PROCESS FOR CONDITIONING ORGANIC SOLID RADIOACTIVE WASTES ESPECIALLY CONTAINING NUCLEAR FUEL

Abstract: 1. A process for the final conditioning of solid, voluminous, radioactive, organic waste, which is largely of constant shape and in particular contains nuclear fuel, such as rubber gloves, films, bottles and tubes made of plastics, cloths made of cellulose or synthetic resins, and components made of wood or natural fibres, whilst forming a hardening mixture which consists of the comminuted waste, an inorganic binding agent and water, characterised in that the waste is broken down into such small pourable particles that the adhesion forces acting on the waste particles in the mixture of cement as inorganic binding agent and water, outweigh the lifting forces ; that the waste particles are homogeneously mixed into the cement-water mixture ; and that the mixture of cement, water and the waste particles is finally hardened to form a concrete block which is capable of being finally disposed of.

Description: Verfahren zur Endkonditionierung fester radioaktiver Abfälle Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Endkonditionierung fester radioaktiver, evtl. kernbrennstoffhaltiger Abfälle zur sicheren Handhabung, Transportierung und Endlagerung. Solche Abfälle entstehen beispielsweise bei der Herstellung von Brennelementen, bei denen als spaltbares Material Urandioxid oder auch Plutoniumdioxid bzw. Mischoxide Verwendung finden. Im Gegensatz zu den meisten festen radioaktiven Abfällen, die üblicherweise beim Umgang mit radioaktiven Stoffen auf dem Gebiet der Kernforschung und Medizin anfallen, enthält der bei der Herstellung von Brennelementen entstehende Abfall unter anderem langlebige radiotoxische Nuklide, wie z.B. Plutonium 239 mit einer Halbwertszeit von 24390 Jahren. Bei der Unterbringung dieser Abfälle in einem Endlager muss sichergestellt sein, dass währenv der langen Abklingzeit ein Austritt der Radionuklide in die Biosphäre auszuschliessen ist. Nach langJährigen Untersuchungen und Erprobungen zur sicheren Beseitigung und Endlagerung hat sich für schwach radioaktive Abfälle, zu denen auch die dL-Strahler enthaltenden Abfälle aus kernbre nnstoffverarbeitenden Betrieben zählen, die Einbettung in Zement und anschliessende Lagerung in geeigneten Steinsalzformationen des tieferen geologischen Untergrundes als besonders geeignet herausgestellt. Für diese Art der Endlagerung müssen seitens des Abfalles und des einzulagernden Zementblockes, dem Endgebinde, eine Reihe von Voraussetzungen erfüllt sein. Es dürfen nur formbeständige,nicht faul- oder gärfähige Abfälle mit fest haftender Aktivität, die allseits mit Bindemitteln umhüllt homogen und hohlraumfrei im Abfallbehälter, z.B. einem 200 l-Fass, vergossen werden können, verwendet werden. Diese Abfälle können ursprünglich wasserhaltige Abfälle, Aschen, Pulver und Granulate (Ionenaustauscher) sein, die durch homogene Vermischung mit einem Zementbrei nach der Aushärtung ein festes Endprodukt ergeben. Um eine Freisetzung von Radionukliden auch bei unwahrscheinlichen Ereignissen im Endlager ausschliessen zu können, werden Mindestforderungen an die Druckfestigkeit und Auslaugbeständigkeit der Endgebinde gestellt. Diese Forderungen können durch Einhaltung einer begrenzten Abfalleinbringung in einen Zementblock, porenfreie Verdichtung und Verwendung geeigneter Zementqualitäten erfüllt werden. Für die Auslaugbeständigkeit kernbrennstoffhaltiger Abfälle mit z.B. U02, Pu02 oder ThO2 als Radionuklide kommt begünstigend hinzu, dass diese oxidischen Spaltstoffe von Natur aus eine sehr hohe Unlöslichkeit mitbringen, die eine zusätzliche Sicherheitsbarriere darstellt. Die Beseitigung von festen, voluminösen, organischen, kernbrennstoffhaltigen aus Brennelement-Fabriken stammenden Abfällen durch Zementierung ist bisher unterblieben, weil die Einmischung der Rohabfälle in Zement ein ungelöstes Problem bedeutete. Die Rohabfälle stellen eine Mischung aus voluminösen weitgehend organischen formbeständigen Natur- und Kunststoffen dar, wie z.B. Gummihandschuhe, Kunststoffolien, -flaschen, -schläuche, Wischtücher aus Zellstoff bzw. Synthetiks, Bauteile aus Holz, Naturfasern u.a.. Stofflich setzen sie sich aus 70 Gew. % Polyvinylchlorid, 15 Gew. , Neopren, 10 Gew. , Zellstoff, der Rest aus verschiedenen anderen Kunststoffen zusammen. Diese Materialien sind normalerweise vermischt mit anorganischen Abfällen, z.B. Metall, Glas und Keramik. Abfälle dieser Form lassen sich nicht so in Zement einmischen, dass die Forderungen an den Zementblock erfüllt werden. Einerseits wickelt sich Folienmaterial und andere voluminöse Abfälle beim Einmischen in Zement um den Rührer, andererseits findet aufgrund der Dichteunterschiede zwischen den Kunststoffabfällen und dem Beton eine Entmischung vor dem Aushärten statt, es entsteht also ein recht heterogenes Endgebinde. Die Festigkeit wird zusätzlich durch grosse Folienflächen im Beton, die nur ein segmentweises Abbinden erlaubt herabgesetzt. Weltweit werden Verfahren entwickelt, diese Abfälle lurch Verbrennen in ihrem Volumen zu verringern und die zurückbleibenden Aschen zu zementieren. Diese Verfahren können Jedoch nur dann erfolgreich eingesetzt werden, wenn der Abfall einen geringeren bzw. keinen Polyvinylchlorid (PVC)-Anteil enthält. Die Verbrennung von PVC erzeugt Salzsäure, die nach ihrer Neutralisation, z.B. in Kochsalz überführt, als schwachaktiver Abfall, in Zement eingebettet, endzulagern ist. Da jedoch der Salzgehalt im Zement zur Wahrung der Auslaugbeständigkeit nicht hoch sein darf, ist die gewünschte Reduzierung des Endabfallvolumens für Abfälle, auf die sich diese Erfindung bezieht, nicht zu erreichen. Die Verbrennung der Abfälle zum Zwecke der Endbeseitigung ist daher nicht empfehlenswert. Bei diesem Stand der Technik, der nur unbefriedigende Ergebnisse liefert, stellte sich die Aufgabe, auch derartig schwierige Abfälle einfach und sicher in Zementblöcke einzubringen. Erfindungsgemäss lassen sich die Schwierigkeiten der Zementierung dieser Abfälle umgehen, wenn man die Rohabfälle durch Sortieren vom anorganischen Abfall befreit und den verbleibenden organischen Abfall in einer Zerkleinerungsanlage zermahlt, z.B. auf Korngrössen (5 mm. Die Korngrösse ist so zu wählen, dass die Adhasionskräfte zwischen dem Abfallkorn und dem flüssigen Beton die Auftriebskräfte überwiegen, so dass eine Entmischung trotz geringerer Dichte des Abfalles nicht eintritt. Der zertnahlene, sehr gut mit dem Zementbrei vermischbare Abfall wird homogen eingerührt und an schliessend in ein Abfallfass eingefüllt. Danach wird durch Rütteln bei Vakuumunterstützung das Porenvolumen im Zementblock reduziert und damit gleichzeitig die Druckfestigkeit erhöht. Nach dem Aushärten ist dieser Abfall form- und auslaugbeständig und zur Endlagerung geeignet In den folgenden Ausführungsbeispielen wird das vorgeschlagene Verfahren und die Einrichtungen zum Zementieren näher arlEuterto Es ist dabei zweckmässig, vor dieser Verarbeitung die Rohabfälle durch Sortieren vom anorganischen Abfall zu befreien und diesen nach der Einmischung der organischen Rohabfälle in den Zementbrei nachträglich dort einzubringen. Nach dem Aushärten ist dieser Abfall form- und auslaugbe ständig und zur Endlagerung geeignet. Zwei Ausführungsbeispiele dienen nachstehend zur weiteren Erläuterung dieses erfindungsgemässen Verfahrens: Ausfffhrungsbeispiel 1 Der aus den Handschuhkästen einer Fertigungsanlage für Puhaltige Brennelemente stammende Rohabfall mit einem mittleren Pu-Gehalt von etwa 0,1 g/dm3 wird zur Vorbereitung einer sich anschliessenden Zerkleinerung zunächst durch Sortierung von nicht zerkleinerbaren anorganischen Beimengungen (Schrotte, Glas u.a.) getrennt. In einem 2-stufigen Mahlverfahren, bestehend aus einer Schneidund Pralltellermühle wird der Rohabfall auf eine mittlere Korngrösse von etwa 0,2 mm zerkleinert. Dadurch verdichtet sich der Rohabfall von ca. 0,2 kg/dm3 auf 0,45 kg/dm3, sein Pu-Anteil steigt um den Faktor 2,5 auf 0,25 g/dm3. Die mittlere absolute Dichte der Kunststoffe im Rohabfall beträgt, bedingt durch den hohen PVC-Gehalt, etwa 1,28 kg/dm3 60 dm) dieses rieselfähigen zermahlenen Rohabfalles (27 kg) werden mit 65 dm3 Zement der Dichte 3,2 kg/dm3 und 70 dm3 schwach-kontaminierten Abfallösungen innig mit einem Rührer vgmengt und anschliessend in ein 200 l-Rollreifenfass eingefüllt. Vor dem Aushärten wird das Fass auf einen Rütteltisch gestellt und das Zement-Abfall-Gemisch weitgehend porenfrei verdichtet. Nach 24 Stunden ist der Beton ausgehärtet, Die charakteristischen Daten dieses Endabfallgebindes sind: Massenverhältnis Wasser/Zement: 0,3; Abfall/Zement: 0,13 Gesamtvolumen: 170 dm3, Gesamtgewicht: 307 kg Pu-Inventar: 15 g,-Aktivität: 5 5 Ci, Dichte des Endabfalles: 1,8 kg/dm3. Dieses 200 l-Fass muss aufgrund der in der Bundesrepublik Deutschland geltenden Richtlinien zur Endlagerung zusätzlich in eine Betonabschirmung, die das Fass allseitig umhüllt, eingesetzt werden. Ausfiihrunasbeispiel 2: In einer Schneidmühle wird der organische, vorsortierte Rohabfall bis auf ca. 2 mm Korngrösse zerkleinert. 40 kg des Abfalles (89 dm3) mit 10 g Pu, entsprechend 3,4 Ci O(-Aktivität, werden mit 90 kg Wasser und 200 kg Zement in einem Intensivmischer innerhalb einer alphadichten Betonierzelle vermischt. Im Zellenboden befindet sich zum Ausschleusen eine rohrförmige Öffnung mit ca. 50 cm Durchmesser, die von aussen von einem sehr langen "endlosen Schlauch, dessen unteres Ende verschweisst ist, alphadicht umschlossen ist. Zur Ausbringung der Abfall/ Zement-Mischung wird ein 200 l-Fass unter die rohrförmlge Austrittsöffnung der Zelle gestellt und der endlose Schlauch, der einem Sack gleicht, in das Fass nach der Art einer Fassinnenauskleidung eingeschoben. Zur Besei tigung alphakontaminierter anorganischer Abfälle werden ca. 30 kg metallische bzw. keramische Schrotteile in das ausgekleidete Fass gelegt, bevor die fertige Zementmischung eingefüllt wird. Zum Abschluss der alphadichten Ausschleusung wird der Kunststoffschlauch abgeschweisst und das gefüllte Fass zur Verdichtung des Betons auf einen Rütteltisch gestellt. Danach wird das Fass verschlossen in ein 400 l-Fass eingesetzt und der Zwischenraum mit Beton vergossen. Nach Aushärtung des Betons ist das Endgebinde endlagerfähig. Die charakteristischen Daten des Endge bindes sind: Massenverhältnis: Wasser/Zement - 0,45; Organischer Abfall/Zement = 0,2; Gesamtvolumen: 190 dm3; Gesamt gewicht: 360 kg; Pu-Inventar: 10 g; zu -Aktivität: 3,4 Ci, Anorganischer Abfallanteil: 30 kg. Diese Beispiele zeigen, dass es nunmehr auf relativ einfache Weise möglich ist, auch die hier bei der Kernbrennstabfertigung entstehenden Abfälle, insbesondere solche auch aus Handschuhboxen, wie sie bei der Hantierung mit Plutoniumoxiden Verwendung finden, auf relativ einfache Weise ohne die bisher gefürchteten Auftriebserscheinungen in Zement einzubetten. Es wird dabei, falls auch noch die vorher aussortierten anorganischen Abfallbestandteile mit eingebracht werden sollen, zweckmässig sein, letztere ebenfalls auf ein solches Mass zu zerkleinern, dass eine vollständige Einbettung und Ummantelung durch den Zementbrei möglich ist. Besonders vorteilhaft ist auch die Verwendung des leicht radioaktiven Wassers für die Zubereitung des Zementbreies, da dieses damit ebenfalls auf diese Weise endlagerfähig gemacht worden ist, ohne dass es noch speziellen Reinigungsvorgängen usw. unterzogen werden müsste. 3 Patentansprüche

Claims: PatentansprUche 1. Verfahren zur Endkonditionierung fester radioaktiver, evtl. kernbrennstoffhaltiger Abfälle zur sicheren Handhabung, Transportierung und Endlagerung, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die radiotiven Rohabfälle in fein zerkleinerter Form in ein Zement/ Wasser-Gemisch homogen eingemischt und durch Aushärten der Mischung in einen festen endlagerfähigen Betonblock überführt werden und die Zerkleinerung des Rohabfalles soweit getrieben wird, dass die am einzelnen Partikel angreifenden Adhäsionskräfte im Zementgemisch die Auftriebskräfte aufgrund der Dichteunterschiede zwischen dem Abfall und der Zementmischung überwiegen. 2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass als Bindewasser neutrale radioaktive Abfallösungen Verwendung finden. 3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass im Zementbrei zusätzlich zum organischen Abfall nicht in diesem Masse zerkleinerbare Abfälle in Metall, Glas und Keramik hohlraumfrei eingebettet werden.

Inventors: LEDEBRINK, FRIEDRICH-WILHELM, DR.
Applicants: ALKEM GMBH
Application year: 1981
Main classification: G21F9
IPC codes: G21F9