[0001] Gegenstand der Erfindung ist ein mehrschichtiger Transport- und Lagerbehälter zur
Langzeitlagerung von radioaktiven Abfällen, insbesondere von abgebrannten Brennelementen,
in geeigneten geologischen Formationen.
[0002] 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
Brennstoffkreis- lauf zugeführt. Die Spaltprodukte werden nach bekannten Verfahren,
meist unter Verwendung großer Mengen Wertstoffe, wie zum Beispiel Blei und Kupfer,
konditioniert und in geeigneten geologischen Formationen praktisch nicht mehr entnehmbar
endgelagert.
[0003] 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 mehrere 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.
[0004] 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.
[0005] 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.
[0006] Als Verpackung für radioaktive Stoffe und bestrahlte Brennelemente werden Behälter
aus legierten und unlegierten 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. Darüber hinaus 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 eigenen sie sich meist nicht gleichzeitig
auch als Transportbehälter, sodaß unter erheblichem Aufwand eine Umladung der Abfälle
vom Transportbehälter in den Endlagerbehälter erfolgen muß.
[0007] 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, der
einen dichten Einschluß auf lange Dauer gewährleistet und vor allem korrosionsbeständig
gegen Salzlaugen ist, ohne zu teuer und zu schwer zu sein.
[0008] Die Aufgabe wurde erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Behälter aus zwei oder
mehreren Schichten verschiedener Metalle bzw. Metallegierungen besteht, die von außen
nach innen in der elektrochemischen Spannungsreihe immer edler (positiver) werden.
Dadurch wird-gewährleistet, daß auch bei partiellem korrosivem Durchbruch durch die
äußere Schicht die nächstinnere Schicht erst angegriffen werden kann, wenn sich die
äußere Schicht vollständig aufgelöst hat. Damit wird der Widerstandszeitwert berechenbar,und
die Standzeit gegen Korrosion bleibt auch bei unvorhersehbaren Störfällen erhalten.
[0009] Es hat sich überraschend 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 beziehungsweise Metallegierung 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 und so weiter. Durch diese Anordnung ist es möglich, den Außenmantel aus relativ
billigem Material, wie beispielsweise Eisen- ; Graphitguß herzustellen, um dem Behälter
für seine Eignung als Transportbehälter die nötige Steifigkeit für den 9 m-Falltest
zu geben.
[0010] Der erfindungsgemäße Behälter wird nachstehend anhand der schematischen Abbildung
beispielhaft näher erläutert.
[0011] 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 das 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 vorteilhafterweise Nickel-Kupfer-Legierungen
in Betracht. Der Innenraum (4) wird mit abgebrannten Brennelementen oder hochaktivem
Abfall befüllt. Alle drei Behälterschichten sind in sich geschlossen, was beispielsweise
durch Verschweißen geschehen kann.
[0012] Bei Korrosionstesten hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die elektrochemischen
Potentiale der benachbarten Schichten nicht zu weit auseinander liegen. Vorzugsweise
liegen sie nicht mehr als 50 bis 500 m V auseinander. Außerdem ist es möglich, den
Behälter noch mit weiteren Auskleidungen im 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.
[0013] 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 Materalien haben
sich vor allem Bronzens, insbesondere zinnreiche, bewährt.
[0014] 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 berücksichten.
1. Mehrschichtiger Transport- und Lagerbehälter zur Langzeitlagerung von radioaktiven
Abfällen, insbesondere abgebrannten Brennelementen, in geeigneten geologischen Formationen,
dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (6) aus zwei oder mehreren Schichten (1,
2, 3) verschiedener Metalle bzw. Metallegierungen besteht, die von außen nach innen
in der elektrochemischen Spannungsreihe immer edler .(positiver) werden.
2. Transport- und Lagerbehälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem
dreischichtigen Aufbau 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.
3. Transport- und Lagerbehälter nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß
der Unterschied der elektrochemischen Potentiale benachbarter Metallschiehten (1,
2, 3) im Bereich von 50 bis 500 mV liegt.
