DE2856466A1

DE2856466A1 - Verfahren zur herstellung von hochradioaktive abfallstoffe enthaltenden formkoerpern aus in eine metallische matrix eingebetteten glas-granalien

Info

Publication number: DE2856466A1
Application number: DE19782856466
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dr Ondracek
Original assignee: Kernforschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date: 1978-12-28
Filing date: 1978-12-28
Publication date: 1980-07-10
Also published as: BE880578A; FR2445594B1; GB2041912B; GB2041912A; JPS6239719B2; US4383944A; FR2445594A1; DE2856466C2; JPS5590900A

Description

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KERNFORSCHUNGSZENTRUM Karlsruhe, den 22.Dezember 1978 KARLSRUHE GMBH PLA 7868 Gl/str

Verfahren zur Herstellung von hochradioaktive

Abfallstoffe enthaltenden Formkörpern aus in

eine metallische Matrix eingebetteten Glas-Granalien

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Beschreibung;;

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von hochradioaktive Abfallstoffe enthaltenden Formkörpern, bei welchem die Abfallstoffe mit geschmolzenem Glas vermischt oder gemeinsam mit Glasbildnern aufgeschmolzen werden, die entstehende Schmelze in Glas-Granalien oder Glaspulver überführt wird •und diese in eine Matrix aus reinem Metall oder Metall-Legierungen engebettet werden.

Aus der Notwendigkeit einer Langzeitlagerung von hochradioaktiven Abfall enthaltenden Verfestigungsprodukten in beispielsweise Salzstöcken ergeben sich folgende Forderungen an derartige Endlagerungsprodukte:

Das Produkt muß im inneren thermochemisehen Gleichgewicht sein, d.h. es muß sich in einem energetischen Minimalzustand befinden, da dies die z.Zt. bestmögliche Gewähr für thermochemisehe Stabilität ist.

D.as Produkt muß so beschaffen sein, daß Wechselwirkungen mit der Umgebung nicht zu einem Sicherheitsrisiko werden können. Solche Wechselwirkungen sind nicht ausschließbar,da den realen Zustandsbedingungen gemäß und den möglichen Änderungen der Zustandsbedingungen über einen langen Zeitraum entsprechend ein Gleichgewicht zwischen dem Endlagerungsprodukt und seiner Umgebung in der Lagerstätte nicht gewährleistet werden kann.

Werden diese Forderungen nicht erfüllt, so können durch Veränderungen im Produkt die Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Komponenten oder Phasenumwandlungen oder dessen Eigenschaften₍ wie z.B. die Wärmeleitfähigkeit, Korrosionsresistenz oder Festigkeit, ungünstig verändert werden und

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durch chemische und/oder mechanische Wechselwirkung mit der Umgebung, wie Auslaugung oder mechanische Beanspruchung durch geologische Druck- und Scherkräfte, die Endlagerungsprodukte ganz oder teilweise zerstört werden.

In jedem Falle wäre damit aber der unkontrollierbare Übertritt von hochradioaktiven Spaltprodukten in die Biosphäre verbunden.

Zur wirksamen Erhöhung der Auslaugbeständigkeit der seit langem bekannten Abfall- Glas-Verfestigungsprodukte und um deren physikalische Stabilität für lange Zeit garantieren zu können, wurde in der DE-OS 25 24 169 ein Verfahren vorgeschlagen, bei welchem die die hochradioaktiven Spaltprodukte enthaltende Glasschmelze zunächst in Glas-Granalien überführt wird und diese Granalien in Metallbehälter gefüllt werden, wonach der leere Raum zwischen den Granalien mit geschmolzenem Metall oder einer geschmolzenen Legierung, vorzugsweise aus Blei oder Bleilegierungen, ausgefüllt wird. Hierbei soll sich keine Erhöhung des Schüttvolumens der Abfall-Granalien innerhalb der Behälter ergeben.

Das Umgeben bzw. Ausgießen der Glfsgranulatschüttungen mit Metallschmelzen weist jeoch den großen Nachteil auf, daß ein Produkt erhalten wird in dem sich die Glas-Granalien berühren. Hierdurch kann nicht ausgeschlossen werden, daß

a) die Kontaktstellen der Glas-Granalien untereinander auf mechanische Beanspruchung unverändert sprödbrüchig reagieren,

b) in Bezug auf Korrosion oder Auslaugung immer ein Zugang aus der Umgebung zu allen spaltprodukthaltigen Granalien im Produktinnern besteht. Außerdem ist bei dem Verfahren nach der Offenlegungsschrift 25 24 169 die Wahl der verwendbaren Metallschmelzen auf solche beschränkt, deren Benetzung mit den verwendeten Glastypen ausreicht _una· deren thermische Ausdehnungskoeffizienten im Vergleich zum Glas so sind, daß der Kontakt an der Metall-Glas-Grenzfläche immer d.h. auch dann erhalten bleibt, wenn von Temperaturen oberhalb des Metallschmelzpunktes abgekühlt wird. "

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Der Kontakt muß zumindest soweit erhalten bleiben, daß der Wärmeübergang zur Metall-Phsse während der Endlagerung gewährleistet ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von unbegrenzt endlagerfähigen, hochradiaoaktive Abfallstoffe enthaltenden Verfestigungsprodukten aus Glas-Granalien in einer metallischen Matrix zu schaffen, bei welchem die den hochradioaktiven Abfall enthaltenden Glas-Granalien diskontinuierlich in einer kontinuierlichen metallischen Matrixphase eingebettet sind, so daß der unerwünschte Kontakt der Glas-Granalien untereinander mit Sicherheit vermieden wird. Außerdem ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren vorzustellen, mit welchem Verfestigungsprodukte hergestellt werden können, bei denen der Wärmeübergang von der Glas -Phase zur Metall -Phase während der Endlagerung gewährleistet ist.

Die Aufgabe wird in überraschend einfacher Weise erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß man

a) die radioaktive Abfallstoffe enthaltenden Glas-Granalien/Pulver mit Pulvern eines oder mehrerer Metalle aus der Gruppe Blei,Eisen, Silber, Cobalt, Nickel, Zinn in einem Bereich der Volumenverhältnisse Glas zu Metall von 2q/ 1 bis 1 /6 , bezogen auf das Volumen des Endproduktes, mischt,

b) das Gemisch durch Pressen

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mitDrücken im Bereich zwischen 25 N/mm und 5oo N/mm bei Raumtemperatur verdichtet
und

c) im Falle der Metall-Partner Eisen, Silber, Cobalt, Nickel zur Erhöhung der Formkörperfestigkeit und der Dichte der Formkörper bei Temperaturen unterhalb des Schmelzpunktes des an der Metall-Phase beteiligten Metalles mit dem niedrigsten Schmelzpunkt sintert.

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Durch die Verwendung pulvertechnologischer Verfahrensschritte zur Herstellung der erwähnten Glas-Metall-Produkte überwindet die Erfindung alle Nachteile der zum Stand der Technik gehörigen Verfahren. Die Mischung der spaltprodukthaltigen Glas-Granalien mit Metallpulvern kann mechanisch erfolgen, in Mischmedien und/oder durch Beschichtung der Glas-Granalien mit Metallpulvern. Im Falle der Verwendung von Blei beispielsweise führt das Pressen des Gemisches oder der beschichteten Granalien bereits zu festen Glas-Metall-Formkörpern. Zur Erhöhung der Formkörperfestigkeit und Dichte jedoch kann nach dem Pressen bei Temperaturen unter dem Schmelzpunkt der Metall-Phase gesintert werden. Durch die Wahl der Glasgranulatmengjer und der Größe der einzelnen Granalien; sowie durch geeignete Mischbedingungen wird ein Produkt erreicht, bei dem die spaltprodukthaltigen Glas-Granalien diskontinuierlich in eine kontinuierliche Matrix-Phase eingebettet sind. Sollte ein Zugang von außen her in Bezug auf Korrosion oder Auslaugung zu einer Granalie bestehen, so ist nur diese eine Granalie mit der Umgebung des Formkörpers verbunden, während alle anderen weiter isoliert bleiben. Die Metallmatrix verleiht dem Produkt bei mechanischer Beanspruchung Duktilität durch plastische Verformung, ohne daß die Granalien zerstört werden. Die Glas-Granalien "schwimmen" ohne Berührung in der Metall-Phase, das Produkt ist nicht mehr sprödbrüchig.

Infolge der niedrigen Herstellungstemperaturen ohne Auftreten einer flüssigen Phase spielen Benetzungsbedingungen zwischen Glas und Metall sowie thermische Ausdehnungsunterschiede ^keine bestimmende Rolle für den Kontakt an der Glas-Metall-Phasengrenze und damit für die Wahl der Art der Metall-Phase. Der Wärmeübergang vom Glas zum Metall ist immer gewährleistet. Außerdem können Eigenschaften wie die Wärmeleitfähigkeit bei gegebenen Glasgranulatkonzentrationen durch geeignete Wahl der Form und Orientierung der Glas-Granulate variiert, d.h. optimiert werden.

+) geringe oder keine Abdampfung insbesondere von Spaltprodukten!

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Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Beispiels, auf das die Erfindung jedoch nicht beschränkt ist, näher erläutert.

Beispiel:

Es wurden Glaskugeln (<2 nun 0 ) mit Bleipulver gemischt, das über die Ermittlung seiner Pulvercharakteristik sedimentativ angepaßt war, d.h. die Mischung erfolgte in einer Flüssigkeit, deren Viskosität veränderlich war. Die Suspension befand sich in einem Mischgefäß, das im Taumelmischer solange bewegt wurde (ca. 3 Std.), bis eine makroskopisch homogene Verteilung der beiden Pulver in der Suspension erreicht war. Wegen der - sedimentativ angepaßten - ähnlichen Sinkgeschwindigkeit blieb diese Verteilung auch beim Absetzen der Pulver in der Suspension erhalten. Danach folgte:

- Ausdampfen der Mischflüssigkeit (niedrige Temperaturen beachten, wegen Bleioxydation; diese sollte gering bleiben)

- Pressen der Mischung in Stahlmatrizen mit ca. loo N/mm Pressdruck (bei zu hohen Pressdrücken zerspringen die Kugeln)

- Nachsintern bei ca. 4oo K (ca. 5 Stunden)

Das Mischungsverhältnis betrug in diesem Falle Bleivolumen : Glasvolumen =7:1

Die Festigkeit der erhaltenen Formkörper war gut, ihr Durchmesser betrug 2 cm.

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Claims

KERNFORSCHUNGSZENTRUM Karlsruhe, den 22.Dezember 1978 KARLSRUHE GMBH PLA 7868 Gl/str

Patentanspruch:

Verfahren zur Herstellung von hochradioaktive Abfallstoffe enthaltenden Formkörpern, bei welchem die Abfallstoffe mit geschmolzenem Glas vermischt oder gemeinsam mit Glasbildnern aufgeschmolzen werden, die entstehende Schmelze in Glas-Granalien oder Glaspulver überführt wird und diese in eine Matrix aus reinem Metall oder Metall-Legierungen eingebettet werden, dadurch gekennzeichnet, daß man

a) die radioaktive Abfallstoffe enthaltenden Glas-Granalien/ Pulver mit Pulvern eines oder mehrerer Metalle aus der Gruppe Blei, Eisen, Silber Cobalt, Nickel, Zinn in einem Bereich der Volumenverhältnisse Glas zu Metall von 2o/l bis 1/6, bezogen auf das Volumen des Endproduktes, mischt,

b) das Gemisch ' durch Pressen mit Drücken im

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. Bereich zwischen 25 N/mm und 5oo N/mm bei Raumtemperatur verdichtet
und

c)im Falle der Metall-Partner Eisen, Silber, Cobalt, Nickel zur Erhöhung der Formkörperfestigkeit und der Dichte der Formkörper bei Temperaturen unterhalb des Schmelzpunktes des ander Metall-Phase beteiligten Metalles mit dem niedrigsten Schmelzpunkt sintert.

ORIGINAL INSPECTED

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