DE4137947C2 - Verfahren zur Behandlung von radioaktivem Abfall - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur endlagergerechten Behandlung von radioaktivem Abfall, der in Form von kontami­ niertem, pulverförmigem Ionenaustauscherharz vorliegt.

Derartige Verfahren werden eingesetzt zur Volumenreduktion der Abfallmenge. Aus der EP 0 126 060 B1 sind hierzu Verfah­ ren bekannt, bei denen ein Gemisch von Ionenaustauscherharzen in Gegenwart von Wasser und einer alkalisch reagierenden Sub­ stanz bis zur beginnenden Zersetzung der Anionenaustauscher­ harze und der Freisetzung von Aminen erhitzt wird. Dabei wird das Anionenaustauscherharz entweder nach einer Vermischung mit Baustoff-Kalk in eine Matrix eingebracht oder nach einer Abtrennung von Wasser durch Zentrifugieren und nach einer Trocknung bei Unterdruck in die Matrix eingebracht. Dazu sind Temperaturen bis zu 280°C erforderlich.

Wie Versuche gezeigt haben, behalten die Ionenaustauscher­ harze dabei trotz des nicht unerheblichen Energieaufwandes für die Erhitzung einen wesentlichen Teil ihrer Wasseraufnah­ mefähigkeit. Mit Rücksicht auf mit der Wasseraufnahme verbun­ dene Quellvorgänge darf der Anteil von in eine Matrix, bei­ spielsweise aus Zement oder Bitumen, eingelagerten Ionenaus­ tauscherharzen 10% der Masse des Abfallproduktes nicht über­ schreiten. Das hat eine nur unbefriedigende Volumenreduktion der Abfallmenge zur Folge.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, als Abfall zu beseitigende und endzulagernde Ionenaustauscherharze so auf­ zubereiten, daß ihr möglicher Anteil am Gewicht und am Volu­ men eines Abfallproduktes deutlich über 10% liegt, wobei durch die Aufbereitung eine Verringerung des Wasseraufnahme­ vermögens und des Quellvermögens der Ionenaustauscherharze angestrebt wird.

Diese Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Verfahren ge­ löst, wonach das Ionenaustauscherharz erstens mechanisch ent­ wässert, das entwässerte Ionenaustauscherharz zweitens mit einer Kalziumverbindung vermischt, dieses Gemisch drittens bei Temperaturen bis 120°C, vorzugsweise um 50°C bis 60°C, und bei einem Druck von 120 bis 200 hPa getrocknet wird, bis ein Restfeuchtegehalt von weniger als 10% der Masse des Ge­ mischs erreicht ist, das trockene Gemisch viertens bei einem Druck unterhalb des atmosphärischen Druckes durch Erhitzung auf eine Temperatur im Bereich von 120°C bis 190°C ther­ misch behandelt und fünftens das thermisch behandelte Gemisch nach seiner Abkühlung in eine Matrix eingebracht wird. Vor­ zugsweise besteht die Matrix aus Zement oder Bitumen, wobei die Masse des Gemisches bis zu 50% der Masse der Matrix be­ trägt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens bestehen darin, daß als Kalziumverbindung Kalziumhydroxid verwendet wird und daß dessen Menge 50% bis 150% der Auf­ nahmekapazität der Kationenaustauscherharze beträgt.

Zweckmäßigerweise werden abgezogene Brüden nach ihrer Konden­ sation ebenso wie bei der Entwässerung anfallendes Wasser ei­ ner Abwasseraufbereitung zugeführt.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist sehr vorteilhaft, denn es bewirkt in überraschender Weise ein irreversibles Verschwin­ den der Wasseraufnahmefähigkeit der Ionenaustauscherharze und infolge davon wird gleichzeitig ein Quellen der Ionenaustau­ scherharze während oder nach ihrem Einbringen in eine Matrix sicher verhindert.

Das Verhalten der dem erfindungsgemäßen Verfahren unterzoge­ nen Ionenaustauscherharze ist insofern überraschend, als die Kalziumverbindung nur die Kationen belädt und an sich nur de­ ren Wasseraufnahme- und Quellverhalten reduziert. Die gleich­ zeitige Reduktion des Wasseraufnahme- und Quellverhaltens des Anionen darstellenden Teils der Ionenaustauscherharze ermög­ licht es, schadlos mindestens doppelt so viel Harze in eine Matrix einzubringen, wie ohne die erfindungsgemäße Behandlung möglich wäre. Dadurch ist die Gesamtmenge an endlagerfähigem Abfall aus den Ionenaustauscherharzen spürbar verringert.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.

In seiner Wirksamkeit erschöpftes radioaktiv beladenes Ionen­ austauscherharz wird zu staubförmigem Pulver gemahlen und vorzugsweise als Suspension, in einen Trocknungsapparat, bei­ spielsweise einen Konustrockner, eingebracht. Diese Suspension wird in einem Konustrockner zunächst entwässert. Dem entwässer­ ten, jedoch noch feuchten Pulver aus Ionenaustauscherharz wird eine Kalziumverbindung, beispielsweise Kalziumhydroxid, in wäßriger Lösung beigemischt.

Nach gründlicher Durchmischung des Ionenaustauscherharzes mit dem Kalziumhydroxid wird das so gebildete Gemisch bei weiter­ laufendem Mischer beheizt. Dabei wird bei einer Temperatur von ca. 50°C bis 60°C und einem Druck von 120 hPa bis 200 hPa in der Mischung vorhandenes Wasser verdampft, bis die Restfeuch­ te im Gemisch kleiner als 10% des Gemischs ist. Dieser Wert wird etwa 10 Stunden nach Beginn des Trocknungsvorgangs erreicht.

Nun wird bei immer noch weiterlaufendem Mischer zur thermischen Behandlung des Gemischs die Temperatur auf über 120°C, vor­ zugsweise auf 150°C bis 160°C, höchstens jedoch auf 190°C, erhöht. Dabei gehen mindestens die bis dahin noch nicht belegten Kationen des Ionenaustauscherharzes irreversible Ver­ bindungen mit Kalziumhydroxid ein und verlieren ihre Fähigkeit, Wasser aufzunehmen.

Die während der Trocknung und während der thermischen Behand­ lung erzeugten Brüden werden zur Erhaltung des Unterdrucks ab­ gezogen, kondensiert und ebenso wie bei der Entwässerung der Ionentauscherharze anfallendes Wasser einer Abwasseraufberei­ tung zugeführt.

Durch die Wärmebehandlung in Zusammenhang mit der vorausgegan­ genen Beladung der Kationenharze sind die entsprechenden aktiven Gruppen in ihrem Wasseraufnahmevermögen und Quellungs­ verhalten so weit umgebildet, daß in etwa lediglich das normale Quellverhalten von Kunststoff verblieben ist. Wie Versuche gezeigt haben, wird unerwarteterweise gleichzeitig auch die Wasseraufnahmefähigkeit und das Quellvermögen des Anionenharzes durch die thermische Behandlung abgebaut.

Der entscheidende Schritt für die weitgehende Verringerung des Quellverhaltens und des Wasseraufnahmevermögens ist jedoch die praktisch vollständige Beladung der Kationenharze mit der daran anschließenden Wärmebehandlung. Eine Wärmebehandlung allein führt bei den Kationenharzen in dem genannten Temperaturbereich nicht zum gewünschten Ergebnis.

Infolge des nach der Behandlung fehlenden Wasseraufnahme- und Quellvermögens der Ionenaustauscherharze kann im Vergleich zu unbehandelten Ionenaustauscherharzen mindestens die doppelte Menge in eine Matrix eingebunden werden. Als Matrix sind vor allem Zement und Bitumen geeignet. Da das Ionenaustauscherharz zusammen mit dieser Matrix endlagerfähig ist, wird durch Ein­ satz des erfindungsgemäßen Verfahrens die Menge des endzulagern­ den Abfallstoffs auf mindestens die Hälfte reduziert. Dies ist ein nicht zu unterschätzender Vorteil für eine kontrollierte und abgesicherte Endlagerung von radioaktiv kontaminierten Ionenaustauscherharzen.

Die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist ebenso wie auf Ionenaustauscherharze auch auf toxische Chemikalien anwendbar, soweit diese in Form von Gemischen aus jeweils selbsttätig aktiven Gemischanteilen aus Kationen und Anionen vorliegen.

Claims (5)

1. Verfahren zur endlagergerechten Behandlung von radioakti­ vem Abfall in Form von kontaminiertem, pulverförmigem Ionen­ austauscherharz, bei dem

• a) das Ionenaustauscherharz erstens mechanisch entwässert wird,
• b) das entwässerte Ionenaustauscherharz zweitens mit einer Kalziumverbindung vermischt wird,
• c) dieses Gemisch drittens bei Temperaturen bis 120°C, vor­ zugsweise um 50°C bis 60°C, und einem Druck von 120 bis 200 hPa getrocknet wird, bis ein Restfeuchtegehalt von weniger als 10% der Masse des Gemisches erreicht ist,
• d) das trockene Gemisch viertens bei einem Druck unterhalb des atmosphärischen Drucks durch Erhitzung auf eine Tempe­ ratur von mindestens 120°C bis höchstens 190 °C thermisch behandelt wird und fünftens
• e) das thermisch behandelte Gemisch nach seiner Abkühlung in einer Matrix eingebracht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Matrix Zement oder Bitumen eingesetzt wird, wobei die Masse des Gemischs bis zu 50% der Masse der Matrix beträgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Kal­ ziumverbindung Kalziumhydroxid (Ca(OH)₂) verwendet wird, und daß dessen Menge 50% bis 150% der Aufnahmekapazität der Kationenaustauscherharze beträgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Trocknung sowie der thermischen Behandlung abgezogene Brüden nach ihrer Kondensation ebenso wie bei der Entwässerung an­ fallendes Wasser einer Abwasseraufbereitung zugeführt werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß minde­ stens die Mischung, die Trocknung und die thermische Behand­ lung des Ionenaustauscherharzes und der Kalziumverbindung in einer Mischeinrichtung stattfinden, die mindestens bis zum Abschluß der thermischen Behandlung in Betrieb bleibt.