DE2855738C3 - Verfahren zur Herstellung eines lagerfähigen, biologisch schädlichen, insbesondere radioaktiven Abfalls - Google Patents

Description

40

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines lagerfähigen, biologisch schädlichen, insbesondere radioaktiven Abfalls, wobei ein Abfallgranulat mit einem verfestigbaren Bindemittel zu einem Verbundkörper verarbeitet wird.

Bei vielen in der Industrie und im Gewerbe anfallenden Abfällen ist es die wirtschaftlichste Lösung, diese nicht wiederaufzuarbeiten und so erneut einem Fabrikationsprozeß zuzuführen, sondern direkt einer Lagerung zuzuführen. Diese Lagerung von unmodifiziertem, biologisch schädlichem Abfall wird dann unbedenklich sein, wenn keine Zersetzung desselben, keine Korrosion der Lagerbehälter, kein zu hoher Dampfdruck und auch keine hohe Wasserlöslichkeit vorliegt. Liegt eine dieser Eigenschaften vor, so ist eine Weiterverarbeitung des biologisch schädlichen Abfalls ratsam. Eine besondere Art von biologisch schädlichem Abfall stellt der radioaktive Abfall dar. Bei diesem wird zwischen nieder-, mittel- und hochaktivem Abfall unterschieden. Neben dem radioaktiven Abfall, wie er in Industrie, Gewerbe und der Medizin anfällt, ist auch der der Kernkraftwerke einer Lagerung zuzuführen.

Radioaktiver Abfall unterscheidet sich nun hauptsächlich durch zwei Eigenschaften von anderen b5 biologisch schädlichen Abfällen, und zwar gibt es α-, β- und y-Strahler und er entwickelt Wärme, die an die Umgebung abgeführt werden muß. Gemeinschaftliche ProbL-me sind, daß der Abfall in eine kompakte Form übergeführt werden soll, damit dieser nicht staubt und bei Zerstörung des Lagerbehälters noch in kompakter Form vorliegt und daß der Abfall in eine Form übergeführt wird, in welcher er nicht in die Atmosphäre austreten kann und auch nicht wasserlöslich ist Zur Überführung von niederaktiven Abfällen ist es bekannt, die radioaktiven Stoffe, die in Pulverform vorliegen, in flüssigen, härtbaren Kunststoff oder Bitumen einzurühren. Hierbei muß das Bindemittel mit einem Rührer eingearbeitet werden, wobei letzterer kontaminiert wird und nach der Einbettung einer Reinigung unterworfen werden muß. Außerdem ist das erhaltene Produkt inhomogen und porös, da Gaseinschlüsse vorliegen.

Weiterhin ist es bekannt, radioaktive Stoffe in Form einer Lösung in eine pasteuse Masse, z. B. erweichtes Bitumen, mittels eines Schneckenextruders einzuarbeiten, wobei einerseits ein sehr hoher Energieaufwand erforderlich ist und andererseits mit dem verdampfenden Lösungsmittel meist Wasser, radioaktive Stoffe und auch Zersetzungsprodukte des Bindemittels aus dem Extruder abgeleitet und in einem Kondensor kondensiert werden müssen. Diese Stoffe müssen sodann erneut aufgearbeitet werden.

Auch ist es bekannt, radioaktive Stoffe in Gläser chemisch zu binden. Gläser sind jedoch im allgemeinen sehr spröde, so daß nur eine geringe mechanische Festigkeit gegeben ist, die meist für eine sichere Handhabung nicht ausreicht.

Für hochradioaktiven Abfall ist es auch bereits bekannt, diesen wie bei Kernbrennstoffen für Hochtemperaturreaktoren üblich, mit einer Beschichtung aus Kohlenstoff verschiedener Dichte zu umhüllen. Die innerste Schicht wird porös gehalten, damit gegebenenfalls sich bildende Gase und Spaltprodukt aufgenommen werden können. Die darauffolgende Schicht ist aus dichtem Kohlenstoff gebildet, welche ein Austreten von radioaktiven Produkten an die Umwelt unterbindet. Diese Form eines beschichteten Granulates aus radioaktivem Abfall ist für die Lagerung besonders geeignet, da jeweils nur kleine Mengen von bioschädlichem Abfall mit einer Beschichtung umgeben sind. Nachteilig an losen Schüttungen derartiger Abfallgranulate ist, daß bei Zerstörung des Lagerbehälters, in dem der Abfall angeordnet ist, sich das an sich rieselfähige Produkt im Lagerraum ausbreitet. Auch besteht der Nachteil, daß eine nur relativ schlechte Wärmeleitung über das den Abfall umgebende Gas bzw. über die Berührungsstellen der Teilchen untereinander gegeben ist.

Bei einem weiteren bekannten Verfahren wird der obenangeführte Nachteil dadurch vermieden, daß der in Granulatform vorliegende radioaktive Abfall in einer Matrix aus Metall eingebettet wird. Ist das einzubettende Granulat spezifisch wesentlich schwerer als das metallische Bindemittel, so kann das Abfallgranulat in einer Form vorgelegt werden, worauf in die Form die Metallschmelze eingebracht wird. 1st das Granulat spezifisch wesentlich leichter als das Bindemittel, so muß das Abfallgranulat z. B. in einem Käfig in einer Form festgehalten werden, worauf die Schmelze eingebracht werden kann. Bei geringeren Unterschieden im spezifischen Gewicht wird man gegebenenfalls durch Rühren u. dgl. für eine gute Umhüllung der Abfallteilchen mit dem Bindemittel Sorge tragen müssen. Ungelöst bei dieser Vorgangsweise ist die Beseitigung von Gaseinschlüssen, die insbesondere

wenn, um zu hohe das Bindemittel eine

dann nicht vermeidbar sind,
Temperaturen zu vermeiden,
höhere Viskosität aufweist

Die Erfindung hat sich zum Ziel gesetzt, die obenangeführten Nachteile zu vermeiden.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines lagerfähigen, biologisch schädlichen, insbesondere radioaktiven Abfalls, wobei ein Abfallgranulat in einer Form angeordnet wird, in die Form ein verfestigbares Bindemittel z.B. Glas, Kunststoff, Metall od.dgl. eingebracht und verfestigt wird, wodurch ein Verbundkörper erhalten wird, besteht im wesentlichen darin, daß das Gemisch mit verfestigbarem Bindemittel und Abfallgranulat zentrifugiert und dadurch verdichtet wird. Durch diese Vorgangsweise kann obwohl üblicherweise durch Zentrifugieren eine Abtrennung von festen Teilchen von der Flüssigkeit durchgeführt wird, ein homogener Körper dichtester Packung erreicht werden, wobei gleichzeitig auch gegebenenfalls vorhandene Gasblasen, die sodann Lunker im Gußkörper verursachen wurden, ausgetrieben werden können. Je nach Viskosität des Bindemittels kann eine Variation der Winkelgeschwindigkeit eine entsprechende Anpassung erlauben.

Wird um eine Achse außerhalb der Form zentrifugiert, wobei die Form annähernd radial bezogen auf die Achse angeordnet ist, so kann mit Vorrichtungen gearbeitet werden, wie sie üblicherweise in Laboratorien zur Abtrennung von festen Stoffen aus Suspensionen verwendet werden.

Wird das Bindemittel ungefähr im Bereich der Achse erschmolzen, so kann die Zufuhr des Bindemittels zum Granulat bereits durch die Wärmezufuhr für das Schmelzen geregelt werden, womit eine besonders einfache Art und Weise der Bindemittelzuführung zum Granulat gegeben ist.

Wird die Verdichtung bis zum Erstarren durchgeführt, so kann sichergestellt werden, daß eine im Verbundkörper erwünschte Struktur fixiert werden kann.

Wird während der Verdichtung die Form temperiert, so können unterschiedlichste Strukturen des Verbundkörpers erreicht werden. So kann beispielsweise, wenn die Form unterhalb des Schmelzpunktes des Bindemittels gehalten wird, die Form innen mit dem Bindemittel ausgekleidet werden, welches sofort erstarrt, worauf das Abfallgranulat und sodann das Bindemittel eingebracht werden, wobei durch Zentrifugieren eine gute Einbettung des Abfallgranulats im Bindemittel erreicht wird und eine weitere Umhüllung des Abfalls durch das erstarrte Bindemittel gegeben ist. Wird ein Duroplast verwendet, so kann durch die Temperierung der Form die Aushärtung des Bindemittels während des Zentrifugierens gesteuert werden.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß dem Abfallgranulat ein spezifisch leichteres festes Bindemittel beigegeben wird, das in der Form verflüssigt wird. Durch diese Vorgangsweise muß kein Bindemittel während des Zentrifugierens zugeführt werden, da dieses bereits in Form eines Gemisches aus Abfallgranulat und Bindemittel in die Form eingebracht wird. Es besteht auch nicht die Gefahr der Überfüllung der Form, da das Gemisch, welches gaserfüllte Zwischenräume aufweist, ein größeres Volumen einnimmt als der dann erhaltene Verbundkörper.

Wird das Abfallgranulat während der Verdichtung durch ein für das Bindemittel durchlässiges Element,

z. B. Netz od. dgl. in der Form gehalten, so kann auf besonders einfache Art ein spezifisch leichteres Granulat in ein spezifisch schwereres Bindemittel eingearbeitet werden.

Weiter kann unabhängig von der Temperatur der Form das gesamte Abfallgranulat mit Matrixbindemittel nach außen mit einer weiteren Schicht aus Bindemittel versehen werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Beispielen näher erläutert

Beispiel 1

Zur Simulierung einer Lösung aus hochradioaktivem Abfall, wie er bei der Wiederaufarbeitung von Kernbrennstoffen anfällt, wurde folgende wäßrige Lösung hergestellt:

1,4 Mol/l	Al(NOa)3
2,1 Mol/l	HNO3
1,6 Mol/I	H3PO4
20 mg/1	Sr
33 mg/1	Cs
31 mg/I	Ru
341 rng/1	Hg

Diese Lösung wurde sprühgetrocknet und in einem Wirbelbett kalziniert Das erhaltene Granulat mit einem spezifischen Gewicht von 1,42 g/cm³ wies eine Korngröße von 0,7 bis 2 mm auf.

In einer Form, die auf 700° C in einem Ofen erwärmt wurde, die eine zylindrische Formhöhlung mit einem Durchmesser von 2 cm und einen Rauminhalt von 10 cm³ aufwies, wurden 7 g des unbeschichteten Granulats vorgelegt. Das Granulat befand sich in einem zylinderförmigen Käfig, der aus einem rostfreien Stahldrahtgitter mit einer Maschenweite von 0,63 mm aufgebaut war. Die Form wurde in eine Schleudergußanlage eingesetzt, wobei die Formhöhlung im wesentlichen radial zu liegen kam und die Mitte derselben ca. 35 cm von der Achse entfernt war. Die Form wurde mit einem Tiegel verbunden, in dem 18 g einer Aluminiumsiliziumlegierung mit einem spezifischen Gewicht von 2,65 g/cm³ und einem Schmelzpunkt von 577°C erschmolzen wurde. Der Tiegel war im Bereich der Achse angeordnet und induktiv geheizt Die Schmelze wurde auf ca. 75O⁰C erwärmt, worauf mit 300 U/Min, zentrifugiert wurde. In der Form war ein Bimetallkontakt angeordnet, welcher oberhalb von 550° C einen Stromkreis schloß wodurch ein Kühlljftstrom auf die Form gelenkt wurde, so daß der Boden der zylindrischen Formhöhlung temperiert wurde (eine Wärmezufuhr war durch Schmelze bedingt). Nach Abkühlen der Form auf 550° C wurde das Zentrifugieren beendet und der Verbundkörper der Form entnommen. Dieser war, lunkerfrei, völlig homogen und wies eine äußere Schicht aus der Aluminiumsiliziumlegierung auf, die lediglich an den Auflagerstellen des Käfigs aus rostfreiem Stahl gebildet waren. Die Oberflächen, die während des Gießens zur Achse zeigte, war im wesentlichen plan.

Beispiel 2

Eine Lösung mit 120 g/l Chromsulfat und 10 g/l Kaliumzyanid wurde bis zur Trockene eingedampft und anschließend kalziniert. Das erhaltene Granulat wies eine Korngröße zwischen 0,2 und 2 mm auf und hatte ein spezifisches Gewicht von 2,8 g/cm³. In eine Form mit 40 cm Durchmesser und 1 m Höhe wurden 150 kg des Kalzinates Vorgelegt Die Form wurde sodann auf eine heizbare Drehscheibe verbracht und dort auf 200° C

erhitzt und mit 50 Umdrehungen pro Minute um die eigene Achse gedreht Sodann wurde erschmolzenes Bitumen einer Temperatur von 180⁰C so lange zugefügt bis der Abfall bedeckt war. Durch das Zentrifugieren wurde das Bitumen in die freien Hohlräume hineingepreßt, so daß nach dem Erstarren ein lunkerfreier Körper erhalten wurde, der zui Lagerung des Abfalls hervorragend geeignet war.

Beispiel 3

Das nach Beispiel 1 erhaltene Granulat wurde in einer Wirbelschicht mit Argon als Trägergas, das 4 Vol.-% Nickelkarbonyl enthält, bei 200° C mit Nickel beschichtet. Das erhaltene Granulat wies eine Korngröße von 0,7 bis 1,5 mm auf.

In die Formhöhlung gemäß Beispiel 1 wurden 5 cm³ des Abfallgranulats und 5 cm³ der Siliziumaluminiumlegierung gemäß Beispiel 1 mit einer Korngröße von 0,8 bis 1,00 mm eingebracht, wobei vor dem Einbringen gründlich durchmischt wurde. Die Form wurde in die Schleudergußanlage gemäß Beispiel 1 eingebracht und mit einer Widerstandsheizung auf 750°C erwärmt, -wobei mit 300 U/Min, zentrifugiert wurde. Nach 10 Minuten wurde die Heizung unterbrochen, worauf die Form langsam während des Zentrifugieren abkühlte. Als die Temperatur der Form 550⁰C betrug, wurde die

ίο Schleudergußanlage abgestellt und der erhaltene Verbundkörper der Form entnommen. Dieser war völlig lunkerfrei und für eine Endlagerung von hochradioaktivem Abfall besonders geeignet, da eine doppelte Umhüllung des Abfallgranulats mit Metall gegeben war, wobei gleichzeitig durch die besondere Verdichtung des Materials eine maximale Wärmeleitfähigkeit gegeben war.

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung eines lagerfähigen, biologisch schädlichen, insbesondere radioaktiven Abfalls, wobei ein Abfallgranulat in einer Form angeordnet und in die Form ein verfestigbares Bindemittel eingebracht und verfestigt wird, wodurch ein Verbundkörper erhalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch mit verfestigbarem Bindemittel und Abfallgranulat zentrifugiert und dadurch verdichtet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß um eine Achse außerhalb der Formhöhlung zentrifugiert wird, wobei die Formhöhlung annähernd radial angeordnet ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Bindemittel ungefähr im Bereich der Achse erschmolzen wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdichtung bis zum Erstarren durchgeführt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß während der Verdichtung die Form temperiert wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1,2 oder 4 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem Abfallgranulat ein spezifisch leichteres, festes Bindemittel beigegeben wird, das in der Form verflüssigt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Abfallgranulat während der Verdichtung durch ein für das Bindemittel durchlässiges Element, wie Netz od. dgl.

in der Form gehalten wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Bindemittel während der Verdichtung zugeführt wird.