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Verfahren zum Beseitigen von zerkleinerten, festen, radioaktiven Abfallstoffen
Die Erfindung bezieht sich'auf ein Verfahren zum Beseitigen von zerkleinerten, festen,
radioaktiven Abfallstoffen durch Speicherung in unterirdischen Formationen.
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Die Verwendung der Atomenergie zur Krafterzeugung oder für andere
Zwecke hat eine Anhäufung von radioaktiven Abfallstoffen zur Folge, die so beseitigt
werden müssen, daß sie die öffentliche Sicherheit nicht gefährden. Die Radioaktivität
dieser Stoffe zerfällt so langsam, daß viel Zeit vergeht, bevor die Abfallstoffe
genügend harmlos sind, damit sie durch Auflösung oder andere konventionel.le Verfahren
beseitigt werden können.
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Die radioaktiven Abfallstoffe müssen während ihres Zerfalls abgeschirmt
werden, wobei die Abschirmung genügend undurchlässig sein muß, damit de radioaktiven
Stoffe nicht durch oder um die Abschirmung herum austreten können.
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Flüssiger radioaktiver Abfall wird im allgemeinen in die drei Gruppen
schwachaktiv, mittelaktiv und starkaktiv eingeteilt. Schwachaktiver Abfall hat im
allgemeinen flüssige Form mit Lösung der radioaktiven Bestandteile in einer Flüssigkeit,
die Wasser oder eine andere Flüssigkeit sein kann. Zum Beispiel kann der schwachaktive
Abfall eine Lösung sein, die radioaktive Isotopen, wie Strontium - 9o und w Cäsium
- 137 enthält. Das spezifische Gewicht der schachaktiven Abfallösung kann größer
als 1 sein und die Radioaktivität des Abfalls ist kleiner als lo 6 Curie je Gallone.
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Mittelaktiver flüssiger Abfall hat einen Radioaktivitätsspiegel in
der Größenordnung von o,ol bis l,o Curie je Gallone. Dieser Abfall entsteht hauptsächlich
in der chemischen Aufarbeitung von bestrahlten Brennelementen, die spaltbares Material
enthalten.
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Hochaktiver flüssiger Abfall hat eine Radioaktivität größer als loo
Curie je Gallone. Dieser hochaktive flüssige Abfall entsteht beim Aufarbeiten von
Brennelementen.
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Hochaktive Flüssigkeiten und Schlämme sind gewöhnlich wässrige Lösungen
oder dünnflüssige Suspensionen von Zerfallprodukten. Cm allgemeinen haben diese
flüssigen Abfälle eine Radioaktivität zwischen 500 und lo,ooo Curie je Gallone.
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Außer diesen verschiedenen flüssigen Abfällen müssen auch feste Abfallstoffe
beseitigt werden, die stark radioaktiv sind. Hochaktiver fester Abfall hat eine
Radioaktivität zwischen 500 und loo.ooo Curies je Gallone. Feste Abfälle können
verbrauchtes Spaltmaterial, das gesintert ist, oder körnige Produkte aus einem Wirbelbett
enthalten, durch das hochaktiver flüssiger Abfall in körnige Feststoffe umgewandelt
wird.
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Wenn dies festen Stoffe unterirdisch gespeichert werden, müssen die
Speicherstellen wegen der Gefahr des Auslösens durch unterirdisches Wasser sorgfältig
gegen die umgebende Formation abgedichtet werden.
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Es ist bekannt, schwach- und mittelaktive Abfallstoffe in unterirdische
Kammern oder Kavernen einzuführen, die mit Zement oder anderen Mitteln abgedichtet
sind. Schwacht aktive Abfallstoffe bestehen im allgemeinen aus flüssigen Lösungen,
in denen verhältnismäßig geringe Mengen radioaktiver Stoffe gelöst sind. Diese Lösungen
erfordern große Speichervolumen im Verhältnis zu dem Gewicht der in der Lösung enthaltenen
radioaktiven Stoffe. Da die Erzeugung radioaktiver Stoffe stark zunimmt, ist eine
derartige Beseitigung der schwachaktiven Abfallstoffe
unbefriedigend,
weil die verfügbaren unterirdischen Formationen eine beschränkte Aufnahmefähigkeit
haben.
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Starkaktive Abfallstoffe enthalten feste, unlösliche Partikeln, die
in hohem Maße Strahlungsenergie erzeugen. Man hat sie bisher durch Gießen von diese
Partikel enthaltenden Betonblöcken beseitigt, die dann in tiefes Wasser des Ozeans
versenkt werden. Die von diesen festen hochaktiven Abfallstoffen ausgehende starke
Strahlung erfordert eine entsprechende Abschirmung dieser Abfallstoffe. Solche Abschirmungen
sind kostspielig. Außerdem besteht immer die Gefahr eines Brechens der Schirme und
des Mitreißens freigewordener radioaktiver Abfallstoffe durch die Meeresströmungen.
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In dem US-Patent 3 262 274 Nelson ist ein Verfahren zum ;,Beseitigen
von radioaktiven Abfallstoffen mittels eines in eine unterirdische Höhle gepumpten
Zements auf Ölbasis mit Zusatz von festen radioaktiven Stoffen beschrieben.
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Ein solcher Zement auf Ölbasis kann nach dem Härten durchlässig oder
porös sein und durch nachfolgende Behandlung beschädigt werden, beispielsweise bei
der unterirdischen Zerstörung von gehärtetem Zement, der wegen der anfänglichen
Suspension seiner Bestandteile in Öl oder nur wegen
des Abbindens
des ölhaltigen Zements eine hohe Porösität hat.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
zum Beseitigen von festen radioaktiven Abfallstoffen zu entwickeln, wobei die festen
Stoffe in Formationsbrüche gepumpt und dazu verwendet werden, diese Brüche offen
zu halten.
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der Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Einführung/radioaktiven
Abfallstoffe in ein Bohrloch, wobei die festen Abfallstoffe fortlaufend in einem
wasserhaltigen Zement suspendiert und hierin gleichmäßig verteilt werden.
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Eine andere Aufgabe der Erfindung ist ein schnelles und gesteuertes
Mischen von Zementbestandteilen und radioaktiven Stoffen in einem Brunaenkopf, um
den Vorgang des Beseitigens dieser Stoffe zu beschleunigen und bei deren Behandlung
allgemein eine Sicherheit zu gewährleisten.
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Zur Lösung dieser Aufgaben schlägt die Erfindung ein Verfahren zum
Beseitigen von hochaktiven festen radioaktiven Abfallstoffen durch Mischen trockener
zementartiger Stoffe mit flüssigen radioaktiven Abfallstoffen und Wasser vor,
wobei
das Gemisch von trockenem Zement und flüssigem radioaktiven Abfall gerührt wird.
Vorzugsweise wird hochaktiver fester Abfallstoff in trockenen Zement und flüssigen
radioaktiven Abfallstoff eingegeben, während das gesamte Gemisch gerührt wird, um
die Partikeln des festen hochaktiven Radioabfalls im wesentlichen gleichmäßig zu
verteilen. Die in die Mischung eingegebenen festen radioaktiven Abfallstoffe werden
gemessen, um die festen Bestandteile der Mischung begrenzen und steuern zu können.
Die Mischung wird in ein Bohrloch eingeführt und in dieses gepumpt, während das
Abbinden der Zementbestandteile der Mischung verzögert und in der Mischung eine
fortlaufende Wasserphase aufrechterhalten wird. Auf die Mischung wird in der Nähe
einer Formation ein genügender Druck ausgeübt, um ein Aufbrechen der Formation zu
bewirken und die Mischung in diesen Aufbruch zu drücken. Der Formationsbruch wird
mit dem festen radioaktiven Abfallstoff offengehalten und abgestitzt. Die Mischung
wird dann in dem offenen abgestützten Formationsbruch zum Abbinden gebracht. Zwischen
der Mischung und dem Bohrloch wird ein ringförmiger Abschluß aus von radioaktiven
Stoffen freiem Zement in radialer Richtung eingebracht.
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Die Erfindung soll im einzelnen an Hand der Zeichnung erläutert werden,
in der schematisch eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
beispielsweise veranschaulicht ist. Es zeigen: Fig. 1 ein Bohrloch und eine Mischvorrichtung
zum schnellen Mischen von trockenen Zement, Flüssigkeit und festen radioaktiven
Stoffen zur Einführung in eine Erdformationdu das Bohrloch; Fig. 2 zeigt ein wirksames
Verfahren zum Einführen von radioaktiven Abfallstoffen in eine ringformige unterirdische
Zone und den Abschluß der radioaktiven Stoffe durch einen ringförmigen, nicht radioaktiven
zementhaltigen Verschluß, der das Bohrloch umgibt und Fig. 3 zeigt eine Modifikation
der Figur 2, worin ein einziger, nicht radioaktiver Zementring zum Isolieren mehrerer
übereinander
liegender radioaktiver Schichten gegen ein Bohrloch.ver wendet wird.
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In Figur 1 ist ein durch eine Formation 2 niedergebrachtes Bohrloch
mit einem einzementierten Futterrohr 4 dargestellt.
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In dem Futterrohr 4 verläuft in üblicher Weise ein Zementierungsrohrstrang
6 mit einem Packer 8, der schematisch auf dem unteren Ende des Rohrstranges 6 angedeutet
ist. Ìn geeigneter Tiefe wird der Packer 8 expandiert, um eine Formationszone lo
zu isolieren, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren aufgebrochen werden soll.
Das Futterrohr 4 ist in konventioneller Weise in der Zone lo perforiert, um zwischen
ihr und dem Inneren des Futterrohres 4 eine Verbindung herzustellen. Das sich unter
die Zone 10 erstreckende Futterrohr 4 kann auch in Fortfall kommen, oder sein unteres
Ende kann über der Zone lo liegen, in welchem Falle es vor dem Aufbrechen der Formation
nicht perforiert zu werden braucht.
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Zum Mischen von trockenem pulverförmigen Zement mit trockenem körnigen,
wasserunlöslichen, starkaktiven radioaktiven Abfall dient eine in Figur 1 gezeichnete
Mischvorrichtung.
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Der Zement wird in einem Behälter 12 gespeichert und zur Bildung eines
Schlammes mit Flüssigkeit gemischt, die aus mittel- oder starkaktivem radioaktiven
Abfall und Wasser besteht
und aus einem Speicherbehälter 14 zugeführt
ist.
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Eine derartige Vorrichtung zum Mischen von trocknem Zement und Flüssigkeit
zur Bildung eines Zementschlammes ist z. B. beschrieben in Kapitel 14 des Buches
" Petroleum-Engineering " von Gatlen ( Prentiss Hall Inc. 1960 ). Der wässrige Zementschlamm
wird in einen Mischbehälter 16 gefördert, in dem ein kraftangetriebener Rührer 18
zur fortlaufenden Bewegung aer Flüssigkeit angeordnet ist. Aus einem Behälter 20
wird trockner, körniger, starkaktiver, fester radioaktiver Abfall in den Mischbehälter
16 in einem bestimmten Verhältnis zur Menge des dem Behälter 12 zugeführten Zements
gefördert, was laufend überwacht und gemessen wird, wie z. B. in den US-Patentschriften
hathorn et al 3 161 203 oder Copland et al 3 090 439 beschrieben ist. Durch solche
Messung kann das Verhältnis der radioaktiven festen Stoffe zu der gesamten Menge
der Mischung geregelt werden. Dadurch kann eine Betriebsperson mit Sicherheit erreichen
daß genügend feste Stoffe zum Abstützen der Formation verwendet werden und ein zu
hoher Gehalt an festen Stoffen vermieden wird, der die Mischungs-und Aufbrechungsvorgänge
hindern würde.
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In dem Behälter 16 werden mit dem Zementschlamm Mittel zur Verringerung
der Reibung und zur Verzögerung des Abbindens
des Zements gemischt.
Solche Mittel zum Verzögern des Abbindens von Zement in einem Bohrloch sind z. B.
in dem angezogenen Buch von Gatlen auf Seite 273 beschrieben.
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Wenn der Schlamm vollständig durchgemischt und der feste radioaktive
Abfall gleichmäßig in ihm verteilt ist, wird er unter Druck mittels einer Pumpe
22 in das Zementierungsrohr 6 eingeführt. Der Druck der Zementierungsflüssigkeit
muß genügend groß sein, um in der Zone lo seitliche Aufbrüche 24 hervorzurufen,
in welche der Zementschlass fließt. Da in dem Schleim festes radioaktives Abfallgranulat
enthalten ist, werden die Abfallstoffe in den Aufbrechen 24 eingebettet. Das Pumpen
wird fortgesetzt, bis im wesentlichen alle starkaktiven Abfallstoffe in den Aufbrüchen
abgelagert worden sind.
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In dem Aufbruch 24 wirkt das feste radioaktive Abfallgranulat G als
Abstützmittel, das den Aufbruch offenhalt. Dies wird durch die Wände 24a und 24b
des Aufbruches im Zusammenwirken iit dem festen Abfallstoff sichergestellt, wodurch
gleichzeitig verhindert wird, daß dieser während des Abbindens des Schlammes aus
dem Bohrloch austritt.
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In das Zementierungsrohr 6 wird nach dem radioaktiven Schlamm zusätzlicher
Zementschlamm eingeführt, der keine radioaktiven Stoffe enthält und in dem Behälter
16 gemischt worden ist, wodurch das Futterrohr 4 oberhalb des Packers 8 abgedichtet
wird.
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Es empfiehlt sich, den Schlamm mit Mitteln zur Verzögerung des Abbindens
zu mischen, damit genügend Zeit zum Pumpen des Schlammes in die Aufbrüche verbleibt,
bevor der Schlamm uxpumpbar wird.
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Der feste, starkaktive Abfall hat gewöhnlich die Form von Sand oder
Kies. Die gewöhnlich scharfwinklige Gestalt dieser Stoffe ist bei Durchführung des
Aufbrechvorganges entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren besonders vorteilhaft.
Die scharfen Ecken der Partikeln widerstehen ihrer Verschiebung gegeneinander und
gegen die Wände des Aufbruches, und die Partikel wirken dadurch als eingeschlossene
Abstützmittel zum Offenhalten der Aufbrüche, wenn der Zeent in die Fort mation gepumpt
wird und während der Zement härtet.
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Um die Beseitigung von radioaktiven Abfallstoffen zu unterstützen,
ist es zweckmäßig, den flüssigen radioaktiven Abfall mit Wasser zu mischen, bevor
die sich ergebende Flüssigkeit mit Zement gemischt wird, Der gesamte radioaktive
Gehalt des Schlammes sollte jedoch genügend niedrig gehalten werden, um die Gesundheit
des Arbeitspersonals nicht zu gefährden.
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Es ist besonders wichrig, daß das entstehende Betongebilde für Flüssigkeiten
undurchlässig ist. Da Wasser durch oder um die Formation fließen kann, in welche
der radioaktive Abfall abgelagert worden ist, besteht die Gefahr, daß radioaktive
Stoffe aus dem Beton ausgewaschen werden, wenn er genügend porös ist, um dem Wasser
den Durchfluß durch das Innere des Betons zu ermöglichen. Es hat sich gezeigt, daß
der erfindungsgemäße Schlamm ein unporöses Betongebilde ergibt, da er keine Emulsionsbildner
oder nennenswerte Mengen von 61 oder anderen Zusätzen enthält, die eine Porösität
des Betons hervorrufen könnten. Insbesondere muß der Zementschlamm weniger als 5
% Öl oder andere Flüssigkeiten enthalten, die mit dem hydraulischen Zement keine
Reaktion ergeben. Wenn größere Mengen von Öl
oder anderen Flüssigkeiten
in dem Schlamm enthalten sind, können sie Gas erzeugen oder die Bildung von taschen
hervorrufen oder allgemein zu einer durchlässigen Betonbildung beitragen, was unerwünscht
ist.
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In Figur 2 ist ein Verfahren veranschaulicht, um eine in Zement verteilte
radioaktive Masse gegen ein Bohrloch zu isolieren.
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Wie dargestellt, ist eine linsenförmige Zementschicht 25, die festes
radioaktives Material 26 enthält, in der oben beschriebenen Weise in einen Formationsbruch
27 eingeführt worden. Nach dem das radioaktive Material enthaltenden Zementschlamm
wird ein nicht mit radioaktiven Stoffen versetzter Zementschlamm z. B. ein von radioaktivem
Material freier wasserhaltiger Zement in das Bohrloch eingeführt und in die Formation
zurückgepumpt.
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Auf diese Masse oder diesen Pfropfen aus radioaktivfreiem Zement wird
Wasser so weit in das Bohrloch 29 eingefüllt, daß innerhalb des bruches 27 ein ringförmiger
Abschluß 28 gebildet wird. Dieser Abschlußring 28 kann härten, während das Wasser
in dem Bohrloch 29 unter Druck gehalten wird Der gehärtete Zementabschlußring 28
bildet einen
wirksamen Stopfen und isoliert das Bohrloch 29 gegen
die radioaktiven Schichten 25, wodurch die Gefahr eines Austritts oder Auswaschens
von radioaktivem Ma@ terial aus den linsenförmigen Ablagerungen 26 in das Bohrloch
verringert wird.
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Figur 3 zeigt eine weitere Ausgestaltung der Figur 2.
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Nach@@ildung der linsenförigen radioaktiven Ablagerungen 25 wird der
nicht radioaktive Abschlußring 28 gehirtet und eine nachfolgende linsenf5rmige Ablagerung
30 aus radioaktivem Material gebildet, wie dies im wesentlichen an Hand der Figur
1 beschrieben worden ist.
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Dieser Vorgang zur Bildung übereinandergelagerter benachbarter Schichten
aus radioaktive zementhaltigem Material kann fortgesetzt werden, bis eine Reihe
mehrerer aufeinandergestapelter linsenfbrmiger Schichten gew bildet worden ist.
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Die aufbrechende Wirkung jeder linsenförmigen Schicht wird nach Bildung
einer vorherigen Schicht erleichtert durch die Unebenheit der vorher gebildeten
Schichten und der benachbarten Formationen. Infolge dieser Unebenheit kann die Zone
leicht aufbrechen.
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Nachdem die gewUn8chte Anzahl von übereinander liegenden Schichten
gebildet worden ist, kann eine Abschlußschicht 31 aus radioaktive freien Zement
eingebracht werden, wie dies bei dem Abschlußring 28 der Figur 2 beschrieben.
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worden it.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Beseitigung von starkaktivem
festen Abfall in einfacher und sicherer Weise ohne die Gefahr einer Schadigung des
Personals.
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Da der feste Abfall in fester Form abgelagert wird, ist das zur Ablagerung
erforderliche Volumen bedeutend kleL-ner als bei anderen Verfahren., bei denen die
Feststoffe gelöst oder sonstwie in Flüssigkeiten umgewandelt werden, die dann beseitigt
werden. Außerdem können zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorhandene
Zementierungsvorrichtungen verwendet werden, so daß keine zusätzlichen oder neuen
Vorrichtungen beschafft zu werden brauchen.
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Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, daß zum Mischen
des zementhaltigen Materials und des festen radioaktivem Abfalls nur eine geringe
Zeit benöF tigt wird. Infolge dieser Zeitersparnis wird auch die Gefahr von Strahlungsichäden
beim Mischen von trockenem Zement mit flüssigem radioaktiven Abfall und dem anschließenden
unmittelbaren
Zusetzen zu dem festen radioaktiven Abfall wesentlich verringert.
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Durch Messen der festen radioaktiven Abfallstoffe während des Mischvorganges
wird eine wirksame Kontrolle erhalten.
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Die in der Mischung enthaltenen Feststoffe können genau reguliert
werden, so daß eine Mischung erhalten wird, die durch ein Bohrloch gepumpt werden
kann. Zum Regulieren der in der Mischung enthaltenen Feststoffe wird der gesachte
Gehalt der Mischung an radioaktivem Material beeinflußt. Durch Dispersion der Feststoffe
in dem Schlamm sowie ihren Einschluß in den von ihnen abgestützten Aufbrüchen oder
Formationsspalten wird das radioaktive Material wirksam in der Formation verteilt,
Dies verringert die schädlichen Wirkungen der durch das radioaktive Material erzeugten
Hitze.
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Die Verwendung der festen radioaktiven Stoffe als Mittel zum Abstützen
der Aufbrüche hat zwei Wirkungen. Das Material hält durch eine n brot-strab * -
Technik die Formationsaufbrüche offen, so daß diese größere Mengen des radioaktiven
Abfalls aufnehmen können. Die als Abstütz:nittel dienenden festen radioaktiven Stoffe
werden wirksam in den Aufbrüchen durch die Formation selbst eingeschlossen. Infolgedessen
wird die Gefahr, daß feste hochaktive Abfallstoffe
in das Bohrloch
zurückwandern, bevor der Zement abgebunden hat, wesentlich verringert oder sogar
vollstkndig vermieden.
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Der ringförmige radioaktive freie Abschluß, der radial zwischen dem
Bohrloch und einem durch radioaktives Material gebildeten Aufbruch angebracht ist,
verhindert in überaus einfacher aber besonders wirksamer Weise eine radioaktive
Verseuchung des Bohrloches. Mit diesem Abschluß kann das Bohrloch immer wieder ohne
Gefahr, die von der Anwesenheit radioaktiver Stoffe in dem Bohrloch hervorgerufen
wird, zum Einführen radioaktiver Stoffe verwendet werden. Dieser Vorteil hinsichtlich
der Sicherheit wird erreicht, ohne daß das Bohrloch selbst blockiert oder verstopft
werden muß.
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Der ringförmige Abschluß wird vorzugsweise verwendet, um mehrere Ubereinandergelagerte
linsenformige Schichten von eingeführtem radioaktiven Haterial zu isolieren Diese
Ausnutzung des ringförmigen Abschlusses erspart Zeit für die Durchführung des Abschlußvorganges
sowie die hierfür erforderlichen Materialien und Vorrichtungen.