DE3204204C2

DE3204204C2 - Verfahren zur Konditionierung radioaktiver Abfälle

Info

Publication number: DE3204204C2
Application number: DE3204204A
Authority: DE
Inventors: Dietmar 8520 Erlangen Bege; Karl 8602 Strullendorf Friesner; Siegfried Ing.(grad.) 6050 Offenbach Meininger
Original assignee: Kraftwerk Union AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1982-02-08
Filing date: 1982-02-08
Publication date: 1986-05-07
Also published as: DE3204204A1; US4581163A; JPS58147699A

Abstract

Die Konditionierung radioaktiver Abfälle durch Verglasen mit Hilfe von elektrischen Elektroden (8) durch Erzeugung der Schmelzwärme wird nach der Erfindung in Schmelztiegeln (6) vorgenommen, die zugleich als Endlagerbehälter dienen. Die Elektroden (8) verbleiben im Schmelzgut (25), das nach gesteuerter Abkühlung mit Zementbrei abgedeckt wird. Die Beschickung und Beheizung wird mit Hilfe einer Ofenhaube (12) vorgenommen, die an ein Abgassystem angeschlossen ist.

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Konditionierung radioaktiver Abfälle, die in einen der Endlagerung dienenden Schmelztiegel eingefüllt und dort durch Zuführung der Schmelzwärme mit Hilfe von Elektroden aufgeschmolzen werden, die über Stromzuführungen durch eine Ofenhaube oberhalb des Schmelztiegels unter Spannung gesetzt werden, wobei radioaktive Abfälle so oft aufgefüllt werden, bis der Schmelztiegel gefüllt ist.

Bei dem aus der DE-OS 30 02 695 bekannten Verfahren der genannten Art wird fester radioaktiver Abfall, insbesondere Metallschrott, nämlich Rohre, Ventile, Platten, Gesenkstähle und Werkzeuge, aber auch Warmeisoliermaterial. Glas, Beton usw. durch einen Schmelzvorgang mit Hilfe eines Plasma-Brenners in einem Ofen zerkleinert, der oben durch eine Haube abgeschlossen ist Durch die Haube ragt der beweglich angeordnete Plasma-Brenner mit seinen Elektroden. Die Schmelze fließt dabei zu dem unter der Schmelzzone gelegenen Boden eines Tiegels, der für die Endlagerung vorgesehen ist Das Verfahren, das durch die Zerkleinerung der Abfallstoffe bestimmt ist, eignet sich kaum für flüssige Abfälle, die in Form von Verdampferkonzentraten in Kernkraftwerken anfallen oder als Filterstoffe in Wasser, das beim Ausschwemmen der Filter und zum Transport benutzt wird. Der Wärmeübergang von dem erhitzten Gas des Plasma-Brenners auf die Abfallstoffe ist nur schwer zu steuern und unterschiedlichen Schmelzwärmen anzupassen. Außerdem wird beim Bekannten eine unkontrollierte Abkühlung in Kauf genommen, bei der die Schmelze der einzelnen, zur Auffüllung vorgesehenen Verfahrensgänge scheibenweise erstarren kann.

Ferner werden in der Zeitschrift »Atomwsrtschaft«, Juli 1976, Seiten 352 bis 357 Verfahren zur »Behandlung hochradioaktiver Abfälle« beschrieben. Darunter gibt es solche, bei denen der Schmelzvorgang in dem der Endlagerung dienenden Schmelztiegel erfolgt Dabei können die radioaktiven Abfälle als Gemenge mit Glasbildnern, d. h. Zuschlagstoffen, eingegeben werden.

Aufgabe der Erfndung ist es demgegenüber, das Verfahren der eingangs genannten Art so zu gestalten, daß mit geringem und gut steuerbarem Energieaufwand ein Schmelzvorgang stattfindet, bei dem auch schwach bis mittelaktive Abfälle unterschiedlicher Konsistenz verarbeitet werden können. Als Endprodukt wird eine auslaugbeständige Glasmasse angestrebt, die in einem möglichst billigen Tiegel als Endlagerbehälter anfällt

Zur Lösung der vorgenannten Aufgabe ist vorgesehen, daß die Ofenhaube vor dem Schmelzvorgang dicht auf den Schmelztiegel aufgesetzt wird, daß die Elektroden in ein zu verglasendes Gemenge aus den Abfällen und Zuschlagstoffen hineinragend angeordnet werden, daß die Elektroden in dem Schmelztiegel belassen werden, wenn die Ofenhaube abgenom.Ten wird, und daß der Schmelztiegel nach Abkühlung mit Zementbrei aufgefüllt wird.

Das neue Verfahren erfordert keine großen Einrichtungen. Der Aufwand ist im wesentlichen durch die Ofenhaube bestimmt, die für das Verglasen stets wiederholt verwendet wird. Die Schmelztiegel, die zugleich als Endlagerbehälter dienen, sind zum Beispiel aus Blech hergestellt, das mit einer feuerfesten Auskleidung, vorzugsweise als Schleuderguß, versehen wird. Dabei kann die Auskleidung auf eine Schicht aus temperaturbeständigen thermischen Isolierstoffen, zum Beispiel Glaswolle oder Asbest, aufgebracht werden, so daß eine 50 bis 100 mm dicke Auskleidung entsteht.

Der Schmelztiegel kann zur Verlangsamung der Abkühlung vorteilhaft mit einem äußeren Isoliermantel umgeben werden. Der Isoliermantel kann beweglich sein, um die Abkühlung variabel zu gestalten.

Die Abfälle werden vorteilhaft durch die Ofenhaube in den Schmelztiegel eingefüllt Damit erreicht man einen dichten Einschluß des aktiven Abfalls, so daß die radioaktive Verschmutzung der Umgebung praktisch ausgeschlossen wird.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet man eine Ofenhaube, die dadurch gekennzeichnet ist, daß ein haubenförmiger Metallkörper einen Flansch zum dichtenden Aufsetzen auf den Schmelztiegel aufweist, daß in der Wand des Metallkörpers mindestens zwei elektrische Isolierkörper mit den Stromzuführungen befestigt sind, daß durch den Metall-

körper ein Füllrohr nach innen in den von dem Flansch umschlossenen Bereich führt Die Verbindung des Flansches mit dem Schmelztiegel kann durch Verschraubungen oder ähnliche Spannvorrichtungen erfolgen. Wichtig ist die Dichtigkeit, die das Austreten des Abfalles verhindert und auch ein Absaugen des Haubeninneren ermöglicht.

Die Elektroden bestehen vorzugsweise aus hochtemperaturfestem Metall, so daß sie über eine Steckverbindung an die Stromzuführungen der Haube angeschlossen werden können. Dies erleichtert das Aufsetzen und Abnehmen der Haube durch Fernbedienung.

Vorzugsweise besitzt die Ofenhaube drei symmetrisch verteilte Anschlußleiter für den Anschluß an ein Drehstromnetz, weil sich gezeigt hat, daß die Erwärmung mit drei gleichmäßig verteilten Elektroden besonders schnelle Aufheizvorgänge ermöglicht.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung wird anhand der Zeichnung ein Schmelztiegel mit Ofenhaube beschrieben, der für das erfindungsgemäße Verfahren verwendet wird und in einem vereinfachten Vertikalschnitt dargestellt ist. Als Endlagergebinde dient ein Schmelztiegel mit einer äußeren Blechwand 1, die zum Beispiel mit den Außenabmessungen eines 200-1-Normfasses übereinstimmt. Auf der Innenseite des Blechmantels, der im Prinzip ein Topf mit einem Flansch 2 an der Oberseite ist, befindet sich eine hochtemperaturfeste thermische Isolierung 3 aus Steinwolle oder Spritzasbest. Darüber sitzt ein sogenanntes Ofenfutter 4 aus feuerfestem Beton, der im Schleudergußverfahren eingebracht ist. Die Dicke der beiden Schichten beträgt 100 mm.

Im Innenraum 5 des als Ganzes mit 6 bezeichneten Schmelztiegels sind drei symmetrisch verteilte Elektroden 8 in der Nähe des Ofenfutters angeordnet. Sie bestehen aus warmfestem Stahl mit einer für eine Steckverbindung 9 geeigneten verdickten Ausbildung am oberen Ende im Bereich des Flansches 2.

Für den Schmelzvorgang wird auf den Flansch 2 eine Ofenhaube 12 -ufgesetzt. Sie besteht aus einem haubenförmigen Metallkörper 13 mit einem auf den Flansch 2 passenden Flansch 14. In ihrem zylindrischen Bereich 15 sitzen drei keramische Isolierkörper 16 als elektrische Durchführung für Stromzuführungsleitungen 17, die zu den Steckverbindungen 9 führen.

In der Achj? der ebenso wie der Tiegel 6 symmetrisch ausgebildeten Haube 12 sitzt ein Schauglas 18, durch das der Schmelzvorgang beobachtet werden kann. Ferner ist durch die Oberseite der Ofenhaube ein in den Bereich des Flansches 14 fahrendes schräges Rohr 20 eingeschweißt, durch das das zu schmelzende Gemenge aus radioaktiven Abfällen und Zuschlagstoffen eingefüllt werden kann, wie durch den Pfeil 21 dargestellt ist. Die Ofenhaube 12 besitzt ferner eine Absaugleitung 22. Diese führt zu einem nicht weiter dargestellten Abgassystem, mit dem ein durch den Pfeil 23 angedeuteter Unterdruck aufgebracht werden kann. Das Abgassystem kann im Prinzip eine Gaswäsche ausführen, mit der der Austritt von schädlichen Gasen, insbesondere von aktivem Staub, vermieden wird.

Das durch die Leitung 20 in den Tiegel 6 eingefüllte Gemenge besteht etwa zu gleichen Teilen aus Verdampferkonzentrat, d. h. aus den durch Verdampfen eingedickten radioaktiven Abfällen, die sich bei der Kühlwasseraufbereitung in Leichtwasserrektoren ergeben. Bei Druckwasserreaktoren handelt es sich überwiegend um Borate. Ferner kann ucr Abfall ein Konzentrat umfassen, das im Anschwemmfilter zur Dekontamination schwachaktiver, schwebstoffhaltiger Abwasser anfällt Solche Filterkonzentrate haben einen Feslstoffgehalt von ca. 30 G2w.-°/o, der überwiegend aus Filterhilfsmitteln besteht und einen Kieselsäuregehalt von ca. 90% aufweist, so daß damit für die Verglasung benötigtes S1O2 zur Verfügung steht Für die erfindungsgemäße Verarbeitung eignet sich ferner Asche aus der Verbrennung fester Abfälle, die zur Volumenverminderung vorgesehen ist. Solche Aschen enthalten vorwiegend Silikate, Karbonate und Oxide von Alkalien und Erdalkalien.

Ein weiterer Abfallbestandteil, der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelt werden kann, umfaßt Kugelharzabfälle aus Ionenaustauscherfiltern. Diese sollten für die Einbringung in die Schmelze vorbehandelt werden, vorzugsweise durch Plastifizierung der feuchten oder getrockneten Harze durch Vermischen mit Tonmehl und Wasser. Diese plastifizierte Masse kann durch Strangpressen und Portionierung in eine für das Einfüllen geeignete Form gebracht werden, vorzugsweise nach Trocknen der Formkörper in einen Durchlaufofen bei Temperaturen um t'^fC, bei der die organische Harzmatrix verbrannt wird. SoL'he getrockneten Tonkörper enthalten praktisch das vollständige Aktivitätsinventar der eingebundenen Harze. Sie tragen ferner mit dem aus dem Tonmehl stammenden Anteil von SiO₂ i::)d Al₂O₃ mit zu der für die Glasbildung erforderlichen Oxidmenge bei.

Die vorgenannten Abfälle werden zusammen mit Zuschlagstoffen, zum Beispiel Silikaten in Form von Tonmehl, Quarzsand und Kieselgur eingefüllt, und zwar einzeln in Komponenten oder aber nach Mischung der flüssigen und der pulverförmigen Abfälle und des Zuschlagmateriais in einen Zwischenbehälter. Dabei kann die Dosierung und der Transport durch eine Pelletisierung erleichtert werden, die auch eine Zwischenlagerung in Silos ermöglicht Nach dem Einfüllen einer gewissen Menge wird mit Hilfe der Elektroden S die Erwärmung vorgenommen. Die erforderliche Heizleistung beträgt zum Beispiel 4OkW. Beim Schmeizen kann weiteres Gemenge zugeführt werden, das auf dem mit 25 bezeichneten Glas aufsitzt, wie bei 26 angedeutet ist Damit wird der Tiegel 6 in einem Schmelzvorgang von zum Beispiel 8 Stunden bis in den Bereich des Flansches 2 aufgefüllt. Danach läßt man den Tiegel abkühlen. Die Abkühlung kann durch einen thermischen Isoliermantel 28 so gesteuert werden, daß die Glasmatrix unversehrt, d. h. ohne Risse erhalten bleibt. Die Abkühlung dauert zum Bespiel 15 Stunden. Während des Heizvorganges wird im Inneren der Ofenhaube 12 ein Unterdruck von 0,01 bar aufrechterhalten, so daß keine Aktivität nach außen gelangt

Nach der Abkühlung wird die Ofenhaube 12 abgehoben. Dabei trennen sich die Stromführungen 17 von den Elektronen 8, die in der Glasmasse verbleiben. Der Schmelztiegel wird dann lediglich mit einem inaktiven Zementbrei aufgefüllt, so daß eine Abdeckung gegeben ist. Zusätzlich kann eine Blechplatte auf den Flansch 2 aufgelegt und mit diesem verschweißt werden.

Das Verfahren nach der Erfindung ergibt in einfacher Weise herzustellende, auslaugbeständige Gebinde von schwach- bis mittelaktivem Abfall, die in denkbsr konzentrierter Form vorliegen. In dieser Form sind die Gebinde auch leicht zu transportieren, da sie mit den für Normfässer vorgesehenen Hebezeugen hantiert werden können.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Konditionierung radioaktiver Abfälle, die in einen der Endlagerung dienenden Schmelztiegel eingefüllt und dort durch Zuführung der Schmelzwärme mit Hilfe von Elektroden aufgeschmolzen werden, die über Stromzuführungen durch eine Ofenhaube oberhalb des Schmelztiegels unter Spannung gesetzt werden, wobei radioaktive Abfälle so oft nachgefüllt werden, bis der Schmelztiegel gefüllt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Ofenhaube (12) vor dem Schmelzvorgang dicht auf den Schmelztiegel (6) aufgesetzt wird, daß die Elektroden (8) in ein zu verglasendes Gemenge aus den Abfällen und Zuschlagstoffen hineinragend angeordnet werden, daß die Elektroden (8) in dem Schmelztiegel (6) belassen werden, wenn die Ofenhaube (12) abgenommen wird, und daß der Schmelztiegel (6) C£sh Abkühlung mit Zementbrei aufgefüllt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelztiegel (6) zur Verlangsamung der Abkühlung mit einem äußeren Isoliermantel (28) umgeben wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die radioaktiven Abfälle durch die Ofenhaube (12) hindurch in den Schmelztiegel (6) eingefüllt werden.

4. Ofenhaube zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein haubenförmiger Metallkörper (13) einen Flansch (14) zu/n dichtenden Aufsetzen auf den Schmelztiegel (6) aurwsist, daß in der Wand des Metallkörpers (13) mindestens * wei elektrische Isolierkörper (16) mit den Stromzuführungen (17) befestigt sind, daß durch den Metallkörper (13) ein Füllrohr (20) nach innen in den von dem Flansch (14) umschlossenen Bereich führt.

5. Ofenhaube nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (8) aus hochtemperaturfestem Metall bestehen und an die Stromzuführungen (17) über Steckverbindungen (9) angeschlossen sind.

6. Ofenhaube nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß drei symmetrisch verteilte Stromzuführungen (17) für den Anschluß an ein Drehstromnetz vorgesehen sind.