DE19737891A1

DE19737891A1 - Verfahren zur Entsorgung eines mit einem Toxikum, insbesondere Radiotoxikum, kontaminierten Gegenstandes

Info

Publication number: DE19737891A1
Application number: DE1997137891
Authority: DE
Inventors: Gerd Haag; Reinhard Odoj; Werner Von Lensa; Werner Schenk
Original assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 1997-08-29
Filing date: 1997-08-29
Publication date: 1999-03-04
Anticipated expiration: 2017-08-30
Also published as: DE19737891C2; GB2328784A; FR2767957A1; GB9818930D0; GB2328784B; FR2767957B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entsorgung eines mit einem Toxikum, insbesondere Radiotoxikum, kontaminierten Gegenstandes.

Unter der Bezeichnung "Toxikum" wird sowohl ein einzelner toxischer Stoff als auch die Gesamtheit mehrerer im Gegenstand vorhandener toxischer Stoffe verstanden.

Die Entsorgung kontaminierter Gegenstände ist in der konventionellen Technik und insbe sondere im Zusammenhang mit dem Betrieb, der Stillegung und der Beseitigung von kern technischen Anlagen ein bedeutender wirtschaftlicher Faktor. Die Entsorgung kerntechnischer Anlagen bzw. ihrer Komponenten ist insbesondere deshalb aufwendig und damit ein erhebli cher Kostenfaktor, weil die Belastung der Umwelt mit toxischen, insbesondere radiotoxischen Materialien vermieden bzw. gering gehalten werden muß.

Derzeit und in naher Zukunft werden zum Beispiel mehrere Reaktoren mit Moderatoren aus Kohlenstoff, die mehrheitlich zu den ältesten kerntechnischen Anlagen gehören, stillgelegt. Insbesondere in derartigen kerntechnischen Anlagen werden Graphit, Kohlestein und solche Materialien mit anderer keramischer Grundstruktur in vielfacher Weise, z. B. als Moderatoren oder Struktur- und Isolationswerkstoffe, verwendet. Auch metallische Gegenstände, z. B. Gasleitungen aus hochtemperaturbeständigen Legierungen, können kontaminiert werden und sind daher einer entsprechenden Entsorgung zuzuführen. Zu radioaktiven Verunreinigungen dieser Materialien kommt es durch Neutronenaktivierung vorhandener chemischer Verunrei nigungen oder durch Adsorption bzw. Diffusion von Spaltprodukten.

Es ist bekannt, zur Entsorgung schwach radioaktiver Abfälle diese im Meer zu versenken. Diese Verfahrensweise ist ökologisch bedenklich und wird daher schon seit vielen Jahren entsprechend dem diesbezüglichen Londoner Abkommen von den westlichen Ländern nicht mehr praktiziert.

Des weiteren ist es bekannt, schwach aktive Abfälle in speziellen Lagerstätten entweder sofort in einem Endlager oder für Zeiträume von 50 bis 100 Jahren in einem Zwischenlager zu de ponieren. Problematisch sind hierbei die anfallenden hohen Mengen: Zum Beispiel fallen bei einem stillgelegten kohlenstoffmoderierten Reaktor je nach dessen Größe mehrere hundert Tonnen schwach radioaktiver Abfälle an.

Um das Abfallvolumen zu reduzieren, ist es bekannt, schwach radioaktive Abfälle zu ver brennen und lediglich die Verbrennungsrückstände endzulagern. Dabei werden jedoch im Fall von Kohlenstoffstrukturen problematische Radionuklide wie Tritium und ¹⁴C in die Atmo sphäre freigesetzt, und es ist fraglich, ob dies dem Minimierungsgebot entspricht und ob der Ort der Verbrennung und die dort herrschenden Windverhältnisse tatsächlich eine tolerierbare Verdünnung dieser Radionuklide in der Atmosphäre gewährleisten.

Für die sofortige Endlagerung kontaminierter Gegenstände ohne vorherige Volumenreduzie rung fehlen in den meisten Ländern hinreichende und/oder kostengünstige Lagerkapazitäten. Das Mengenproblem wird erheblich dadurch verschärft, daß nicht nur die Menge des Abfalls an sich, sondern auch die Art der Kontamination für den Volumenbedarf eines Lagers bzw. eines Transport- und/oder Lagerbehälters sowie für die jeweiligen Sicherheitsvorkehrungen ausschlaggebend ist. So darf beispielsweise im Falle des Radiotoxikums ⁶⁰Co pro Behälter nur eine bestimmte Menge dieses Isotops eingelagert werden, um gesetzlich festgelegte Grenzwerte der Strahlenbelastung außerhalb des Behälters und für das Betriebspersonal nicht zu überschreiten. Die hierdurch verursachten Mehrkosten entstehen nicht nur für die Bereit stellung der Behälter, sondern auch bei Transport und Endlagerung.

Die Langzeitzwischenlagerung der radioaktiven Abfälle stellt lediglich ein Verschieben der Probleme der Endlagerung dar und kann daher nicht als endgültige Entsorgungsalternative betrachtet werden.

Es ist nun Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, bei dem die vorgenannten Nachteile vermieden oder zumindest gemin dert werden. Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß

a) zur Dekontamination des Gegenstandes mindestens ein Teil des Toxikums durch Aufhei zen des Gegenstandes aus diesem entfernt wird,
b) der entfernte Anteil des Toxikums aufgefangen wird und
c) der dekontaminierte Gegenstand und das aufgefangene Toxikum getrennt weiteren Ent sorgungsschritten zugeführt werden.

Auf diese Weise wird zumindest eine erhebliche Reduktion des Toxikums im Gegenstand und gleichzeitig durch das Auffangen des Toxikums dessen Anreicherung außerhalb des Gegen stands erreicht. Das Mengenproblem bei der Entsorgung wird damit deutlich reduziert: Das in hoher Konzentration vorliegende Toxikum wird bereits beim Auffangen oder anschließend einer geeigneten Einrichtung zugeführt und kann dann auf eine Weise entsorgt werden, wie es bereits für stärker radioaktive Abfälle, z. B. Filter aus kerntechnischen Anlagen, bekannt ist. Im dekontaminierten Gegenstand ist die Konzentration des Toxikums reduziert. Daher kann das Material des Gegenstands unter geringeren Anforderungen zwischen- oder endgelagert werden. So wird es beispielsweise ermöglicht, durch reduzierte Abschirmungsmaßnahmen, insbesondere geringere Behälterwanddicken, das benötigte Volumen und damit gleichzeitig auch die Kosten bei der Endlagerung und beim Transport zu senken.

Die Entfernung des Toxikums beim Ausheizen erfolgt je nach Art des Toxikums entweder durch einfaches Ausgasen eines physikalisch, z. B. durch Adsorption, an der z. B. keramischen Struktur des Gegenstandes gebundenen Toxikums (z. B. Tritium oder Cäsium) oder, falls das Toxikum chemisch gebunden ist (z. B. als Karbid oder Oxid), durch thermische Zersetzung.

Das Auffangen des Toxikums kann z. B. durch Kondensation an Kühlfallen oder Abscheidung an geeigneten Filtersubstanzen oder in Flüssigkeiten realisiert werden.

Sollte ein Toxikum aufgrund der hohen Stabilität der Bindung nicht oder nur über unwirt schaftlich lange Zeiträume hinweg durch Aufheizen des Gegenstandes ausgetrieben werden können, ist es vorteilhaft, das erfindungsgemäße Verfahren so auszuführen, daß das Toxikum durch chemische Reaktion mit einer geeigneten Substanz, z. B. einem Halogen, in eine ther misch aus dem Gegenstand entfernbare chemische Verbindung, z. B. ein Halogenid, überge führt wird.

Es kann auch vorteilhaft sein, das erfindungsgemäße Verfahren so auszuführen, daß, falls das Toxikum an der Oberfläche und/oder in einem oberflächennahen Bereich in Vergleich zum Gegenstandsinneren in einer erhöhten Konzentration vorliegt, diese Oberfläche, bzw. der oberflächennahe Bereich dekontaminiert wird, indem für das Aufheizen eine Temperatur ge wählt wird, bei der ein weiterer Teil des Toxikums aus der Oberfläche bzw. aus dem oberflä chennahen Bereich zum Inneren des Gegenstandes hin diffundieren kann.

Die Dekontamination der Oberfläche bzw. des oberflächennahen Bereiches erfolgt in diesem Fall über zwei gleichzeitig ablaufende Prozesse: die Entfernung des einen Teils des Toxikum s aus dem Gegenstand und die Diffusion eines weiteren Teils in das Gegenstandsinnere. Diese Art der Dekontamination bietet sich bei solchen toxischen Stoffen an, die nur dann in kriti scher Weise auf die Umgebung wirken, wenn sie in oberflächennahen Bereichen gebunden sind, wie z. B. α- und β-Strahler. Es ist dann nicht erforderlich, nahezu die gesamte Menge des Toxikums zu entfernen, wodurch die Dekontamination weniger aufwendig, z. B. bei relativ niedrigen Temperaturen, durchgeführt werden könnte.

In der Dekontaminationsphase wird der Gegenstand Umgebungsbedingungen ausgesetzt, die bei der weiteren Entsorgung, insbesondere bei der Zwischen- und/oder Endlagerung höchst wahrscheinlich nicht mehr auftreten. Eine Restkontamination, die diesen Bedingungen stand gehalten hat, wird daher in der Regel für die Zwischen- und/oder Endlagerung hinreichend stabil im ansonsten dekontaminierten Gegenstand gebunden sein.

Weitere Schutzmaßnahmen können jedoch angebracht sein, da unerwartete Änderungen der Lagerbedingungen nicht völlig ausgeschlossen werden können. Insbesondere gegenüber ho hen Umgebungstemperaturen, hohen Drücken, Schlagbelastungen und dem Angriff physika lisch und/oder chemisch wirkender Substanzen sollte der dekontaminierte Gegenstand stabil sein. Hierfür kann es vorteilhaft sein, das erfindungsgemäße Verfahren so auszuführen, daß zum Schutz gegen das Freisetzen der Restkontamination zumindest eine geschlossene Schicht an der Oberfläche des dekontaminierten Gegenstands durch Infiltration mindestens einer hier für geeigneten Schutzsubstanz, z. B. Pyrokohlenstoff, dichtend und/oder diffusionshemmend ausgebildet wird.

Eine derartige Schutzsubstanz setzt sich insbesondere in die Poren des dekontaminierten Ge genstandes und verhindert insbesondere ein unerwünschtes Eindringen von Substanzen, mit denen die im Gegenstand verbliebenen Reste des Toxikums während der Zwischen- oder Endlagerung chemisch oder durch Lösung ausgetrieben werden könnten. Bestimmte Schutz substanzen, wie z. B. Pyrokohlenstoff, bieten darüber hinaus einen wirksamen Schutz gegen Verbrennen und gegen die Diffusion des toxischen Stoffes zur Oberfläche des Gegenstandes. Die Infiltration des Pyrokohlenstoffs kann beispielsweise bei Temperaturen oberhalb 1000°C geschehen, indem der Gegenstand einer Kohlenwasserstoffatmosphäre ausgesetzt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch so ausgeführt werden, daß zum Schutz gegen das Freisetzen der Restkontamination zumindest eine geschlossene Schicht an der Oberfläche des dekontaminierten Gegenstands durch chemische Reaktion mit einer hierfür geeigneten Sub stanz dichtend und/oder diffusionshemmend ausgebildet wird.

Mit der chemischen Behandlung kann insbesondere eine Inertisierung gegen weiteren chemi schen Angriff erreicht werden. Bei Gegenständen mit einer Kohlenstoffoberflächenschicht kann eine geschlossene Schicht beispielsweise zur Reaktion mit Siliziumverbindungen ge bracht und durch weitere Behandlungsschritte in Siliziumkarbid überführt werden, das auch bei hohen Temperaturen chemisch resistent, d. h. auch gegen Verbrennen sehr beständig ist. Eine derart konditionierte Oberfläche bietet überdies Schutz gegen Eindringen von Substan zen und Ausdiffundieren des Toxikums.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch so ausgeführt werden, daß zum Schutz gegen das Freisetzen der Restkontamination die Oberfläche des dekontaminierten Gegenstands be schichtet wird.

Hierfür können insbesondere CVD-Verfahren, Schlickerverfahren und Plasmaspritzverfahren angewendet werden.

Schließlich kann es vorteilhaft sein, das erfindungsgemäße Verfahren so auszuführen, daß vor, nach und/oder während der Dekontamination des Gegenstandes die Konzentration des Toxikums im Gegenstand und/oder die Konzentration des aufgefangenen Teils des Toxikums kontrolliert wird.

Die Konzentrationskontrolle kann bei radiotoxischen Stoffen beispielsweise γ-spektrome trisch oder mit einem Geigerzähler erfolgen. Die im erfindungsgemäßen Verfahren einzusetzenden Parameter, wie z. B. Temperatur, Ver weilzeiten, Druck, Beschichtungsdicke, sind jeweils abhängig von der Art und ursprünglichen Konzentration des Toxikums sowie den angestrebten Eigenschaften des dekontaminierten Gegenstandes und des aufgefangenen Toxikums und lassen sich anhand der Konzentrations kontrolle individuell festzulegen.

Im folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt.

Als Beispiel für einen zu entsorgenden Gegenstand wird im folgenden von einem in einem Kernkraftwerk eingesetzten Moderatorelement aus Kohlenstoff ausgegangen. Derartige Mo deratoren weisen eine sich aus Graphit und Kohlestein zusammensetzende keramische Struk tur auf. Üblicherweise ist ein derartiger Moderator mit unterschiedlichen toxischen Stoffen kontaminiert. Um diese toxischen Stoffe möglichst weitgehend zu entfernen, wird das Mode ratorelement in einem Hochtemperaturofen durch direkten Stromdurchgang erhitzt. Alternativ kann auch induktiv oder durch gesonderte Heizelemente geheizt werden. Das Aufheizen ge schieht in Vakuum oder unter Schutzgas, um zu verhindern, daß beim Erhitzen durch Reak tion mit dem atmosphärischen Sauerstoff Kohlenmonoxid und Kohlendioxid entstehen, die das in bestrahltem Kohlenstoff in der Regel vorhandene radioaktive ¹⁴C enthalten und daher nicht unkontrolliert entweichen dürfen.

Die Höhe der Temperatur richtet sich nach der Art der toxischen Stoffe und der angestrebten Dekontaminationsfaktoren. Hierbei kann im wesentlichen auf die in der Graphitindustrie be kannte Vorgehensweise zur Graphitreinigung zurückgegriffen werden. Leicht flüchtige toxi sche Stoffe, wie z. B. Tritium oder Cäsium werden bereits bei relativ niedrigen Temperaturen ausgegast. Chemisch am Kohlenstoff gebundene toxische Stoffe müssen bei höheren Tempe raturen durch Pyrolyse von der keramischen Struktur abgelöst werden. Sind einzelne toxische Stoffe hierdurch nicht aus dem Moderatorelement zu entfernen, z. B. schwer zersetzbare Kar bide, können diese durch Zugabe und Infiltration gasförmiger Halogenverbindungen in flüch tige Halogenide umgewandelt werden.

Die aus dem Moderatorelement entfernten toxischen Stoffe werden an Kondensationsplatten abgeschieden oder mittels Fallen oder mittels Filter (z. B. für Tritium) aufgefangen, wo sie dann in einer erheblich höheren Konzentration als im Moderatorelement vorliegen.

Das dekontaminierte Moderatorelement enthält nun allenfalls noch toxische Stoffe, die mit thermischer und/oder thermochemischer Behandlung nicht zu entfernen waren. Daraus folgt daß ein Herausdiffundieren oder Auslaugen dieser toxischen Stoffe auch über extrem lange Zeiträume nicht stattfinden würde. Derart fest in der keramischen Struktur eingebundene toxische Stoffe erlauben es aber, das dekontaminierte Moderatorelement in einem verein fachten Behälter oder ohne umgebenden Behälter zu lagern. In diesem Fall sollten Gegen stände aus brennbaren Materialien, wie z. B. das hier betrachtete Moderatorelement, an der Oberfläche und in den oberflächennahen Bereichen inertisiert werden, in dem z. B. Poren durch Einbringen impermeabler Substanzen verschlossen oder Schutzschichten aufgebracht werden. Des weiteren sollte der Gegenstand wirksam gegen langzeitigen chemischen Angriff und Auslaugen geschützt werden. Die hierfür notwendigen Infiltrationen von oder Beschich tungen mit geeigneten Substanzen können ggf. unmittelbar im Anschluß an den Reinigungs prozeß, also bei den dann erreichten hohen Temperaturen durchgeführt werden.

Das dekontaminierte und gegen Verbrennung und chemischen Angriff geschützte Moderator element kann hiernach unmittelbar mit verringertem Aufwand endgelagert werden. Aufgrund der dann allenfalls sehr niedrigen Restkonzentration an toxischen Stoffen können dekontami nierte Moderatorelemente in höherer Dichte ohne Überschreiten der für die Endlagerung kriti schen Konzentrationen der toxischen Stoffe im Abfallgebinde gelagert werden.

Die während des Ausheizens des Moderatorelements aufgefangenen und in hoher Konzentra tion gesammelten toxischen Stoffe können mit bekannten Methoden, wie sie z. B. für Filter aus kerntechnischen Anlagen durchgeführt werden, entsorgt werden, da ihre Entsorgung kein Mengenproblem darstellt.

Claims

1. Verfahren zur Entsorgung eines mit einem Toxikum, insbesondere Radiotoxi kum, kontaminierten Gegenstandes, bei dem

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Toxikum durch chemische Reaktion mit einer geeigneten Substanz, z. B. einem Halogen, in eine thermisch aus dem Gegenstand entfernbare chemische Verbindung, z. B. ein Halogenid, übergeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß, falls das To xikum an der Oberfläche und/oder in einem oberflächennahen Bereich im Vergleich zum Ge genstandsinneren in einer erhöhten Konzentration vorliegt, diese Oberfläche, bzw. der ober flächennahe Bereich dekontaminiert wird, indem für das Aufheizen eine Temperatur gewählt wird, bei der ein weiterer Teil des Toxikums aus der Oberfläche bzw. aus dem oberflächenna hen Bereich zum Inneren des Gegenstandes hin diffundieren kann.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zum Schutz gegen das Freisetzen der Restkontamination zumindest eine geschlossene Schicht an der Oberfläche des dekontaminierten Gegenstands durch Infiltration mindestens einer hier für geeigneten Schutzsubstanz, z. B. Pyrokohlenstoff, dichtend und/oder diffusionshemmend ausgebildet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zum Schutz gegen das Freisetzen der Restkontamination zumindest eine geschlossene Schicht an der Oberfläche des dekontaminierten Gegenstands durch chemische Reaktion mit einer hierfür geeigneten Substanz dichtend und/oder diffusionshemmend ausgebildet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zum Schutz gegen das Freisetzen der Restkontamination die Oberfläche des dekontaminierten Gegenstands beschichtet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, daß vor, nach und/oder während der Dekontamination des Gegenstandes die Konzentration des Toxi kums im Gegenstand und/oder die Konzentration des aufgefangenen Teils des Toxikums kontrolliert wird.