DE3212851C2

DE3212851C2 - In-situ-Verglasung von Boden

Info

Publication number: DE3212851C2
Application number: DE3212851A
Authority: DE
Inventors: Richard Allan Brouns; James Lavern Buelt; William Floyd Bonner
Original assignee: US Department of Energy
Current assignee: US Department of Energy
Priority date: 1981-04-06
Filing date: 1982-04-06
Publication date: 1997-12-18
Anticipated expiration: 2002-04-07
Also published as: US4376598B1; GB2096209B; IT8220587A0; US4376598A; DE3212851A1; GB2096209A; JPS57178023A; FR2502989B1; JPH0243847B2; CA1160668A; IT1150761B; FR2502989A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Verfestigung von Boden durch einen in situ-Schmelzvorgang und durch Verglasung, unter Verwendung von im Boden selbst erzeugter Wärme zwischen mit Abstand angeordneten Elektroden, an die ein elektrischer Strom angelegt ist. Das erfindungsge mäße Verfahren könnte zur Verfestigung von radioaktivem Abfall und zur Umgebung von Boden an unter der Oberfläche befindlichen Abfallplätzen sowie zur Verfestigung ge fährlicher Abfallager und bei (unbeabsichtigten) Ver schüttungen Verwendung finden, und ferner für die Bohr lochabdichtung und ganz allgemein zu Bodenstabilisierungs zwecken.

Die Verfestigung des Bodens in seinem in situ-Zustand wurde bislang dadurch erreicht, daß man in den Boden re agierende Chemikalien einspritzte, um Materialzusammen setzungen, wie beispielsweise Beton, zu verfestigen, wo bei sich diese Chemikalien mit dem Boden mischen und eine feste Masse bilden. Bei einigen geologischen Formationen wurde eine Stabilisierung ferner durch künstliches Ge frieren des Bodens erreicht. Dieses Verfahren macht die kontinuierliche Überwachung der Bodentemperatur erfor derlich, und es ergibt sich dauernd ein Kostenaufwand für Energie zum Zwecke des Absenkens der Bodentemperatur.

Die vorliegende Erfindung entstand im Zusammenhang mit ei nem Versuch, die Handhabung von bereits vorhandenem ver grabenem radioaktivem Abfallmaterial zu verbessern. Die Verfestigung solcher Materialien vermindert die Möglich keit, daß radioaktiver Abfall in die Biosphäre eindringt. Ferner besteht auch die Sorge, daß Pflanzen und Tiere die vergrabenen Abfallmaterialien erreichen könnten und in irgendeiner Weise die radioaktiven Isotope innerhalb der Umgebung ausbreiten. Um dieser Möglichkeit entgegen zu wirken, sind einige der Abfall-Lagerstätten mit Plastik folien oder mit Betonabdeckungen versehen. Obwohl sich die Vergrabungstechnik in den letzten Jahren bedeutend verbes sert hat, so gibt es doch derzeit große Mengen an Abfall materialien in unterirdischen Vergrabungsstellen, und zwar sind diese Materialien sowohl in fester als auch in flüs siger Form vorhanden, und einige sind in Behältern und an dere nicht. Die Wiederaufbereitung und sichere Entfernung solchen Abfalls durch derzeitige Verfahren macht die Ent fernung des Bodens und der Abfallmaterialien sowie Hand habungsschritte vor und bis zur endgültigen Ablagerung erforderlich, was außerordentlich teuer ist und während dieser Wiederaufbereitung zur Möglichkeit von Gefahrenzu ständen führt.

Das Verfahren der in situ-Vitrifikation oder Verglasung des Bodens sieht vor, daß mindestens ein Elektronenpaar in den Boden an mit Abstand angeordneten Positionen voneinander eingesetzt wird. Ein anfangs elektrisch leitender Wider standspfad muß im Boden zwischen den Elektroden vorgesehen sein. Elektrischer Strom wird dann durch den elektrisch leitenden Widerstandspfad geführt, und zwar dadurch, daß man Strom an die Elektroden anliegt, um auf diese Weise den Bo den um den Pfad herum auf seine Schmelztemperatur zu erhit zen. Dadurch bildet sich ein stromführender Pfad durch den geschmolzenen Boden hindurch zu den Elektroden. Das Anlegen des Stromes an die Elektroden wird solange fortgesetzt, bis die Bodenmasse zwischen und unmittelbar um die Elektroden herum geschmolzen ist. Nachdem diese Bodenmasse geschmolzen ist, wird das Anlegen von Strom beendet. Dadurch kann sich der geschmolzene Boden abkühlen und in eine glasartige oder feste Masse verfestigen. Das sich ergebende feste Material ist ein Glas, ein Glaskeramikmaterial oder ein teilweise ent glastes Glas mit in einer festen Matrix verteilten Kristal len und Glas.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann bei der Verwendung zur Unbeweglichmachung von gefährlichen Abfall-Lagerstätten dazu verwendet werden, um entweder die Abfallmaterialien mit einer verglasten Lage aus dem Boden darum herum zu versehen, oder aber das erfindungsgemäße Verfahren kann weiterhin auch zur Verglasung oder Verfestigung des gesamten Bodens innerhalb und um das Abfallmaterial Benutzung finden. Wenn Gase auftre ten, die eine Behandlung erfordern, so können sie innerhalb einer Umschließung oberhalb der Bodenoberfläche aufgefangen und verarbeitet werden. Die Verfestigung großer Gebiete kann entweder durch stationäre oder durch bewegliche Elektroden erreicht werden. Bei stationären Elektroden wird ein Boden volumen verfestigt, welches etwas größer ist als das durch die Elektroden umgrenzte. Zusätzliche Elektrodensätze können zur Verfestigung des angrenzenden Bodens benutzt werden. Durch die Möglichkeit mit beweglichen Elektroden können sich Elektroden horizontal durch den Boden bewegen und schmelzen während ihres Bewegungsvorgangs, wobei sie verglasten Boden hinter sich zurücklassen.

Ein Ziel der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Ver festigung von Boden anzugeben, ohne daß der Boden ausgegra ben oder der unter der Oberfläche vorhandene Boden gehand habt werden muß.

Weiterhin bezweckt die Erfindung, ein Verfahren zur Verfesti gung gefährlicher vergrabener Abfallmaterialien anzugeben, wobei es nicht erforderlich ist, die Abfallmaterialien selbst zu handhaben.

Das erfindungsgemäße Verfahren bezweckt ferner, die Ver festigung von Boden unter Verwendung von tragbarem Gerät.

Weiterhin bezweckt die Erfindung ein System vorzusehen, um in der Erde vorhandene Gebilde abzudichten, wie beispiels weise Abfallager, Tunnel, Schachte usw., um so ein uner wünschtes Leck zu verhindern.

Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten der Erfindung er geben sich insbesondere aus den Ansprüchen sowie aus der Be schreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 einen schematischen Vertikalschnitt der in situ-Verglasung;

Fig. 2 eine schematische perspektivische An sicht eines Verglasungsverfahrens längs eines zum Vergraben verwendeten Grabens;

Fig. 3 eine schematische Darstellung der Vorbereitung eines Grabens für die Verglasung;

Fig. 4 eine schematische Ansicht des Boden schmelzens um einen anfänglichen lei tenden Widerstandspfad herum;

Fig. 5 eine schematische Darstellung der fortschreitenden Verglasung;

Fig. 6 eine schematische Darstellung der komplettierten Verglasungszone.

Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf die in situ- Verglasung von Boden für jeden Zweck. Die Erfindung ist für zahlreiche Anwendungsfälle geeignet, wie beispielsweise für die Bodenstabilisierung, die Schließung von Bohrlöchern und die Abdichtung von unter der Erde gelegenen Gebieten. Die Erfindung bezieht sich speziell auf Abfall-Ablagerungssyste me. Obwohl die folgende Beschreibung anhand von Abfall- Ablagerungsanwendungsfällen angefertigt wurde, so ist doch die Erfindung nicht auf das Gebiet der Abfallbehandlung be grenzt.

Radioaktiv verunreinigte Böden, wie sie beispielsweise an Abfallvergrabungsstätten auf niedrigem Niveau und in Plu tonium-Vergrabungsgräben vorhanden sind, haben die Aufmerk samkeit der Allgemeinheit auf sich gezogen, und zwar wegen ihres Potentials der Freigabe von Radionukliden an die Biosphäre. An einigen vorhandenen Stellen sind verbesserte Sperren erforderlich, um den vergrabenen Abfall und den darum herum vorhandenen Boden, in den einige Radionuklide hineingewandert sind, zu umschließen. Die folgenden Ingenieur verfahren werden ins Auge gefaßt, um die Rate und das Ausmaß der Radionuklidfreigabe zu vermindern: Ausgrabung der Ver grabungsstätten, gefolgt von einer Neuverpackung und Wieder vergrabung in Lagerstätten in flachem Land, oder Umwandlung des Abfalls in eine weniger gefährliche Form. Die derzeitigen Studien haben ergeben, daß die zweckmäßigeren, derzeit verfüg baren Verfahrensweisen zur Verminderung zukünftiger Risiken für die öffentliche Sicherheit zumindest recht kostspielig sind.

Die vorliegende Erfindung sieht vor, daß solche Abfallma terialien und der darum herumliegende Boden unbeweglich ge macht werden, und zwar in Form eines stabilen Glases, eines Glaskeramikmaterials oder als teilweise entglaster Glasabfall. Das erfindungsgemäße Verfahren macht vergrabenen Abfall un beweglich, ohne daß der verunreinigte Boden entfernt wird, und zwar geschieht dies durch einen zwischen im Boden ange ordneten Elektroden fließenden elektrischen Strom. Es werden dabei Temperaturen erzeugt, die hoch genug sind, um einen Schmelzvorgang hervorzurufen, und zwar geschieht dies durch Anlegen eines elektrischen Stroms an ein oder mehrere Paare von im Boden angeordneten Elektroden.

Alternativ kann dieses Verfahren zur Bildung einer glasarti gen Abdeckung verwendet werden, die oberhalb der vergrabenen Abfallstellen angeordnet wird, oder aber die Abdeckung wird um den Umfang der Abfallmaterialien herum vorgesehen. Eine solche Abdeckung würde das Eintreten von Pflanzen oder Grab tieren beschränken sowie die Erosion und das Herauslaufen aus den vergrabenen Abfallmaterialien minimieren.

Die Verglasung des Bodens wird dadurch erreicht, daß man eine elektrisch erhitzte "in-situ-Schmelzvorrichtung" vorsieht.

Bei einem industriellen elektrisch beheizten Schmelzer wird Wärme in geschmolzenem Glas dadurch erzeugt, daß man einen elektrischen Strom zwischen in der Schmelze untergetauchten Elektroden fließen läßt. Das geschmolzene Glas, die Wärme und der elektrische Strom sind dabei typischerweise von Hochtempe raturkeramikmaterialien umgeben, die als feuerfeste Materialien bekannt sind. Bei einem in-situ-Schmelzer gemäß der Erfindung werden die Elektroden in die Erde an der Abfall stelle eingesetzt, und der Boden ersetzt das feuerfeste Ma terial, um die "Schmelzvorrichtung" zu enthalten und zu iso lieren. Wenn gewünscht, kann zur Verminderung der Wärmever luste und zum Einschließen flüchtiger Materialien ein tragba rer isolierter Dom, verbunden mit einem Gasscrubber als eine Abdeckung verwendet werden, welche die Bodenoberfläche ober halb der Schmelzvorrichtung umschließt. Die Wärmeverluste kön nen auch dadurch minimiert werden, daß man eine Abdeckung aus ungeschmolzenem Material über dem Schmelzbad aus unter der Oberfläche befindlichem Boden aufrechterhält. Dies kann da durch erreicht werden, daß man die Schmelzvorrichtung unter halb Erdniveau beginnt oder aber dadurch, daß man vor dem Starten eine Ablage auf dem Gebiet vorsieht.

Fig. 1 zeigt schematisch die in-situ-Verglasung. Ein Paar aufrechte Elektroden 10 ragt in ein Bad aus geschmolzenem Bo den 11, gebildet durch Erhitzung des Bodens und jedweder ein geschlossener vergrabener Materialien in dem Raum zwischen den Elektroden 10 und in dem die Elektroden unmittelbar umge benden Raum.

Die Elektroden 10 sind in im allgemeinen aufrechten Posi tionen mit Abstand voneinander von einer isolierten Abdeckung oder einem Dom 12 her aufgehängt. Die Elektroden werden mit elektrischem Strom durch geeignete (nicht gezeigte) Leiter beliefert, die an einer elektrischen Leistungsquelle liegen.

Teile der Elektroden 10 können mit Schutzüberzügen oder du durch einen umgebenden Mantel 19 abgedeckt sein, um so die Oxidation oder Verschlechterung der Elektroden an der Elektrodenlänge zu verhindern, die über dem Bad aus ge schmolzenem Glas 11 freiliegt.

Der Dom 12 ist bei 13 belüftet; es sei darauf hingewiesen, daß die Form des Doms 12 nicht auf halbkugelförmige Form be schränkt ist, sondern irgendeine gewünschte Form Verwendung finden kann. Gasförmige Nebenprodukte infolge des Vergla sungsprozesses können durch eine Leitung 14 gesammelt werden, um einem Scrubbervorgang oder anderen Gasbehandlungsvorgän gen zugeführt zu werden. Das Bad aus geschmolzenem Boden 11 ist von nichtgeschmolzenem Boden 15 umgeben, der als ein isolierendes feuerfestes Material wirkt.

Im allgemeinen kann dieses Verfahren bei der in-situ-Ver festigung irgendeiner Bodenmasse Anwendung finden. Gemäß diesem Verfahren wird mindestens ein Paar von Elektroden in den Boden eingesetzt, und zwar an Stellen, die mindestens einen Teil der Bodenmasse überspannen, um so das Schmelzen des Bodens in der Nähe der Elektroden hervorzurufen. Man läßt dann elektrischen Strom durch den Boden und andere Ma terialien zwischen den unter der Erde liegenden Teilen der Elektroden 10 fließen, indem man Strom an die Elektroden anlegt, um so die Materialien auf die Bodenschmelztemperatur dadurch zu erhitzen, daß man einen Stromleitungspfad zwischen den Elektroden aufbaut. Sobald dieser Stromleitungspfad in einem Bad aus geschmolzenem Boden und/oder anderen Materialien, wie dies in Fig. 1 bei 11 gezeigt ist, aufgebaut ist, wird das Stromanlegen solange fortgesetzt, bis die gewünschte Bo dentiefe zwischen den Elektroden 10 geschmolzen ist. Das An legen von Strom an die Elektroden wird sodann beendet, um die Abkühlung und Verfestigung des Bodens und jedwede verbleiben den Materialien in eine verglaste Masse zu gestatten.

Die Fig. 3 bis 6 zeigen schematisch die Verfahrensschritte bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ver glasung von Boden und Abfallmaterialien, vergraben in einem langgestreckten Graben. Der Boden ist wiederum bei 15 dar gestellt, und die Elektroden sind wiederum mit 10 bezeich net. Das vergrabene Abfallmaterial ist innerhalb Behältern 16 dargestellt, die sich innerhalb eines langgestreckten, unter der Oberfläche befindlichen Grabens befinden, und zwar mit einem Umriß gemäß den Linien 17.

Zur Einleitung des Schmelzvorgangs des Bodens muß eine elektrische Leitung zwischen den Elektroden 10 vorgesehen werden. Verschiedene Startverfahren können verwendet werden. Als erstes kann in Verfahren unter Verwendung geschmolzenen Natriumhydroxids benutzt werden, wobei hier eine Lage aus Natriumhydroxid zwischen den Elektroden 10 bis zu deren Schmelzpunkt (300°C) erhitzt wird. An diesem Punkt wird die elektrische Leitung zwischen den Elektroden 10 erreicht, um einen hinreichenden weiteren Anstieg der Bodentemperatur zum anfänglichen Schmelzen der benachbarten Bodenstruktur zu er halten. Gemäß einem alternativen Verfahren wird ein dabei zu opferndes Widerstandselement erhitzt. Eine Metallwiderstands spule oder ein Rad wird zwischen den Elektroden 10 angeord net und dazu verwendet, um eine hinreichende Wärme zum an fänglichen Schmelzen des Bodens zu erzeugen. Die Spule würde dabei schließlich im geschmolzenen Boden aufgebraucht wer den. Es können auch chemische Reaktionsmittel im Boden hin zugefügt werden, um so eine stark exotherme chemische Reak tion hervorzurufen, wodurch eine zum Schmelzen des Bodens ausreichende Wärme erzeugt wird; beispielsweise kommt eine Thermit-Reaktion in Frage. Schließlich könnte Graphit zwischen den Elektroden angeordnet werden, um Elektrizität in einem Widerstandspfad von Umgebungstemperatur bis zu er höhten Temperaturen zu leiten, und zwar hinreichend hoch, um so die Bodenschmelzbedingungen aufrechtzuerhalten.

Das zuletzt beschriebene Startverfahren ist in Fig. 3 bis 6 dargestellt. Eine Horizontallage aus Graphit 18 wird zwischen den Elektroden 10 vorgesehen, um so einen leiten den Widerstandspfad zwischen diesen zu erzeugen. Das Anle gen von Strom an die Elektroden 10 erhitzt dann den Gra phit 18 und erhöht die Temperatur des Bodens um den Wider standspfad herum auf die Schmelztemperatur des Bodens. Dies ist schematisch in Fig. 4 dargestellt, wo gezeigt ist, daß sich ein aus flüssigem Glas bestehendes Bad 20 um die Graphitlage 18 herum bildet. Die Graphitlage 18 und das flüssige Bad 20 bilden einen stromführenden Pfad zwischen den Elektroden 10, der sich fortlaufend bei fortgesetztem Stromanlegen an die Elektroden 10 vergrößert.

Fig. 5 zeigt das Verfahren zu dem Zeitpunkt, wo sich das flüssige Bad 20 sowohl seitlich als auch vertikal nach unten vergrößert hat und die Abfallmaterialien in den Behältern 16 umfaßt, und dabei die Temperatur dieser Abfallmaterialien auf eine Schmelztemperatur des umgebenden Bodens anhebt. Die Abfallmaterialien werden dabei geschmolzen, pyrolisiert oder in der geschmolzenen Bodenmasse aufgelöst, abhängig von deren spezieller Zusammensetzung. Fig. 6 zeigt das vollständige Schmelzen der Abfallmaterialien, wobei der umgebende Boden innerhalb des Grabens eine Umschließung zwischen dem Elektro denpaar 10 vorsieht. Wenn die Materialien vollständig ge schmolzen sind, kann das Stromanlegen an die Elektroden 10 beendet werden. Die Elektroden können dann für den erneuten Gebrauch, wenn gewünscht, entfernt werden.

Es sei darauf hingewiesen, daß das Schmelzen des Bodens auch beendet werden kann, bevor die vergrabenen Abfallma terialien vollständig geschmolzen sind, und zwar geschieht dies dann, wenn nur eine Abdeckung aus glasartigem Material erwünscht ist. Das vorliegende Verfahren ist in dem notwen digen Maße steuerbar, um im Boden vergrabene Abfallma terialien abzudecken oder einzukapseln, und es kann auch zur Erzeugung einer homogenen verglasten Masse aus Boden und Abfallmaterialkomponenten Verwendung finden.

Die sich ergebende verglaste Masse liegt in der Form eines Glases, einer Glaskeramik oder eines teilweise entglasten Glases vor, wobei Kristalle und Glas innerhalb einer festen Matrix verteilt sind. Metalle innerhalb der Masse können im Glas aufgelöst sein oder bilden feste Massen an ihren unte ren Grenzen.

Die Auswahl des Elektrodenmaterials und der ordnungsgemäßen Elektrodenanordnung steht in Beziehung zu dem Erfordernis der Maximierung der Elektrodenlebensdauer und dem Erreichen des richtigen Schmelzvorgangs und ferner mit der Begrenzung der Schmelzvorrichtung auf ein bestimmtes Gebiet. Bei spielsweise können stangenförmiges Molybdän oder andere Hochtemperaturmaterialien als Elektrodenmaterial Verwendung finden, um einen kontinuierlichen Betrieb bei Temperaturen bis zu 1500°C zu gestatten. Dadurch wird die typische Schmelztemperatur der meisten Böden, die normalerweise un terhalb 1500°C liegt, abgedeckt. Da Molybdän schnell in Luft bei Temperaturen oberhalb 600°C oxidiert, muß um die frei liegenden Elektrodenoberflächen herum ein gekühlter Mantel, ein für Sauerstoff undurchdringlicher Überzug oder ein ande rer physikalischer Schutz vorgesehen sein. Die Elektroden können vertikal einstellbar sein, um so die Tiefe der Schmelzvorrichtung zu ändern und um die Elektroden nach un ten in das Schmelzbad aus Material einzuspeisen, wenn die Elektroden langsam durch das Schmelzverfahren verbraucht werden.

Die Elektroden können entweder stationär oder beweglich ausgebildet sein. Die Zeichnungen veranschaulichen das Ver fahren unter Verwendung von stationären Elektroden, aber die Elektroden könnten auch auf einem Fahrzeug angeordnet sein, welches horizontal entlang des zu stabilisierenden Gebietes bewegt wird. Die von dem elektrischen Strom aus gehende Wärme schmilzt den Boden vor den sich bewegenden Elektroden. Der geschmolzene Boden verfestigt sich dann, nachdem die Elektroden vorbeigelaufen sind.

In dem stationären System werden die Stangenelektroden in die Erde hineingetrieben oder hineingebohrt, und zwar derart, daß die Lage des Abfallmaterials überspannt wird. Eine Zweiphasenelektrodenanordnung mit vier Elektroden, die mit gleichem Abstand voneinander angeordnet sind, erscheint am geeignetsten wegen der gleichmäßigen Zündverteilung des elektrischen Stroms zwischen den Elektrodenpaaren.

Es wurden Tests durchgeführt, um die Radionuklidwanderung von Pu, U, ⁹⁰Sr, ¹⁰⁶Ru und ¹³⁷Cs zu überprüfen. Diese Radio nuklide wurden auf der Basis ausgewählt, daß sie die längste Lebensdauer besitzen, am flüchtigsten sind und/oder am schwierigsten in einer verglasten Bodenmasse einzukap seln sind.

Typische Bodenproben aus existierenden Vergrabungsstellen schmelzen zwischen 1450°C und 1500°C. Die Zusammensetzung dieses Bodens ist in Tabelle I gezeigt.

Hanford Bodenzusammensetzung
Material
Gew.-%
SiO²
62.34
Al₂O₃	10.97
Fe²O³	6.83
TiO₂	1.10
Ca	2.28
Mg	1.29
Na	1.91
K	1.57
C	.68
N	.10
S	.03
H₂O + Oxide	10.90

Bei projizierten praktischen Anwendungsfällen dieses Ver fahrens wird von einer Basisgröße eines typischen Abfall ablagerungsgrabens ausgegangen, der 5 m breit, 6 m tief und 100 m lang ist. Die spezielle Auslegung des Systems zur Durchführung des Verfahrens hängt von Faktoren, wie dem elektrischen Widerstandswert des Bodens und dem Elektroden abstand ab. Berechnungen für eine Prototypkonstruktion zei gen, daß 80 Std. erforderlich wären, um ein Gebiet von 14 Fuß Breite mal 14 Fuß Tiefe mal 30 Fuß Länge zu vergla sen. Der durchschnittliche Leistungsverbrauch während dieser Zeitperiode würde 2000 kW betragen. Verwendet man einen Elektrodenabstand von 20 Fuß, so würde die Spannung anfangs ungefähr 4000 V, der Strom ungefähr 700 Ampère betragen, wobei die Spannung beim Fortschreiten der Schmelze auf 1600 V absinken würde, während der Strom auf ungefähr 950 Ampère ansteigt.

Laboruntersuchungen unter Verwendung von tatsächlichem Ver grabungserdboden zur Simulation von Abfallmaterial wurden durchgeführt. Die Analyse des Bodens außerhalb der Ver glasungszone für diese Tests zeigte keinen Hinweis für eine potentielle Radionuklidwanderung. Die Pyrolyse der organi schen Abfallmaterialien scheint vollständig zu sein. Die während der Tests entstandenen Kohlenstoffmonoxidmengen zeigten das Ausmaß der vollständigen Verbrennung an. Eine gewisse Verflüchtigung oder Einschließung anorganischer Ab fallmaterialien mit dem entstandenen Gas wurde ebenfalls festgestellt.

Es wurden Thermoelemente im Boden an verschiedenen Stellen angeordnet, um die Verglasungszone zu überwachen und um Wärmeübertragungsdaten zu erhalten. Die 20 cm langen Molybdänelektroden mit aus rostfreiem Stahl bestehenden Ver längerungen wurden im Boden mit einem 30 cm Abstand ange ordnet, wobei zum Starten eine Lage aus Graphit dazwischen ausgebreitet war. An der Vorrichtung war ein Probenentnah mesystem für austretende Materialien angeordnet, um die Radionuklidflüchtigkeit festzustellen und um die Verbrennungs produkte zu identifizieren. Ein Behälter, der Proben aus Tuch, Kunststoff, Gummi, Metall, Keramik, Glas und Beton materialien enthielt, wurde unter der Bodenoberfläche ver graben. Nichtradioaktive Isotope von Cs, Ru und Sr wurden dem im Behälter angeordneten Boden hinzugegeben und mit einer 15 cm mal 2 cm dicken Bodenlage direkt unterhalb des Behäl ters vermischt.

Zum Einleiten des Schmelzvorgangs wurde flockenförmiger Graphit zwischen und hinter den Elektroden in einem Graben von 44 cm Länge, 15 cm Tiefe und 2,5 cm Breite angeordnet. Der Graphit wurde in den unteren 2,5 cm des Grabens ange ordnet und sodann mit 2,5 cm Boden abgedeckt. Der Wider standswert der Graphitlage wurde entsprechend den Notwendig keiten dieser Tests verändert, und zwar dadurch, daß man die Graphitlage physikalisch, d. h. körperlich, zerstörte. Die Spannung lag im Bereich zwischen 180 und 220 V, wenn der Strom ungefähr 30 Ampère betrug.

Der vollendete Test ergab eine Verglasungsmasse von 48,6 kg in 9 3/4 Std. Die Verglasungszone umschloß den gesamten Be hälter und den simulierten, verunreinigten Boden. Metall eingießungen aus den Metallabfällen wurden an zwei Stellen am Boden der Verglasungszone gefunden.

Die massenspektrometrische Analyse des ausgetretenen Gases bei diesen Tests ist in Tabelle II angegeben.

Tabelle II

Massenspektrometrische Gasanalyse

Probennummer

(Mol-%)

Der Kohlenmonoxidgehalt beim ausgetretenen Gas liegt in den Proben 1 und 4 hoch. Die Probe 1 wurde genommen, als die Graphitstartlage oxidierte. Die Probe 4 wurde genommen, als der verbrennbare Behälter aus simulierten Abfällen von der Schmelze umfaßt wurde. Das anfängliche Vorherrschen von Kohlenmonoxid ist offenbar das Ergebnis einer nichtvollstän digen Verbrennung des Graphits, welches während des Startens verwendet wurde. Das hohe Kohlenmonoxidniveau in Probe 4 ergab sich wahrscheinlich deshalb, weil die Vergasungstem peraturen zu niedrig lagen, um eine vollständige Verbren nung der Gase zu gestatten, als sie die Oxidierungsbedingun gen an der Oberfläche des Bodens erreichten. Das Abkühlen der Gase ergab sich beim Durchtritt durch die relativ kalte Kruste, die oberhalb der Schmelzzone während dieses Teils des Tests existierte.

Die Gasscrubber- und Kondensatproben aus den Tests ergaben kleine Mengen an Cäsium, Cadmium und Blei, die in dem aus tretenden Gas oberhalb der Schmelzzone verflüchtigt oder eingeschlossen waren, wobei aber in diesen Proben kein Stronthium oder Ruthenium festgestellt wurde. Die Proben des Bodens an verschiedenen Stellen unmittelbar außerhalb der Verglasungszone wurden ebenfalls analysiert, um jedwede Wanderung simulierten Abfallmaterials durch das Gas und in dem Boden festzustellen. Die Proben zeigten keine Wanderung außerhalb der verglasten Masse.

Glasproben aus einem Test wurden an der Mittellinie der sich ergebenden Glasmasse genommen. Die Probenidentifikations zahlen bei den analytischen Ergebnissen der Tabelle III ent sprechen den Tiefen in Zoll von der Oberseite des Glases her für jede Probe. Eine Probe vom Boden des Glases, Sp-7, zeigt eine hohe Eisenkonzentration. Die hohe Eisenkonzentration an dieser Stelle könnte anzeigen, daß Eisen im Boden durch das organische Material reduziert wurde, oder daß Spinel- Kristalle gebildet wurden. In jedem Falle scheint dies kein Problem zu sein.

Tabelle 3

Verglasungs- und Boden-Analyse

(Gew.-%)

Fig. 2 zeigt schematisch die über der Erde vorhandenen Aus rüstung, die in Verbindung mit diesem Verfahren Verwendung finden kann. Wiederum ist ein Vergrabungsgraben durch Linien 17 dargestellt. Eine zuvor verglaste Zone längs des Grabens ist bei 21 gezeigt. Gebohrte Löcher 22 sind längs der Seiten des Grabens zur Aufnahme der Elektroden 10 ange ordnet. Die Zeichnung zeigt eine Elektrode 10a, die in ein Loch 22 durch einen beweglichen Kran 23 abgesenkt wird.

Die Elektroden 10 bei dieser beispielhaften Vorrichtung werden in Gruppen von vier innerhalb tragbarer starrer Rah men, gezeigt bei 24, gehalten. Diese Rahmen tragen elektri sche Isolatoren für die einzelnen Elektroden 10, und auch eine Schutzhaube 25 aus einem gasundurchlässigen Material und umgeben von einem Mantel, um so einen Abdichteingriff mit den Bodenoberflächen zu ermöglichen.

Elektrische Leistung wird an die Elektroden 10 durch Hoch spannungsverteilungsleitungen 27 geliefert, die eine trag bare Trafostation und Steuereinheit bei 28 beliefern. Die erforderliche Form elektrischer Leistung wird sodann über Versorgungsleitungen 30 eingespeist, die zu den einzelnen Elektroden 10 führen.

Nachdem die Verglasung in dem Gebiet und der durch die Ar beitsgruppe von vier Elektroden überspannten Länge vollen det wurde, können die Elektroden aus dem Boden nach Ab trennen des Stroms und vor Verfestigung der geschmolzenen Masse entfernt werden. Die Elektroden 10 können erneut ver wendet werden, und zwar durch Wiedereinsetzen derselben an einer darauffolgenden Stelle längs des Grabens. Die ausge tretenen Gase werden über Leitung 14 in eine tragbare Scrubbereinrichtung oder eine andere Gasverarbeitungsein richtung, gezeigt im allgemeinen bei 31, geleitet.

Wenn ein kontinuierliches Schmelzen von Bodengebieten aus geführt werden soll, und zwar ausgehend von der freiliegen den Bodenoberfläche nach unten, so könnten die Rahmen 24 beweglich an Rädern oder Ketten für ihren Transport längs des Grabens 17 angeordnet sein.

Der Rahmen kann selbst angetrieben oder aber extern bewegt sein, und zwar mit einer Geschwindigkeit entsprechend der Bodenschmelzgeschwindigkeit, um dadurch die Elektroden innerhalb der Schmelze aus geschmolzenem Material zu halten.

Zusammenfassend sieht die Erfindung folgendes vor:
Ein Verfahren zum Verglasen von Boden auf oder unterhalb ei ner Bodenoberfläche. Zwei oder mehr leitende Elektroden werden in den Boden eingesetzt, um die Bodenmasse zwischen den Elektroden auf eine Temperatur oberhalb der Schmelz temperatur zu erhitzen. Die im Boden befindlichen Ma terialien, wie beispielsweise vergrabener Abfall, können dadurch in effektiver Weise unbeweglich gemacht werden.

Claims

1. Verfahren zur in-situ-Verglasung von Boden, wobei die folgenden Schritte vorgesehen sind:
Einsetzen von mindestens einem Paar von Elektroden in Boden in der Erde an mit Abstand angeordneten Positionen voneinander; Vorsehen eines anfangs elektrisch leitenden Widerstandspfades in dem Boden zwischen den Elektroden;
Hindurchleiten von elektrischem Strom durch den elektrisch leitenden Widerstandspfad durch Anlegen von Strom an die Elek troden, um so den Boden um den Pfad auf seine Schmelztempera tur zu erhitzen, wodurch ein stromführender Pfad durch den ge schmolzenen Boden zwischen den Elektroden aufgebaut wird;
Fortsetzen der Stromanlage an die Elektroden, solange bis der Boden zwischen diesen und unmittelbar benachbart zu diesen ge schmolzen ist;
Zurückhalten des geschmolzenen Bodens in der Erde; und
Beendigung der Stromanlage an die Elektroden, um zu gestatten, daß im wesentlichen der gesamte geschmolzene Boden sich in-situ zwischen den Elektrodenpositionen in eine feste Masse abkühlt und verfestigt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die in-situ-Ver glasung des Bodens höhenmäßig oberhalb des vergrabenen Abfall materials ausgeführt wird, um über dem vergrabenen Abfall material eine Abdeckung aus der festen Masse zu bilden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei ferner der Schritt des Entfernens der Elektroden aus dem Boden vor der Verfesti gung vorgesehen ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Elektroden durch die Oberfläche des Bodens in parallel aufrechten Posi tionen eingesetzt werden.

5. Verfahren zur in-situ-Verglasung von vergrabenem Abfallmaterial umgeben von Boden an einer Abfallablagerungs stätte, gekennzeichnet durch folgende Schritte: Einsetzen von mindestens einem Elektrodenpaar in den Boden an mit Abstand angeordneten Stellen, welche mindestens einen Teil des vergra benen Abfallmaterials umspannen;
Vorsehen eines anfangs elektrisch leitenden Widerstandspfades in dem Boden um die Elektroden herum, und zwar auf einer Hohe oberhalb des Abfallmaterials;
Hindurchleiten von elektrischem Strom durch den elektrisch leitenden Widerstandspfad durch Anlegen von Strom an die Elektroden, um so den Boden um den Pfad herum auf seine Schmelztemperatur zu erhitzen, wodurch ein Stromführungspfad durch den geschmolzenen Boden zwischen Elektroden aufgebaut wird;
Fortsetzen des Anlegens des Stroms an die Elektroden, bis der Boden zwischen und unmittelbar benachbart zu den Elektroden geschmolzen ist und den erwählten Teil des vergrabenen Abfall materials umschließt oder zerstört; und
Beendigung der Stromanlegung an die Elektroden, um das Abküh len und Verfestigen des Bodens und jedweder Abfallmaterialien zwischen den Elektrodenpositionen in-situ in eine das Abfall material einkapselnde feste Masse zu gestatten.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Bodenoberflächengebiet zwischen und die Elektroden unmittelbar umgebend innerhalb einer gasundurchdringlichen Abdeckung umschlossen ist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: Umschließung des Bodenoberflächengebiets zwischen und unmittelbar die Elektroden umgebend innerhalb einer gasundurchlässigen Abdeckung, und
Entfernen gasförmigen Materials beim Entstehen während der Verglasungsschritte von unterhalb der Abdeckung.

8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden durch die Oberfläche des Bodens in parallel aufrechten Positionen eingesetzt werden.

9. Verfahren, nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch den Schritt des Entfernens der Elektroden aus dem Boden vor dessen Verfestigung.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das vergrabene Abfallmaterial radioaktiv ist.

11. Verfahren zur in-situ-Verglasung von vergrabenem Abfallmaterial in Beimischung mit Boden an einer Abfallabla gerungsstätte, wobei folgende Schritte vorgesehen sind: Ein setzen von mindestens einem Paar von Elektroden in den Boden an mit Abstand angeordneten Stellen, mindestens ein Teil des vergrabenen Abfallmaterial überspannend;
Vorsehen eines anfangs elektrisch leitenden Pfades in dem Boden über die Elektroden hinweg;
Hindurchleiten elektrischen Stromes durch den elektrisch leitenden Pfad durch Anlegen von Strom an die Elektroden, um den Boden um den Pfad auf seine Schmelztemperatur zu erhitzen, um einen stromführenden Pfad durch den geschmolzenen Boden, der Abfallmaterial enthält zwischen den Elektrodenpositionen vorzusehen;
Fortsetzen der Stromanlage an die Elektroden, bis der Boden zwischen und unmittelbar benachbart zu den Elektroden ge schmolzen ist und den erwähnten Teil des Abfallmaterials umschließt; und
Beendigung des Stromanlegens an die Elektroden, um zu gestat ten, daß der Boden und jedwedes Abfallmaterial zwischen den Elektrodenstellen in-situ abkühlt und sich verfestigt, und zwar in eine feste Masse aus verglastem Boden, der mindestens das verbleibende Abfallmaterial dieses Teils einschließt.

12. Verfahren nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: Umschließen des Bodenoberflächengebiets zwischen den Elektroden und unmittelbar die Elektroden umge bend mit einer gassammelnden Abdeckung; und
Entfernung gasförmiger Materialien von unterhalb der Ab deckung, wenn sie während des Verglasungsschrittes austreten.

13. Verfahren nach Anspruch 11, wobei das vergrabene Abfallmaterial radioaktiv ist.

14. Verfahren nach Anspruch 11, wobei der an die Elek troden angelegten Strom fortgesetzt wird bis der Boden auf eine Temperatur zwischen 1450°C und 1500°C zum Schmelzen des Bodens erhitzt ist.

15. Verfahren nach Anspruch 11, wobei der elektrisch leitende Pfad ein Widerstandspfad ist.

16. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Elektroden des erwähnten Paares in den Boden in einer Art und Weise einge setzt werden, daß eine Masse des Bodens überspannt wird, wobei der erwähnte Teil des vergrabenen Abfallmaterials im wesentli chen zwischen den Elektroden angeordnet ist.

17. Verfahren nach Anspruch 11, wobei der anfangs elektrisch leitende Pfad eine Schicht aus Graphit, angeordnet zwischen den Elektroden des Paars, aufweist.

18. Verfahren zur in-situ-Verglasung von Boden, wobei die folgenden Schritte vorgesehen sind:
Einsetzen von mindestens einem Paar von Elektroden in den Boden an mit Abstand angeordneten Stellen voneinander, wobei die Elektroden durch die Oberfläche des Bodens in parallelen aufrechten Positionen eingesetzt werden;
Vorsehen eines anfangs elektrisch leitenden Widerstandspfades in den Boden über die Elektroden hinweg;
Hindurchleiten elektrischen Stromes durch den elektrisch lei tenden Widerstandspfad durch Anlegen des Stromes an die Elek troden zur Erwärmung des Bodens um den Pfad herum auf seine Schmelztemperatur, wodurch ein stromführender Pfad durch den geschmolzenen Boden zwischen den Elektroden vorgesehen wird;
Fortsetzen des Stromanlegens an die Elektroden bis der Boden zwischen diesen und unmittelbar benachbart zu diesen geschmol zen ist, wobei der Boden von seiner Oberfläche nach unten auf eine Höhe unterhalb der unteren Enden der Elektroden geschmol zen wird;
Bewegungen der Elektroden horizontal innerhalb der Grenzen des geschmolzenen Bodens; und
Beendigung der Stromanlage an die Elektroden, um zu gestatten, daß der geschmolzene Boden in eine feste Masse abkühlt und sich verfestigt.

19. Verfahren zur in-situ-Verglasung von vergrabenem Abfallmaterial, umgeben von Boden an einer Abfallablagerungs stätte, wobei die folgenden Schritte vorgesehen sind:
Einsetzen von mindestens einem Paar von Elektroden in den Bo den an mit Abstand angeordneten Stellen, mindestens einen Teil des vergrabenen Abfallmaterials überspannend, wobei die Elektroden durch die Oberseite des Bodens in parallelen auf rechten Positionen eingesetzt werden;
Vorsehen eines anfangs elektrisch leitenden Widerstandspfades in den Boden über die Elektroden hinweg auf einer Höhe ober halb des Abfallmaterials;
Hindurchleiten elektrischen Stromes durch den elektrisch lei tenden Widerstandspfad durch Anlegen des Stromes an die Elektroden zur Erwärmung des Bodens um den Pfad herum auf sei ne Schmelztemperatur, wodurch ein stromführender Pfad durch den geschmolzenen Boden zwischen den Elektroden aufgebaut wird;
Fortsetzen der Stromanlage an die Elektroden bis der Boden zwischen und unmittelbar benachbart zu den Elektroden ge schmolzen ist, wodurch der Boden von seiner Oberfläche nach unten bis auf eine Höhe unterhalb der unteren Enden der Elek troden geschmolzen wird;
Bewegung der Elektroden horizontal innerhalb der Grenzen des geschmolzenen Bodens; und
Beendigung der Stromanlage an die Elektroden zum Gestatten des Abkühlens und des Verfestigens des Bodens und jedweden ver bleibenden Abfallmaterials zwischen den Elektrodenstellen in eine feste Masse.

20. Verfahren zur in-situ-Verglasung von vergrabenen Abfallmaterialien, umgeben von Boden einer Abfallablagerungs stelle, wobei die vergrabenen Abfallmaterialien in einem lang gestreckten, unter der Erde verlaufenden Graben angeordnet sind und wobei folgende Schritte vorgesehen sind:
Einsetzen von Paaren von Elektroden in den Boden an mit Ab stand angeordneten Stellen, mindestens einen Teil des vergra benen Abfallmaterials überspannend, wobei die Elektroden in Gruppen von vier eingesetzt werden, und zwar in mindestens einem Teil der Breite des Grabens und eines Teils seiner Länge überspannend;
Vorsehen eines anfangs elektrisch leitenden Widerstandspfades in den Boden über die Elektroden eines Paares und mit einer Höhe oberhalb des Abfallmaterials;
Hindurchleiten von elektrischem Strom durch den elektrisch leitenden Widerstandspfad durch Anlegen des Stromes an die Elektroden zur Erhitzung des Bodens um den Pfad herum auf seine Schmelztemperatur, wodurch ein stromführender Pfad durch den geschmolzenen Boden zwischen den Elektroden aufgebaut wird;
Fortsetzen der Stromanlage an die Elektroden bis der Boden zwischen den Elektroden und unmittelbar benachbart zu diesen geschmolzen ist; und
Beendigung der Stromanlage an die Elektroden, um zu gestatten, daß der Boden und jedwede verbleibenden Abfallmaterialien zwischen den Elektrodenstellen in eine feste Masse abgekühlt und verfestigt werden.

21. Verfahren zur in-situ-Verglasung von vergrabenen Abfallmaterialien, umgeben durch Boden an einer Abfallablage rungsstätte, wobei die vergrabenen Abfallmaterialien in einem langgestreckten unter dem Boden verlaufenden Graben angeordnet sind und wobei die folgenden Schritte vorgesehen sind:
Einsetzen von Elektrodenpaaren in den Boden an mit Abstand angeordneten Stellen, mindestens einen Teil des vergrabenen Abfallmaterials überspannend, wobei die Elektroden in Gruppen von vier eingesetzt werden, und zwar mindestens einen Teil der Breite des Grabens und einen Teil seiner Länge überspannend;
Vorsehen eines anfangs elektrisch leitenden Widerstandspfades in dem Boden über die Elektroden eines Paares hinweg, und zwar auf einer Höhe oberhalb des Abfallmaterials;
Hindurchleiten elektrischen Stromes durch den elektrisch lei tenden Widerstandspfad durch Anlegen von Strom an die Elektro den, um den Boden um den Pfad herum auf seine Schmelztempera tur zu erhitzen, wodurch ein stromführender Pfad durch den geschmolzenen Boden zwischen den Elektroden aufgebaut wird;
Fortsetzen der Stromanlage an die Elektroden bis der Boden zwischen und unmittelbar benachbart zu den Elektroden ge schmolzen ist;
Beendigung des Stromanlegens an die Elektroden, um die Kühlung und die Verfestigung des Bodens und jedweden verbleibenden Abfallmaterials zwischen den Elektrodenstellen in eine feste Masse zu gestatten; und
Entfernung der Elektroden nach Beendigung der Stromanlage an diese und vor der Verfestigung der geschmolzenen Masse.

22. Verfahren nach Anspruch 20, wobei ferner der Schritt des Wiedereinsetzens der entfernten Elektroden an einer darauffolgenden Stelle längs des Grabens vorgesehen ist.

23. Verfahren zur in-situ-Verglasung von vergrabenem Abfallmaterial in Beimischung mit Boden an einem Abfallbesei tigungsplatz, wobei die folgenden Schritte vorgesehen sind:
Einsetzen von mindestens einem Paar von Elektroden in den Bo den an mit Abstand angeordneten Stellen und mindestens einem Teil des vergrabenen Abfallmaterials überspannend;
Vorsehen eines elektrisch leitenden Pfades in dem Boden über die Elektroden hinweg;
Umschließen des Bodenoberflächengebiets zwischen und unmittel bar die Elektroden umgebend mit einer gassammelnden Abdeckung;
Hindurchleiten von elektrischem Strom durch den elektrisch leitenden Pfad durch Anlegen von Strom an Elektroden, um den Boden um den Pfad herum auf seine Schmelztemperatur zu er hitzen, wodurch ein stromführender Pfad durch den geschmol zenen Boden zwischen den Elektroden aufgebaut wird;
Fortsetzen der Stromanlage an die Elektroden bis der Boden zwischen und unmittelbar benachbart zu diesen geschmolzen ist; und
Beendigung der Stromanlage an die Elektroden, um das Kühlen und das Verfestigen des Bodens und jedweden zwischen den Elektrodenstellen verbleibenden Abfallmaterials in eine feste Masse auf verglastem Boden zu gestatten, und zwar mindestens das verbleibende Abfallmaterial des erwähnten Teils umschlie ßend.

24. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die in-situ- Verglasung des Bodens anfangs höhenmäßig oberhalb des ver grabenen Abfallmaterials erfolgt und fortgesetzt wird, bis der geschmolzene Boden das vergrabene Abfallmaterial nach unten hin umgreift.