DE2631220C2 - Schmelzofen zum Einschmelzen von radioaktiven Stoffen in Glas - Google Patents

Description

25

Die Erfindung betrifft einen Schmelzofen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs.

Ein derartiger Schmelzofen wird z. B. im Battelle Pacific Northwest Laboratories Richland, Washington, Report BNWL-1893 UC-70 vom Februar 1975, Seiten 1—76 beschrieben.

Es ist bereits bekannt, radioaktive Abfälle und insbesondere solche aus der Wiederaufbereitung von Kernbrennelementen nach genügender Verdünnung als Feststoff aufzubewahren.

Nachteilig hat sich hierbei aber gezeigt, daß die bekannten Feststoffe mit Ausnahme von Glas unter der Einwirkung der radioaktiven Strahlung, der natürlichen Alterung und insbesondere der entwickelten Wärme zerfallen und daher eine sichere Aufbewahrung ebenfalls nicht möglich ist.

Aus dem Report BNWL-1893, UC-70, Battelle Pacific Northwest Laboratories, Richland, Washington 99 352 (Februar 1975), S. 1 bis 76 ist ein Verfahren zum Einschmelzen von Glas mit radioaktiven Bestandteilen, insbesondere aus der Wiederaufbereitung von Kernbrennelementen bekannt, bei welchem die radioaktiven Bestandteile in wäßriger Suspension bzw. als Schlamm zusammen mit einem zum Erschmelzen von Glas geeigneten Gemenge in einen aus keramischen Materialien aufgebauten Schmelzofen eingegeben werden, und die Schmelze aus Glas und den radioaktiven Bestandteilen durch direktes Hindurchleiten von elektrischem Strom beheizt wird.

Es handelt sich bei dieser Veröffentlichung um die Wiedergabe von Versuchen, als deren Folgerung eine Durchführung dieses Verfahrens im technischen Maßstab für möglich gehalten wird.

Eine genaue technische Lehre zur Ausgestaltung eines hierfür erforderlichen Schmelzaggregates ist dieser Veröffentlichung jedoch nicht zu entnehmen. Diese enthält lediglich den Hinweis darauf, daß das Schmelzen von mit radioaktiven Bestandteilen vermischten Schlämmen oder Suspensionen in Keramik-Schmelzöfen entsprechend den Glasschmelzofen prinzipiell bekannt ist.

Aus der DE-OS 24 26 328 ist ein Wannenofen zum kontinuierlichen Schmelzen von Gläsern, keramischen Fritten, Mineralien, Glasuren, Emaillen oder dergleichen Stoffen bekannt, bei dene;i eine Läuterung und damit eine getrennte oder integrierte Läuterzone im Wannenofen nicht vorliegen muß.

Beim bekannten Wannenofen ist der Auslaß ein am tiefsten Punkt der Wanne angeordneter, senkrecht nach unten gerichteter Ausfluß, der eine rohrförmige Elektrode aufweist, durch deren Bohrung das Glas ausströmt, wobei dicht über dem Auslaß mindestens eine weitere Elektrode angeordnet ist Dabei dient die Innenbohrung der Elektrode als eigentlicher Auslaß, und ferner ist diese Elektrode auf einem ringförmigen und von Kühlwasser durchflossenen Kanal gehaltert, an welchem auch die Stromzuführung angeschlossen ist

Durch die Anordnucg von Elektroden oberhalb der Abzugsöffnung bzw. des Ausflusses am Boden entsteht über dem Ausfluß eine starke nach oben gerichtete Strömung, welche im Falle des Auslasses verhindert, daß ungeschmolzene Gemengepartikel mit durch den Abfluß abfließen können. Der bekannte Wannenofen ist jedoch für nichtradioaktive Gläser vorgesehen, und die Abzugsöffnung am Boden eignet sich nur zum quantitativen Ablassen einer Charge im chargenweisen Betrieb des bekannten Wannenofens.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Schmelzofen zum Schmelzen von mit radioaktiven Bestandteilen vermischten Schlämmen oder Suspensionen in Keramik-Bauweise entsprechend den bekannten Glasschmelzofen anzugeben, bei welchem mit einer hohen Lebensdauer gerechnet und eine extrem hohe Betriebssicherheit vorausgesetzt werden kann, der sich zudem für Fernbedienung eignet und der insbesondere für die Erreichung einer besonders langen reparatur- und wartungsfreien Betriebslebensdauer ausgelegt ist, wobei außerdem eine besonders homogene Verteilung der radioaktiven Stoffe im Glas erzielt wird. Und schließlich soll der Betrieb des Schmelzofens auch nicht-Glasfachleuten möglich sein, und er soll sowohl im kontinuierlichen als auch im diskontinuierlichen Betrieb einsetzbar sein.

Diese Aufgabe wird mit dem Schmelzofen nach dem Patentanspruch gelöst.

Diese Maßnahmen ergeben mit Vorteil eine gleichmäßige von oben nach unten vertikal verlaufende Strömung mit sehr geringen Konvektionsströmungen. Insbesondere liegt im oberen Wannenteil an den Elektroden nur eine geringe Konvektionsströmung vor, wodurch die Lebensdauer der Elektroden wesentlich erhöht wird. Hinzu kommt, daß durch den Strömungsverlauf in überwiegend vertikaler Richtung, der nur mit den angegebenen Mitteln zu erzielen ist, eine besondere Wirkung sichergestellt wird, bei welcher das Glas nicht nur erschmolzen, sondern auch in gewissem Maße geläutert und homogenisiert wird.

Weiterhin gestattet es die gegen Wasserdampf geschützte Oberofenheizung, besonders schnell das Wasser aus den eingegebenen Schlämmen oder Suspensionen zu entfernen und es ist überraschend, daß daran anschließend ein Schmelzvorgang entsprechend einem Schmelzvorgang in einem normalen Schmelzofen durchgeführt werden kann.

Weil die Elektroden dabei in bekannter Weise in den Ofenwänden in mehreren Ebenen eingesetzt sind, wird ein genügend intensiver Vertikalfluß der Schmelze sichergestellt, um dadurch ein Absinken nicht erschmolzener Teile in den kühleren Wandbereichen zu verhindern.

Zur Wasserentfernung dient weiterhin auch eine im Verhältnis zur Badtiefe große Oberfläche. Schließlich ist es selbst für den Fachmann überraschend, den Ofen mit einem Bodenauslaß zu fahren.

Insgesamt ist es die Eigenart des erfindungsgemäßen Ofens, daß er erstmalig nicht wie dem aus dem Stand der Technik zu entnehmenden Schmelzofen ein einfaches Glasbad mit eingehängten Elektroden darstellt, sondern daß er den Aufbau eines Hochleistungs-Schmelzsofens aufweist

Um die Lebensdauer der Elektroden zu erhöhen und deren Korrosion erheblich herabzusetzen, liegt im oberen Wannenteil an den Elektroden eine spezifisch geringere Energiekonzenlration vor und entsprechend der Schmelzleistung eine niedrigere Temperatur als im unteren Ofenbereich.

Der Glasschmelzofen besteht aus keramischen Materialien, die nicht nur gegenüber den geschmolzenen aggressiven Gläsern, sondern auch gegenüber dem Anteil des Schlammes oder der wäßrigen Suspension im Gemenge genügend wiederstandsfähig sind. Es hat sich sogar herausgestellt, daß nicht nur die Verwendung von korrosionsfesten mit einem hohen Anteil von nickellegierten Stählen, sondern die bekannten keramischen Materialien, wie sie üblicherweise im Glasofenbau Verwendung finden, geeignet sind.

Der Ofen weist vorteilhaft Elektroden aus Zinnoxyd oder Molybdän auf und er besitzt im oberen Bereich unterhalb der Auflageschicht des Gemenges einen größeren Querschnitt als in mindestens einem darunterüegenden Bereich, in welchem das Glas zum Auslaß hin eine größere Temperatur aufweist.

Um unerwünscht große Konvektionsströmungen im Bereich der Elektroden zu verhindern, weist der Ofen im Bereich der oberen Elektroden einen vergleichsweise großen Ofenquerschnitt auf, und die Elektroden sind vorteilhaft in Nischen und/oder oberhalb von Vorsprüngen angeordnet, wodurch die Ausbildung von durch das Schmelzbad verlaufenden Konvektionsströmungen verhindert wird.

Der größere Querschnitt oben im Ofen ist weiterhin vorteilhaft, wenn dieser diskontinuierlich betrieben wird und daher die Chargen diskontinuierlich zugegeben werden. Auch größere Chargen von Gemenge erhöhen den Spiegel der Schmelze dann nicht wesentlich. Die zugegebene Menge kann dadurch gemessen werden, daß der Ofen auf einer Anzahl von Druckmeßdosen steht, deren Belastung eine eindeutige Aussage über die Beladung des Ofens gibt.

Eine diskontinuierliche Arbeitsweise wird auch noch vorteilhaft dadurch gefördert, daß der Glasauslaß eine Elektrode als von außen anpreßbaren Verschlußstein aufweist, die mit einer weiteren im Ofeninneren befindlichen Elektrode elektrisch verbunden ist. Dabei hält der von der Verschlußsteinelektrode zu der inneren Elektrode fließende Strom den Auslaßkanal sicher offen, auch wenn kein Durchfluß erfolgt. Die Verhinderung des Einfrierens bei Betriebspausen wird unterstützt durch Strahlheizelemente außen vor dem Auslaßstein, der auswechselbar ist, falls ein betriebsstörender Ver-Schluß feststellbar ist.

Um eine genügende Aufheizung des Gemenges einschließlich des Anteils an wäßriger Suspension oder an wäßrigem Schlamm im Oberofen zu gewährleisten, können dort zusätzlich eine Oberofenheizung und eine Abdcckung vorhanden sein, wodurch die Heizung vor dem Zutritt von Wasserdampf geschützt wird, welcher die Heizelemente zerstören würde.

Im folgenden werden zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert Es zeigt

Fig.! schematisch einen vertikalen, mittleren Schnitt durch einen Schmelzofen gemäß Patentanspruch, F ι g. 2 bis 5 die Schnitte A-B, C-D. E-F, G-H und /-/,

Fig.7 bis 10 die Schnitte K-L, M-N, OP und Q-R gemäß F ig. 1,

F i g. 11 einen mittleren vertikalen Schnitt durch einen anderen Schmelzofen gemäß Patentanspruch,

Fig. 12 zwei Teilschnitte in verschiedenen Höhen durch den Ofen gemäß F i g. 11 und

F i g. 13 einen weiteren Schnitt durch den Ofen gemäß F i g. 11 in einer zu dessen Schnittebene senkrecht stehenden Ebene.

In den Fig. 1 bis 10 sind nur die Formsteine des eigentlichen Ofenkörpers gezeigt, die übliche Konstruktion aus Stahlträgern, Isolation und gegebenenfalls Kühlwasser sowie die in die Formsteine eingesetzten Elektroden sind nicht gezeigt.

Die Positionen in den F i g. 1 bis 10 sind wie folgt:

1	Auslaufdüse
2	Auslaufstein
3	Boden
4	Boden
5	Absperrung
6	Elektrodenstein
7	Eckstein
8	Thermoelementstein
9	Brücke
10	Elektrodenstein
11	Eckstein
12	Thermoelementstein
13	Brücke
14	Seitenwand
15	Seitenwand
16	Thermoelementrohr

Als Elektroden für den Ofen gemäß Fig. 1 bis 10 kommen Zinnoxydelektroden in Frage, wobei diese in bekannter Weise in die Elektrodensteine 6 und 10 eingesetzt sind.

Der Querschnitt des erfindungsgemäßen Ofens wandelt sich von der höchsten Ebene gemäß F i g. 2 von einem Rechteck zu einem Rechteck mit gleichen Außenmaßen, aber mit eingesetztem Mittelstein in der darunterliegenden Ebene gemäß F i g. 3. In der wiederum tiefer liegenden Ebene gemäß F i g. 4 hat sich der Querschnitt zu einem Rechteck mit wesentlich verringerter Fläche verkleinert und dieses Rechteck erweitert sich wiederum in der letzten Arbeitsebene gemäß F i g. 5 zu einem Körper mit doppeltem Hammerkopf. Auis F i g. 6 geht hervor, daß der Auslaß mittig erfolgt.

Die Elektroden 6a bzw. 10a sind jeweils an den Schmalseiten des Rechtecks gemäß F i g. 2 bzw. an den Enden der Hammerköpfe gemäß F i g. 5 angesetzt, wo ein großer Querschnitt für den Stromfluß eine geringe Belastung gewährleistet.

Bei dem Ofen gemäß F i g. 1 bis 10 wird Phosphatglas erschmolzen, weil die Schmelztemperaturen für Phosphatglas sehr niedrig sind und die Temperatur an den Elektroden zur Verringerung der Korrosion möglichst gering gehalten werden muß.

Der spezifische Widerstand dieses Glases ist aber äußerst gering, so daß mit relativ hohen Strömen bei geringer Spannung zu rechnen ist.

Unter der Voraussetzung, daß in dem oheren TpU Hp«;

Glasschmelzofens oder der Glasschmelzwanne, wo sich wesentlich niedrigere Temperaturen als im unteren Teil einstellen werden, die meiste Energie, nämlich zum Aufschmelzen des Gemenges und zur Verdampfung des Wasseranteils gebraucht wird, wurde die Wanne gemäß den Fig. 1 bis 10 in zwei weitgehend voneinander getrennte Abteilungen unterteilt, die lediglich durch einen relativ schmalen Kanal gemäß F i g. 4 bzw. F i g. 9 und 10 miteinander verbunden sind.

Durch diese Teilung ist es möglich, daß zwischen der oberen und der unteren Kammer bzw. dem oberen und dem unteren Teil sehr große Temperaturdifferenzen eingestellt werden können. Zum Beispiel können in der oberen Kammer Temperaturen von 800—900⁰C auftreten und es kann ein Stromwert aufrechterhalten und eingestellt werden, der die Elektroden nicht überlastet. In dem unteren Teil wird dann nur noch so viel Energie zugeführt, daß die Temperatur auf 1100— 1200°C steigt und diese zusätzliche Temperatur wird mit einer relativ geringen Energie eingestellt, die nur ein Drittel der oben benötigten sein kann, so daß trotz der höheren Leitfähigkeit des Glases im unteren Teil bei der genannten Temperatur der Stromwert an den Elektroden wieder ungefähr der gleiche sein kann. Unter Stromwert wird hierbei die Stromdichte verstanden.

Der Auslauf des geschmolzenen Glases erfolgt im Boden, wobei die Düse indirekt durch eine übliche Feuerfestbeheizung beheizt wird. Der Block Nr. 13, welcher im oberen Bereich der Schmelzwanne zusätzlich eingebaut ist, hat die Aufgabe, eine Energiekonzentration an den Seitensteinen 12 und 15 zu bewirken bzw. in den Durchlässen zwischen den Teilen 12,13 und 15, damit es an dieser Stelle nicht zum Anbacken der Schmelze am Seitenstein und damit zur Brückenbildung kommt.

Außerdem wird der leitende Querschnitt verringert, so daß eine größere Energiemenge in der Mitte der Wanne und nicht an den Elektroden freigesetzt wird.

Es ist damit möglich, daß die Temperatur des Glases an den Elektroden niedriger als in der Wannenmitte ist und weiterhin sind aufgrund der seitlichen Anbringung der Elektroden diese in Teilen eingebaut, in weichen nur sehr wenig Konvektionsströmung vorliegt.

Durch diese Anordnung wird weiterhin erreicht, daß in unmittelbarer Nähe der Elektroden ein mit Zinnoxyd angereichertes Glas angesammelt wird, so daß die Auflösung der Zinnoxydelektroden weitgehend reduziert wird.

Die Ausbildung des Ofens gemäß Fig. 1 bis 10 ist weiterhin so, daß ein großes Verhältnis von Wannenoberfläche zu dem Wannenvolumen entsteht, so daß zwar einerseits eine große Sch—iclzfläche entsteht, auf die das Gemenge und das radioaktive Material als Schlamm aufgegeben wird, so daß eine große Räche zur Verdampfung des Wassers zur Verfügung steht, daß aber andererseits ein geringes Wannenvolumen vorliegt, wodurch der Ofen kompakt und klein gehalten werden kann, so daß eine Abschirmung und Überwachung in heißen Zellen möglich bleibt

Über dem Ofen gemäß F i g. 1 bis 10 ist weiterhin ein nicht gezeigter Oberbau vorhanden, aus welchem die bei der Gemengeaufschmelzung entstehenden Gase durch Unterdruck abgesaugt werden können. Diese können dann in bekannter Weise eingerichtet, gefiltert oder absorbiert werden, so daß eine Umweltbelastung außerhalb der erlaubten Werte nicht aufzutreten braucht. Eine solche Behandlung des Gases ist nur bei vollelektrischen Glasschmelzöfen möglich, da sonst die Abgase aus der öl- oder Gasfeuerung das Gasvolumen so hoch bringen würde, daß dieses nicht mehr wirtschaftlich oder nicht mehr genügend behandelt werden kann. Gemäß den Fig. 11 bis 13 kann ein Ofen zum Einschmelzen von radioaktivem Material (Waste) auch im Querschnitt Rechteckform besitzen, wobei die Größe des Rechtecks von oben nach unten verringert wird. Die eingesetzten Elektroden können zum Erschmelzen von Borsilikatglas jeweils doppelt in übereinanderliegenden Ebenen vorliegen und so angebracht sein, daß eine möglichst gleichmäßige Energieeingabe gewährleistet ist.

Bei dem zu erschmelzenden Glas gemäß dem Ofen von Fig. 1 bis 13 wird dieses bei etwa 1300° erschmolzen und da das radioaktive Material ebenfalls als Schlamm vorliegt, die Schlammkonzentration aber wesentlich geringer sein kann, ist eine zusätzliche Ober-Ofenheizung installiert, wobei Silizium-Karbid-Heizelemente 21 durch eine Abdeckung 22 aus Inconel und durch Siederohre vor dem Zutritt von Wasserdampf geschützt sind.

Angetempert bzw. angefahren werden die öfen durch die im Oberbau befindlichen Heizelemente und weitere am Boden der Wanne liegende Heizelemente, wie dies bei konventionellen elektrisch beheizten Glasschmelzofen üblich ist Es können selbstverständlich auch Zusatzelektroden verwendet werden, mit denen der Ofen mittels durch Zusätze leitfähig gemachte Scherben oder nach Aufschmelzen einer geringen Glasschicht am Boden betrieben werden kann.

Der Ofen gemäß den Fig. 11 bis 13 ist mit einer Schutzbeschaltung für die Molybdänelektroden versehen, wobei die Gegenelektrode eine Zinnoxydelektrode 24 ist, die im Zentrum des Bodens eingebaut ist. Dergleichen Schutzbeschaltungen sind bereits aus älteren Patenten bekannt

Um die Gewichtsschwankungen beim Ablassen des Glases und beim Füllen mit Gemenge bzw. Schlamm exakt verfolgen zu können, steht der gesamte Ofen auf mindestens vier Druckmeßdosen, so daß das Gewicht der auslaufenden oder eingegebenen Menge bzw. die Gewichtsschwankung sicher bestimmt werden kann.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Schmelzofen zum Einschmelzen von in Form einer wäßrigen Suspension vorliegenden radioaktiven Stoffen in Glas, mit einer Schmelzwanne, mit direkt beheizenden, in der Nähe der Wannenwand angeordneten Elektroden (6a, tOa) und mit einem Bodenauslaß (1,2), dadurch gekennzeichnet, daß

   10

   — die Elektroden (6a, 10a) in Ebenen übereinander angeordnet sind,

   — durch die Elektroden (6a, 10a,} im unteren Teil der Wanne weniger Heizenergie als im oberen Teil zugeführt wird,

   — eine gegen Wasserdampf geschützte Oberofenheizung (21) vorgesehen ist,

   — der Bodenauslaß (1,2) zur Entnahme von Glasschmelze im Betrieb dient, und

   — der Bodenauslaß (1, 2) durch einen Düsenstein (2) gebildet wird, der durch direkten Stromdurchgang beheizt wird.