DE1127508B - Verfahren und Einrichtung zum Verfestigen von waessrigem Atommuell - Google Patents

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

INTERNAT. KL.

G 21

A35632Vnic/21g

ANMELDETAG: 22. SEPTEMBER 1960

BEKANNTMACHUNG DER ANMELDUNG UND AUSGABE DER

Auslegeschrift: 12. A P RIL 1962

Die Beseitigung von radioaktivem, wäßrigem Atommüll gewinnt immer größere Bedeutung, da es bei demwachsendenAnfall solcher Abwässer nicht immer möglich ist, diese allein durch Verdünnen unschädlich zu machen. Man geht deshalb immer mehr dazu über, die Atommüllflüssigkeiten zu verfestigen, um die so gebildeten Körper dann mit einem Mindestmaß an Gefährdung ins Meer zu versenken oder zu vergraben. Zum Verfestigen hat man das Zusammenschmelzen der vorher konzentrierten strahlenden Abfälle mit Glasbildnern, das Festsintern der in Ionenaustauschern angereicherten. oder in silikathaltigen Tonen aufgenommenen Abfälle durch keramischen Brand oder das Aufnehmen der strahlenden Flüssigkeit in Zement mit anschließendem hydraulischem Abbinden vorgeschlagen.

Ziel der Erfindung ist es, gewisse diesen verschiedenen Methoden anhaftende Mängel und Schwierigkeiten bei der Handhabung der verwendeten Hilfsmittel und Werkstoffe zu beseitigen oder wenigstens auf ein erträgliches Maß herabzusetzen und den endgültigen zum Versenken oder Vergraben bestimmten Formkörpern, in denen die gefährlichen Abfälle gebunden sind, ohne umständliche und die Umgebung gefährdende Maßnahmen ein Höchstmaß an Sicherheit dagegen zu geben, daß die gefährlichen Stoffe nach dem Versenken oder Vergraben der Aufnahmekörper ausgelaugt werden.

Über die genannten Schwierigkeiten, die sich bei der selektiven Absorption strahlender Kationen in Tonen der Montmorillonitgruppe mit anschließendem keramischem Brand einstellen und die dabei vor allem bei der Handhabung des gefährlichen hochaktiven Stoffes in Erscheinung treten, berichtet z. B. eine Arbeit von Kunkel in der Zeitschrift »Atompraxis«, Bd. II, 1956, S. 272 bis 274 (vgl. besonders S. 273, linke Spalte, und S. 274, linke Spalte unten bis rechte Spalte oben). In einem anderen Aufsatz von Amphlett über die Behandlung hochaktiver Abfälle in der Zeitschrift »Atomics«, Bd. 8, 1957, S. 116 bis 120, wird die Überführung solcher Abfälle in feste, nicht auslaugbare Form besprochen, und es wird über die bei den dortigen Brennverfahren entstehenden Schwierigkeiten berichtet (vgl. besonders S. 118, unke Spalte, Absätze 1 und 2, und mittlere Spalte in der Mitte des Absatzes 2, sowie S. 119, rechte Spalte, Absatz 1). Bei den dort besprochenen Methoden.der Verfestigung einerseits durch Zusammenschmelzen der vorher entwässerten und konzentrierten Abfälle mit Flußmitteln zu glasigen Massen und andererseits durch keramisches Brennen der vorher mit silikathaltigen Tonen vermischten Abfälle sind besondere Vor-Verf ahren und Einrichtung zum Verfestigen von wäßrigem Atommüll

Anmelder:

Rudolf Alberti,
St. Andreasberg (Harz), Wäschegrund 463

Rudolf Alberti, St. Andreasberg (Harz),
ist als Erfinder genannt worden

sichtsmaßregeln erforderlich, um bei den genannten vorbereitenden Schritten eine Gefährdung der Arbeiter zu vermeiden, so daß ζ. Β. mit Fernbedienung gearbeitet werden muß (vgl. S. 119, mittlere Spalte unten).

Solche Vorsichtsmaßregeln sind großenteils entbehrlich, wenn man sich zur Beseitigung der wäßrigen Isotopenabfälle des Aufnehmens in reinem Zement oder Betonmischungen bedient, bei denen durch geeignete Maßnahmen die gleichmäßige Verteilung im Aufnahmegemisch selbsttätig und ohne die Notwendigkeit des Rührens erreicht werden kann. Da die so mit dem strahlenden Anmachwasser erzeugten hydraulisch abgebundenen Blöcke aber infolge ihrer Verfestigung auf kaltem Wege nicht immer die für die Widerstandsfähigkeit gegen Auslaugen wünschenswerte Porenfreiheit aufweisen, so hat man auch schon die abgebundenen Blöcke nachträglich mit einem porenfüllenden selbsthärtenden Kunststoff getränkt.

Demgegenüber wird an Stelle einer solchen Kunststofftränkung bei einem Verfahren zum Verfestigen wäßrigen Atommülls, bei dem das strahlende Abwasser von einem hydraulischen Bindemittel aufgenommen und zum Abbinden gebracht wird, gemäß der Erfindung zuerst als hydraulisches Bindemittel ein feuerfester Zement verwendet und anschließend der abgebundene Block in an sich bekannter Weise durch einen keramischen Brand zu einem gegen Auslaugen festen Sinterkörper verdichtet. Bei diesem zweistufigen Verfahren wird der Block also nach dem in der ersten Stufe stattgefundenen Abbinden in Vorbereitung der zweiten (Verdichtungs-) Stufe zunächst durch Vorglühen im Trockenofen entwässert und dann scharf gebrannt.

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Auf diese Weise lassen sich die bei Anwendung der hydraulischen Verfestigungsmethode gegebenen Erleichterungen und Vorteile, die in der weitgehenden Ausschaltung der Bedienungsgefahren während der vorbereitenden Maßnahmen zur Verfestigung der Abfälle liegen, mit der Sicherheit verbinden, die ein abschließendes Brennen, der vorverfestigten Blöcke für deren Widerstandsfähigkeit gegen Auslaugen bietet. Die Mängel, die den bisher mit Brennen arbeitenden

Müllbetonkörpers mitverbrennt. Da das Herausnehmen der Einfülltrichter nach dem Einfüllen und das Lösen des abgebundenen Körpers aus dem Behälter mit Strahlungsgefahren verbunden wären und man diese Teile besser mit dem Block zusammenläßt, so ist bei Verwendung des billigen Kunststoffes der Verlust unbedeutend. Solche Kunststoffaufnehmer, die aus dem Behälter mit eingesetztem Einfülltrichter und Verteilerröhrchen bestehen, sind infolge ihrer Einfach-

Methoden der AtommüHverfestigung infolge der ι ο heit und bequemen Anwendbarkeit, ihrer wirtschaftschwierigen und gefährlichen Vorbereitungsmaß- liehen Herstellung und ihres geringen Versandgewichnahmen anhaften, sowie die bei nur hydraulischer tes geeignet, dem geschilderten Verfahren der Atom-Verfestigung zuweilen vorhandene Unsicherheit wegen müllbeseitigung weite Anwendungsbereiche auf zahlmangelnder Porenfreiheit der Blöcke zur Vermeidung reichen Gebieten der Technik und Wissenschaft zu des Auslaugens werden durch das neue Verfahren 15 eröffnen. Ein weiterer Vorteil der Benutzung eines gleichermaßen behoben: In der ersten Phase werden verbrennbaren Behälters liegt darm, daß die vor dem die Vorteile der hydraulischen Blockbildung für die Scharffeuerbrand vorzunehmende Entwässerung des vorbereitenden Arbeiten ausgenutzt, gegenüber dem abgebundenen Formkörpers durch Vorglühen erobenerwähnten MontmorÜlonitverfahren besteht z. B. leichtert wird, wenn die Außenhülle dabei schnell verder Vorteil, daß das Mischen fortfällt und daß in den 20 schwindet und den entweichenden Wasserdämpfen Trockenofen bereits ein verfestigter Werkstoff und . kein Hindernis mehr bietet. Der fertig gebrannte kein halbflüssiger Brei kommt, und in der zweiten
Phase werden die Vorteile für die weitgehende Sicherung gegen Auslaugen durch das Sintern des vorher
abgebundenen Blocks ausgenutzt.

Es empfiehlt sich, dem zum Aufnehmen der strahlenden Abfallflüssigkeit dienenden feuerfesten Zement
feuerfeste Zuschläge, wie Schamotte oder Ziegelsplitt,
zuzusetzen. Dadurch wird die Festigkeit des abgebundenen Betonblocks erhöht und seine Handhabung bis 30
zum anschließenden Brand erleichtert. Zweckmäßig
ist es, diese Zuschläge in einer weitgehend isodispersen Körnung zu verwenden, bei der also der weitaus
größte Teil der Korngrößen in ziemlich engen Grenzen liegt, z. B. zwischen 1,5 und 3 mm. Eine solche 35 der Erfindung beschrieben. In der Zeichnung zeigt Verteilung der Skelettbildner in der Betonmischung Fig. 1 ein schematisches Schnittbild eines Auf

erleichtert das gleichmäßige Aufsaugen des aufzunehmenden Abwassers, welches zweckmäßig von unten in das Aufnahmegemisch eingeführt wird. Will man außerdem die Gesamtabstrahlung des zu bildenden Blocks vermindern, indem man nach der Lehre der deutschen Patentschrift 1053 686 dem Aufnahmestoff Stoffe hohen Strahlenabsorptionsvermögens, wie Schwerspat, zusetzt, so wird aus den oben genannten

Gründen auch dieser Zuschlag dem feuerfesten Ze- 45 Zuschlagen. Von diesem Gemisch läßt man die zu ment zweckmäßig als isodisperse Körnung zugesetzt. beseitigende Flüssigkeit in Form einer Lösung oder

Formkörper läßt dann höchstens noch geringe Reste der Kunststoffteile des Füllgerätes erkennen. Einer festen Hülle, wie sie bei nur hydraulisch erhärteten, zum Versenken oder Vergraben bestimmten Formkörpern schon im Interesse der Transportsicherheit zuweilen erwünscht war, bedarf der durch den nachträglichen Brand verdichtete Sinterbetonkörper ohnehin nicht.

Ein solcher Versenkungskörper kann walzenförmige Gestalt oder auch viereckigen Querschnitt haben, was zuweilen für das gemeinsame Stapeln einer Mehrzahl solcher Körper von Vorteil ist.

Im folgenden werden einige Ausführungsbeispiele

nahmegerätes aus Kunststoff, darunter eine Aufsicht, Fig. 2 einen mit Hilfe dieses Gerätes hergestellten atommüllhaltigen gebrannten Sinterbetonkörper und Fig. 3 einen entsprechenden Körper viereckigen Querschnitts.

Zum Verfestigen wäßrigen Atommülls dient feuerfester Zement allein oder ein trockenes Aufnahmegemisch aus feuerfestem Zement und ebensolchen

Um ein Auseinandertreiben des abgebundenen Blocks beim anschließenden Brennen zu vermeiden, wird der zugesetzte Schwerspat vorher geglüht, so daß er dann später nicht mehr »spratzt«.

Die durch das neue Verfestigungsverfahren erzielbaren Vorteile für die Vermeidung gefährlicher Handhabungen vor dem abschließenden Brand werden am besten ausgenutzt, wenn man das gleichmäßige und

einer Suspension radioaktiver Isotopen aufsaugen. Dazu kann ein z. B. aus billigem Kunststoff bestehendes Gerät gemäß Fig. 1 dienen, bei dem in einem zylindrischen, unten geschlossenen und oben offenen Behälter 1 ein Einfülltrichter 2 mit mehrfach gelochtem, unten offenem Rohr 3 in der Mitte gelagert ist und gegebenenfalls durch einige Stützleisten 4 zentriert gehalten werden kann. Dies Einfüll- und Auf-

ohne mechanische Nachhilfe erfolgende Verteilen der 55 nahmegerät wird bis zur gestrichelten Linie 5 mit dem

Flüssigkeit im Aufnahmegemisch der Einrichtungen, trockenen Aufnahmegemisch gefüllt. Dann wird durch

wie schon vorgeschlagen wurde, so vornimmt, daß den Trichter die aktive Flüssigkeit eingefüllt, bis sie

das strahlende Abwasser in das hydraulische Auf- sich gleichmäßig in der ganzen Masse verteilt hat. Als

nahmegemisch durch mit gelochten Auslauf rohren Aufnahmebett dient entweder reiner feuerfester

versehene Einfülltrichter eingegossen wird und es von 60 Zement in der Zusammensetzung nach dem Zement-

unten her hochsteigt. Die Röhren verbleiben ge- taschenbuch, 1954, S. 30, z. B.: SiO₂ 6 bis 9°/o,

gebenenfalls auch nach dem Abbinden im Block und Al₂ O₃+Ti O₂ 46 "bis 50%, FeO bzw. Fe₂O₃ 0,5 bis

können zusammen mit diesem dem Brennvorgang 1,0'%, Mn₂O₃ bzw. MnO 0,3%, CaO 37 bis 42%,

unterworfen werden. MgO 1,5 bis 2,0%, SO₃ 0,4^o/o, oder ein. solcher

Für die dabei verwendeten Behälter und Einfüll- 65 Zement mit feuerfesten gekörnten Zuschlägen, wie

trichter kann man einfachen und billigen Kunststoff Schamotte, Ziegelsplitt oder vorgeglühtem, also nicht

verwenden, der dann nach dem hydraulischen Ab- mehr zerspratzendem Schwerspat. Die Korngröße der

binden der Füllung beim anschließenden Brand des Zuschläge soll im wesentlichen unter 5 mm und mög-

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liehst in den Grenzen zwischen 1,5 und 3 mm liegen. Von einem solchen Stoff nimmt, ein zylindrischer Behälter von 3 1 Inhalt beispielsweise auf

a) 3,0 kg reinen Tonerdeschmelzzement (TSZ),

b) 1,8 kg reinen TSZ+1,5 kg Schamotte,

c) 1,8 kg reinen TSZ+1,5 kg Ziegelsplitt,

d) 1,8 kg reinen TSZ+5,4 kg vorgeglühten Schwerspat.

Nachdem ohne mechanische Nachhilfe erfolgenden Einfüllen undVerteilenderradioaktivenFlüssigkeit läßt man das Gemisch abbinden, was nach etwa 2 Tagen abgeschlossen ist. Nun kann der abgebundene Walzenkörper von der Form gelöst und anschließend gebrannt werden. Meist ist es aber bequemer, für den zylindrischen Behälter und die Einfülleinrichtungen einen billigen Kunststoff zu verwenden und diese Teile beim Brennen des hydraulisch abgebundenen Fonnkörpers verbrennen zu lassen. Die Walze wird nun also mit oder ohne Hülle innerhalb von 5 Stunden gleichmäßig bis auf 500° C erhitzt und kann dann schnell auf die erforderliche Temperatur von etwa 1000° C gebracht werden. Die anzuwendende Brenntemperatur richtet sich nach der Art des Zements und der Zuschläge und läßt sich durch einfachen Vorversuch von Mischung zu Mischung bestimmen. Das überschüssige Wasser verdampft bis 500° C. Bei der Brenntemperatur von z. B. 1100° C wird die Walze etwa 2 bis 4 Stunden gehalten, um dann langsam abzukühlen. Durch das Brennen wird der Körper weitgehend widerstandsfähig gegen Auslaugen und überhaupt korrosionsfest. Gegenüber anderen keramischen Brennverfahren bei der Beseitigung von Atommüll besteht der Vorteil, daß die dem verfestigenden Brand zu unterwerfenden Bestandteile der Masse nicht erst besonders gemischt zu werden brauchen und daß das Rohgut als hydraulisch abgebundener Block bereits völlig fest in den Trocken- und Brennofen kommt.

Der fertig gebrannte Sinterbetonkörper zeigt nach dem Abkühlen auf der Oberfläche nur noch geringe Spuren des verbrannten Aufnahme- und Einfüllgerätes, wie es in der teilweise durchsichtig gezeichneten Fig. 2 durch die leicht gewellten Linien auf der Mantelfläche 6, der Bodenfläche 7 und der früheren Trichter-Sitzfläche 8 angedeutet ist. Die Fig. 3 zeigt einen Sinterbetonkörper viereckigen Querschnittes, Benutzt man Aufnahme- und Einfüllgeräte, die nicht aus Kunststoff bestehen, sondern z. B. aus Eisen, so können diese bei dem auf das hydraulische Härten folgenden Brand ohne Schaden im Formkörper belassen werden. Der Einfülltrichter kann auch kurz vor dem hydraulischen Erhärten herausgezogen werden.

Claims (5)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Verfahren zum Verfestigen wäßrigen Atommülls, bei dem das strahlende Abwasser von einem hydraulischen Bindemittel aufgenommen und zum Abbinden gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß zuerst als hydraulisches Bindemittel ein feuerfester Zement verwendet und anschließend der abgebundene Block in an sich bekannter Weise durch einen keramischen Brand zu einem gegen Auslaugen festen Sinterkörper verdichtet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Aufnahmegemisch für die Bildung des hydraulisch abbindenden Blockes feuerfester Zement mit Zuschlägen von Schamotte, Ziegelsplitt oder vorgeglühtem Schwerspat verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das strahlende Abwasser in das hydraulische Aufnahmegemisch durch mit gelochten Auslaufrohren versehene Einfülltrichter eingegossen wird, die nach dem Abbinden im Block verbleiben und zusammen mit diesem dem Brennvorgang unterworfen werden.

4. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen mit dem hydraulisch abbindenden Aufnahmegemisch zu füllenden und mit Einfülltrichter (2) und -röhrchen (3) besetzten Behälter (1) aus Kunststoff.

5. Nach dem Verfahren der Ansprüche 1 bis 3 hergestellter Versenkungsblock mit einem Gehalt an strahlenden Isotopenabfällen, bestehend aus einem zuerst hydraulisch erhärteten und anschließend durch einen keramischen Brand verdichteten Sinterbetonkörper auf der Grundlage von Tonerdeschmelzzement mit Zuschlägen.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschrift Nr. 1 053 686; französische Patentschrift Nr. 1168 251; »Atompraxis«, Bd. 2, 1956, S. 272 bis 274; »Atomics«, Bd. 8, 1957, S. 116 bis 120; Ulimann, »Enzyklopädie der technischen Chemie«, 1920, S. 225.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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