Verglasen, Verdampfen, Verpacken...

05.12.2016
Rubriken: Konditionierung

Konditionierungsverfahren im Überblick

Mit der Konditionierung radioaktiver Abfälle werden diese in einen chemisch und physikalisch stabileren Zustand gebracht und damit die Gefahr unerwünschter Reaktionen reduziert. Je nach Zusammensetzung der radioaktiven Abfälle, nach ihrem Zustand und ihren radiologischen Eigenschaften, kommen unterschiedliche Verfahren zur Konditionierung zum Einsatz. Neben der Stabilisierung der Abfälle ist die Reduktion des Volumens oberstes Ziel der Abfallverursacher. Schließlich müssen sie in Zwischen- und Endlagereinrichtungen nach Volumen und nicht nach Radioaktivitätsinventar bezahlen. Neben Kompaktierung wie Verbrennen, Zerkleinern oder Verpressen ist deshalb die Reduzierung der atomaren Abfälle durch Dekontaminierung und Freimessung eine Kernaufgabe der Konditionierungsdienstleister geworden.

Konditionierung abgebrannter Brennelemente

Abgebrannte Brennelemente werden noch nicht konditioniert, da das Endlagerkonzept noch nicht fest steht. Sie werden vor Ort in zwei- bis dreimonatigen Beladekampagnen durch eines der inzwischen fünf Beladeteams der Gesellschaft für Nuklearservice (GNS) in CASTOR-Behälter verladen. Zu den Aufgaben des GNS-Teams während einer Kampagne gehören Arbeiten zum Behälterverschluss, Trocknung, Feuchtemessung und Befüllung der Behälterinnenräume, die Überwachung der Handhabung und Abfertigung der Behälter auf Einhaltung der zugehörigen behälterspezifischen Unterlagen, die Erstellung der Mess- und Prüfprotokolle sowie die Erstellung und Prüfung der Beladungsdokumentation. Eine solche Beladekampagne wird drei Jahre im Voraus festgelegt und in der Regel acht Monate vorbereitet. Im Zuge der Stilllegung der Atomkraftwerke werden immer mehr durchgehende Kampagnen mit einer Dauer von rund zwei Jahren geplant. [1]

Die Pilot-Konditionierungsanlage Gorleben (PKA) ist für die Konditionierung von Brennelementen mit einem maximalen Durchsatz von 35 t SM/a ausgelegt. Bis zur Benennung eines Endlagerstandortes durch den Bund ist der Betrieb der PKA durch eine Nebenbestimmung der erteilten Genehmigung auf die Reparatur schadhafter Transport- und Lagerbehälter beschränkt. Sie ist noch nicht in Betrieb gegangen.

Konditionierung von Wiederaufarbeitungsabfällen

Bei der Wiederaufarbeitung abgebrannter Brennelemente fallen flüssige hochradioaktive Abfälle an. 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.). Diese Abfalllösung muss ständig auf weit unter 40°C heruntergekühlt und in Zirkulation gehalten werden, um eine Kettenreaktion zu verhindern. Weltweit wird die Immobilisierung in einer Glasmatrix (Verglasung) als derzeitige Konditionierungsmethode angewendet, die einzelnen Verfahren variieren. Das Kernforschungszentrum Karlsruhe (KfK) - heute Karlsruher Institut für Technologie / Institut für Nukleare Entsorgung (KIT-INE) - hat ein eigenes Verglasungsverfahren entwickelt. In einem einstufigen Prozess wird der flüssige hochradioaktive Abfall ohne Vorbehandlung zusammen mit Glasbildnern in einem keramischen Glasschmelzofen verglast. Dieses Verfahren wurde in der PAMELA-Anlage in Mol (Belgien) und in der Verglasungsanlage Karlsruhe (VEK) angewendet. [2]

In Deutschland wurden von 1971 bis 1990 in der Wiederaufarbeitungsanlage Karlsruhe 206,93 t SM aus den AKW Neckarwestheim 1, Obrigheim, Gundremmingen A, Stade, VAK Kahl, HDR Großwelzheim, MZFR Karlsruhe, FR-2 Karlsruhe, dem Reaktor des Nuklearschiffs Otto Hahn und der Heißen Zelle Karlstein wiederaufgearbeitet. Dabei fielen 60 m³ hochradioaktive flüssige Abfälle an, die 2009/2010 in der eigens dafür errichteten Verglasungsanlage Karlsruhe (VEK) konditioniert wurden. Die mittelradioaktiven Abfälle der WAK sind nicht konditioniert, sie lagern in 200-l-Fässern vor Ort.

Die durch die Wiederaufarbeitung von Brennelementen aus deutsche Reaktoren in La Hague (F) und Sellafield (GB) entstehenden hochradioaktiven Abfalllösungen werden vor Ort verglast. Frankreich hat als erstes Land mit der großtechnischen Verglasung 1978 in Marcoule begonnen. Das eingesetzte AVM-Verfahren (Atelier Vitrification Marcoule) wurde für La Hague weiterentwickelt. In diesem zweistufigen Verfahren wird die hochradioaktive Flüssigkeit in einem Drehrohrofen getrocknet und kalziniert. Im zweiten Schritt erfolgt die Verglasung in einem induktiv beheizten Ofen. Dieses Verfahren wird in La Hague und Sellafield eingesetzt. [3] 

Die bei der Wiederaufarbeitung entstehenden mittelradioaktiven Abfälle, Dekontaminations- und Spülwässer, Hüllrohrstücke und technologischen Abfälle werden nach Vorbehandlung (z.B. Aufkonzentrierung im MAW-Verdampfer, Verpressung) ebenfalls verglast. Brennelementstrukturteile werden hochdruckverpresst. Sie werden wie die verglasten hochradioaktiven Abfälle in CASTOR HAW28 verpackt. [4]

Konditionierung von Betriebs- und Rückbauabfällen

Verbrennen

Die WAK GmbH betreibt in der HDB Karlsruhe die einzige Verbrennungsanlage für alpha-haltige Abfälle in Deutschland. [6] Übrig bleiben radioaktive Abfälle in Form von Aschen, Schlacken und Filterstäuben.

Probleme der Verbrennung: Sie führt zu erhöhter Freisetzung von Radionukliden in der Luft.

Probleme für Langzeitstabilität: Bei Zutritt von Wasser erhebliche Gasbildung: [5]

Verdampfen:

Kontaminierte Wässer aus den Kühlwasserkreisläufen, aus der Dekontamination, aus Laboren, aus der Reinigung usw. werden in Verdampfungsanlagen aufbereitet, es entstehen feuchte Verdampferkonzentrate (Beispiel Trocknungsanlage PETRA)

Entwässern/Trocknen:

  • Feuchte radioaktive Abfälle wie Verdampferkonzentrate, Filterkonzentrate, Schlämme, Schleifmittel, Ionenaustauscher werden mittels Wärme, Druck und/oder Vakuum in Trocknungsanlagen, Dekanter- und Seperatoranlagen,  Pressen oder Walzentrockner entwässert und getrocknet. (Beispiel Konzentrat-Trocknungsanlage)
  • Behälter, die mit mittelradioaktiven Kugelharzen befüllt wurden, müssen nachentwässert werden. Die Annahmebedingungen für die Zwischen- und Endlagerung schreiben vor, dass die Gebinde weniger als 1% Wasser aufweisen dürfen. (Beispiel Nachentwässerungsanlage NEWA)
  • Reaktoreinbauten müssen aufgrund ihrer hohen Strahlung unter Wasser zerlegt und verpackt werden. Die Gebinde dürfen eine vorgeschriebene Restfeuchte nicht überschreiten, um z.B. die Entwicklung von Radiolysegasen zu vermeiden und müssen getrocknet werden. (Beispiel: Trocknungsanlage KETRA)

Probleme für Langzeitstabilität: Der Trocknungserfolg muss überprüft werden. Ggf. kann sich ein „Deckel“ aus trockenem Material bilden, der die Trocknung des darunter befindlichen Materials effektiv verhindert. Getrocknete Materialien können hygroskopisch wirken und aus der Luftfeuchtigkeit Wasser zurückgewinnen. [5]

Zerlegen/Zerkleinern

  • Zerlegen von großen Komponenten oder Zerkleinerung für die bessere Ausnutzung des Behältervolumens mittels Bandsägen, hydraulischen Scheren, thermischen Schneideanlagen, Kabel-Abisoliermaschinen, Hochdruck-Nass- und Trockenstrahlanlagen, Backenbrechern, etc.
  • Reaktoreinbauten werden aufgrund ihrer hohen Strahlung unter Wasser zerlegt und verpackt (Beispiel Unterwasserschere UWS)
  • Mittelradioaktive metallische Abfälle können bei der HDB Karlsruhe fernhantiert zerlegt werden. [7]

Probleme für Langzeitstabilität: Zerlegemethoden können Feuchtigkeit einbringen und eine Nachtrocknung notwendig machen. [5]

Schmelzen

Schwachradioaktive metallische Abfälle, die nicht uneingeschränkt freigegeben werden können, werden bei der Fa. Siempelkamp in Krefeld eingeschmolzen. Cäsium oder Strontium werden in der Schlacke und im Filterstaub angereichert während in der Metallschmelze eine Abreicherung dieser Elemente erfolgt. Metallische Elemente wie Kobalt und Eisen verbleiben in der Metallschmelze. Die Metallschmelze wird zu Gießlingen verarbeitet. Sie werden entweder freigegeben, wiederverwertet (z.B. beim Bau der Abfallbehälter) oder bei höherer Kontamination ebenso wie die entstehenden Schlacken und Filterstäube als radioaktiver Abfall behandelt. [5]

Probleme der Methode: Das Einschmelzen führt im Gegensatz zum Verpressen zur Erhöhung der Menge freigegebener Abfälle.

Verpressen

Verpressen von v.a. Mischabfällen in einer Hochdruck-Hydraulikpresse ggfs. in Blechkartuschen. Volumenreduktion um den Faktor 6 bis 10. Mehrere Presslinge werden in einen Abfallbehälter verpackt. (Beispiel: Hochdruck-Hydraulikpresse FAKIR)

Probleme für Langzeitstabilität: Kein Ausschluss von Faulen und Gären, Presslinge können evtl. wieder aufplatzen. [5]

Probleme für die tiefengeologische Lagerung: Durch den erhöhten Eintrag von Metallen wird die Bildung von Gasen infolge eines anaeroben Zersetzungsprozesses vermehrt, welche wiederum zu einer gasgetriebenen, schnelleren Ausbreitung von Radionukliden führen können.

Vergießen/Betonieren

Fixierung im Abfallgebinde mittels Zement, Beton, Bitumen oder Kunststoff.

Probleme für Langzeitstabilität: Schrumpfung des Betonkörpers mit Zutritt von Wasser zwischen Betonkörper und Wandung; kein vollständiges Abbinden bei Fehldosierung, amphotere Metalle entwickeln Wasserstoff, Aluminium führt zur Vergrößerung des Matrixvolumens, Blähfässer. Gastransport durch die Betonmatrix muss gewährleistet bleiben. Vollständige Umhüllung der Abfälle/Innenbehälter [5]

Verpacken

Für die Zwischenlagerung müssen Abfallbehälter und Großkomponenten langzeitbeständig und ihre Integrität gewährleistet sein. Jedes Zwischenlager hat konkrete Anforderungen an die Abfälle, die in den jeweiligen Annahmebedingungen festgelegt sind und die bei Konditionierung und Verpackung einzuhalten sind. [5]

Dekontaminieren

Alle Dienstleister warten mit umfangreichen Dekontaminierungsverfahren auf. Mittels chemischer und mechanischer Verfahren, Dampf- oder Sandstrahlen, Schleifen, Hobeln, Fräsen, Ultraschall oder Einschmelzen werden Oberflächenkontaminationen entfernt und die restlichen Strukturen freigemessen.  

Freimessen

Alle Dienstleister verfügen über Freimessanlagen und Lagerbereiche für freizumessende Abfälle. Die absolut überwiegende Menge an radioaktiven Abfällen wird so aus dem Geltungsbereich des Atomgesetzes entlassen. Wie wichtig der Bereich ist, zeigt beispielsweise die Werbung der VKTA in Rossendorf: "Unter Einbeziehung auch unkonventioneller Lösungsansätze steht die sichere, kostengünstige und effiziente Durchführung bei der radiologischen Freigabe von Gebäudestrukturen und Bodenflächen im Fokus." [8]

Radioaktive Stoffe, für die noch keine Konditionierungsmethode entwickelt wurde:

  • ggfs. Uran aus der Wiederaufarbeitung
  • Thorium und Thorium-haltige Abfälle
  • Graphit und Graphit-haltige Abfälle
  • Tritium-haltige Abfälle
  • Berillyum-haltige Abfälle
  • Europium-haltige Abfälle (z.B. zwischengelagert in Morsleben)
  • Radiumabfälle (z.B. zwischengelagert in Morsleben)
  • ggfs. Abfälle aus der ASSE II [9]

Quellen

[1] http://www.gns.de/language=de/21562/behaelterbeladung

[2] https://www.ine.kit.edu/344.phpch

[3] https://de.wikipedia.org/wiki/Atelier_Vitrification_Marcoule

[4] INTAC: "Verbleib der radioaktiven Abfölle aus der Wiederaufarbeitung deutscher Brennelemente" erstellt im Auftrag von Greenpeace e.V., Januar 2014

[5] Bericht der Arbeitsgruppe „Vermeidung von Schäden bei der Lagerung von Atomabfällen“ bei der schleswig-holsteinischen Atomaufsicht im Auftrag des Ministers für Energiewende, Landwirtschaft, Umwelt und ländliche Räume Dr. Robert Habeck, Stand 23.03.2015

[6] http://www.ewn-gmbh.de/wak/entsorgung/hauptabteilung-dekontaminationsbetriebe/verbrennung.html

[7] http://www.gns.de/language=de/14102/karlsruhe

[8] http://www.vkta.de/de/rueckbau-entsorgung.html

[9] Wolfgang Neumann (INTAC): "Konditionierung radioaktiver Abfälle", Vortrag auf der Atommüllkonferenz 06.02.2016

 


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