DE2611689C3

DE2611689C3 - Verfahren zum Einschließen von radioaktiven Spaltprodukten

Info

Publication number: DE2611689C3
Application number: DE19762611689
Authority: DE
Inventors: Dietrich Dr. 5170 Juelich Thiele
Original assignee: Kernforschungsanlage Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 1976-03-19
Filing date: 1976-03-19
Publication date: 1979-01-11
Also published as: DE2611689A1; DE2611689B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Einschließen von radioaktiven Spaltprodukten in einer erstarrten Glasschmelze, wobei zur Bildung des Ausgangsstoffes für die Schmelze der die Spaltprodukte enthaltenden Lösung als glasbildende Substanzen Oxide von Silizium, Bor. Natrium und Calzium zugegeben werden, wobei die Gesamtmenge der glasbildenden Substanzen zu der Menge der als Spaltproduktoxide angenommenen Spaltprodukte im Gewichtsverhältnis von 4 zu maximal I steht, worauf im Anschluß daran die so gebildete Mischung eingetrocknet und der dabei gebildete Rückstand bei einer Temperatur von etwa 1100⁰C geschmolzen wird.

Bei der Wiederaufarbeitung verbrauchter Reaktorbrennelemente fallen hochradioaktive Abfälle an. die vom Biozyklus streng gelrennt über lange Zeiträume gelagert werden müssen. Es ist daher das Bestreben der Fachwelt, eine Möglichkeit zu schaffen, die radioaktiven Abfallstoffe, die einer weiteren industriellen Verwertung nicht zugänglich sind, beim Transport sicher zu handhaben und ohne Gefährdung der Umwelt zu lagern. Eine der dabei einzuhaltenden Bedingungen besieht darin, die die Spaltprodukte enthaltenden Lösungen vor dem Transport oder der Lagerung zu einem festen Endprodukt /u verarbeiten, das gegen die Einflüsse von Spallwiirmc, Korrosion und Grundwasser gesichert ist. Dadurch soll verhindert werden, daß Spr.ltprodukte freigesetzt werden. Dazu genügt es jedoch nicht, die wäßrige Lösung in festen Behältern einzuschließen

Hs ist bekannt, radioaktive Spaltprodukte in einer' erstarrten Glasschmelze einzuschließen. Dabei wird angestrebt, die Spaltprodukt in der glasartigen Masse in homogener Verteilung einzulagern. Die gebildete glasartige Masse soll eine gute Wasserbeständigkeit und zugleich eine gute Beständigkeit gegen Entglasung bzw. Kristallisation aufweisen.

Aus Atomwirlschafl Juli/August 1975, S. 395 und 360 und Atomwirlschafl Juli 1971, S. 359 und 360 sind Verfahren zum Einschließen von Spallprodukten in einer Glasschmelze bekannt, die außer den glasbildenden Substanzen SiO₂, B₂Oj, Na₂O und CaO auch relativ hohe Anteile an Aluminium, Titan und Zink enthält. Das hat jpdoch den Nachteil, daß — infolge des hohen Anteils an Aluminium — zum Erschmelzen der Gläser eine relativ hohe Temperatur im Temperaturbereich zwischen 1100⁰C und 1400°C erforderlich ist, was wiederum zu einer relativ hohen Abgabe von flüchtigen Spaltprodukten während des Schmelzvorganges führt. Die Anwesenheit von Schwermetallen, wie beispielsweise Titan, ist dabei insofern von Nachteil, als

to hierdurch die Löslichkeit der Schmelze für Spaltproduktschwermetalle verringert ist

Auch bei weiteren aus der DE-OS 20 33 074 und Kernenergie 10. Jahrgang 1967, Heft 7, S. 205 bis 210 bekannten Verfahren zum Einschmelzen von Spaltprodukten in einer Glasschmelze werden relativ hohe Zusätze an Aluminium, Eisen, Molybdän und Titan verwendet, so daß auch diese bekannten V« iahren — ganz abgesehen von den damit verbundenen hohen Kosten — die gleichen Nachteile wie die zuvor angegebenen bekannten Verfahren aufweisen.

Auch nach einem weiteren bekannten Verfahren, bei dem zur Bildung des Ausgangsstoffes für die Schmelze das Spaltproduktkonzentrat mit einer Aufschlämmung aus Oxiden zusammengegeben wird, werden Oxide von Silizium, Bor, Natrium, Calzium sowie ebenfalls von Titan und Aluminium verwendet. Da die Zugabe von Aluminiumoxid dazu dienen soll, die Wasserbeständigkeit der so hergestellten glasartigen Masse, die infolge des hohen Anteils an Na₂O mit 13 bis 20 Gew.% gering

JO ist, zu verbessern und da Titanoxid zugegeben wird, um durch Bildung von Cäsiumtitanat das Cäsium zu binden und somit ein Entweichen von Cäsium aus der Glasschmelze zu verhindern, werden die mit der Zugabe dieser beiden Komponenten verbundenen Nachteile

auch bei diesem bekannten Verfahren in Kauf genommen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Einschließen von radioaktiven Spaltprodukten zu schaffen, das mit einer möglichst geringen Zahl von

•Ό glasbildenden Substanzen auskommt, die in ihrer Zusammensetzung gleichwohl eine gute Schmelzbarkeit aufweisen und wobei eine gute Vermischung der Spaltprodukte mit den glasbildenden Substanzen bei geringer Verflüchtigung der Spaltprodukte erzielt wird und das zu einem Produkt führt, das eine gute Wasserbeständigkeit sowie praktisch keine Neigung zur Entglasung aufweist. Das Verfahren soll insbesondere auch dann verwendba^r sein, wenn in der die Spaltprodukt enlhaltenden Lösung auch Fluoride, Sulfate und Phosphate enthalten sind.

D.üse Aufgabe wird gemäß der Erfindung bei einem Verfuhren der eingangs bezeichneten Art dadurch gelöst, daß die glasbildenden Substanzen im Verhältnis von 45 bis 52 Gew.% SiO₂ zu 26 bis 32 Gew.% B₂Oj zu 3.0 bis 7.5 Gew.% Na₂O zu 13 bis 20 Gew.% CaO stehen. Bei der Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung werden somit ausschließlich billige Chemikalien verwendet.

Die nach dem Verfahren gemäß der Erfindung gebildete, mit dem Spaltpröduktkönzentrat vereinigte Aufschlämmung der glasbildenden Substanzen hat einen niedrigen Schmelzpunkt, Eine Verflüchtigung von Spaltprodukt während der Schmelze tritt daher praklisch nicht auf.

i'5 Wie sich gezeigt hat, sind die Spaltprodukte in der Schmelze homogen verteilt, Wobei der hohe Calziumöxidanteil eine homogene Verteilung auch des Molybdäns bewirkt, Auch werden Fluoridanleile infolge des

hohen Anteils an Calzium als schwerflüchtiges CaF₂ zuverlässig gebunden. Die nach dem Erkalten der Schmelze gebildete glasartige Masse ist zu 100% glasig. Die Wasserbeständigkeit der Masse entspricht der von Flaschenglas.

Eine vorteilhafte Weiterausgestaltung des Verfahrens gemäß der Erfindung besteht darin, daß das Trocknen der Mischung und das Schmelzen des durch das Trocknen gebildeten Rückstandes in einer Inertgasatmosphäre erfolgt. Dadurch wird die Bildung von Schlacken in der glasartigen Masse verhindert und somit die Wasserbeständigkeit des gebildeten Produktes noch verbessert.

Ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens gemäß der Erfindung wird im folgenden näher erläutert:

1360 g SiO₂, 385 g B₂Oj, 1050 g Na₂B₄O₇ und 525 g CaO wurden in Wasser eingerührt. Zu der so gebildeten Suspension wurde das zu verfestigende Spaltproduktkonzentrat, das 0,005 Mol/l Phosphat, 0,03 Mol/l Fluorid und 0,07 Mol/l Sulfat enthielt und dessen Menge etwa 720 g Spaltproduktoxiden entsprach, langsam eingegeben und die so gebildete cremige Suspension unter Stickstoff-Atmosphäre getrocknet. Dazu wurde eine rotierende Walze verwendet, die in die Suspension eintauchte und auf ihrer Oberfläche eine dünne Schicht der Suspension mitnahm. Bei der Drehung der Walze wurde die dünne Schicht getrocknet und mittels eines die Oberfläche überstreichenden Messers abgekratzt. Das so erhaltene grießige Produkt wurde in einen Tiegel aus AI₂Oi gegeben, in einer Stickstoff-Atmosphäre bei einer Temperatur von etwa 1100⁰C geschmolzer und einige Stunden bei dieser Temperatur geläutert. Im

ίο Anschluß daran wurde die Schmelze zur Bildung der glasartigen Masse über einen Zeitraum von zwei Tagen langsam abgekühlt, um die Bildung von Spannungen in der so gebildeten Masse zu vermeiden.

Die gebildete glasartige Masse besaß eine Dichte von etwa 2,67 g/cm¹ und einen Erweichungspunkt von 787°C. Das Verhältnis der Auslaugbeständigkeit der gebildeten Masse mit derjenigen von Flaschenglas wurde mit 3,5 zu 3.0 ermittelt. Eine röntgenographische Untersuchung der glasartigen Masse ergab, daß es sich um eine zu 100% glasige Substanz handelt. Auch nach einer fast zweijährigen Lagerung des Materials bei einer Temperatur von etwa 500⁰C waren röntgenographisch •keine kristallisierten Anteile feststellbar.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Einschließen von radioaktiven Spaltprodukten in einer erstarrten Glasschmelze, wobei zur Bildung des Ausgangsstoffes für die Schmelze der die Spaltprodukte enthaltenden Lösung als glasbildende Substanzen Oxide von Silizium, Bor, Natrium und Calzium zugegeben werden, wobei die Gesamtmenge der glasbildenden Substanzen zu der Menge der als Spaltproduktoxide angenommenen Spaltprodukte im Gewichtsverhältnis von 4 zu maximal 1 steht, worauf im Anschluß daran die so gebildete Mischung eingetrocknet und der dabei gebildete Rückstand bei einer Temperatur von etwa 1100⁰C geschmolzen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die glasbildenden Substanzen im Verhältnis von 45 bis 52 Gew.% SiO₂ zu 26 bis 32 Gew.% B₂Oj zu 3.0 bis 7,5 Gew.% Na₃O zu 13 bis 20 Gew.% CaO stehen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Trocknen der Mischung und das Schmelzen des durch das Trocknen gebildeten Rückstandes in einer Inertgasatmosphäre erfolgt.