DE69024303T2

DE69024303T2 - Verfahren zum Kompaktieren radioaktiver Metallabfälle

Info

Publication number: DE69024303T2
Application number: DE69024303T
Authority: DE
Inventors: Satoshi Ikeda; Shigeyoshi Kawamura; Fumiaki Komatsu; Hidehiko Miyao; Tadamiti Sakai; Masao Shiotsuki; Ikuji Takagi
Original assignee: Doryokuro Kakunenryo Kaihatsu Jigyodan; Kobe Steel Ltd
Current assignee: Japan Atomic Energy Agency
Priority date: 1989-09-28
Filing date: 1990-09-19
Publication date: 1996-08-29
Anticipated expiration: 2010-09-20
Also published as: EP0420723B1; EP0420723A3; JPH03113399A; JP2547453B2; DE69024303D1; EP0420723A2; US5063001A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Kompaktieren radioaktiver Metallabfälle von Kernkraftreaktoren, Plattierungen von Brennstoffzellen aus Zirkaloy und gebrauchten Metallmaterialien von Zirkon oder Zirkaloy unter Einschluß von Tritium.
Zum Kompaktieren radioaktiver Metallabfälle wie Brennelementehüllen aus Zirkaloy wurde bereits die Verwendung isostatischer Heißpressen (HIP) oder Heißpressen (HP) schlechthin vorgeschlagen. Das Verfahren unter Verwendung von HIP wird in der Weise durchgeführt, daß die Brennstoffzellen aus Zirkaloyhüllen in eine HIP-Behandlungskapsel aus rostfreiem Stahl o.dgl. eingeschlossen werden, worauf die Evakuierung bis zum Vakuum erfolgt, die Kapsel in einen HIP-Behandlungsbehälter eingegeben wird und die Kapsel bei hoher Temperatur (beispielsweise 1000ºC) einem hohen isostatischen Druck (beispielsweise 100 kgf/cm²) ausgesetzt wird, wobei beispielsweise Argongas (Ar Gas) als Druckmedium verwendet wird, um die Brennelementehüllen zu festen Metallblöcken hoher Dichte zu kompaktieren.
Die unter Anwendung des konventionellen Kompaktierungsverfahrens unter Verwendung von HIP zu behandelnden Brennelementehüllen haben darin Tritium (³H), radioaktive Isotope von Wasserstoff in einer Menge von 60 % der im Reaktor entstehenden Menge. Bei einer hohen Temperatur wird das Tritium freigesetzt, durchdringt die Kapsel und vergiftet das Druckmittel, d.h. das Ar-Gas und den HIP-Behandlungsbehälter. Folglich benötigt das übliche Verfahren eine Nachbehandlung einer großen Menge Ar-Gas und des Behälters zur Entfernung des giftigen Tritiums, so daß das übliche Verfahren arbeitsintensiv ist.
Das gleiche Problem ergibt sich beim kompaktierungsverfahren unter Verwendung von HP.
Hauptziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Kompaktieren radioaktiver Metallabfälle vorzuschlagen, das frei ist von dem üblichen Problem des möglichen Durchdringens von Tritium durch die Kapselwand und dessen Austritt aus der Kapsel, um so Arbeit einzusparen, die beim Stand der Technik als Nachbehandlung auf die Kompaktierung folgt.
Die vorliegende Erfindung schlägt ein Verfahren zum Kompaktieren radioaktiver Metallabfälle dadurch vor, daß die radioaktiven Metallabfälle in eine Kapsel im Vakuum eingeschlossen werden, daß diese Kapsel in einen Druckbehälter eingegeben wird und daß die Kapsel einem erhöhten Druck bei hoher Temperatur ausgesetzt wird, um den Abfall zu kompaktieren. Die Kompaktierung wird in einem Zustand durchgeführt, in dem die Atmosphäre im Druckbehälter Wassermoleküle in einer Menge enthält, die, ausgedrückt in ihrem Gesamtgewicht W (g), im Bereich von
1,3 x 10&supmin;&sup6; (g/cm³) x V (cm³) ≤ W (g)
liegt, worin V (cm³) das Volumen des Kompaktierungsbereiches im Druckbehälter ist, wobei sich auf der Außenfläche der Kapsel eine Oxidschicht bildet.
Bei diesem vorbeschriebenen Verfahren enthält die Atmosphäre im Druckbehälter H&sub2;-Moleküle, was die Ursache dafür ist, daß durch die Kompaktierung auf der Außenfläche der Kapsel eine Oxidschicht gebildet wird. Das Tritium aus dem Metallabfall in der Kapsel ist durch die Oxidschicht am Durchdringen durch die Kapselwand und am Austritt aus der Kapsel gehindert, wobei auf einfache Weise eine Vergiftung des Druckbehälters selbst und des darin befindlichen Druckmediums ausgeschlossen ist. Dadurch wird die Arbeit eingespart, die beim Stand der Technik zum Entfernen des Vergiftungsstoffes aus dem Druckbehälter und zur Behandlung des Druckmittels nach dem Kompaktieren notwendig ist.
Die vorliegende Erfindung schlägt ferner ein Verfahren zum Kompaktieren radioaktiver Metallabfälle durch deren Einschließen im Vakuum in eine Kapsel, Eingeben der Kapsel in einen Druckbehälter und Einwirken von erhöhtem Druck bei hoher Temperatur vor, wobei dieses Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß auf der Außenfläche der Kapsel eine Oxidschicht gebildet ist, ehe die Kapsel in den Druckbehälter eingegeben wird.
Bei diesem Verfahren wird vor dem Kompaktieren die Oxidschicht auf der Außenfläche der Kapsel gebildet, so daß die Oxidschicht Tritium daran hindert, durch die Kapselwand hindurch aus der Kapsel herauszugelangen und daß das Austreten von Tritium aus der Kapsel vom Beginn des Kompaktierens an verhindert ist. Das verringert oder verhindert sogar gänzlich Arbeit, die aufgewendet werden müßte, um nach dem Kompaktieren Giftstoffe aus dem Druckbehälter zu entfernen und das Druckmittel entsprechend aufzubereiten, d.h. zu entgiften.
Die vorliegende Erfindung schlägt ferner ein Verfahren zum Kompaktieren radioaktiver Metallabfälle durch deren Einschließen in einer Kapsel im Vakuum, Einbringen der Kapsel in einen Druckbehälter und Einwirken eines erhöhten Druckes auf die Kapsel bei hoher Temperatur zum Kompaktiren des Abfalles vor, wobei vor dem Eingeben der Kapsel in den Druckbehälter auf der Außenfläche der Kapsel eine Oxidschicht gebildet wird und wobei das Kompaktieren unter Bedingungen erfolgt, bei denen die Atmosphähre im Druckbehälter Wassermoleküle in einer Menge enthält, die, ausgedrückt durch ihr Gesamtgewicht W (g), im Bereich von
1,3 x 10&supmin;&sup6; (g/cm³) x V (cm³) = W (g)
liegt, worin V (cm³) das Volumen des Kompaktierungsraumes im Druckbehälter ist.
Bei diesem Verfahren wird die Oxidschicht auf der Außenfläche der Kapsel vor der Kompaktierung gebildet und die Kompaktierung festigt die Oxidbeschichtung mit den H&sub2;O-Molekülen in der Atmosphäre innerhalb des Behälters. Als Ergebnis kann das Durchdringen von Tritium durch die Kapselwand effektiver verhindert werden, um das Austreten von Tritium aus der Kapsel wirkungsvoll zu verhindern. Dadurch wird außerordentliche Arbeit verhindert, die aufgewendet werden müßte, um den Druckbehälter und das Druckmittel nach dem Kompaktierungsvorgang zu entgiften.
Die vorstehenden und weitere mit der Erfindung erzielten Vorteile, mit der Erfindung zu lösende Probleme und der Erfindung eigentümliche Merkmale ergeben sich beim Lesen der nachfolgenden Einzelbeschreibung und aus den zugehörigen Zeichnungen.
Fig. 1 ist ein Verfahrensdiagramm zur Erläuterung einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 2 ist ein Verfahrensdiagramm zur Erläuterung einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 3 ist ein Verfahrensdiagramm zur Erläuterung einer dritten Ausführungsform der Erfindung und
Fig. 4 ist ein Diagramm um die Beziehung zwischen der Menge des freigegebenen Deuteriums und der Temperatur zu zeigen.
In Fig. 1 bis 3 sind drei Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dargestellt, die im wesentlichen den Verfahrensschritt P1a, P1b bzw. P1c des Einschließens von Brennelementehüllen aus Zirkaloy (radioaktive Metallabfälle) 1, wie Brennstoffhüllen aus Zirkaloy in eine Kapsel 2 und den Verfahrensschritt P2a, P2b bzw. P2c des Kompaktierens der Kapsel 2 durch HIP einschließen.
Die erste Ausführungsform wird unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschrieben. Im Verfahrensschritt P1a des Einkapselns werden die Brennelementehüllen 1 aus Zirkaloy in einer Kapsel 2 aus rostfreiem Stahl o. dgl. untergebracht, die dann evakuiert wird, um die Hüllen in der Kapsel einzuschließen (Einschließungsschritt P11).
Im nachfolgenden Kompaktierungsschritt P2a wird die Kapsel 2 in einem HIP-Behälter (Druckbehälter) 3 untergebracht, der daraufhin mit Ar-Gas 4 gefüllt und versiegelt wird. Innerhalb des HIP-Behälters 4 ist nahe der Kapsel 2 eine bestimmte Menge eines Hydroxids (wie Kalziumhydroxid Ca(OH)&sub2;) 5 vorgesehen, das als Wasser erzeugender Wirkstoff zur Erzeugung von Wassermolekülen (H&sub2;O) dient, wenn er erhitzt wird.
Danach wird der Innenraum des HIP-Behälters 3 erhitzt (beispielsweise auf 1000ºC) und das Ar-Gas 4 wird unter Druck gesetzt (beispielsweise auf 100 kgf/cm²), um als Druckmedium zu dienen. Wenn es erhitzt wird, erzeugt das Kalziumhydroxid im Ar-Gas innerhalb des Behälters 3 H&sub2;O, wodurch die Oxidbeschichtung 6 aus Chromoxid auf der Außenfläche der Kapsel 2 gebildet wird. Durch die Oxidbeschichtung 6, die so gebildet worden ist, ist die Kapsel 2 in einem festen Metallkörper 20 hoher Dichtigkeit eingepackt.
Das aus den Zirkaloy-Hüllen 1 austretende und in die Wand der Kapsel 2 eindringende Tritium wird im Verfahrensschritt P2a überwiegend am weiteren Eindringen durch die Oxidbeschichtung 6 gehindert, wodurch das Vergiften des Ar-Gases und der Innenfläche des HIP-Behälters durch Tritium ausgeschlossen ist. Möglicherweise läßt sich das mit den folgenden Gründen erklären.
Tritium und Deuterium haben die natürliche Eigenschaft, rostfreien Stahl bei hohen Temperaturen durchdringen zu können, ebenso wie Kohlenstoffstahl und dgl. Es ist dagegen nur schwer möglich, in eine Oxidschicht 6 einzudiffundieren bzw. sich in dieser auszubreiten. Darüber hinaus müssen sich Tritiumatome zum Durchdringen oder auch nur Eindringen des Tritiums in Stahl an der Stahloberfläche zu Molekülen aneinander binden und dieses Verbinden von Tritiumatomen zu Tritiummolekülen wird durch die Oxidbeschichtung 6 verhindert. Im Gegensatz zu üblichen Verfahren ist beim vorliegenden Verfahren die Notwendigkeit des Entfernens von Vergiftungsstoffen aus dem Ar-Gas 4 und dem HIP-Behälter 3 nach dem Verfahrensschritt des Kompaktierens entfallen, zumindest aber verringert.
Das Gesamtgewicht W (g), in dem H&sub2;O innerhalb des HIP-Behälters 3 im Ar-Gas vorhanden sein soll, soll im Bereich
1,3 x 10&supmin;&sup6; (g/cm³) x V (cm³) = W (g)
liegen, worin V (in cm³) das Fassungsvermögen für das Kompaktieren innerhalb des Behälters 3 ist. Diese Kompaktierungskapazität V ist der Innenraum des HIP-Behälters 3 um das Volumen der Kapsel 2 verringert. Werden in den Behälter 3 mehrere Kapseln eingegeben, so ist die Kapazität V das Volumen des Innenraumes des Behälters verringert um das Gesamtvolumen der Kapseln.
Liegt die Menge an H&sub2;O unter dem unteren Grenzwert, so ist die Menge vergleichbar mit den Spuren von H&sub2;O, wie es üblicherweise im Druckmedium vorhanden ist, d.h. im Ar-Gas sowie auf der Oberfläche der Kapsel 2 und auf der Innenfläche des Behälters 3 im Fall üblicher Verfahren. Demzufolge sollten Mengen unterhalb der unteren Grenze ausgeschlossen sein. Darüber hinaus sollte mit einem Anstieg der Menge an H&sub2;O das Volumen der sich ausbildenden Oxidbeschichtung 6 vergrößern, wobei dies nicht mehr der Fall ist, wenn die H&sub2;O-Menge einen bestimmten Wert überschreitet, d.h. beim Überschreiten eines Grenzwertes der H&sub2;O-Menge wird das Volumen der Oxidschicht 6 nicht weiter ver größert. Vielmehr bildet sich in einem solchen Fall durch die Anwesenheit von H&sub2;O in großer Menge eine Oxidschicht auch auf den Innenflächen von HIP-Behälter 3, Erhitzer usw. aus, so daß ein Überschuß an H&sub2;O unnötig ist, wenn auf der Kapsel 2 eine Oxidbeschichtung erfolgen bzw. eine Oxidschicht ausgebildet werden soll.
Nachfolgend wird die zweite Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf Fig. 2 beschrieben.
Der Verfahrensschritt des Kapselns P1b schließt bei der zweiten Ausführungsform den Verfahrensschritt des Ein- bzw. Durchdringens P10 und den Verfahrensschritt des Umhüllens P11 ein. Während des Eindringschrittes P10 wird auf der Außenfläche einer Kapsel 2 vor dem Kompaktierungsschritt P2b eine Oxidschicht 6 gebildet. Der Umhüllungsschritt P11 wird anschließend in der gleichen Weise wie der Umhüllungsschritt P11 bei der ersten Ausführungsform (gemäß Fig. 1) durchgeführt.
Der Eindringschritt P10 kann selektiv gemäß einem von mehreren Verfahren durchgeführt werden, als da sind eine Wärmebehandlung, bei der die Kapsel 2 in Luft oder Dampf erhitzt wird, eine Behandlung zur Ausbildung eines Filmes in passiver Weise durch Eintauchen der Kapsel 2, beispielsweise in eine Lösung aus salpetriger Säure im Fall, daß die Kapsel aus rostfreiem Stahl besteht, oder eine Behandlung, bei der die Kapsel in eine heiße Alkalilösung, beispielsweise aus Natriumhydroxid (NaOH) eingetaucht wird, wenn die Kapsel aus Kohlestoffstahl besteht.
Nach Durchführung des Umhüllungsschrittes P11 wird die Kapsel 2 in einen HIP-Behälter 3 eingegeben, der dann mit Ar-Gas gefüllt und im Kompaktierungsschritt P2b verschlossen wird. Im Inneren wird der HIP-Behälter 3 auf beispielsweise 1000ºC erhitzt und das Ar-Gas wird unter Druck gesetzt, beispielsweise 100 kgf/cm², damit es als Druckmittel wirken kann, wobei die von einer Oxidbeschichtung 6 umhüllte Kapsel zu einem festen Metallblock 20 hoher Dichte kompaktiert wird.
Gemäß der zweiten Ausführungsform wird die Oxidschicht 6 vor dem Kompaktierungsschritt P2b auf der Außenfläche der Kapsel 2 ausgebildet, so daß die Erhitzung während des Kompaktierungsschrittes P2b erfolgt, nachdem auf der Kapsel 2 bereits die Oxidschicht 6 ausgebildet worden ist. Folglich kann vom Beginn des Kompaktierungsschrittes P2b an das Eindringen und Freisetzen von Tritium verhindert werden. Entsprechend ist im Fall von Bedingungen derart, daß die letztlich gemäß der ersten Ausführungsform gebildet Oxidschicht und die im Vorbehandlungsschritt P10 gebildete Oxidschicht 6 miteinander vergleichbar sind, die Vergiftung des Ar-Gases 4 und der Innenfläche des HIP-Behälters 3 mit Tritium bei der zweiten Ausführungsform geringer als bei der ersten Ausführungsform ist, weil während der Einwirkung im Kompaktierungsschritt P2a der ersten Ausführungsform die Oxidbeschichtung 6 gleichzeitig mit dem Erhitzen erfolgt, mit dem wahrscheinlichen Ergebnis, daß das Tritium aus den Zirkaloy-Brennelementehüllen in die Kapsel penetrieren und aus der Kapsel freikommen kann, ehe die Oxidschicht 6 sich vollständig gebildet hat. Bei der zweiten Ausführungsform kann also gegenüber der ersten Ausführungsform der Arbeitsaufwand zum Entfernen der Vergiftung von Ar-Gas und HIP-Behälter noch geringer sein.
Nachfolgend wird die dritte Ausführungsform unter Bezugnahme auf Fig. 3 beschrieben.
Bei dieser dritten Ausführungsform gleicht der Verfahrensschritt des Einkapselns P1c dem Verfahrensschritt des Einkapselns P1b bei der zweiten Ausführungsform, während der Kompaktierungsschritt P2c dem Kompaktierungsschritt P2a bei der ersten Ausführungsform entspricht. Demzufolge ist die dritte Ausführungsform so ausgebildet, daß die Verhinderung des Eindringens des Tritiums und das Durchdringen des Tritiums in bzw. durch die Kapsel 2 durch Bildung einer Oxidschicht 6 auf der Außenfläche der Kapsel 2 vor dem Kompaktierungsschritt P2c weiter verbessert wird und während des Kompaktierungsschrittes P2c die Oxidschicht 6 durch das Vorhandensein von H&sub2; in der Atmosphäre eines HIP-Behälters 3 härter gemacht wird.
Obwohl die Kompaktierung bei der ersten bis zur dritten der beschriebenen Ausführungsformen unter Verwendung einer HIP durchgeführt wird, kann alternativ zum Kompaktieren eine beliebige HP verwendet werden. Die Kapsel 2 besteht bei der ersten bis zur dritten Ausführungsform aus rostfreiem Stahl, obwohl die Kapsel alternativ auch aus Kohlenstoffstahl bestehen kann. In diesem Fall bildet ein Eisenoxid eine Oxidschicht auf der Außenfläche der Kapsel, um das Ein- und Durchdringen von Tritium zu verhindern.
Ferner wird bei den vorgenannten drei Ausführungsformen ein Wasser bildender Wirkstoff verwendet, der beim Erhitzen H&sub2;O bildet, um auf der Außenfläche der Kapsel 2 innerhalb des HIP- Behälters 3 die Oxidschicht 6 zu bilden. Neben diesem Wirkstoff ist auch ein Oxid verwendbar, das beim Entmischen unter Wärmeeinwirkung Sauerstoff bildet, wie Fe&sub3;O&sub4;, NiO oder Cu&sub2;O.
Nachfolgend werden nun Untersuchungen wiedergegeben, die durchgeführt worden sind, um die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile zu erläutern wobei auch erhaltene Versuchsergebnisse genannt werden. Es wurden bei den Versuchen zwei Arten von Proben verwendet: Occlusionsproben in der Form von Zirkaloyrohren mit Deuterium, einem Isotop von Tritium und von Deuterium freien Nichtocclusionsproben. Die verwendeten Kapseln bestanden aus verschiedenen Materialien: einmal bestanden sie aus rostfreiem Stahl und zum anderen mal aus Kohlenstoffstahl. Die Proben enthaltenden Kapseln wurden in einem der Verfahren kompaktiert, wie sie in Fig. 1 bis 3 erläutert sind, sowie in einem üblichen Verfahren, bei dem lediglich eine HIP verwendet wurde. Der Gehalt an Deuterium in der Occlusionsprobe wurde vor und nach dem Verfahrensschritt des Kompaktierens ermittelt. Aus der Tabelle 1 sind die Ergebnisse zu ersehen.
Deuterium wurde deswegen für die Anwendung vorgesehen, weil es einfach und gefahrlos zu handhaben ist und weil auch seine Diffusionsgeschwindigkeit größer als die von Tritium ist, so daß die Sicherheit abschätzbar ist. Die Occlusionsprobe wurde in der Weise aufbereitet, daß das Zirkaloyrohr in einem Autoklaven für mindestens 40 Stunden bei 300ºC einer Deuteriumimmersionsbehandlung unterzogen wurde und dabei das Rohr etwa 650 bis 670 ppm Deuterium aufnahm.
Von diesen Proben wurden etwa 100 bis 200 g in der Kapsel deponiert, bei einem Außendurchmesser von etwa 20 bis 30 mm und einer Höhe bzw. Länge von etwa 40 bis 50 mm, die dann evakuiert wurde auf 26,6 Pa (0,2 torr), um die Proben darin einzuschließen. Für den Vorbehandlungsschritt P10 kamen vier Verfahren zur Anwendung, nämlich die Hitzeeinwirkung in Dampf, die Hitzeeinwirkung in Luft, Passivfilmbildung unter Verwendung von Salpetersäure (für Kapseln aus rostfreiem Stahl) und Eintauchen in heiße Alkalilösung unter Verwendung von Natriumhydroxidlösung (für Kapseln aus Kohlenstoffstahl). Die HIP- Kompaktierung erfolgte unter einem auf 101,3 x 10&sup5; Pa (100 atm) erhöhten Druck bei Erhitzen auf 1000ºC unter Verwendung eines HIP-Behälters mit einem Fassungsvermögen für die Kompaktierung von etwa 3700 cm³ und Argongas als Druckmittel.
Destilliertes Wasser oder Ca(OH)&sub2; wurde als Wasser bildender Wirkstoff verwendet, um im Inneren des HIP-Behälters eine H&sub2;O enthaltende Atmosphäre zu bilden. Der Wirkstoff wurde in wechselnden Mengen verwendet, so daß die Behälterinnenatmosphäre 1,35 x 10&supmin;&sup6; bis 2,7 x 10&supmin;&sup4; g/cm³ Wasser enthielt, bezogen auf das Kompaktierungsfassungsvermögen V /cm³).
Der HIP-Kompaktierungsschritt wurde mit einem Paar Kapseln durchgeführt, die in den HIP-Behälter eingegeben wurden, wobei eine der Kapseln Occlusionsproben und die andere Kapsel Nichtocclusionsproben aus folgendem Grund enthielt. Zirkaloy schließt seiner Natur gemäß eine große Menge Wasserstoff ein, wenn es sich in einer Atmosphäre befindet, die eine Spur von Wasserstoffpartialdruck bei hohen Temperaturen enthält. Mit anderen Worten wird im Fall der Erhitzung von Zirkaloy, das in großer Menge Wasserstoff enthält, auf hohe Temperatur ein Gleichgewichtszustand erreicht, wenn in der Atmosphäre ein geringer Wasserstoffpartialdruck dadurch erzeugt wird, daß das Zirkaloy den Wasserstoff freigibt und so keine weitere Freigabe von Wasserstoff möglich ist.
Beispielsweise wird allgemein angenommen, daß der Wasserstoffpartialdruck bei einer 0cclusionsmenge von 600 ppm einen Gleichgewichtszustand bei 1333 Pa (10 torr) bei 1000ºC erreicht. Wird bei der vorliegenden Untersuchung die Kompaktierungsbehandlung nur für eine Occlusionsprobe durchgeführt, so ist die Reduktion, die bei der Menge des Deuteriums in der Occlusionsprobe erhalten wird, mit etwa 10 ppm als Höchstwert angenommen. Jedoch ist beim Messen der Deuteriumsmenge das Meßergebnis mit sich verändernder Position der Deuteriumsprobe rasch schwankend, so daß es schwierig ist, die Menge des freigesetzten Deuteriums (dessen Reduktion) genau zu bestimmen und es sind möglicherweise die Meßwerte vor und nach der Kompaktierung nicht miteinander vergleichbar, wenn nur eine Probe für die Untersuchung herangezogen wird.
Um dieser Schwierigkeit zu begegnen, werden eine Kapsel mit Occlusionsproben und eine Kapsel mit Nichtocclusionsproben gleichzeitig dem vorliegend beschriebenen Test unterworfen, wobei die Freigabe von Deuterium aus den Occlusionsproben und die Absorption des Wasserstoffes durch die Nichtocclusionsproben beschleunigt werden. Auf diese Weise wird die Freigabe von Deuterium aus den Occlusionsproben während des Tests verstärkt mit dem Ergebnis, daß das Verhalten von Deuterium während der Kompaktierung einfach bestimmt werden kann.
Vor der Untersuchung war ein vorbereitender Test durchgeführt worden, um die Temperaturabhängigkeit der Freigabe von Deuterium aus der Occlusionsprobe zu ermitteln. Der vorbereitende Test wurde in der Weise durchgeführt, daß die Occlusionsprobe in einem Quarzrohr untergebracht wurde, daß das Rohr vollständig evakuiert wurde, daß danach mit dem Erhitzen des Rohres begonnen wurde und daß die Temperatur auf 1000ºC angehoben wurde, während die Menge des freigegebenen Deuteriums mit einem Massespektrometer ermittelt wurde. Gemäß Fig. 4 ergab die Untersuchung, daß die Probe mit der Freigabe von Deuterium bei 450ºC begann und die Freisetzung von Deuterium bei 1000ºC nach vollständiger Freigabe alles enthaltenen Deuteriums vollständig endete. Demzufolge kann das Freigabeverhalten von Deuterium aus einer Probe durch Erhitzen der Probe auf 1000ºC ermittelt werden. Tabelle 1 Menge ²H (ppm) Test/Versuchs Nr. vor der Behandlung nach der Behandlung Stahlart der Kapsel Einstellen der Atmosphäre H&sub2;O-Gehalt (g/cm³) und H&sub2;O-bildender Wirkstoff Vorbehandlung und Bedingungen der Vorbehandlung keine destilliertes Wasser Erhitzen in Dampf Tabelle 1 (Forsetzung) Menge ²H (ppm) Test/Versuchs Nr. vor der Behandlung nach der Behandlung Stahlart der Kapsel Einstellen der Atmosphäre H&sub2;O-Gehalt (g/cm³) und H&sub2;O-bildender Wirkstoff Vorbehandlung und Bedingungen der Vorbehandlung keine Erhitzen in Luft destilliertes Wasser Behandlung zur Passivfilmbildung Erhitzen in Dampf Eintauchen in Alkali-Lösung
Bemerkungen: (1) In der Spalte "Stahlart der Kaspel" steht für rostfreien, für Kohlenstoffsäurelösung
(2) Die Behandlung zur Passivfilmbildung in der Spalte "Vorbehandlung und Bedingungen der Vorbehandlung" wurde durch Eintauchen in eine Stickstoffsäurelösung durchgeführt
Die Alkalilösung für die Vorbehandlung war eine NaOH-Lösung.
Unter Bezugnahme auf Tabelle 1 werden die Testergebnisse nachfolgend diskutiert.
Die Versuche Nr. 1 und Nr 2 wurden entsprechend üblichen Verfahren durchgeführt, bei der die Vorbehandlung und die Einstellung der Kompaktierungsatmosphäre nicht erfolgten. In diesen Fällen wurde eine relativ große Menge Deuterium freigesetzt. Das Deuterium wurde jedoch teilweise nicht freigesetzt und zurückgehalten, vielleicht weil Wasser in sehr geringer Menge auf der Innenfläche des HIP-Behälters und der Außenfläche der Kapsel zurückblieb und auf der Außenfläche der Kapsel eine sehr dünne Oxidschicht bildete und die Freisetzung von Deuterium behinderte.
Die Versuche Nr. 3 bis Nr. 8 wurden gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung durchgeführt, wie diese in Fig. 1 dargestellt ist. Die Versuche mit den Nummern 9, 11, 13, 14, 16, 18 und 19 wurden gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung durchgeführt, wie diese in Fig. 2 dargestellt ist. Schließlich wurden die Versuche mit den Nummern 10, 12, 15 und 17 gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung durchgeführt, wie diese in Fig. 3 dargestellt ist.
Die Versuche Nr. 3 bis Nr. 8 (ausgeführt gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung) wurden mit wechselndem H&sub2;0-Gehalt von 1,35 x 10&supmin;&sup6; bis 2,7 x 10&supmin;&sup4; g/cm³ (etwa 0,005 bis 1 g als Gesamtwassermenge) unter Verwendung zweier Kapseln verschiedener Arten von Stahl durchgeführt. Die Ergebnisse dieser Versuche zeigen folgendes.
Die Versuche mit den Nummern 3 bis 5, bei denen der Wassergehalt relativ niedrig war, führten zu einer leichten Verringerung der Deutenummenge. Je höher der Wassergehalt war, desto größer war der Effekt der Verhinderung der Freigabe von Deuterium. Insbesondere bei den Versuchen Nr. 6 und Nr. 7 ergab sich keine Freigabe (Verringerung) von Deuterium, demzufolge vollständige Verhinderung der Penetration und Freigabe von Deuterium. Bei den Versuchen Nr. 6 und Nr. 7 waren die Werte nach der Behandlung größer als vorher; dies scheint auf Meßfehler zurückzuführen zu sein. Ein Vergleich zwischen den Versuchen Nr. 6 und Nr. 8 zeigt, daß bezüglich der Verhinderung der Freigabe von Deuterium rostfreier Stahl wirkungsvoller als Kohlenstoffstahl ist.
Bei den Versuchen mit den Nummern 9, 11, 13, 14, 16, 18 und 19 (unter Anwendung der zweiten Ausführungsform der Erfindung) wurden Kapseln aus zwei verschiedenen Stahlarten durch Erhitzen mittels Dampf, Erhitzen in Luft, Passivfilmbildung oder Eintauchen in eine heiße Alkalilösung vorbehandelt, danach kompaktiert ohne Einstellung der Atmosphäre im Inneren des HIP-Behälters. Die Test- bzw. Versuchsergebnisse zeigen, daß zwar beim Kompaktieren eine Verringerung der Deutenummenge sich ergab, diese Verringerung aber gering war, was die Wirkung der Vorbehandlung bezüglich der Verhinderung der Freisetzung von Deuterium zeigt. Im Hinblick auf das Kapselmaterial ergab sich bei der zweiten Ausführungsform der Erfindung, wie bei der ersten Ausführungsform, eine größere Wirksamkeit bei der Verhinderung der Freigabe von Deuterium, wenn rostfreier Stahl verwendet wurde, als wenn Kohlenstoffstahl verwendet wurde.
Bei den Versuchen mit den Nummern 10, 12, 15 und 17 (gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung) wurden Kapseln kompaktiert, wobei sowohl die Vorbehandlung als auch die Einstellung der Atmosphäre im Inneren des HIP-Behälters erfolgten. Die Versuchsergebnisse zeigen, daß keine Verringerung der Deuteriummenge sich ergab, selbst wenn der Wassergehalt der Atmosphäre relativ gering war und bei 1,35 x 10&supmin;&sup5; g/cm³ lag (Versuche Nr. 10 und Nr. 12) und eine Freigabe erfolgte überhaupt nicht bei allen Versuchen, bei denen die Vorbehandlung erfolgte in Verbindung mit der Einstellung des Wassergehalts in der Atmosphäre.
Obwohl die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen anhand von Beispielen ausführlich beschrieben wurde, versteht es sich, daß dem Fachmann zahlreiche Veränderungen und Abwandlungen ohne weiteres möglich sind. Es sollen solche Veränderungen Teil der Erfindung sein, soweit sie sich im Rahmen der Ansprüche halten.

Claims

1. Verfahren zim Kompaktieren radioaktiver Metallabfälle durch Einschluß des radioaktiven Metallabfalls (1) unter Vakuum in einer Kapsel (2), Einbringen dieser Kapsel (2) in einen Druckbehälter (3) und Aufbringen eines erhöhten Drucks auf die Kapsel (2) bei einer hohen Temperatur, um den Abfall zu kompaktieren, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchführung der Kompaktierung (P2a) unter Zustandsbedingungen erfolgt, gemäß denen die Atmosphäre in dem Druckbehälter (3) Wassermoleküle in einem Maße enthält, das, bezogen auf das Gesamtgewicht W(g) im Bereich von

1.3 X 10&supmin;&sup6; (g/cm³ x V (cm³ ≤ W (g)

liegt, worin V (cm³) das Volumen des Bereichs der Kompaktierung im Druckbehälter ist und dabei auf der Außenfläche der Kapsel eine Oxidschicht gelildet wird.

2. Verfahren zum Kompaktieren radioaktiver Metallabfälle durch Einschluß des radioaktiven Metallabfalls (1) unter Vakuum in einer Kapsel (2), Einbringen der Kapsel (2) in einen Druckbehälter (3) und Aufbringen eines erhöhten Drucks auf die Kapsel (2) bei hoher Temperatur, um den Abfall zu kompaktieren, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Kapseloberfläche eine Oxidschicht (6) gebildet wird, ehe die Kapsel (2) in den Druckbehälter (3) eingebracht wirl.

3. Verfahren zum Kompaktieren radioaktiver Metallabfälle durch Einschluß des radioaktiven Metallabfalls (1) unter Vakuum in einer Kapsel (2), Einbringen der Kapsel (2) in einen Druckbehälter (3) und Aufbringen eines erhöhten Drucks auf die Kapsel (2) hei hoher Temperatur, um den Abfall zu kompaktieren, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Kapseloberfläche eine Oxidschicht (6) gebildet wird, ehe die Kapsel (2) in den Druckbehälter (3) eingebracht wird, wobei die Kompaktierung unter Zustandsbedingungen erfolgt, gemäß denen die Atmosphäre in dem Druckbehälter (3) Wassermoleküle in einem Maße enthält, das, bezogen auf das Gesamtgewicht W(g), im Bereich von

1.3 X 10&supmin;&sup6; (g/cm³ x V (cm³ ≤ W (g)

liegt, wobei V (cm³) das Volumen des Bereichs der Kompaktierung im Druckbehälter ist.

4. Verfahren nach Anspruch 2 (der Anspruch 3, bei dem die Bildung der Oxidschicht durch Erhitzen der Kapsel (2) in Luft oder Dampf erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, bei dem die Kapsel (2) aus rostfreiem Stahl besteht und die Oxidschicht (6) durch Eintauchen der Kapsel (2) in ein Oxidationsmittel als passiver Oxidationsfilm gebildet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, bei dem Kapsel (2) aus Kohlenstoffstahl besteht und die Oxidschicht (6) durch Eintauchen der Kapsel (2) in eine heiße Alkalilösung gebildet wird.