Formkörper zur Einbindung radioaktiver Abfälle und Verfahren zu seiner Herstellung

Abstract

 Zur sicheren Langzeit-Einbindung von radioaktiven und toxischen Abfällen sind Formkörper bekannt, die eine Matrix aus Graphit und einem anorganischen Bindemittel, vorzugsweise Nickelsulfid, besitzen. Eine erhöhte Auslaugbeständigkeit erreicht man mit Formkörpern, die einen abfallhaltigen Kern und eine abfallfreie Schale aus der gleichen Graphitmatrix besitzen.

Beschreibung

[0001] Formkörper zur Einbindung radioaktiver Abfälle und Verfahren zu seiner Herstellung

[0002] Die Erfindung betrifft einen Formkörper aus Graphit und einem anorganischen Bindemittel zur sicheren Langzeit-Einbindung von toxischen. und radioaktiven Abfällen, und ein Verfahren zu-seiner Herstellung.

[0003] Abgebrannte Brennelemente aus Kernreaktoren müssen nach einer gewissen Zwischenlagerzeit einer Endbeseitigung zugeführt werden. Hierzu werden zwei Möglichkeiten diskutiert:

- Die Wiederaufarbeitung der Brennelemente mit Rückführung des Brennstoffes in die Brennelementfertigung sowie Abtrennung, Konditionierung und Endlagerung der Spaltprodukte.

- Die direkte Endlagerung der abgebrannten Brennelemente.

[0004] In beiden Fällen muss durch eine geeignete, insbesondere korrosions- und auslaugbeständige Einbindematrix bzw. ein entsprechendes Behältermaterial dafür gesorgt werden, dass der eingelagerte hochaktive Abfall für tausend Jahre oder länger am Einlagerungsort verbleibt und nicht in die Biosphäre zurückgelangt.

[0005] Die bei der Wiederaufarbeitung abgebrannter Brennelemente anfallenden radioaktiven Abfälle müssen für die Einlagerung in eine endlagerfähige Form gebracht werden. Wirtschaftlich erforderlich ist hierbei eine hohe Beladung mit Abfall. Dazu ist eine starke Volumenreduktion - beispielsweise durch Eindampfen - bereits vor dem Verfestigungsschritt notwendig.

[0006] Zur Verfestigung hochradioaktiver Abfälle sind mehrere Verfahren bekannt. Beispielsweise erfolgt zunächst eine Kalzination des Abfalls in einem Wirbelbett zwischen 350 und 900°C. Dabei wird ein Gemisch aus Oxiden erhalten, das als Pulver oder Granulat in eine glasartige oder keramische Matrix eingebunden und dadurch zu einem endlagerfähigen Produkt verfestigt wird.

[0007] Für die Einbettung von mittel- und schwachaktiven Abfällen sind Verfahren bekannt, nach denen die Abfallstoffe z.B. mit Bitumen erhitzt und einem Extrudiervorgang unterworfen werden. Dabei wird der radioaktive Abfall in die Bitumenmasse eingebunden, heiss in Fässer gefüllt und endgelagert.

[0008] Ein weiteres Verfahren besteht darin, die radioaktiven Abfälle in Zement bzw. Beton zu fixieren. Hierbei wird der Abfall üblicherweise in Form eines Salzkonzentrates oder Schlammes verarbeitet, der sich zu etwa 70 - 80 Gew. aus flüssigen und zu 20 - 30 Gew.-% aus festen Bestandtei⁼ len zusammensetzt. Der Schlamm wird mit Zement gemischt und abbinden gelassen. Dieser Arbeitsschritt kann gege- b.enenfalls direkt in den Endlagerfässern durchgeführt werden.

[0009] Ferner sind Verfahren zur Konditionierung radioaktiver Abfälle bekannt, bei denen der Abfall in ein vorzugsweise bei Raumtemperatur polymerisierbares Harz eingemischt wird, und dann zu einem festen Block auspolymerisiert.

[0010] Diese bekannten Verfahren weisen insbesondere für höhere Aktivitätskonzentrationen eine Reihe von Nachteilen auf. So erfolgt die Verglasung der Abfälle bei hohen Temperaturen, üblicherweise oberhalb 1 000°C. Bei dieser Temperatur sind bereits einige Salze flüchtig und müssen durch aufwendige Methoden, z.B. der Abgasreinigung, zurückgeführt werden. Dies betrifft insbesondere die aktiven Verbindungen des Cäsiums und des Rutheniums. Die Wärmeleitfähigkeit der Glasmatrix ist relativ gering. Um eine - durch die Nachwärme verursachte - unzulässige hohe Zentraltemperatur der Gebinde nicht zu überschreiten, sind daher Abfallkonzentration und Blockdurchmesser auf Werte von etwa 20 Gew.-% bzw. 20 bis 30 cm begrenzt. Weiterhin treten durch die Unterschiede der thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Glas und Behältermaterial beim Abkühlen mechanische Spannungen auf, die zu unerwünschter Spannungskorrosion und Rissbildüng im Glas führen können. Die erforderliche Abkühlzeit für Glasabfallgebinde kann mehrere Tage betragen, um rissfreie Gebinde zu erzeugen. Dieser zusätzliche Verfahrensschritt erfordert daher teurenHeisszellenplatz.

[0011] Die Bituminierung ist nur auf relativ niedrige Aktivitätskonzentrationen anwendbar, z.B. für den sogenannten flüssigen mittelaktiven Abfall von ca. 0,1 - 1 Ci β,δ-Aktivität. Es sind Temperaturen von 150 - 200°C notwendig, was aufwendige Sicherheitsvorkehrungen, z.B. gegen Brand, erfordert. Ausserdem bildet Bitumen unter Bestrahlung Radiolysegase, wie z.B. Wasserstoff.

[0012] Die einfache Technik der Zementierung ist ebenfalls mit Nachteilen behaftet. So erhält man bei gleichen Abfallmengen grosse Abfallvolumina, z.B. gegenüber Bitumeneinbindung das 3- bis 5fache Volumen, ein durch die Porosität des Zements bedingtes relativ schlechtes Auslaugverhalten der eingeschlossenen radioaktiven Abfälle, und eine Radiolyse des im Zement gebundenen Wassers, welche zu relativ grossen Gasmengen, wie Wasserstoff, führen kann.

[0013] Bei der Einbindung in polymerisierbare Harze werden grundsätzlich Kohlenwasserstoffverbindungen eingesetzt. Daher kann durch die Strahleneinwirkung des radioaktiven Abfalls die Sprödigkeit des Kunstharzes erhöht und damit die mechanische Integrität der Gebinde gefährdet werden. Auch für solche Formkörper gilt eine nur relativ geringe Radiolysebeständigkeit und die Freisetzung von Wasserstoff.

[0014] Aus der DE-OS 27 56 700 ist ein Verfahren zur Einschliessung von radioaktivem Abfall in eine Metall-Matrix bekannt, die durch isostatisches Umpressen des Abfalls mit Metallpulver bei Temperaturen zwischen 1 000 und 1 500° C gebildet wird. Die hohen Presstemperaturen und der grosse Verbrauch an korrosionsbeständigem Metall lassen dieses Verfahren zumindest für grosse Köper und für die Einschliessung flüchtiger radioaktiver Stoffe als wenig geeignet erscheinen.

[0015] Ausserdem sind sogenannte Endlagerbehälter bekannt, die die Abfallstoffe aufnehmen und zur Erzielung einer ausreichend langfristigen Korrosionsbeständigkeit meist als Mehrschichtbehälter ausgebildet sind. Als Behältermaterialien werden korrosionsfeste metallische und nichtmetallische Werkstoffe verwendet.

[0016] In der DE-OS 29 17 437 ist ein Verfahren beschrieben, radioaktive und toxische Abfälle unter schonenden Bedingungen in eine gut wärmeleitende Kohlenstoffmatrix einzubinden, die aus einem Gemisch von pulverförmigem Kohlenstoff, vorzugsweise Graphit, mit einem Bindemittel besteht, wobei durch Verpressen mit dem zugemischten Abfall bei Temperaturen oberhalb 100°C ein entsprechender Formkörper gebildet wird. Als Bindemittel kommen organische und anorganische Stoffe in Betracht, von Vorteil ist die Verwendung von Schwefel und bei einer bevorzugten Ausführung wird ein Gemisch von Schwefel und Nickel eingesetzt, das bei einer Presstemperatur von etwa 400°C das in Wasser schwerlösliche Nickelsulfid bildet. Zwar ist diese Matrix korrosions- und auslaugbeständig, bei den nach dem angegebenen Mischverfahren unter Zumischung des Abfalls zu den Matrixausgangsstoffen hergestellten Formkörpern lassen sich die Abfallstoffe aber aus der Oberflächenschicht herauslösen.

[0017] Für eine wirtschaftliche Anwendung dieses Verfahrens ist eine möglichst hohe Konzentration an Abfall im. Formkörper erforderlich. Bei höheren Abfallanteilen im Formkörper wird aber der Abfall langfristig aus immer tieferen Schichten und schliesslich aus dem gesamten Formkörper ausgelaugt.

[0018] Es war daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Formkörper aus Graphit und einem anorganischen Bindemittel zur sicheren Langzeit-Einbindung von radioaktiven und toxischen Abfällen zu schaffen, der hochdicht, korrosions-und auslaugbeständig ist, so dass die eingebundenen Abfälle auch in sehr langen Zeiträumen nicht herausgelöst werden können.

[0019] Diese Aufgabe wurde erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass der Formkörper aus einem Kern, in dem die Abfälle eingebettet sind, und aus einer abfallfreien Schale aus dem gleichen Material besteht.

[0020] Die Graphitmatrix für Kern und Schale wird dabei in bekannter Weise durch Pressen eines Gemisches von pulverförmigem Graphit und einem anorganischen Bindemittel oder den Ausgangskomponenten eines anorganischen Bindemittels bei einer Temperatur oberhalb 100°C hergestellt. Als anorganisches Bindemittel wird entweder Schwefel oder ein stabiles Metallsulfid eingesetzt. Es ist vorteilhaft, als Graphit ein leicht verpressbares Naturgraphitpulver zu verwenden.

[0021] Bei Einsatz von Schwefel als Bindemittel wird eine Presstemperatur im Bereich der Schmelztemperatur des Schwefels von etwa 120 C sowie ein Pressdruck von 10 - 50 MN/m², vorzugsweise etwa 20 MN/m², verwendet. Ein so hergestellter Formkörper aus Kern und Schale ist geeignet für toxische und schwach radioaktive Abfälle, die nur geringe Eigenwärme erzeugen. In stärker radioaktivem Abfall tritt eine grössere Zerfallswärme auf, insbesondere bei hochaktivem Abfall, die eine hohe thermische Stabilität der Graphitmatrix erfordert.

[0022] Der Zusatz von geeigneten Metall- oder Legierungspulvern zur Bildung.von stabilen Metallsulfiden ergibt sehr temperaturbeständige Bindemittel in der Graphitmatrix. Die chemische Reaktion zwischen Metall und Schwefel erfolgt in dem Gemisch aus Graphit, Schwefel und Metall-oder Legierungspulver durch Temperaturanhebung beim Pressen der Formkörper.

[0023] Als Metalle können beispielsweise Blei, Eisen, Nickel, Kobalt, Kupfer, Molybdän, Vanadium oder Wolfram eingesetzt werden. Als besonders vorteilhaft hat sich die Verwendung von Nickel zur Ausbildung von Nickelsulfid erwiesen.

[0024] Der Abfallanteil im Kern liegt vorteilhafterweise zwischen 1 und 70 Vol. %, vorzugsweise zwischen 10 und 50 Vol.%, so dass der Kern als mechanisch stabiler Körper vorliegt, der im wesentlichen die gleichen physikalischen Eigenschaften wie die abfallfreie Schale hat.

[0025] Bei Verwendung von Schwefel als alleiniges Bindemittel reichen eine Presstemperatur von 130°C und ein Pressdruck von etwa 20 bis 50 MN/m² aus, um einen hochdichten, korrosions- und auslaugbeständigen Formkörper zu erzeugen.

[0026] Beim Einsatz von Nickelsulfid als Bindemittel für die Einbindung von stärker radioaktiven Abfallstoffen erfolgt die Verbindung zwischen Innenzone und Schale vorzugsweise bei einer Temperatur oberhalb 300°C und einem Pressdruck von 30 bis 100 MN/m². Vorzugsweise wird der Kern zunächst ebenfalls bei Raumtemperatur oder bei erhöhter Temperatur vorgepresst und der Pressling in einen vorgepressten Hohlzylinder mit angefügtem Boden eingesetzt. Nach Auflegen der Deckelplatte wird der gesamte Formkörper bei einer Temperatur oberhalb 100°C gepresst und dabei auf über 80 % der theoretischen Dichte verdichtet. Unter anhaltendem Druck wird die Temperatur auf über 400°C erhöht, vorzugsweise auf etwa 440°C. Der nach Abkühlen auf unterhalb 400°C ausgestossene Formkörper hat eine Dichte oberhalb 90 % des theoretischen Wertes und ist hochdicht und frei von durchgehenden Poren.

[0027] Der erfindungsgemässe Formkörper ist chemis ch ausserordentlich stabil, d.h. auch in stark korrosiven Medien noch sehr korrosions- und auslaugbeständig.

[0028] Der abfallhaltige Kern im Inneren der abfallfreien Schale hat weitgehend dieselben physikalisch-chemischen Kenndaten wie die Umhüllung, so dass mechanische Spannungen, die ein Reissen des Gebindes verursachen können, praktisch entfallen.

[0029] Die Abbildung zeigt schematisch in beispielhafter Ausführungsform einen erfindungsgemässen Formkörper.

[0030] Der Kern (1) des zylindischen Formkörpers besteht aus einer Matrix aus Graphit mit anorganischem Bindemittel, in welche die körnigen oder stückigen radioaktiven Abfälle (2) eingelagert sind. Der Kern (1) ist allseits von der abfallfreien Schale (3) umgeben, mit der sie übergangsfrei verbunden ist. Gestrichelt sind die Stellen angegeben, an denen die Schale (3) aus vorgeformten ringförmigen Teilstücken (4) zusammengefügt ist. Zusätzlich ist die Schale (3) von einer Stahlhülle (5) umgeben.

[0031] Der erfindungsgemässe Formkörper'soll anhand folgender Beispiele näher erläutert werden:

Beispiel 1:

[0032] Das für die Herstellung der Graphitmatrix verwendete Presspulver enthält folgende Komponenten:

43,3 Gew.-% Naturgraphitpulver, 20,0 Gew.-% Schwefel und 36,7.Gew.-% Nickelmetallpulver.

[0033] Zur Herstellung eines ringförmigen Segments mit den Abmessungen:

Aussendurchmesser 450 mm, Innendurchmesser 300 mm, Höhe 200 mm, werden etwa 58 kg des intensiv gemischten und anschliessend granulierten Presspulvers in eine von aussen beheizbare ringförmige Pressmatrize gefüllt. Im Schmelzbereich des Schwefels - bei 130°C - wird das Granulat mit einem Druck von etwa 100 MN/m² zusammengepresst, die Temperatur bei konstantem Pressdruck anschliessend auf ca. 450°C erhöht und dabei der Schwefel zum Nickelsulfid umgesetzt. Nach dem Abkühlen auf 350°C erfolgt das Ausstossen des hohlzylindrischen Formkörpers.

[0034] Auf dem beschriebenen Wege werden 4 ringförmige Segmente hergestellt, die anschliessend zu einem etwa 800 mm langen Hohlzylinder durch Pressen zusammengefügt werden. Dazu bedarf es einer Temperatur von 500 - 600°C und eines Druckes von 50 MN/m², als verbindende Zwischenschicht dient jeweils ein mit geringen Mengen Naturgraphitpulver versetztes Nickel/Schwefel-Pulvergemisch (Stöchiometrieverhältnis 1 : 1), welches unter den angegebenen Bedingungen ebenfalls zum Nickelsulfid reagiert. Nach demselben Verfahren wird die aus Presspulver gleicher Zusammensetzung hergestellte Bodenplatte angefügt. Entsprechend wird eine Deckelplatte aus dem Presspulver hergestellt.

[0035] In diesen behälterartigen Hohlraum wird ein Presskörper aus der gleichen Matrix, der 50 Vol. % Abfall enthält, eingesetzt. Danach wird die Deckelplatte aufgelegt und unter den gleichen Bedingungen, wie für die Segmente angegeben, mit dem Hohlzylinder zu einer geschlossenen Schale verbunden.

[0036] Aus dem Formkörper werden folgende Eigenschaften ermittelt:

Beispiel 2:

[0037] Zum Einbinden simulierter radioaktiver Abfälle in eine anorganisch gebundene Graphitmatrix wird das analog Beispiel 1 hergestellte pulverförmige Gemisch aus den Ausgangskomponenten der Graphitmatrix mit etwa der gleichen Menge Feedklärschlamm-Simulat gemischt, das aus Molybdän, Molybdän-(VI)-Oxid, Mangan, Mangan-(IV)-Oxid, Zirkon, Cäciumchlorid, Antimon-(III)-Oxid, Edelstahl- und Nickelpulver besteht. Dieses Gemisch wird in den bei Raumtemperatur vorgepressten einseitig verschlossenen Hohlzylinder aus Graphit-Nickel-Schwefel-Matrix überführt, welcher sich in einer von aussen beheizbaren Matrize befindet. Nach dem Auflegen der kalt vorgepressten Deckelplatte wird der gesamte Formkörper im Schmelzbereich des Schwefels - bei 130°C - mit einem Druck von etwa 100 MN/m² zusammengepresst, die Temperatur bei konstantem Pressdruck auf 450°C erhöht und dabei der Schwefel zum Nickelsulfid umgesetzt. Nach dem Abkühlen auf ca- 350 C erfolgt das Ausstossen des simulathaltigen Formkörpers. An diesem Körper werden neben den in Beispiel 1 genannten physikal-ischen Eigenschaften insbesondere niedrige Cs-Auslaugraten beobachtet: 3 . 10^-4- 5 · 10^-6 _cm/d.

Beispiel 3:

[0038] Die pulverförmigen Matrixkomponenten Graphit, Schwefel und Nickel werden entsprechend Beispiel 1 zunächst intensiv miteinander gemischt. Dem dabei gebildeten Presspulver werden etwa 3 cm lange Abschnitte von Brennstabhülsen (Hülsendurchmesser aussen 10,75 mm; Wandstärke 0,68 mm) aus Zirkaloy-4 zugemischt. Der Gewichtsanteil der kompaktierten bzw. unkompaktierten Hülsen liegt bei 25 Gew.-%.

[0039] Das Hülsen-/Presspulvergemisch wird bei Raumtemperatur in einer schwimmenden Stahlmatrize (Durchmesser innen 50 mm) mit einem Druck von etwa 5 MN/m² vorgepresst. Der dabei gebildete "Kern" (Durchmesser 50 mm, Höhe 80 mm) besitzt etwa 50 % der theoretischen Dichte.

[0040] Anschliessend wird der vorgepresste "Kern" in einer heizbaren Pressform in die ebenfalls bei Raumtemperatur und mit Druck von 5 MN/m² vorgeformten Teile der Schale eingesetzt; die Schale besteht aus Bodenplatte, Hohlzylinder mit 66 mm Aussendurchmesser und Deckelplatte. Nach Erwärmen auf 130°C wird der Formkörper mit einem Druck von 50 MN/m² auf etwa 85 % der theoretischen Dichte verdichtet. Unter anhaltendem Druck wird der fast fertige Probenkörper auf eine Temperatur von etwa 440°C erwärmt. Dabei setzt sich das Nickel/Schwefel-Gemisch in das chemisch, mechanisch und thermisch wesentlich stabilere Nickelsulfid um. Gleichzeitig erhöht sich die Dichte auf über 90 % des theoretischen Wertes.

[0041] Nach einer etwa 10-minütigen Haltezeit bei der Reaktionstemperatur wird der fertige Probenkörper auf 350 - 400°C abgekühlt und ausgestossen (Durchmesser 66 mm, Höhe etwa 75 mm).

Ansprüche

1) Formkörper aus Graphit und einem anorganischen Bindemittel zur sicheren Langzeit-Einbindung von radioaktiven und toxischen Abfällen, dadurch gekennzeichnet, dass er aus einem Kern (1), in dem die Abfälle (2) eingebettet sind, und aus einer abfallfreien Schale (3) aus dem gleichen Material besteht.

2) Formkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er als anorganisches Bindemittel ein stabiles Metallsulfid enthält.

3) Formkörper nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemittel aus Nickelsulfid besteht.

4) Formkörper nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (1) 1 bis 70 Vol.% Abfall (2) enthält.

5) Formkörper nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schale (3) aus mehreren zusammengefügten Einzelteilen (4) besteht.

6) Formkörper nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schale (3) zusätzlich von einer Stahlhülle (5) umgeben ist.

7) Verfahren zur Herstellung von Formkörpern nach Anspruch 1 bis 6, durch Pressen eines Gemisches aus Abfällen, Graphitpulver und anorganischem Bindemittel bzw. den Ausgangskomponenten des Bindemittels bei Temperaturen oberhalb 100°C, dadurch gekennzeichnet, dass dieser Pressling mit einer Schale aus Graphitpulver und anorganischem Bindemittel allseitig umpresst wird.

8) Verfahren zur Herstellung von Formkörpern nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schale aus vorgeformten halbkugel-, ring- oder plattenförmigen Teilstücken auf den abfallhaltigen Presskörper bei Temperaturen oberhalb 100°C aufgepresst wird.

9) Verfahren zur Herstellung von Formkörpern nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufpressen der Schale oberhalb 300°C mit einem Pressdruck von 30 bis 100 MN/m² erfolgt.

Zeichnung