DE2245149B2

DE2245149B2 - Verfahren zur Bildung von Phosphatglas

Info

Publication number: DE2245149B2
Application number: DE19722245149
Authority: DE
Inventors: Guenter 7520 Bruchsal Krug; Helfrid Dr. 7521 Karlsdorf Lahr; Heinz Dipl.-Ing. 4300 Essen Vornhusen
Original assignee: Deutsche Gesellschaft fuer Wiederaufarbeitung von Kernbrennstoffen mbH; Kernforschungsanlage Juelich GmbH
Current assignee: Deutsche Gesellschaft fuer Wiederaufarbeitung von Kernbrennstoffen mbH; Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 1972-09-14
Filing date: 1972-09-14
Publication date: 1980-08-14
Also published as: NL176659C; DE2245149C3; FR2200212B1; GB1421219A; NL7312602A; BE804640A; DE2245149A1; FR2200212A1; NL176659B; IT1008035B

Description

Zur Isolierung radioaktiver Abfallstoffe von der Biosphäre werden diese nach einem bekannten Verfahren in unlösliches Phosphatglas übergeführt und dieses unterirdisch und grundwassersicher gelagert. Die in Form von Lösungen vorliegenden Abfallstoffe werden zuvor konzentriert und, wenn sie Nitrate enthalten, denitriert sowie durch Zusatz von Alkali auf ein für die Glasbildung günstiges Verhältnis von Mctalloxydcn zu P₂O, eingestellt. Die anfallenden 40 bis 70, insbesondere 50 bis 60 Gewichtsprozent Feststoffe enthaltenden konzentrierten Läsungen bzw. Aufschlämmungen werden sodann kalziniert und in einem Tiegel aufgeschmolzen, aus dem die Schmelze kontinuierlich oder absatzweise in Kokillen geleitet wird.

Wird die Kalzination der konzentrierten Lösung bzw. Aufschlämmung in einer vom Aufschmelzen getrennten Verfahrensstufe vorgenommen, so treten die beim Transport pulverförmiger Substanzen üblichen Schwierigkeiten wie Staub- und Klumpenbildung auf. Besonders die Staubbildung bedingt eine aufwendige Reinigung des Abgases. Aus diesem Grunde und wegen der Einsparung einer gesonderten Prozeßstufe hat die Kombination von Verdampfung. Kalzinierung und Glasbildung Vorteile.

Man leitet die konzentrierte Lösung bzw. Aufschlämmung in den beheizten Schmelztiegel, in dem sich drei Schichten bilden: Die unterste Schicht besteht aus der Schmelze, über ihr liegt eine Mittelschicht aus festem Kalzinat, während sich in der obersten Schicht die wäßrige Lösung bzw. Aufschlämmung befindet. In der obersten Schicht verdampft die noch vorhandene Flsüsigkeit, es bildet sich die mittlere KaI-zinatschicht, die nun ihrerseits in die darunter befindliche Glaszone abschmilzt. Hierbei besteht jedoch die Gefahr, daß durch Hohlräume oder Risse in der KaI-zinatschicht größeie Mengen Flüssigkeit in heißere Zonen gelangen, dort explosionsartig verdampfen und radioaktive Feststoffe in größeren Mengen in die Abgasleistung mitreißen oder sogar den Schmelztiegel beschädigen.

Auch ohne explosionsartige Reaktion setzt sich die Abgasleitung öfters zu, wenn die Einleitung der An-

f al lösung in der Mitte des Tiegels geschieht.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese Gefahr dadurch beseitigt, daß das Verdampfen und Kalzinieren der konzentrierten Lösung bzw. Aufschlä/nmung und das Aufschmelzen des Kalzinates an der Wandung des geheizten Gefäßes - Schmelztiegels vorgenommen wird. Die konzentrierte Lösung bzw. Aufschlämmung wird bei ihrer Einleitung in das Schmelzgefäß so geführt, daß sie im oberen Teil des

ίο Schmelzgefäßes auf dessen Wand bzw. dort bereits gebildetes Kalzinat trifft. Sie füllt nicht den Gesamtquerschnitt des Schmelzgefäßes aus; auch das gebildete Kalzinat befindet sich nur an der Wand des Tiegels. Dort wird es langslam aufgeschmolzen und sinkt in die im unteren Teil des Schmelzgefäßes befindliche Phosphatschmelze ab. Da die Temperatur des Schmelzgefäßes in seinem oberen Teil durch entsprechende Steuerung der Beheizung und durch die entstehende Kühlung beim Verdampfen des Wassers wesentlich niedriger ist als die Temperatur in der unten befindlichen Phosphatschmelze, wird so die Gefahr von plötzlicher Verdampfung größerer Wassermengen vermieden.

Als Schmelzgefäß dient beim erfindungsgemäßen Verfahren zweckmäßigerweise ein zylindrisches oder etwa zylindrisches, aufrecht stehendes Gefäß. Die zu verfestigende Lösung wird mittels geeigneter Maßnahmen, 2. B. durch ein schräg endendes Einleitrohr, bei ihrem Eintritt in das Gefäß an dessen Wand geleitet.

Zweckmäßigerweise wird das Verfahren der vorliegenden Erfindung mit dem Verfahren kombiniert, das in der DE-OS 2240928 unter der Bezeichnung »Verfahren zur Bindung von radioaktiven Abfallstoffen in

.15 Phosphatgläsern« beschrieben ist, bei dem das bei der Verglasung anfallende Gas indie Vorrichtung geleitet, in der die Abfallösung konzentriert und denitriert wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird an Hand der Zeichnung beschrieben:

Als Verdampfungs-, Kalzinier- und Schmelzgefäß dient ein aufrecht stehendes Rohr 1, in dessen oberem Ende das Einleitungsrohr 2 für die in Glas zu überführende Lösung bzw. Aufschlämmung, das Führungsrohr 3 für Thermoelemente und das Abgasrohr 4 eingesetzt sind. Während das Thermoelement-Führungsrohr 3 in der Mitte des Rohres angeordnet ist, befindet sich das Einleitungsrohr 2 am Rande des Schmelzgefäßes; sein unteres Ende ist so abgeschrägt,

so daß die einlaufende Lösung bzw. Suspension an die Wand des Schmelztiegels 1 geleitet wird.

Das Schmelzgefäß befindet sich in einem - in der Zeichnung nicht dargestellten - Ofen, mit dessen Hilfe es so beheizt wird, daß in seinem unteren Teil, der Schmelzzone, die Temperatur 8(K) bis 1000° C, insbesondere etwa 1000° C beträgt, während die Temperatur der Mittelzone - Kalzinationsbereich - bei etwa 700° C liegt und das obere F.ndc des Gefäßes 1 - Beginn der Verdampfungszone - eine Temperatur

w) von etwa 100° C aufweist. Die Temperaturüberwachung und -regelung erfolgt durch Thermoelemente, die im Rohr 3 eingesetzt sind; diese Thermoelemente zeigen zugleich den Füllstand im Schmelzgefäß an. Leitet man durch das Rohr 2 die zu verglasende

fts Lösung bzw. Aufschlämmung in die Vorrichtung, so wird die Lösung durch die Form des Einleitungsrohres an die Wandung des Gefäßes 1 geführt, wo im oberen Teil die noch vorhandene Flüssigkeit verdampft. Die

entstehenden Dämpfe entweichen durch das Abgasrohr 4. Eventuell mitgerissene Feststoffe werden in dem sich selbst reinigenden Zyklon 6 abgeschieden und in das Schmelzgefäß 1 zurücl geführt. An der Wandung des Gefäßes I bildet sich ein Kalzinat, das weiter absinkt, dabei aufgeschmolzen wird und eine Phosphatschmelze· im unteren Teil des Gefäßes 1 bildet. Das untere Ende des Schmelzrohres 1 ist verjüngt und läuft aus in das Abflußrohr 5 für die Glas schmelze. Ist das Abflußrohr 5, wie auf der Zeichnung dargestellt, senkrecht geführt, so wird es zweckmäßigerweise gekühlt, so daß sich in ihm ein Phosphatglasstopfen als Verschluß bildet. Die Entleerung des Gefäßes erfolgt dann durch Aufwärmen dieses Stopfens nach Entfernung der Kühlung. Man kann aber auch dem Abflußrohr 5 eine siphonartige Form geben, wodurch eine kontinuierliche Annahme der Schmelze möglich ist.

Beispiel

Ein Gefäß der in der Zeichnung dargestellten Form mit einem Volumen von 2 1 wurde in einem elektrisch beheizten Ofen mit einer Leistungsaufnahme von 0,8 kW so beheizt, daß die Temperatur in der Schmelzzone etwa 1000° C, in der Mitte etwa 700" C und am oberen Ende etwa 200° C betrug. Durch das Einleitungsrohr wurde zunächst Wasser eingespeist, um den Tiegel auf Betriebsbedingungen zu bringen, wobei die Temperatur am oberen Tiegelende auf 100° C sank. Anschließend wurden mittels einer Dosierpumpe 600 ml/h einer konzentrierten, denitrierten Abfallösung folgender Zusammensetzung zugegeben:

Spaltprodukte

H₃PO,

NO⁴

5,09 g/l

18,35 g/l

204,0 g/l

779,0 g/l

65,0 g/l

Die eingespeiste Aufschlämmung gelangte an die Wand des Tiegels, wo der flüssige Anteil verdampfte. Das entstandene Kalzinat bewegte sich an der Tiegelwandung abwärts und schmolz im unteren Teil auf. In der Abgasleitung wurden Temperaturen von 300 bis 500° C gemessen. Infolge des außerordentlich schonenden und gleichmäßigen Reaktionsablaufs gelangten nur sehr geringe Mengen von Feststoffen in die Abgasleitung, wo sie im Zyklon abgeschieden und in das Schmelzgefäß zurückgeführt wurden.

Mittelseines bis auf den Boden des Schmelzgefäßes reichenden knieförmigen Überlaufes wurde die entstehende Phosphatschmelze in einer Menge von 0,57 kg/h abgezogen und in beheizte Kokillen geleitet. Jeweils nach Füllung wurden diese getempert, wobei die Schmelze zu einem unlöslichen Phosphatglas erstarrte.

Hierzu I Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Bildung von Phosphatglas aus Lösungen bzw. Suspensionen radioaktiver Abfallstoffe durch Verdampfen und Kalzinieren der Lösungen bzw. Aufschlämmungen und Aufschmelzen des Kalzinats in einem in unterschiedlichen Zonen beheizten Gefäß, dadurch gekennzeichnnet, daß Verdampfen, Kalzinieren und Aufschmelzen an der Wandung des Gefäßes vorgenommen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lösungen bzw. Aufschlämmungen Feststoffgehalte von 40 bis 60%. insbesondere 45 bis 55 Gewichtsprozent, aufweisen.

3. Verfahren nach Anspuch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Verdampfen, Kalzinieren und Aufschmelzen an der Wandung eines zylindrischen, aufrecht stehenden Gefäßes vorgenommen werden.