EP0057429B1 - Mehrschichtiger Transport- und Lagerbehälter für radioaktive Abfälle - Google Patents

Description

• Gegenstand der Erfindung ist ein mehrschichtiger Transport- und Lagerbehälter zur Langzeitlagerung von radioaktiven Abfällen, insbesondere von abgebrannten Brennelementen, in geeigneten geologischen Formationen, wobei der Behälter aus drei oder mehreren Schichten verschiedener Metalle bzw. Metalllegierungen besteht, die von außen nach innen in der elektrochemischen Spannungsreihe immer edler (positiver) werden.
• Bestrahlte, abgebrannte Brennelemente werden nach einer vorübergehenden Aufbewahrung im Wasserbecken entweder sofort oder nach einer begrenzten weiteren Zwischenlagerung aufgearbeitet. Dabei werden die nuklearen Brenn-und Brutstoffe von den Spaltprodukten abgetrennt und wieder dem Brennstoffkreislauf zugeführt. Die Spaltprodukte werden nach bekannten Verfahren, meist unter Verwendung großer Mengen Wertstoffe, wie z. B. Blei und Kupfer, konditioniert und in geeigneten geologischen Formationen praktisch nicht mehr entnehmbar endgelagert.
• Darüberhinaus wird überlegt (Berichte des Kernforschungszentrums Karlsruhe KFK 2535 und 2650), die bestrahlten Brennelemente in absehbarer zeit nicht aufzuarbeiten, auf die in ihnen vorhandenen Brenn- und Brutstoffe zunächst zu verzichten und die Brennelemente - nach einer angemessenen Abklingzeit in dafür vorgesehene Lagern - gegebenenfalls wieder entnehmbar endzulagern. Die Lagerzeiten können meherere Generationen bis zu mehreren tausend Jahren betragen, wobei sich das Gefährdungspotential des radioaktiven Inventars in dieser zeit, den bekannten physikalischen Gesetzen folgend, entsprechend seiner Zusammensetzung außerordentlich stark verringert.
• Wegen der unbestimmten Lagerdauer werden an derartige, für die Langzeitlagerung geeignete Behälter, die gegenüber bekannten Transport-und Lagerbehälter eine mehrfache Betriebszeit aufweisen müssen, besondere Anforderungen gestellt. Erschwerend kommt hinzu, daß die Behälterlager schwer zugänglich sein müssen und folglich den Überwachungsmöglichkeiten Grenzen gesetzt sind.
• Es sind teilweise sehr aufwendige Konzepte bekannt, die bestrahlten Brennelemente mittels Behältern aus Metall oder Beton in Salz, sand oder in Fels-Kavernen zu lagern.
• Als Verpackung für radioaktive Stoffe und bestrahlte Brennelemente werden Behälter aus Legierten und unlegiert.-n Stählen, aus Kupfer sowie aus Korund vorgeschlagen. Die Behälter aus Stahl sind entweder nicht genügend korrosionsbeständig oder wie solche aus Kupfer sehr teuer. Behälter aus Korund sind grundsätzlich geeignet, jedoch fehlen die für die Herstellung notwendigen ErfahrungeN. Darüberhinaus müßten die Brennelemente zur Verpackung in die aus herstellungsbedingten Gründen kleinen Korundbehälter zerlegt werden, was mit einem erheblichen Aufwand verbunden ist.
• Solche Behälter erfüllen die Bedingungen der Langzeitlagerung, wie dichter Einschluß bei den auftretenden Drucken und Temperaturen, sowie Korrosion gegen Salzlaugen, nur zum Teil, oder sie müssen sehr dickwandig ausgebildet werden. Außerdem eignen sie sich meist nicht gleichzeitig auch als Transportbehälter, so daß unter erheblichem Aufwand eine Umladung der Abfälle vom Transportbehälter in den Endlagerbehälter erfolgen muß.
• Aus der DE-A-2804828 sind Stahlbehälter für die Aufnahme abgebrannter Brennelemente bekannt, auf deren inneren und/oder äußeren oberfläche sich Aluminiumschichten von 0,5 bis 2 mm Stärke befinden. Auch diese Behälter sind für eine Langzeitlagerung nicht genügend korrosionsbeständig.
• Es war daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen mehrschichtigen Transport- und Lagerbehälter zur Langzeitlagerung von radioaktiven Abfällen, insbesondere von abgebrannten Brennelementen, in geeigneten geologischen Formationen zu schaffen, wobei die Schichten aus verschiedenen Metallen bzw. Metallegierungen bestehen, die von außen nach innen in der elektrochemischen Spannungsreihe immer edler werden, der einen dichten Einschluß auf lange Dauer gewährleistet und vor allem korrosionsbeständig gegen Salzlaugen ist, ohne zu teuer und zu schwer zu sein.
• Die Aufgabe wurde erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Behälter mindestens drei Schichten aufweist von denen die äußere Schicht aus Gußeisen, die nächstinnere Schicht aus Nickel oder einer Nickellegierung und die innere Schicht aus Kupfer oder einer Kupferlegierung besteht. Dadurch wird gewährleistet, daß auch bei partiellem korrosivem Durchbruch durch die äußere Schicht die nachstinnere Schicht erst angegriffen werden kann, wenn sich die äußere Schicht volständig aufgelöst hat. Damit wird der Widerstandszeitwert berechenbar, und die Standzeit gegen Korrosion bleibt auch bei unvorhersehbaren Störfällen erhalten.
• Es hat sich gezeigt, daß man bei mehrschichtigen Behältern kostengünstige Metalle zur Erreichung der nötigen Behälterfestigkeit einsetzen kann, wenn man dafür sorgt, daß das Metall der nächstinneren Schicht in der elektrochemischen Spannungsreihe höher steht als das Metall der Außenschicht. Tritt nun beim Außenmantel durch partielle Korrosion der Salzlösung ein Durchbruch auf, wie im Störfall angenommen wird, so beginnt der Korrosionsangriff an dem edleren Innenbehälter nicht sofort, weil aufgrund der elektrochemischen Spannungsreihe sich im Elektrolyt nun ein Potential zwischen beiden Metallen aufbaut, wobei das edlere Metall bzw. Metalllegierung der inneren Schicht zur Kathode wird und das äußere, unedlere Metall anodisch in Lösung geht. Auf diese Weise muß erst das gesamte Metall des Außenmantels in Lösung gehen, bevor die innere schicht angegriffen wird. Bei einer Kombination von beispielsweise drei verschiedenen Schichten ist auch die zeit für die Auflösung des zweiten Mantels kalkulierbar. Aufgrund der Abtragsraten pro zeit und Fläche läßt sich die Standzeit des Außenmantels in einem bestimmten korrosiven Medium ausrechnen, ebenso die Standzeit des zweiten Mantels usw. Durch diese Anordnung ist es möglich, den Außenmantel aus relativ billigem Material, wie Eisengraphitguß herzustellen, um dem Behälter für seine Eignung als Transportbehälter die nötige Steifigkeit für den 9 m Falltest zu geben.
• Der erfindungsgemäße Behälter wird nachstehend anhand der schematischen Abbildung beispielhaft näher erläutert.
• Der erfindungsgemäße Endlagerbehälter besteht aus dem Außenmantel (1) mit aufgeschweißtem oder gefügtem Deckel (5). Als Material wird legierter Eisenguß, vorzugsweise Eisengraphitguß, verwendet. Der in diesem Außenbehälter befindliche erste Innenmantel (2) besteht aus Nickel oder einer Nickellegierung, die in der elektrochemischen Spannungsreihe edler als der Außenmantel (1) ist. Ein zu großer Potentialabstand ist nicht erwünscht, um im Falle der Lokalelementbildung des Inlösunggehen des Außenmantels nicht zu sehr zu beschleunigen. Der zweite innere Behälter (3) muß im Material wieder edler sein als der erste Innenmantel (2). Hier kommen Nickel-Kupfer-Legierungen in Betracht. Der Innenraum (4) wird mit abgebrannten Brennelementen oder hochaktiven Abfall befüllt. Alle drei Behälterschichten sind in sich geschlossen, was beispielsweise durch Verschweißen geschehen kann.
• Bei Korrosionstesten hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die elektrochemischen Potentiale der benachbarten Schichten nicht zu weit auseinander liegen. Vorzugsweise liegen sich nicht mehr als 50 bis 500 mV auseinander. Außerdem ist es möglich, den Behälter noch mit weiteren Auskleidungen in Inneren oder auf der Behälteroberfläche zu versehen, oder einen Innenbehälter aus geeignetem Material einzubringen. So ist es zum Beispiel möglich, einen monolithischen Graphitblock als Innenbehälter einzubringen.
• Die Schichtdicken der Außenschichten liegen im Bereich von 5 bis 20 cm, die der weiteren edleren Schichten im Bereich von 5 bis 50 mm. Als korrosionsbeständige Materialien haben sich vor allem Bronzen, insbesondere zinnreiche, bewährt.
• Bei der erfindungsgemäßen Festlegung der Reihenfolge der Metallschichten sind natürlich Legierungsbestandteile und deren Auswirkungen auf die Potentiale, aber auch auf das Korrosionsverhalten, wie z. B. Spaltkorrosion, zu berücksichtigen.

Claims (2)

1. Mehrschichtiger Transport- und Lagerbehälter zur Langzeitlagerung von radioaktiven Abfällen, insbesondere abgebrannten Brennelementen in geeigneten geologischen Formationen, wobei die Schichten (1, 2, 3) aus verschiedenen Metallen bzw. Metallegierungen bestehen, die von außen nach innen in der elektrochemischen Spannungsreihe immer edler (positiver) werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter mindestens drei Schichten aufweist, von denen die äußere Schicht (1) aus Gußeisen, die nächstinnere Schicht (2) aus Nickel oder einer Nickellegierung und die innere Schicht (3) aus Kupfer oder einer Kupferlegierung besteht.

2. Transport- und Lagerbehälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Unterschied der elektrochemischen Potentiale der benachbarten Metallschichten (1, 2, 3) im Bereich von 50 bis 500 mV liegt.

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