DE4000383C1 - Confining hydrogen explosion in container of radioactive waste - by storing container in borehole of geological salt formation and surrounding with salt chippings to form flame barrier - Google Patents
Confining hydrogen explosion in container of radioactive waste - by storing container in borehole of geological salt formation and surrounding with salt chippings to form flame barrierInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Einlagern eines Abfallgebindes in einem Bohrloch innerhalb einer geologischen Salzformation. Das Abfall gebinde wird nach Absenken im Bohrloch mit Salzgrus allseitig umschüttet. Es werden sowohl die Zwischen räume zwischen Abfallgebinde und Bohrlochwand mit Salzgrus ausgefüllt, als auch Boden und Deckel des Abfallgebindes bedeckt.The invention relates to a method for Storage of a waste container in a borehole within a geological salt formation. The waste after lowering in the borehole, it is packed with salt gravel poured all around. Both the intermediate spaces between the waste container and the borehole wall Filled with salt greens as well as the bottom and lid of the Waste container covered.
Für Abfallgebinde, die radioaktiven Abfall enthalten, der Nachzerfallswärme entwickelt, sind zur Endlagerung Salzstöcke vorgesehen, die über lange Zeiträume hinweg stabile geologische Formationen bilden, vgl. hierzu Kernforschungsanlage Jülich, "MAW-HTR-BE-Versuchsein lagerung in Bohrlöchern", 1. Statusbericht, Jül-Conv.-60, Juli 1987. In den Salzstöcken werden die wärmeentwickelnden Abfallgebinde in unverrohrte Bohrlöcher eingebracht, vgl. DE-PS 27 54 269. Zur Selbstabdichtung der Lagerstätten ist es aus DE-OS 34 38 127 bekannt, Abfallbehälter allseits mit Salzgrus zu umgeben.For waste containers that contain radioactive waste, the decay heat developed are for final storage Salt domes provided for long periods of time form stable geological formations, cf. For this Nuclear research facility Jülich, "MAW-HTR-BE tests storage in boreholes ", 1st status report, Jül-Conv.-60, July 1987. In the salt domes the heat-generating waste containers in uncased Drilled holes introduced, cf. DE-PS 27 54 269. Zur Self-sealing of the deposits is from DE-OS 34 38 127 known, rubbish bins with salt grit on all sides to surround.
Während der Beladungsphase eines Bohrlochs, das etwa 300-600 m tief in die verschiebesichere geologische Salzformationen gebohrt ist, ist nicht auszuschließen, daß aus den eingebrachten Abfallgebinden Gase in die Atmosphäre des Bohrloches freigesetzt werden. During the loading phase of a well that is about 300-600 m deep in the sliding geological Salt formation is drilled cannot be excluded that gases from the waste containers brought into the Atmosphere of the borehole are released.
Der überwiegende Teil der austretenden Gase besteht aus Wasserstoff, der durch Radiolyse des freien Wassers in der Zementmatrix im Abfallgebinde entsteht, in der die radioaktiven Abfälle gebunden sind.The majority of the escaping gases exist from hydrogen obtained by radiolysis of free water in the cement matrix in the waste container in which the radioactive waste is bound.
Aus Sicherheitsgründen ist dafür Sorge zu tragen, daß wegen des freigesetzten Wasserstoffs über den gesamten Bohrlochbereich keine Wasserstoffexplosion verursacht wird. Im unverfüllten Teil des Bohrloches kann die sich ausbildende Atmosphäre kontrolliert werden. Es ist sicherzustellen, daß die Wasserstoffkonzentration in der Atmosphäre unterhalb einer Konzentration bleibt, die an der Zündgrenze des Wasserstoff und Sauerstoff enthaltenden Gasgemisches liegt. Dies wird durch Spülen und Absaugen der Atmosphäre im unverfüllten Teil des Bohrlochs erreicht.For security reasons, care must be taken that because of the hydrogen released over the whole Borehole area does not cause hydrogen explosion becomes. In the unfilled part of the borehole, the developing atmosphere are controlled. It ensure that the hydrogen concentration remains below a concentration in the atmosphere, those at the ignition limit of hydrogen and oxygen containing gas mixture. This is through Flushing and vacuuming the atmosphere in the unfilled Part of the borehole reached.
Im unteren, bereits mit Abfallgebinden beladenen Bereich des Bohrloches läßt sich die H2-Konzentration jedoch nur schwierig beeinflussen. Dies bedeutet, daß in jedem Falle mit der Möglichkeit gerechnet werden muß, daß zumindest nach einer längeren Zeit (z. B. bei erzwungenen Beladungspausen) Konzentrationsanhäu fungen von H2 auftreten, die Wasserstoffexplosionen verursachen können. Die Explosionen können im Innen raum der Abfallgebinde oder bei Austritt von Wasser stoff aus den Abfallgebinden innerhalb von Hohlräumen in der Salzgrusschüttung auftreten. Kommt es zur Explosion an einer Stelle, kann die Explosion sich über andere Wasserstoff enthaltende Räume in der Salzgrusschicht ausbreiten und schließlich den gesam ten Bohrlochbereich umfassen. Dies muß vermieden werden. However, it is difficult to influence the H 2 concentration in the lower area of the borehole, which is already loaded with waste containers. This means that in any case the possibility must be taken into account that at least after a longer period of time (eg during forced loading breaks) concentrations of H 2 occur which can cause hydrogen explosions. The explosions can occur in the interior of the waste container or, if hydrogen escapes from the waste container, within cavities in the salt gravel fill. If there is an explosion at one point, the explosion can spread to other hydrogen-containing spaces in the salt spruce layer and eventually cover the entire borehole area. This must be avoided.
Aufgabe der Erfindung ist es, im bereits mit Abfallge binden verfüllten Bereich des Bohrlochs ggf. auftre tende Wasserstoffexplosionen so weit wie möglich auf ihren Entstehungsort zu begrenzen und ein Ausbreiten der Explosionen zu verhindern.The object of the invention is in already with Abfallge bind the filled area of the borehole if necessary as far as possible limit their place of origin and spread to prevent the explosions.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung bei einem Verfahren der eingangs genannten Art durch die in Patentanspruch 1 genannten Maßnahmen gelöst. Es hat sich gezeigt, daß sich Wasserstoffexplosionen (bzw. Zündreaktionen oder Verpuffungen) lokal begrenzen lassen, wenn der Hohlraum in der Salzgrusschüttung, in dem die Zündung stattfindet, allseitig von einer Salzgrusschicht bestimmter Dicke umgeben ist. Die Salzgrusschüttung bildet dann eine Flammensperre, die ein Weiterleiten der Explosion verhindert. Es kommt dabei wesentlich auf die Stärke der Salzgrusschüttung an. Dies gilt auch, wenn die Wasserstoffexplosion im Inneren eines Abfallgebindes auftritt. Auch hier bildet die das Abfallgebinde umgebende Salzgrusschüt tung eine Flammensperre, wenn sie eine Mindeststärke aufweist. Die für den gegebenen Fall erforderliche Stärke der Salzgrusschüttung wird experimentell er mittelt. Wesentliche Parameter, die die erforderliche Mindeststärke beeinflussen, sind die Kornfraktion des Salzgruses, die Temperatur im Gasgemisch bzw. in der Salzgrusschicht und die H2-Konzentration im Hohlraum, bei der die Wasserstoffexplosion ausgelöst wird.This object is achieved according to the invention in a method of the type mentioned by the measures mentioned in claim 1. It has been shown that hydrogen explosions (or ignition reactions or deflagrations) can be limited locally if the cavity in the bed of salt gravel, in which the ignition takes place, is surrounded on all sides by a layer of salt gravel of a certain thickness. The bed of salt greens then forms a flame arrester that prevents the explosion from passing on. It depends on the strength of the salt greens. This also applies if the hydrogen explosion occurs inside a waste container. Here too, the salt gravel fill surrounding the waste container forms a flame barrier if it has a minimum thickness. The required strength of the salt bunch is determined experimentally. Essential parameters that influence the required minimum strength are the grain fraction of the salt gravel, the temperature in the gas mixture or in the salt gravel layer and the H 2 concentration in the cavity at which the hydrogen explosion is triggered.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es nach Patentanspruch 2 vorgesehen, jedes Abfallgebinde vor dem Absenken eines nächsten Abfallgebindes mit einer eine Flammensperre bildenden Salzgrusschicht zu über decken. Mit dieser Maßnahme ist gewährleistet, daß zwischen jedem Abfallgebinde im Bohrloch eine hohlraum freie Salzgrusschicht gebildet wird durch die hindurch sich ggf. oberhalb oder auch unterhalb der Salzgrus schicht auftretende Explosionen in keinem Fall aus breiten können.In a further embodiment of the invention, it is after Claim 2 provided each waste container before the lowering of a next waste container with a to form a flame arrester salt salty layer cover. This measure ensures that There is a cavity between each waste container in the borehole free salt gravel layer is formed through the if necessary above or below the salt gravel does not eliminate explosions that occur can spread.
Ausführungsbeispiele für die Erfindung sind nachfolgend angegeben:Exemplary embodiments of the invention are as follows specified:
Beim Überschütten von Abfallgebinden, die in ein Bohrloch innerhalb einer geologischen Salzformation abgesenkt wurden, lassen sich inbesondere bei quasi hydrostatischer Lagerung (siehe hierzu die nicht vorveröffentlichte ältere deutsche Patentanmeldung P 39 24 625.6-33) beim Verfüllen der Zwischenräume zwischen Abfallgebinden und Bohrlochwand mit Salzgrus in der Salzgrusschüttung sich bildende Hohlräume nicht vermeiden. Wird zum Umschütten der Abfallgebin de unfraktioniertes Salzhaufwerk mit einem Kornspek trum mit Korngrößen zwischen 0 bis 16 mm verwendet, so ergibt sich bei einer Temperatur von T = 60°C im Gasgemisch im Hohlraum und bei einem Wasserstoff/Luft gemisch mit einem Wasserstoffanteil von 22,5 Vol.-% H2 eine Schichtdicke von h = 150 mm für die Salzgrus schicht, durch die eine in einem Hohlraumvolumen von V = 1,3 l gezündete Wasserstoffexplosion nicht in ein benachbartes Hohlraumvolumen hindurchschlagen kann.When dumping waste containers that have been lowered into a borehole within a geological salt formation, especially with quasi hydrostatic storage (see the unpublished older German patent application P 39 24 625.6-33), the gaps between the waste containers and the borehole wall can be filled with salt grit Do not avoid voids that form in the salt mound. If de-fractionated salt piles with a grain spectrum with grain sizes between 0 and 16 mm are used for the pouring of the waste bundle, the result is at a temperature of T = 60 ° C in the gas mixture in the cavity and in the case of a hydrogen / air mixture with a hydrogen content of 22. 5 vol .-% H 2 a layer thickness of h = 150 mm for the salt gravel through which a hydrogen explosion ignited in a cavity volume of V = 1.3 l cannot penetrate into an adjacent cavity volume.
Empirisch ermittelt wurde diese Schichtdicke h der Salzgrusschüttung mittels einer Apparatur, die in Fig. 1 schematisch dargestellt ist. Der Reaktor für die Untersuchung des Flammendurchschlags besteht aus einer Zündkammer 1 mit veränderlichem Hohlraumvolumen, das mit einem zündfähigen Wasserstoff/Luftgemisch angefüllt werden kann. Im Ausführungsbeispiel lassen sich durch Auswechseln von Rohrsegmenten 2, 2a zwei Hohlraumvolumen V, Va einstellen. Unterhalb der Zünd kammer 1 weist der Reaktor eine Salzgruskammer 3 zur Aufnahme einer Salzgrusschüttung 4 auf, deren Schichtdicke h veränderlich ist. Hierzu ruht die Salzgrusschüttung auf einem höhenverstellbaren Sieb einsatz 5, der in der Salzgruskammer 3 mittels eines in der Salzgruskammer 3 durch ein Haltekreuz 6 geführ ten Dorn 7 verschiebbar gelagert ist. An die Salzgrus kammer 3 schließt sich ein Vakuumbehälter 8 an, der von einer Berstfolie 9 abgegrenzt ist, die unterhalb des Siebbodens 5 angeordnet ist und bei Durchschlag der Wasserstoffexplosion aus der Zündkammer 1 durch die Salzgrusschüttung 4 hindurch reißt. In der Zünd kammer befindet sich zum kontrollierten Zünden des Wasserstoff/Luftgemisches ein Zünder 10. Wasserstoff und Luft strömen über absperrbare, in Fig. 1 schema tisch angedeutete Anschlüsse 11 und 12 in die Zünd kammer 1 bzw. die Salzgruskammer 3 ein. Im Ausführungs beispiel wird Wasserstoff und Luft den für die Aus bildung des Gemisches erforderlichen Teildrücken entsprechend getrennt in die Kammern 1 und 3 einge führt. Zur Homogenisierung des Wasserstoff/Luftgemi sches wird das Gemisch vor jeder Zündung mehrfach mittels einer in Fig. 1 nicht wiedergegebenen exter nen Membranpumpe umgewälzt. Am Vakuumbehälter ist ein ebenfalls absperrbarer Vakuumanschluß 13 angebracht.This layer thickness h of the bed of saline was determined empirically by means of an apparatus which is shown schematically in FIG. 1. The reactor for examining the flame penetration consists of an ignition chamber 1 with a variable cavity volume, which can be filled with an ignitable hydrogen / air mixture. In the exemplary embodiment, two void volumes V, Va can be set by exchanging pipe segments 2 , 2 a. Below the ignition chamber 1 , the reactor has a salt gravel chamber 3 for receiving a salt gravel bed 4 , the layer thickness h is variable. For this purpose, the bed of salt greens rests on a height-adjustable sieve insert 5 which is displaceably mounted in the salt greens chamber 3 by means of a mandrel 7 guided in the salt greens chamber 3 by a holding cross 6 . At the salt breeze chamber 3 , a vacuum container 8 is connected, which is delimited by a bursting film 9 , which is arranged below the sieve plate 5 and tears when the hydrogen explosion breaks through from the ignition chamber 1 through the salt bunch 4 . An igniter 10 is located in the ignition chamber for controlled ignition of the hydrogen / air mixture. Hydrogen and air flow via lockable, in Fig. 1 schematically indicated connections 11 and 12 in the ignition chamber 1 and the salt chamber 3 . In the execution example, hydrogen and air leads to the partial pressures required for the formation of the mixture separately in the chambers 1 and 3 . To homogenize the hydrogen / Luftgemi cal, the mixture is circulated several times before each ignition by means of an external membrane pump not shown in FIG. 1. A likewise lockable vacuum connection 13 is attached to the vacuum container.
Vor jedem Versuch wird, um die Sicherheit der Anlage zu gewährleisten, der Vakuumbehälter 8 über den Vakuum anschluß 13 evakuiert.Before each attempt, in order to ensure the safety of the system, the vacuum container 8 is evacuated via the vacuum connection 13 .
Nach einer Zündung des Gasgemsiches in der Zündkammer 1 sind ein hörbarer Knall sowie eine geplatzte Berstschei be 9 ein sicheres Zeichen für einen Flammendurchschlag durch die Schüttung und einer anschließenden Detonation in der Salzgruskammer 3. Die anderen sich einstellen den Zustände wieAfter ignition of the gas mixture in the ignition chamber 1 , an audible bang and a burst bursting be 9 are a sure sign of a flame through the bed and a subsequent detonation in the salt chamber 3 . The others adjust to the conditions like
- - kein Flammendurchschlag - und- no flame penetration - and
- - Flammendurchschlag + Deflagration -- flame penetration + deflagration -
werden über eine Druckmessung mittels des Unterdruck manometers 14 nach der Zündung bestimmt.are determined via a pressure measurement using the vacuum manometer 14 after the ignition.
Claims (2)
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