DE10329170A1

DE10329170A1 - Verbessertes Verfahren zum Einschluss von Sonderabfall

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Publication number: DE10329170A1
Application number: DE10329170A
Authority: DE
Original assignee: POLYBERN GmbH
Current assignee: POLYBERN GmbH
Priority date: 2003-06-27
Filing date: 2003-06-27
Publication date: 2005-01-13
Also published as: ATE469423T1; DE502004011212D1; EP1639606A1; WO2005006349A1; EP1639606B1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren zum Einschluss von Sonderabfall, wobei der Sonderabfall in eine härtbare Mischung eingearbeitet und von ihr umschlossen wird und diese den Sonderabfall umschließende Mischung einer Härtungsbehandlung unter Bildung von Polymerbeton unterzogen wird, wobei die härtbare Mischung zumindest a) 10-50 Gew.-% mindestens eines härtbaren Harzes und b) 50-90 Gew.-% mindesten eines eine Grundmatrix bildenden inerten anorganischen Füllstoffes in Teilchenform und gegebenenfalls c) 0-40 Gew.-% mindestens eines eine Grundmatrix bildenden organischen Füllstoffes umfasst.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einschluß von Sonderabfall und insbesondere von radioaktivem Abfall.
Bei bekannten Verfahren zum Einschluss von Sonderabfall, insbesondere von radioaktivem Abfall, werden in der Regel durch Heißverglasung bzw. durch Immobilisierung dieser Abfälle in Beton auf Zementbasis, in Bitumen oder in Harzen feste Erzeugnisse erhalten. Die nach diesen Verfahren gewonnenen Erzeugnisse haben jedoch in Bezug auf das Gewicht, die chemische Beständigkeit, die Temperaturbeständigkeit, die Elastizität, die Einarbeitung von Hilfsstoffen, die Emissionen bei der Einarbeitung, die Verarbeitungstemperatur und den Einbau von Kontrollsystemen z.T. erhebliche Nachteile.
Eine der genannten Möglichkeiten, organische Polymere als Hülle oder Bindemittel für problematische Abfälle zu verwenden, ist das Eingießen oder das gemeinsame Extrudieren der Abfallstoffe mit vorgefertigten Polymeren. Eine weitere Methode beruht auf der Umwandlung von Monomeren zu Polymeren. Diese Umwandlung kann je nach Reaktionstyp entweder eine Polymerisation, eine Polykondensation oder eine Polyaddition sein, wobei ein mechanischer Einschluss gelöster oder dispergierter Abfallstoffe erzielt wird.
In DE 3208688 C2 wird ein Verfahren zur Konditionierung radioaktiver Abfälle beschrieben, bei dem die Abfälle in eine annähernd reine Polyesterharzmatrix eingeschlossen werden. In DT 2363474 B2 wird ein Verfahren zum Bereiten von im wesentlichen organischen, radioaktive oder toxische Stoffe enthaltenden Abfallflüssigkeiten beschrieben, bei dem die Abfallflüssigkeiten im wesentlichen mit einer Mono- und einer Polyvinylverbindung gemischt und anschließend in ein festes Polymerisat überführt werden. In DT 2644472 A1 wird ein Verfahren zum Einkapseln von radioaktiven Abfällen beschrieben (DOW CHEMICALS-Verfahren), bei dem die gelösten oder suspendierten Abfälle in eine reine Vinyl- und/oder Polyesterharzmatrix eingeschlossen werden. In DT 2212574 wird ein Verfahren zur Konditionierung radioaktiver Abfälle beschrieben, bei dem die Abfälle in ein polymerisierbares Harz eingemischt und anschließend mit einem Monomeren zu einem festen Block copolymerisiert werden. In DE 3840794 C2 wird ein Verfahren zur Herstellung eines festen Abfallproduktes mit möglichst geringem Wassergehalt zur Endlagerung radioaktiver Stoffe beschrieben, bei dem die Abfälle in das aushärtbare Matrixmaterial Trolit^®, ein zeolith- oder feldspatähnlich aufgebautes Silikoaluminat, eingebettet werden.
Eine weitere Möglichkeit, problematische Abfälle zu konditionieren, ist das Einbinden der Abfallstoffe in eine Glasmatrix.
In der Japanischen Patentveröffentlichung Nr. 62-124,500/1987 wird ein Verfahren mit niedrig schmelzender Verglasung, bei dem ein radioaktives Iod enthaltender fester Abfall versiegelt und in einem Glas verfestigt wird, das bei einer Temperatur von 480 °C erweichen kann, beschrieben. In DE 69231742 T2 wird ein Verfahren und Vorrichtung zum Verglasen von asbestenthaltendem Abfall, infiziertem Abfall, toxischen Materialien und radioaktivem Abfall beschrieben, bei dem die Abfallstoffe in einem Ofen bei mindestens 900 °C in einer Silikatschmelze eingeschmolzen und anschließend in portionierter Form ausgehärtet werden. In DE 4305318 A1 wird ein Verfahren zur Entsorgung von Abfallstoffen beschrieben, bei dem die Abfallstoffe aufgeschmolzen oder in ein Schmelzbad verbracht werden und die Schmelze schockartig abgekühlt wird, so daß eine glasartige Schlacke entsteht.
Des weiteren werden für den Transport und/oder die Zwischenund/oder Endlagerung von Sonderabfall und insbesondere von radioaktivem Abfall spezielle Behälter verwendet. Derartige Behälter sind üblicherweise aus Metall, aus zementgebundenem Beton oder aus einer Kombination dieser Materialien aufgebaut.
In DE 19725922 C2 wird ein Verfahren zur Herstellung eines Behälters beschrieben, bei dem zwischen ein Innen- und ein Außenrohr aus Metall ein mit Zuschlägen versehener Zement unter Bildung eines Behälters eingefüllt wird. In DE 19512574 A1 wird ein Transport- und/oder Lagerbehälter für radioaktives Lagergut beschrieben, der für eine zusätzliche thermische Behandlung des Lagerguts ausgebildet ist und dessen Außenbehälter aus Metall und/oder Beton besteht. In DE 3439092 A1 wird ein radioaktiver Doppelgroßcontainer als endlagerungsfähiges Abfallgebinde beschrieben, der aus einem inneren und einem äußeren Container aufgebaut ist und aus radioaktiven Stoffen und Zementbrei hergestellt wird. In DE 3212507 A1 wird ein Gebinde für die Lagerung radioaktiver Substanzen mit einer die Substanzen umgebenden keramischen Korrosionsschutzschicht beschrieben, wobei eine fließfähige Masse auf Keramikbasis verwendet wird. In DE 2905094 C2 wird ein Abschirmtransport- und/oder Abschirmlagerbehälter für radioaktive Abfälle beschrieben ("Castorbehälter"), wobei Behältermantel und Behälterboden einstückig aus Gußeisen gegossen sind. In DE 19952130 A1 wird ein Abschirmbehälter für den Transport und die Lagerung von schwach- bis mittelradioaktiven Abfällen beschrieben, bei dem der Abstandszwischenraum zwischen einem Stahlblechaußen- und einem Stahlblechinnenliner mit Beton verfüllt ist.
Ein gemeinsamer Nachteil der oben beschriebenen Verfahren, der Behälter und Gebinde ist unter anderem, daß eine Steuerung bzw. Optimierung der thermoplastischen, elastomeren, duroplastischen und/oder anderer Eigenschaften, vor allem in Bezug auf die chemische und/oder physikalische Beständigkeit, des verwendeten Einschlussmaterials als auch der Einschlussbehältnisse je nach den Anforderungen nicht möglich ist. Eine solche Steuerung der Eigenschaften ist jedoch, z.B. bei der geologischen Endlagerung aufgrund wechselnder geologischer Rahmenbedingungen, wünschenswert.
Aufgabe der Erfindung ist es, Einschlußmöglichkeiten von Sonderabfall zu ermöglichen bzw. einen Behälter oder ein Gebinde zur Verfügung zu stellen, welche die oben genannten Nachteile nicht haben oder deutlich verringern.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs gelöst.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einschluß von Sonderabfall, wobei der Sonderabfall, vorzugsweise in Teilchenform, mit einer härtbaren Mischung umschlossen wird und diese den Sonderabfall umschließende Mischung einer Härtungsbehandlung unter Bildung von Polymerbeton unterzogen wird, wobei die härtbare Mischung zumindest a) 10–50 Gew.-% mindestens eines härtbaren Harzes, und b) 50–90 Gew.-% mindestens eines eine Grundmatrix bildenden inerten anorganischen Füllstoffes, und gegebenenfalls bis zu 40 Gew.- mindestens eines eine Grundmatrix bildenden organischen Füllstoffes in Teilchenform umfasst.
Durch den erfindungsgemäßen Einschluß von Sonderabfall wird eine Verfestigung und Immobilisierung der eingeschlossenen Abfallstoffe erreicht.
"Sonderabfall" im Sinne der vorliegenden Erfindung schließt toxischen, kanzerogenen, umweltgefährdenden, sonstigen gefährlichen und insbesondere radioaktiven Abfall ein.
Mit "Immobilisierung" ist hier sowohl chemische und/oder physikalische Immobilisierung gemeint. Unter "chemischer Immobilisierung" wird die Verringerung der Mobilität der Abfallstoffe durch starke oder schwache chemische Wechselwirkung, z. B. durch kovalente Bindung oder Fällung, oder z. B. durch Adsorption und Absorption, verstanden. Unter "physikalischer Immobilisierung" wird eine Verringerung der Wasserwegsamkeit bzw. Auslaugung durch eine „innere" hydraulische Barriere verstanden (unter 10–8 m/s Durchlässigkeitsbeiwert in der Triaxialzelle).
"Verfestigung" meint hier eine Erhöhung der mechanischen Festigkeit, erkennbar durch eine Erhöhung der Druckfestigkeit, der Scherfestigkeit und/oder durch eine Verringerung des Penetrationsvermögens.
"Polymerbeton" bezeichnet im Sinne der Erfindung einen nicht zementgebundenen Kunstharzbeton, in dem durch chemische Reaktion(en) spezifische härtbare Harze (ca. 10–50 Gew%), organische (ca. 0–40 Gew%) und vor allem anorganische (ca. 50–90 Gew%) Füllstoffe in einer Matrix verfestigt und miteinander verbunden sind.
Die Erfindung, nämlich das Verwenden von Polymerbeton zum Einschluß von Abfallstoffen, bietet gegenüber bisher bekannten Einschlußverfahren, wie das Verwenden von zementgebundenem Beton oder Glas, mehrere Vorteile.
So ist Polymerbeton im Vergleich zu zementgebundenem Beton leicht, insbesondere in saurer Umgebung (pH-Wert < 7), chemisch resistent, elastisch, auch bei Temperaturen von ca. 50–150 °C beständig, erlaubt eher den Einbau sonstiger Füllstoffe und wird bei niedrigerer Temperatur (< 50 vs. < 80 °C) verarbeitet.
Im Vergleich zu Glas ist Polymerbeton leicht, elastisch, erlaubt eher den Einbau sonstiger Füllstoffe, wird bei niedrigerer Temperatur (< 50 °C vs. < 500 °C) verarbeitet und verursacht bei der Einarbeitung der Abfallstoffe wenig Emissionen. Ein weiterer entscheidender Vorteil ist, daß die Einarbeitung von Kontrollsystemen bei Glas nicht möglich ist.
Im Gegensatz zur erfindungsgemäßen Verwendung von Polymerbeton eignet sich Metall nur als Ummantelungs- oder Behältermaterial und nicht zur Immobilisierung. Ein weiterer Vorteil von Polymerbeton ist dessen Korrosionsbeständigkeit und geringeres Gewicht im Vergleich zu Metall. Die oben genannten Vorteile fasst Tabelle 1 zusammen.
Tabelle 1.
Das erfindungsgemäße Verfahren und dessen Ausführungsformen zum Einschluß von Sonderabfall in Polymerbeton bieten gegenüber bekannten Verfahren auf der Basis von Metall, Metall/Zement bzw. Zement weitere Vorteile.
So wirken sich etwa im Bereich der passiven Sicherheit geologische Einflüsse wie Druck (Tabelle 2A), Temperatur (Tabelle 2B) oder chemisch-physikalische Wechselwirkungen (Tabelle 2C) nicht oder kaum sicherheitsgefährdend auf den eingeschlossenen Sonderabfall aus.
Die besser gewährleistete kurz-, mittel- und langfristige "Rückholbarkeit" des eingeschlossenen Sonderabfalls aus Lagerstätten ist bei Anwendung der Ausführungsformen der Erfindung gegenüber bekannten Verfahren auf der Basis von Metall, Metall/Zement bzw. Zement von Vorteil (Tabelle 3).
Tabelle 2. Passive Sicherheit
Tabelle 3. Rückholbarkeit
Gemäß der Erfindung wird als härtbares Harz, vorzugsweise ein härtbares niedermolekulares Reaktionsharz, besonders bevorzugt ein radikalisch härtbares niedermolekulares Reaktionsharz, aus der Gruppe, die ungesättigtes Polyesterharz, Vinylesterharz, Epoxidharz, Phenolharz, Siliconharz, Melaminharz, Harnstoffharz, Acrylatharz, Furanharz, Polyurethanharz, oder Mischungen davon umfasst, ausgewählt, wobei bevorzugt Vinylesterharz in Kombination mit einem speziellen Peroxidhärtungssystem (Diacylperoxid, Ketonperoxid, Alkylhydroperoxide, Dialkylperoxide, Peroxyketale, Alkylperester, Peroxydicarbonate und/oder Peroxycarbonatester, teilweise in Kombination mit speziellen Reaktionsbeschleunigern (auf z.B. Cobalt-, Vanadium- oder Aminbasis) sowie speziellen Reaktionsinhibitoren (auf z.B. Chinonbasis) unter Warm- oder Kaltaushärtungsbedingungen eingesetzt wird. Es können je nach Anforderung auch Kombinationen zum Einsatz kommen.
Ferner wird erfindungsgemäß als inerter anorganischer Füllstoff eine inerte anorganische Siliciumverbindung oder ein anderes Betonzuschlagmittel, ausgewählt aus der Gruppe, die Quarzsand, Sand, Kies, Splitt, Schotter, Metallschlacken, Steinmehl, Klinker-Bruch, Bimsstein, Kieselgur, Tuff, Flugasche, Glimmer, Spat, in reiner Form als auch Recyclate oder Mischungen davon, vorzugsweise Quarzsand, umfasst, verwendet. Insbesondere wird Quarzsand als inerter anorganischer Füllstoff verwendet.
In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform enthält die härtbare Mischung zusätzlich bis zu 40 Gew.-% eines organischen Füllstoffes, vorzugsweise einen Kunststoff, ausgewählt aus der Gruppe, die thermoplastische, elastomere und duroplastische Kunststoffe oder Mischungen davon umfasst.
Die genannten Kunststoffe sind Bestandteil der Polymerbetonmischung, um die thermoplastischen, elastomeren und/oder duroplastischen Materialeigenschaften des Polymerbetons je nach Anforderung zu optimieren. So läßt sich z.B. mittel- bis langfristig die Sicherheit des eingeschlossenen Abfalls erhöhen, wenn z.B. im Falle der geologischen Endlagerung von radioaktiven Abfällen Druck durch geologische Verschiebungen, Sackungen, etc. auf die Abfallgebinde einwirkt. Entsprechende Abfallgebinde aus zementgebundenem Beton oder solche mit einer Metallummantelung könnten durch einen solchen Druck zum Aufbrechen oder -platzen gebracht werden.
Als thermoplastische, elastomere oder duroplastische Kunststoffe werden erfindungsgemäß Polyethylen, Polypropylen, Kautschuk, eine härtbare Formmasse wie Acrylate, ein Aminoplast, ein Polyurethan, Polyvinylchlorid, Polystyrol und insbesondere fluorierte Polymere wie PVDF oder PTFE oder Mischungen davon verwendet. Alle genanten Kunststoffe können auch als geschäumtes Material, z.B. zur Gewichtsreduzierung oder Isolierung, eingesetzt werden.
Nach der Erfindung enthält die härtbare Mischung darüber hinaus zusätzlich bis zu 40 Gew.-% eines Zusatzstoffes, ausgewählt aus der aus der Gruppe, die Metall und Erdalkalimetall sowie deren Salze und Oxide, Blei, Borat, Aluminiumhydroxid, Pigment, Zementfarbe, Asbest-, Glas-, Stahl-, Kohlenstofffasern, Mikroglaskugeln, Graphit, Ruß oder Mischungen davon umfasst.
So dienen etwa Schwermetalle wie Blei oder Borverbindungen (z.B. Borcarbid) zur Adsorption von radioaktiver Strahlung, werden Metalle zur Optimierung der Wärmeleitfähigkeit der Polymerbetonmischung zugegeben, dient z.B. Aluminiumhydroxid zur Verbesserung des Polymerbetonverhaltens im Brandfall oder werden Mikroglaskugeln der Polymerbetonmischung zur Reduzierung des Gewichts zugegeben.
In weiteren Ausführungsformen schließt die oben genannte Härtungsbehandlung die Verwendung eines Reaktionsstarters, eines Härters, eines Beschleunigers und/oder eines chemisch-physikalischen Verfahrens, insbesondere eine UV-Bestrahlung oder Temperierung, oder eine Kombination davon ein.
Entsprechend der Erfindung wird als Reaktionsstarter, welcher vorzugsweise in die härtbare Mischung vor der Härtungsbehandlung eingearbeitet wird, eine Peroxid-Verbindung oder ein Peroxidhärtungssystem ausgewählt aus Diacylperoxid, Ketonperoxid, Alkylhydroperoxide, Dialkylperoxide, Peroxyketale, Alkylperester, Peroxydicarbonate und/oder Peroxycarbonatester, teilweise in Kombination mit speziellen Reaktionsbeschleunigern (auf z.B. Cobalt-, Vanadium- oder Aminbasis) sowie speziellen Reaktionsinhibitoren, insbesondere auf Chinonbasis, unter Warm- oder Kaltaushärtungsbedingungen verwendet. Es können je nach Anforderung auch Kombinationen zum Einsatz kommen.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß der Sonderabfall in die Matrix des Polymerbetons, vorzugsweise durch Einarbeiten des Sonderabfalls in die härtbare Mischung, Zugabe eines Reaktionsstarters und anschließenden Ausbildens eines festen Formlings, integriert wird.
Bei dieser sogenannten "Loskörperimmobilisierung" werden die Abfälle von der Polymerbetonmischung in eine viskose Matrix eingebunden. Diese Matrix wird z.B. durch Zugabe eines Reaktionsstarters und mindesten einer anschließenden chemischen Reaktion, etwa einer Polymerisation, einer Polykondensation und/oder einer Polyaddition, verfestigt. Die Loskörperimmobilisierung eignet sich im Bereich der Immobilisierung von Abfällen, bei denen das Vorhandensein eines Schutzmantels, z.B. einer Stahl- oder Kunststoffummantelung, nicht erforderlich ist. Als Beispiel wäre hier die Anwendung im Bereich der Immobilisierung von Asbestfasern denkbar. Bei Abfällen, die aufgrund ihrer chemisch-physikalischen Eigenschaften besonders hohe Sicherheitsvorkehrungen erforderlich machen, ist dieses Verfahren weniger geeignet.
In einer Weiterentwicklung der oben beschriebenen Loskörperimmobilisierung wird erfindungsgemäß der in die Matrix des Polymerbetons integrierte Sonderabfall von einer festen Ummantelung eingeschlossen, vorzugsweise durch Ausbilden des festen Formlings in einem geschlossenen oder verschließbaren Behälter aus vorzugsweise Metall, Kunststoff oder Beton.
Bei dieser "Immobilisierung mit Schutzbehälter" wird der Sonderabfall wie bei der Loskörperimmobilisierung in eine Verfestigungsmatrix eingebunden, aber anschließend zusätzlich von einer Schutzhülle, z.B. einer Stahl- oder Kunststoffummantelung, eingeschlossen. Dabei bildet sich zwischen der verfestigten Matrix und dem Schutzbehälter keine feste Verbindung aus. Ausgehend von obiger Beschreibung zur Herstellung des Loskörperimmobilisats wird dieses hier nicht aus der Form genommen, sondern in einem "verlorenen" Gebinde zur Aushärtung gebracht. Das Gebinde dient als Schutzmantel vor Einflüssen, die sich aus der direkten Umgebung ergeben könnten, wie z.B. Temperatur oder Auslaugung. Bei Abfällen, die aufgrund ihrer chemisch-physikalischen Eigenschaften besonders hohe Sicherheitsvorkehrungen erforderlich machen, ist dieses Verfahren gut geeignet.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird der in die Matrix des Polymerbetons integrierte Sonderabfall von Polymerbeton umschlossen.
In einer speziellen Form dieses Verfahrens bildet der Polymerbeton, in dessen Matrix der Sonderabfall integriert ist, und der diesen umschließende Polymerbeton, vorzugsweise durch gleichzeitige Härtungsbehandlungen, eine feste Verbindung aus.
Bei diesem Immobilisierungs-Verfahren werden die Sonderabfälle in eine Verfestigungsmatrix eingebunden und der verfestigte Körper wird von einer Schutzmatrix eingeschlossen. Im Gegensatz zur Immobilisierung mit Schutzbehälter entsteht zwischen der verfestigten Innenmatrix und der Schutzmatrix durch die vorzugsweise zeitgleiche Aushärtung der Polymerbetonmischungen eine feste Verbindung. Eine Möglichkeit, ein Gebinde dieser Art herzustellen wird im folgenden Ausführungsbeispiel beschrieben.
Je nach Abfallart kann die Einarbeitung in eine Matrix aus Polymerbeton nicht möglich sein. In diesem Fall sieht daher ein weiteres erfindungsgemäßes Verfahren vor, daß der Polymerbeton in Form eines vorzugsweise verschließbaren Behälters vorliegt und dieser Polymerbetonbehälter durch Einbringen des Sonderabfalls in den Behälterinnenraum den Sonderabfall umschließt.
Nach der Erfindung wird der Polymerbetonbehälter als Transport-, Zwischenlager- und/oder Endlagerbehälter für Sonderabfall verwendet.
Ein Vorteil eines solchen Behälters ist, daß er im Bereich der Dauer- und Endlagerung im Gegensatz zu einem metallischen Behälter nicht der Gefahr der Korrosion ausgesetzt ist. Diese Gefahr besteht besonders in salinarer Umgebung, d.h. bei einer Lagerung in Salzstöcken. Die Korrosionsgefahr kann durch spezielle Verarbeitung, z.B. durch Legierungszuschläge und/oder Lackierung, reduziert jedoch langfristig nicht ausgeschlossen werden. Auch gegenüber Außenschutzbehältern aus zementgebundenem Beton bieten Schutzbehälter aus Polymerbeton aufgrund Ihrer besseren Resistenz- und Elastizitätseigenschaften deutliche Vorteile.
In den oben beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung werden gegebenenfalls erfindungsgemäß integrierte Meß- und Kontrollsysteme, vorzugsweise eine integrierte Drucküberwachungsvorrichtung, eine integrierte Elektroüberwachungsvorrichtung zur Erfassung signifikanter und relevanter Qualitäts- und Überwachungsmekmale wie Temperatur, Strahlungsdosis u.a. und/oder eine integrierte Leckage-Mess-Vorrichtung, etwa mit Hilfe einer Kupferverdrahtung zur Leitfähigkeitsmessung, eingebaut.
Im Bereich "Überwachung und Kontrolle" besteht gegenüber bekannten Verfahren auf der Basis von Metall, Metall/Zement bzw. Zement ein Vorteil darin, daß kurz-, mittel- und langfristig eine gefahrlose Überwachung und Kontrolle des eingeschlossenen Abfalls möglich ist (siehe Tabelle 4).
Tabelle 4. Überwachung und Kontrolle
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der Beschreibung der Ausführungsbeispiele zu entnehmen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen und mit Hilfe beigefügter Figuren erläutert. Es zeigen:
1 Arbeitsschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens "Loskörperimmobilisierung".
2 Arbeitsschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens "Immobilisierung mit Aussenbehälter"
3 Arbeitsschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens "Einsatz von Polymerbeton als Aussenbehälter"
4 Arbeitsschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens "Rohr-in-Rohr-Immobilisierung"
5 Arbeitsschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens "Immobilisierung von Brennstäben in Polymerbeton"
Gemäß 1 kann der Einschluss der Abfälle erzielt werden durch:

a) Einarbeiten der Abfälle in eine Polymerbetonmischung: Hierbei setzt sich beispielsweise die Mischung wie folgt zusammen: 40 Gew% fester leicht belasteter radioaktiver trockener Abfall (z.B. belastete Aktivkohle aus der Abluftreinigung), 30 Gew% mit 1–2 Gew% tertiärem Amin (l0%ig) vorbeschleunigtes Vinylesterharz, 20 Gew% Quarzsand, 5 Gew% Aluminiumoxid zur Reduzierung der Brennbarkeit, 2 Gew% pulverförmiges Polyethylen-Recyclat zur Steigerung der elastischen Eigenschaften, 2–5 Gew% Dibenzoylperoxid (50 %ig) oder Cumolhydroperxoid (80%ig) zur Reaktionsaktivierung. Beim Mischungsansatz ist durch das entsprechende Rührwerkzeug 101 die Homogenität der Mischung im Ansatzbehälter 102 sicher zu stellen.
b) Einbringen und Aushärten der Mischung in einem Aushärtungsbehälter bzw. in einer Aushärtungsform 103: Hierbei wird ein Rundbehälterschalensystem eingesetzt, d.h. ein mit Trennmittel auf Paraffinbasis vorbehandelter Rundbehälter, der sich in zwei Halbschalen trennen lässt, wird bis zu einer bestimmten Füllhöhe gefüllt. Anschließend wird der Gesamtbehälter auf einen Vibrationstisch platziert und für eine Dauer von mindestens 1–2 h einer gleichmäßigen Vibration ausgesetzt. Zur Reduzierung der Aushärtungszeit und zur Vergleichmäßigung der Aushärtung wird dies bei einer Temperatur von 40 °C vorgenommen.
c) Herausnehmen des festen Formlings 104 aus der Aushärtungsform 103: Nachdem der Formling ausgehärtet ist, wird er aus der Doppelhalbschalenform herausgenommen.
d) Zuführen des Loskörperimmobilisates einer entsprechenden Verwendung: Der feste Formling 104 entspricht somit den Anforderungen für die weitere Lagerung bzw. Deponierung.

Gemäß 2 kann der Einschluss der Abfälle erzielt werden durch:

a) Einarbeiten der Abfälle in eine Polymerbetonmischung: Hierbei wird z.B. mittelradioaktivbelastetes nicht trockenes (Restfeuchte ca. 10%) Verbrauchsmaterial wie Arbeitskleidung, Arbeitschutzausrüstung wie Handschuhe, Putz- und Reinigungsmaterial mit einem Gewichtsanteil von 30 Gew% homogen in eine 1 %ig vorbeschleunigte (auf Basis Cobaltoctoat und tertiärem Amin) Polyesterharzmischung (25 Gew%) homogen eingearbeitet. Anschließend wird anorganisches Füllmaterial (30% Asbestfasern) und 5–8% Quarzsand, 5% Ruß zur Wärmeleitfähigkeit und Verhinderung der Bildung von Wärmenestern und 2–5 Gew% Methylethylketonperoxid (45 Gew%ig) eingearbeitet. Beim Mischungsansatz ist durch das entsprechende Rührwerkzeug 101 die Homogenität der Mischung im Ansatzbehälter 102 sicher zu stellen.
b) Einbringen und Aushärten der Mischung in einen Aushärtungsbehälter 105: Der Behälter (z.B. 200 l Stahl-Sicken-Deckelfass) wird bis zu einer definierten Füllhöhe gefüllt. Darauf wird der Gesamtbehälter auf einen Vibrationstisch platziert und für eine Dauer von mindestens 1–3 h einer gleichmäßigen Vibration ausgesetzt. Zur Reduzierung der Aushärtungszeit und zur Vergleichmäßigung der Aushärtung wird dies bei einer Temperatur von 80 °C vorgenommen.
c) Versiegeln und Zuführen des Behälters einer entsprechenden Verwendung: Nachdem der Deckel 106 geschlossen und versiegelt ist, kann das Fass der weiteren Lagerung bzw. Deponierung zugeführt werden.

Gemäß 3 kann der Einschluss z.B. toxischer Abfälle erzielt werden durch:

a) Ansetzen einer den Anforderungen entsprechenden Polymerbetonmischung: Hierbei setzt sich beispielsweise die Mischung wie folgt zusammen: 20 Gew% mit 2 Gew% an tertiärem Amin (10%ig) vorbeschleunigtes Vinylesterharz, als Füllmaterial 65 Gew% Quarzsand, 10 Gew% Aluminiumoxid zur Reduzierung der Brennbarkeit, 2 Gew% pulverförmiges Polyethylen-Recyclat zur Steigerung der elastischen Eigenschaften, 2–5 Gew% Dibenzoylperoxid (50 %ig) oder Cumolhydroperxoid (80%ig) zur Reaktionsaktivierung. Beim Mischungsansatz ist durch das entsprechende Rührwerkzeug 101a die Homogenität der Mischung im Ansatzbehälter 102a sicher zu stellen.
b) Herstellen eines Polymerbetonbehälters 107: Nachdem der Polymerbetonbehälter mittels Formenbau und Temperierung bei 50 °C auf dem Vibrationstisch hergestellt und innerhalb von 1–3 Stunden ausgehärtet ist, wird er im Innenbereich mit einer Polyurethanschicht zusätzlich versiegelt. Zusätzlich wird im Formenbau als Mess- und Kontrollsystem eine Kupferschleife zur Leitfähigkeits- und somit Leckagemessung in die Aushärtungsform mit eingelegt.
c) Einbringen des konditionierten oder unkonditionierten Abfalls in den Polymerbetonbehälter: In den ausgehärteten Polymerbetonbehälter wird eine chemotoxische dioxinbelastete, pastöse Masse eingelassen. Beim Mischungsansatz ist durch das entsprechende Rührwerkzeug 101b die Homogenität der Mischung im Ansatzbehälter 102b sicher zu stellen.
d) Versiegeln des Polymerbetonbehälters 107 und Zuführen des eingeschlossenen bzw. gekapselten Abfalls einer entsprechenden Verwendung: Nachdem der Deckel 108 aufgegeben und mittels Klebstoff auf Epoxidharzbasis versiegelt ist, kann der Behälter der weiteren Lagerung bzw. Deponierung zugeführt werden.

Gemäß 4 kann der Einschluss der Abfälle erzielt werden durch verfahrenstechnische Kombination der Beispiele aus
2 und 3 mit der Modifizierung der Parallelaushärtung:

a) Einarbeiten der Abfälle in eine Polymerbetonmischung Ansatz einer vorbeschleunigten (1%ig auf Basis Cobaltoctoat und tertiärem Amin) Vinylesterharzmischung (20 Gew%) zu einem Quarzsandanteil von 20 Gew% als Füllstoff, einem Graphitanteil von 20 Gew% zur Wärmeableitung, einem Blei/Boratanteil von 20% zur Strahlungsadsorption und einem Anteil von 15 Gew% Aluminiumoxid zur Thermostabilität.
b) Anfertigen einer weiteren Polymerbetonmischung, welche keine Abfälle enthält: Ansatz einer hochwertigen Harzmischung analog dem Beispiel aus 3.
c) Einbringen letzterer Polymerbetonmischung in eine Außenform 109 bis zu einer gewissen Füllhöhe und teilweises Aushärten dieser Mischung analog zu der analog zu der Herstellung in 3.
d) Positionieren einer unten offenen Innenform 110 in der Außenform 109 analog zu der Herstellung in 3.
e) Einbringen der keinen Abfall enthaltenen Polymerbetonmischung in den Innen- (zur Bodenabdeckung) und in den Außenformzwischenraum 111 analog zu der Herstellung in 3.
f) Anschließendes Einbringen der Abfall enthaltenden Polymerbetonmischung in den von der Innenform 110 gebildeten Hohlraum 112 und nachfolgendes Entfernen der Innenform: Einbringen der unter a) genannten Mischung in den Innenrohrbereich.
g) Einbringen weiterer keinen Abfall enthaltenden Polymerbetonmischung in die Außenform vor vollständiger Aushärtung der schon eingefüllten Mischungen zum Zwecke des vollständigen Einschlusses der Abfall enthaltenen Polymerbetonmischung analog zu der Herstellung in 3.
h) Aushärten der Mischungen unter Erhalt eines festen Formlings analog zu der Herstellung in 3.

Im Bereich der Mess- und Kontrollsysteme werden in den Außenpolymerbetonbereich vor der Endaushärtung Messhülsen zum Einbau von Thermofühlern und Strahlungsmesssonden mit eingearbeitet.
Gemäß 5 kann der direkte Einschluss hoch radioaktiv belasteten Materials, z.B. Brennstäbe, erzielt werden durch

a) Einarbeiten der Abfälle in eine Polymerbetonmischung: Ansatz einer vorbeschleunigten (1%ig auf Basis Cobaltoctoat und tertiärem Amin) Vinylesterharzmischung (20 Gew% zu einem Quarzsandanteil von 20 Gew% als Füllstoff, einem Graphitanteil von 20 Gew% zur Wärmeableitung, einem Blei/Boratanteil von 20% zur Strahlungsadsorption und einem Anteil von 15 Gew% Aluminiumoxid zur Thermostabilität.
b) Anfertigen einer weiteren Polymerbetonmischung, welche keine Abfälle enthält: Ansatz einer hochwertigen Harzmischung analog dem Beispiel aus 3.
c) Einbringen letzterer Polymerbetonmischung in eine Außenform 109 bis zu einer gewissen Füllhöhe und teilweises Aushärten dieser Mischung analog zu der Herstellung in 3.
d) Positionieren einer unten offenen Innenform 110 in der Außenform analog zu der Herstellung in 3.
e) Einbringen der keinen Abfall enthaltenen Polymerbetonmischung in den Innen- (zur Bodenabdeckung) und in den Außenformzwischenraum 111 analog zu der Herstellung in 3.
f) Anschließendes Einbringen der Abfall enthaltenden Polymerbetonmischung in den von der Innenform gebildeten Hohlraum 112 und nachfolgendes Entfernen der Innenform: Einbringen der unter a) genannten Mischung mit gleichzeitiger Positionierung der Brennstäbe 114 im Innenrohrbereich (siehe Ablaufskizze in 5).
g) Einbringen weiterer keinen Abfall enthaltenden Polymerbetonmischung in die Außenform vor vollständiger Aushärtung der schon eingefüllten Mischungen zum Zwecke des vollständigen Einschlusses der Abfall enthaltenen Polymerbetonmischung analog zu der Herstellung in 3.
h) Aushärten der Mischungen unter Erhalt eines festen Formlings 115 analog zu der Herstellung in 3.

Im Bereich der Mess- und Kontrollsysteme werden in den Außenpolymerbetonbereich vor der Endaushärtung Messhülsen zum Einbau von Thermofühlern und Strahlungsmesssonden mit eingearbeitet.

Claims

Verbessertes Verfahren zum Einschluß von Sonderabfall, wobei der Sonderabfall, vorzugsweise in Teilchenform, mit einer härtbaren Mischung umschlossen wird und diese den Sonderabfall umschließende Mischung einer Härtungsbehandlung unter Bildung von Polymerbeton unterzogen wird, wobei die härtbare Mischung zumindest a) 10–50 Gew.-% mindestens eines härtbaren Harzes, und b) 50–90 Gew.-% mindestens eines eine Grundmatrix bildenden inerten anorganischen Füllstoffes in Teilchenform umfasst, wobei die Bestandteile a) und b) zusammen 100 Gew.-% ergeben.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das härtbare Harz ein härtbares niedermolekulares Reaktionsharz, bevorzugt ein radikalisch härtbares niedermolekulares Reaktionsharz ist, das aus der Gruppe, die ungesättigtes Polyesterharz, Vinylesterharz, Epoxidharz, Phenolharz, Siliconharz, Melaminharz, Harnstoffharz, Acrylatharz, Furanharz, Polyurethanharz oder Mischungen davon, bevorzugt Vinylesterharz, umfasst, ausgewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei als inerter anorganischer Füllstoff eine inerte anorganische Siliciumverbindung oder ein Betonzuschlagmittel, ausgewählt aus der Gruppe, die Quarzsand, Sand, Kies, Splitt, Schotter, Metallschlacken, Steinmehl, Klinker-Bruch, Bimsstein, Kieselgur, Tuff, Flugasche, Glimmer, Spat, in reiner Form als auch als Recyclate oder Mischungen davon, vorzugsweise Quarzsand, umfasst, eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die härtbare Mischung zusätzlich bis zu 40 Gew.-% eines organischen Füllstoffes, vorzugsweise einen Kunststoff, ausgewählt aus der Gruppe, die thermoplastische, elastomere und duroplastische Kunststoffe oder Mischungen davon umfasst, in Teilchenform enthält.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei als thermoplastischer, elastomerer oder duroplastischer Kunststoff Polyethylen, Polypropylen, Kautschuk, eine härtbare Formmasse, insbesondere Acrylat, Aminoplast, Polyurethan, Polyvinylchlorid, Polystyrol, bevorzugt fluorierte Polymere wie PVDF oder PTFE, oder Mischungen davon, verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei der thermoplastische, elastomere oder duroplastische Kunststoff in geschäumter Form verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die härtbare Mischung zusätzlich bis zu 40 Gew.-% eines Zusatzstoffes, ausgewählt aus der Gruppe, die Metalle und Erdalkalimetalle sowie deren Salze und Oxide, Blei, Borverbindungen, insbesondere Borcarbid oder Alkaliborat, Aluminiumhydroxid, Pigment, Zementfarbe, Asbest-, Glas-, Stahl-, Kohlenstofffasern, Mikroglaskugeln, Graphit, Ruß oder Mischungen davon umfasst, in Teilchenform enthält.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Härtungsbehandlung die Verwendung eines Reaktionsstarters, eines Härters, eines Beschleuniger/Inhibitorsystems und/oder eines chemisch-physikalischen Verfahrens, insbesondere eine UV-Bestrahlung oder Temperierung, oder eine Kombination davon einschließt.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei als Reaktionsstarter, welcher vorzugsweise in die härtbare Mischung vor der Härtungsbehandlung eingearbeitet wird, eine Peroxid-Verbindung oder ein Peroxidhärtungssystem, ausgewählt aus Diacylperoxid, Ketonperoxid, Alkylhydroperoxide, Dialkylperoxide, Peroxyketale, Alkylperester, Peroxydicarbonate und/oder Peroxycarbonatester, gegebenenfalls in Kombination mit Reaktionsbeschleunigern, insbesondere auf Cobalt-, Vanadium- oder Aminbasis), sowie Reaktionsinhibitoren, insbesondere auf Chinonbasis, oder Kombinationen davon, unter Warm- oder Kaltaushärtungsbedingungen eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei man den Sonderabfall in einen den Sonderabfall allseits umschließenden Behälter, der mit einer verschließbaren Öffnung versehen ist, aus Polymerbeton einschliesst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Sonderabfall in die härtbare Mischung eingemengt wird, ein Reaktionsstarter zugegeben wird und anschließend die Mischung zu einem festen Formling ausgehärtet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei man den den Sonderabfall enthaltenden festen Formling in eine feste Ummantelung einschliesst, vorzugsweise durch Aushärten der den Sonderabfall enthaltenden härtbaren Mischung in einem verschließbaren Behälter, vorzugsweise aus Polymerbeton, Metall, Kunststoff oder Beton.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei man den ausgebildeten festen Formling in einen den Formling allseits umschließenden Behälter, der mit einer verschließbaren Öffnung versehen ist, aus Polymerbeton, Metall, Kunststoff oder Beton einschliesst.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei man das Ausbilden eines festen Formlings aus härtbarer Mischung mit darin eingemengtem Sonderabfall nach dem Einschliessen in eine Ummantelung aus härtbarer Mischung, in die kein Sonderabfall eingemengt ist, gleichzeitig zum Aushärten der Ummantelung zur Bildung eines mindestens zweiphasigen Polymerbetonformlings durchführt, so daß der Formling als die innere Phase den Sonderabfall enthält.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Sonderabfall radioaktiver Abfall ist.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei der radioaktive Abfall in Form von abgebrannten Brennelementen in die auszuhärtende Masse oder den Behälter aus Polymerbeton eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei der Behälter aus Polymerbeton in Form eines Formlings aus Polymerbeton mit mindestens einem Hohlraum zur Aufnahme eines stabförmigen Brennelementes ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Meß- und Kontrollsystem, ausgewählt aus einer Drucküberwachungsvorrichtung, einer Elektroüberwachungsvorrichtung und einer Leckage-Mess-Vorrichtung oder Kombinationen davon, in der auszuhärtenden Masse vor dem Aushärten angeordnet werden.