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Abfallkonditionierung

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Um radioaktive Abfälle besser lagern bzw. endlagern und handhaben zu können werden diese häufig konditioniert also in eine kompaktere und/oder chemisch stabilere Form umgewandelt um das notwendige Lagervolumen zu reduzieren und eine Freisetzung von Radionukliden aus dem Lager zu verhindern.

Konditionierung von schwach- und mittelaktiven Abfällen

Schwach- und Mittelaktive Abfälle liegen in unterschiedlichster Form vor- sein es Filterharze, aktivierter Metallschrott oder Beton, kontaminierte Schutzkleidung oder Putzlappen oder gebrauchte radioaktive Präparate. Meist bestehen sie nur zu einem geringen Anteil aus Radionukliden und zu einem viel größeren Anteil an inaktivem Material. Häufig handelt es sich auch um relativ sperrige Gegenstände. Bei der Konditionierung versucht man durch verschiedene Verfahren einerseits nach Möglichkeit das radioaktive Material zu konzentrieren und das Material zu kompaktieren um das Lagervolumen zu reduzieren und andererseits das radioaktive Material chemisch zu binden sodass eine Freisetzung unwahrscheinlicher wird.

Verbrennung

Viele Abfälle im Allgemeinen, so auch viele schwach- und mittelradioaktive Abfälle bestehen zu einem großen Teil aus organischen Stoffen wobei die Elemente welche bei der Verbrennung als Gas entweichen können (etwa Wasserstoff, Sauerstoff, Kohlenstoff, Stickstoff) nur in Ausnahmefällen radioaktiv sind. Das radioaktive Material bleibt also nach der Verbrennung als Asche zurück welche in der Regel ein wesentlich geringeres Volumen aufweist als das verbrannte Material.

Verdampfen

Manchmal sind radioaktive Abfallstoffe in einer nicht-radioaktiven Flüssigkeit gelöst. Zum Aufkonzentrieren der eigentlichen Abfallstoffe werden die Flüssigkeiten häufig verdampft.

Extraktion

Neben dem Verdampfen kommen auch andere Verfahren zur Exkraktion radioaktiver Abfallstoffe aus Gasen oder Flüssigkeiten zum Einsatz wie etwa Filter, Ionentauscher, Adsorption (etwa an Aktivkohle), Ausfällung oder Destillation.

Verpressen

Viele Abfallstoffe haben ein großes freies Volumen und lassen sich durch Verpressen erheblich kompaktieren. Hierzu wurden verschiedene Verfahren entwickelt, neben dem direkten Verpressen des Abfalls ist es auch möglich den Abfall zunächst in ein dünnwandiges Fass zu füllen und dieses dann als ganzes zu verpressen. Insbesondere auch alte Abfallfässer werden heute häufig als ganzes verpresst.

Abfallfixierung

Um die Abfallstoffe chemisch und physikalisch zu stabilisieren und eine Freisetzung zu vermeiden werden sie häufig mit Zement gemischt und anschließend in Fässer abgefüllt. Analog zur Zementierung ist auch eine Mischung mit Bitumen möglich. Problematisch ist das das Abfallvolumen dabei wieder mehr oder weniger vergrößert wird.[1]

Konditionierung von hochradioaktiven Abfällen

Das Spaltproduktkonzentrat das als hochradioaktiver Abfall bei der ‎Wiederaufbereitung anfällt ist für eine Lagerung, insbesondere eine Endlagerung nur bedingt geeignet da es wasserlöslich ist. Daher werden diese Abfälle meist durch entsprechende Verfahren in chemisch stabileren Stoffen gebunden.

Vitrifizierung

Eine Glaskokille deutscher Bauart
Das wichtigste Verfahren zur Konditionierung hochradioaktiver Abfallstoff ist die Vitrifizierung (Verglasung). Das als Pulver vorliegende Spaltproduktkonzentrat wird dabei mit Borsilikatglaspulver (als Alternative wurde auch Phosphatglas vorgeschlagen) gemischt. Das Pulvergemisch wird schließlich in einem speziellen Ofen zu Glasklumpen verschmolzen. Alternativ kann das Spaltproduktkonzentrat auch als Pulver getrennt vom Glas in die Schmelze eingebracht werden. Die Öfen sind meist durch einen Stromfluss in der Schmelze oder induktiv beheizte Öfen (die Glasschmelze ist elektrisch leitfähig) mit Spezialkeramikauskleidung (etwa Aluminium-Zirkonium-Silikat), die Temperatur der Glasschmelze liegt zwischen 1000°C und 1200°C. Die Glasklumpen werden in zylindrische Edelstahlbehälter ("Glaskokillen") gefüllt, die Behälter werden anschließend mit Blei ausgegossen und ein Deckel aufgeschweißt. Alternativ ist es auch möglich das flüssige Glas direkt in Edelstahlbehälter zu gießen. Glaskokillen sollten die enthaltenen Radionuklide mindestens 10.000 Jahre sicher einschließen, unabhängig von der geologischen Beschaffenheit des Endlagers. In diesem Zeitraum sollten alle wesentlichen Spaltprodukte weitgehend abgeklungen sein.[2][3][4]

Unterschiedliche Verglasungsanlagen wurden in Deutschland, Frankreich, den USA, Indien, Japan und in der UdSSR entwickelt, Verglasungseinrichtungen wurden in Frankreich (La Hague, Marcoule), Großbritannien (Sellafield, französisches Design), Belgien (Eurochemic, deutsches Design), VR China (Guangyuan, deutsches Design), Deutschland (VEK), Indien (Trombay, Tarapur, Kalpakkam), Japan (Tōkai US Design, Rokkasho), Russland (Majak) und in den USA (Savannah River Site, West Valley, Hanford) errichtet.

Keramische Verbindungen

Als Alternative zur Verglasung wurde das Einsintern in keramischen Verbindungen, etwa Phosphaten, Aluminaten, Silikaten oder Titanaten vorgeschlagen da diese eine noch höhere chemische Beständigkeit haben als Gläser und potenziell chemisch besser mit dem Endlagergestein kompatibel sind. Die in Frage kommenden Keramiken finden sich auch in Form von Gestein in der Natur und haben ihre Langlebigkeit über Jahrmillionen unter Beweis gestellt. Bei porösen Keramiken muss man allerdings von einer geringeren Rückhaltefähigkeit im Vergleich zu Glas ausgehen, der Herstellungsaufwand nicht-poröser Keramiken ist wiederum sehr hoch. Bei den hohen Temperaturen die dafür im Normalfall nötig sind verflüchtigen sich viele Spaltprodukte. Verfahren die mit niedrigeren Temperaturen auskommen wie etwa die die isostatische Hochdruckpress- und Sintertechnik sind noch aufwendiger. Ein weiteres Problem ist die unterschiedliche Tauglichkeit verschiedener Keramiken für unterschiedliche Spaltprodukte- je nach Kompatibilität der Kristallgitter.

Siehe auch

Einzelnachweise

  1. Franz-Josef Dreyhaupt VDI-Lexikon Umwelttechnik Springer, 2013. ISBN 3642957501
  2. Vorlesungsunterlagen TU-Wien Kernbrennstoffkreislauf; Dr. Kronenberg
  3. KIT VEK-Projekt, abgerufen 28.09.2017
  4. Bhabha Atomic Research Centre MELTER TECHNOLOGIES FOR VITRIFICATION, abgerufen 28.09.2017