DE2856466C2

DE2856466C2 - Verfahren zur Verfestigung hochradioaktive Abfallstoffe enthaltender, als Granalien oder als Pulver vorliegender Glasteilchen in einer Metallmatrix

Info

Publication number: DE2856466C2
Application number: DE2856466A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dr. 7515 Linkenheim Ondracek
Original assignee: Kernforschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date: 1978-12-28
Filing date: 1978-12-28
Publication date: 1986-01-23
Also published as: BE880578A; JPS6239719B2; GB2041912B; JPS5590900A; FR2445594A1; GB2041912A; DE2856466A1; US4383944A; FR2445594B1

Description

In jedem Falle wäre damit aber der unkontrollierbare Obertritt 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 it Jer DE-OS 25 24 1169 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 Glasgranulatschüttungen mit Metallschmelzen weist jedoch den großen Niichteil 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

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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 Offenle-

« gungsschrift 25 24 169 die Wahl der verwendbaren Metallschmelzen auf solche beschränkt deren Benetzung mit den verwendeten Glastypen ausreicht und 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.

so ^c.in Verfahre.! nach dem Oberbegriff des vorliegenden Anspruches ist auch aus der DE-OS 25 51 349 bekannt, bei welchem beispielsweise 60% des benötigten Matrixmaterials aus reinem Metall (z. B. Blei) in feinteiliger Form, z. B. als Pulver, zusammen mit dem Glasgranulat vor der Erhitzung des Behälters in diesen eingebracht und der Rest des Matrixmaterials nach Erhitzen und Aufschmelzen des eingebrachten Matrixmaterials nachgefüllt wird.
Außerdem ist ein Verfahren zur Einschließung von radioaktive Abfallstoffe enthaltenden Glasteüchen in pulverförmigem Matrixmetall bekannt, bei welchem die Glasteüchen zusammen mit dem Metallpulver in einer Kapsel eingeschlossen wird und dann die Kapsel einem isostatischen Pressen bei Drücken von 10 N/mm² bis 300 N/mm² und einer Temperatur, die unterhalb des Schmelzpunktes des Matrixmetalls liegt, unterworfen wird (DE-OS 27 56 700).
Sowohl bei dem Verfahren nach der DE-OS 25 51 349

als auch bei dem Verfahren nach der DE-OS 27 56 700 kann nicht mit Sicherheit vermieden werden, daß ein Produkt erhalten wird, bei welchem sich die Glasgranalien berühren.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von unbegrenzt endlagerfähigen, hochradioaktive 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 erfindungsgemkSdadurch gelöst, daß

a) die Glasteilchen mit dem sedimentativ angepaßten Metallpulver mit Hilfe einer Flüssigkeit angepaßter Viskosität suspendiert und bis zur makroskopisch homogenen Verteilung in der Suspension gemischt und sedimentieren gelassen weyden,

b) die Flüssigkeit ausgedampft wird,

c) das verbleibende Sediment mit Drücken im Bereich zwischen 25 N/mm² und 500 N/mm² und bei Raumtemperatur zu Fonnkörpern gepreßt wird und

d) die Formkörper bei Temperaturen unterhalb des Schmelzpunktes des niedrigst schmelzenden Metalles gesintert werden.

Durch die Verwendung pulvertechnologischer Verfahrensschritte zur Herstellung der erwähnten Gias-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. Durch die 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 Auslagung zu einer Granaüe 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 I --running 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.

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

Beispiel

Es wurden Glaskugeln (< 2 mm 0) mit Bleipulver gemischt, das über die Ermittlung seiner Pulverchankteristik 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. 3Std-X bis eine makroskopisch homogene Verteilung tfer 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:

— Ausdampfung der Mischflüssigkeit (niedrige Temperaturen beachten, wegen Bleioxydation; diese sollte gering bleiben)

— Pressen der Mischung in Stahlmatrizen mit ca. 100 N/mm² Preßdruck (bei zu hohen Preßdrücken zerspringen die Kugeln)

— Nachsintern bei ca. 400 K (ca. 5 Stunden)

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

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

Claims

Patentanspruch:

Verfahren zur Verfestigung hochradioaktive Abfallstoffe enthaltender, als Granalien oder als Pulver vorliegender Glasteilchen in einer Metallmatrix, bei welchem die radioaktiven Abfallstoffe mit Pulver eines oder mehrerer Metalle aus der Gruppe Blei, Eisen, Silber, Cobalt, Nickel, Zinn in einem Bereich der Volumenverhältnisse Glas zu Metall von 20 zu 1 bis 1 zu 6, bezogen auf das Volumen des Endproduktes, gemischt werden, dadurch gekennzeichnet, daß

a) die Glasteüchen mit dem sedimentativ angepaßten Metallpulver mit Hilfe einer Flüssigkeit angepaßter Viskosität suspendiert und bis zur makroskopisch homogenen Verteilung in der Suspension gemischt und sedimentieren gelassen werden,

b) die Flüssigkeit ausgedampft wird,

c) das verbleibende Sediment mit Drücken im Bereich zwischen 25 N/mm² und 500 N/mm² und bei Raumtemperatur zu Formkörpern gepreßt wird, und

d) die Formkörper bei Temperaturen unterhalb des Schmelzpunktes des niedrigst schmelzenden Metalles gesintert werden.

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Oie Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verfestigung hochradioaktive Abfallstoffe enthaltender, als Grana-Metallmatrix, bei welchem die radioaktiven Abfallstoffe mit Pulver eines oder mehrerer Metalle aus der Gruppe Blei, Eisen, Silber, Cobalt, Nickel, Zinn in einem Bereich der Volumenverhältnisse Glas zu Metall von 20 zu 1 bis zu 6, bezogen auf das Volumen des Endproduktes, gemischt 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 thermochemischen Gleichgewicht sein, d. h. es muß sich in einem energetischen Minimalzustand befinden, da dies die z. Z. bestmögliche Gewähr für thermochemische Stabilität ist

Das 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

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.