Der im Zwilag erstellte Plasmaofen ist weltweit die erste Anlage, in der leicht radioaktive Abfälle mit einem Hochleistungs-Plasmabrenner bei einigen tausend Grad Celsius thermisch zersetzt oder aufgeschmolzen werden. Dem Abfall wird beim Schmelzvorgang Altglas zugeführt und somit werden die Reststoffe auslaugsicher immobilisiert. Mit dem Verfahren wird ein chemisch resistenter, schwer auslaugbarer Abfallkörper hergestellt, der für die spätere Lagerung in geologischen Formationen über gute Eigenschaften verfügt. Darüber hinaus konnte das Abfallvolumen durchschnittlich um einen Faktor fünf bis 20 verkleinert werden
Einführung
In der Schweiz sind die Verursacher radioaktiver Abfälle für deren Entsorgung verantwortlich. Das Gesetz schreibt die Dauerhafte und sichere Entsorgung durch Endlagerung vor. Die Verarbeitung (Konditionierung) der Abfälle in eine endlagerfähige Form wird durch den Verursacher vorgenommen.
Dazu gründeten die vier KKW Betreiber (BKW, KKG, KKL, NOK) die ZWILAG.
Im ZZL wird unterschieden zwischen hochradiaktiven so wie mittel bis schwach Radioaktiven Abfällen.
Das Lager für die hochradioaktiven Abfälle hat Platz für 200 Behälter zu je rund 100 Tonnen Gewicht. Derzeit enthält es 20 Behälter, 13 mit abgebrannten Brennelementen, 7 mit verglasten Abfällen aus der Wiederaufarbeitung im Ausland.
Neben dem hochaktiven Abfällen, fallen pro Jahr rund 300 Fässer schwach bis mittel aktiver Abfall, aus den KKWs so wie aus Forschung und Medizin an. Zusätzlich bestehet ein Lager für 1'000 Fässer leichtradioaktiven Abfällen das derzeit mit 600 Stück belegt ist.
Anlagenbeschreibung
Da die Schweiz noch nicht über ein Endlager verfügt, und die Kapazität im ZWILAG endlich ist. Entschlossen sich die Trägerschaft zum Bau einer Konditionierungsanlage so wie einer kombinierten Verbrennungs- und Schmelzanlage.
Nach einem sechs Jahre dauernden Bewilligungsverfahren konnte Ende August 1996 die Baubewilligung erteilt werden. Im Frühjahr 2000 wurde der erste Bauabschnitt abgeschlossen.
Am 6.März.2000 erteilte der damalige Bundespräsident Adolf Ogi die Betriebsbewilligung für die Konditionierungs- und V&S Anlage. Alles funktioniert praktisch auf Anhieb, nur das weltweit einzigartige High-Tech-Gerät erlitt eine Kinderkrankheit nach der anderen. Erst nach millionen-schweren Nachinvestitionen kann der Plasmaofen Inbetriebgenommen werden. Erschwerend wirkte sich aus das die Lieferfirma bankrott ging und die automatische Fassbeschickung komplett erneuert werden musste.
Im Folgenden konzentriert sich diese Arbeit nur noch auf die V&S Anlage.
Ziel der Anlage
Die Intention für den Bau und den Betrieb der Verbrennungs- und Schmelzanlage sind Analog von konventionellen Müllverbrennungsanlages zusuchen. Da bei Handelt es sich um ein thermisches Verfahren bei dem Müll verbrannt wird, da bei wird zum einen das Volumen, des Abfalls, stark Reduziert, weiter hin wird auch die Masse reduziert da ein nicht unwesentlicher Teil als Abgase emittieren.
Bei der V&S-Alage handelt um eine Pyrolyse. Da zu kommt als Primäre Energiequelle ein Plasma-brenner zum Einsatz. Da bei handelt es sich um einen „elektrisch stabilisierten Blitz“ in einer Gasatmosphäre der zwischen zwei Elektroden, von denen das eine zu behandelnde Gut sein kann erzeugt.
Eine Plasmaflamme erreicht Temperaturen von 15’000 bis 20’000°C. Der wassergekühlte 1200 kW Plasmabrenner erzeugt einen Lichtbogen, der von einer 5 bis 15 cm dicken Flamme mit einer Temperatur von ca. 5'000°C. umgeben ist. Als Plasmagas wird Stickstoff eingesetzt.
Nicht zu vergessen ist, dass man Radioaktivität nicht vernichten kann. Die anfallende Abfallasche bzw. Schlacke/Schmelze bleibt aktiv. Sie wird in der Glasmatrix immobilisiert und in Stahlkokillen abgegossen, welche dan in Endlagerfässer überführt wird.
Primär wird eine Volumenreduktion von bis zu 80 % erreicht. So wurden in der letzten Kampangie aus 191 Fässern nur noch 31 [B].
Die Verbrennungs- und Schmelzanlage wurde für eine Durchsatzrate von rund 200 kg/h brennbarer oder 300 kg/h schmelzbar Abfälle ausgelegt. Vorgesehen sind jährlich 5 bis 6 Kampagnen a 200 Stunden in dreischichtigem Betrieb. Das erwartete jährliche Abfallaufkommen beträgt ca. 150t brennbare und 50 t schmelzbaren Abfalls.
Verfahren
Das Herz der PLASMARC® Verbrennungs- und Schmelzanlage ist ein Drehhedofen mit einem Plasma-brenner, so wie Nachgeschalteter Abluftreinigungs-Anlage. Diese Ausführungsform erlaubt, in einer einzigen Anlage brennbare und flüssige Abfälle thermisch zu zersetzen so wie Metalle einzuschmelzen. Der Ofen besteht aus einem 4 m hohen zylindrischen Gebilde von 3m Durchmesser, mit den zwei Hauptbestandteilen Deckel und Drehherd.
Auf dem Deckel sind Öffnungen für die Hauptbeschickungseinrichtung, (Schleuse Fassdreheinrichtung), die Flussmittel-Beschickung, den Plasma-Brenner und den Stütz Propan-Brenner. den Manipulator, des Verschluss- Systems, die Kameras und die Sauerstoffjets angebracht. Eine zusätzliche Öffnung dient als Mannloch sowie für die Beschickung übergewichtiger Fässer mit dem Hallenkran. Der Deckel wird mit einer Isolationsschicht aus Sinterkorund-Chromoxid-Hochbrandstein ausgekleidet um das Schmelzen oder Korrosion des Kessel zu verhindern.
Der Drehherd wird um sine Achse gedreht, um die Abfälle unter den stationären Plasmabrenner zu bringen. Der doppelwandige Dreherdboden wird mit einer Spritzwasserkühlung abgekühlt. Dadurch wird die Seitenwand auch mitgekühlt.
Ofenbetrieb
Die Ofenanlage wird erst in Betrieb genommen, wenn auch die Rauchgasreinigung betriebsbereit ist. Der Ofen wird langsam mit dem Hilfsbrenner auf Temperatur gebracht, um die Auskleidung zu schonen. Nach dem Verschluss der zentralen Bodenöffnung werden die Zuschlagstoffe in den Ofen gebracht. Für die Verglasung der Verbrennungsrückstände werden die Zuschlagstoffe (SiO2 und CaO) in 200l Fässer durch die horizontale Fassbeschickung in den Drehherd eingebracht und mit dem Plasmabrenner geschmolzen. Als Flussmittel können geringe Mengen Natriumoxid zugesetzt werden, die Zudosierung erfolgt durch eine Zelleradschleuse
Ofenbeschickung
Anschliessend werden die Fässer einzeln in die vertikale in Beschickungsschleuse eingebracht. Dort werden sie angestochen und anschliessend in die Horizontale gedreht und in Richtung Ofen geschoben. Der Propanbrenner schneidet die Fässer in Scheiben, dies fällt mit ihrem Inhalt, Portionsweise in die sich drehende Glasschmelze. Die Abfälle gelangen so unter den Plasmabrenner. Die Abfälle zersetzen sich pyrolytisch und spalten sich dabei in Reststoff und Gas auf. Die Gase werden der Abluftbehandlungsanlage zugeführt.
Fässer mit Flüssigen Inhalt werden ausserhalb der Beschickungsschleuse an eine Pumpvorrichtung angeschlossen und in den Drehherd eingespritzt. Mit dem leeren Fass wird genau gleich verfahren wie mit vollen Fässern.
Schmelze Entleerung
Sobald der derer einen Inhalt von 800-850 Litern Inhalt erreicht hat wird das Abgiessen eingeleitet. Die Drehzahl des Drehherd wird dafür stark erhöht und der Bodenverschluss geöffnet. Das Abfliessen der Schmelze wird durch die Reduktion der Drehzahl eingeleitet und reguliert. Während die Schmelze durch die Kammer hindurch in die Kokille fällt, werden die Pyrolsegase seitlich abgezogen und dem Nachbrennkammer zugeführt. Der Gas-Schmelzensperator und die Abgusskammer haben eine Wassergekühlte Doppelwand. Des Weiteren hat die Abgusskammer zwei Schleusen um beim Kokillenwechsel eine Kontamination zu verhindern. Wenn die Kokille voll ist (ca. 140 Liter) wird automatisch die Drehzahl erhöht und eine neue Kokille eingeschleust. Die gefüllte Kokille wird in der Ausgangsschleuse gebracht und nach einer gewissen Spühlzeit, werden sich eine starre Schicht auf der Schmelze bildet, in den abgeschirmten Kühltunnel transportier. Nach einer Aufenthaltszeit von etwa 55 h im Tunnel ist die Temperatur des Abgusses durch Lüftkühlung auf unter 50 °C. abgesunken.
Nach dem Abkühlen werden die Kokillen aus dem Kühlgefässen gezogen und in ein mit Beton ausgekleidete 200 Liter Endlagergebinde eingesetzt. In der Verfüllsation werden die Lagerräume in den Gebinden mit Sand verfüllt. Die Gebinde werden automatisch Verschlossen und gelangen nach einer automatischen Dosisleistung- und Kontaminationsmessung zum Fasslager.
Rauchgasreinigung
Die Anlage zur Behandlung der Rachgas ist Vergleichbar mit jenen aus konventionellen Müllverbrenungsanlagen
Die Rauchgase der Verbrennungsanlage werden zuerst in der Nachbrennkammer vollständig oxidiert. Anschliessend durchlaufen sie den Abhitzekesse, die dabei gewonnene Energie wird zur Aufheizung anderer Komponenten verwendet.
Quench
Der Quench besteht aus einem vertikal aufgestellten Stahlzylinder. Die heissen Rauchgase werden im oberen Bereich eingeleitet und im Gegestrom mit zerstäubtem Wasser weiter gekühlt. Das Quench-Wasser nimmt auch aktive Stoffe wie Cs-, aber auch Schadstoffe Zn-, Cl- und F-Verbindungen auf.
Säure Wäscher
Im säure Wäscher, einer Füllkörperkolone, werden die Abgase im Gegenstrom eingeleitet, wo die und säurelöslichen inaktiven und aktiven Schadstoffe abgeschieden werden.
Entstaubung
Im Elektrofilter werden Aerosole und Staubpartikel welche noch in den Abgasen vorhanden sind abgeschieden. Die feinsten Partikel, die noch den Nasselektrofilter durchströmen, werden in zwei HEPA-Filter abgeschieden. Nach diesen Reinigungstuffen sollten keine radioaktiven Substanzen mehr in der Abluft vorhanden sein. Die Nachfolgenden Komponenten sind gänzlich nur noch für die Abscheidung bzw. Umwandlung inaktiver Schadstoffe im Einsatz.
Entschwefelung
Schwefeldioxid wird im alkalischen Wäscheren vom Abgas getrennt. Das Abgas wird im Gegenstrom mit einer Kalkmilch-Lösung, vo vier Waschstufen, geführt. Das SO2 reagiert mit Kalkmilch (CaOH2) und Luftsauerstoff zu Gips (CaSO4 •2H2O). Die folgenden Gebläse erzeugen einen Unterdruck im Plasmaofen.
DeNOx
Nach dem Gebläse werden die Abgase in einem Rohrwärmetauscher auf 320°c. erhitzt. Von dort gelangen die Abgase in einen in eine Mischkammer, in welcher die Abgase mit Ammoniak versetzt werden. In der DeNOx Anlage werden die Stickoxide in Anwesenheit des Ammoniak und eines Katalysators zu N2 reduziert. Das Abgas wird dann über einen 35m hohen Kamin ausgestossen.
Abfallprodukte und Reststoffe
Die bei der Abluftbehandlung anfallenden radiokativen Abwässer werden in einen Puffer Tank gesammelt. Dort wird durch Zugabe vin Zeolithen ein Teil des Cäsiums gebunden. Die flüssige Phase wird in einen zweitwen Puffertank gepumpt und mit NaOH neutralisiert. Beide Behälter sind mit Dosiereinrichtungen ausgestatet um Schwermetalle zufällen. Diese Abwässer werden der Konditionierungsanlage zugeführt (siehe Abb.1 Anhang). Das Abwasser mit den Sedimenten unnd Schläme wird nun zentrifugiert. Der anfallende Filterkuchen wird der Verbrennung abgegeben. Das Filtrat wird über eine Ionentauscherkolonnen geführt und anschlissend in einer Destillationskolonne eingedampft. Die beladenen Ionentauscherharze werden ebenfalls wieder in der V&S-Anlage behandelt. Das anfallende Destillat dient als Prozesswasser in der konditionierungs zum Beispiel als anmachwasser zur Zementierung.
Die HEPA-Filterelemente werden in 200 l. Fässer abgefüllt und der V&S-Anlage abgegeben.
Pro Jahr fallen ca. 5 Tonnen Gibsabscheidungen an. Dieser kann, nach einer Freimessung, konventionell „Entsorgt“ werden. Weiter fallen ca. 50 m3a-1 NaCl-Lösung an welche via Vorfluter du PSI-Abwassersytem der Umwelt abgegeben wird.
Radiaktive Stoffe weiden nur in geringstem Masse in die Umwelt, via Luftpfad so wie Wasserpfad, emittiert. Dies in Form von triiertem Wasser (Tritium, 3H) so wie 14C Kohlendioxid (siehe hier zu Kp. 5.5.2 Abgabelimiten [1]).
Quellen
Literatur
[1] Vigfusson J. Dr.; HSK Gutachten zum Gesuch der Zwilag Zwischenlager Würenlingen AG um Erteilung der Betriebsbewilligung für die Konditionierungsanlage sowie die Verbrennungs- und Schmelzanlage des Zentralen Zwischenlagers für radioaktive Abfälle in Würenlingen [HSK27/45] [KSA 27/99]; 1999
[A] Der Schweizerische Bundesrat; Verfügung betreffend die Betriebsbewilligung für die Konditionierungsanlage sowie der Verbrennungs- und Schmelzanlage des Zentralen Zwischenlagers für radioaktive Abfälle in Würenlingen; 6.März.2000
[B] Lüthi H.; Mittelland Zeitung; So füllt man Strahlung in Fässer ab; S. 22; Samstag;16 April 2005