DE2418518A1

DE2418518A1 - Speichervorrichtung fuer radioaktiven abfall

Info

Publication number: DE2418518A1
Application number: DE2418518A
Authority: DE
Inventors: Allyn Lee Boldt
Original assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Current assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Priority date: 1973-04-17
Filing date: 1974-04-17
Publication date: 1974-11-07
Also published as: JPS5035600A; FR2226730B1; US3828197A; GB1444479A; CA1006631A; FR2226730A1

Description

United States Atomic Energy Commission, Washington, D.C. 20545,
U.S.A.

Speichervorrichtung für radioaktiven Abfall.

Die Erfindung bezieht sich auf die Speicherung stark radioaktiver Abfallstoffe für eine länger ausgedehnte Zeitperiode. Die Erfindung bezieht sich ferner auf einen Behälter oder ein Faß für eine derartige Speicherung und auf ein Verfahren zur Beseitigung stark radioaktiver Abfallstoffe.

Ein stark beachtetes Problem der Kernindustrie ist die Beseitigung radioaktiver Abfallstoffe in der Weise, daß sie niemals eine Verunreinigung der Biosphäre mit Radioaktivität bewirken können. Das Endziel für sich mit der Beseitigung des Abfalls beschäftigenden

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Ingenieure besteht darin, die Abfallstoffe in einer solchen Form und einer solchen Umgebung abzulagern, daß unter keinerlei vorstellbaren Umständen eine Verunreinigung der Biosphäre während der gesamten Periode auftreten kann, während welcher die Radioaktivität auf einem gefährlichen Pegel liegt; bislang gelang es keinem Abfallbeseitigungsverfahren allgemein angenommen zu werden. Als eine Alternative oder zur Ergänzung für die endgültige Abfallbeseitigung kommt die Speicherung oder Aufbewahrung unter Verwendung von Gebäuden, Gewölben, Tanks, usw. in Frage, wobei fortlaufend eine Überwachung und Wartung verwendet werden kann. Beispielsweise wurden und werden große flüssige Abfallmengen in großen Tanks aufbewahrt. Infolge der enormen Kosten für die

wurde

Speicherung von Flüssigkeiten/ bereits ein Programm zur Umwandlung dieser Abfallstoffe in feste Abfallstoffe begonnen. Unannehmbar hohe Kosten ergeben sich durch die Speicherung und die Verbreitung stark radioaktiver Abfallstoffe entwickeln eine beträchtliche Zerfallswärme in großen Gebäuden, wobei die Wärmeleitung durch die Wände und das Dach zur Atmosphäre zur Verteilung der in den Abfallstoffen entwickelten Wärme dient. Zur Speicherung von stark radioaktiven Abfallstoffen dienende Gebäude und Gebilde wurden stets mit aktiven Mitteln zur Kühlung der Abfallstoffe ausgestattet, und zwar einschließlich der Verwendung von beispielsweise Pumpen, Ventilatoren und Wärmeaustauschern, wobei dies zusätzlich zu Ventilationsfiltern und Strahlungsabschirmungen erfolgte, die infolge des hohen Pegels der Strahlung erforderlich waren. Sämtliche bisher bekannten Ingenieurbauspeichersysteme waren daher teuer und infolge der Kosten und der begrenzten Lebensdauer der Behälter waren diese bekannten Systeme lediglich Zwischenlösungen für das Problem der Beseitigung radioaktiven Abfalls.

Gemäß der vorliegenden Erfindung werden stark radioaktive Abfallsstoffe in starkwandigen Metallfässern aufbewahrt, die an der offenen Luft gelagert werden, wo die natürlich Konvektionsluft die Zerfallswärme von den Fässern abführt. Nach ungefähr 150 Jahren kann das Faß in eine Hartfelsmine überführt werden, da die thermische Leitfähigkeit des Felses ausreicht, um übermäßige Temperaturerhöhungen in den Abfallsstoffen zu verhindern. Wenn der

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Abfall lediglich von Plutonium-Rezyklus-Druekwasserreaktoren

Neuirongnstammt, so muß die hohe Dosisrate um das Paß herum reduziert werden, und zwar dadurch, daß man das Faß in seiner Speicherstellung mit verkleinertem Graphit umgibt,oder dadurch, daß man Kühlrippen am Faß anordnet und ein Neutronenabschirmmaterial, wie beispielsweise Polyäthylen, zwischen den Rippen verwendet.

Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen an Hand der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt;

Fig. 1 eine aufgebrochene perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Speicherfasses;

Fig. 2 und 3 Abwandlungen des erfindungsgemäßen Speicherfasses.

Im folgenden sei ein spezielles Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. In der Zeichnung ist ein Behälter 10 für einen hohen Pegel aufweisende radioaktive Abfallstoffe dargestellt, der innerhalb eines dickwandigen Metallfasses 11 angeordnet ist, welches mit einem massiven Absehrimstopfen 12 versehen ist, der in eine öffnung 13 im Ende des Fasses 11 Tiefeindring-eingeschweißt ist. Für einen Behälter 10 mit 12 Zoll Durchmesser und 10 Fuß Länge, der radioaktive Abfallstoffe enthält, die 5 Kilowatt Abfallwärme abgeben, ist ein Niedrig-Kohlenstoffstahl-Faß geeignet, welches 45 Zoll Durchmesser, 13 Fuß Länge, sowie 16 Zoll starke Wände und ein Gewicht von ungefähr 35 Tonnen besitzt. Niedrig-Kohlenstoffstahl wird als Konstruktionsmaterial verwendet, um die Faßkosten niedrig zu halten. Vorzugsweise wurde dem Stahl 0,25 % Kupfer hinzugefügt, um die Korrosionsbeständigkeit zu erhöhen, da auf diese Weise die Ausbildung eines dicht gehaltenen Oxydüberzugs gefördert wird. Andere Metalle, wie beispielsweise Blei oder Uran, könnten ebenfalls verwendet werden. Um die Kosten so niedrig wie möglich zu halten, wird das Faß 11 durch Giessen in einer Form hergestellt. Es ist akzeptabel, die Fässer als Rohrgießstücke zu verwenden, wobei ein Minimum an Inspektion und/oder Untersuchungen anfällt, um sicherzustellen,

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daß keine Sprünge, Schichtungen oder große Leerstellen vorhanden sind. Vor dem Einsetzen des Stopfens können durch Verwendung einer Handschleifmaschine Schlacke und Oxyde aus der Schweißzone entfernt werden.

Die Zerfallswärme vom "Abfallmaterial wird vom Faß durch die natürliche Luftkonvektion um das Faß herum entfernt und zur Förderung der natürlichen Konvektion ist das Faß durch vorgegossene Sattelständer 14 gehaltert. Es sind keine Zusatz- oder Not-Kühlsysteme erforderlich. Die Faßaussentemperatur beträgt ungefähr 275°F und die Temperatur des inneren Abfallbehälters beträgt ungefähr 55O°F für einen 5 Kilowatt-Behälter, wobei angenommen ist, daß die Strahlungswärmeübertragung nur zwischen dem Abfallbehälter und der inneren Faßwand auftritt. Die Temperaturdifferenz zwischen der inneren und äußeren Wand des Fasses beträgt ungefähr 10°F.

Die durch die 16 Zoll starken Stahlwände des Fasses erzeugte Abschirmgröße vermindert die äußere Gamma-Dosisrate auf 1 mr/Stunde für typische Uranabfälle. Es ist zu erwarten, daß die Neutronendos israte ungefähr 30 mr/Stunde bei einem Abstand von 6 Fuß gegenüber dem Faß beträgt.

Die Aufbewahrung der Fässer erfolgt im Freien. Das Anordnen des Fasses innerhalb eines Gebäudes würde die freie Verteilung der erwärmten Luft in die Atmosphäre beschränken und einen Temperaturanstieg zur Folge haben. Vorzugsweise werden die Fässer in trockenem aridem Klima aufbewahrt, wo die Lebensdauer eines der Atmosphäre ausgesetzten Fasses annähernd 10000 Jahre beträgt.

Eine Analyse eines Fasses mit 16 Zoll starken Stahlwänden ergibt, daß das Faß allen Naturereignissen, wie beispielsweise Tornados, Erdbeben, Fluten, usw., standhält. Das Faß sollte auch jedem Unfall, wie beispielsweise Feuer oder einem Flugzeugaufprall,standhalten. Da die Fässer durch Sabotage beschädigt werden könnten, und da die Dosisrate außerhalb der Fässer zwar begrenzt,aber noch immer merklich ist, müßten die Fässer in einem Gebiet aufbewahrt werden, wo der Zutritt beschränkt ist, so daß die Hauptkosten eines Abfallbeseitigungssystems mit einer Anzahl dieser Fässer in

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einer Bewachungsmannschaft su sehen wären, die den Zugang der Öffentlichkeit zu diesem Gebiet verhindern.

Die in den Fässern eingekapselten Abfallstoffe sind dann für eine Unterbringungen in geologischen Gebilden geeignet, nachdem sie in dem versiegelten Faß für 150 Jahre oder mehr zerfallen sind. Der Zerfall über 150 Jahre hinweg vermindert die Wärmeabgabe in einem solchen Ausmaß, daß Gebilde mit thermischen Leitfähigkeiten - wie z.B. Hartfelsminen - verwendet werden können, und zwar mit einer relativ hohen Speicherdichte, ohne daß dabei übermäßige Temperaturerhöhungen auftreten. Es ist zu erwarten, daß ein richtiges geologisches Gebilde ausgewählt werden kann, das die Wiedergewinnung der Stahlfässer in gebrauchsfähigem Zustand nach 10000-den von Jahren gestatten würde.

Die Verwendung des Fasses und des oben beschriebenen Verfahrens zur Speicherung von Abfallstoffen aus Plutonium-Rezyklus-Druckwasserreaktoren würde lediglich eine unannehmbar hohe Neutronendosisrate außerhalb des Fasses (ungefähr 300 mr/Stunde) erzeugen.

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Die Neutronenstrahlung wird durch den Cm-Gehalt des Abfallstoffs hervorgerufen und verringert sich mit einer Halbwertszeit von 18 Jahren. Diese hohe Neutronendosisrate kann durch Verwendung der Ausführungsbexspiele gemäß den Figuren 2 oder 3 vermieden werden. Wie in Fig. 2 gezeigt, ist ein Stahlkasten 15 um das Faß 11 in seiner Speicherstellung herum angeordnet, wobei dieser Kasten mit zerkleinertem Graphit 16 gefüllt ist. Der Graphit bildet eine Neutronenabschirmung und die hohe thermische Leitfähigkeit des Graphits verhindert eine übermäßige Überhitzung des Fasses und des Abfallbehälters. Eine alternative Lösung ist in Fig. 3 dargestellt, wo Kühlrippen 17 am Faß 11 zur Zeit von dessen Herstellung angegossen werden, und wobei Platten aus Neutronenabschirmmaterial 18, wie beispielsweise Polyäthylen, zwischen und an der Basis der Rippen angeordnet sind. ·

• Die Arbeitsweise einer Abfallablagerungsanlage zur Aufnahme von Abfallspeicherfässern gemäß der vorliegenden Erfindung würde wie folgt erfolgen:

a) Die Aufnahmeanlage entlädt Behälter aus festem radioaktiven

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Abfall aus Versandfässern in einer heißen Zelle.

b) Die Abfallbehälter werden durch einen In-Zellen-Kran durch eine Zellenbodenöffnung in ein offenes Faß übertragen-

c) Ein massiver Faßabschirmendstopfen wird in die obere Seite des Fasses eingepaßt und erzeugt somit volle Gamma-Abschirmung.

d) Das geladene Faß wird auf einem Transporter zu einer kontaktbetätigten Stopfen-Schweißstation gebracht.

e) Eine Gamma-Untersuchung wird am Äußeren des Fasses vorgenommen, um sicherzustellen, daß in der Faßwand keine Hohlräume vorhanden sind.

f) Der Endabschirmstopfen wird in den Faßkörper durch eine Tiefeindring-Schweissung (beispielsweise 8 bis 12 Zoll) eingeschweißt, um eine hohe Korrosionsbeständigkeit in der Schweißzone ähnlich dem Faßkörper zu erhalten. Eine Anfangsuntersuchung der Schweißverfahren ergab, daß das Elektroschlackenschweißverfahren für diesen Anwendungsfall sehr geeignet ist.

g) Die Schweißqualität wird überprüft.

h) Das Faß wird auf äußere Verunreinigung überprüft.

i) Das Faß wird durch einen mit Gummireifen oder Gummiketten versehenen Träger zu einem Speicherplatz in der Aussenanlage gebfacht und dort - wie in Fig. 1 gezeigt - auf Sattelständern angeordnet.

Dieses Verfahren weist ein Betriebsproblem bei der Neutronenbestrahlung auf, wobei aber erwartet wird, daß dies durch örtlich angebrachte Neutronenabschirmungen an den Arbeitsstationen überwunden werden kann. Basierend auf den Neutronendosisraten - angegeben von ORNL - für Abfallversandfässer bei verlorener Neutronenabschirmung wird angenommen, daß die Neutronendosisrate für ein "typisches" Faß annähernd 30 mr/Stunde bei einem Abstand von 6 Fluß gegenüber dem Faß beträgt. Dieser Wert kann auf vernünfti-

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ge Werte in der EinkapseleiT?richtung und am Fahrersitz auf dem Transporter durch die Verwendung örtlicher Neutronenabschirmungen reduziert werden. An den Speicherplätzen im Gelände können die relativ hohen Neutronendosisraten als annehmbar angesehen werden, da der Speicherplatz normalerweise nicht zugänglich ist.

Vorteile des Verfahrens:

a) Die gesamten Kapital- und Betriebskosten für die Aufbewahrung mit abgedichteten Fässern sind beträchtlich niedriger als die Kosten für Gebäude mit gesonderten Abschirm-, Umschließungsund Wärmeentfernungs-Systemen.

b) Dieses Verfahren bietet ein Festhalten an Stelle der kontrollierten Freigabeumschließungssysteme anderer Gebäudespeichersysteme.

c) Das zur überwachung erforderliche Personal wird auf 10% weniger geschätzt als das für andere Bauspeichersysteme erforderliche Personal.

d) Das Verfahren hat eine Lebensdauer von mehr als 1000 Jahren gegenüber der annähernd 100-jährigen Lebensdauer anderer Bauspeichersysteme .

e) Anders als andere Bauspeichersysteme macht dieses Verfahren keine Not-Kühlsysteme erforderlich.

f) Die Auflassungskosten für die Speicherung mit abgedichteten Fässern sind wesentlich geringer als die für Bauspeichersysteme.

g) Die eingekapselten Abfallstoffe in den Fässern können in geologischen Räumen abgelagert werden, nachdem sie 150 Jahre oder mehr in dem abgedichtete Fässer verwendenden Oberflächenspeicher sys tem zerfallen sind.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

Speicherfaß für feste einen hohen Pegel aufweisende radioaktive Abfallstoffe, wobei ein Metallfaß einen Stopfen aufweist, der durch eine Tiefeindring-Schweißung in seinem Platz eingeschweißt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallfaß ein dickwandiges einstückiges Kohlenstoffstahlfaß ist, wobei die Dicke der Wände ausreicht, um das Faß im Freien aufzubewahren.
2. Speicherfaß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Faßwände 16 Zoll stark sind.
3. Speicherfaß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Faß aus einem Kohlenstoffstahl gebildet ist, der 0,25% Kupfer enthält·
4. Speicherfaß nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Kühlrippen (17) am Faß vorgesehen sind, und daß das Faß von einem Neutronen absorbierenden Material umgeben ist, welches zwischen den Rippen angeordnet ist.
5. Speicherfaß nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit verkleinertem Graphit angefüllter Stahlkasten (15) vorgesehen ist, in welchem das Speicherfaß (11) eingetaucht ist.

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