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Immobilisierung hochradioaktiver Abfälle (Verglasung)

Verglasung
PVA
PVA
Schmelzofenschema
Schmelzofenschema

Flüssige hochradioaktive Abfälle entstehen bei der Wiederaufarbeitung von abgebrannten Brennelementen aus Kernreaktoren. Sie fallen dabei als Abfallstrom nach der chemischen Abtrennung der wiederverwendbaren Elemente U und Pu aus dem in Sapetersäure gelösten Kernbrennstoff an. Diese Restlösung enthält mehr als 99 % der Gesamtradioaktivität der Kernbrennstofflösung und wird nach Aufkonzentrierung unter hohem Sicherheitsaufwand in gekühlten Edelstahltanks gelagert. Eine typische Abfalllösung enthält mehr als 40 verschiedene chemische Elemente. Sie setzt sich zusammen aus Spaltprodukten (Cäsium, Strontium und ca. 30 weiteren), Aktiniden (Plutonium, Americium, Curium), Korrosionsprodukten (Eisen, Chrom, Nickel) sowie Prozesschemikalien (Natrium, Phosphat, etc.). Die Aktivität liegt bei ca. E13 Bq/dm3. Seine spezifische Wärmeleistung beträgt bis zu mehreren Watt pro Liter. Zur sicheren Endlagerung ist es erforderlich, diesen flüssigen Abfall in ein festes Produkt zu überführen, das radiologisch, chemisch, mechanisch und thermisch stabil ist und alle Elemente mit möglichst hoher Beladungsdichte aufnehmen kann. Die derzeit international angewandte Strategie zur sicheren Entsorgung dieser Abfälle sieht ihre Immobilisierung in einer Glasmatrix vor (Verglasung). Gläser können in ihre amorphe Struktur verschiedenartige Fremdatome über chemische Bindungen stabil einbauen und sind äußerst beständig. Für die nukleare Anwendung werden spezielle Borosilikatgläser eingesetzt.

Weltweit kommen unterschiedliche Verglasungsverfahren zur Herstellung solcher hochradioaktiven Gläser zur Anwendung. Das hier entwickelte Verfahren beruht auf einem einstufigen Prozess, bei dem der Flüssigabfall ohne Vorbehandlung unter Zugabe von Glasbildnern in einem keramischen Glasschmelzofen zu einem spezifizierten Glasprodukt erschmolzen wird. Hauptkomponente ist ein flüssig gespeister keramischer Schmelzofen, bei dem die Glasschmelze nach dem Joule-Prinzip elektrisch beheizt wird. In ihm laufen alle zur Verglasung erforderlichen Verfahrensschritte (Verdampfen der flüssigen Abfallbestandteile bei ca. 100 °C, Kalzinieren des Rückstandes aus Nitratsalzen bei ca. 700 °C und Einschmelzen der Abfalloxide zusammen mit einem Grundglas bei ca. 1200 °C) simultan auf der Glasbadoberfläche ab. Das Institut für Nukleare Entsorgung verfügt über eine 35jährige Erfahrung auf dem Gebiet Verglasungstechnologie. Die Entwicklung beinhaltet die Prozessbereiche Glaserschmelzung, Dosierung von Abfall und Glasbildnern sowie Reinigung der im Schmelzofen entstehenden Prozessabgase. Sie erfolgte im Rahmen verschiedener nationaler und internationaler Projekte, zu denen auch zwei radioaktive Verglasungsanlagen (PAMELA-Anlage in Mol/Belgien, Verglasungseinrichtung Karlsruhe-VEK) gehören. Wesentlicher Bestandteil der Technologieentwicklung ist die Demonstration in nichtradioaktiven Prototyptestanlagen unterschiedlicher Produktionskapazitäten im 1:1 Maßstab.

 

Das Knowhow des INE auf dem Gebiet der Verglasung umfasst:

 

  • Verfahrensentwicklung
  • Planung der Hauptprozesstechnik
  • Design und Bau nuklearer edelmetalltauglicher Glasschmelzöfen
  • Inbetriebsetzung/Betrieb radioaktiver Verglasungsanlagen
  • Glasentwicklung         

 

 

 

Ansprechpartner: Günther Roth, Wolfgang Grünewald

 

Beteiligte Mitarbeiter

 

Publikationen