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Verfahren zur Beseitigung von radioaktiven Abfällen
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beseitigung von radioaktiven
Abfällen, die in Behältern eingeschlossen sind.
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Die während der gesamten Betriebszeit eines Kernkraftwerks anfallenden
abgebrannten Brennelemente werden meist wieder aufgearbeitet. Dabei fallen radioaktive
Abfälle an, zu deren Beseitigung es bekannt ist, sie in Behältern einzuschließen
und in einem Salzstock endzulagern. Die Endlagerung radioaktiver Abfälle in Salzstöcken
ist besonders
für diejenigen, deren Radioaktivität nicht rasch
abklingt, sondern sehr lange Halbwertzeiten haben (z.B. über 1000 Jahre) problematisch,
da schwer vorhersehbar ist, welchen Einflüssen die Lagerstelle in den nächsten Jahrhunderten
unterliegen wird. Ferner ist eine ständige Bewachung dieser Lagerstelle gegen Unbefugte
erförderlich, und auch muß dafür Sorge getragen werden, daß die Strahlungsintensität
an der Lagerstelle nicht zu hoch wird, um Kettenreaktionen auszulösen. Eine derartige
Endlagerung ist somit keine endgültige Beseitigung radioaktiver Abfälle, sondern
nur ein Notbehelf, der erheblichen Lagerraum für die in den nächsten Jahrhunderten
anfallenden Mengen radioaktiven Abfalls erfordert.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zu schaffen, durch das
eine sichere und endgültige Beseitigung radioaktiver Abfälle möglich wird. Darüber
hinaus ist es Aufgabe der Erfindung, einen Behälter zu -schaffen, der bei der Ausübung
des Verfahrens verwendet werden kann.
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Die erste Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Behälter
in einen Lavasee, insbesondere eines Vulkans, gebracht werden.
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Der in das Erdinnere mit der Lava zurückströmende Behälter wird über
einen ausreichenden Zeitraum aufgrund seiner großen Druckfestigkeit und Schmelz
festigkeit nicht zerstört, so daß frühestens in tieferen Bereichen, insbesondere
im Magmaherd erst, der radioaktive Abfall in das Magma austreten kann. Durch die
im Magmaherd
tief im Erdinneren bestehenden Magmaströme wird der
radioaktive Abfall soweit verteilt, daß die Radioaktivität des Magmas kaum meßbar
ansteigt. Damit ist sichergestellt, daß auch bei einem eventuellen Ausbruch des
Magmas keine radioaktive Belastung der Umwelt entsteht.
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Sehr vorteilhaft ist es, wenn die Behälter in diejenige flüssige Lava
(Magma) insbesondere eines dauertätigen, aber ruhigen Vulkans gebracht werden, die
in das Erdinnere zurückströmt. Auch ist es vorteilhaft, wenn ein Vulkan verwendet
wird, dessen Magmamenge im Magmaherd sehr groß ist. Ferner sollte ein Vulkan benutzt
werden, dessen Magmaherd mit tieferen Magmamengen der Magmazone in Verbindung steht,
so daß das Magma des Magmaherds in ständigem Austausch mit Magma des tieferen Erdinneren
steht, wodurch die Erhöhung der Radioaktivität des Magmas des Magmaherds sehr schnell
abklingt.
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Die Beförderung der Behälter in das Erdinnere kann nicht nur durch
die Lava- bzw. Magmaströmung erfolgen, sondern auch durch das Gewicht des Behälters,
das größer sein sollte als das spezifische Gewicht der Lava (Magma). Je nachdem,
wie schnell die Behälter im Vulkanschlot absinken, wird man das Material der Behälterwandung
wählen, um sicherzustellen, daß sich dieses nicht zu schnell im Magma auflöst.
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Vorzugsweise wird vorgeschlagen, daß die Behälter in einen Lavasee
des Vulkans gebracht werden. Ein solcher Lavasee ist besonders dann vorteilhaft,
wenn er ausreichend starke, nach unten gerichtete Lavaströmungen aufweist. Alternativ
wird vorgeschlagen, daß die Behälter durch eine seitliche, zur flüssigen Lavasäule
führende Bohrung oder Schacht in die abwärtsströmende Lava gebracht werden. Hierdurch
kann eine
besonders sichere und kontinuierliche Einbringung der
Behälter erreicht werden.
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Vorzugsweise wird vorgeschlagen, daß die Dicke der metallenen Behälterwandung
ein Zehntel bis ein Halb, vorzugsweise etwa ein Viertel des Behälterdurchmessers
beträgt. Ein solcher Behälter dürfte ausreichend stabil sein und sicherstellen,
daß die Wandungen sich nicht vorzeitig vor Erreichen des Magmaherdes auflösen. Dabei
sollte die Behälterwandung aus einem Schwermetall hoher Festigkeit, insbesondere
aus Nickel bestehen.
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Eine besonders günstige Behälterform ist dann gegeben, wenn er kugelförmig
ist. Dabei kann der Durchmesser des Behälters 0,5 bis 2 Meter, insbesondere etwa
1 Meter betragen.
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Ein vorteilhaftes Beispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird im
folgenden näher beschrieben.: Radioaktive Abfälle, insbesondere Abfallkonzentrate,
werden in einen kugelförmigen Behälter gebracht, dessen Außendurchmesser 1 m, und
dessen Innendurchmesser 50 cm beträgt, und dessen Wandungen aus Nickel bestehen.
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Der Behälter wird durch einen segmentförmigen Deckel verschlossen
und danach zu einem Vulkan transportiert, von dem man annehmen kann, daß er in der
nächsten Zeit nicht ausbrechen wird, d.h. daß zumindest innerhalb der nächsten Jahre
keine Lava in die Umgebung abgegeben werden wird. Der Vulkan soll aber nicht zu
d,en erkalteten zählen, sondern eine Lavaseetätigkeit aufweisen.
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Alternativ genügt es aber auch, daß die Tätigkeit des Vulkans nicht
offen zutage tritt, sondern tiefer im
Inneren liegt, wobei dann
diese Stelle angebohrt bzw.
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angegraben werden muß. Bei vielen dieser relativ ruhigen, dauertätigen
Vulkane, fließt ständig Lava vom Magmaherd durch den Vulkanschlot oder die Vulkanspalte
nach oben zum Krater, um dort im Lavasee sichtbar zu werden und dann wieder durch
den Vulkanschlot oder die Volkanspalte zurück zum Magmaherd in das Erdinnere zu
fließen.
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In eine solche, nach unten fließende Lavaströmung wird der Behälter
eingegeben, so daß dieser aufgrund der Strömung und seiner größeren Schwere als
das Magma durch den Vulkanschlot bzw. durch die Vulkanspalte nach unten zum Magmaherd
transportiert wird. Aufgrund der hohen Stabilität und der großen Wandstärke des
kugelförmigen Behälters wird dieser erst im Magmaherd aufgelöst werden, so daß erst
dort der radioaktive Abfall in das Magma eintritt. Durch die im Herd befindlichen
Magmaströme wird der Abfall gleichmäßig verteilt, so daß die Radioaktivität des
Magmas kaum meßbar ansteigt.
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Darüber hinaus ist es von Vorteil, einen Vulkan auszusuchen, dessen
Magmaherd mit der darunter befindlichen Magmazone des Erdinneren verbunden ist,
so daß das leicht radioaktive Magma ausgetauscht wird und damit zur Magmazone fließt.
Nach diesem Austausch des Magmas des Vulkanherdes mit dem der Magmazone weist die
beim Ausbruch ausgeworfene Lava keinen Unterschied auf gegenüber der üblichen. Aber
auch dann, wenn das Magma des Vulkanherdes noch nicht mit dem der Magmazone ausgetauscht
wurde, ist die Belastung nach einem Vulkanausbruch vernachlässigbar, da im Vergleich
zur Menge des Magmas im Vulkanherd nur geringe Lavamengen ausgeworfen
werden,
die eine kaum meßbar höhere Radioaktivität besitzen als normale Lavaströme.
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Zur überschlägigen Beurteilung werden im folgenden Daten verwendet
werden, die auf A. Rittmann (Vulkane und ihre Tätigkeit, F. Enke Verlag, Stuttgart,
1960) zurückgehen.
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Zugrunde liegt für die Sinkgeschwindigkeit das Gesetz von STOKES,
bei dem die Widerstandskraft durch die innere Reibung einer Flüssigkeit mit der
Gravitationskraft (einschl. Berücksichtigung des Auftriebs) im Gleichgewicht steht,
2r²(#-#')g v = q# worin bedeutet: v Sinkgeschwindigkeit r Radius des Objekts = 0,5
m Dichte des Objekts, hier vereinfachend für Hülle und Inhalt (Abfall) = 9 g/cm³
gesetzt Dichte der Schmelze (Magma).= 3 g/cm3 g Erdbeschleunigung = 981 cm/s2 Viskosität
der Schmelze (Magma) bei etwa 5000 bar in 16 km Tiefe = 106 g/cm s (In Oberflächennähe
ist der Druck um Zehnerpotenzen geringer und die Viskosität ebenfalls.) Damit erhält
man bei einer Kugel von 50 cm Durchmesser eine Sinkgeschwindigkeit von v = 3,3 cm/s
oder ungefähr 120 m/h.
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Wollte man also diese in 16 km Tiefe schon auf ein recht niedriges
Maß abgesunkene Fallgeschwindigkeit überschlägig für den ganzen Sinkvorgang ansetzen,
so wäre für 16 km eine Zeit von 133'Stunden oder 5,5-Tagen erforderlich. Real ist
die Zeit wesentlich kürzer. Aus dieser gewiß sehr groben Abschätzung geht hervor,
daß der Sinkvorgang erstaunlich schnell bis in respektable Tiefen führt, was sich
auf das Risiko bei einem Vulkanausbruch und die Auflösung der Hülle günstig auswirkt.
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Damit kommen sowohl mittelamerikanische Vulkane als auch Vulkane der
Virunga-Gruppe in der Nähe des Kiwu-Sees (Ostafrika), nämlich Nyamuragira und Niragongo,
sowie Afdera / Danakil, Äthiopien, in Betracht.
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Selbst bei Magmaherden von "nur" 1000 km3 Größe würde das durch Diffusion
und Konvektion im Endzustand völlig gleichmäßig verteilte Abfallmaterial annähernd
eine Verdünnung von 2.1013 : 1 erfahren. Schon dieser Verdünnungsgrad ist beeindruckend.
Hinzu kommt aber noch, daß selbst davon durch Abschirmungswirkung des Gesteins an
der Oberfläche der Erde nur noch eine um etliche Zehnerpotenzen geringere Strahlungsleistung
wirksam wird.
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Im angegebenen Falle könnten somit etwa 600 kg Abfall bei 4200 kg
Nickelballast mit einer Kugel beseitigt werden.