DE2922382A1

DE2922382A1 - Verfahren zur einkapselung von verbrauchtem kernbrennstoff in eine dessen langzeitlagerung ermoeglichende sicherheitshuelle

Info

Publication number: DE2922382A1
Application number: DE19792922382
Authority: DE
Inventors: Leonard R Fleischer; Muthian Gunasekaran
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1978-06-12
Filing date: 1979-06-01
Publication date: 1979-12-13
Also published as: GB2023056B; JPS551591A; JPS6047559B2; FR2428894A1; US4257912A; GB2023056A; FR2428894B1

Description

PATlIIIAItWALT Dipl. ing. H. HOLZEB XLeEB-SXBAeSB 14

8000 AUGSBUBG

TELEFON βίβίϊβ XBLEX S33S0S petal *

W.1006

Augsburg, den 28. Mai 1979

Westinghouse Electric Corporation, Westinghouse Building, Gateway Center, Pittsburgh, Pennsylvania 15222, V.St.A.

Verfahren zur Einkapselung von verbrauchtem Kernbrennstoff in eine dessen Langzeitlagerung ermöglichende Sicherheitshülle

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einkapselung ver verbrauchtem, in eine metallene Hülle eingeschlossenem radioaktivem Kernbrennstoff in eine dessen Langzeitlagerung ermöglichende Sicherheitshülle.

In zahlreichen Kernreaktortypen kommt der Kernbrennstoff in Form von Brennstäben zum Einsatz, die eine metallene Brennstabhülle aufweisen und in denen der Brennstoff in

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Form von Brennstofftabletten vorliegt. Diese Brennstäbe sind durch rohr- bzw. kanalartige Rahmenkonstruktionen oder durch entlang ihrer Länge angeordnete Haltegitterkonstruktionen zu Brennelementen zusammengefaßt, bei denen es sich jeweils um ein Brennstabbündel handelt. Wenn die abgebrannten Brennelemente aus einem Kernreaktor herausgenommen werden, enthalten die Brennstäbe nicht nur feste und gasförmige Spaltprodukte, sondern auch noch spaltbare Isotope, die wieder als Brennstoff für Kernreaktoren verwendbar sind und durch Wiederaufbereitung dieser Wiederverwendung zugänglich gemacht werden können.

Die aus einem Reaktor herausgenommenen abgebrannten Brennelemente werden üblicherweise zunächst in einem mit Wasser gefüllten Abklingbecken gelagert, dessen Wasserfüllung einerseits zur Kühlung dieser Brennelemente und andererseits als Strahlenabschirmung dient. Diese Abklingbecken haben jedoch nur ein ziemlich knappes Fassungsvermögen und können wegen des Fehlens ausreichender Wiederaufbereitungsmöglichkeiten die gegenwärtig dringend erforderliche Langzeitlagerung von verbrauchtem Brennstoff nicht gewährleisten. Außerdem ist es bei Unterwasserlagerung fraglich, ob die Brennstabhüllen die im Hinblick auf eine Langzeitlagerung erforderliche ausreichende Haltbarkeit bzw. Beständigkeit besitzen. Aus diesem Grund

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werden gegenwärtig andere Möglichkeiten der Langzeitlagerung entweder über der Erde oder unter der Erde in geologisch stabilen Gebirgsformationen untersucht. Die bisherigen Lösungsvorschläge finden jedoch in der Öffentlichkeit keine breite Zustimmung.

Es ist daher notwendig, nach weiteren Alternativmöglichkeiten für eine sichere, d.h. über lange Zeit unversehrte Lagerung von verbrauchtem Kernbrennstoff zu suchen. Dabei sind folgende Anforderungen zu stellen:

Die radioaktiven Substanzen in dem verbrauchten Kernbrennstoff dürfen nicht nach außen gelangen können, d.h. ein Durchsickern des eingekapselten Kernbrennstoffes nach außen und Brüche, Risse oder Sprünge in der Einkapselung dürfen auch während einer langen Lagerzeit nicht auftreten. Die Sicherheitshülle, in welche der verbrauchte Brennstoff einzukapseln ist, muß außerdem eine ausreichende Abfuhr der in dem Brennstoff noch entstehenden Zerfallswärme gewährleisten, damit der Brennstoff keine so hohe Temperatur erreichen kann, daß die Integrität der Sicherheitshülle gefährdet wird. Ferner soll die Sicherheitshülle eine ausreichende Strahlenabschirmung zum Schutz der Umgebung und von Personal gegen von den ausgebrannten Brennstäben ausgesandte Gamma- und Neutronenstrahlung bieten.

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Weiterhin könnte es sich als vorteilhaft erweisen, eine Möglichkeit vorzusehen, um nach einer bestimmten Lagerzeit entsprechend einem bestimmten Grad des radioaktiven Zerfalls bzw. wenn zu einem späteren Zeitpunkt eine Wiederaufbereitung des verbrauchten Brennstoffs zur Wiedergewinnung der noch verwendbaren Isotope erfolgen soll, den eingekapselten verbrauchten Brennstoff verhältnismäßig einfach wieder von der Sicherheitshülle befreien zu können. Andererseits kann es wünschenswert sein, die Sicherheitshülle so auszubilden, daß sie eine erhebliche Sicherheit gegen eine Zugänglichkeit bzw. Wiederbefreiung des eingekapselten verbrauchten Brennstoffes bietet, um die Möglichkeit terroristischer Aktionen oder Sabotageakte weitgehend auszuschließen.

Wegen des dringenden Bedürfnisses nach einer kurzfristig zur Verfügung stehenden Möglichkeit zur Langzeitlagerung von verbrauchtem Kernbrennstoff ist es außerdem wünschenswert, eine sichere, zuverlässige Einkapselung dieses Kernbrennstoffs mit Hilfe bereits verfügbarer Technologien vornehmen zu können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur langfristig sicheren Einkapselung von verbrauchtem Kernbrennstoff unter Berücksichtigung der oben erläuterten Anforderungen zu schaffen.

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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.

Während Beton in der Kerntechnik zur Abschirmung von Reaktoren bzw. Reaktoranlagenteilen in Form von jeweils mit Abstand von dem abzuschirmenden Anlagenteil angeordneten Betonkonstruktionen seit langem Anwendung findet, wurde Beton bisher noch nie als Werkstoff für eine ausgebrannte Brennstäbe bzw. Brennelemente unmittelbar umschließende Sicherheitshülle zur Langzeitlagerung von verbrauchtem Brennstoff in Erwägung gezogen. Gemäß der Erfindung wird der verbrauchte Kernbrennstoff vollständig und unmittelbar in einen besonders präparierten Beton eingebettet, so daß einerseits die radioaktiven Stoffe sicher zurückgehalten werden und andererseits die noch auftretende Zerfallswärme abgeführt werden kann und eine Abschirmung gegen Gamma- und Neutronenstrahlung gegeben ist. Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Einkapselung des verbrauchten Kernbrennstoffs brauchen keine neuen Technologien entwickelt zu werden.

Die dem Beton beigemischten Metallfasern verbessern dessen Wärmeleitfähigkeit und somit die Abführung und Verteilung der in dem verbrauchten Kernbrennstoff entstehenden Zerfallswärme, und durch die Imprägnierung des Betons mit

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Polymeren wird dieser praktisch undurchlässig, so daß ein Auslaugen oder Hindurchsickern von eingeschlossenen Substanzen ausgeschlossen ist.

Die Metallfasern und die Polymere können entweder gleichförmig in dem Beton verteilt sein oder der Kernbrennstoff kann alternativ dazu mit zwei aufeinanderfolgenden Betonschichten umkleidet werden, wobei dem Beton der inneren Schicht die Metallfasern beigemischt sind und der Beton der äußeren, die innere Schicht vollständig umschließenden Schicht die Polymere enthält,

Zur weiteren Abführung der Zerfallswärme können Kühlgebläse oder dergl. zur Konvektionskühlung der Außenflächen der Betonsicherheitshülle Anwendung finden.

Zur Imprägnierung oder zur zusätzlichen Imprägnierung des Betons mit Polymeren können die Poren bzw. Kapillaren des erstarrten Betons mit Monomeren und einem Katalysator getränkt werden, der in den Betonporen eine Umwandlung der Monomere zu Polymeren bewirkt. Anstelle eines chemischen Katalysators können auch andere Maßnahmen, beispielsweise Wärmezufuhr oder Bestrahlung zur Umwandlung der Monomere zu Polymeren Anwendung finden.

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Außerdem können als Teil des Bindemittels für den Beton organische Zusätze verwendet werden, die sich, wenn sie einer bestimmten Temperatur ausgesetzt werden, zersetzen und sodann eine Wiederfreilegung des eingekapselten Brennstoffs durch mechanische Zerstörung des Betons ermöglichen.

Ferner können dem Beton spezielle Neutronenabsorber zur Verbesserung der Strahlenabschirmung zugesetzt werden.

Der freie Feuchtigkeitsgehalt des Betons ist vorzugsweise im Hinblick auf die Anforderungen einer hohen Wärmeleitfähigkeit und einer niedrigen Durchlässigkeit gewählt, insbesondere bei zweischichtigem Aufbau der Sicherheitshülle mit einer inneren Schicht aus hoch wärmeleitfähigem Beton und einer äußeren Schicht aus Beton mit geringer Durchlässigkeit.

Die Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen anhand einiger Ausführungsbeispiele mehr im einzelnen beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 einen Schnitt durch eine erfindungs

gemäße Einkapselung von verbrauchtem Kernbrennstoff,

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Pig. 2 einen Schnitt durch ein weiteres

Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Einkapselung von verbrauchtem Kernbrennstο ff,

Fig. 3 eine graphische Darstellung der Ab

hängigkeit der Wärmeleitfähigkeit (Y-Achse) von dem freien Feuchtigkeitsgehalt (X-Achse) im Beton,

Fig. 4 eine graphische Darstellung der Ab

hängigkeit des Wärmeleitfähigkeitsverhältnisses (Y-Achse) des Betons von dessen Gehalt an Metallfasern (X-Achse), und

Fig. 5 eine graphische Darstellung der Ab

hängigkeit der Durchlässigkeit (Y-Achse) eines Zementkuchens von dessen Kapillarporosität (X-Achse).

In Fig. 1 ist ein Kernbrennstab 10 dargestellt, der vollständig von einer unmittelbar an seiner Brennstabhülle anliegenden Betonhülle 12 umschlossen ist. Der Brennstab enthält er'.ne Vielzahl von Brennstoff tablett en 14, die gas-

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dicht in die metallene, aus rostfreiem Stahl oder einer Zirkoniumlegierung bestehenden Brennstabhülle 16 eingeschlossen sind«

Während des Reaktorbetriebs brennt der ursprüngliche Brennstoff, bei welchem es sich um eine keramische Form von Urandioxid (U0_?) handelt, zunehmend ab, so daß beim Herausnehmen des ausgebrannten Brennstabs aus dem Reaktor der Brennstab radioaktive Stoffe, nämlich in stark radioaktivem Zustand befindliche feste und gasförmige Spaltprodukte enthält. Außerdem sind noch spaltbare Isotope in dem Brennstab enthalten, die, wenn sie wiederaufbereitet und erneut im Reaktorkern eingesetzt vier den können, einen beträchtlichen Wert haben. Die gasförmigen Spaltprodukte sammeln sich typischerweise in einem Gassammeiraum 18 im oberen Teil des Brennstabs 10, der strömungsmäßig mit dem gesamten Inneren des Brennstabs Verbindung hat.

Obwohl der Brennstoff und die Spaltprodukte gasdicht in der Brennstabhülle eingeschlossen sind, muß bei der Lagerung von verbrauchtem Brennstoff die Möglichkeit in Betracht gezogen werden, daß die Brennstabhülle bricht oder reißt und dadurch die Spaltprodukte aus dem Brennstab heraus in die Einkapselung, also die Betonhülle 12 gelangen können. Dabei muß auch die Möglichkeit des

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Hindurchsickerns oder der Auslaugung von Spaltprodukten durch die bzw. aus der Betonhülle in Betracht gezogen werden. Des weiteren erzeugen die radioaktiven Spaltprodukte eine beträchtliche Zerfallswärmemenge, die durch die Einkapselung abgeführt werden muß, damit der Brennstab sich nicht überhitzen und einer überbeanspruchung ausgesetzt werden kann, die zum Bruch der Brennstabhülle führt.

Diesen Anforderungen ist bei der in Fig. 1 gezeigten Betonsicherheitshülle 11 dadurch Rechnung getragen, daß dem Beton Metallfasern 20 zur Vergrößerung seiner Wärmeleitfähigkeit und Polymere 22, welche die Betonkapillaren 24 verschließen, zur Verbesserung der Undurchlässigkeit zugesetzt sind.

Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, gemäß welchem ein Brennelement 26 eingekapselt ist, das aus einer Vielzahl von Brennstäben 10 und einer diese zusammenhaltenden Tragkonstruktion besteht, welch letztere vor dem Einkapseln abgenommen oder an dem Brennelement belassen werden kann. Das Brennelement ist in eine zweischichtige Betonhülle eingekapselt, deren innere Schicht 28 das Brennelement vollständig umschließt und unmittelbar an diesem anliegt und gleichförmig im Beton verteilte Metallfasern 20 enthält,

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und deren äußere Schicht 30 aus mit Polymeren 22 zur Verbesserung ihrer Undurchlässigkeit imprägniertem Beton besteht. Gemäß Fig. 2 sind auch Maßnahmen zur Verbesserung der Konvektionskühlung der Außenfläche 32 der äußeren Betonschicht 30 vorgesehen, beispielsweise durch Einsatz eines Gebläses 3^. Es kann auch nur die natürliche Konvektionskühlung Anwendung finden. Ferner können natürlich auch andere Kühlmaßnahmen angevrandt werden; beispielsweise können in ausreichendem Maße Kühlleitungen in der Betonhülle zur Hindurchleitung eines Kühlmittels zwecks unmittelbarer Wärmeabfuhr vorgesehen sein. Eine solche Kühlung ist jedoch mehr aktiver Natur und würde erheblichen Wartungsund Überwachungsaufwand im Vergleich zu der zu bevorzugenden natürlichen oder unterstützten Konvektionskühlung der Betonhüllenaußenflächen erfordern. Auch Wärmeableitung zum Boden kann in vorteilhafter V/eise ausgenützt werden.

An oder in dem Beton können Temperatur- und andere Überwachungsgeräte 31 zur Anzeige der jeweiligen Temperatur oder anderer Meßgrößen an einem entfernt gelegenen Anzeigeinstrument 33 zum Einsatz kommen.

Es ist zu bemerken, daß bei den beschriebenen Einkapselungsformen die eingekapselten Brennstäbe oder Brennelemente als Bewehrungsstäbe dienen, die der Einkapselung

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eine größere Festigkeit verleihen, als sie ein einfacher Betonblock aufweist.

Es liegt für den Fachmann auf der Hand, daß Dicke, Dichte, Wärmeleitfähigkeit, Feuchtigkeitsgehalt und andere charakteristische Größen der Betonhülle bzw. ihrer Schichten entsprechend den jeweiligen besonderen Anforderung im Hinblick auf den jeweils einzukapselnden verbrauchten Brennstoff variiert werden können. Beispielsweise stellt die Zerfallswärme und die Aktivität in einem ausgebrannten Brennstab im wesentlichen eine abnehmende Funktion der Zeit seit der Herausnahme des Brennstabs aus einem Reaktorkern dar.

Demgemäß ist die erfindungsgemäße Einkapselung im Anschluß an eine kurzzeitige Zwischenlagerung während einer Dauer von bis zu etwa fünf Jahren in einem wassergekühlten Abklingbecken vorgesehen.

Die Eigenschaften der Betonhülle sollten so eingestellt werden, daß auch ein Brennstab oder Brennelement in der Mitte der Betonhülle, also an dem am weitesten von der äußeren Konvektionskühlung entfernten Ort, nicht in unannehmbarem Ilaße isoliert ist. rlit anderen Worten, die entstehende Zerfallswärme in dem verbrauchten Brennstoff muß mit ausreichender Uärmeableitgeschwindigkeit durch die Betonhülle

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mit den Metallfasern hindurch nach außen abgeleitet werden, daß die Temperatur an der Grenzfläche zwischen einer Brennstabhülle und dem Beton keinen überhöhten Wert erreicht. In diesem Zusammenhang können die oberen Grenzflächen-Grenztemperaturen fortschreitend wie folgt definiert werden, nämlich beispielsweise:

a) Die Schmelztemperatur der Brennstabhülle darf nicht erreicht werden,

b) die Temperatur muß unterhalb desjenigen Wertes bleiben, bei welchem sich die Brennstabhülle unter dem inneren Spaltgasdruck verformen kann,

c) die Temperatur muß unterhalb desjenigen Wertes bleiben, bei welchem eine fortschreitende Oxidation der Brennstabhülle auftritt,

d) die Temperatur muß unterhalb desjenigen Wertes bleiben, bei welchem unerwünschte Reaktion zwischen dem Brennstabhullenmaterial und Bestandteilen des Betons auftritt,

e) die Temperatur muß unterhalb desjenigen Wertes bleiben, bei welchem die Eigenschaften des Betons beeinträchtigt werden.

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Die im Hinblick auf diese Kriterien zu bevorzugende obere Grenztemperatur liegt bei etwa 200 C.

Beispielsweise weist ein durchschnittliches, verbrauchtes Brennelement eines Druckwasserreaktors nach fünfjähriger flüssigkeitsgekühlter Zwischenlagerung in einem Abklingbecken in jedem Brennstab noch eine Zerfallsleistungsdichte vom

-4
etwa 4 χ 10 -fachen der Leistungsdichte des Brennstabs im stationären Zustand im Reaktor auf. Bei einem typischen Brennstab eines Druckwasserreaktors, der im Reaktor mit einer Leistungsdichte von etwa 33 kW/m arbeitet, beträgt die Zerfallsleistungsdichte nach fünfjähriger Abklingzeit noch etwa 13 x 10~·^ kW/m pro Brennstab oder etwa 3>3 kW/m bei einem aus 250 Brennstäben bestehenden Brennelement. Die Brennstäbe eines typischen Brennelements haben eine Länge von etwa 3,6 m, Bei gewöhnlichem Beton mit einer Wärmeleitfähigkeit von etwa 6,2 kJ / m h ⁰C und einer Dicke von 0,3m würde eine ständige Leistungsabgabe von 3,3 kW/m einen Temperaturanstieg von der Betonaußenfläche zur Mittelachse des Brennelements hin von etwa 430 °c ergeben.

Durch eine Steigerung der Wärmeleitfähigkeit des Betons um den Paktor 10 kann jedoch der Temperaturanstieg auf etwa 43 ⁰C verringert werden, und bei hinreichender Kühlung der Betonoberfläche durch reine Konvektion bleibt die Temperatur

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in der Brennelementmitte gut unterhalb der zulässigen Maximaltemperatur nach den genannten Kriterien, Eine Verdoppelung der Betonwandstärke aus anderen Gründen auf etwa 0,6 m ergibt bei faserbewehrten Beton ein Temperaturgefälle von etwa 59 °C.

Die Wärmeleitfähigkeit von Beton ist eine komplexe Funktion von Dichte, Art der Zuschlagstoffe und des verwendeten Zements sowie des freien Feuchtigkeitsgehalts des Betons. Bei den meisten Betonen ist die Wärmeleitfähigkeit aufsrund dieser Parameter innerhalb eines einem Faktor 2 entsprechenden Bereiches variabel. Dies ist in Tafel 1, welche die Abhängigkeit der Wärmeleitfähigkeit von der Art der Zuschlagstoffe erläutert, und in Fig. 3 dargestellt, welche die Wärmeleitfähigkeit als Funktion des freien Feuchtigkeitsgehalts eines Betons mit Dolerit als Zuschlagstoff zeigt.

	Tafel 1	des Betons vom Zuschlagstoff
Abhängigkeit der	Wärmeleitfähigkeit	Wärmeleitfähigkeit (kJ/m h ⁰C)
Zuschlagstoff	Spez, Betongewicht (kg/m³)	4,98
Baryt	3640	5,17
Vulkangestein	2550	13,27
Dolomit	2560	0₃50 bis 2,18
Leichtbeton (ofengetrocknet)	180 bis I76O

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Es ist klar, daß die gewünschte Wärmeleitfähigkeit von beispielsweise 62 kJ/rn h C nur durch Auswahl des Zuschlagstoffes und des freien Feuchtigkeitsgehalts allein nicht erreicht werden kann. Eine erhebliche Steigerung der Wärmeleitfähigkeit läßt sich jedoch durch Beimischung metallischer Fasern und Verteilung derselben im gesamten Beton erreichen. Verfahren zur Erzielung der Verteilung des Metalls sind bereits aus der Faserbewehrungstechnologie verfügbar. Außer der Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit ergeben sich durch die Beimengung von Fasern auch noch andere im Hinblick auf die Lagerung von verbrauchtem Kernbrennstoff nützliche Verbesserungen von Eigenschaften. Metallfasern aus Kupfer, Aluminium oder Stahl sind zu bevorzugen, aber es können auch andere Fasern mit guter Wärmeleitfähigkeit Anwendung finden. Eine Faserbewehrung von Beton unter Verwendung zufällig verteilter Fasern mit Längen/Durchmesser-Verhältnissen von etwa 60 bis 100 ist an sich zur Herstellung von Beton mit guten Biegefestigkeits- und Zugfestigkeitseigenschaften bekannt. Außerdem werden die Druck-, Scher-, Ermüdungs- und Schlagfestigkeit sowie die Frost-Tau-Wechselbeständigkeit erhöht.

Es ist in einem Artikel von Cook et al in "Cement and Concrete Research", Band 4, 1974, Seiten 497, 509, gezeigt v/orden, daß die Beimischung von Kupferfasern in

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kleinen Volumenkonzentrationen die Wärmeleitfähigkeit des faserbewehrten Betons um etwa einen Paktor 7 bis 10 steigern kann (siehe Fig. 4). Es hat sich außerdem gezeigt, daß eine Verdichtung des Betons durch Vibration eine gewisse Faserausrichtung bewirkt, so daß die Fasern in Richtung des beabsichtigten Wärmestromes orientiert werden können, was die Differenz zwischen den experimentellen und den theoretischen Werten in Fig. 4 erklärt. Es ist demgemäß zu erwarten, daß bei Verwendung geeigneter Zuschlagstoffe zum Beton und wirksamer Mischvorrichtungen sich mit Hilfe eines erhöhten Metallfasergehalts dem jeweiligen Anwendungsfall, d.h. dem jeweils bestimmten verbrauchten, zu lagernden Brennstoff angepaßte Wärmeleitfähigkeitwerte erreichen lassen.

Außer der Wärmeleitfähigkeit wird durch eine größere Dichte des Betons, die man durch Verwendung natürlicher schwerer Zuschlagstoffe oder künstlicher Zuschlagstoffe wie beispielsweise Kupfer- oder andere Metallfasern erreicht, auch die Gammastrahlenabsorption des Betons verbessert. Die Zuschlagstoffe sollten jedoch hinsichtlich ihrer Korngröße sorgfältig abgestuft sein, um eine Entmischung während des AbbindeVorgangs zu vermeiden.

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Tafel 2 zeigt Beispiele der Korngrößenzusammensetzung von Feinzuschlagstoffen für Betone als Siebanalyse. Es hat sich gezeigt, daß durch Verwendung von Portlandzement des Typs I mit Puzzolan und Eisenschrot ein Beton mit einer Dichte von über 4800 kg/m hergestellt werden kann. Demzufolge lassen sich unter Verwendung von Schnellbindern, beispielsweise eines modifizierten, schnell erstarrenden und hochfesten Portlandzements, in Verbindung mit Portlandzement des Typs I und metallischen Zuschlagstoffen, wie beispielsweise Metallfasern und/oder Metallschrot Betone mit einer Dichte zwischen 4800 kg/m und 96OO kg/m ohne Gefahr der Entmischung herstellen. Ein derartiger hochdichter Beton bringt nicht nur eine wesentliche Steigerung der Wärmeleitfähigkeit, sondern es verringert sich auch die im Hinblick auf gegebene Anforderungen an die Abschirmwirkung erforderliche Wanddicke der Betonsicherheitshülle. Bei gegebener Wärmeleitfähigkeit bringt eine verringerte Betonwanddicke außerdem einen geringeren Temperaturanstieg über der Betonwanddicke.

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	- 21 - Tafel 2	2922382	Siebanalyse von Feinzuschlagstoffen	*1 DRY Gew. %
	■ 2 Q ROK Gew. %	0,030
oieb Wr.M	1,22	25,06
+20	90,14	47,16
-20+40	8,49	17,19
-40+60	0,12	4,06
-60+80	0,005	3,03
-80+100	0,006	2,55
-100+120	0,007	0,93
-120		Fines EFJ SAND Gew. %
-l40
Sieb Nr.*	Berkeley Gew. %
+60	5,50
	Q "^n
OUTÜU _ Rri4.1 Γ\Γι	y, pvj f. r\o
— ÖU + J.UU -100+120	D , Uc. 9,89
-120+140	7,85
-140+170	12,39
-170+200	10,95
-200+230	5,95
-230+270	7,97	0,11
-270+325	9_S95	0,33
-325+400	5,06	0,90
-400	9,07	3,05
$6 - bedeutet "durchgelassen"	8,27
87,27
+ bedeutet "zurückgehalten"

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Da bei der Einkapselung von verbrauchtem Kernbrennstoff die Möglichkeit der Freisetzung von Spaltprodukten und die Gefahr des Durchsickerns oder Auslaugens berücksichtigt werden muß, muß die Durchlässigkeit des Betons der Sicherheitshülle weitgehend herabgesetzt werden.

Durch einen höheren freien Feuchtigkeitsgehalt erhöht sich nicht nur die Wärmeleitfähigkeit des Betons, sondern auch seine Durchlässigkeit. Da das angestrebte Ergebnis eine erhöhte Wärmeleitfähigkeit, jedoch eine verringerte Durchlässigkeit ist, muß hinsichtlich des freien Feuchtigkeitsgehalts ein Kompromiß gefunden werden.

Die Undurchlässigkeit des Betons kann durch Zugabe von Polymeren bzw. durch Tränken der Betonporen mit Polymeren verbessert werden, und, wenn man unterschiedlich große Gehalte an freier Feuchtigkeit wünscht, kann eine zweischichtige Einkapselung der in Fig. 2 gezeigten Art vorteilhaft Anwendung finden, wobei die innere Betonschicht 28 einen höheren freien Feuchtigkeitsgehalt und die äußere Betonschicht 30 einen geringeren freien Feuchtigkeitsgehalt besitzt.

Zementkuchen mit einem niedrigen Wasser/Zement-Verhältnis besitzen bekanntermaßen eine sehr geringe Durch-

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lässigkeit. Beispielsweise hat ein gut ausgehärteter Zementkuehen aus hydraulischem Zement, der mit einem Wasser/Zement-Verhältnis von etwa 0,4 hergestellt worden ist, eine Durchlässigkeit, die etwa derjenigen von dichtem Ergußgestein ent-

-12
spricht und etwa 2,5 χ 10 cm/s beträgt. Vergleiche der Durchlässigkeiten natürlicher Minerale mit Zementkuchen unterschiedlicher Wasser/Zement-Verhältnisse sind in der nachstehenden Tafel 3 gezeigt.

Tafel 3

Durchlässigkeit von Gesteinen und	Durchlässigkeit (cm/s)	Zementkuchen
Gesteinsart	gestein 2,47 χ ίο"¹²	Wasser/Zement -Ver hältnis eines ausge härteten Zement- kuchens gleicher Durchlässigkeit
Dichtes Ergußf	8,21 χ 10"¹²	0,38
Quarzdiorit	2,39 χ ίο"¹¹	0,42
Marmor	5,77 x 10"¹⁰	0,48
Marmor	5,35 x 10"⁹	0,66
Granit	1,23 x 10"⁸	0,70
Sandstein	1,56 χ ΙΟ"*⁸	0,71
Granit	0,71

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Die Durchlässigkeit eines Zementkuchens als Funktion des jeweiligen Hydratationszustands während des Aushärtens ist in der nachstehenden Tafel 4 für einen Zementkuchen mit einem Wasser/Zement-Verhältnis von 0,7 dargestellt.

Tafel 4 Abnahme der Durchlässigkeit eines Zementkuchens

Alter Durchlässigkeit

(d) (cm/s)

-4 frisch 2 χ 10

5 4 χ 10"⁸

6 Ix 10"⁸ 8 4 χ 10"⁹ 13 5 x 10"¹⁰

24 Ix 10"¹⁰

— 11 voll ausgehärtet 6 χ 10

Außer dem Wasser/Zement-Verhältnis beeinflußt der Gesamtzementgehalt eines Betons dessen Durchlässigkeit, wie in Tafel 5 gezeigt ist, welch letztere auf Betonen beruht, wie sie typischerweise bei Staudämmen Anwendung finden.

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	Tafel 5	Beton
	Durchlässigkeit von	Durchlässigkeit -10 (10 ^x cm/s)
Z erne nt gehalt	Wasser/Zement- verhältnis	2,44 8,23 4,24 2,77
151 155 167 223	0,74 0,69 0,54 0,46 .

Durch geeignete Wahl des Zementgehalts des Betons und durch Zugabe puzzolanischen Materials wie beispielsweise Plugasche sowie Anwendung geeigneter Härteverfahren kann Beton mit sehr geringer Durchlässigkeit hergestellt werden. In physikalischer Hinsicht hängt die Durchlässigkeit eines Zementkuchens hauptsächlich von dessen Kapillarporen ab, wie in Fig. 5 gezeigt ist, da die Gelporen sehr klein sind, nämlich im Bereich von 1 nm bis 1,5 nm liegen.

Außer direkter Imprägnierung der Betonkapillaren mit organischen Harzen oder Polymeren kann eine sehr geringe Durchlässigkeit des Betons auch dadurch erreicht werden, daß bereits dem frischen Betongemisch geeignete Monomere und ein Katalysator beigegeben werden, so aß die organische Flüssigkeit innerhalb der MikroStruktur des

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Betons unter dem Einfluß eines aktivierenden Paktors wie beispielsweise Wärme oder Strahlung in einen Polymer umgewandelt werden kann. Außer einer Ilonomer-Polymerumwandlung während der Mischphase können außerdem ilonomere, beispielsweise nach vorangegangener Evakuierung, in die MikroStruktur des Betons eingepreßt und mit Hilfe eines geeigneten Katalysators und Aktivierungsmaßnahmen in Polymere umgewandelt werden, welche die Kapillar-Mikrostruktur des Betons ausfüllen.

Die folgenden Zusammensetzungs- und Verfahrensbeispiele eignen sich zur Einbettung bzw. Einkapselung von verbrauchtem Kernbrennstoff in Form von Brennstäben und/oder Brennelementen in Beton, wobei man die gewünschten Eigenschaften, nämlich relativ hohe Wärmeleitfähigkeiten und geringe Durchlässigkeiten erreicht.

Bei den folgenden Beispielen werden jeweils die Bestandteile der Betonmischung in einem hochwirksamen Mischer gemischt und das Betongemisch wird unter Einbettung der einzukapselnden verbrauchten Brennstäbe oder Brennelemente in eine Form gegossen. Die Verdichtung des Betons wird durch Vibration der Form unterstützt, wobei Hohlräume verschwinden und eine gewisse Ausrichtung der Metallfasern eintritt.

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Bei den Polymerbetonen der folgenden Beispiele, und zwar sowohl bei der Herstellung einer einschichtigen Sicherheitshülle aus Polymerbeton als auch bei der Herstellung einer äußeren Polymerbetonschicht niedriger Durchlässigkeit über einer inneren, mit hydraulischem Zement gebundenen Betonschicht, findet beim Gießen des Betons ein Vakuum im Bereich von etwa 40 mbar Anwendung.

Beispiel 1: Polymerbeton Zusammenset zung:

Gesamtanteil (Gew.S)

Metallfasern (ca. 10 Vol.35) 31

Kupferfasern 13 mm lang, 0,45 mm Durchmesser

Grobzuschlagstoffe 8

gebrochener Dolomit

Feinzuschlag- und Füllstoffe (Gew. 50 46

2 Q ROK Sand 50

4= 1 Dry Sand 17

Berkely Sand δ

EFJ Sand 12

C-331 Aluminiumoxidhydrat I3

lüo

Organische Zusätze

Binder (Gew.*) (Vol. Ji) 15

Polyesterharz 74 72

Styren Monomer 21 20

Surfactants 4 7

Katalysator (MEKP) 1 1

1ÖÖ IÖÖ

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Aushärten;

Das Betongemisch wird auf einem Vibrationstisch in einen Vakuumbehälter gegossen. Der Behälter wird bei laufendem Vibrator evakuiert und auf einem Unterdruck von etwa 40 mbar gehalten. Sodann wird das Gemisch auf eine Temperatur von etwa 60 ⁰C bis 70 °C erwärmt. Anschließend wird der Behälter in Intervallen von jeweils 10 min jeweils einem Druckimpuls ausgesetzt und wieder evakuiert. Die Polymerisation setzt nach etwa 30 min ein und die Vakuum- und Druckimpulsbeaufschlagung wird dann beendet. Nach etwa 3 h ist die Polymerisation im wesentlichen vollständig abgelaufen und der Betonkörper kann aus der Form herausgenommen werden.

überziehen;

Der Oberflächenschichtbereich des Betonkörpers kann infolge von Verdampfung polymerarm sein. Daher ist das Aufbringen äußerer Schutzüberzüge vorteilhaft. Hierzu stehen geeignete Überzugsmaterialien zur Verfügung, beispielsweise Polyacryl-Paraffin ("Concrete-Polymer Materials", Fifth Topical Report, BNL 50390, Dezember 1973). Weitere im Handel erhältliche geeignete Materialien sind beispielsweise unter den Handelsnahmen "HALAR ECTFE", "SIERRACIN" und "ENVIREZ" bekannt. Die überzüge können durch Aufstreichen, Aufsprühen oder Plasmaspritzen auf die Polymerbetonoberfläche aufgebracht

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und an Ort und Stelle polymerisiert werden.

Beispiel 2; Polymerimprägnierter Beton Zusammensetzung;

Metallfasern (ca. 10 Vol.50

Kupferfasern 19 mm lang, 0,45 mm Durchmesser

Gesamtanteil (Gew.%)

51,2

Grobzuschlagstoffe	(Gew.%)	19,6
gebrochener Dolomit	50
Peinzuschlagstoffe	17	19,6
2 Q ROK Sand	8
4t 1 Dry Sand	12
Berkely Sand	13 TÜÖ
EPJ Sand	(Gew.%)
C-331 Aluminiumoxidhydrat	29
Zement und Puzzolan	28	6,8
Portlandzement Typ I	43
Schnellbinder	Töü
Plugasche	(Gew. 50
	98
Wasser und Zusätze	2	2,8
Wasser	TDT)
Plastifizierungsmittel
	Töö"

Aushärten;

Das Betongemisch wird auf einem Vibrationstisch gegossen, wobei während des Gießens und anschließend noch während etwa 1 h bis 2 h die Vibration fortgesetzt wird. Nach einer Erstarrungszeit von 24 h wird der Betonkörper ausgeschalt.

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Danach wird der Betonkörper während weiterer 24 h in Dampf bei einer Temperatur von etwa 150 C weiter ausgehärtet und verbleibt dann während mindestens 24 h an der Luft, bevor weitere Verfahrensmaßnahmeη ausgeführt werden. Die innere Erwärmung durch die Zerfallswärme und die Strahlungswärme setzen den Aushärtevorgang fort.

Imprägnieren:

Die Betonoberfläche wird in Vakuum bei einer Oberflächentemperatur von etwa 150 C während 4 h getrocknet. Danach wird sie, falls sie von außen erwärmt worden ist, gekühlt. Danach wird ein Harzgemisch (beispielsweise Methylmethacrylat-Monomer, Trimethylolpropan-Trimethacrylat als Vernetzungsmittel und Benzoylperoxid als Katalysator im Gewichtsprozentverhältnis von 90 : 10 : 1) zur Tränkung des Betonkörpers in die Vakuumkammer eingespritzt. Für die Absorption gibt man etwa 15 min bis 30 min _t und danach wird der Betonkörper unter einen Druck von etwa 4,5 bar gesetzt, um die Flüssigkeit in die Kapillarporen des Betons einzupressen. Dieser Preßdruck wird während einer Zeit von etwa 1 h bis 2 h aufrechterhalten. Danach reduziert man den Druck und läßt das überschüssige Harz ablaufen. Das nicht verbrauchte Harzgemisch kann unter Kühlung zur Verzögerung der Polymerisation bis zur nächsten

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Imprägnierung aufbewahrt werden.

Anschließend wird der Beton wieder unter einen Druck von etwa 2,4 bar bis 2,75 bar gesetzt und, falls erforderlich, erwärmt, um eine Oberflächentemperatur von etwa 60 °C bis 70 ⁰C zu erreichen, die dann während einer Zeit von 1 h bis 2 h aufrechterhalten wird. Die flüchtigen Stoffe in der Behandlungskammer werden dann abgesaugt und Umgebungsluft wird zugeführt, und sodann kann der eingekapselte Brennstoff zum vorgesehenen Lagerplatz gebracht werden.

Das bei dem nach dem eben beschriebenen Beispiel hergestellten Betonkörper zu erwartende feine Kapillarporennetz sollte die Eindringtiefe des Imprägniermittels auf den oberflächennahen Schichtbereich mit einer Tiefe von etwa 2,5 cm bis 15 cm begrenzen, die ein Maß für die Undurchlässigkeit des Betongefüges ist. Der als Imprägniermittel dienende Polymer dichtet den oberflächennahen Bereich ab und verringert so die Durchlässigkeit des Betonkörpers. Bei Betongefügen mit großen Kapillarporendurchmessern dringt das Harzgemisch bis in eine größere Tiefe ein und verringert die Durchlässigkeit dieses Gefüges durch Polymerisation in den Poren. Die von dem eingekapselten Brennstoff ausgesandte Strahlung begünstigt die Polymerisation und die Vernetzung.

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Beispiel 3> Zweischichtige Betonhülle

Bei der zweischichtigen Betonsicherheitshülle findet eine Kombination aus einer Metallfasern enthaltenden, zementgebundenen Betonschicht als innere Einkapselung mit einer über dieser hergestellten äußeren Betonschicht aus ebenfalls Metallfasern enthaltendem Polymerbeton Anwendung. Der Beton der inneren Schicht entspricht hinsichtlich Betonzusammensetzung, Gießverfahren und Aushärteverfahren dem obigen Beispiel 2 (Polymerimprägnierter Beton). Nach dem Trocknen wird die innere Betonschicht mit einem Polymerbeton der Zusammensetzung gemäß dem obigen Beispiel 1 umgössen. Mit der Endaushärtung gemäß Beispiel 1 (Polymerbeton) wird das Verfahren abgeschlossen.

Es ist klar, daß bei gemäß der obigen Beschreibung hergestellten Betonen mit hoher Wärmeleitfähigkeit und geringer Durchlässigkeit mechanische, die Betonumhüllung zerstörende Verfahren erforderlich sind, wenn die eingekapselten Brennstäbe oder Brennelemente wieder aus dem sie umschließenden Beton befreit werden sollen. Dabei kommen beispielsweise Bohren oder Preßlufthammerbearbeitung in Frage, was aber eine ferngesteuerte Behandlung erfordern würde. Da aber der noch in den ausgebrannten Brennstäben befindliche restliche Spaltstoff von beträchtlichem Wert ist, ist eine einfachere Methode zur Wiederbefreiung des verbrauch-

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ten Brennstoffs aus der Betonumhüllung wünschenswert.

Zu diesem Zweck können organische Bindemittel in dem Beton Anwendung finden, die sich bei Einwirkung von hohen, durch äußere Wärmequellen erzeugten Temperaturen im Bereich von etwa 300 ⁰C bis 500 °C zersetzen und sich damit zerstören. Diese Maßnahme findet vorzugsweise aber nur dann Anwendung, wenn entsprechende andere Vorsichtsmaßnahmen zur "Verminderung der Gefahr von Sabotageakten getroffen worden sind.

Ist über die durch die zugesetzten Metallfasern und die gesteigerte Betondichte erzielte Abschirmwirkung hinaus eine noch höhere Abschirmwirkung erforderlich, können auch besondere Materialien mit hoher Absorptionsfähigkeit für thermische Neutronen dem Beton zugesetzt werden. Beispielsweise können dem frischen Beton Borsalze beigemischt oder weitere Metallfasern, beispielsweise aus Kadmium oder anderen, an sich bekannten Neutronenabsorbern zur Verbesserung der Neutronenabsorption zugesetzt werden.

Ein Beton mit hoher Wärmeleitfähigkeit und geringer Durchlässigkeit nach der Erfindung kann auch zur Langzeitlagerung radioaktiver Abfälle Anwendung finden, die sich in verschlossenen Metallfässern bzw. Metallbehältern befinden.

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Zusammenfassend bringt die Erfindung eine Möglichkeit zur sicheren Langzeitlagerung von verbrauchtem Kernbrennstoff oder anderem, in Metallbehältern befindlichen radioaktiven Stoffen durch Verwendung von Betonen mit hoher Wärmeleitfähigkeit und geringer Durchlässigkeit sowie großer Festigkeit und AbSchirmwirkung, wobei gegebenenfalls Maßnahmen zur leichten Wiedergewinnung des eingekapselten Brennstoffs' getroffen werden können.

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Claims

Patentansprüche

Γΐ») Verfahren zur Einkapselung von verbrauchtem, in eine metallene Hülle eingeschlossenem radioaktivem Kernbrennstoff in eine dessen Langzeitlagerung ermöglichende Sicherheitshülle, dadurch gekennzeichnet, daß der Kernbrennstoff mit seiner Metallhülle vollständig und unmittelbar in Beton eingebettet wird, dem Metallfasern beigemischt sind und der mit Polymeren imprägniert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kernbrennstoff mit zwei aufeinanderfolgenden Betonschichten umkleidet wird, wobei dem die innere Schicht bildenden Beton Metallfasern in gleichmäßiger Verteilung beigemischt werden und wobei der die äußere Schicht bildende Beton mit Polymeren imprägniert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Betonschicht mit einem bestimmten freien Feuchtigkeitsgehalt und die äußere Betonschicht mit einem niedrigeren freien Feuchtigkeitsgehalt als die innere Schicht hergestellt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Polymere zur Imprägnierung des

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Betons dem frischen Beton beigemischt werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Imprägnierung oder zur zusätzlichen Imprägnierung des Betons mit einem Polymer der erstarrte Beton mit einem Monomer und einem Katalysator getränkt wird, welch letzterer die Umwandlung des in die Betonporen eingedrungenen Monomers in das Polymer bewirkt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem Beton als Bindemittel organische Zusätze beigemischt werden, die bei Temperaturen über 300 °c zersetzbar sind, derart, daß die dadurch eintretende Verringerung der Betonfestigkeit ein Wiederherausnehmen des Kernbrennstoffes aus der Sicherheitshülle durch mechanische Zerstörung derselben ermöglicht.

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