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Beschreibung
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Langzeitlagerung von radioaktiven
Abfallprodukten, wie es im ersten Anspruch niedergelegt ist, sowie ein solche Abfallpro.
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dukte enthaltendes Seil sind eine Anlage zur Herstellung eines flexiblen
Seils aus einer glasartigen, radioaktive Abfallprodukte enthaltenden Masse und zur
Langzeitlagerung des Seils.
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Das Problem der Lagerung nuklearer Abfallprodukte sowohl militärischer
als auch ziviler Herkunft ist derzeit so akut geworden, daß ein weiterer Fortschritt,
insbesondere auf dem Gebiet der Entwicklung von Nuklearenergie, bedroht ist. Die
bisher vorgeschlagenen Lösungen beruhen allgemein auf der nicht wiedergewinnbaren
Beseitigung der Abfälle. Die Probleme und Unsicherheiten, die mit einer solchen
Beseitigung verbunden sind, sind klar im Geological Survey Circular 779 unter dem
Titel "Geologic Disposal of High-Level Radioactive Wastes ... Earth-Science Perspectives"
von J.B. Bredehoeft u.a. zusammengefaßt.
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Nach diesen Autoren schätzt man, daß um das Jahr 2000 476 000 ausgebrannte
Brennstoffeinheiten vorhanden sind, die 3000 m3 einnehmen, wenn sie als hochaktiver
Abfall aufbereitet sind und um eine Größenordnung mehr als mittelaktiver Abfall.
Die Toxizität dieser Abfälle wird durch die Tatsache deutlich, daß die Wassermenge,
die erforderlich wäre, um die im Jahr 2000 vorhandenen Abfälle bis zu einem als
sicher angesehenen Grad zu lösen, der doppelten Frischwassermenge des globalen Vorrats
entspricht. Die Dringlichkeit des Problems wird durch die Entdeckung deutlich, daß
zunehmende Mengen künstlicher Radionuklide in dem Eriesee und dem Ontariosee bis
zum Cattaraugus Creek zurückverfolgt worden sind, der an einer Zwischenlagerungs-
anlage
im West Valley, NY vorbeifließt (Industrial ResearchjDevelopment, Juli 1978, S.
46).
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Der erforderliche Raum, um diesen Abfall aufzunehmen, würde nur etwa
10 km3 ausmachen, aber die Strafe für einen Irrtum bei der Wahl des Platzes und
der Planung der vorzusehenden Einrichtungen wäre sehr schlimm. Kritische Gesichtspunkte,
die in Betracht gezogen werden müssen, sind kleine Fehlstelle.n oder Bruchsysteme,
die außerordentlich schwer zu entdecken sind. Es sind zwar in jüngerer Zeit Verfahren
für eine unschädliche Charakterisierung der Örtlichkeit vorgeschlagen worden, doch
erfordern diese Systeme eine weitere Verfeinerung.
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Zusätzlich zu den Problemen, die aus der Art der Örtlichkeit vor der
Lagerung der Abfallprodukte darin stammen, müssen Maßnahmen bezüglich der Auswirkung
der von den Abfallprodukten selbst ausgehenden mechanischen,chemischen und thermischen
Störung getroffen werden. Kanister mit hochaktivem Abfall können 10 Jahre nach der
Aufbereitung 5 kW Wärme erzeugen und es kann 100 Jahre dauern, bis die lnärmeabgabe
auf 0,5 kW sinkt. Es gibt kein adäquates Modell für die Auswirkungen einer Wärmeabgabe
über 100 Jahre.
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Die Form des Abfalls während seiner Lagerung ist selbstverständlich
von entscheidender Bedeutung. Derzeit scheint es üblich zu sein, daß hochaktive
Abfälle von der Aufbereitung in die Form von Glasblöcken gegossen werden, da das
Glas eine sehr geringe Auslaugbarkeit hat (Marsily u.a.
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1977, Energy Research and Development Administration 1976, S. 7).
Trotzdem werden einige Verunreinigungen freigesetzt und die Natur des Glases selbst
kann sich infolge der Strahlung ändern, so daß sich der Grad der Auslaugung ohne
Zweifel mit der Zeit ändert.
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Es gibt große Lücken in unserer Kenntnis von Transportsystemen, d.
h. bezüglich des Wegs, auf dem freigesetzte Verunreinigungen die Biosphäre erreichen
können. Zu den Problemen in diesem Bereich gehören die fehlende Kenntnis von Brüchen,
natürlichen oder künstlichen, und von Messungen der Auswirkung des Fluiddrucks und
der Permeabilität des Gesteins oder Salzes, in dem die Blöcke gelagert sind. Daten
stehen nicht zur Verfügung, so daß die gesamte Beschreibung der Grundwasserstromung
ein Problem ist, das noch auf seine Lösung'wartet.
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Das Ziel ist selbstverständlich, den Abfall zu bewahren und zu verhindern,
daß er die Biosphäre erreicht, bis er nicht mehr gefährlich ist. Es sind Schätzungen
vorgenommen worden für die Zeitdauer, während der der Abfall gelagert werden muß,
damit er keine Gefahr mehr darstellt.
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Strontium 90 und Cäsium 137 stellen 99 % der projektierten Curie-Anhäufung
um das Jahr 2020, aber diese Stoffe werden in 600 Jahren auf ein Millionstel der
ursprüngli-129 chen Radioaktivität reduziert. Die Toxizität von Jod129 und Radium
und der Aktinidenelemente bleibt über gut 10 Millionen Jahre erhalten. Ferruccio
Gera hat 1975 in "Geochemical Behavior of Long-Lived Radioactive Wastes: U.S. Energy
Research and Development Administration, Oak Ridge National Laboratory, report ORNL
TM-4481" auf Seite 14 festgestellt, daß eine Bewahrung für länger als 5 Millionen
Jahre "rein theoretisch ist, da völlig zuverlässige geologische Vorhersagen des
erforderlichen Details über so lange Zeitspannen jenseits unserer Möglichkeit liegen".
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Die Wissenschaft geologischer Vorhersagen ist beschränkt durch die
Voraussetzung einer Konstanz von ProzeßabläuEen und durch unvollständige Daten;
die Daten in den seismischen Aufzeichnungen der USA reichen nur über 200 Jahre
zurück.
Daher ist nach Ansicht des eben erwähnten Autors eine Bestätigung der Gültigkeit
eines Abfallmanipulationsmodells für die in Frage kommenden Zeitspannen niemals
möglich. Selbst Routinevorhersagen von über 100 Jahre laufenden Prozessen haben
von gut nach schlecht gewechseit. Prädiktive Modelle, ein wichtiger Schritt für
die Wahl einer Örtlichkeit und der Handhabung des Abfalls, haben Komponenten, die
derzeit der inneren Natur nach nicht voraussagbar sind. Diese Modelle geben also
keine einzige Antwort für das Schicksal von radioaktivem Abfall in geologischen
Lagerstätten, sondern lediglich ein Spektrum alternativer Ergebnisse basierend auf
unsicheren Annahmen über die Zukunft.
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Wie oben erwähnt, basiert die derzeitige Überlegung auf dem Konzept,
den nuklearen Abfall in Glas hineinzumischen und dann das Glas in Form von Blöcken
in einer geeigneten Lagerstätte nichtwiedergewinnbar zu lagern, wobei eine entsprechend
dicke Erdschicht als Schild dient. Bei diesem Konzept besteht die einzige Abwehr
gegen den Zutritt von Wasser, das das radioaktive Material lösen könnte und es zur
Biosphäre transportieren könnte, in der Wahl einer sicheren Örtlichkeit. Wie Entdeckungen
der letzten Jahre unterstrichen haben, ist jedoch die Erdkruste nicht stationär.
Erdbeben sind durch die gesamte überlieferte Geschichte hindurch registriert worden,
die zwar entlang bestimmter bekannter Faltlinien häufiger sind, doch sind Erdbeben
in vorher "immunen" Regionen nicht unbekannt.
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Wichtiger ist die Tatsache, daß die Erdoberfläche aus sogenannten
tektonischen Platten besteht, die sich auf der Oberfläche der darunter befindlichen
Schmelze bewegen und zusammenprallen. Die Kollision zwischen den Platten verursacht
Gebirgsketten und andere Typen einer schweren Deformation der Erdkruste. Solche
Vorgänge finden sowohl langsam über geologische Zeiträume hin als auch plötzlich
statt.
Leider ist die Zeitspanne, über welche der nukleare Abfall sicher verwahrt werden
muß, mit den geologischen Zeiträumen vergleichbar, in denen selbst die langsamen
aber schwerwiegenden Änderungen in der Gestalt der Erdkruste stattfinden. Die Zeit
von 10 Millionen Jahren ist oben bereits erwähnt worden. Es ist dargelegt worden,
daß eine verbesserte aufbereitung die i-n Frage kommende Zeitspanne auf etwa 1000
Jahre reduzieren könnte; dies würde die Unsicherheiten vermindern, aber nicht beseitigen.
Es ist daher unmöglich, die Sicherheit von hochradioaktiven Abfällen, die nichtwiedergewinnbar
gelagert sind, über solch lange Zeitspannen zu planen. Trotzdem schieben sich weiter
Vorschläge in den Vordergrund, die eine Lagerung solcher Glasblöcke in Höhlen von
hartem Fels oder in Salzbergwerken verlangen, die offensichtlich über lange Zeiträume
frei von Grundwasser sind. Diese Vorschläge stammen nicht nur von den Vereinigten
Staaten, sondern auch von anderen Ländern. Beispielsweise schlagen Frank Feates
und Norman Keen von der Technologiedivision des Atomic Energy Research Establishment,
Harwell, England, veröffentlicht in The New Scientist vom 16.02.1978, vor, daß flüssiger
Abfall in Glas umgewandelt werden soll und in Stahl zylindern mit 60 cm Durchmesser
und etwa 3 m Länge eingeschlossen werden soll, wobei jeder solcher Zylinder etwa
1,4 t Glas enthält. Die Autoren erwägen, daß das Glas wahrscheinlich einige Jahre
lang gekühlt werden muß, bevor es endgelagert wird. Als Lagerstätte für die Zylinder
erscheint diesen Autoren die Unterbringung auf oder unter dem Meeresboden als eine
sehr sichere Methode. Sie favorisieren auch das Ziel einer Unterbringung in Salzformationen
oder Lehm- oder Hartgesteinformationen, wobei sie anregen, daß die Lagerstätte mindesetns
300 m tief ist, damit sie bei einer möglichen zukünftigen Eiszeit unter dem Dauerfrostniveau
liegt. Auch dann schlagen sie nicht vor, diese Lagerung zum jetzigen Zeitpunkt durchzu-
führen,
sondern nur weitere Daten Zu sammeln. Sie regen an, daß kleine Bohrlöcher gebohrt
werden sollen, um unter Einsatz von Fernsehen und verschiedenen physikalischen Methoden
die Bruchstruktur zu erforschen.
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Neben den Problemen der Lagerung gibt es neuerdings Schwierigkeiten
beim überirdischen Transport von nuklearen Abfällen. Festgestellte Gefahren haben
zu Gesetzen und Verordnungen geführt, die die Durchfahrt von Fahrzeugen mit radioaktiver
Ladung beispielsweise in New York, New Jersey und Connecticut einschränken (New
York Times vom 17.04.1978) Einige Autoren haben auch Betrachtungen erhoben, daß
spaltbare Isotope (Uran 235 und Plutonium) aus Kernkraftzyklen aufgrund ihrer Verwendbarkeit
in Kernwaffen Ziele für Terroristen oder Erpresser werden können. Dadurch wird die
zusätzliche Forderung einer strikten Verpflichtung zur Rechenschaftsablegung für
die Abfälle während der Beseitigung auferlegt, eine Bedingung, die schwer zu erfüllen
ist, wenn eine große Anzahl von Blöcken gehandhabt werden muß.
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Verfahren zur Herstellung geschmolzener Glaskörper und dafür brauchbare
Verbindungen finden große Beachtung: In der US-PS 3 .321 409 wird vorgeschlagen,
eine radioaktive Abfallflüssigkeit mit einem trockenen Pulver in einem Behälter
zu mischen, das Wasser abzuziehen und das Produkt bis zum Schmelzpunkt zu erhitzen,
um Glas zu formen. Gemäß der US-PS 3 364 148 wird eine Quelle radioaktiver Energie
hergestellt, indem ein nichtlösbares radioaktives Material in einer durch Wärme
schmelzbaren, kontinuierlichen Grundmasse eingeschlossen wird, die mindestens 92
Gew.-t Silicium enthält, wobei die Randbereiche der Grundmasse frei von radioaktivem
Material sind. In der US-PS 3 249 551 ist die Beseitigung hochaktiver Abfallmateria-
lien
durch Mischen der Abfallmaterialien mit Lehm und Brennen des Gemisches zu einem
Keramikkörper offenbart; der Keramikkörper wird dann mit einer Keramikglasur bedeckt.
In der US-PS 3 093 593 wird zur Beseitigung von radioaktivem Abfall dieser mit Keramikstoffen
gemischt, zu dem Gemisch Wasser hinzugefügt, das Ganze zu porösen Stücken geformt,
die Stücke werden vorgebrannt, um die Ionenaustauschfähigkeit der Keramikmaterialien
zu zerstören, dann werden die Stücke durch Absorption mit radioaktiven Abfallmaterialien
gesättigt, getrocknet und schließlich gebrannt.
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In der US-PS 3 373 116 wird die Herstellung einer radioaktiven Fluorphosphat-Glasschmelze
und die Formung von Glasfasern aus der Schmelze beschrieben. Gemäß dieser Patentschrift
kann das Glas entweder in der Form dünner Glasfasern oder kleiner Glaspartikel als
Brennstoff für Kernreaktoren dienen. In der US-PS 4 020 004 wird die Herstellung
eines Borosilikatglases mit eingemischtem radioaktivem Cäsium beschrieben. In der
US-PS 3 971 717 wird vorgeschlagen, massive Glasblöcke, die radioaktive Abfälle
enthalten, herzustellen und dann die Blöcke in Wasser zu versenken, um das Wasser
zu konditionieren, wobei diese Konditionierung eine Sterilisierung und eine Verbesserung
der Filterfähigkeit des Schlamms einschließt.
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Wie aus Vorstehendem deutlich wird, hat die Einverleibung von radioaktiven
Abfällen in einem Glas, insbesondere vom Borosilikattyp, beträchtliche Beachtung
gefunden, offensichtlich weil man annimmt, daß das Glas von Grundwasser praktisch
nicht angegriffen wird; dabei ist jedoch noch die Frage offen, ob Glas wirklich
auch über Zeiträume von Millionen Jahren für Wasser unangreifbar ist. Tatsächlich
haben Versuche mit hohen Temperaturen und Drücken von D.J. McKasy u.a. im Gegenteil
erwiesen,
daß das Glas zuerst eine Verfärbung und Rißbildung und
schließlich einen Bruch und eine Kristallisation erfährt (Chemical and Engineering
News, 01.06.1978, S. 28). Die Absicht einer unterirdischen Lagerung wird zwar mit
mehr oder weniger Wohlwollen betrachtet, doch beginnt man zu realisieren, daß die
Unversehrtheit der Lagerregion nicht mit jedem Grad an Sicherheit vorhergesagt werden
kann, so daß diese Lösung für das Problem der Abfallbeseitigung als mangelhaft angesehen
werden muß. Es sind auch noch andere Verfahren der Beseitigung vorgeschlagen worden,
beispielsweise das Schießen des Abfalls in den Weltraum, aber diese Verfahren sind
zum jetzigen Zeitpunkt praktisch nicht durchführbar. Es ist daher entweder ein neuer
Lösungsweg oder eine Verbesserung notwendig, die die erwähnten Probleme behebt.
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Gemäß der Erfindung wird nuklearer Abfall mit einer üblichen oder
herkömmlichen Methode in ein Glas einverleibt und das geschmolzene Gemisch wird
zu Fasern gezogen. Vorzugsweise ist ein Wasserpool für eine verhältnismäßig kurze
Lagerung der Fasern vorgesehen, während der die Strahlungsintensität rasch absinkt,
wobei die Abführung der in dem Prozeß erzeugten Wärme in diesem Stadium der Bearbeitung
leichter vorgenommen werden kann als in einem fortgeschritteneren Stadium.
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Die Fasern werden dann in ein Bündel oder Seil zusammengefaßt, wobei
der Durchmesser der Fasern und die Anzahl der Fasern in dem Seil so gewählt wird,
daß das Seil flexibel ist und auf eine Trommel oder einen anderen Träger aufgewickelt
werden kann. Das Seil wird durch einen unterirdischen Kanal zu einem Schachtkopf
geleitet und durch den tief in die Erde führenden Schacht zu einem Lagerraum, in
dem eine Aufwickelvorrichtung das flexible Seil zur Langzeitlagerung auf eine Trommel
aufwickelt. Zwischen
der Anlage zur Herstellung des Seils und dem
Kanal ist eine Puffervorrichtung für die kurzzeitige Lagerung eines Seil stücks
vorgesehen, um vorübergehende Ungleichheiten zwischen der Fabrikationsgeschwindigkeit
und der Transportgeschwindigkeit durch den Kanal auszugleichen; eine weitere Puffervorrichtuny
ist aus dem gleichen Grund am Schachtkopf installiert. Die Herstellungs- und Transportvorgänge
werden ganz ferngesteuert. Während des Transports und der Lagerung wird von einem
seil internen Überwachungssystem eine kritische Information über den Zustand des
Seils empfangen.
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Das Seil ist so konstruiert, daß es von dem Träger auf die Erdoberfläche
hochgezogen werden kann, wenn das Überwachungssystem anzeigt, daß die Unversehrtheit
der Lagerstätte in Gefahr oder durchbrochen ist. Das Seil kann auch wieder entnommen
werden, um Isotope zu ernten oder zusätzlichen nuklearen Abfall einverleibt zu erhalten,
nachdem die Aktivität des Seils abgenommen hat. Solange es keinen Grund zur Besorgnis
oder kein ökonomisches Motiv für ein Wiederhervorholen gibt, kann das Seil unbegrenzt
an Ort und Stelle bleiben. Der Transport des Seils zur Aufbereitungsanlage und dann
zur Lagerstätte wird durch Leitstücke erleichtert, das sind nichtradioaktive Segmente
des Seils an dessen Vorder- und Hinterende. Die Biegsamkeit des Seils wird dadurch
erhöht, daß das Seil in flacher Form hergestellt wird, d. i. in der Form eines Bandes.
Das Seil kann zur Identifizierung farbcodiert sein und rundum einen Überzug haben,
um Glasfragmente festzuhalten. Variationen des Strahlungsspektrums in Längsrichtung
des Seils können zur weiteren Information dienen, um Stellen entlang dem Seil zu
charakterisieren und identifizieren.
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Der Transport des nuklearen Abfalls von der Fabrikationsanlage und
deren Puffereinrichtung zum Schachtkopf wird
durch einen unterirdischen
Kanal erleichtert, durch den das Seil mit Hilfe der Leitstücke befördert wird. Es
liegt auf der Hand, daß ein Seil sehr viel bequemer automatisch vom Schmelztank
zum Schachtkopf transportiert werden kann als dies mit Glasblöcken geschehen könnte.
Dadurch, daß der nukleare Abfall in der Form eines durch einen Kanal transportierbaren
Seils vorliegt, entfällt das Problem eines Transports von nuklearem Abfall über
dem Erdboden vollständig. Ebenso ristes unstreitig, daß das Problem der Verantwortlichkeit
für ein einziges Seil sehr viel leichter zu lösen ist als die Überwachung der Wege
von tausenden von Blöcken.
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Die Unversehrtheit des Seils kann mit Hilfe von Lichtimpulsen überwacht
werden, die durch dem Seil beigeordnete optische Fasern übertragen werden.
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Der unterirdische Kanal ist weit genug unter der Erdoberfläche angebracht,
so daß die Erde als Abschirmung für die gesamte Strahlung vom nuklearen Abfall bis
auf einen minimalen Anteil dient. Die optimale Tiefe für den Kanal läßt sich am
besten entweder durch Messungen an simulierten Konfigurationen oder durch die Anpassung
vorhandener Computercodes an ein Modell mit linearer Quell-e bestimmen.
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Die Abschirmungsgesetze sind in L. Wang Lau, Elements of Nuclear Reactor
Engineering, Gordon & Breach, New York 1974 erörtert, wo die formale Lösung
für ein solches Modell gegeben ist. Rohe Berechnungen, basierend auf Faustregeln,
die ebenfalls von Lau vorgelegt sind, genügen, um eine Abschätzung der erforderlichen
Tiefe zu ermöglichen.
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Diese Berechnungen geben an, daß eine Tiefe äquivalent zu 2,5 m Beton,
die Gammastrahlung um einen Faktor 108 und den Neutronenfluß um 1025 schwächt. Beta-
und Alphateilchen und schwere Ionen werden sehr viel leichter auf gehalten als diese.
Die tatsächlich erforderliche Tiefe
hängt von der Natur des den
Kanal bedeckenden Erdbodens ab und außerdem ist ein zusätzlicher Sicherheitsfaktor
notwendig, um Eventualitäten, wie beispielsweise die Bodenerosion und ein Aufgraben
durch Tiere und ein menschliches Eindringen zu berücksichtigen. Eine Tiefe von 4
bis 5 m kann jedoch vollständig genügen.
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Die Erfindung sieht ein Verfahren zur Formung von nuklearem Abfall
in Glasfasern und dann in ein flexibles Seil vor, das in einer unterirdischen Lagerstätte
wiedergewinnbar gelagert werden kann. Gemäß der Erfindung kann die Verwendbarkeit
einer unterirdischen Lagerstätte zur Lagerung von nuklearen Abfallprodukten dadurch
gesteigert werden, daß die Abfallprodukte periodisch wieder heraufgeholt werden,
nachdem ihre Aktivität teilweise gesunken ist, und -weitere nukleare Abfallprodukte
zugefügt werden.
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Die Erfindung will weiter ein Seil aus nukleare Abfallprodukte enthaltenden
Glasfasern schaffen, das ausreichend flexibel ist, um in einer tief unter der Erdokerfläche
gelegenen Lagerstätte auf eine Trommel oder dergleichen aufgewickelt zu werden,
und das mit Mitteln versehen ist, um das Seil wieder hervorzuholen, wenn dies wünschenswert
oder notwendig ist. Die Erfindung ist ferner auf eine Anlage zur Einverleibung von
nuklearen Abfallprodukten in Glasfasern gerichtet, in der die Fasern zu einem flexiblen
Seil geformt werden, das unterirdisch zu einem Schachtkopf transportiert wird und
in dem Schacht zu der tief unter der Erdoberfläche liegenden Lagerstätte abgesenkt
wird, wo es auf eine Trommel oder dergleichen aufgewickelt wird, um aus der Lagerstätte
wieder hervorholbar zu sein, wenn dies wünschenswert oder notwendig ist. In der
erwähnten Anlage ist gemäß der Erfindung ein Wasserpool vorgesehen, der mit Einrichtungen
zur Handhabung von Fasern ausgerüstet ist, ferner eine Puffereinrichtung, in der
die Fasern unmittelbar nachdem sie ge-
zogen wurden, gelagert werden
können, um die erste Zeitspanne abzuwarten, während der die Wärmeentwicklung ein
Maximum ist, und um die während dieser Zeit erzeugte Wärme abzuführen, bevor die
Fasern zu dem Seil vereinigt werden. Schließlich sieht die Erfindung ein besonderes
Überwachungssystem vor, das die Unversehrtheit und den Zustand des Seils kontinuierlich
testet mit Hilfe der Aussendung und Modulation von Lichtimpulsen, die entlang optischer
Fasern übertragen werden, welche inden Seilen entlang den radioaktiven Fasern enthalten
sind.
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Weitere Einzelheiten und Vorzüge der Erfindung ergeben sich aus der
nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der beigefügten Zeichnungen.
Darin zeigen: Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Seils;
Fig. 2 eine Schnittansicht des Seils der Fig. 1 in einem Kanal gemäß der Erfindung;
und Fig. 3 eine schematische Ansicht einer Anlage zur Herstellung, zum Transport
und zur Lagerung eines Seils gemäß der Erfindung.
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In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßes Seil gezeigt, das insgesamt mit
11 bezeichnet ist. Das Seil besteht aus Fasern eines glasartigen Materials, beispielsweise
Borosilikatglas, wobei die Masse dieses glasartigen Materials radioaktiven Abfall
enthält. Die Fasern sind ausreichend dünn und die Anzahl der Fasern in dem Seil
ist so gewählt, daß das Seil auf eine Trommel oder einen anderen Träger aufgewikkelt
werden kann. Der Durchmesser der Fasern kann breit variieren, je nach ihrer Anzahl
in dem Seil und der Krüm-
mung der Trommel oder des sonstigen Trägers,
auf dem das Seil gehaltert werden soll. Doch kann der durchschnittliche Durchmesser
der Fasern ungefähr 100 bis 200 pm betragen.
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Das Seil 11 hat einen zentralen radioaktiven Abschnitt 12, der bis
zu einigen Kilometern lang sein kann. Das Hinterende 13 und das Vorderende 14 des
zentralen Abschnitts 12 gehen an den angedeuteten Grenzen in nichtradioaktive Leitstücke
15 und 16 über, wobei die Fasern in dem Seil vom einen bis zum anderen Seilende
reichen.
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Fasern 17, wie sie in Fig. 2 gezeigt sind, können verflochten, verwoben
oder sonst wie gebündelt sein, um das Seil 11 zu bilden. Die Leitstücke der Fasern
werden dadurch geformt, daß zuerst ein Stück gewöhnliches Glas gezogen wird, dann
ohne Unterbrechung der lange Abschnitt, der aus einem Gemisch von Glas und radioaktivem
Abfall besteht, und schließlich noch einmal ein Stück, das nur Glas enthält. Wenn
diese Fasern miteinander verseilt werden, ist das entstehende Seil an beiden Enden
mit nichtradioaktiven Leitstücken versehen. Das Seil 11 kann farbccdiert werden,
indem man in die Masse geeignete Pigmente beimischt oder indem man eine Faser oder
mehrere Fasern mit einer glasartigen Schicht 18 überzieht,die ein solches Farbmittel
enthält.
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Das Seil 11 kann jede übliche Querschnittsform haben, doch ist eine
im wesentlichen flache Form, so daß das Seil bandartig wird, vorzuziehen, um sowohl
die Wärmeübertragung vom Seil zu verbessern als auch die zum Aufwickeln des Seils
auf eine Trommel oder dergleichen erforderliche Biegsamkeit zu erreichen. Die bandartige
Konfiguration ist in Fig. 2 dargestellt. Das Seil 11 braucht nicht unbedingt einen
Überzug zu haben, doch kann eine
Hülle 19 aus einem flexiblen Material,
beispielsweise Polytetrafluoräthylen vorgesehen sein, zweckmäßigerweise in Maschennetzform
zur Durchlüftung, wobei diese Hülle dazu dient, Faserfragmente festzuhalten, die
während der Bearbeitung und während des Transports des Seils entstehen können.
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Im Hinblick auf die großen Gefahren, die in der Herstellung, dem Transport
und der Lagerung des Seils liegen, ist es außerordentlich wichtig, daß Mittel vorgesehen
sind, um den Zustand des Seils zu überwachen, wobei seine Kontinuität, das Fehlen
von Rissen und die Seil temperatur besonders wichtige Merkmale sind. Außerdem ist
es hinsichtlich der bekannten Gefahr des Diebstahls radioaktiven Materials durch
beispielsweise Terroristen wichtig, daß das tatsächliche Vorhandensein und die Lage
des Seils überwacht wird.
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Solche Überwachungsmittel sind beispielsweise durch Lichtleitfasern
21 gegeben, die in einer geschlossenen Schleife geformt sind, so daß ein Lichtimpuls
in die Schleife eingegeben und seine Rückkehr überwacht werden kann. Mittels einer
geeigneten Anordnung können diese Uberwachungsvorrichtungen für die Anzeige der
Stelle eines Bruchs im Seil, falls ein solcher Bruch auftreten sollte, geeignet
gemacht werden. Das Auftreten von vielen mikroskopischen-Rissen in der Überwachungsfaser,
das symptomatisch für einen ähnlichen Zustand in den Abfall führenden Fasern ist,
würde durch eine verstärkte optische Schwächung signalisiert Wichtig ist auch, daß
die Temperatur des Seils spezielle Grenzen nicht überschreitet. Zu diesem Zweck
können Temperatu rüberwachungseinrichtungen, beispielsweise eine Zelle mit wärmeempfindlichem
Farbstoff oder ein Flüssigkristall 22, als Beigabe zum Seil 11 vorgesehen sein.
Eine solche Zelle moduliert die den Faseroptikkreis durchlaufenden Lichtimpulse
mit einer Information der Temperatur an der Stelle der Zelle. Praktischerweise
können
anshl die Temperaturüberwachungselemente 22 als auch die Elemente zur Überwachung
der Unversehrtheit 21 in der Hülle 19 eingeschlossen sein, so daß sie einen Teil
des Seils 11 darstellen; dadurch, daß man die überwachenden Fasern an den Rändern
des Seilquerschnitts anbringt, wird ihre Strahlenbelastung auf ein Minimum reduziert.
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In Fig. 3 ist eine Anlage zur Herstellung, zum Transport und zur Lagerung
des Seils nach der Lehre der Erfindung gezeigt. Im allgemeinen wird sich eine solche
Anlage in der Nähe einer Quelle für radioaktiven Abfall befinden, beispielsweise
in der Nähe eines arbeitenden Kernreaktors, einer Wiederaufbereitungsanlage oder
einer Zwischenlagerung für radioaktiven Abfall auf dem Herstellungsgelände.
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Der erfindungsgemäßen Anlage, wie sie in Fig. 3 schematisch gezeigt
ist, ist eine Quelle 23 für radioaktive Abfallprodukte zugeordnet, von der die Abfälle
einer Mischpumpe 24 zugeführt werden, um mit Zuschlagstoffen zur Herstellung einer
glasartigen Masse gemischt zu werden.
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Es erübrigt sich zu erwähnen, daß alle Arbeiten mit den radioaktiven
Substanzen, die in der erfindungsgemäßen Anlage vorgenommen werden, von Maschinen
unter Fernsteuerung durchgeführt werden, so daß jede Strahleneinwirkung auf das
Personal vermieden wird. Da die ersten Anschlüsse mit dem nichtradioaktiven Leitstück
herzustellen sind, können diese manuell vorgenommen werden, wodurch eine unnötigen
Komplizierung vermieden wird.
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Von der Mischpumpe werden die Faserbestandteile zu einem Schmelztank
26 überführt und die Schmelze wird dann in der mit 27 gekennzeichneten Faserfabrikationsstufe
zu Fasern gezogen. Die Fasern können durch Extrusion oder durch Ziehen oder durch
eine Kombination solcher Vorgänge erzeugt werden. Es wird gleichzeitig eine große
Anzahl von
Fasern gezogen. Zunächst wird ein Ventil 26a in Fig.
3 geöffnet und es werden Fasern ausbewöhnlichem Glas in der für das vordere Leitstück
gewünschten Länge gezogen. Dann wird ein Ventil 26b geöffnet und das Ventil 26a
geschlossen, wodurch der Faserausstoß radioaktiv wird, während die Faser kontinuierlich
weiterläuft. Wenn der radioaktive Abschnitt jeder Faser die gewünschte Länge erreicht
hat, wird das Ventil 26a wieder geöffnet und.das Ventil 26b geschlossen und das
hintere Leitstück wird gezogen.
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Die Fasern werden langsam durch ein Wasserbad geleitet, um den größten
Teil der kurzzeitigen Radioaktivität abklingen zu lassen. Dann werden in einer Seilfabrikationsstufe
28 die einzelnen Fasern zu einem Seil gebündelt.
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Es mag nicht immer möglich sein, die Geschwindigkeit des Transports
durch den Kanal auf die Ausstoßgeschwindigkeit des Seilherstellers abzustimmen.
Daher ist in dem Fabrikationsteil der Anlage, der insgesamt mit 29 bezeichnet ist,
ein Kurzzeit-Pufferlager vorgesehen. Dieses Kurzzeit-Pufferlager ist mit 31 gekennzeichnet.
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Das erfindungsgemäße Seil ist für eine Langzeitlagerung bestimmt,
insbesondere für eine unterirdische Lagerung.
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Ein geeigneter Platz für eine solche unterirdische Lagerung wird sich
im allgemeinen nicht unmittelbar neben der Quelle des nuklearen Abfalls befinden,
wodurch ein Transportproblem für das Seil zwischen der Fabrikationsanlage 29 und
der unterirdischen Lagerstätte, die insgesamt mit 32 bezeichnet ist, auftritt. Der
Transport radioaktiver Produkte und insbesondere Abfallprodukte ist mit ernsten
Problemen verbunden, die sich aus der Tatsache ergeben, daß die von solchen Produkten
erzeugte und ausgehende Radioaktivität außerordentlich gefährlich für die Biosphäre
und besonders für Menschen ist. In jüngster Zeit haben einige Regierungen Gesetze
erlassen, die den
Transport solcher Produkte durch'die entsprechenden
geografischen Gebiete einschränken oder verbieten. Die Form des erfindungsgemäßen
Seils bietet ein besonders vorteilhaftes Mittel, um mit diesem Problem fertig zu
werden.
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Zwischen der Fabrikationsanlage 29 und einem Schachtkopf 34, der sich
über der Lagerstätte 32 befindet, wird ein abgeschirmter Kanal 33 vorgesehen. Dadurch,
daß der Abfall in dem erfindungsgemäßen System wieder hervorgeholt werden kann,
ist die geologische Stabilität-der Formation weit weniger kritisch als für die Lagerung
von Blöcken, die nicht wiedergewinnbar sind. Aus diesem Grund kann man erwarten,
daß eine geeignete Örtlichkeit innerhalb einiger 10 km im Umkreis von praktisch
jeder Quelle radioaktiven Abfalls gefunden wird. Die bevorzugte Abschirmung ist
Erde 36, wobei der Kanal 33 tief genug in der Erde versenkt sein muß, so daß der
durch die Abschirmung dringende Anteil der Strahlung als sicher angesehen werden
kann für einen etwaigen darübergehenden Verkehr oder eine Feldbearbeitung. Wie oben
angedeutet, genügen etwa 4 bis 5 m. Es wird in Betracht gezogen, den Kanal 33 im
allgemeinen innerhalb staatlicher Anlagen anzubringen, auf früherem Bahngelände
oder in anderen Bereichen, in denen der Verkehr über dem Kanal kontrolliert werden
kann, um noch besser zu gewährleisten, daß die Strahleneinwirkung innerhalb sicherer
Grenzen gehalten wird. Der Kanal 33 ist, wie in Fig. 2 gezeigt, mit Vorrichtungen
ausges-tattet, etwa einer Stützrolle 37 für das Seil 11, um einen möglichst reibungsfreien
Transport des Seils durch den Kanal 33 zu ermöglichen. Das Seil ist ausreichend
flexibel, so daß es um Krümmungen geführt werden kann, wie sie in Fig. 3 gezeigt
sind. Da das Seil 11 im allgemeinen beträchtliche Wärmemengen entwickelt, kann Kühlluft
durch den Kanal zirkulieren. In dem dargestellten Beispiel betritt Kühl luft oder
ein anderes Kühlungsmittel den Kanal 33 durch ein Rohr 38 und verläßt ihn durch
ein Rohr 38a. In
der in Fig. 3 gezeigten Anordnung dient das durch
das Rohr 38 eingespeiste Kühlmittel auch noch zum Kühlen des Seils während der Pufferlagerung
an den Stationen 39 und 31. Die Lagerkammern sind so konstruiert, daß sie die Luftkonvektionsströme,
die von den vorhandenen Temperaturgradienten bewegt werden, maximal ausnützen, um
Wärme zu den Kammerwänden zu übertragen. Das Seil wird dann durch einen vertikalen
Schacht 41 in die Lagerungsstätte 32 abgesenkt, wo Seilträger 43, vorzugsweise in
der Form konischer Trommeln, und eine automatische Aufwickelvorrichtung 44 vorgesehen
sind, um das Seil 11 und das vordere Leitstück 14 auf dem Seilträger 43 anzubringen.
Ein einziger Kanal und eine Abfallaufnahmeeinrichtung können eine Gruppe von mehreren
Lagern bedienen.
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Wie schon erwähnt, ist die Zeitdauer, für die das Seil gelagert werden
muß, so groß, daß die Unversehrtheit der Lagerstätte 32 durch unvorhergesehene thermische,
geologische oder hydrologische Prozesse bedroht oder sogar durchbrochen werden kann
trotz des anfänglichen Anscheins von Sicherheit. Deshalb müssen Mittel zum Wiederheraufholen
des Seils 11 aus der Lagerstätte 32 vorgesehen werden; zu diesem Zweck ist eine
Pufferlagerstation 39 angeordnet und das hintere Seilleitstück 15 ist am Schachtkopf
befestigt und so kontruiert, daß es den Inhalt der Lagerstätte 32 heraufholen kann.
Die Kammer am Schachtkopf und der Kanal bieten genügend Raum, so daß sie, falls
aus Sicherheitsgründen ein Wiederheraufholen notwendig sein sollte, zusammen den
gesamten Inhalt der Lagerstätte 32 so lange aufnehmen können, bis ein anderer Lagerplatz
erschlossen werden kann.
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Ein Wiederheraufholen kann auch für andere Zwecke notwendig oder wünschenswert
sein, beispielsweise zum Ernten von in dem nuklearen Abfall enthaltenen Isotopen.
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se gewonnenen Radioisotopen können in der Energieerzeugung,
in der medizinischen Behandlung und Diagnose und für andere Anwendungsmöglichkeiten
nützlich sein. Ein Beispiel für eine großangelegte Verwendung, die gerade erforscht
wird, ist die Behandlung von Abwasser mit Gammastrahlen von Cäsium 137. Die Mittel
für ein solches Ernten sind innerhalb der rabrikationsanlage 29 als Station 44 angedeutet.
Zu diesem Zweck ist es notwendig, den Kanal 33 für den Transport des Seils in zwei
Richtungen zu konstruieren. Die Wege in der Wiedergewinnungsphase sind mit gestrichelten
Linien angedeutet. Nach dem Ernten des gewünschten Isotops können die verbliebenen
Bestandteile wieder in die Mischpumpe 24 zurückgeleitet werden, um sie wieder zu
einem Faserseil zu formen. Ein weiterer Grund für die Wiederheraufholung des Seils
kann sein, daß man die Tatsache ausnützen will, daß die Radioaktivität des Seils
auf ein solches Niveau gesunken ist, daß es nicht länger wirtschaftlich ist, Lagerraum
für das Seil zu opfern. Unter diesen Umständen kann das Seil zu der Mischpumpe 24
zurückgeleitet werden, wo es erneut mit zusätzlichen radioaktiven Abfallprodukten
von der Quelle 23 vereinigt wird, worauf es noch einmal durch den Fabrikationsprozeß
geleitet wird. Alternativ kann der inerte Bestandteil der Faser vermindert werden,
wozu man vorzugsweise die Erntestation 44 benützt.
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Ein Hauptvorzug des Seils, des Verfahrens zur Herstellung desselben
und der Lagerstätte innerhalb der Anlage ist, daß sie genau überwacht werden können,
wie dies durch die Überwachungsstation 46 angedeutet ist, um sich der Unversehrtheit
des Seils, der Seiltemperatur und der Temperatur in der Lagerstätte 32 zu versichern.
Diese Station oder Konsole ist der Terminal für alle in einem Seil eingeschlossenen
Überwachungsfaserpaare. Dort werden von LEDs oder Lasern in das Seil Lichtimpulse
gesendet und
wenn die Integrit;at des Seils nicht durchbrochen
ist, aus dem Seil zurückempfangen. Die Temperaturfühlerfasern laufen in und aus
Detektorzellen, die aus optisch thermoaktiven Materialien bestehen, Farbstoffen
oder Flüssigkristallen, die das Licht nach Maßgabe der Temperatur an ihrem Platz
modulieren. Risse oder andere Unvollkommenheiten in dem Glas, die für eine mögliche
Beschädigung des Seils symptomatisch sind, können an der resultierenden Lichtschwächung
beobachtet werden. Auf der Basis.der von der Uberwachungsstation 46 zu einer Fernsteuerung
47 gelieferten Information kann der Betrieb der Fabrikationsanlage 29, die Einspeisung
von Kühlmittel in diese Anlagc, zu dem Schachtkopf 34 und zur Lagerstätte 32 geregelt
werden und es kann eine Entscheidung überein mögliches Heraufholen des Seils auf
dem Failsafe-Prinzip getroffen werden.
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Wie aus vorstehenden Erläuterungen deutlich wird, machen es das Verfahren,
die Anlage und das Seil gemäß der Erfindung möglich, radioaktiven Abfall in eine
solche Form zu bringen, daß der Abfall ohne Gefahr für die Umgebung oder deren Bewohner
transportiert werden kann und unter solchen Bedingungen gelagert werden kann, daß
man mit vorausgesehenen und nicht voraussehbaren Änderungen fertig werden kann.
Die Techniken zum Einverleiben von Abfall in Glas sind bekannt und Kenntnisse und
Erfahrungen in der Weiterverarbeitung zu Fasern und Seilen können vorausgesetzt
werden. Das Verfahren ist so anpaßbar, daß wertvolle Isotope aus dem Seil wiedergewonnen
werden können und nach Wunsch die von den Abfallprodukten während der Lagerung entwickelte
Wärme ausgenützt werden kann.
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Gegenüber dem beschriebenen und dargestellten Ausführungsbeispiel
sind im Rahmen der Erfindung gewisse Abänderungen in der Ausübung des Verfahrens,
in dem beschriebenen Produrst und in den dargelegten Konstruktionen möglich.
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