DE2917437C2 - Verahren zum Einbinden von radioaktiven und toxischen Abfällen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einbinden von festen radioaktiven und toxischen Abfällen in eine aus Graphit und einem Bindemittel gebildete Matrix, wobei oberhalb 100⁰C zu Formkörpern verpreßt wird.

Ein derartiges Verfahren ist aus der US-PS 39 94 822 bekannt, bei dem der radioaktive Abfall mit Graphit und einem Bindemittel vermischt bei Temperaturen oberhalb 100⁰C zu Formkörper verpreßt werden. Solche Formkörper können aber nicht längere Zeit gelagert werden, da bei den verwendeten Kunststoffbindern die Auslaugungsraten zu hoch sind. Gemäß dieser Schrift werden daher die Graphitformkörper mit flüssigem Silizium getränkt und solange erhitzt, bis sich der gesamte Kohlenstoff in ^-Siliziumkarbid umgewandelt hat Dieses Verfahren ist jedoch sehr aufwendig und das gebildete Siliziumkarbid hat nur eine relativ schlechte Wärmeleitfähigkeit

In der Druckschrift »Ulimanns Encyklopädie der technischen Chemie«, Band 14, 4. Auflage (1977), werdtr,i auf Seite 602 eine groBe Anzahl von Bindemitteln für die Herstellung von Graphitformkörpern genannt, darunter auch Schwefel als Kondensationsmittel. Ober die Herstellung von auslaugebeständigen Formkörpern zur Einbindung toxischer und radioaktiver Abfälle werden allerdings keine Hinweise gegeben.

Es war daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Einbinden von radioaktiven und toxischen Abfällen in eine aus Graphit und einem Bindemittel gebildete Matrix zu schaffen, das es erlaubt, die Abfälle zu nicht brennbaren Blöcken mit hoher mechanischer und chemischer Stabilität, guter Auslaugbeständigkeit, hoher Wärmeleitfähigkeit und mit hoher Beständigkeit gegen Strahlen aller Art zu verfestigen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemmäß dadurch gelöst, daß Naturgraphit eingesetzt und als Bindemittel Schwefel oder ein Metallsulfid verwendet wird.

Durch die Verwendung von Naturgraphit und den Einsatz von Schwefel oder Metallsulfiden als Bindemittel erhält man Formkörper mit sehr hohen Dichten, die keine Poren mehr aufweisen und daher sehr auslaugbeständig sind.

Schwefel ist als Bindemittel besonders gut geeignet, da er sich durch ein gutes Abbindevermögen, durch eine gute chemische Stabilität sowie Strahlenbeständigkeit auszeichnet. Da sein Schmelzpunkt relativ niedrig, bei etwa 120°C liegt, kann das Pressen der Blöcke mit dem eingebundenen Abfall bei niedrigen Temperaluren und somit mit geringem Aufwand erfolgen. Die Verfestigung wird vorzugsweise im Schmelzbereich des Schwefels durchgeführt.

Um eine hohe Wärmebeständigkeit der Einbindematrix zu erzielen, die insbesondere beim Fixieren von hochradioaktivem Abfall wegen großer Zerfallswärme erforderlich ist. wird der Schwefel vorteilhafterweise in ein chemisch stabiles und wasserunlösliches Metallsulfid

mit hohem Schmelzpunkt überführt

Die Schwefelumsetzung erfolgt dabei mit einem dem Preßpulver untergemischten Metallpulver beim Pressen der Blöcke durch Temperaturanhebung unter anhaltendem Druck. Als Metallpulver eignen sich alle Metalle, die unter Lagerbedingungen stabile Sulfide bilden, wobei Nickelmetallpulver besondere Vorteile aufweist Beim Einsatz von Nickel verläuft die Sulfidreaktion bei relativ niedriger Temperatur und mäßiger Geschwindigkeit Das in der Graphitmatrix gebildete Nickelsulfid zeichnet sich durch Unlöslichkeit in Wasser und in Kochsalzlösungen aus. Außerdem besitzt es hohe Wärmebeständigkeit und eine sehr gute chemische Stabilität gegenüber der Umwelt

Die erfindungsgemäß hergestellten Formkörper sind praktisch unlöslich in Wasser und Kochsalzlösungen. Sie sind beständig gegen Strahlen aller Art^'.d besitzen eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit. Gegenüber der Lagerumwelt sind sie chemisch stabil und nicht reagierend. Sie sind nicht brennbar und bei der Verwendung von Schwefel als Bindemittel und Nickelpulver als Zusatzstoff durch Bildung von Nickelsulfid hochtemperaturbeständig.

Nachstehend werden 2 Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens näher erläutert

Beispiel I

Als Ausgangsmaterial für die Matrixherstellung diente ein Gemisch aus 433 Gew.-% Naturgraphitpulver (Schüttdichte 0,4 g/cm³, Kristallitgröße ca. 1000 A, mittlerer Korndurchmesser ca. Ι5μιπ), 20,0Gew.-% Schwefel und 36,7 Gew.-°/o Nickelmetallpulver. Der Schwefel lag in feingemahlener Pulverform vor und entsprach der handelsüblichen Qualität Das Nickelmetallpulver hatte eine Schüttdiche von 2,1 g/cm³, eine spezifische Oberfläche von 034 m²/g, einen mittleren Teilchendurchmesser von 5 μηι und eine Reinheit von 99,8 Gew.-°/o. Dieses Pulvergemisch wurde mit einem dotierten Granulat gemischt, das Gemisch in das Stahlgesenk einer Presse überführt und darin im Schmelzbereich des Schwefels bei 120⁰C und einem Druck von 80 MN/m² zusammengepreßt. Anschließend wurde die Temperatur bei anhaltendem Preßdruck auf etwa 400⁰C erhöht und dabei der Schwefel zu Nickelsulfid umgesetzt Nach dem Abkühlen auf ca. 300⁰C wurden die Formkörper ausgestoßen. Bei einer Granulatpackungsdichte von 40 Vol.-% wurden an den Formkörpern folgende Eigenschaften ermittelt:

Dichte der Einbindematrix
Druckfestigkeit
Wärmeleiifähigkeit
lin. therm. Ausdehnung

3,1 g/cm^J 73,8 MN/m² 0,28 W/cm K 17,7μΓη/πιΚ

Zur Bestimmung der Auslaugbeständigkeit wurden Formkörper angefertigt und getestet. Die ermittelte Auslaugegeschwindigkeit war relativ klein und betrug 1.2 · 10-⁴ cm/Tag.

Beispiel 2

Zum Einbinden wurden kugelförmige Graphitbrennelementc mit 60 mm Durchmesser verwendet. Die Kugeln hatten einen 50 mm großen brennstoffhaltigen Kern aus Graphit, der von einer 5 mm dicken brennstofffreien Graphitschale umgeben war. Das Schwermetall lag in Form von oxidischen, beschichteten Brennstoffteilchen vor und betrug 11 g/Kugel, davon 10 g Thorium und I g Uran.

Beim Abdrehen der brennstofffreien Kugelschale wurde Graphitpulver mit einer mittleren Teilchengröße von etwa 100 μπι erhalten. Aus dem Graphitpulver wurde durch Trockenmischen mit 20 Gew.-% Schwefel das Preßpulver für die Einbindematrix hergestellt Um eine optimale Packungsdichte der Kugelkerne zu erzielen, wurde das Preßgesenk mit dem Preßpulver und Kugelkernen schichtweise gefüllt Das Verdichten zu Formkörpern erfolgte im Schmelzbereich des Schwefels bei 130⁰C und einem spezifischen Preßdruck von 20 M N/m². Nach dem Abkühlen auf etwa 80⁰C wurden die Formkörper aus dem Gesenk ausgestoßen. Bei einer Packungsdichte der Kugelkerne von etwa 40Vol.-% hatte die Einbindematrix folgende Eigenschaften:

Matrixdichte:
Wärmeleitfähigkeit:
Druckfestigkeit:
E-Modul:

1,72 g/cm³ 0,21 W/cm K 35 MN/m² 10,6 - 10³ MN/m*

Auch diese Formkörper hatten eine ausgezeichnete Auslaugebeständigkeit

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Verfahren zum Einbinden von festen radioaktiven und toxischen Abfällen in eine aus Graphit und einem Bindemittel gebildete Matrix, wobei oberhalb 100⁰C zu Fonnkörpern verpreßt wird, dadurch gekennzeichnet, daß Naturgraphit eingesetzt und als Bindemittel Schwefel oder ein Metallsulfid verwendet wird.