerfallswärme zur Lagerung und bevorzugt zur Endlagerung geeignet. Dabei ist es wesentlich, dass weder Radionuklide mit hoher Zerfallswärmeerzeugung noch Radionuklide mit extrem langer Halbwertzeit von den Spaltprodukten abgetrennt werden müssen. Dies stellt einen wesentlichen Vorteil gegenüber dem Verfahren des Standes der Technik dar.
  • Weitere Anwendungen
  • Außer zur Konditionierung und Endlagerung von HLW in Form von beschichteten Waste-Teilchen, ist das Verfahren auch zur Endlagerung von, in Borsilikatglas, eingeschmolzenem HLW in Form von Glasperlen geeignet. Der Vorteil von diesem Verfahren liegt dabei in der Tatsache, dass die HLW-Glasperlen in der Graphit-Matrix eingebunden sind und damit eine zusätzliche korrosions- und auslaugbeständige Barriere erzielt wird. Weiterhin führt die Einbettung der Glasperlen in die Graphit-Matrix zu einer verbesserten Wärmeabfuhr, sodass unter Einhaltung der maximal zulässigen Glastemperatur bei Lagerbedingungen eine höhere Beladung des Borsilikatglases mit HLW erfolgen kann. In Anlehnung an die HLW Blockfertigung umfasst das Verfahren folgende Fertigungsschritte:
    • – Mahlen und Sieben des bestrahlten Mahlguts auf eine mittlere Korngröße von 10 bis 50 μm, vorzugsweise 25 μm.
    • – Mischen von Graphitpulver und anorganischem Bindemittel zur Herstellung von Presspulver.
    • – Pressen des Presspulvers zu vorzugsweise isotropen Formkörpern.
    • – Brechen der Formkörper zur Herstellung des Granulates und Abtrennen des Granulates durch Sieben mit einem Durchmesser von d < 3,14, d > 0,314 mm.
    • – Schichtweises Vorpressen des Granulats zur Herstellung eines Grundkörpers mit Ausnehmungen zur Aufnahme von HLW-Glasperlen und Kühlkanäle
    • – Füllen der Ausnehmungen mit einem homogenen Gemisch aus HLW-Glasperlen und Granulat
    • – Aufheizen der vorgepressten aus mehreren Schichten aufgebauten Blöcke
    • – Fertigpressen der Blöcke
    • – Abkühlung der Blöcke bei anhaltendem Druck und
    • – Ausformen der Blöcke.
  • Außer zur Konditionierung und Endlagerung von HLW ist das Verfahren für die Herstellung von Blöcken zur ultralangen Lagerung von bestrahltem und mit C-14 kontaminiertem Graphit aus Kernkraftwerken und Forschungseinrichtungen geeignet. Da die spezifische Zerfallswärmeerzeugung der Blöcke mit eingebundenem bestrahlten Graphit vernachlässigbar klein ist, enthalten die Blöcke keine Kühlkanäle und werden auch nicht zwischengelagert. In Anlehnung an die HLW Blockfertigung umfasst das Verfahren folgende Fertigungsschritte:
    • – Mahlen und Sieben des bestrahlten Mahlguts auf eine mittlere Korngröße von 10 bis 50 μm, vorzugsweise 25 μm.
    • – Mischen von bestrahltem Graphitpulver mit Naturgraphitpulver und anorganischem Bindemittel zur Herstellung von Presspulver.
    • – Pressen des Presspulvers zu vorzugsweise isotropen Formkörpern.
    • – Brechen der Formkörper zur Herstellung des Granulates und Abtrennen des Granulates durch Sieben mit einem Durchmesser von d < 3,14, d > 0,314 mm.
    • – Schichtweises Vorpressen des Granulats zum Blockaufbau erforderlicher Höhe.
    • – Aufheizen der vorgepressten Blöcke
    • – Fertigpressen der Blöcke
    • – Abkühlung der Blöcke bei anhaltendem Druck und
    • – Ausformen der Blöcke.
  • Um einen sicheren Einschluß von mit C-14 kontaminiertem Graphit für ultralange Lagerung zu gewährleisten, werden die fertiggepressten Blöcke zusätzlich von einem Metallbehälter umschlossen. Hierzu werden die auf etwa 300°C erhitzten Metallbehälter bei Raumtemperatur über die Blöcke geschoben und nach dem Abkühlen mit einem Deckel durch Schweißen hermetisch verschlossen.
  • Der bestrahlte Graphit kann ebenfalls als Komponente für die Herstellung der Graphit-Matrix Mischung zur Erzeugung des Ausgangsmaterials eingesetzt werden, das dann wiederum für das Einbetten anderer Waste-Komponenten/Partikel verwendet werden kann. Damit kann durch die Kombination der Verwendung von bestrahltem Graphit für die Einbettung derartiger Waste-Partikel ein sinnvoller Beitrag zur Reduzierung des endzulagernden Waste-Volumens und einer Reduzierung der Konditionierungs- und Endlagerungskosten geleistet werden.
  • Ferner ist das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung und Endlagerung von abgebrannten Brennelementen (BE) aus Hochtemperatur-Reaktoren (HTR), vorzugsweise BE-Kugeln, geeignet. Die HT-Reaktoren enthalten den Brennstoff in Form von beschichteten TRISO-Teilchen. Zur Rückhaltung der Spaltprodukte werden die Teilchen mit pyrolytischem Kohlenstoff und Siliziumkarbid mehrfach beschichtet. Gemäß dem Stand der Technik haben sich die beschichteten TRISO-Teilchen im Reaktorbetrieb hervorragend bewährt und die BE zeigen keine unzulässigen Schäden der Beschichtung nach dem Entladen aus dem Reaktor. Das ist die wichtige Voraussetzung, um die HT-BE, insbesondere die BE-Kugeln, ohne Wiederaufarbeitung direkt zu entsorgen und endzulagern. Die Herstellung von fortschrittlichen beschichteten TRISO-Teilchen ist in dem Patent DE 19837989C2 beschrieben.
  • Die spezifische Zerfallswärmeerzeugung der eingebetteten Kugeln in Blöcken gegenüber den HLW-Blöcken gering ist, enthalten die Blöcke ebenfalls keine Kühlkanäle.
  • Das Verfahren umfasst folgende Schritte:
    • – Mischen von Graphit mit dem Bindemittel zur Herstellung von Presspulvers
    • – Pressen dieses Presspulvers zu Formkörpern
    • – Brechen der Formkörper zur Herstellung des Granulates und Abtrennen des Granulats durch Sieben mit einem Durchmesser d < 3,14, d > 0,314 mm
    • – Schichtweises Einbringen von Granulat und abgebrannter Brennelementkugeln in versetzter Anordnung und Vorverdichtung der einzelnen Schichten zu der für den Block erforderlichen Höhe
    • – Aufheizen der vorgepressten Blöcke die die abgebrannten Brennelementkugeln enthalten
    • – Fertigpressen der Blöcke
    • – Abkühlen der Blöcke bei anhaltendem Druck und
    • – Ausformen der Blöcke
  • Weiterhin können mit dem Verfahren auch andere abgebrannte HTR Brennelemente eingebettet und endglagert werden. Hierzu gehören z. B. Segmente von monolithisch gepressten Brennelement Blöcken und stabförmige Brennstoff Tabletten (Sticks) aus mechanisch gefertigten Brennelement Blöcken. Dabei wird das zuvor dargestellte Verfahren wie folgt modifiziert:
    • – Mahlen und Sieben des bestrahlten Mahlguts auf eine mittlere Korngröße von 10 bis 50 μm, vorzugsweise 25 μm.
    • – Mischen von Graphitpulver und anorganischem Bindemittel zur Herstellung von Presspulver.
    • – Pressen des Presspulvers zu vorzugsweise isotropen Formkörpern.
    • – Brechen der Formkörper zur Herstellung des Granulates und Abtrennen des Granulates durch Sieben mit einem Durchmesser von d < 3,14, d > 0,314 mm.
    • – Schichtweises Vorpressen des Granulats zur Herstellung eines Grundkörpers mit Ausnehmungen
    • – Füllen der Ausnehmungen mit Brennelement Segmenten bzw. Sticks
    • – Aufheizen der vorgepressten aus mehreren Schichten aufgebauten Blöcke
    • – Fertigpressen der Blöcke
    • – Abkühlung der Blöcke bei anhaltendem Druck und
    • – Ausformen der Blöcke.
  • Weiterhin können mit dem Verfahren auch andere abgebrannte Brennelemente ohne vorherige Aufarbeitung aus z. B. LWR Reaktoren eingebettet und endglagert werden. Hierzu gehören z. B. Abschnitte gefüllter, abgebrannter Brennstäbe, daraus entnommene Brennstoff-Pellets mit oder Beschichtung/Kapselung. Dabei wird das zuvor dargestellte Verfahren entsprechend modifiziert. Eine Zusammenstellung der Verfahrensvorhaben zeigt 4.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - US 4274976 [0008]
    • - DE 19837989 C2 [0047]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • - M. Hrovat et al. („Highly Dense Graphite Matrix: New Material for the Conditioning of Radioactive Waste”, Nuclear Technology, Vol. 61, June 1983) [0007]
    • - D. P. Stinton („Coating of Crystalline Nuclear Waste Forms to improve Interness”, ORNL Bericht, August 1982) [0009]
    • - V. Petitjean et al. („Development of Vitrification Process and Glass Formulation for Nuclear Waste Conditioning”, WM 02 Conference, Feb. 2002, Tucson, AZ) [0011]
    • - C. W. Forsberg („Disposal of Partitioning-Transmutation Wastes with Separate Management of High-Heat-Radionuclides Organisation for Economic Co-Operation and Development Nuclear Energy Agenda”, Paris, 2002 (p. 245–254 of 958 p.) [0012]
    • - M. Hrovat et al.: Fabrication and Pproperties of Molded Block Fuel Elements for HTGRs, The European Nuclear Conference, Paris, April 1975 [0033]

Claims (14)

  1. Ein Matrixmaterial für die sichere Zwischen- und/oder Endlagerung von radioaktiven Abfällen, geeignet zur Einbettung von radioaktiven Abfällen, dadurch gekennzeichnet, dass das Matrixmaterial Graphit und mindestens ein anorganisches Bindemittel umfasst.
  2. Das Matrixmaterial nach Anspruch 1, wobei das Bindemittel ausgewählt ist aus Gläsern, Alumosilikaten, Silikaten, Boraten und Bleisulfid.
  3. Das Matrixmaterial nach Anspruch 1 oder 2, wobei das anorganische Bindemittel ein Glas ist.
  4. Das Matrixmaterial nach Anspruch 3, wobei das Glas Borosilikatglas ist.
  5. Das Matrixmaterial nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Anteil des anorganischen Bindemittels bis zu 40 Gew.-%, bezogen auf das gesamte Matrixmaterial, beträgt.
  6. Das Matrixmaterial nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Anteil des anorganischen Bindemittels 10 bis 30 Gew.-%, bezogen auf das gesamte Matrixmaterial, beträgt.
  7. Das Matrixmaterial nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Anteil des anorganischen Bindemittels 15 bis 25 Gew.-%, bezogen auf das gesamte Matrixmaterial, beträgt.
  8. Das Matrixmaterial nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei das anorganische Bindemittel im erweichten bzw. erschmolzenen Zustand ein graphitbenetzendes Material ist.
  9. Ein Matrixmaterial nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Graphit Naturgraphit oder synthetischer Graphit oder einer Mischung aus beiden Komponenten ist.
  10. Das Matrixmaterial nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Graphitmischung zu 20 bis 100 Gew.-% aus Naturgraphit und zu 0 bis 80 Gew.-% aus synthetischem Graphit besteht.
  11. Das Matrixmaterial nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Graphitmischung zu 60 bis 100 Gew.-% aus Naturgraphit und zu 0 bis 40 Gew.-% aus synthetischem Graphit besteht.
  12. Das Matrixmaterial nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Graphit unbestrahlten, bestrahlten und radioaktiv kontaminierten Graphit umfasst.
  13. Das Matrixmaterial nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, wobei dem Matrixmaterial zusätzlich ein Presshilfsmittel beigemischt ist.
  14. Verwendung eines Matrixmaterials nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche zur Hersellung fester Formkörper.
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