LASABA-II. Dekontamination silikatischer Oberflächen in kerntechnischen Anlagen mittels Laserabtrag bei gleichzeitiger Abproduktkonditionierung. Abschlussbericht. Gesamtlaufzeit des Projektes: 01.04.2006

LASABA-II. Dekontamination silikatischer Oberflächen in kerntechnischen Anlagen mittels Laserabtrag bei gleichzeitiger Abproduktkonditionierung. Abschlussbericht. Gesamtlaufzeit des Projektes: 01.04.2006 - 31.07.2008

Lippmann, Wolfgang / Herrmann, Marion / Pietsch, Christian / Reinecke, Anne-Maria / Hille, Carmen / Wolf, Regine / Zeuner, Albert

Abstract

Der Rückbau kompletter Nuklearanlagen erfordert die großflächige Dekontamination radioaktiv belasteter Betonoberflächen, um so die zu entsorgende Menge radioaktiven Abfalls zu minimieren. Dabei ist der Prozess der Dekontamination außerordentlich komplex und kostenintensiv. Es wird deshalb in zunehmendem Maße nach leistungsfähigen und insgesamt kostengünstigen Verfahren zur Dekontamination von Betonoberflächen gesucht. Durch die beschleunigte Entwicklung der Lasertechnik stehen inzwischen kompakte Hochleistungs-Diodenlaser mit bis zu 10 kW kontinuierlicher (cw)-Strahlleistung zur Verfügung. deren Strahlung in Lichtleitfasern über große Strecken geführt werden kann. Dies ermöglicht es, robotergeführte Bearbeitungsköpfe in kontaminierte Räumen zu führen und dabei die Hauptkomponenten der erforderlichen Gerätetechnik sowie das Bedienpersonal außerhalb des kontaminierten Bereiches zu belassen. Bei dem in diesem Bericht vorgestellten Verfahren sollen das laserinduzierte Aufschmelzen und berührungslose Abtragen der Betonoberfläche mit der gleichzeitigen Konditionierung der Abprodukte kombiniert werden. Die Besonderheit des Verfahrens besteht darin, dass die in den oberflächennahen Schichten des Betons vorhandenen Radionuklide in den aufgeschmolzenen, glasartigen Betonbestandteilen eingebunden werden und damit ohne weitere Prozessstufen für eine Endlagerung geeignet sind. Wesentlicher Inhalt der hier vorgestellten Projektarbeiten ist es, das prozessbedingte Abdampfen der vorhandenen radioaktiven Isotope zu analysieren und das Verfahren so zu optimieren, dass durch eine geeignete Prozessführung dieser unerwünschte Effekt minimiert wird. Zur effizienten Prozessführung wurde eine kompakte, in Modulbauweise ausgeführte Koaxialdüse konzipiert und gefertigt, in der die Prozessschritte Aufschmelzen, Austragen, Kühlung und Abtransport der aufgeschmolzenen Betonbestandteile optimal realisiert werden. In Dekontaminationsexperimenten mit radioaktiv präparierten Betonproben mit gemischt quarzitisch-calcitischen Zuschlagstoffen konnte die Wirksamkeit des Verfahrens nachgewiesen werden. Dabei ist es möglich, die Radionuklide 60.Co und 85.Sr zu hohen Anteilen in die sich bildende Glasmatrix einzubinden. Erwartungsgemäß sind die Abdampfraten des Radionuklids 137.Cs deutlich höher. Durch einen nachgeschalteten Elektrofilter gelingt es, einen Teil der freigesetzten 137.Cs-Nuklide zu fixieren. Weiteres Potential zur Minimierung der Freisetzungsraten erschließt sich in einer optimierten Strömungsführung entlang des Elektrofilters.

The decommissioning of entire nuclear installations requires the decontamination of large areas of radioactively contaminated concrete surfaces in order to minimize the amount of radioactive waste to be disposed of. This decontamination process is extraordinarily complex and costly. That is why researchers are increasingly trying to find powerful and cost-efficient methods for the decontamination of concrete surfaces. The rapid progress of laser technology has yielded compact high-performance diode lasers with a continuous-wave (cw) beam power of up to 10 kW whose radiation can be conducted over large distances via optical fibres. This makes it possible to introduce robot-controlled processing heads into contaminated rooms, leaving both the operators and the main components of the necessary technology outside the contaminated area. The process presented in this paper intends to combine the laser-induced melting and contactless ablation of the concrete surface with the simultaneous conditioning of waste products. The special quality of the process lies in the fact that the radionuclides present in the layers near the concrete surface are incorporated into the molten, glassy concrete components to make them suitable for final storage without further process steps. The focus of the project work presented here is to analyse the process-induced evaporization of the existing radioactive isotopes and to optimize the process such that this effect will be minimized by appropriate process control. In order to achieve efficient process control, a compact modular coaxial nozzle has been designed and manufactured, thus optimally implementing the process steps of melting, removal, cooling and discharge of the molten concrete components. The efficacy of the process was proved in decontamination experiments using radioactively prepared concrete with a mix of quartzitic and calcitic additives. It is possible to incorporate a high percentage of the 60.Co and 85.Sr radionuclides into the glass matrix forming in the process. As expected, the evaporization rates of the radionuclide 137.Cs are considerably higher. Apart of the 137.Cs nuclides can be trapped by a downstream electrofilter. A further potential for minimizing the release rates is opened up by optimizing the gas flow along the electrofilter.