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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln des Drucks und der Dichte im Inneren einer Schmelze nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs. Ein derartiges Verfahren ist aus "Hengstenberg, Messen und Regeln in der Chemischen Technik", Berlin und München, 1957, Seite 486 und 487 bekannt.
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Um radioaktive Abfälle zu handhaben und zu lagern, wird versucht, diese in Glas oder ein ähnliches Material einzuschließen, was dadurch erfolgt, daß die Abfälle zunächst in einem Schmelzofen im flüssigen Zustand in einem breiartigen Zustand oder in einem festen Zustand eingegeben, mit Glas zusammengeschmolzen und anschließend in einen separaten Behälter abgezogen werden. Um bei diesem üblichen Verfahren für einen sicheren und stabilen Betrieb des Schmelzofens zu sorgen, ist es notwendig, genau die Menge der Bestandteile des Inhalts, beispielsweise des geschmolzenen Glases, der nicht geschmolzenen Stoffe, des Breies und seiner getrockneten und calcinierten Stoffe sowie anderer Feststoffe im Inneren des Ofens sowie ihre Lage im Inneren des Ofens und Änderungen in ihren Mengen und in ihrer Lage im Ofen zu messen. Die Anforderungen an derartige Messungen bestehen darin, daß sie fernbetrieben, ohne Schwierigkeit, mit Vorrichtungen geringer Größe und mit hoher Zuverlässigkeit durchgeführt werden müssen, da es aufgrund der Stärke der Radioaktivität um den Schmelzofen herum nicht möglich ist, die Meßgeräte direkt zu bedienen oder zu warten.
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Wenn insbesondere das Rohmaterial in Form einer Flüssigkeit oder eines Breies in den Ofen eingegeben und mit Glas verschmolzen wird, wird es auf der Oberfläche der geschmolzenen Stoffe getrocknet und calciniert, so daß sich harte Feststoffe bilden. Die in dieser Weise gebildeten Feststoffe überdecken ihrerseits die Oberfläche der geschmolzenen Stoffe und erzeugen eine harte Brücke oder einen Schirm aus festem Material im Inneren des Ofens. Unter diesen Umständen sammeln sich die Gase, die primär dann erzeugt werden, wenn die Feststoffe geschmolzen werden, im Zwischenraum zwischen dem geschmolzenen Glas und der Brücke aus Feststoffen, wodurch der Druck in diesem Raum ansteigt und der Ofen beschädigt werden kann. Wenn insbesondere die Brücke einbricht, blasen die Gase stark in den Ofen, so daß der Druckausgleich umkippt. Bei einem Überlaufschmelzofen wird das Glas im Schmelzofen nach unten gedrückt, während im Gegensatz dazu das Glas im Vorofenteil nach oben gedrückt wird, wodurch gleichfalls der Druckausgleich umkippt. Wenn nur geschmolzenes Glas vom Ofen abgezogen wird, da die Feststoffe die Brücke bilden, nimmt nur der Pegel des Glases ab, während die Brücke aus Feststoffen unverändert bleibt, so daß ein großer Hohlraum unter der Brücke erzeugt wird. Unter diesen Umständen verringert sich die Wärmeleitung des geschmolzenen Glases, so daß die Schmelzgeschwindigkeit der Feststoffe abnimmt und leicht ein Einbrechen der Brücke aus Feststoffen auftritt. Für einen sicheren Betrieb des Schmelzofens ist es daher außerordentlich wichtig festzustellen, ob die Feststoffe eine Brücke oder einen Schirm aus festem Material im Inneren des Schmelzofens gebildet haben oder nicht. Das herkömmliche Verfahren, das für diesen Zweck zur Verfügung steht, besteht darin, von einem Überprüfungsfenster des Ofens aus in den Ofen zu sehen und den Ofen zu überprüfen.
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Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht daher darin, das Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs so auszugestalten, daß festgestellt werden kann, ob im Inneren eines Schmelzofens für radioaktive Abfälle sich ein mit der Ofenwand verbundener Schirm aus festem Material aufgrund von nicht aufgeschmolzenen Feststoffen des eingegebenen radioaktiven Abfalls gebildet hat oder nicht.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die Merkmale des Kennzeichens des Patentanspruchs gelöst.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird im Prinzip ein herkömmliches Blasenmeßverfahren angewandt, das darauf beruht, daß ein minimaler Druck P zum Freigeben von Blasen von einem dünnen Rohr, das senkrecht in eine Flüssigkeit eingeführt ist, durch die folgende Gleichung gegeben ist: &udf53;sb18&udf54;°=c:20&udf54;&udf53;vu10&udf54;°Kp°k = 2 &udf57;°Kg&udf56;/°Kr°k + &udf57;°Kr&udf56;°Kgh°k + °KP°kø@,(1)°z&udf53;vu10&udf54;wobei
- γ: Oberflächenspannung der Flüssigkeit
r: Radius des dünnen Rohres
p: Dichte der Flüssigkeit
g: Erdbeschleunigung
h: Höhe der Flüssigkeit
P&sub0;: Druck an der Flüssigkeitsoberfläche
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Der Radius r des dünnen Rohres kann je nach Wunsch gewählt werden, während die Oberflächenspannung γ der Flüssigkeit sowie ihre Dichte ρ Grundeigenschaften der Flüssigkeit sind und vorher gemessen werden können. Die Höhe der Flüssigkeit oder der Pegel h kann somit nach Maßgabe der folgenden Gleichung durch eine Messung des Druckunterschiedes P-P&sub0; bestimmt werden: &udf53;sb18&udf54;°=c:30&udf54;&udf53;vu10&udf54;°Kh°k = @W:°KP^P°kø^2¤&udf57;°Kg&udf56;/°Kr°k:&udf57;°Kr&udf56;°Kg°k&udf54;@,(1&dlowbar;)°z&udf53;vu10&udf54;
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Obwohl viele Beispiele für die Anwendung des obigen Blasenmeßverfahrens als Pegelmeßverfahren bekannt sind, gibt es kein Beispiel, bei dem das Meßverfahren auf die Pegelmessung im Schmelzofen für radioaktive Abfälle angewandt wurde. Der Grund dafür liegt darin, daß im Schmelzofen sich die Dichte der Flüssigkeit entsprechend der zu schmelzenden Stoffe ändert, so daß eine genaue Pegelmessung nicht einfach auf der Grundlage der obigen Gleichung 1&min; erfolgen kann. Ein weiterer Grund besteht darin, daß das Pegelmeßverfahren nicht ohne weiteres auf geschmolzenes Glas anwendbar ist, da geschmolzenes Glas eine beträchtlich hohe Dichte und Viskosität hat.
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Die vorliegende Erfindung basiert darauf, daß das Blasenmeßverfahren auch auf einen Schmelzofen für radioaktive Abfälle anwendbar ist, und daß eine genaue Pegelmessung über eine Dichtekorrektur erfolgen kann, und es gleichfalls möglich ist, das Vorliegen oder Fehlen einer Brücke festzustellen, die von dem Abfall gebildet wird, der in den Ofen geladen ist.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Feststellen des Zustandes im Inneren eines Schmelzofens für radioaktive Abfälle wird Gas in das geschmolzene Material im Schmelzofen unter Verwendung von wenigstens zwei dünnen Rohren eingeblasen, die an einer oberen und einer unteren Stelle mit einem Zwischenraum Δ h zwischen diesen Stellen angeordnet sind, wird der Gegendruckunterschied Δ P an den dünnen Rohren aufgenommen, um die Dichte ρ des geschmolzenen Materials nach der Gleichung ρ = Δ P/g · Δ h zu bestimmen, wobei g die Erdbeschleunigung ist, und wird der Pegel H des geschmolzenen Materials im Ofen unter Verwendung der in der obigen Weise ermittelten Dichte ρ nach Gleichung (1&min;) bestimmt.
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Erfindungsgemäß ist es gleichfalls möglich, die Ausbildung einer Brücke im Inneren des Ofens aufgrund nicht geschmolzener fester Abfallstoffe im Ofen festzustellen, indem vorher die Beziehung zwischen der Menge des eingegebenen Abfalls und des Druckes P in einem normalen Fall bestimmt wird, in dem der eingeladene Abfall im Ofen geschmolzen ist, und eine Verschiebung des Druckes P von der vorher erhaltenen Beziehung wahrgenommen wird.
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Im folgenden wird anhand der zugehörigen Zeichnung ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben. Es zeigt
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Fig. 1 in einer schematischen Ansicht das Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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Fig. 2 in einem Diagramm die Druckverschiebung zum Zeitpunkt der Ausbildung der Brücke,
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Fig. 3 in einer schematischen Ansicht eine experimentelle Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
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Fig. 4 in einem Diagramm ein Beispiel der Beziehung zwischen der Glashöhe und dem Druckunterschied, und
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Fig. 5 in einem Diagramm ein Beispiel für die Änderungen im Glaspegel und in der Glasabgabemenge.
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Wie es in Fig. 1 dargestellt ist, ist ein Glasschmelzofen 1 an seinem Boden mit einer Glasabgabeöffnung 3 für einen Glasbehälter 2 und an seinem oberen Teil mit einem Abgasauslaß 4 und einer Eingabeöffnung 5 für den zu behandelnden radioaktiven Abfall versehen. Gas von einer Druckgasquelle 6 unterliegt einer Drucksteuerung auf einen vorbestimmten Druck durch ein Druckregelventil an seinem Auslaß und wird über Strömungsmesser 7 a, 7 b so gesteuert, daß eine bestimmte Strömungsgeschwindigkeit bzw. ein bestimmter Durchsatz erreicht wird. Danach kann das Gas durch dünne Rohre 8 a, 8 b in den Ofen strömen, die durch die Ofenwand hindurchführen. Der Druck P des dünnen Rohres 8 b wird über einen Druckmesser 9 b gemessen, während der Druck P&sub0; im Inneren des Ofens 1 separat durch das dünne Rohr 8 a und einen Druckmesser 9 a gemessen wird. Der Druckunterschied P-P&sub0; wird über einen Differenzdruckmesser 10 ermittelt, und aus dem in dieser Weise ermittelten Druckunterschied kann ein Wert nach der obigen Gleichung 1&min; berechnet werden, der konstant dem Glaspegel h entspricht.
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Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel werden ein dünnes Gasblasrohr 8 a am oberen Teil des Schmelzofens 1 mit drei dünnen Gasblasrohren 8 b, 8 c, 8 d an einer Seite und einem dünnen Gasblasrohr 8 e am Boden verwandt. Die Lage und die Anzahl dieser dünnen Rohre sind jedoch nicht auf diese Werte beschränkt und können je nach Wunsch gewählt werden. Wenigstens zwei Rohre, wie die Rohre 8 b, 8 c, müssen jedoch unter dem geschmolzenen Glaspegel angeordnet sein, um eine Dichtemessung der geschmolzenen Stoffe durchzuführen. Unter Verwendung des oberen und des unteren dünnen Gasblasrohres 8 b und 8 c unter dem geschmolzenen Glaspegel im Abstand Δ h voneinander wird Gas eingeblasen und der Unterschied im Gegendruck Δ P in diesem Fall bestimmt. Aus dem Unterschied im Gegendruck Δ P kann die genaue Dichte ρ des geschmolzenen Glases nach der folgenden Gleichung (2) bestimmt werden: &udf53;sb18&udf54;°=c:20&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf57;°Kr&udf56; = &udf57;°KD&udf56;°KP/g°k ´ &udf57;°KD&udf56;°Kh°k@,(2)°z&udf53;vu10&udf54;
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Da die Lage und die Radien der dünnen Gasblasrohre vorgegeben sind, können die Höhe und die Menge der geschmolzenen Stoffe und die Änderungen dieser Werte genau aus der Druckanzeige, der Größe und der Form des Ofens und der Dichte der geschmolzenen Stoffe bestimmt werden. Dabei hat es sich herausgestellt, daß bei geschmolzenem Glas für die Oberflächenspannung γ der Flüssigkeit in der Regel ein konstanter Wert verwandt werden kann, da der Temperaturkoeffizient von Glas bei dem üblichen Arbeitstemperaturbereich selbst dann klein ist, wenn die Arbeitstemperatur sich im gewissen Maße ändert oder wenn eine gewisse Temperaturverteilung im Inneren des Ofens vorhanden ist.
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Wenn in der in Fig. 1 dargestellten Weise Glas vom Glaspegel A abgezogen wird, wird die Druckunterschiedsanzeige P-P&sub0; proportional zur Abnahme des Pegels kleiner und im wesentlichen gleich Null, wenn der Glaspegel die Lage des dünnen Rohres B passiert. Der Pegel des geschmolzenen Glases kann daher an dieser Stelle ermittelt werden. Wenn die bestimmte Lage der dünnen Rohre 8 für das Pegelmeßgerät in geeigneter Weise festgelegt ist, kann mit hoher Effektivität der obere Grenzwert oder der untere Grenzwert der Glasmenge im Inneren des Ofens 1 ermittelt werden.
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Es gibt keine Begrenzung bezüglich der Position des vorderen Endes der Glasblasrohre 8. Wenn jedoch ein Rohr am Boden oder an der Seitenwand des Ofens angeordnet ist, ist es bevorzugt, daß das vordere Ende des Rohres in derselben Ebene wie die Innenfläche der Ofenwand oder davon erheblich nach innen versetzt liegt, um eine Korrosion des dünnen Rohres durch das Glas so klein wie möglich zu halten. Aus demselben Grund ist diese Anordnung einem Aufbau überlegen, bei dem das dünne Rohr vom oberen Teil des Ofens herabhängt.
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Der Durchmesser des dünnen Rohres 8 und der Durchsatz des Gases können in ausreichender Weise in etwa 1 bis 4 mm und etwa 40 Nl/h jeweils liegen. Wenn jedoch der Gasdruck so gesteuert wird, daß er gleich P in Gleichung (1) ist, kann der Pegel gemessen werden, ohne daß das Gas zum Strömen gebracht wird. Solange das Gas strömt, kann es nicht vorkommen, daß das dünne Rohr nicht mehr benutzt werden kann, da Glas oder ähnliche Stoffe in das Rohr eintreten und dieses verstopfen. Um eine Wiederverwendung des dünnen Rohrs zu ermöglichen, falls Glas oder ähnliche Stoffe eintreten und bei irgendeiner Gelegenheit das Rohr verstopfen, ist es bevorzugt, einen solchen Aufbau zu verwenden, bei dem eine Heizung oder eine ähnliche Einrichtung um das dünne Rohr herum angeordnet ist, um dieses zu erhitzen, oder einen Aufbau zu wählen, bei dem das dünne Rohr selbst beispielsweise durch die direkte Versorgung mit elektrischem Strom Wärme erzeugt, indem das Rohrmaterial entsprechend gewählt wird oder andere notwendige Maßnahmen getroffen werden.
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Gemäß der Erfindung ist es auch möglich, das Vorliegen oder Fehlen einer Brücke festzustellen, die sich aufgrund der Tatsache bildet, daß radioaktiver Abfall in den Schmelzofen eingeladen wird. Wenn nämlich nicht geschmolzene feste Stoffe des radioaktiven Abfalls die Oberfläche der geschmolzenen Stoffe überziehen und eine harte Brücke bilden, sammelt sich Gas an, das beim Schmelzen der festen Stoffe erzeugt wurde, so daß der Druck im Zwischenraum zwischen der Brücke und dem geschmolzenen Glas ansteigt. Wie es durch eine strichpunktierte Linie in Fig. 2 dargestellt ist, verschiebt sich der Druck P des dünnen Gasblasrohres auf einen Wert zu, der über der normalen Druckänderung liegt, die durch eine ausgezogene Linie in Fig. 2 wiedergegeben wird, und durch eine Zunahme des Pegels des geschmolzenen Glases aufgrund einer Zunahme der eingegebenen Menge an radioaktivem Abfall beruht. Die Ausbildung der Brücke kann daher aus dem Auftreten dieser Druckverschiebung festgestellt werden, falls die Eingabe von radioaktivem Abfall an dieser Stelle unterbrochen wird, so das mögliche Unfälle aufgrund der Brückenbildung vermieden werden können.
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Im folgenden wird ein experimentelles Beispiel zur Darstellung der Wirksamkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben. Fig. 3 zeigt schematisch eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Experiments. Glas, das einen simulierten radioaktiven Abfall enthält, wird im Inneren eines Glasschmelzofens 21 mit Gleichstromversorgung aufgeschmolzen, dessen Schnittfläche im Inneren 0,3 m² beträgt und der mit einer Molybdänelektrode 20 versehen ist, wobei ein Blasenpegelmeßgerät 22 im Ofen am oberen Teil eingebaut ist, um das Experiment durchzuführen. Das Pegelmeßgerät 22 umfaßt ein dünnes Glasblasrohr 23, ein Manometer 24, einen Blasteil 25, eine Differenzdruckmeßzelle 26 und ähnliche Einrichtungen. Ein Aufnehmer 27 für geschmolzenes Glas ist unter dem Ofen auf einer Lastmeßdose 28 so angeordnet, daß die Abgabemenge an geschmolzenem Glas durch die Lastmeßdose 28 gemessen werden kann. Fig. 4 zeigt die Beziehung zwischen der Glashöhe h und dem Druckunterschied P-P&sub0;, wenn die Messung unter Verwendung von Luft als Blasgas, einer Glastemperatur von 1200°C, einem Radius von 1,2 mm für das Blasrohr und einem Luftdurchsatz von 10 Nl/h durchgeführt wird. Aus der graphischen Darstellung in Fig. 4 ist ersichtlich, daß der Druckunterschied P-P&sub0; proportional zur Glashöhe ist, wobei die Kurve durch folgende Gleichung (3) ausgedrückt werden kann: &udf53;sb18&udf54;°=c:20&udf54;&udf53;vu10&udf54;°KP^P°kø = 2,57°Kh°k + 50@,(3)°z&udf53;vu10&udf54;
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Die Einheit des Druckunterschiedes P-P&sub0; ist mmH&sub2;O und die der Glashöhe h mm. Die Glasdichte bei 1200°C beträgt 2,57 g/cm³, während die Oberflächenspannung bei etwa 2,9 · 10-3N/cm² liegt. Wenn die Experimente bei Temperaturen von 1000 und 1100°C jeweils durchgeführt werden, werden im wesentlichen gleiche Ergebnisse erhalten.
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Fig. 5 zeigt in einer graphischen Darstellung die Beziehung zwischen der Änderung im Glaspegel und in der Glasabgabemenge als Folge einer tatsächlichen Messung, wenn geschmolzenes Glas vom Ofen abgezogen wird. Die Glashöhe h ist in dieser graphischen Darstellung der Wert, der unter Verbindung der Beziehung berechnet wurde, die durch die Gleichung (3) augedrückt wird. Die Glasabgabemenge, die durch eine ausgezogene Linie wiedergegeben ist, wird durch eine tatsächliche Messung der Änderung im Gewicht des Glasaufnahmebehälters 27 am unteren Teil des Ofens durch die Lastdose 28 gemessen. Die Glasabgabemenge, die durch die gestrichelte Linie wiedergegeben wird, ist aus der Änderung in der Glashöhe, der Glasdichte und der Querschnittsfläche im Inneren des Ofens berechnet. Der tatsächlich bemessene Wert der Glasabgabemenge, der bei diesem Experiment erhalten wurde, bei dem 155 kg Glas abgegeben wurden, stimmt gut mit dem berechneten Wert aus dem gemessenen Druckwert des Blasenglaspegelmeßgerätes überein. Es ist daher ersichtlich, daß das erfindungsgemäße Verfahren sehr effektiv ist.
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Aus dem Obigen ergibt sich, daß durch die Erfindung ein Verfahren zum Feststellen des Zustandes im Inneren des Ofens geschaffen wird, daß das Grundprinzip eines herkömmlichen Blasenpegelmeßgerätes verwendet. Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist daher nur eine einfach aufgebaute Anordnung notwendig, bei der der zu messende Wert nur der Gegendruck des dünnen Gasblasrohres ist, und das dünne Rohr ohne weiteres in die Ofenwand eines Schmelzofens eingebaut werden kann, der einer hohen Radioaktivität ausgesetzt ist. Aus dem obigen experimentellen Beispiel ergibt sich, daß das erfindungsgemäße Verfahren eine hohe Zuverlässigkeit hat und es ermöglicht, nicht nur den Pegel, die Dichte und Änderungen im Pegel und der Dichte der geschmolzenen Stoffe festzustellen, sondern auch das Fehlen oder Vorliegen einer Brücke zu ermitteln, die während des Schmelzens des eingegebenen radioaktiven Abfalls gebildet werden kann. Das erfindungsgemäße Verfahren ist daher extrem zweckmäßig für einen sicheren und stabilen Betrieb des Schmelzofens für radioaktive Abfälle über einen großen Zeitraum.