Formkörper zur Einbindung radioaktiver Abfälle und Verfahren zu seiner Herstellung

Abstract

 Zur Langzeit-Einbindung radioaktiver und toxischer Abfälle verwendet man Formkörper aus Graphit mit Nickelsulfid als Bindemittel. Besonders gute Eigenschaften zeigen die Formkörper, wenn sie das Nickelsulfid in Form von Ni₃S₂ enthalten.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Formkörper aus Graphit mit Nickelsulfid als Bindemittel zur sicheren Langzeit-Einbindung von radioaktiven und toxischen Abfällen und ein Verfahren zur Herstellung solcher Formkörper.

[0002] Abgebrannte Brennelemente aus Kernreaktoren müssen nach einer gewissen Zeit der Zwischenlagerung einer Endbeseitigung zugeführt werden. Weltweit wurden dazu zwei Wege untersucht, nämlich die Wiederaufarbeitung der Brennelemente mit Rückführung der Brennstoffe in die Brennelementfertigung sovie Abtrennung und Endlagerung der Spaltprodukte (hochaktiver Abfall) und alternativ die direkte Endlagerung der abgebrannten Elemente. In jedem Fall entsteht hochaktiver Abfall, der 1000 Jahre und mehr sicher in geeignete geologische Formationen eingelagert werden muß. Auch sonstiger hochradioaktiver und hochtoxischer Abfall muß sicher von der Biosphäre ferngehalten werden.

[0003] Zum sicheren Langzeit-Einschluß solcher radioaktiver und toxischer Abfälle sind zahlreiche Behältertypen vorgeschlagen worden, die die geforderten Bedingungen, wie dichter Einschluß bei den auftretenden Drücken und Temperaturen oder Korrosionsfestigkeit gegen Salzlaugen, gut erfüllen. Als Behältermaterial werden vielerlei metallische und nichtmetallische Werkstoffe verwendet.

[0004] Da Graphit eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit besitzt, ist vorgeschlagen worden (DE-OS 29 42 092), Behälter mit einer Korrosionsschutzschicht aus Graphit zu versehen. Da Graphitformkörper der für die Aufnahme eines Brennelementes notwendigen Abmessungen weder gasnoch flüssigkeitsdicht herzustellen sind, ist eine anschließende Beschichtung mit Pyrokohlenstoff oder Siliciumkarbid vorgesehen. Nach dem Einfüllen des Brennelements soll der beschichtete Behälter mit einem gleichermaßen beschichteten Deckel gas- und flüssigkeitsdicht verschlossen werden. Hierbei sollen Graphitdichtungen bzw. geeignete Klebemittel zum Einsatz kommen. Ein wesentlicher Nachteil dieses Behälterkonzepts ist der außerordentlich hohe technische Aufwand, der für die Herstellung und Beschichtung von Behältern mit großen Abmessungen notwendig ist. Außerdem lassen sich solche großen Formkörper nicht in den geforderten Qualitätsansprüchen beschichten.

[0005] Es ist auch bekannt, zur Einbindung von radioaktiven und toxischen Abfällen Formkörper aus einer Kohlenstoffmatrix herzustellen, indem man Graphitpulver mit einem Bindemittel presst. Als Bindemittel verwendet man hierbei vorzugsweise Nickelsulfid (DE-OS 29 17 437). Solche Formkörper sind sehr dicht und besitzen eine gute Korrosions- und Auslaugebeständigkeit, insbesondere gegenüber Salzlösungen, die sich allerdings in manchen Fällen als noch nicht optimal erwies.

[0006] Es war daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Formkörper aus Graphit mit Nickelsulfid als Bindemittel zur sicheren Langzeit-Einbindung von radioaktiven und toxischen Abfällen zu schaffen, der eine möglichst hohe Korrosions- und Auslaugebeständigkeit aufweist.

[0007] Diese Aufgabe wurde erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Nickelsulfid überwiegend als Ni₃S₂ vorliegt. Vorzugsweise liegen mindestens 80 % des eingebrachten Nickelsulfids als definiertes Ni₃S₂ in der Graphitmatrix vor.

[0008] Mit radioaktiven oder toxischen Abfällen versetzte Graphitformkörper, die als Bindemittel Ni₃S₂ enthalten, besitzen eine extrem hohe Korrosions- und Auslaugebeständigkeit gegenüber Salzlösungen.

[0009] Als günstig hat es sich herausgestellt, wenn die Formkörper neben den eingebetteten Abfällen 25-90 Gew.% Nickelsulfid (Ni₃S₂), insbesondere 45-60 Gew.% Nickelsulfid (Ni₃S₂) Rest Graphit enthalten. Die Sicherheit der Einbindung von Abfällen gegen chemisches oder mechanisches Herauslösen läßt sich weiterhin verbessern, wenn man die Abfälle in einen Kern einbettet, der von einer abfallfreien Schale aus dem gleichen Material umgeben ist.

[0010] Die Herstellung dieser Formkörper erfolgt vorzugsweise durch Pressen eines Gemisches aus Abfällen, Graphit-, Schwefel- und Nickelpulver bei Temperaturen oberhalb 100°C, wobei das Nickel- und Schwefelpulver in dem Verhältnis zugesetzt werden, das zur Bildung von Ni₃S₂ notwendig ist. Vorteilhafterweise werden pro 100 g Nickelpulver 35 bis 45 g Schwefelpulver zugesetzt, da der Schwefel je nach Verfahrensführung zu einem geringen Teil aus der Pressmasse absublimieren kann. Bewährt haben sich hierbei Preßtemperaturen von 400 bis 500^oC. Wegen der extrem hohen Langzeitbeständigkeit der Graphit-Ni₃S₂-Matrix kann diese auch zum Einbinden langlebiger α-Strahler, wie beispielsweise Plutonium, verwendet werden.

[0011] Folgendes Beispiel soll die Erfindung näher erläutern:

Als Ausgangspulver wurde eine Mischung aus 43,7 Gew.-% Feinpuder-Naturgraphit, 15 Gew.% feingemahlenem Schwefel und 41,3 Gew.% Nickelmetallpulver durch Trockenmischen hergestellt. In diese Mischung wurden aktive Abfälle eingebettet.

[0012] Der fertiggepreßte Formkörper hatte folgende Eigenschaften:

[0013] Die Auslaugebeständigkeit in Salzlösungen war sehr gut.

Ansprüche

1. Formkörper aus Graphit mit Nickelsulfid als Bindemittel zur sicheren Langzeit-Einbindung von radioaktiven und toxischen Abfällen, dadurch gekennzeichnet, daß das Nickelsulfid überwiegend als Ni₃S₂ vorliegt.

2. Formkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens 80 % des Nickelsulfids als Ni₃S₂ vorliegen.

3. Formkörper nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß er neben den eingebetteten Abfällen aus 25-90 Gew.% Nickelsulfid, Rest Graphit, besteht.

4. Formkörper nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einem Kern, in dem die Abfälle eingebettet sind, und aus einer abfallfreien Schale aus dem gleichen Material besteht.

5. Verfahren zur Herstellung von Formkörpern nach Anspruch 1 bis 4, durch Pressen eines Gemisch.es aus radioaktiven und/oder toxischen Abfällen, Graphit-, Schwefel- und Nickelpulver bei Temperaturen oberhalb 100°C, dadurch gekennzeichnet, daß Nickel und Schwefel in einem zur Bildung von Ni₃S₂ benötigten Verhältnis zugesetzt werden.

6. Verfahren zur Herstellung von Formkörpern nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß auf 100 g Nickelpulver 35-45 g Schwefelpulver zugesetzt werden. -

7. Verfahren zur Herstellung von Formkörpern nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Pressen bei Temperaturen zwischen 400 und 5000C erfolgt.