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Die Erfindung betrifft eine neuartige Materialkombination auf dem Nuklearsektor und führt zu einem Produkt und einem Verfahren zur kombinierten Endlagerung von sowohl (nicht radioaktiven) Sondermüll wie z. B. Schwermetallen und (schwach- bzw. mittel-) radioaktiven Abfällen nach dem Oberbegriff des Anspruch 1 und folgenden Ansprüchen.
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Der Geltungsbereich für die vorliegende Erfindung umfasst insbesondere das bereits planfestgestellte Endlager KONRAD für schwach- und mittel-radioaktive Abfälle, die Versuchsstätte ASSE und vergleichbare Endlager bzw. sich noch in der Genehmigungsphase befindlichen End- und Zwischenlager. Gleichzeitig behandelt die Erfindung die konzeptionelle Werkstoffzusammensetzung von Betonelementen im Kernkraftwerksbau.
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Die Schwerpunktsthematik der Erfindung befasst sich mit dem Verfüllen von Hohlräumen durch Fließbeton, vergleichbare Betonsorten oder weiteren Fixiermitteln, die mit einem Füllstoff beaufschlagt werden können. Die Hohlräume können sich sowohl im Behälterinneren als auch durch die Stapelung und Anordnung im Endlager selbst bilden. Der Füllstoff kann auch direkt als Füllstoff für jegliche Art an Beton eingesetzt werden, welches am Ende ebenfalls im Endlager eingelagert werden soll.
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Zur Beschreibung des Stands der Technik ist zunächst die Rechtslage der Endlager, hier am Beispiel der KONRAD-Bedingungen des BfS heranzuziehen. Diese schreiben vor, dass nukleare Abfälle in Behältern bzw. in Innenbehältern fixiert werden müssen. Die Fixierung erfolgt i. A. durch Fließbeton. Radiologisch betrachtet kann ein Behälter bereits „vollständig gefüllt sein”, wenn festgeschriebene Aktivitätsgrenzen bestimmter Nuklide erreicht sind. In vielen Fällen ist das Volumen des Behälters jedoch nur zu einem geringen Anteil durch Schrotte ausgefüllt – ein großes Restvolumen wird durch Fließbeton aufgefüllt. Selbst bei optimal verfüllten Behältern bzw. Containern ist ein Fixieren von z. B. eingebrachten Fässern notwendig. Hier sind Füllmengen von 0,2 bis 1,5 m3 pro Behälter üblich. Die Fässer an sich müssen ebenfalls in der Regel mit Fließbeton verfüllt sein. Die Verpflichtung zur Verfüllung der Hohlräume wird bei den Behältern (Verpackungen) in der Bauartzulassung und bei den Endlagern im Planfeststellungsbeschluss bzw. mitgeltenden Nebenbestimmungen verankert.
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Insbesondere durch die bisherige Vorgabe, dass die Behälter im Endlager nicht wieder rückholbar sein sollen, ist ein Verfüllen der Kammern mit Fließbeton vorgesehen. Innerhalb dieser Kammern werden die gestapelten Behälter bzw. Container durch Fließbetonwände und Fließbetonauffüllungen von Hohlräumen fixiert und gesichert. Pro Reihe gestapelter VBA (Verlorene Beton Abschirmung, rund) entstehen Hohlräume von ca. 5 m3, welche mit Fließbeton aufgefüllt werden. Das Volumen der Trennwandungen ist zusätzlich mit Fließbeton aufzufüllen und beträgt ein Vielfaches des Hohlraumvolumens.
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Das planfestgestellte Endlagervolumen im Endlager KONRAD beträgt 303.000 m3. Sollten nur ca. 10% des Volumens mittels Fließbeton ausgefüllt sein (es werden wahrscheinlich eher mehr sein), so wird ein Volumen von ca. 30.000 m3 an Fließbeton benötigt.
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In der Versuchsstätte ASSE werden z. Zt. noch unterschiedliche Optionen der Nachbehandlung bzw. Rückholung untersucht. Eine Option ist dabei das Verfüllen der Hohlräume mittels Fließbeton. Die genauen Volumina, welche mit Fließbeton aufzufüllen wären, werden z. Zt. vom BfS ermittelt.
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Der Nachteil des Stands der Technik bzw. den Konzepten für die Endlagerung stellt sich wie folgt dar: Fließbeton an sich stellt keinen Abfallstoff dar! Durch ein Verfüllen von reinem Fließbeton wird wertvolles Endlagervolumen verschenkt bzw. mit verkauft. Pro Kubikmeter Lagervolumen im Endlager KONRAD werden ca. 25.000 € veranschlagt.
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Die zuständige Behörde für die Einlagerung radioaktiver Abfälle ist das BfS. Übergeordnet ist das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit – kurz: Bundesumweltministerium oder BMU verantwortlich. Der Schutz vor Umweltgiften und Strahlung ist oberste Prämisse dieser Behörde. An dieser Stelle wird deutlich, dass der Verantwortungsbereich des BMU sowohl für die Entsorgung von Sondermüll wie z. B. Schwermetallen gilt als auch für die Entsorgung von radioaktiven Abfällen. Bisher wird die Entsorgung jedoch getrennt behandelt. Es werden kostenintensive und umweltrelevante Sondermüll-Deponien für Sondermüll gebaut und betrieben und unabhängig hiervon noch kostenintensivere und umweltrelevantere Nuklear-Abfalllager d. h. Endlager errichtet.
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Der Planfeststellungsbeschluss des Endlagers KONRAD beschäftigt sich jedoch nicht nur mit radioaktiven Abfällen, sondern auch mit dem damit verbundenen Sondermüll, wie insbesondere den Schwermetallen. Hierzu ist Ende 2010 vom Niedersächsischen Landesamt für Wasserwirtschaft, Küsten- und Naturschutz (NLWKN) eine wasserrechtliche Nebenbestimmung erlassen worden, welche die Art und Menge von zugelassenen nicht radioaktiven Stoffen für das Endlager KONRAD regelt. Demnach sind nicht unerhebliche Mengen an Schwermetallen und sonstigem Sondermüll einlagerbar. Eine genaue Stoffliste befindet sich in Bearbeitung durch das BfS in Zusammenarbeit mit dem NLWKN. Nichtradioaktive schädliche Stoffe können als Spurenverunreinigungen in den endzulagernden Abfallgebinden enthalten sein. Gemäß der gehobenen wasserrechtlichen Erlaubnis dürfen sie nicht zu nachteiligen Veränderungen im oberflächennahen Grundwasser führen. Die Mengen dieser Abfallgebindebestandteile müssen daher entsprechende Deklarationsschwellenwerte unterschreiten; sie bleiben bei der Bilanzierung unberücksichtigt. D. h., dass bei einem Bruttogewicht eines Gebindes inkl. Inhalt von 20 Tonnen eine Masse von bis zu 200 kg (1%) an z. B. Cadmium oder Quecksilber als Spurenverunreinigung nicht mit in die Gesamtbilanz eingeht und lediglich als Stoff unter „Rest” beschrieben werden muss (lediglich qualitativ).
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine wirtschaftliche Verfüllung von Hohlräumen im Endlager und in Endlagerbehältern inkl. Innenverpackungen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, die in effizienter Weise in der Lage ist, die Nachteile von bereits geplanten und produzierten Lager- und Behälterhohlräumen auszugleichen und gleichzeitig die Kosten von weiteren Sondermüll-Deponien zu senken. Gleichzeitig wird eine vorteilhafte Materialkombinationen im Einsatz von neuen Betonkomponenten im Kernkraftwerksbau bzw. im Behälterbau vorgeschlagen.
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Diese Aufgaben werden mit der nachstehend aufgeführten Verfüllmethode erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 und weiteren Ansprüchen gelöst.
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Die zugrunde liegende Erfindung unterbreitet einen Lösungsvorschlag, der beide Verantwortungsbereiche des BMU „Schutz vor Umweltgiften und Strahlung” vereinen soll. Erfinderisch wird eine Kombination aus der bereits existierenden Verarbeitung von Betonsorten wie z. B. Fließbeton und der Herstellung von Verpackungen bzw. Endlagerbehältern und Endlagern hergestellt. Durch eine überraschende Materialkombination entstehen ein neues Produkt und ein neues Verfahren.
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EP 0369 946 B1 „Verfahren zur Immobilisierung von Abfällen” und
EP 0567 493 B1 Verwertungsverfahren für Müll-, Klärschlamm- und Sondermüllverbrennungsasche” beschreiben Verfahren, welche Sondermüll bzw. Verbrennungsrückstände aus Müllverbrennungsanlagen als Füllstoffe für Betonsorten aufbereiten. Die Betonsorten werden zum Teil (meist im Ausland) im Straßenbau verwendet. Die Herkunft des Mülls spielt bei der her vorliegenden Erfindung keine Rolle, es können auch Schrotte aus Aufbereitungsanlagen verwendet werden. Mit nicht radioaktivem Sondermüll sind alle möglichen Müllsorten gemeint, die nicht zum Hausmüll gehören, sondern auf gesonderten Deponien deponiert werden müssen. Insbesondere sind Rückstände aus Müllverbrennungsanlagen denkbar, Aschen, Schlacken usw.
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Die unterschiedlichsten Verfahren des Einmischens des Sondermülls in die Betonmatrix sind an dieser Stelle ebenfalls von untergeordneter Bedeutung und dem Stand der Technik zu entnehmen.
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Das Produkt der Materialkombination ist komplex und folgt einem neuen, ganzheitlichem Verfahren der kombinierten Entsorgung von nicht radioaktivem Sondermüll und radioaktiven Abfällen. Die Unterscheidung „nicht radioaktiv soll verdeutlichen, dass es sich um Sondermüll handelt, der vorzugsweise nicht zusätzlich radioaktiv kontaminiert ist bzw. selbst strahlt. Unter Beachtung des zulässigen Nuklid-Gesamtinventars kann natürlich auch radioaktiver Sondermüll als Füllstoff verwendet werden.
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Wird die Bilanzierungsgrenze um das gesamte Endlager gelegt, so handelt es sich bei dem neuen Produkt um ein Endlager, welches mittels einer Fixiermasse, insbesondere (Fließ-)beton mit weiterem Sondermüll als Füllstoff gefüllt ist. Idealerweise beinhalten sämtliche Betonsorten, die im Endlager eingelagert werden, ebenfalls einen Füllstoff, der aus nicht radioaktivem Sondermüll besteht. Dieses gilt über die Verfüllung des Endlagers hinaus, zusätzlich sowohl für die Betonbehälter-Wandungen, den Fixierbeton innerhalb des Behälters bzw. Innenbehälters (z. B. Fass) und sogar die Betonabfälle z. B. aus dem Rückbau von Kernkraftwerken (z. B. Reaktorkuppel, Betonschirmungen usw.). Das Verfahren ist ganzheitlich und beginnt bereits mit der Herstellung der Betonelemente eines Kernkraftwerks. Alle einzusetzenden Betonsorten für Komponenten, die am Ende nach dem Rückbau im Endlager eingelagert werden müssen, sollten nach dem zugrundeliegenden Verfahren hergestellt werden, bei dem nicht radioaktiver Sondermüll als Füllstoff für alle eingesetzten Betonsorten verwendet wird. Gleiches gilt für Betonbehälter oder sogenannte Betoninliner bzw. Innenabschirmungen.
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Das neue Produkt ist somit insbesondere auch ein Transport- und Lagerbehälter bzw. ein Abschirmbehälter, welcher mit radioaktivem Schrott befüllt ist und einer Fixiermasse, insbesondere (Fließ-)beton, welche mit weiterem Sondermüll als Füllstoff gefüllt ist. Im Sonderfall kann der Sondermüll zusätzlich radioaktiv kontaminiert sein. Spezielle Ausführungsformen beinhalten Füllstoffe aus biologischem Sondermüll, Bioziden, Mikrobioziden, Sonderabfällen der Medizin und Medizintechnik bzw. aus einem der Stoffe aus Anhang IV nichtradioaktive schädliche Stoffe” der Konradbedingungen (SE-IB-29108-REV-1). Die Stoffe können fest, flüssig oder gasförmig sein. Bedingt durch die gehobenen wasserrechtlichen Nebenbestimmungen des NLWKN sind Ausführungsformen denkbar, die für jeden einzelnen Behälter abgestimmte Füllstoffe und Füllstoffkompositionen bereitstellen, die ein Unterschreiten der jeweiligen Grenzwerte pro Stoff gewährleisten. Ein Verbot des Vermischens von radioaktiven Abfällen mit sonstigen Abfällen (alte Konradbedingungen 6.2.4 (1)) entfällt in der aktuellen Revision.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform besteht die Fixiermasse aus einem anderen Material als Beton (z. B. aus einem Polymer(-Schaum)) und wird vorzugsweise mit nicht radioaktivem Sondermüll gefüllt. Zugunsten einer Gewichtsreduktion bei Behältern kann die Füllung sehr gering ausfallen bzw. im Ausnahmefall ausbleiben.
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In einer weiteren Ausführungsform besteht die Fixiermasse ausschließlich aus nicht radioaktivem Sondermüll (z. B. aus erstarrten Schmelzen, Metallschäumen, Abstandseinlegern, Flakes, Granulat, Aschen, Schlacken, Glasbruch aus Energiesparlampen, Batterie-Abfallprodukten, usw.).
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Der Form der Füllpartikel sind keine Grenzen gesetzt. Eine vorteilhafte Gestaltung ist eine Formgebung, bei der nahezu runde Füllpartikel erzeugt werden, um die Kerbwirkung im Matrixwerkstoff zu minimieren.
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In den unten aufgeführten Patentansprüchen soll es unerheblich sein, ob der nicht radioaktive Sondermüll-Füllstoff vor Einbringen des Fließbetons oder nach Einbringen des Fließbetons untergemischt wird. Entscheidend ist die Kombination aus beiden Müllarten.
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Zweckmäßig kann auch eine Kombination von oben aufgeführten Ausführungsformen erfolgen.
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Die Wirtschaftlichkeit des Produkts und des Verfahrens orientiert sich nicht zuletzt an einer möglichen Kostenbeteiligung der Müllverursacher von Sondermüll (hier: z. B. Müllverbrennungsanlagen) an der Herstellung des Verfüllmaterials, da auf Sondermülldeponien pro Gewicht und im Endlager pro Volumen abgerechnet wird. Das Volumen pro Behälter im Endlager ist bereits durch die Verursacher der radioaktiven Abfälle (hier: Kernkraftwerke) bezahlt, so dass eine Gemeinschaftsnutzung freien Volumens von erheblichem Vorteil sein kann.
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Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele erläutert.
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1: zeigt ein Ausführungsbeispiel des Gesamtkonzepts im Überblick. Hierbei ist mit Pos. 1 die Beton-Reaktorkuppel eines Kernkraftwerks dargestellt. Pos. 2 zeigt ein unterirdisches Endlager mit gestapelten Endlager-Containern (3), liegend gestapelten Rundbehältern (VBA) (4) und nachträglich vergossenen Lager-Wandungen (5) (schematische Schnittdarstellungen).
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2: zeigt die schematische Schnittdarstellung der Beton-Reaktorkuppel (1). Der Fokus dieser Darstellung verdeutlicht die Materialkombination aus dem nicht radioaktivem Sondermüll-Füllstoff (6) und dem Matrixstoff, hier Stahlbeton (7).
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3: zeigt die schematische Schnittdarstellung des unterirdischen Endlagers mit einem Endlager-Container (3), liegend gestapelten Rundbehältern (VBA) (4) und nachträglich vergossenen Lager-Wandungen (5). Der Fokus dieser Darstellung verdeutlicht die Materialkombination für die vergossenen Hohlräume des Lagers aus dem nicht radioaktivem Sondermüll-Füllstoff (6) und dem Matrixstoff, hier Fließbeton (8). Es werden sowohl Wände als auch Behälterzwischenräume mittels der zugrunde liegenden Materialkombination verfüllt.
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4: zeigt die schematische Schnittdarstellung je eines Endlager-Containers (links) (3), und einem aufrecht stehendem Rundbehältern (VBA, rechts) (4) mit einem radioaktiv kontaminierten Schrott (9). Innerhalb des Containers (3) befinden sich fünf mit radioaktiven Schrotten gefüllte VBA (4). Der Fokus dieser Darstellung verdeutlicht die Materialkombination für die vergossenen Hohlräume der Gebinde (Container bzw. VBA) aus dem nicht radioaktivem Sondermüll-Füllstoff (6) und dem Matrixstoff, hier Fließbeton (8). Es werden sowohl dargestellte Behälter als auch Innenfässerhohlräume mittels der zugrunde liegenden Materialkombination verfüllt.
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Bei allen Beispielen (außer bei der Reaktorkuppel) kann der Füllstoffgehalt wenige Prozent bis zu 100% des Matrixwerkstoffes betragen – insbesondere bei Schlacken kann, je nach Bauartzulassung eine vollständige Verfüllung durch diese (mit oder ohne Zusatzstoffe) erfolgen. Im Fokus steht die umweltgerechte Endlagerung zweier unterschiedlicher Gefahrstoffklassen und Sondermüllsorten in einem Behälter/Gebinde bzw. Endlager – nicht radioaktiver Sondermüll auf der einen Seite und radioaktiver Abfall auf der anderen Seite.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0369946 B1 [0014]
- EP 0567493 B1 [0014]
