DE2524169C2

DE2524169C2 - Körper mit hochradioaktive Abfallstoffe und/oder Actinide enthaltendem Glasgranulat

Info

Publication number: DE2524169C2
Application number: DE19752524169
Authority: DE
Inventors: Emile Dr. Mol Detilleux; Hubert Dipl.-Chem. Geel Eschrich; Jaques van Dipl.-Ing. Dr. Retie Geel
Original assignee: Deutsche Gesellschaft fuer Wiederaufarbeitung von Kernbrennstoffen mbH
Current assignee: Deutsche Gesellschaft fuer Wiederaufarbeitung von Kernbrennstoffen mbH
Priority date: 1975-05-31
Filing date: 1975-05-31
Publication date: 1985-06-20
Also published as: DE2524169A1

Description

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Die Erfindung betrifft einen Körper mit hochradioaktive Abfaüstoffe und/oder Actinide enthaltendem Glasgranulat.

Hochaktive Abfallösungen müssen zur Endlagerung in den festen Zustand geführt und die dabei erhaltenen Feststoffe in geeignete Behälter gefüllt werden. Zur Verfestigung der Abfallösungen wurden verschiedene Verfahren entwickelt; die wichtigsten sind Kalzination und Verglasung. Nach dem Kalzinationsverfahren werden die Salze enthaltenden hochradioaktiven Abfallösungen z. B. durch Zerstäubungstrocknung oder in einem Fließbett kalziniert. Das Kalzinat hat jedoch den Nachteil, durch Wasser leicht auslaugbar zu sein und muß deshalb in sehr korrosionsbeständigen Behältern gelagert werden. Eine endgültige Beseitigung derartiger Kalzinate in Behältern ist nicht möglich; die Lagerung kann nur für eine begrenzte Zeit und unter dauernder Kontrolle erfolgen.

Man hat versucht, die Auslaugbarkeit der Kalzinate dadurch zu verringern, daß sie in eine Matrix aus Metallen, aus Schwefel und aus anorganischen Salzen eingebettet wurden. Hierdurch wurde aber nur eine geringe Verminderung der Auslaugbarkeit erreicht

Nach dem Verglasungsverfahren werden die hochradioaktiven Abfallösungen in ein Glas überführt durch Aufschmelzen zusammen mit glasbildenden Zusätzen. Verwendet man SiO₂, B₂O₃, CaO und Na₂O als Zusätze, so liegen die Schmelztemperaturen ungefähr bei 1200⁰C. Bei Verwendung von P₂O₅ und Na₂O oder PbO, SiO₂ und B₂O3 als Glasbildner können die Schmelztemperaturen auf 700 bis 900⁰C gesenkt werden.

Wegen der durch Wärmeabgabe und Strahlung der instabilen Kerne auftretenden hohen Temperaturen und Strahlungsbelastungen sowie wegen seiner schlechten Wärmeleitfähigkeit kann das Glas im Laufe der Zeit instabil werden; bei den entstehenden hohen Temperaturen kann eine Entglasung auftreten mit örtlicher Phasentrennung und Rekristallisation, was zu einer erhöhten Auslaugbarkeit der radioaktiven Abfallstoffe führt

Sowohl Kalzinate als auch Gläser sind demnach nicht völlig geeignet für eine endgültige Lagerung oder Beseitigung, entweder weil die in schützenden Behältern untergebrachten Produkte nicht genügend beständig gegen Umwelteinflüsse, wie Auslaugbarkeit durch Wasser sind, wenn der Behälter zerstört werden sollte, oder weil ihre physikalische Stabilität nicht für längere Zeit garantiert werden kann.

Die DE-OS 23 43 241 betrifft ein Verfahren zur Verfestigung radioaktiver Abfallösungen, bei dem die ggf. eingedampften, konzentrierten Lösungen an porösen, vorzugsweise kugelförmigen Granulaten sorbiert werden. Die Granulate bestehen vollständig oder überwiegend aus weitporigem Kieselgel und/oder Aluminiumoxid. Das mit derartigen Lösungen getränkte Granulat wird zur Überführung der Salze in Oxide und zumindest teilweistn Umsetzung derselben mit dem Adsorptionsmaterial auf mindestens 400⁰C erhitzt. Es handelt sich hier also um die Verfestigung durch Adsorption von Lösungen an porösem Material mit anschließendem Trocknen und chemischer Reaktion. Es hat sich gezeigt, daß die so hergestellten, die radioaktiven Abfallstoffe enthaltenden Körper nicht endgültig lagerfähig sind. Sie sind nicht ausreichend auslaugbeständig und weisen vor allem keine zufriedenstellende Wärmeleitfähigkeit auf. Außerdem wird in der DE-OS 23 43 241 noch auf die Möglichkeit der Überführung radioaktiver Abfallösungen in Glasgranulat und dessen Lagerung in einem Behälter hingewiesen, womit ein Körper der eingangs genannten Art gebildet wird.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Körper mit hochradioaktive Abfallstoffe und/ oder Aktinide enthaltendem Glasgranulat so auszubilden, daß dieser Körper auslaugbeständig und physikalisch und chemisch stabil ist und eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzt. Die Aufgabe besteht auch darin, ein hierfür geeignetes Verfahren anzugeben.

Diese Aufgabe wird durch die Ausbildung gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 5 gelöst.

Die erfindungsgemäßen Körper weisen eine geringe Auslaugbarkeit und hohe physikalische Beständigkeit auf. Durch die Einbettung des Glasgranulats in Metall oder in eine Metallegierung erhalten die Körper eine hohe Wärmeleitfähigkeit, die um den Faktor 10 bis 50 höher ist als bei den bisher bekannten, hochradioaktiven Abfall enthaltenden Gläsern oder glasariigen Produk-

ten. Hierdurch bleibt die Temperatur im Zentrum des Körpers unterhalb der Temperatur, bei der die nachteilige Rekristallisation oder Entglasung aul tritt, die bei den bekannten Gläsern oder glasartigen Produkten zu der nachteiligen erhöhten Auslaugbarkeit führt Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, daß die Gefahr einer Verflüchtigung von Spaltprodukten während der Lagerung aufgrund der geringeren Temperaturen innerhalb der Einbettung verringert ist Durch die Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit ist es möglich, Körper mit größerem Durchmesser vorzusehen, bei gleicher zulässiger Höchsttemperatur in der Mitte des Körpers.

Die erfindungsgemäßen Körper haben weiterhin den Vorteil, daß sie ihre günstigen Eigenschaften während der endgültigen Lagerung in Ablagerungsstätten ohne zusätzliche Behandlung beibehalten. Aus dem aus festem Abfall und Metallegierungen bestehenden Körper können die radioaktiven Granalien zu jed^r Zeit wiedergewonnen werden durch Erhitzen des Produktes über den Schmelzpunkt der Metallmatrix.

Vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Aufgabenlösung sind in den Unteransprüchen 2 bis 4 angegeben. Bei Verwendung von Bleilegierungen ergibt sich der Vorteil, daß die Körper aufgrund des hohen Bleigehaltes einen hohen spezifischen Adsorptionskoeffizienten für ß- und ^-Strahlen aufweisen und dementsprechend selbsttätig abschirmend wirken. Dies vereinfacht den Transport und die Handhabung der Körper, da geringere zusätzliche Abschirmungsmaßnahmen notwendig sind.

Die niedrige Schmelztemperatur von Bleilegierungen ermöglicht das Arbeiten bei Temperaturen unter 35O⁰C, also weit unterhalb der Verfahrenstemperaturen, die bei den bisher bekannten Techniken für die Verfestigung und Behandlung von hochradioaktivem Abfall notwendig sind. Das Verfahren ist deshalb sehr günstig für die Verarbeitung von Phosphatgläsern. Zusätzlich erleichtert die niedrige Verfahrenstemperatur die Konstruktion von Vorrichtungen zur Herstellung der Körper und es wird die Zersetzung der radioaktiven Abfall enthaltenden Granalien und die Verflüchtigung von Spaltprodukten wie Ruthenium, Cäsium und Strontium vermieden.

Ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Körper ist im Anspruch 5 angegeben. Die Füllung des korrosionsbeständigen Behälters kann dabei so erfolgen, daß der Metallanteil sehr gering gehalten wird und für das Glasgranulat praktisch eine dichte Kugelpackung erzielbar ist, so daß eine Erhöhung des Schüttvolumens der Glasgranalien nicht auftritt. Das Matrixmetall füllt praktisch nur die leeren Räume in der dichten Kugelpackung der Glasgranalien aus.

Vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen des Verfahrens sind in den weiteren Ansprüchen 6 bis 8 angegeben. Ausführungsbeispielc der Erfindung sollen nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigt

F i g. 1 eine erste Vorrichtung zur Herstellung eines Körpers mit hochradioaktive Abfallstoffe und/oder Aktinide enthaltendem Glasgranulat,

F i g. 2 einen Schnitt durch den bei der Vorrichtung nach Fig. 1 verwendeten Behälter zur Herstellung des Körpers,

F i g. 3 eine zweite Vorrichtung zur Herstellung des Körpers, bei dem ein Behälter mit teilweiser Vorfüllung mit Metallschmelze eingesetzt wird, und

F i g. 4 eine weitere Vorrichtung zur Herstellung des Körpers, bei dem ein Behälter mit vollständiger Vorfüllung mit Metallschmelze verwendet wird.

Die in der Zeichnung in den Figuren dargestellte Vorrichtung besteht aus einem zylindrischen Behälter 1 mit einer Wand 2 aus Edelstahl, die eine Kammer 3 umschließt

Die Behälter weisen untere und/oder obere Seitenöffnungen 5 und 6 auf.

An der Öffnung 5 der Vorrich tung nach F ä g. 1 ist ein Einleitungsrohr 7 mit kleinerem Durchmesser, aber größerer Höhe als der Behälter 1 angebracht An der seitlichen Abflußöffnung 6 befindet sich ein Ableitungsrohr T. Unterhalb der Abflußöffnung 6 ist über dem Querschnitt der Kammer 3 ein Sieb oder Netz 8 angebracht, dessen Löcher bzw. Maschen kleiner sind als die Durchmesser von in den Behälter einzufüllenden Glasgranalien 4.

Die Kammer 3 wird vollständig mit geschmolzener Legierung 9 gefüllt Die Oberfläche des flüssigen Metalls im Einleitungsrohr 7 wird mittels Überdruck in sei-

nem oberen Teil etwa auf die Höhe der Öffnung 5 gesenkt. Dann werden Glasgranalien 4, die eingebettet werden sollen, durch das Einleitungsrohr 7 zugeführt treten durch die Öffnung 5 in die Kammer 3 und füllen diese allmählich. Das verdrängte Matrixmaterial fließt durch das Ableitungsrohr T ab und füllt einen weiteren Behälter der gleichen Art, in dem anschließend Glasgranalien eingebettet werden sollen. Die Zuführung der Granalien w'rd beendet, sobald sie die Kammer bis zum Sieb 8 ausfüllen. Nun kühlt sich das System ab, die Rohre 7 und T werden entfernt und die verbleibenden Löcher können mit weiterer Legierung ausgefüllt werden. Anschließend werden die Löcher vorzugsweise mit Hilfe einer Edelstahlplatte verschlossen, die über jedes Loch geschweißt wird.

F i g. 2 zeigt den erhaltenen Körper im Querschnitt. Der Behälter 1 kann seinerseits in einen größeren Behälter gestellt und geschmolzene Legierung in den Raum zwischen den beiden Behältern eingeführt werden. Hierfür kann die von den Granalien verdrängte Legierung bzw. ein Teil davon dienen.

Es ist auch möglich, die Kammer 3 nur zu dem Teil, der dem späteren Leerraum zwischen den Glasgranalien entspricht, mit Metall bzw. Metallegierung vorzufallen. Diese Arbeitsweise, die insbesondere bei Gläsern mit geringerer Wärmeentwicklung und demgemäß geringerem Kühlbedarf in Betracht kommt, wird nachfolgend anhand der F i g. 3 beschrieben.

Das Einleitungsrohr 7 ist durch die Decke des Behälters 1 geführt und endet in kurzem Abstand vom Boden des Behälters. Der obere Teil der Kammer 3 ist mit einem Sieb 8 ausgestattet, und die in der Decke angeordneten Abflußöffnungen 6 sind mit einer Vakuumpumpe verbunden. Der Behälter 1 wird zu etwa 40 Vol.-% mit Metall 9 vorgefüllt und über die Schmelztemperatur des Metalls erhitzt. Die Oberfläche des flüssigen Metalls in dem zentralen Einleitungsrohr 7 wird bis auf die Höhe des Rohrendes mittels entsprechendem Unterdruck im oberen Teil der Kammer 3 gesenkt. Dann werden durch das Einleitungsrohr 7 Granalien eingeführt, die durch ihr Gewicht unter die Metalloberfläche gedrückt werden. Die Granalien schwimmen innerhalb der Kammer 3 in dem Metall auf und sammeln sich auf dessen Oberfläche. Diese Metalloberfläche steigt bei kontinuierlicher Zuführung neuer Granalien an, bis sie das Sieb überschreitet. In diesem Moment wird die weitere Zufuhr von Granalien beendet und das Einleitungsrohr 7 mit Hilfe des Edelstahlverschlusses 10, der ein Sieb in seinem unteren Teil trägt, verschlossen.

Nachdem das Vakuum von der Kammer 2 genommen wurde, wird der Behälter gekühlt.

Zweckmäßig ist es, die Oberfläche des flüssigen Metalls im EirJeitungsrohr 7 durch Überdruck in diesem Rohr anstatt durch Unterdruck in der Kammer 3 auf die gewünschte Höhe zu bringen.

Die F i g. 4 zeigt, daß es auch möglich ist, mit vollständiger Vorfüllung der Kammer 3 mit Metall 9 zu arbeiten. Das Arbeitsverfahren entspricht grundsätzlich dem im Zusammenhang mit der Fig.3 beschriebenen Verfahren, so daß hierauf verwiesen werden soll. Falls die aus den Abflußöffnungen 6 ausfließende, von dem Glasgranulat verdrängte Metall- oder Metallegierungsmasse 9 nicht zur Füllung des Raumes zwischen dem Behälter t und einem größeren Behälter, in den ersterer ge- is stellt ist, dient, sollten die Abflußöffnungen 6 nach der Behälterseite verlegt und mit einem Abflußrohr 7' bestückt sein, wie dies bei der Vorrichtung nach F i g. 1 dargestellt ist Nachfolgend sollen noch einige Beispiele zur Verdeutlichung des Herstellungsverfahrens der beschriebenen Körper angegeben werden.

Beispiel 1

Ein Edelstahlbehälter, wie in F i g. 3 dargestellt, von 0,5 I Inhalt wurde zu 35% seines Volumens mit einer Legierung aus 84Gew.-°/o Blei, 12Gew.-% Antimon und 4 Gew.-°/o Zinn gefüllt Der Behälter mit der Legierung wurde über den Schmelzpunkt der Legierung erhitzt Die Oberfläche des Metalls im Einleitungsrohr wurde bis zu dessen Auslaß gesenkt durch einen entsprechenden Unterdruck im oberen Teil des Behälters. Das Einleitungsrohr wurde dann mit den Glasgranalien beschickt. Während das Einleitungsrohr kontinuierlich mit neuen Glasgranalien gefüllt wurde, stiegen in der Kammer die Granalien und die Metalloberfläche. Sobald die Metalloberfläche das Sieb überschritt wurde die Zufuhr von Granalien beendet Das Einleitungsrohr wurde mit einem Verschluß aus Edelstahl geschlossen und der Unterdruck aufgehoben. Anschließend wurde der Behälter abgekühlt und die Metallmatrix verfestigte sich.

Das erhaltene Produkt bestand aus einem zylindrischen Block, wie in F i g. 2 gezeigt mit einer äußeren Wand aus Edelstahl, die von der Wand des Behälters gebildet wurde, und einem inneren festen Körper aus Glasgranulat das vollständig in der Bleilegierung eingebettet war, ohne Leerraum zwischen dem inneren Körper und der Edelstahlwand.

Beispiel 2

Glasgranalien wurden in einen Behälter gemäß F i g. 4 mit 0,51 Inhalt gegeben, das mit der gleichen Legierung wie im Beispiel 1, jedoch vollständig, vollgefüllt war, durch das Einleitungsrohr geführt Der Edelstahlbehälter stand in einem zweiten, etwas größeren Behälter und die verdrängte Legierung füllte den Raum zwischen beiden Behältern. Nach vollständiger Füllung des Behälters mit dem Glasgranulat wurde der Behälter ge- ω kühlt und die Legierung erstarrte. Die erhaltene Matrix aus Glasgranulat und Bleilegierung war von einem Edelstahlzylinder und einer weiteren Schicht Bleilegierung umgeben.

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Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Körper mit hochradioaktive Abfallstoffe und/ oder Actinide enthaltendem Glasgranulat, dadurch gekennzeichnet, daß das Glasgranulat in einer Matrix aus reinem Metall oder Metallegierungen eingebettet ist.

2. Körper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der Matrix aus Blei, Blei-Antimon-Legierungen, Blei-Zinn-Legierungen, Blei-Wismut-Legierungen, Blei-Zink-Legierungen oder deren Mischungen, Aluminium-Silicium-Legierungen, Aluminium-Magnesium-Legierungen, Aluminium-Kupfer-Legierungen oder deren Mischungen be- is s,^feht

3. Körper nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix aus einer Blei-Antimon-Zinn-Legierung besteht

4. Körper nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung 84% Blei, 12% Antimon und 4% Zinn enthält

5. Verfahren zur Herstellung der Körper nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein korrosionsbeständiger Behälter mit dem metallischen Matrixmaterial bei einer Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur des Metalls gefüllt, das die hochradioaktiven Abfallstoffe enthaltende Glasgranulat in den Behälter eingeführt und der Körper abgekühlt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das durch die Einführung des Glasgranulats verdrängte flüssige Matrixmaterial zur Vorfüllung eines weiteren Behälters verwendet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der korrosionsbeständige Behälter zum Teil mit dem Matrixmaterial gefüllt, auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes des Matrixmaterials erhitzt und daß das flüssige Metall im Behälter durch Zugabe von Glasgranulat gehoben wird, bis das geschmolzene Matrixmaterial über die Oberfläche des von einem Sieb gehaltenen Glasgranulats gestiegen ist.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter zu ungefähr 40 VoI.-% durch das Matrixmaterial vorgefüllt wird.