[0001] Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zum Korrosionsschutz von Behältern
für die Langzeitlagerung von radioaktiven Stoffen, insbesondere von bestrahlten Brennelementen,
in geeigneten geologischen Formationen.
[0002] Bestrahlte Brennelemente werden nach einer vorübergehenden Aufbewahrung in Wasserbecken
entweder sofort oder nach einer weiteren Zwischenlagerung aufgearbeitet. Dabei werden
die nuklearen Brenn- und Brutstoffe von den Spaltprodukten getrennt 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 geologischen Formationen wie Salzstöcken praktisch nicht mehr entnehmbar endgelagert.
[0003] Darüberhinaus wird überlegt (Berichte des Kernforschungszentrums Karlsruhe KFK 2535
und 2650), bestrahlte Brennelemente in absehbarer Zeit nicht aufzuarbeiten, auf die
in ihnen vorhandenen Brenn- und Brutstoffe zu verzichten und die Brennelemente - nach
einer angemessenen Abklingzeit in dafür vorgesehenen Lagern - in Salzformationen endzulagern.
Die Lagerzeiten der bestrahlten Brennelemente können also Hunderte von Jahren betragen.
[0004] Wegen der unbestimmten Lagerdauer werden an derartige, für die Langzeit- und Endlagerung
geeignete Behälter besondere Anforderungen gestellt. Erschwerend kommt hinzu, daß
die Behälterlager schwer zugänglich sein müssen und folglich Überwachungsmöglichkeiten
Grenzen gesetzt oder sogar auszuschließen sind.
[0005] Es sind teilweise sehr aufwendige Konzepte bekannt, bestrahlte Brennelemente oder
radioaktiven Abfall mittels Behältern aus Metall oder Beton in geologische Formationen
wie z. B. in trockenen Salzstöcken zu lagern (Bericht des Kernforschungszentrums Karlsruhe
KFK 3000).
[0006] Die Verwendung von Beton ist jedoch problematisch, da Langzeiterfahrungen über Hunderte
oder gegebenenfalls über Tausende von Jahren naturgemäß nicht vorliegen. Auch Metallbehälter,
z. B. aus Stahl, Gußeisen, speziell Kugelgraphitguß, Blei, Kupfer oder anderen Werkstoffen,
weisen Nachteile auf. Diese liegen u. a. teils in den Herstellungskosten, vor allem
jedoch auf dem Korrosionsgebiet, da u. a. Wassereinbrüche, wenn auch wenig ein-: trittswahrscheinlich,
mit in sicherheitstechnische Überlegungen einbezogen werden müssen.
[0007] Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Korrosionsschutz
von Behältern für die Langzeitlagerung von radioaktiven Stoffen, insbesondere von
bestrahlten. Brennelementen, in geeigneten geologischen Formationen zu schaffen, die
die Behälterkorrosion bei überraschendem Auftreten von Wasser vermeidet, zumindest
aber verzögert und minimiert.
[0008] Die Aufgabe wurde erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Behälter über Verbindungen
mit Opferanoden leitend verbunden sind.
[0009] Anhand der schematischen Abbildung ist die erfindungsgemäße Vorrichtung beispielhaft
näher erläutert.
[0010] In einer geologischen Formation (6), z. B. Salzstock, befinden sich Langzeitlagerbehälter
(1), in denen radioaktives Material wie Abfälle und bestrahlte Brennelemente endgelagert
werden. In der Nähe dieser Behälter (1) sind Opferanoden (2) angeordnet, wobei die
Opferanoden mit den Behältern (1) durch Verbindungen(3) leitend verbunden sind. Dadurch
ist ein anodischer Korrosionsschutz sichergestellt, der wirksam wird, wenn durch ein
Ereignis Feuchtigkeit in die Lagerstätte gelangt. Der durch das Wasser gebildete Elektrolyt,
beispielsweise eine Salzlösung, baut eine galvanische Kette auf. Dadurch löst sich
die Opferanode (2) auf, und der als Kathode geschaltete Behälter (1) mit seinem radioaktiven
Inventar bleibt geschützt.
[0011] Als Opferanoden können Metalle mit entsprechenden elektrochemischen Eigenschaften
unter Berücksichtigung des jeweiligen Materials der Behälter (1) verwendet werden.
Es ist dabei besonders günstig, wenn die Potentialdifferenz 'zwischen dem Behälter
(1) und der Opferanode (2) zwischen 50 und1000 mV beträgt, da die Auflösung der Opferanode,
als Maß für den Korrosionsschutz, vorteilhaft beeinflußt wird. Besonders vorteilhaft
ist es, als Opferanode (2) wegen seines elektrochemischen Verhaltens und wegen seiner
Verfügbarkeit Zink oder zinkhaltige Formkörper zu verwenden. Die Formkörper können
beispielsweise aus Zink und Blei bestehen und vorteilhafterweise pulvermetallurgisch
durch Pressen hergestellt sein, da so Potentialverschie-bungen, die durch Legierungsbestandteile
möglicherweise auftreten könnten, vermieden werden. Durch pulvermetallurgisch hergestellte
Opferanoden kann die Auflösungsgeschwindigkeit günstig beieinflußt werden.
[0012] Die Opferanoden (2) sind normalerweise in kompakter Geometrie gestaltet. Fallweise
sind aber auch andere Geometrien möglich. U. a. können Opferanoden in manchen Fällen
auch in Wannen bzw. Überbehältern, die die Behälter (1) aufnehmen, untergebracht oder
eingelassen sein.
[0013] Als Material für die leitenden Verbindungen (3) kann mit dem Behälter (1)artgleiches
Material verwendet werden.
[0014] Es ist aber auch möglich, Graphit als Leitermaterial einzusetzen, das nur zur Ableitung
der bei der elektrochemischen Reaktion entstehenden Elektronen dient. Bei der Verwendung
mehrerer Opferanoden (2) sind diese zweckmäßigerweise untereinander durch leitende
Verbindungen(7) verbunden.
[0015] Es ist besonders günstig, wenn zusätzlich in räumlicher Nähe zu den Behältern (1)
und den Opferanoden (2) ein Materialvorrat (4), der ein gegenüber dem Material des
Behälters (1) edleres Potential aufweist, angeordnet. ist. Als Materialvorrat (4),
der im Normalzustand nicht mit den Behältern (1) in leitender Verbindung steht, können
z. B. Kupfersalze verwendet werden. Im Falle des Eindringens von Elektrolyten in das
Lager werden nach einer gewissen Zeit auch z. B. Kupferionen aus dem Materialvorrat
(4) in Lösung gehen. Im Austausch gegen beispielsweise Eisenionen des Behälters (1)
können sich diese Kupferionen auf dem Behälter (1) niederschlagen und einen Überzug
bilden, der zum Korrosionsschutz beitragen kann.
[0016] Aus Kosten- und-Verfügbarkeitsgründen ist es vorteilhaft, wenn der Matcrialvorrat
(4)'aus Kupfersulfat besteht.
[0017] Weiterhin ist es auch vorteilhaft, wenn der Materialvorrat (4) von einer metallischen
Umhüllung (5) umgeben ist, die ihrerseits unedler als der Behälter (1) und als der
Materialvorrat (4), jedoch gleich edel oder edler als die Opferanode (2) ist. Dadurch
kann sich beim Eindringen von Elektrolyt in das Lager zunächst die Opferanode (2)
und dann erst die Umhüllung (5) auflösen, ehe sich der Materialvorrat (4) auflöst.
Auf diese Weise wird ein zusätzlicher korrosionsvermindernder Überzug auf dem Behälter
(1), herrührend vom Materialvorrat (4) erzeugt.
[0018] Die erfindungsgemäße Vorrichtung stellt auf überraschende Weise eine langzeitig wirksame
Korrosionsverzögerung am Behälter (1) dar und trägt somit bei, daß bis zum Abklingen
der Radioaktivität des Behälterinventars auch im ungünstigsten - an sich normalerweise
nicht zu erwartenden - Schadensfall der Abschluß von der Biosphäre sichergestellt
ist.
1. Vorrichtung zum Korrosionsschutz von Behältern für die Langzeitlagerung von radioaktiven
Stoffen, insbesondere von bestrahlten Brennelementen, in geeigneten geologischen Formationen,
dadurch gekennzeichnet, daß die Behälter (1) über Verbindungen (3) mit Opferanoden
(2) leitend verbunden sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die'Potentialdifferenz
zwischen dem Behälter (1) und der Opferanode (2) zwischen 50 und 1000 mV beträgt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Opferanode (2)
Zink oder zinkhaltige Formkörper verwendet werden.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich in räumlicher
Nähe zu den Behältern (1) und der Opferanode (2) ein Materialvorrat (4), der ein gegenüber
dem Material des Behälters (1) edleres Potential ausweist, angeordnet ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Materialvorrat
(4) aus Kupfersulfat besteht.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Materialvorrat
(4) von einer metallischen Umhüllung (5) umgeben ist, die ihrerseits unedler als der
Behälter (1) und als der Materialvorrat (4) ist, jedoch gleich edel oder edler als
die Opferanode (2) ist.