DE1112592B - Verfahren zur unterirdischen Beseitigung radioaktiver Abfallfluessigkeiten durch Einpumpen in tiefe Schaechte - Google Patents

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

C19797Vmc/21g

ANMELDETAG: 14. SEPTEMBER 1959

BEKANNTMACHUNG DER ANMELDUNG UND AUSGABE DER AUSLEGESCHRIFT! 10. AUGUST 1961

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur unterirdischen Beseitigung radioaktiver Abfallflüssigkeiten durch Einpumpen in tiefe Schächte. Derartige Abfallflüssigkeiten fallen in Reaktoren an, die mit Spaltstoffen als Energiequelle betrieben werden. Die Lagerung dieser radioaktiven Abfallflüssigkeiten in tiefen Schächten erfordert keine Wartung.

Die Haüptschwierigkeit bei der Beseitigung radioaktiver Abfälle, insbesondere bei Spaltproduktabfällen, liegt darin, daß man sie nicht in üblicher Weise verdünnen kann. Um Lösungen auf ein unschädliches Maß zu verdünnen, sind so starke Verdünnungen erforderlich, daß das Verfahren undurchführ ist. Die offenbar einzige Möglichkeit ist die Aufbewahrung, bis ein ausreichender radioaktiver Zerfall eingetreten ist. Bei normaler Verteilung der Elemente, wie sie beim Spaltvorgang entstehen, bedeutet dies eine Verunreinigung auf 500 bis 600 Jahre hinaus. Es ist offensichtlich, daß mit der Vergrößerung dieser Abfallmengen die geeignete Aufbewahrung dieser Abfälle zu einer schwierigen Aufgabe wird. Wird beispielsweise der Brennstoffverbrauch eines Reaktors mit 13 500 kg pro Jahr veranschlagt, der 3 370 kg Spaltstoffe liefert, so fallen nach Rückgewinnung der ungenutzten spaltbaren Elemente etwa 60 500 m³ Abfall pro Jahr an. Dabei ist dies nur der Abfall eines mäßig großen Reaktors.

Die radioaktiven Spaltstoffe müssen natürlich auch abgeschirmt werden. Das Ausmaß der erforderlichen Abschirmung hängt naturgemäß von der Menge und der Energieentwicklung der radioaktiven Elemente ab. Die Spaltstoffe sind in Abhängigkeit vom Reaktor zwar etwas verschieden, aber im wesentlichen bestehen sie aus einer großen Zahl kurzlebiger aktiver Elemente und einer geringen Zahl langlebiger EIemente. Daher verliert das Problem der Abschirmung mit der Zeit an Bedeutung. So erfordern z. B. bestimmte Spaltstoffe nach 30tägiger Kühlung eine 1,68 m starke Betonabschirmung; nach 6 Jahren ist die benötigte Abschirmung weniger als 30 cm stark. Von diesem Zeitpunkt an ändert sich die Stärke der Abschirmung wegen des exponentiellen Verlaufs des radioaktiven Zerfalls und wegen der Anwesenheit einiger Isotopen mit langer Halbwertszeit nur sehr wenig. Ein Arbeiten mit maximaler Abschirmung ist nicht allein vorteilhaft, sondern erforderlich.

Durch das Freiwerden von Strahlungsenergie während des radioaktiven Zerfalls erwärmen sich die Abfallstoffe. Wird die Wärme nicht verteilt, so können mit der Zeit sehr hohe Temperaturen entstehen. Die entwickelte Wärmemenge hängt selbstverständlich von der Größe der Radioaktivität ab.

Verfahren zur unterirdischen Beseitigung

radioaktiver Abfallflüssigkeiten
durch Einpumpen in tiefe Schächte

Anmelder:

Continental Oil Company,
Ponca City, OkIa. (V. St. A.)

Vertreter: Dr. W. Germershausen, Patentanwalt,
Frankfurt/M., Neue Mainzer Str. 53

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 24. September 1958 (Nr. 762 991)

Die endgültige Temperatur hängt vom Wärmetransport aus dem System ab. Die meisten Tankanlagen und Sammellager sind abgeschirmt und stellen deshalb Systeme schlechter Wärmeübertragung dar. Die Berücksichtigung der Wärmeentwicklung macht die Anwendung von Kühlanlagen erforderlich.

Wärme und Radioaktivität hängen eng zusammen. Wird beispielsweise Abfall gegen das Entweichen emittierter Teilchen isoliert, so ist die Wärme gleichfalls isoliert und kann ohne besondere Bemühungen nicht abgeführt werden.

Die Beseitigung radioaktiver Abfälle aus den Spaltprodukten von Atomreaktoren wurde mit einigem Erfolg in Betontanks ausgeführt, die mit rostfreiem Stahl ausgekleidet und zu ebener Erde angelegt waren. Von anderer Seite wurde das Einpumpen radioaktiver Abfälle in Salzdome, Kalkstein und leere natürliche Erdhöhlen in Betracht gezogen.
■ Allen obigen geprüften Methoden haften gewisse Unzulänglichkeiten an, die in der unterirdischen Wanderung des radioaktiven Abfalls in öffentliche Wasservorräte, mit deren Verunreinigung eine Bedrohung der Gesundheit der anwohnenden Bevölkerung verbunden ist, bestehen. Alle besitzen eine geringe Aufnahmefähigkeit und . sind trotz ihrer hohen Kosten in der Praxis allgemein auf geringe Abfälle beschränkt.

109 677/172

Das Einpumpen von Abwässern in unterirdische poröse Schichten begegnet der Schwierigkeit der chemischen Reaktion mit der Formation und ihrer als Folge davon auftretenden Verstopfung. In Erdhöhlen können die Schichten bis zum Schmelzen warm werden, was weitreichende Auswirkungen haben kann; aus diesem Grunde ist das Einpumpen in Erdhöhlen ungünstig. Außerdem gestatten solche Erdhöhlen eine Wanderung unterhalb der Oberfläche in andere Schichten. Eine unbeabsichtigte Verunreinigung umliegender Lagerstätten kann wesentliche Verluste an Erdöl oder anderen mineralischen Vorräten zur Folge haben.

Auch die chemische Reaktion an mineralischen Ionenaustauschern ist als Mittel zur Beseitigung dieser Abfälle bekannt. Dies verursacht jedoch eine Verfestigung der Tonerde, die das Einpumpen beträchtlicher Abwassermengen verhindert. Darüber hinaus verhindert aber ein solches Verfahren eine Wanderung dieser Verunreinigungen nicht.

Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in einem Verfahren zur Beseitigung von radioaktiven Abfallflüssigkeiten, welches die Unzulänglichkeiten früherer Verfahren auf sichere und wirtschaftliche Weise vermeidet.

Bei einem Verfahren zur unterirdischen Beseitigung radioaktiver Abfallflüssigkeiten durch Einpumpen in tiefe Schächte wird gemäß der Erfindung eine unporöse Gesteinsformation in einer zur Abschirmung gegen den energiereichsten Teil der radioaktiven Strahlung der Abfallflüssigkeit genügenden Tiefe kontrolliert so aufgebrochen, daß der Aufbruch auf die unporöse Gesteinsformation beschränkt bleibt, die radioaktive Abfallflüssigkeit durch eine die unporöse Gesteinsformation durchragende Schachtbohrung in diesen Aufbruch hineinpumpt und der mit radioaktiver Abfallflüssigkeit beladene Aufbruch in der unporösen Gesteinsformation abgedichtet wird. Eine solche Gesteinsformation ist Schiefer, also ein Gestein, welches sich leicht in dünne Blättchen spalten läßt. Es dürfen jedoch keine Lagerstätten von Flüssigkeiten vorhanden sein, die gewisse Abflußmöglichkeiten bieten könnten. Normalerweise ist ein solches Gestein undurchlässig und frei von Hohlräumen, welche einen Abfluß gestatten könnten, wie etwa in bestehenden oder ehemaligen Flüssigkeitslagerstätten.

Obgleich diese Gesteinsformationen unporös sind, sollen sie doch in Richtung einer Ebene brech- oder spaltbar sein.

Zur Erleichterung des Verständnisses der Erfindung sollen die Zeichnungen über deren Einzelheiten Auskunft geben.

Fig. 1 ist der schematische Vertikalschnitt eines Schachts, der die durchstoßene undurchlässige Ge-Steinsformation zeigt, welche aufgebrochen werden muß und in welche der radioaktive Abfall eingepumpt und in welcher er gelagert wird;

Fig. 2 zeigt den Schacht 12 in der Aufsicht und eine noch zu erläuternde Anordnung von Kontrollschachten 13 bis 20;

Fig. 3 zeigt den schematischen Vertikalschnitt eines Schachtes, in den der radioaktive Abfall eingepumpt wird, und zweier Kontrollschächte.

Fig. 1 zeigt eine Anlage zur Lagerung radioaktiver Abwasser mit Hufe eines einzelnen Schachtes. Wie aus dieser Figur hervorgeht, durchdringt der Schacht 1 die unporöse Gesteinsformation 2, in welcher das radioaktive Abwasser untergebracht werden soll. Diese Formation ist durch die Verschlüsse 3 und 4 isoliert, um eine Verteilung in die angrenzende Gesteinsformation zu unterbinden. Der untere Teil des Schachtes 1, der sich in der Schicht 2 befindet, ist bei 5 durchlöchert. In dem Schacht 1 befindet sich eine Dichtung 6 und ein Rohr 7. Am oberen Teil des Schachtes 1 und des Rohres 7 ist eine Aufbrechvorrichtung 8 und ein Abwasserbehälter 9 angebracht. Die Aufbrüche 10, 10', 11 und 1Γ sind die künstlichen Behälter, in welche die radioaktiven Abwasser durch das Rohr 7 aus dem Behälter 9 mittels der Einrichtung 8 eingepumpt werden.

Fig. 3 zeigt einen Einpumpschacht 12 und Kontrollschächte 16 und 20 und einen nach 20 und 21 verlaufenden Durchbruch, der durch Einbringen von Dichtungsmasse in die Schächte 12, 16 und 20 abgedichtet ist, wie bei 4 ersichtlich ist. Das abgeschlossene Abwasser 22 ist zwischen den Schächten 12 und 20 in dem Aufbruch gezeigt. Fig. 3 zeigt noch einen weiteren Bruch 10, der noch nicht voll ausgebreitet ist und in den der Strom radioaktiven Abwassers eingepumpt wird.

Die Bohr-und Aufbrechtechnik gleicht der für Bohrungen von Öl- und Wasserschächten angewendeten.

Nach dem Verfahren gemäß der Erfindung wird zunächst ein Schacht in der Weise gebohrt, daß er in eine unporöse Geseinsformation so tief hineinragt, daß eine Abschirmung gegen den energiereichsten Anteil des Abwassers besteht. Der Schacht wird dann mit einer Auskleidung versehen, die oberhalb und unterhalb der aufbrechbaren Formation z. B. mit Zement abgedichtet wird, um ihre Isolation sicherzustellen. Im einfachsten Falle wird die Formation in hauptsächlich horizontaler Richtung aufgebrochen. Dies kann mittels eines bekannten Verfahrens geschehen, nämlich durch Schießen, Fräsen, Auslaugen mit Säure u. dgl., gefolgt von dem Einpumpen einer Aufbrechflüssigkeit. Wichtig ist hierbei, daß ein einzelner Aufbruch in hauptsächlich horizontaler Richtung entsteht. Die Abwasserbeseitigung geschieht durch Einsatz des Abwassers als Aufbrechflüssigkeit, indem der Aufbruch durch Einpumpen der radioaktiven Flüssigkeit bei einem Druck, der größer als der Gesteinsdruck ist, vorangetrieben wird. Wird ein bestimmter Bruch als erschöpft angesehen, so wird er abgedichtet, um ein Entweichen des radioaktiven Abfalls zu verhüten.

Während ein einfacher Schacht nur einen einzigen Aufbruch enthält, ist es möglich und im allgemeinen erwünscht, diesen zu isolieren und vom selben Schacht aus weitere Aufbrüche vorzutreiben. In einer solchen Anlage ist es dann möglich, Abwässer in einer Vielzahl von Aufbrüchen, die radial um einen einzigen Schacht angelegt sind, unterzubringen. Es dürfte notwendig sein, die Anzahl dieser radial angeordneten Brüche niedrig zu halten, um zwischen den Aufbrüchen ausreichende Querabschnitte zur Aufnahme der von dem Abfall entwickelten Wärme zu behalten. Dies dürfte je nach dem Ausmaß der Radioaktivität des neu einzupumpenden und des bereits in einem benachbarten, isolierten Aufbruch untergebrachten Abwassers etwas unterschiedlich sein. Das läßt sich leicht berechnen, wenn das Ausmaß der Radioaktivität bekannt ist. Die Abmessungen sind so zu gestalten, daß die Wirksamkeit der Querabschnitte als Wärmeableiter gesichert ist, damit keine Durchbrüche mit ihren weittragenden Folgen entstehen. Gewöhnlich beträgt

die Stärke der im allgemeinen parallelen Querabschnitte aus unporöser Gesteinsformation, die eine ausreichende Wärmeableitung gewährleisten sollen, 1,50 m. Querabschnitte von weniger als 1,50 m Dicke können ausreichen; der heutige Stand der Technologie bedingt jedoch die Beschränkung auf 1,50 m.

Im allgemeinen werden die zur Beseitigung radioaktiver Abwässer zu verwendenden undurchlässigen hohlraumfreien Formationen in Tiefen von 1500 m und weniger angetroffen; gleichwohl ist die Beseitigung in Gesteinsformationen größerer Tiefen ausführbar. Tiefen von weniger als 15 m sollten für hochaktive Abwässer nicht verwendet werden, da sie keine ausreichende Abschirmung gewährleisten. Ais praktisches Maß der Vorsicht bestimmt jedoch das Wasserniveau die Tiefe. Das sind gewöhnlich einige hundert Meter, beispielsweise 250 m. Nichtsdestoweniger lassen sich Stätten finden, bei denen Tiefen von vielleicht 30 oder 60 m ausreichen. Ein Aufbrechen gelingt in Tiefen von mehr als 3660 m. Bei größeren Tiefen als 6100 m trifft man die unterirdische Schicht in einer als plastisch bezeichneten Form an. Ist eine Schicht plastisch, so läßt sich ein horizontaler Aufbruch schwierig in die Wege leiten und nur unter bestimmten Umständen vorantreiben. Im Falle der erfindungsgemäß bevorzugten Formationen lassen sich horizontale Aufbrüche leicht einleiten und ebenso weitertreiben. Aus wirtschaftlichen Gründen werden Bohrungen in Gesteinsformationen geringerer Tiefe auf jeden Fall bevorzugt, solange die Abschirmung entsprechend ist; die tieferen, hohlraumfreien Formationen werden jedoch nicht völlig ausgeschlossen. Die erfindungsgemäß verwendeten Formationsarten sind häufig in kilometerlanger horizontaler Ausdehnung zu finden. Sie sind oft recht dick, beispielsweise 300 m und mehr. Das große Fassungsvermögen zur Lagerung läßt sich leicht abschätzen, wenn man berücksichtigt, daß sich eine solche Formation in eine Vielzahl von Zonen aufbrechen läßt. Eine Formation von beispielsweise 300 m Dicke hätte, wenn sie in Zonen von 1,50 m Abstand aufgebrochen würde und wenn jede Zone eine durchschnittliche Fläche von 2,6 km² besäße, ein Fassungsvermögen in m³, die für die großen zu beseitigenden Abwassermengen ausreichen würde.

Erfindungsgemäß bevorzugt wird eine hohlräumfreie Formation, die von einem Ton mit Ionenaustauscheigenschaften begrenzt wird. Dies ist nicht entscheidend, aber wünschenswert, da für den Fall, daß wider Erwarten Abwasser aus der Formation infolge Nichtbeachtung der hier ausgeführten Vorsichtsmaßregeln entweichen kann, dieses Abwasser zumindestens von einer weiteren Ausbreitung nach gefährlicheren Orten hin zurückgehalten wird. Dies ist nicht notwendig, wenn an der Erfindung und den Vorsichtsmaßnahmen festgehalten wird.

Sobald der hydrostatische Druck des radioaktiven Abwassers die Festigkeit der Gesteinsformation überschreitet, bricht oder zerteilt sich diese. Der Druck hört auf anzusteigen, wenn Flüssigkeit eingepumpt wird, und nimmt einen konstanten Wert an. Die Messungen des Flüssigkeitsdruckes an der Oberfläche zeigen auf diese Weise an, daß der Gesteinsdruck der Formation erreicht ist. In großen Tiefen allerdings ist der zum Überwinden der Gesteinsfestigkeit erforderliche Druck gering im Vergleich zu dem zum Heben der überstehenden Last benötigten Druck. Wenn man es, je nach den Umständen, für richtig hält, wird das Einpumpen des Abwassers beendet; der Aufbruch wird durch Zementieren verschlossen. Der gleiche Vorgang kann dann in derselben Formation in anderer Höhe wiederholt werden.
Der erforderliche Druck in atü ist etwa der Tiefe der Formation in m proportional. Dieser Druck variiert jedoch von Ort zu Ort je nach der Tiefe und der Natur der Formation, ihren Faltungen usw.
Das Aufbrechen und Weitertreiben der Brüche

ίο unter Beseitigung radioaktiven Abwassers darf nie bis zum Rande der betreffenden Formation fortgesetzt werden. Dies hätte einen Durchbruch zur Folge und würde radioaktives Material in angrenzende Schichten oder sogar an die Erdoberfläche oder andere ebenso gefährliche Stellen unter der Oberfläche gelangen lassen.

Ein Weg zur Verhütung von Abwasserdurchbrüchen an den Rändern der Formation ist der Bau von umhegenden Kontrollschächten in derselben Formation. Diese Kontrollschächte werden mit Anzeigegeräten für radioaktive Stoffe und einer automatischen Signalanlage ausgerüstet. Diese können verschiedenen Typs sein und sind dem Fachmann bekannt; Hauptsache ist, daß das Personal den Durchbruch an den Kontrollschächten erfährt, so daß das Einpumpen in den Ausbruch beendet wird. Der Aufbruch kann dann am Einpump- und am Kontrollschacht zugestopft werden, um das radioaktive Abwasser aufzubewahren. Der Vorgang läßt sich dann in derselben Formation unter Benutzung derselben Einpump- und Kontrollschächte wiederholen.

Die Anzahl der Kontrollschächte sollte nicht weniger als drei betragen, dagegen kann jede größere Zahl zur Anwendung kommen. Eine Höchstzahl läßt sich unmöglich voraussagen, da sie völlig von den besonderen örtlichen Verhältnissen abhängt. Fließt beispielsweise in der Nachbarschaft des Abwasserschachtes ein Fluß, so wird es zweckmäßig erscheinen, eine beträchtlich größere Anzahl von Kontrollschachten an dieser Seite anzulegen, da ein Durchbruch zum Fluß hin verheerende Folgen haben könnte. Es ist zu berücksichtigen, daß mit zunehmender Anzahl von Kontrollschächten steigende Gesamtkosten verbunden sind, ebenso jedoch ist zu berücksichtigen, daß Sicherheit ausschlaggebend ist. Gesamtkosten und Sicherheit lassen sich jedoch ohne Schwierigkeit in Einklang bringen. Die Einzelkosten derartiger Kontrollschächte lassen sich durch Benutzung eines geringeren Durchmessers gegenüber dem bei einem Einpumpschacht verwendeten senken. Die Bohrung des Einpumpschachtes sollte am besten in beträchtlicher Entfernung von einer Verwerfung oder Faltung geschehen. Zumindest sollte der Aufbruch nur dann in Richtung einer Verwerfung oder Faltung eingeleitet werden, wenn diese sich in einiger Entfernung vom Bohrschacht befinden.

Eine weitere Vorsichtsmaßnahme ist die Vermeidung jeglichen vertikalen Aufbruchs. Sollte ein vertikaler Aufbruch trotz entgegengesetzter Bemühungen auftreten, so wird es im allgemeinen zweckmäßig erscheinen, den betreffenden Aufbruch zuzustopfen und aufzugeben; die Richtung eines Aufbruchs läßt sich jedoch fast ausnahmslos kontrollieren, wenn die Schicht nicht plastisch ist.

Beispielsweise wurde ein Schacht in eine unporöse Gesteinsformation gebohrt und dieses gemäß den obigen Ausführungen aufgebrochen, um in einem Gebiet von 40,5 a einen Aufbruch von 6,3 mm Dicke

zu erzielen; das Fassungsvermögen betrug etwa 0001. Wurde der Aufbruch erweitert auf ein. Gebiet von etwa 2,6 km², so ergab sich ein Fassungsvermögen von 16 000 0001. Der geschlossene Aufbruch behält dieses Abwasser wegen der Unmöglichkeit eines Entweichens unbeschränkt.

Claims (7)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Verfahren zur unterirdischen Beseitigung ίο radioaktiver Abfallflüssigkeiten durch Einpumpen in tiefe. Schächte, dadurch gekennzeichnet, daß eine unporöse Gesteinsformation in einer zur Abschirmung gegen den energiereichsten Anteil der radioaktiven Strahlung der Abfallflüssigkeit genügenden Tiefe kontrolliert so aufgebrochen wird, daß der Aufbruch auf die unporöse Gesteinsformation beschränkt bleibt, die radioaktive Abfallflüssigkeit durch eine die unporöse Gesteinsformation durchragende Schachtbohrung in diesen Aufbruch hineingepumpt und der mit xadioaktiver Abfallflüssigkeit beladene Aufbruch in der unporösen Gesteinsformation abgedichtet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abfallflüssigkeit unter einem Druck, der den Gesteinsdruck übersteigt, durch den Bohrschacht so hineingepumpt wird, daß die erzielte Erweiterung des Aufbruchs auf das Innere der unporösen Gesteinsformation beschränkt bleibt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Aufbrechflüssigkeit die radioaktive Abfallflüssigkeit verwendet wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das kontrollierte Aufbrechen in einer hauptsächlich horizontalen Richtung in einer Tiefe zwischen 15 und 6000 m von dem Bohrschacht aus ausgeführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das kontrollierte Aufbrechen in einer Tiefe von 15 bis 3660 m ausgeführt wird.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der Nachbarschaft des Bohrschachtes mindestens ein Kontrollschacht in der unporösen Geseinsformation zur Bestimmung des seitlichen Ausmaßes und der Richtung des Aufbruchs angelegt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß Kontrollschächte in Abständen rund um die Schachtbohrung angelegt werden.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Zeitschrift »Atompraxis«, Bd. 2, S. 272 bis 274.

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