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In der Endstufe der Behandlung schwach radioaktiver
Abfälle (LLW), die in Kernkraftwerken anfallen, geht man im
allgemeinen so vor, dass die Abfälle in feste Formkörper
überführt werden, die dann in ein Zwischenlager zur
vorläufigen Aufbewahrung gebracht werden, oder aber unmittelbar
in ein Endlager. Die Verfestigung ist der wichtigste
Schritt im Behandlungsverfahren, da sie den Abfällen eine
chemische und physikalische Langzeit-Stabilität sowie eine
hohe Festigkeit verleiht, um einen Transport und die
Handhabung zu erleichtern. Da das Verfestigungsverfahren das
Volumen der verfestigten Abfälle bestimmt, während die
Kosten der Endlagerung vor allem durch das Volumen der
Abfall-Formkörper gegeben sind, bestimmen sich wiederum die
Gesamtkosten der Abfallbeseitigung durch die
Volumeneffizienz der Verfestigung.
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Zur Zeit sind die am meisten benutzten
Verfestigungsverfahren für LLW drei Techniken, nämlich
Zementverfestigung, Kunststoffverfestigung und Bitumenverfestigung, wobei
jedes dieser drei Verfahren seine eigenen Vorteile und
Nachteile aufweist. Im allgemeinen besitzen die
Zementformkörper ausgezeichnete Langzeitstabilität; die
Verfestigung mit Zement zeigt aber nur eine geringe
Volumeneffizienz. Andererseits bleibt die Langzeitstabilität der
Kunststoffverfestigung zweifelhaft, während die Volumeneffizienz
dieser Verfestigungstechnik hoch ist und Kunststoff-
Formkörper eine hohe Festigkeit aufweisen. Auch bei der
Bitumen-Verfestigungstechnik ist die Volumeneffizienz hoch,
aber die Festigkeit der Bitumen-Abfallformkörper ist gering
und die Formkörper sind brennbar.
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Die üblichen Verfestigungsverfahren sind daher von
einer Perfektion weit entfernt und müssen in vielen Punkten
verbessert werden. Wenn man die Art dieser
Verfestigungsverfahren beurteilt, stellt die Langzeitstabilität der
Zementverfestigung in den Augen der Öffentlichkeit einen sehr
wichtigen Sicherheitsfaktor dar in Anbetracht der Tatsache,
dass eine Lagerung über mehrere Jahrhunderte erforderlich
ist. Daher ist es ein sehr eiliges Anliegen, die
Volumeneffizienz des Zementverfestigungs-Verfahrens zwecks
Verminderung der Gesamtkosten der Behandlung von LLW zu
verbessern.
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Es ist demgemäss die Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer härtbaren
Aufschlämmung zu schaffen, bei dem das verwendete
Verfestigungsmittel ein anorganisches Pulver auf Zementbasis ist,
wobei der verfestigte Abfall-Formkörper eine
Lanzzeitstabilität aufweist. Die härtbare Aufschlämmung kann zur
Verfestigung verschiedener radioaktiver und nicht-radioaktiver
Abfälle in jeder beliebigen Form verwendet werden, wobei
die Volumeneffizienz der Verfestigung je nach Abfallart 2,5
bis 10 mal höher sein kann als bei der üblichen
Zementverfestigungstechnik.
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Bei der Abfallverfestigung mit Zement wird der bei der
Hydratation des Zementes gebildete Monolith zum Verpacken
und Vergraben der Abfälle benutzt. Die Bestandteile eines
Zements bestehen, wenn man den bekannten Portlandzement als
Beispiel nimmt, zur Hauptsache aus Tricalciumsilikat
(3CaO.SiO&sub2;, abgekürzt C&sub3;S), Dicalciumsilikat (2CaO.SiO&sub2;)
abgekürzt C&sub2;S), Tricalciumaluminat (4CaO.Al&sub2;O&sub3;.Fe&sub2;O&sub3;,
abgekürzt C&sub4;AF) nebst geringen gengen an Magnesiumoxid,
Titanoxid, Natriumoxid und Eisenoxid. Die Verfestigung von
Zement wird im wesentlichen durch eine Hydratation der oben
genannten Hauptbestandteile erreicht, wobei folgende
Reaktionen im Spiel sind:
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2 C&sub3;S + 6 H&sub2;O = 3CaO 2SiO&sub2; 3H&sub2;O + 3 Ca(OH)&sub2; (1)
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2 C&sub2;S + 4 H&sub2;O = 3CaO 2SiO&sub2; 3H&sub2;O + Ca (OH)&sub2; (2)
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C&sub3;A + 12 H&sub2;O + Ca(OH)&sub2; = 3CaO Al&sub2;O&sub3; Ca(OH)&sub2; 12H&sub2;O (3)
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C&sub4;AF + 10 H&sub2;O + 2Ca(OH)&sub2; = 6CaO Al&sub2;O&sub3; Fe&sub2;O&sub3; 12H&sub2;O (4)
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Gleichung (1), die Hydratationsreaktion von C&sub3;S, ist
die schnellste der oben dargelegten vier Arten der
Hydratationsreaktionen und hat daher die früheste
Erhärtungswirkung, bei der die Freisetzung von Hydratationswärme ganz
offensichtlich ist. Die Gleichung (2) beschreibt die
Hydratationsreaktion von C&sub2;S, bei der die Geschwindigkeit
kleiner ist und die Härte nach und nach steigt. Die in den
zwei Reaktionen (1) und (2) erzeugten Kolloide
3CaO 2SiO&sub2; 3H&sub2;O besitzen eine Zementierungswirkung, welche
in der Lage ist, andere Teilchen zu verfestigen. Die
Gleichungen (3) und (4) stellen die Hydratationsreaktionen von
C&sub3;A bzw. C&sub3;AF dar, wobei das in den Reaktionen benötigte
Calciumhydroxid von den Hydratationsreaktionen der
Gleichungen (1) und (2) erzeugt wird.
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Wenn zur Verfestigung der flüssigen Boratabfälle, die
beim Betrieb von PWR-Kernkraftwerken anfallen, Zement
verwendet wird, so neutralisiert man im allgemeinen die
flüssigen Abfälle zunächst mit NaOH auf einen pH-Wert von 7 bis
11 und konzentriert sie dann zu einer Lösung, die 20'000
bis 40'000 ppm Bor enthalten. Zu dieser Lösung wird Zement
gegeben und eingemischt, so dass eine Verfestigung
stattfinden kann.
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In Gegenwart von Borat bilden die Bestandteile des
Calciumoxids, die aus den Zementteilchen herausgelöst
werden, mit dem Borat einen Kristallfilm aus Calciumborat
(CaO B&sub2;O&sub3; nH&sub2;O). Dieser Kristallfilm bildet eine Schicht
auf der Oberfläche der Zementteilchen und verhindert eine
Herauslösung der Zementbestandteile, wodurch die
Hydratation des Zements verzögert wird, und die Härtungswirkung des
Zements wird beendet. Aus diesem Grund wird, wenn Zement
zur Verfestigung von flüssigen Boratabfällen verwendet
wird, im allgemeinen Kalk zugegeben, der zuerst mit Borat
reagiert, um die Bildung des Kristallfilms aus Calciumborat
auf der Oberfläche der Zementteilchen hintanzuhalten.
Obschon dieses Verfahren die Hindernisse bei der oben
genannten Verfestigungsreaktion abschwächt, beseitigt es diese
aber nicht vollständig, und die Härtungszeit, die zur
Verfestigung von Boratabfällen erforderlich ist, beträgt immer
noch das Mehrfache derjenigen bei der Verfestigung anderer
Abfälle. Ausserdem hat dieses Verfahren noch andere
Nachteile, nämlich: (1) im verfestigten Formkörper übersteigt
das Gewicht der Borsäure nicht 10 %; beispielsweise ergibt
die Verfestigung von 1 m³ einer 12 %igen Borat-Abfallösung
einen festen Formkörper mit einem Volumen von etwa 2 m³;
und (2) vermindert die Zugabe von Kalk die Volumeneffizienz
der Verfestigung, weil dadurch das Volumen ansteigt.
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Ein anderes modifiziertes Verfahren zur Verfestigung
flüssiger Boratabfälle mit Zement ist von der japanischen
Firma Japan Gasoline Co. und der französischen Firma SGN
Company gemeinsam entwickelt worden. Nach diesem Verfahren
wird die erforderliche Menge an gelöschtem Kalk am Anfang
einer Borat-Abfallösung zugegeben und die Lösung bei 40 bis
60 ºC stundenlang (10 Std.) gerührt, bis die Borate in
unlösliches Calciumborat umgewandelt sind. Die so erhaltene
Aufschlämmung wird filtriert, und das Filtrat wird nach
Eindampfen und Aufkonzentrieren mit dem obigen Filterkuchen
und mit Zement zur Verfestigung vermischt. Dieses
Verfahren vermeidet demgemäss die vorstehend erwähnte Verzögerung
der Verfestigung, welche auf der Bildung eines kristallinen
Calciumboratüberzuges auf den Zementteilchen beruht, und
ergibt eine hohe Volumeneffizienz der Verfestigung; die
Behandlung von 1 m3 einer 12 %igen Borat-Abfallösung ergibt
etwa 1/3,5 (1,5?) m³ verfestigte Masse. Das Verfahren hat
jedoch, weil die Arbeitsweise und die zur Ausführung
benötigten Vorrichtungen kompliziert sind, den Nachteil, dass
die Kosten für Investitionen und Betrieb diejenigen des
üblichen Verfestigungsverfahrens mit Zement weit übersteigen.
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Das Dokument CH-A-638'921 beschreibt ein Verfahren,
bei dem eine Abfallösung, welche Borsäure enthält,
angesäuert, zur Ausfällung von Borsäure aufkonzentriert und dann
getrocknet wird. Bei diesem Verfahren wird zusätzlich Sand
in ziemlich grossen Mengen zugefügt, wodurch die
Volumeneffizienz des Verfestigungsverfahrens drastisch zurückgeht.
Weiterhin wird die Borsäure nicht als Borat gelöst, so dass
die Gefahr besteht, dass aus den festen Formkörpern, wenn
sie mit Wasser in Berührung kommen, Borsäure ausgelaugt
wird und der Festkörper in Stücke zerbricht.
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Nach dem in der Druckschrift FR-A-2'423'055
offenbarten Verfahren wird eine verdünnte Borsäurelösung mit Kalk
oder Baryterde zwecks Fällung des entsprechenden
unlöslichen Borats behandelt, welches dann mit Hilfe eines
Alkalimetasilikats wieder suspendiert wird. Die Zugabe von
Hilfsstoffen vermindert jedoch die Volumeneffizienz der
Verfestigung, und jede chemische Vorbehandlung der Abfälle
schadet der Wirtschaftlichkeit des Verfahrens bezüglich
Kosten, Zeit und Investitionskapital.
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Um die Probleme zu lösen, die bei der Verfestigung von
Borat-Abfallösungen auftreten, schlägt die vorliegende Er-
findung als Zusammensetzung eine härtbare Aufschlämmung
gemäss Anspruch 1 und ein Verfahren gemäss Anspruch 5 vor.
Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen
Ansprüchen niedergelegt.
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Die Erfindung löst die folgenden Aufgaben: (1) die
Verwendung billiger anorganischer Verfestigungsmittel zur
Verfestigung; (2) eine hohe Volumeneffizienz; (3)
einfache Apparaturen; und (5) Herstellung fester Abfall-
Formkörper, die die Anforderungen an die Qualität erfüllen.
Nach zahlreichen Anläufen und Versuchen wurde schliesslich
durch die vorliegende Erfindung erreicht, ein Verfahren zur
Herstellung einer härtbaren Aufschlämmung ausschliesslich
unter Einsatz anorganischer Chemikalien und eines Pulvers
auf Basis Zement (nachstehend abgekürzt als "Zementpulver"
bezeichnet) zu entwickeln, welches nicht nur zur
Verfestigung flüssiger Boratabfälle, sondern auch zur Verfestigung
gewöhnlicher nicht-radioaktiver trockener und nasser
Abfälle brauchbar ist und dabei die obigen fünf Aufgaben löst.
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Oben wurde bereits beschrieben, dass sich eine harte,
kristalline Schicht aus CaO B&sub2;O&sub3; nH&sub2;O auf der Oberfläche
von Zementteilchen bildet, wenn Borat in der
Zementaufschlämmung anwesend ist. Dieser 0berzug verhindert
ebenfalls die Härtungswirkung des Zements. Die vorliegende
Erfindung stellt einen Durchbruch bei der Entwicklung dar und
hat die Erscheinung der Bildung des kristallinen Films
zweckgerichtet ausgenutzt.
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Im Zuge dieses bahnbrechenden Konzeptes wird die
Bildung eines harten Kristalls überall, nicht nur auf den
Oberflächen der Zementteilchen, angestrebt und gefördert;
das heisst, dass sich der harte Kristall als Teil der
Grundstruktur der verfestigten Substanzen und nicht nur als
oberflächlicher Film bilden soll. In zahlreichen Versuchen
wurde nun gefunden, dass sich diese Ziele unter der
Bedingung einer hohen Boratkonzentration und einem hohen
Gewichtsverhältnis von Borat zu Zement erreichen lassen.
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Es wurde gefunden, dass eine hochkonzentrierte Borat
lösung eine schnelle und exotherme Reaktion mit dem
Zementpulver eingeht und sich die Mischung unter Bildung eines
festen kristallinen Körpers verfestigt. Wenn die
Gewichtsprozente des Borats einen bestimmten Wert erreicht haben,
ist der Mechanismus der Verfestigung von demjenigen der
üblichen Zementverfestigung vollständig verschieden; die
festen kristallinen Körper, die sich bei der Umsetzung
bilden, bedecken nicht nur die Oberflächen der
Zementgranulate, sondern bilden eine harte Grundstruktur des Körpers.
Die Bildung einer solchen festen Grundstruktur ist nur dann
möglich, wenn eine hochkonzentrierte Boratlösung verwendet
wird. Die Boratkonzentration sollte mindestens 50 Gew.-%
und bevorzugt mehr als 60 Gew.-% betragen.
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Borat weist eine ziemlich niedrige Löslichkeit in
Wasser auf; um eine höhere Boratkonzenlration zu erhalten, ist
es nötig, das Molverhältnis von Natrium zu Bor in der
Boratlösung geeignet einzustellen. Im allgemeinen wird ein
Molverhältnis von Natrium zu Bor in der Lösung im Bereich
von 0,15 bis 0,55 bevorzugt, insbesondere im Bereich von
0,29 bis 0,32. Unter geeigneten Bedingungen kann die Kon
zentration mehr als 70 Gew.-% betragen, und es tritt bei 40
ºC immer noch keine Kristallisation auf. Es ist ebenfalls
möglich, die Verfestigung mit einer übersättigten Lösung
auszuführen, welche Borsäure- oder Boratkristalle enthält.
Allerdings ist zu beachten, dass andere Schwierigkeiten
auftreten können, beispielsweise Probleme mit verstopften
Leitungen und ungleichförmiger Dispersion der Borsäure- und
Boratkristalle.
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Wegen der ziemlich schnellen Härtungsreaktion wird
daher bevorzugt, eine Rührvorrichtung zu benutzen, die nicht
nur eine hohe Umdrehungsgeschwindigkeit aufweist, sondern
auch eine gute Dispergierung des Zementpulvers
gewährleistet, so dass sich nicht zum Teil Granulate bilden können,
die einen höheren Zementgehalt haben, wodurch die
Homogenität und Festigkeit der verfestigten Formkörper auf Grund
falscher Dispergierung der Zementpulver negativ beeinflusst
werden könnte.
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Obwohl erfindungsgemäss eine hochkonzentrierte
Boratlösung verwendet wird, bildet das Borat nach korrekter
Vermischung mit dem Zementpulver trotzdem eine Aufschlämmung
mit sehr gutem Fliessverhalten. Diese Aufschlämmung lässt
sich vor der Härtung gut rühren und leicht vergiessen und
verarbeiten. Versuche haben gezeigt, dass die Verwendung
hoher Boratkonzentrationen von Vorteil bezüglich der
Festigkeit der gebildeten Formkörper ist, und daher braucht
der Anteil an Wasser nicht höher zu sein als derjenige, der
einen Uberstand ergibt. Wenn keine Schwierigkeiten beim
Rühren und Vermischen auftreten, braucht kein zusätzliches
Wasser zum Wassergehalt der Borat-Abfallösung zugegeben
werden.
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Die experimentellen Ergebnisse zeigen weiter, dass bei
Anwesenheit eines Überstandes an Wasser die verfestigten
Formkörper, die man dann erhält, eine nur unbefriedigende
Qualität aufweisen. Die korrekt gemischte Aufschlämmung
verliert ihre Fliessfähigkeit in etwa 10 bis 30 Minuten und
härtet unter Bildung fester Formkörper je nach
Zusammensetzung: Je höher der Anteil des Zements in der Aufschlämmung,
desto eher tritt die Härtung ein. Wenn man Portlandzement
als Beispiel nimmt, so sollte das Gewichtsverhältnis von
Zement zu Borat zwischen 0,2 und 1,2, vorzugsweise zwischen
0,4 und 0,7 liegen. Wenn das Verhältnis zu niedrig ist,
wird die Aufschlämmung nicht härten; wenn es jedoch zu hoch
ist, wird eine sehr schnelle Härtung beobachtet. Dann wird
die Verarbeitung sehr schwierig und die Qualität der
verfestigten Abfall-Formkörper lässt zu wünschen übrig. Ausser
Portlandzement können auch andere Arten von Pulvern auf
Zementbasis oder Zement-Austauschstoffe wie Hochofenschlacke,
Flugasche oder deren Gemische verwendet werden.
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Zusätzlich zu Zementpulvern können Additive, die die
Qualität der erfindungsgemäss erhaltenen verfestigten
Formkörper verbessern, ebenfalls zugesetzt werden. Kieselerde,
Magnesiumoxid und Gips sind sehr gute Zusatzstoffe. Wenn
man zum Beispiel den Zusatz von Kieselerde betrachtet, so
beobachtet man, wenn Kieselsäure am Anfang zur Boratlösung
gegeben wird und die Zugabe des Zementpulvers nach der
Einarbeitung der Kieselerde erfolgt, dass die Mischung beim
Härten nur noch wenig Wärme entwickelt. Daher kann die
Härtung verzögert werden, was den Mischvorgang vorteilhaft
beeinflusst. Ausserdem konnte gezeigt werden, dass ein
Zusatz an geeigneten Mengen von Kieselerde den verfestigten
Abfall-Formkörpern eine höhere Kompressionsfestigkeit und
Wassertauchbeständigkeit verleiht. Kieselsäure kann in
Mengen zugegeben werden, die diejenigen des Zementpulvers
übersteigen und bis zum 1,5-fachen des Zementgewichtes
betragen können, vorzugsweise das 0,9- bis 1,1-fache.
Weiterhin kann bei Zugabe von Kieselsäure die Menge an Zement
reduziert werden.
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Da die Verfestigung gemäss der vorliegenden Erfindung
rasch vor sich geht, ist es sehr vorteilhaft, wenn man die
Verfestigung durch Vermischen in einer Trommel vornimmt.
Um Schwierigkeiten bei der Reinigung des Rührers zu
vermeiden, kann man sogar einen verlorenen Rührer vorsehen, der
nach Beendigung der Mischarbeit im verfestigten Abfall-
Formkörper verbleibt.
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Die Festigkeit des verfestigten Abfall-Formkörpers
gemäss vorliegender Erfindung kann durch Zugabe von
verschiedenen faserigen Verstärkungsmaterialien erhöht werden,
beispielsweise Graphitfasern, Glasfasern, Stahifasern und
anderen Arten von Verstärkungsfasern. Zusätzlich zu ihrer
Verstärkungsfunktion in der Struktur bewirken solche
Faserverstärkungsmaterialien eine verbesserte Dispergierung des
Zementpulvers, beschleunigen die Vervollständigung der
Verfestigung, verbessern die Homogenität der festen
Bestandteile und erhöhen die Festigkeit der verfestigten Abfall-
Formkörper, wenn man sie vor dem Zementpulver in die
Boratlösung gibt.
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Die härtbare Aufschlämmung der vorliegenden Erfindung
ist zusätzlich zur Verwendung zwecks Verfestigung einer
Borat-Abfallösung ebenfalls als Verfestigungsmittel für
andere Abfälle brauchbar Bei einer solchen Verwendung wird
eine härtbare Aufschlämmung wie oben beschrieben aus
Natriumborat, Zementpulver und Additiv hergestellt. Die zu
verfestigenden schlammförmigen oder flüssigen Abfälle werden
dann mit der Aufschlämmung vermischt, und man erhält
verfestigte Abfall-Formkörper nach Verfestigung der
Aufschlämmung. Alternativ können die schlammigen oder flüssigen
Abfälle auch erst konzentriert, getrocknet und pelletisiert
werden. Die erhaltenen Pellets werden dann in die härtbare
Aufschlämmung eingebracht und darin eingegraben, und bei
der Härtung entstehen feste Abfall-Formkörper mit darin
eingebetteten Abfall-Pellets. Da die härtbare
Aufschlämmung eine sehr niedrige Viskosität besitzt, kann zur
Handhabung und zum Einbetten der Abfall-Pellets eine beliebige
Arbeitsweise angewandt werden, wobei entweder die Abfall-
Pellets in die Aufschlämmung eingebracht werden oder die
Aufschlämmung in ein Fass mit den Abfall-Pellets
eingegossen wird.
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Das erfindungsgemässe Verfestigungsverfahren ist zur
Anwendung auf die Verfestigung beliebiger Abfälle geeignet,
welche die Härtung der Aufschlämmung nicht verhindern,
beispielsweise zur Verfestigung von LLW, die in BWR-
Kernkraftwerken anfallen, wie Natriumsulfat-Abfallösung,
Abfallschlämme, welche Harzpulver enthalten, Ofenklinker
oder Asche aus dem Verbrennungsofen sowie andere,
nichtradioaktive Industrieabfälle. Der so erhaltene verfestigte
Abfall-Formkörper besitzt eine Qualität, die weitaus besser
ist als diejenige der Akzeptanzkriterien für verfestigte
schwach radioaktive Abfälle, aufgestellt von der US-
Atomaufsichtskommission (U.S. Nuclear Regulatory
Commission), wie in Tabelle 1 gezeigt, und eine besonders hohe
Volumeneffizienz bei der Verfestigung. Wenn das Verfahren
beispielsweise zur Verfestigung von LLW (Borsäureabfällen)
verwendet wird, kann das Gewicht der Borate im verfestigten
Abfall-Formkörper während der Verfestigung einer Borat-
Abfallösung bis zu etwa 60 % betragen; bei der Verfestigung
von Natriumsulfatabfällen kann der Prozentsatz an
Natriumsulfat ebenfalls 60 Gew.-% erreichen, und bei der
Verfestigung von Harzpulver erreicht er 15 Gew.-%. Die
Volumeneffizienz, verglichen mit der üblichen Zement-Verfestigung,
beträgt ungefähr das Acht-, Zehn- bzw. Zweieinhalbfache der
letzteren, und die Erfindung hat demgemäss einen hohen in
dustriell nutzbaren Wert.
Tabelle 1. Qualitätsspezifikation für feste, schwach radioaktive Abfallformkörper
gemäss Qualitätskriterien der U.S. Nuclear Regulatory Commision
(Kernenergie-Aufsichtsbehörde):
Testpunkt
Druckfestigkeit
Druckfestigkeit nach Bestrahlung
Auslaugungsindex nach und vor Bestrahlung
Druckfestigkeit nach 90 Tagen unter Wasser
Druckfetigkeit nach Wärmetest, 30 Cyclen
Testverfahren
Kriterium genügender Qualität
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Die folgenden Beispiele sollen die Erfindung
erläutern, sie aber nicht einschränken.
Beispiel 1: Verfestigung von Boratlösungen
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1305 g Borsäure wurden in ein Becherglas gegeben, das
540 g Wasser enthielt, und die Borsäure wurde im Wasser
unter Rühren dispergiert. Sodann wurden 255 g NaOH langsam
in das Becherglas gegeben, und die Borsäure wurde durch
Umsetzung mit dem gelösten Natriumhydroxid in Natriumborat
unter Auflösung umgewandelt. Die erhaltene klare Lösung
war eine solche mit einem Molverhältnis von Natrium zu Bor
von 0,3, einem pH von etwa 7,1, und mit einem Gehalt von 62
Gew.-% Borat.
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Diese Lösung wurde auf 40 ºC abgekühlt und in einen
5 l fassenden Zementmischer gegossen, und unter Rühren
wurden langsam 900 g eines Pulvers auf Zementbasis zugegeben,
nämlich STA der Taiwan Cement Corp., enthaltend 24 % SiO&sub2;,
8 % Al&sub2;O&sub3;, 54 % CaO, 2 % Fe&sub2;O&sub3;, 2,5 % MgO und 6,5 % SO&sub3;,
und es wurde bis zur homogenen Dispergierung der Pulver
weitergerührt. Die hach dem ausreichenden Vermischen
erhaltene Aufschlämmung wurde dann in eine Polyethylenform
vergossen, welche zylindrische Proben mit einem Durchmesser
von 5 cm und einer Höhe von 10 cm lieferte. Beim
Vermischen zeigte die Aufschlämmung eine schwache
Temperaturerhöhung, sie war beim Eingiessen in die Formen frei
fliessend. Jedoch erhärtete diese Aufschlämmung unter Bildung
eines monolithischen Formkörpers innerhalb von etwa 10
Minuten.
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Nach der geschilderten Arbeitsweise wurden insgesamt
20 feste Proben hergestellt. Die Proben wurden
stehengelassen, und nach 14, 30 und 90 Tagen nach dem Vergiessen in
die Formen wurden jeweils fünf Proben als eine Gruppe
zwecks Untersuchung weggenommen.
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Die erhaltenen Ergebnisse zeigen, dass die mittlere
Druckfestigkeit der Proben der Gruppen 48,86, 55,91 bzw.
62,49 kg/cm² betrug bei einem spezifischen Gewicht der
Proben von 1,7 kg/dm³.
Beispiel 2
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Das Versuchsverfahren von Beispiel 1 wurde wiederholt,
wobei aber anstelle von Zement STA ein Portlandzement Typ
II verwendet wurde. Die erhaltenen Ergebnisse zeigen, dass
die Druckfestigkeit der Probe nach 14, 30 und 90 Tagen
54,28, 70,19 bzw. 76,07 kg/cm² betrug.
Beispiel 3
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Das Versuchsverfahren von Beispiel 1 wurde wiederholt,
wobei zunächst aber SiO&sub2;-Pulver und/oder
Graphitstapelfasern (Herkules 1900/AS) als zusätzliche Komponente im
Beispiel vor der Zugabe der Zementpulver eingebracht wurden.
Die Mischung wurde 5 Minuten gerührt und das Zementpulver
dann zugegeben. Proben der so erhaltenen Formkörper wurden
14 oder 30 Tage aufbewahrt und dann untersucht. Die
Ergebnisse der Untersuchungen und Einzelheiten der
Verfestigungsversuche sind in Tabelle 2 zusammengefasst. Die
Ergebnisse zeigen, dass SiO&sub2; und Graphitfasern die Formkörper
sichtlich verstärken; die Qualität sämtlicher untersuchter
Testproben übertraf bei weitem die Akzeptanz-Kriterien
bezüglich Qualität verfestigter schwach radioaktiver Abfälle
gemäss den Vorschriften der USA-Atombehörde NRC.
Tabelle 2 Herstellungsverhältnisse und Ergebniskennzeichen in Verfestigungsversuchen an
simulierten flüssigen Boratabfällen
Komponenten-Gewichtsteile
Druckfestigkeit
Auslaugeindex
Borsäure
Zementpulver
Wasser
Aerosil
C-Fasern
Anfang (Härtungszeit in Tagen
Nach Bestrahlung
Nach 90 Tagen unter Wasser
Nach Wär-metest bis Cyclen
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Bemerkung: a) = Aerosil = Rauchkieselsäure; b) = Kohlenstoffasern
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1. STA ist Zementpulver mit einer Zusammensetzung nach Beispiel 1. PL-II ist
normaler Portlandzement II
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2. Die Bewertung geschah nach der Testmethode gemäss US NRC Technical Position on
Waste Form (Revision 1), Januar 1991
Beispiel 4
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Versuche ähnlich denjenigen des Beispiels 1 wurden
wiederholt, wobei jedoch Natriumsulfat-Pulver unmittelbar
nach den Zementpulvern zugegeben und gleichförmig verteilt
wurde; man erhielt eine Aufschlämmung. Die Vermischung
wurde bis zur Gleichförmigkeit fortgesetzt, und die
Aufschlämmung wurde dann in Formen gegossen; man erhielt feste
Formkörper mit einem Durchmesser von 5 cm und einer Höhe
von 10 cm. Die Versuche zeigen die Verfestigung von Na&sub2;SO&sub4;
mit einer härtbaren Aufschlämmung aus Borat und
Zementpulver. Die Anteile der Bestandteile bei den Versuchen und
die Druckfestigkeit der Formkörper sind in Tabelle 3
zusammengestellt.
Tabelle 3 Anteile der Bestandteile bei
Verfestigungsversuchen von Na&sub2;SO&sub4;
Zementpulver
Druckfestigkeit
Härtungszeit Tage
Beispiel 5
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Versuche ähnlich denjenigen des Beispiels 4 wurden
wiederholt, wobei aber bei der Herstellung eine
Kraftwerkschlecke aus einem Verbrennungsofen der Taiwan Power
Corporation anstelle der Natriumsulfatpulver eingebracht wurde.
Die Versuche bewiesen die Verfestigung von
Verbrennungsschlacken
mittels der aus Borat und zementartigem Pulver
hergestellten härtbaren Aufschlämmung. Die Anteile der
Komponenten bei den Versuchen sowie die Ergebnisse der
Untersuchungen sind in Tabelle 4 gezeigt.
Tabelle 4 Anteile der Bestandteile bei
Verfestigungsversuchen und Testergebnisse
Zementpulver
Schlacke
Druckfestigkeit
Härtung-zeit Tage
Beispiel 6
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Versuche ähnlich denjenigen des Beispiels 4 wurden
wiederholt, wobei aber getrocknetes, gepulvertes Harz
anstelle von Natriumsulfatpulver eingebracht wurde. Die
Versuche bewiesen die Verfestigung von Harzpulver mittels der
aus Borat und zementartigen Pulver hergestellten härtbaren
Aufschlämmung. Die Anteile der Komponenten bei den
Versuchen sowie die Ergebnisse der Untersuchungen sind in
Tabelle 5 gezeigt.
Tabelle 5 Anteile der Bestandteile bei
Verfestigungsversuchen und Testergebnisse
Zementpulver
getrocknetes Harzpulver
Druckfestigkeit
Härtungszeit Tage