SE505296C2

SE505296C2 - Container for radioactive waste

Info

Publication number: SE505296C2
Application number: SE9103705A
Authority: SE
Inventors: Ragnar Tegman
Original assignee: Inst Verkstadstek Forsk Ivf
Priority date: 1991-12-16
Filing date: 1991-12-16
Publication date: 1997-07-28
Also published as: SE9103705L; SE9103705D0

Abstract

Radioactive waste such as burnt-out fuel elements, processed waste or similar is placed on a container comprising an outer powder-form casing with low permeability for fluid and heat and an inner metallic container with a cover which contains partly the radioactive waste and partly a filling powder in and around the waste. Alternatively, the inner container is filled with a load-bearing structure and waste. The metal container with its contents and cover are brought together to form a tight unit by the whole compound container being subjected to a high pressure on all sides by a fluid via an elastic membrane acting on the relatively cool outer powder casing at the same time as the inner container through heating having a suitably high temp. for sealing.

Description

505 296 Sådana fördelar kan åstadkommas genom att vätska i stället för gas används som tryckmedium vid förtätningen av behållare och avfall och att avfallsbehållaren omges av ett yttre pulverhölje som överför trycket _ till behållare och innehåll. Det är även möjligt att undvika skadlig upphettning av det radioaktiva avfallet vid förtätningen om en inre termisk barriär nyttjas. 505 296 Such advantages can be achieved by using liquid instead of gas as a pressure medium in the densification of containers and waste and that the waste container is surrounded by an outer powder casing which transmits the pressure _ to containers and contents. It is also possible to avoid harmful heating of the radioactive waste during densification if an internal thermal barrier is used.

Nackdelar av att använda gas som tryckmedium vid förtätning omnänms först, därefter beskrivs uppﬁnningen.Disadvantages of using gas as a pressure medium for densification are mentioned first, then the invention is described.

Det finns ett ﬂertal allmänt kända sätt att behandla och förvara radio- aktivt avfall så att spridning till biosfären förhindras. De ledande be- handlingsprinciperna är att koncentrera avfallet och sedan överföra det i sådan form att det motstår urlakning i vatten och har en liten fri utlakningsyta, samt därtill ornsluta avfallet med en eller ﬂera korro- sionsbeständiga barriärer eller en kombination av sådana metoder. Ett sätt att åstadkomma detta är att genom att vid hög temperatur och högt gastryck sammanfoga en blandning av avfall och beständigt material till en massiv kropp se de svenska patenten 404736 och 419008. I ett annat svenskt patent 425707 innesluts utbrända kärnbränslestavar i en be- hållare av koppar genom isostatisk pressning med en upphettad kompri- merad gas samt tryckmedium.There are a number of generally known ways of treating and storing radioactive waste so that spread to the biosphere is prevented. The leading treatment principles are to concentrate the waste and then transfer it in such a form that it resists leaching into water and has a small free leaching surface, and in addition seal the waste with one or ﬂ your corrosion-resistant barriers or a combination of such methods. One way to achieve this is by combining a mixture of waste and durable material into a solid body at high temperature and high gas pressure, see Swedish patents 404736 and 419008. Another Swedish patent 425707 encloses burnt nuclear fuel rods in a container of copper by isostatic pressing with a heated compressed gas and pressure medium.

Gas vid högt tryck, vanligen vid ett tryck 100-200 MPa och i stora mängder används vid isostatisk pressning, innehåller stora energimäng- der och utgör en fara i sig genom att tryckkärl kan explodera och sprida avfall över stora områden. En annan nackdel med gas som tryckmedium är att om avfallsbehållarens hölje har en liten läcka eller att behållar- väggen börjar att läcka vid trycksättning så misslyckas densiﬁeringen av innehållet och ger då en dålig produkt. Särskilt allvarligt blir detta om 3 505 296 materialet är radioaktivt. Vidare kan radioaktiva gaser eller partiklar spridas till utrustningen och gassystem genom sådana läckor vid tryck- utjämningen efter pressningen.Gas at high pressure, usually at a pressure of 100-200 MPa and in large quantities is used in isostatic pressing, contains large amounts of energy and poses a danger in itself as pressure vessels can explode and spread waste over large areas. Another disadvantage of gas as a pressure medium is that if the casing of the waste container has a small leak or that the container wall starts to leak during pressurization, the densification of the contents fails and then gives a bad product. This becomes especially serious if the material is radioactive. Furthermore, radioactive gases or particles can be spread to the equipment and gas systems through such leaks during the pressure equalization after pressing.

Synnerligen allvarliga ur risksynpunkt är sådana behållarläckage, där gas tränger in i behållaren men där gasläckan senare i processen tillslutes. Vid den efterföljande tryckavlastningen efter pressningen och slutlig borttransport kan den nu instängda gasen i behållaren med högt tryck öppna behållaren och blåsa ut radioaktivt material i omgivningen.Particularly serious from a risk point of view are such container leaks, where gas penetrates into the container but where the gas leak is closed later in the process. During the subsequent pressure relief after pressing and final removal, the now trapped gas in the high-pressure container can open the container and blow out radioactive material into the environment.

I det svenska patentet 423655 föreslås sätt att minska risken för den oönskade gasinträngningen vid densifieríng av radioaktivt avfall. Risken för läckage kan dock ej helt elimineras genom att använda sådana multippla gasbarríärer, därtill kvarstår alltid en viss liten risk för allvar- lig tryckkärlsskada och med mycket stora utsläppskonsekvenser som följd.Swedish patent 423655 proposes ways to reduce the risk of unwanted gas penetration when densifying radioactive waste. However, the risk of leakage can not be completely eliminated by using such multiple gas barriers, in addition there is always a certain small risk of serious pressure vessel damage and with very large emission consequences as a result.

Det övergripande målet med den föreslagna uppfinningen är att in- nesluta radioaktivt avfall i en behållare på ett effektivt och säkert sätt och med liten risk för oavsiktliga och farliga utsläpp av aktivitet till omgivningen.The overall object of the proposed invention is to contain radioactive waste in a container in an efficient and safe manner and with little risk of unintentional and dangerous releases of activity to the environment.

Uppﬁnningen avser närmare bestämt ett sätt och behållare för att innesluta radioaktivt avfall från kärnreaktorer eller liknande anlägg- ningar i en korrosionsbeständig metallisk behållare kännetecknad av att avfallet placeras i en behållare, där öppna utrymmen mellan avfalls- delar och utrymnien mellan inre behållarvägg och avfall utfylles med ett lastbärande pulver som gärna får vara korrosionsbeständigt. Behållaren täcks därefter med ett lock av metall. Runt ytterytorna av lock och behållare finns pålindat en tunn elektrisk värmeslinga för uppvärmning.More particularly, the invention relates to a method and container for enclosing radioactive waste from nuclear reactors or similar plants in a corrosion-resistant metallic container, characterized in that the waste is placed in a container, where open spaces between waste parts and the space between inner container wall and waste are filled with a load-bearing powder that may be corrosion-resistant. The container is then covered with a metal lid. A thin electric heating coil for heating is wound around the outer surfaces of lids and containers.

Alternativt förvärms behållaren med innehåll först i separat ugn innan den placeras i tryckkammaren. Omkring behållaren och påsatt lock 505 296 finns eller appliceras ett tjockt lager av ett pulver med låg våtske- genomslåpplighet och låg värmeledningsförmåga. Hela enheten placeras i därefter i en tryckkamrnare. Tryckkarnmaren består av tryckkärl med topp- och bottenlock infordrade med trycköverförande elastiska mem- bran. Ett vätskeformigt tryckmedium, såsom oljeemulsion eller vatten pumpas in mellan membranen och tryckkammarväggen och topp- och bottenlocken, varvid hela innehållet utsätts för ett högt yttre allsidigt tryck. Genom elektriska ledare och genomföringar i tryckkärlet och elastisk membran kan ström ledas genom den elektriska värmeslingan för ytterligare upphettning till önskad temperatur av behållare och innehåll. Det yttre pulvret fungerar därvid som en termisk isolering i systemet och förhindrar att den elastiska membranen eller det vätske- formiga tryckmediet upphettas till för materialen skadligt höga tempera- turer. Vätsketryck, behållartemperatur och hålltid väljs så att en sam- manhängande tät enhet av behållare, lock och innehåll erhålls.Alternatively, the container with contents is first preheated in a separate oven before being placed in the pressure chamber. A thick layer of a powder with low liquid permeability and low thermal conductivity is present or applied around the container and attached lid 505 296. The entire unit is then placed in a pressure chamber. The pressure vessel arm consists of pressure vessels with top and bottom caps lined with pressure-transmitting elastic membranes. A liquid pressure medium, such as oil emulsion or water, is pumped in between the membranes and the pressure chamber wall and the top and bottom lids, the entire contents being subjected to a high external all-round pressure. Through electrical conductors and penetrations in the pressure vessel and elastic membrane, current can be conducted through the electric heating coil for further heating to the desired temperature of the container and contents. The outer powder thereby acts as a thermal insulation in the system and prevents the elastic membrane or the liquid pressure medium from heating to high temperatures harmful to the materials. Liquid pressure, container temperature and holding time are selected so that a cohesive tight unit of container, lid and contents is obtained.

Genom att använda vätska som tryckmedium samt ett yttre pulver med låg vätskegenomsläpplighet hinner tryckvätskan vid ett eventuellt mem- branläckage inte tränga in i avfallsbehållaren utan att detta uppmärk- sarnrnas genom tryckfall eller av ett särskilt indikeringssystem för inträngning av vätska i det yttre pulverlagret. Om läckande tryckme- dium indikeras kan trycket snabbt sänkas i tryckkärlet, varefter be- handlingen avbryts och felet åtgärdas.By using liquid as a pressure medium and an outer powder with low liquid permeability, in the event of a membrane leak, the pressure liquid does not have time to penetrate into the waste container without this being noticed by pressure drops or by a special indication system for penetration of liquid into the outer powder layer. If a leaking pressure medium is indicated, the pressure can be quickly reduced in the pressure vessel, after which the treatment is interrupted and the error is rectified.

I ett slutförvar för radioaktiva ämnen, placerat under grundvattennivå, är det av vikt att vattengenomströmningen omkring avfallsbehållaren blir så liten som möjligt för att begränsa korrosion och eventuell bort- transport av radioaktiva änmen. Det är då en fördel om det yttre pulvret har en låg vattengenomsläpplighet, såsom mycket ﬁnkorniga rnineralpulver. Särskilt effektiva i detta sarnrnanhnag är svällande leror som torkad betonillera. Det höga trycket vid behandlingen garanterar att det yttre pulvret blir mycket väl packat och svårgenomträngligt för vatten. '5 505 296 Genom att omgärda det yttre pulvret med ett eller ﬂera stödjande och förstärkande nätlager blir behållaren, med sitt pulverlager, efter press- ning lättare att hantera för senare transport till slutdepå. Fördelaktigt ur hållfasthetssynpunkt är att använda ett inre finmaskigt nät som sedan täcks av ett nät med grövre tråd och maskstorlek. Näten görs med fördel av metall men närmast pulverytan kan en tunn och tät keramisk ﬁltmatta placeras.In a final repository for radioactive substances, located below the groundwater level, it is important that the water flow around the waste container is as small as possible to limit corrosion and possible removal of radioactive substances. It is then an advantage if the outer powder has a low water permeability, such as very granular mineral powder. Particularly effective in this sarnrnanhnag are swelling clays such as dried concrete clay. The high pressure during the treatment guarantees that the outer powder is very well packed and impermeable to water. '5 505 296 By enclosing the outer powder with one or more of its supporting and reinforcing mesh layers, the container, with its powder layer, becomes easier to handle after pressing for later transport to the final depot. Advantageous from a strength point of view is to use an internal fine-mesh net which is then covered by a net with a coarser wire and mesh size. The nets are preferably made of metal, but a thin and dense ceramic carpet can be placed closest to the powder surface.

En särskild fördel är att ett utanpåliggande metallnät runtom behålla- ren kan användas som indikeringssystem för eventuell inträngning av tryckvätska från pressen genom att man kan mäta elektrisk resistans mellan nät och tryckvägg. Alternativt mäts resistansen mellan två metallnätlager med en keramisk filt placerad emellan dessa för elekt- risk avisolering.A special advantage is that a surface-mounted metal mesh around the container can be used as an indication system for possible penetration of pressure fluid from the press by being able to measure electrical resistance between the mesh and the pressure wall. Alternatively, the resistance between two metal mesh layers is measured with a ceramic felt placed between them for electrical stripping.

Behållaren, lock och utfyllnadspulver framställs med fördel av högren koppar av OFHC (Oxygen Fee High Conductivity) typ. Sådan kvalitet förutses få en mycket god korrosionsbeständighet vid förvaring i djupt liggande grundvatten.The container, lid and filling powder are advantageously produced from high-purity copper of the OFHC (Oxygen Fee High Conductivity) type. Such quality is expected to have a very good corrosion resistance when stored in deep groundwater.

Vid hantering av radioaktivt avfall måste spridning till omgivningen av radioaktiv stoft och radioaktiva gaser som xenon, tritium, jod förhindras.When handling radioactive waste, the spread to the environment of radioactive dust and radioactive gases such as xenon, tritium, iodine must be prevented.

Behållaren med lock och innehåll kan därför med fördel omslutas av ett gastätt tunt metallhölje som även tillåter evakuering av behållaren med innehåll. Särskilt viktigt är detta om behållaren och lock är av koppar. I fuktig luft överdras en ren kopparyta av oxidbeläggningar som försvårar en effektiv sammanfogning av lock till behållare vid efterföljande press- ning. Genom evakuering vid förhöjd temperatur kan adsorberad fukt på inre pulverkorn och radioaktivt avfall därigenom effektivt elimineras.The container with lid and contents can therefore advantageously be enclosed by a gas-tight thin metal casing which also allows evacuation of the container with contents. This is especially important if the container and lid are made of copper. In humid air, a clean copper surface is coated with oxide coatings, which makes it difficult to effectively attach lids to containers during subsequent pressing. By evacuating at elevated temperature, adsorbed moisture on internal powder grains and radioactive waste can thereby be effectively eliminated.

Ett sådan hölje förhindrar även fukt eller syre från det yttre pulverlag- ret att komma in i fogområdet och orsaka oxidbildning i fogytor vid längre tids lagring före slutlig förtätning. 505 296 Hör att ytterligare skydda fogytor från påverkan av luft eller reaktiva gaser ifrån det radioaktiva avfallet eller från utanpåliggande pulver kan vakuumtätningsringar placeras nära yttre och inre periferin av anlägg- ningsytorna mellan lock och behållare. Huvuddelen av fogytorna av- skärmas därigenom effektivt från påverkan efter lockpåsättriingen.Such a casing also prevents moisture or oxygen from the outer powder layer from entering the joint area and causing oxide formation in the joint surfaces during prolonged storage before final densification. 505 296 In order to further protect the joint surfaces from the influence of air or reactive gases from the radioactive waste or from surface-mounted powders, vacuum sealing rings can be placed close to the outer and inner periphery of the bearing surfaces between lids and containers. The main part of the joint surfaces is thereby effectively shielded from the impact after the cover has been fitted.

I en avfallsbehållare för radioaktivt material är det av stor vikt att en säker fog etableras mellan behållare och lock vid trycksättning. Detta kan underlättas genom att foglängden ökas genom trappstegsform.In a waste container for radioactive material, it is of great importance that a secure joint is established between the container and the lid during pressurization. This can be facilitated by increasing the joint length by step shape.

Trappstegsform garanterar också att locket inte gärna kan glida i sidled vid förtätningen även om betydande skjuvkrafter skulle kunna uppträda trycksättning av behållaren.The step shape also guarantees that the lid cannot slide sideways during densification, even if significant shear forces could occur under pressure from the container.

Om behållarlocket utrustas med en perifer läpp med hake och be- hållaren med ett passande spår kan locket effektivt låsas i rätt läge vid intryckning. Risken för att inre eller yttre material skall komma in i fogornrådet minskar därvid vid efterföljande hantering av behållaren.If the container lid is equipped with a peripheral lip with a hook and the container with a suitable groove, the lid can be effectively locked in the correct position when pressed. The risk of internal or external material entering the joint area is thereby reduced during subsequent handling of the container.

Lockläppen kan även utformas så att den effektivt kan svetsas till en anslutande läpp från behållaren. På så sätt kan avfallet innestängas gastätt från omgivningen, vilket ger hanteringsfördelar. liörtätningen av behållare till lock bör ske vid så låg temperatur som möjligt för att minska risken för att ﬂyktiga beståndsdelar lämnar det radioaktiva avfallet vilket ökar risken för utsläpp av aktivitet vid eventu- ellt haveri. 't 505 296 Det är därför fördelaktigt att trycket uppgår till minst 50 MPa och temperaturen uppgår till högst 0,5-0,7 av absoluta smälttemperaturen för behållarrnaterialet vid förtätningen, vilket ger en god behållar/lock - fogstyrka. Med ett behållar- och lockmaterial av ren koppar kan en effektiv fogning åstadkommas vid en temperatur av 550 °C; (T=0,6T,), ett tryck av 150 MPa och en hâlltíd av endast 1 timme.The lid lip can also be designed so that it can be effectively welded to a connecting lip from the container. In this way, the waste can be trapped gas-tight from the surroundings, which provides handling advantages. The sealing of containers to lids should take place at as low a temperature as possible to reduce the risk of hazardous constituents leaving the radioactive waste, which increases the risk of spillage of activity in the event of a breakdown. It is therefore advantageous that the pressure amounts to at least 50 MPa and the temperature amounts to a maximum of 0.5-0.7 of the absolute melting temperature of the container material at the densification, which gives a good container / lid joint strength. With a container and lid material of pure copper, an effective joint can be achieved at a temperature of 550 ° C; (T = 0.6T,), a pressure of 150 MPa and a holding time of only 1 hour.

Genom att kallbearbeta anläggningsytorna på behållare och lock ökar dislokationstätheten i materialet, reaktivíteten i ytorna ökar, vilket underlättar fogningsförfarandet.By cold working the plant surfaces on containers and lids, the dislocation density of the material increases, the reactivity of the surfaces increases, which facilitates the joining process.

Ett ytterligare sätt att öka fogytornas reaktivitet är att kemiskt eller elektrokerniskt fälla ut ett tunt mikrokristallint metallager av någon av elementen Cu, Ag eller Au. Om yttersta lagret utgörs av en tunn guldbeläggning förhindras dessutom att ytan överdras av oxider vid lagringen före förtätning.A further way to increase the reactivity of the joint surfaces is to chemically or electrocernely precipitate a thin microcrystalline metal layer of one of the elements Cu, Ag or Au. In addition, if the outermost layer consists of a thin gold coating, the surface is prevented from being coated by oxides during storage before densification.

Det är viktigt att det radioaktiva avfallet inbäddas i ett inre pulver med goda fyllnadsegenskaper. Skälet till detta är ﬂerfaldigt. Ett viktigt sådant skäl är att det radioaktiva materialen utsätts för obetydliga forrnförändringar vid förtätningen om det omgärdas av ett pulver med hög fyllfaktor. Forrnförändringen av den yttre metallbehållaren blir liten samtidigt som fogområdet snabbt utsätts för ett högt och allsidigt tryck vilket gynnar en effektiv fogbildning mellan lock och behållare.It is important that the radioactive waste is embedded in an internal powder with good filling properties. The reason for this is ﬂ simple. An important reason for this is that the radioactive material is exposed to insignificant changes in the density if it is surrounded by a powder with a high filling factor. The deformation of the outer metal container becomes small at the same time as the joint area is quickly exposed to a high and versatile pressure, which promotes an effective joint formation between lid and container.

Ett pulver med goda fyllnadsegenskaper innehåller en hög andel av sfäriska partiklar och med en stor spridning av partikelstorlek.A powder with good filling properties contains a high proportion of spherical particles and with a large spread of particle size.

Värmeledningsfönnågan hos hårdpackade pulverlager påverkas betyd- ligt av vilken gas som finns i porsystemet. Den terrniska isoleringsför- mågan hos pulver förbättras om luft och fukt i porer ersätts med gaser med högre molekylvikt som argon eller xenon. Detta betyder i sin tur 505 296 att den inre behållaren kan hållas vid önskad hög temperatur under längre tid med en viss bestämd tjocklek på det yttre pulverlagret.The thermal conductivity of hard-packed powder bearings is significantly affected by the gas present in the pore system. The thermal insulation ability of powders is improved if air and moisture in pores are replaced with higher molecular weight gases such as argon or xenon. This in turn means that the inner container can be kept at the desired high temperature for a longer period of time with a certain determined thickness of the outer powder layer.

Stora avfallsbehållare rymmer relativt mycket utfyllnadspulver i för- hållande till materialmängden i behållarväggen. Med en viss bestämd mängd korrosionsbeständigt material tillgängligt t ex koppar kan det ur beständighetssynpunkt vara bättre att öka behållarväggens tjocklek något och i stället ersätta eller späda ut det inre pulvret med ett billiga- re lättillgängligt material, t ex aluminiumoxíd eller magnetitsand. En utspädning av t ex kopparpulver med 20-40 volym% keramiskt pulver är fullt möjligt, varvid man ändå uppnår en god förtätning av pulverbland- ningen i behållaren vid behandlingen.Large waste containers hold a relatively large amount of filling powder in relation to the amount of material in the container wall. With a certain amount of corrosion-resistant material available, eg copper, it may be better from a durability point of view to increase the thickness of the container wall slightly and instead replace or dilute the inner powder with a cheaper readily available material, eg alumina or magnetite sand. A dilution of, for example, copper powder with 20-40% by volume of ceramic powder is entirely possible, whereby a good densification of the powder mixture in the container is still achieved during the treatment.

Förbehandling av radioaktivt avfall som torkning och bränning, är svår och kostsam. Genom att blanda in små mängder av reaktiva gettermate- rial i pulverform, främst Zr och Ti, i det inre utrymmet kan oönskad oxidation, emanerad från avfallet, av såväl utfyllnadpulver som fogytor förhindras eller begränsas.Pre-treatment of radioactive waste, such as drying and incineration, is difficult and costly. By mixing small amounts of reactive getter material in powder form, mainly Zr and Ti, into the interior space, undesired oxidation, emanated from the waste, of both backfill powder and joint surfaces can be prevented or limited.

Genom att helt ersätta det inre pulvret med en trycklastbärande struk- tur i form av ett tjockväggigt stålrör med ändlock och sedan placera det radioaktiva avfallet fristående inuti detta rör så upnår man ﬂera särskil- da fördelar. Den viktigaste är att avfallet ej utsätts för någon yttre trycklast eller deformering vid den efterföljande förslutningen av av- fallsbehållaren. En annan fördel är att ett intakt avfall relativt lätt kan återtagas i processen om något fel eller någon skada på inneslutningen uppkommer senare i förslutningsprocessen.By completely replacing the inner powder with a pressure-bearing structure in the form of a thick-walled steel pipe with an end cap and then placing the radioactive waste independently inside this pipe, ﬂ your special advantages are achieved. The most important thing is that the waste is not exposed to any external pressure load or deformation during the subsequent closing of the waste container. Another advantage is that an intact waste can be relatively easily recovered in the process if an error or damage to the containment occurs later in the sealing process.

Genom att terrniskt avisolera den lastbärande strukturen med sitt avfall från den yttre behållaren med hjälp av en tät keramikmatta så kan onödig uppvärmning av avfallet förhindras i samband med förslut- ningen. 505 296 Genom att noggrant evakuera mellanrummet med den keramiska mattan kan man åstadkomma en effektiv termisk barriär med ett litet avstånd på mellanrummet.By thermally stripping the load-bearing structure with its waste from the outer container with the help of a dense ceramic mat, unnecessary heating of the waste can be prevented in connection with the closure. By carefully evacuating the gap with the ceramic mat, an effective thermal barrier can be created with a small distance between the gaps.

Uppfinningen skall förklaras närmare genom beskrivning av tre exempel under hänvisning till bifogade ritningar, i vilken fig 1-3 visar helheten medan ﬁg 4 visar detaljer av anordningen.The invention will be explained in more detail by describing three examples with reference to the accompanying drawings, in which Figs. 1-3 show the whole while ﬁ g 4 shows details of the device.

I en tjockväggig cylindrisk behållare , 3a, av koppar placeras i enlighet med fig 1, sju st utbrända bränsleelement 1 från en kärnreaktor, trasiga eller skadade elementdelar placeras med fördel centralt i behållaren. I snittet i fig 1 syns två hela och ett trasigt element. I mellanrummet mellan element och behållare kan även delar av bränslerester placeras.In a thick-walled cylindrical container, 3a, of copper, in accordance with Fig. 1, seven burnt-out fuel elements 1 from a nuclear reactor are placed, broken or damaged element parts are advantageously placed centrally in the container. In the section in Fig. 1, two whole and one broken element can be seen. Parts of fuel residues can also be placed in the space between the element and the container.

Behållaren fylls sedan till kanten av en fririnnande kopparpulverbland- ning 5, bestående av 65 % sfärsikt pulver med storleken 0,5-1 mm och resterande pulver <0.2 mm och med vid storleksfördelning. Pulvret packasdytterligare genom att hela behållaren utsätts för slag underifrån.The container is then filled to the edge with a free-flowing copper powder mixture 5, consisting of 65% spherical powder with a size of 0.5-1 mm and the remaining powder <0.2 mm and with a size distribution. The powder is further packed by subjecting the entire container to impact from below.

På behållaren placeras två vakuumtätningsringar 12 och därefter ett lock provisoriskt 3b. Behållare, lock och pulver är av 99,95 % ren Cu (+Ag). Anläggningsytorna 14 på lock och behållare är i förväg noga rengjorda från smuts och oxid genom tvättning i utspädd syra och borstning med kopparborste.On the container, two vacuum sealing rings 12 and then a lid are temporarily placed 3b. Container, lid and powder are of 99.95% pure Cu (+ Ag). The abutment surfaces 14 on lids and containers are thoroughly cleaned in advance from dirt and oxide by washing in dilute acid and brushing with a copper brush.

Anläggningsytorna på såväl lock som behållare har trappstegsform 13.The plant surfaces on both lids and containers have a step shape 13.

Vidare är anläggningsytorna lätt kallbearbetade genom hamring.Furthermore, the plant surfaces are easily cold worked by hammering.

Vakuumtätningsringarna är en kallbearbetad 0,06 % Ag-legerad koppar.The vacuum sealing rings are a cold-worked 0.06% Ag-alloyed copper.

Den fyllda behållaren placeras i en evakueringskammare, locket lättas ca 10 mm så att en fri spalt uppstår, varefter fukt och luft bortevaku- eras. Evakueringen kan ske vid förhöjd temperatur. Under bibehållet vakuum trycks locket därefter helt på plats, varivd lockets läpp med hake 16 går i ingrepp i behållaren spår 17. Vakuumtätningsringarna 12 505 296 skär in i lock och behållare och förhindrar därvid luft att tränga in i be- hållaren efter avslutad evakuering. Som en extra säkerhetsåtgärd TIG- svetsas lockets läpp 16 mot en motstående liten läpp 18 på behållaren. _ Utformningen av detta område visas i ﬁgur 4.The filled container is placed in an evacuation chamber, the lid is lightened approx. 10 mm so that a free gap is created, after which moisture and air are evacuated away. The evacuation can take place at elevated temperature. While maintaining the vacuum, the lid is then pressed completely into place, with the lid of the lid with hook 16 engaging in the container groove 17. The vacuum sealing rings 12 505 296 cut into the lid and container, thereby preventing air from entering the container after evacuation is completed. As an extra safety measure, the LIG lip 16 is welded to an opposite small lip 18 on the container. The design of this area is shown in Figure 4.

Den nu helt slutna behållaren uppvärms därefter i en ugn med skydds- gas till ca 550 °C. Efter uppvärmning till 550 "C skall behållaren place- ras på tryckkärlets bottenlock 8c med sitt elastiska membran 10c. För indikering av eventuell inläckande tryckmedium (vatten) ligger ett dubbelt kopparnät 10 med en keramisk filt emellan för elektrisk isole- ring av näten, på den elastiska membranen. Ovanpå denna ligger som termisk isolering en 200 mm tjock förpressad pulverskiva av ﬁnkornig keram som täcker huvuddelen av tryckkammarlockets botten. På denna skiva ställs den upphettade avfallsbehållaren. Behållaren kan antingen sänkas ner i tryckkammaren uppifrån eller placeras på ett förpreparerat tryckkammarlock varefter enheten lyfts in underifrån. På motsvarande sätt som för bottenlocket är hela den cylindriska delen av membranet 6 täckt av ett dubbelt kopparnät 10b, elektriskt isolerade från varandra med en keramisk ﬁlkt och anslutna till ett indikeringssystem som mäter resistivitet. När behållaren är på plats i tryckkammaren fylls granulerat kerampulver i uppifrån i hela det fria utryrnmet, 2a, 2c. Tryckkärlets topplock 8 b även det med ett dubbelt kopparnät 10c sätts på plats i tryckkamrnaren. Tryckkärlets topp- och bottenlock hålls i läge av en pressram (ej visad i figur 1) som förs in över tryckkärlet.The now completely closed container is then heated in an oven with shielding gas to approx. 550 ° C. After heating to 550 ° C, the container should be placed on the bottom lid 8c of the pressure vessel with its elastic membrane 10c. To indicate any leaking pressure medium (water), a double copper net 10 with a ceramic felt in between for electrical insulation of the nets, on the On top of this, as a thermal insulation, lies a 200 mm thick pre-pressed powder sheet of ﬁ-grained ceramic that covers the main part of the bottom of the pressure chamber lid.On this plate is placed the heated waste container.The container can either be lowered into the pressure chamber from above or placed on a pre-prepared pressure chamber In the same way as for the bottom lid, the entire cylindrical part of the diaphragm 6 is covered by a double copper mesh 10b, electrically insulated from each other with a ceramic ﬁ lkt and connected to an indication system that measures resistivity.When the container is in place in the pressure chamber, granular ceramic powder in from above throughout it fr ia utryrnmet, 2a, 2c. The cylinder head cylinder 8b, also with a double copper mesh 10c, is put in place in the pressure chamber. The top and bottom lids of the pressure vessel are held in position by a press frame (not shown in Figure 1) which is inserted over the pressure vessel.

Behållaren med innehåll utsätts för ett högt yttre tryck genom att vätska 7 pumpas in mellan de elastiska membranen 6 abc och tryckkammar- väggarna 8 abc. Trycket hålls vid 150 MPa under en tid av 1-4 timmar, varvid den inre behållaren 3 under åtminstone 1 timme skall ha en temperatur av minst 500 °C. Denna behandling medför att de inre pulverkornen 5, behållaren och locket bildar en sammanhängande tät enhet som effektivt omsluter det radioaktiva avfallet. 11 505 296 Behållaren får därefter svalna i pressen till 100-150 °C med ett relativt lågt yttre tryck på 5-10 MPa. Innan behållaren tas ut utsätts den slut- ligen för ett tryck av 200-250 MPa under någon minut, varvid det yttre lagret, bestående av poröst pulver ytterligare förtätas men framförallt ökar i hållfasthet. Vätsketrycket sänks till strax under atmosfärstryck.The container with contents is subjected to a high external pressure by pumping liquid 7 between the elastic membranes 6 abc and the pressure chamber walls 8 abc. The pressure is maintained at 150 MPa for a period of 1-4 hours, the inner container 3 having a temperature of at least 500 ° C for at least 1 hour. This treatment causes the inner powder grains 5, the container and the lid to form a coherent tight unit which effectively encloses the radioactive waste. The container is then allowed to cool in the press to 100-150 ° C with a relatively low external pressure of 5-10 MPa. Before removing the container, it is finally subjected to a pressure of 200-250 MPa for a few minutes, whereby the outer layer, consisting of porous powder, is further densified but above all increases in strength. The liquid pressure is lowered to just below atmospheric pressure.

De elastiska membranen sugs tillbaka in mot kammarväggen, varefter den sarmnanpressade behållaren med sitt tjocka pulverlager tas ut underifrån från tryckkärlet. Normalt får pulverlagret sitta kvar på behållaren, när den skall deponeras för långtídsförvaring, eftersom tät pressat ﬁnkornigt pulver i sig är en mycket utmärkt barriär mot sprid- ning av vattenlösliga radioaktiva ämnen från avfall till omgivande grundvatten.The elastic membranes are sucked back into the chamber wall, after which the compressed container with its thick powder layer is removed from below from the pressure vessel. Normally, the powder layer is allowed to remain on the container when it is to be deposited for long-term storage, as densely pressed granular powder itself is a very excellent barrier against the spread of water-soluble radioactive substances from waste to the surrounding groundwater.

I det i ﬁg 2 illustrerade utföringsexemplet används en i behållaren med inbyggd elektrisk värmeslinga (4) för uppvärmning av innehållet. Vidare är de elastiska membranen ej fastsittande i tryckkärlet utan sätts in med avfallsbehållaren. I övrigt är förfarandet i princip likartat med tidigare beskrivet exempel.In the exemplary embodiment illustrated in ﬁ g 2, an electric heating coil (4) is used in the container with heating for the contents. Furthermore, the elastic membranes are not attached to the pressure vessel but are inserted with the waste container. Otherwise, the procedure is in principle similar to the previously described example.

En stor cylindrisk tunnväggig elastisk behållare av gummi 19a upp- stöttad utifrån av en delbar cylindrisk perforerad plåt 20 kläs på insidan av ett kopparnät 10. I gummibehållarens botten fylls och packas mot ett ca 100 mm tjockt finkornigt kerampulver 2b. Inuti en annan tunnväggig behållare av stål eller kopparplåt 21 med pålindade elektriska element (4) placeras en tjockväggig cylindrisk behållare 3a av koppar. Den enheten placeras därefter inuti gummibehållaren stående centralt på pulverbädden 2b. Mellanrummet mellan gummibehållaren 19a och plåtbehållaren fylls med packat kerampulver 2a.A large cylindrical thin-walled elastic container of rubber 19a supported on the outside by a divisible cylindrical perforated plate 20 is clad on the inside of a copper net 10. At the bottom of the rubber container is filled and packed against an approximately 100 mm thick fine-grained ceramic powder 2b. Inside another thin-walled container of steel or copper plate 21 with wound electrical elements (4), a thick-walled cylindrical container 3a of copper is placed. That unit is then placed inside the rubber container standing centrally on the powder bed 2b. The gap between the rubber container 19a and the sheet metal container is filled with packed ceramic powder 2a.

I den tjockväggiga behållaren av koppar 3a placeras utbrända bränslec- lement 1 eller annat radioaktivt avfall. I mellanrummet mellan avfalls- delar och behållarväggen fylls sedan, upptill lockkant, ett fririnnande pulver 5 bestående av ca 60 voym% ﬁnkornigt kopparpulver utblandat 505 296 12. med 40 vo1ym% magnetitsand. Kornstorleksfördelningen på pulvret väljs så att en hög fyllfaktor uppnås vid packning. Pulverbädden packas 1 genom att en vibrerande fot tryck mot pulverytan uppifrån. På koppar- behållaren 3 a placeras några små låga stöd klotsar av koppar nära inre kanten (20) samt två koncentriska vakuumtätningsringar 12, varefter kopparlocket 3b läggs på plats. Ovanpå detta ansluts ett tunt plåtlock av stål eller koppar 22 som svetsas till den yttre tunna plåtbehållaren 21 under bildande av en vakuumtät fog 23. Plåtlocket är försett med ett rör 24 av stål eller koppar, som kan anslutas till en vakuumpump för evakuering av kapsel med innehåll. Efter evakuering, som kan ske under uppvärmning med värmeelement 4, tillsluts kapseln genom igensvetsning av röret omedelbart ovanför lockets yta 25. Kapseln täcks därefter med ett tjockt lager kerampulver 2c. Ovanpå pulverlagret läggs ett kpparnät 10c samt ett gummilock l9b som tätas mot gumrnicylindern 18a genom límning eller tejpning av fogområdet 24. Gurnrnilocket är försett med elektrisk genomföring för dels värmeelement dels för kopparnäten för indikering av eventuell inläckande tryckrnedium 7 i det yttre pulverskiktet. Gumrnilocket är försett med en evakueringsslang 27 som tillåter att det yttre pulvret 2 abc evakueras, varvid eventuella läckor i gummihöljet kan avslöjas av en heliumläcksökare. Det yttre pulvret kan sedan antingen återfyllas av en inert gas, t ex xenon eller argon, eller ej återfyllas varefter evakueringsslangen tätas med gummi- propp- Behållaren placeras i en tryckkammare 8 som tillsluts. Tryckrnedium 7 pumpas i tryckkammaren till ett lätt övertryck, varefter den inre be- hållaren 3 med innehåll 1, 5 uppvärms till ca 550 °C. Trycket ökas därefter till 150 MPa under en tid av 1-4 timmar. Trycket sänks därefter till 50 MPa och behållaren får svalna till ca 100 °C, varefter trycket sänks till atmosfärstryck, tryckrnediet pumpas ut, varefter behållaren tas 13 505 296 ut ur pressen. Gummilocket 19b tas loss, behållaren vänds, stödplåten 20 delas och tas bort, varefter gummibehållaren 19a lyfts av. Efter kontroll transporteras behållaren till långtidsförvaring.Burnt fuel elements 1 or other radioactive waste are placed in the thick-walled container of copper 3a. In the space between the waste parts and the container wall, a free-flowing powder 5 consisting of approximately 60% by volume of copper powder mixed with 505 296 12. is then filled at the top of the lid edge with 40% by volume of magnetite sand. The grain size distribution of the powder is selected so that a high filling factor is achieved during packing. The powder bed is packed 1 by a vibrating foot pressing against the powder surface from above. On the copper container 3 a, some small low support blocks of copper are placed near the inner edge (20) and two concentric vacuum sealing rings 12, after which the copper lid 3b is put in place. On top of this, a thin sheet metal plate of steel or copper 22 is connected which is welded to the outer thin sheet metal container 21 to form a vacuum tight joint 23. The sheet metal lid is provided with a tube 24 of steel or copper, which can be connected to a vacuum pump for evacuating capsule with content. After evacuation, which can take place during heating with heating element 4, the capsule is closed by welding the tube immediately above the surface 25 of the lid. The capsule is then covered with a thick layer of ceramic powder 2c. On top of the powder layer is laid a copper net 10c and a rubber lid 19b which is sealed against the rubber cylinder 18a by gluing or taping the joint area 24. The gurn lid is provided with electrical penetration for heating elements and for copper nets to indicate any leaking pressure medium 7 in the outer pulp. The rubber lid is provided with an evacuation hose 27 which allows the outer powder 2 abc to be evacuated, whereby any leaks in the rubber casing can be revealed by a helium leak detector. The outer powder can then either be refilled with an inert gas, eg xenon or argon, or not refilled, after which the evacuation hose is sealed with a rubber stopper. The container is placed in a pressure chamber 8 which is closed. Pressure medium 7 is pumped into the pressure chamber to a slight overpressure, after which the inner container 3 with contents 1, 5 is heated to approx. 550 ° C. The pressure is then increased to 150 MPa for a period of 1-4 hours. The pressure is then lowered to 50 MPa and the container is allowed to cool to about 100 ° C, after which the pressure is lowered to atmospheric pressure, the pressure medium is pumped out, after which the container is taken out of the press. The rubber lid 19b is removed, the container is turned over, the support plate 20 is divided and removed, after which the rubber container 19a is lifted off. After inspection, the container is transported for long-term storage.

I det i ﬁg 3 illustrerade utföringsexemplet används en inre lastbärande struktur för avfallet i stället för utfyllnadspulver. Vidare används en elektrisk slinga för upphettning av behållaren, medan avfallet skyddas mot upphettning av en inre termisk isolering.In the exemplary embodiment illustrated in ﬁ g 3, an internal load-bearing structure is used for the waste instead of filler powder. Furthermore, an electric loop is used to heat the container, while the waste is protected against heating by an internal thermal insulation.

Utbrända bränsleelement 1, i detta fall 19 st, placeras i en tjockväggig lastbärande stålcylinder 29 med inre styrskenor för en enkel ilastning av elementen. Ett stållock 30 med tätningsring läggs på plats och bultas fast till en tät enhet, varefter den dekontarnineras. Denna avfallsenhet skall sedan omslutas av ett cylindriskt hölje av koppar med tillhörande lock.Burned out fuel elements 1, in this case 19 pcs., Are placed in a thick-walled load-bearing steel cylinder 29 with internal guide rails for a simple loading of the elements. A steel cap 30 with sealing ring is put in place and bolted to a tight unit, after which it is decontaminated. This waste unit must then be enclosed by a cylindrical casing of copper with an associated lid.

Kopparcylindem 3a med lock 3b har en väggtjocklek av ca 50 mm och är på insidan klädd av en tunn ísolermatta 31 med värmereﬂekterande folier. På utsidan av kopparhöljet líndas en enkel värmeslinga, för elektrisk upphettning av i första hand kopparhöljet. Fogytorna på kopparbehållaren och locket tvättas rena, varefter två tunna vakuumtât- ningsringar 19 av koppar läggs nära yttre och inre kanten av fogom- rådet. Avfallsenheten placeras sedan inuti kopparbehållaren. I en sårskild evekueringsklocka placeras kopparlocket, varefter klockan ansluts till kopparbehållaren. Utrymmet 31 mellan kopparbehållare och stålbehållare evakueras noggrant, varefter kopparlocket sätts på plats.The copper cylinder 3a with lid 3b has a wall thickness of approx. 50 mm and is lined on the inside by a thin insulating mat 31 with heat-ter-acting foils. A simple heating coil is wound on the outside of the copper casing, for electric heating of primarily the copper casing. The joint surfaces of the copper container and the lid are washed clean, after which two thin vacuum sealing rings 19 of copper are laid near the outer and inner edge of the joint area. The waste unit is then placed inside the copper container. The copper lid is placed in a separate eviction bell, after which the bell is connected to the copper container. The space 31 between the copper container and the steel container is carefully evacuated, after which the copper lid is put in place.

Vakuumtätningsringarna ger därvid en enkel och effektiv tätning av fog och innehåll. Vakuumklockan lyfts sedan av, varefter en tunn läppkant på lock 17 och behållare 18 kan tätsvetsas som en extra avtätning av fogområdet. 505 296 Kopparbehållaren med innehåll placeras stående på en pulverbädd 2b inuti en tryckkammare 8 klädd med gummimembran 6 som pressverk- tyg. Mellanrummet 2abc mellan gummimembranen och kopparbehålla- g ren fylls därefter med ett ñnkornigt pulver som skall ha låg genom- släpplighet för vätska och värme. Kopparbehållaren uppvärms därefter elektriskt till ca 500 'C med hjälp av element 4. Kopparbehållaren 3a diffusionsfogas sedan med locket 3b till en tät enhet genom att pulvret 2abc och behållaren utsätts för ett högt allsidigt yttre tryck genom att en vätska pumpas in mellan gummimembranen 6 och tryckkammar- väggen 8. Genom att nyttja ett yttre pulverlager med låg vätskege- nomsläpplighet som trycköverförande medium kankopparbehållaren sammanfogas med stor säkerhet och med mycket liten risk för intrång- ning av tryckmedium i avfallet. Det evakuerade utrymmet med sin isolerande matta 31 mellan kopparväggen och avfallet förhindrar effektivt uppvärmning av avfallet l. På samma sätt utgör det yttre pulverlagret en effektiv termisk barriär utåt mot gummimembranen 6.The vacuum sealing rings provide a simple and effective sealing of joints and contents. The vacuum bell is then lifted off, after which a thin lip edge on the lid 17 and container 18 can be sealed as an additional seal of the joint area. 505 296 The copper container with contents is placed standing on a powder bed 2b inside a pressure chamber 8 clad with rubber membrane 6 as a pressing tool. The gap 2abc between the rubber membranes and the copper container is then filled with a granular powder which should have a low permeability to liquid and heat. The copper container is then electrically heated to about 500 ° C by means of element 4. The copper container 3a is then diffusion-joined with the lid 3b to a tight unit by exposing the powder 2abc and the container to a high all-round external pressure by pumping a liquid between the rubber membranes 6 and pressure chambers. - the wall 8. By using an outer powder layer with low liquid permeability as a pressure-transmitting medium, the can container can be joined together with great safety and with very little risk of penetration of pressure medium into the waste. The evacuated space with its insulating mat 31 between the copper wall and the waste effectively prevents heating of the waste 1. In the same way, the outer powder layer forms an effective thermal barrier outwards towards the rubber membranes 6.

Efter sammanfogningen kan det yttre pulverlagret 2abc lätt avlägsnas alternativt behållas kvar på kapseln.After joining, the outer powder layer 2abc can be easily removed or retained on the capsule.

Den tillslutna behållaren är nu klar för slutförvar.The closed container is now ready for final disposal.

Claims

1. ß sus 296 Method of enclosing radioactive waste (1) in a compound container (2) with associated lid (3), consisting of an outer powder part (2a, 2b, 2c) and an inner container part (3a) and lid part (3b) consisting of metal characterized in that the radioactive waste (1) is placed in a pressure load-bearing structure (29) inside the container part of metal (3a, 3b), that the outer powder part (2a, 2b, 2c) has a low thermal conductivity and low permeability of adjacent liquid pressure medium (7), that supplied or associated outer powder part (2a, 2b, 2c) is subjected to a versatile high pressure via an elastic membrane (6) stretched by a rear liquid pressure pressure medium (7) in a 8) near room temperature, that the inner container part of metal (3a, 3b) is heated to, to form a continuous tight unit, the required high temperature, for the required long time with applied high pressure. A method according to claim 1, characterized in that the outer powder with low thermal conductivity (2a, 2b, 2c) has very little water permeability. A method according to any one of claims 1 and 2, characterized in that the outer surface (9) of the outer powder (2a, 2b) is enclosed by two or two layers of fine-mesh nets (10), of which at least two are of metal. A method according to any one of claims 1-3, characterized in that the inner container part (3a) and the lid part (3b) are made of copper. A method according to any one of claims 1-4, characterized in that the compressive load-bearing structure (29) consists of a powder (5) with a high filling factor and that the waste (1) is embedded in this powder (5). 505 296 10. ll. The method according to any one of claims 1-5, characterized in that the powder (S) is made of copper. A method according to any one of claims 1-6, characterized in that the outer edge (11) of the joint area between the metal container and the lid, after the container has been filled with waste and powder and the lid has been put on, is enclosed by a gas-tight metal housing which allows evacuation of the container vacuum tight. Method according to one of Claims 1 to 7, characterized in that the all-round pressure, ie the liquid pressure, for the formation of a tight unit connected inside the outer powder layer is at least 50 MPa at an internal container temperature of 0.5-0.7 of the absolute material of the container material. melting temperature. Method according to one of Claims 1 to 8, characterized in that a small amount of finely divided getter material from one of the Group IV B elements or iron is mixed into the waste (1) which reacts with the presence of oxygen and moisture inside the container and prevents oxidation of plant surfaces. between lid and container. A method according to any one of claims 1-9, characterized in that the radioactive waste consists of parts or all of the spent nuclear fuel elements. Method according to one of Claims 1 to 10, characterized in that the inner container (3a) with contents (1, 5) and lid (3b) is heated in the pressure chamber by an electrical element (4) wound around the container and lid and the outer the powder forms a thermal barrier. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 1? 505 296 A method according to any one of claims 1-11, characterized in that one or more vacuum sealing rings (12) are placed between the lid and the metal container. A method according to any one of claims 1-12, characterized in that the lid is equipped with a peripheral lip (16) with a hook and the container is equipped with suitable grooves (18) for the lip and which can mechanically lock the lid to the container when pressed. Method according to claims 1 - 13, characterized in that mounting parts between lid and container on at least one lid or container are stepped (13). Method according to claims 1-14 characterized in that mounting surfaces (14) between lid and container are cold worked. A method according to any one of claims 1-15, characterized in that abutment surfaces (14) between lid and container are coated with a thin layer of one of the elements from group IB in the periodic table. A method according to any one of claims 1-16, characterized in that a thermal barrier (31) is placed between the radioactive waste and the inner container (3a, b). A method according to any one of claims 1-17, characterized in that the outer powder (2a, 2b) is evacuated and then refilled with an inert gas with a low heat conduction.