Fleisch, J.

Roth, G.

Weisenburger, S.

Weishaupt, M.

KITopen

Die Verglasungsanlage Karlsruhe(VEK) wird eine der nächsten An-lagen ihrer Art sein, die weltweitden heißen Betrieb aufnimmt. Sieist konzipiert zur zwischen- undendlagergerechten Konditionie-rung der ca. 60 m3 hochradio-aktiver flüssiger HAWC-Lösung (High Active Waste Concentrate)mit einer Gesamtaktivität von7,7 · 1017 Bq, die aus dem Betriebder ehemaligen, zwischenzeitlichim Rückbau befindlichen Wieder-aufarbeitungsanlage Karlsruhe(WAK), hervorging. Weitere Rück-baumaßnahmen im HAWC-Lager-bereich sind abhängig von der voll-ständigen Entsorgung der HAWC-Lösung. Hierzu wurde in den Jahren 2000bis 2005 die Anlage VEK errichtet(siehe Abb. 1) und nach Durch-führung aller Funktionstests in-zwischen in einen betriebsbereitenZustand überführt, so dass einKalttestbetrieb der Gesamtanlagedurchgeführt werden kann [1]. Diehierzu erforderliche Betriebsge-nehmigung zur Verglasung von ca.15 m3 Simulat-Lösung liegt vorund wird derzeit mit der Installati-on von Provisorien für den Kalt-testbetrieb und Demonstration derfernhantierten Instandhaltung inden heißen Zellen umgesetzt. Im Projektbereich VEK, zuständigfür das Projekt- und Qualitätsma-nagement, wurden die Entwick-lungen des Institutes für NukleareEntsorgung (INE) zur Verglasung-technologie einerseits und die nu-klearen Betriebs- und Stillle-gungserfahrungen der WAK Be-triebsgesellschaft (WAK BGmbH)andererseits zusammengeführt,um in kurzen Planungs- und Ge-nehmigungszeiträumen die not-wendigen Voraussetzungen fürBau und Betrieb der Anlage zuschaffen. Diese Kooperation wirdauch nach der Neustrukturierungdes Projektes Stilllegung und Ent-sorgung der WAK (StiWAK) mit derInbetriebsetzung und dem heißenBetrieb der VEK fortgeführt, in demdas aus der Errichtungsphase er-fahrene Personal in die Betriebs-organisation der WAK BGmbH ein-gebunden wird, um einen rei-bungslosen Übergang nach Fer-tigstellung der Anlage in den heißenBetrieb zu ermöglichen. Voraussetzung für Errichtung undBetrieb der VEK waren in allen Ge-nehmigungsschritten Nachweisefür die nach dem Stand der Wis-senschaft und Technik erforderli-chen Vorsorgemaßnahmen gegenSchäden für Personen und Um-welt. Das Vorgehen orientierte sichhierbei an den Schutzzielen● sicherer Einschluss der radio-aktiven Stoffe,● Einhaltung der Unterkritikalität,● sichere Abfuhr der Nachzer-fallswärme,● Begrenzung der Strahlenexpo-sition zum Schutz der Bevöl-kerung, der Umgebung und desBetriebspersonals.Neben der Einhaltung dieser über-geordneten Schutzziele waren mitdem VEK-Projekt weitere techni-sche Herausforderungen zu lösen.So sollte das Prozessgebäude inunmittelbarer Nähe des HAWC-La-gers errichtet werden und die kom-plexe Prozesstechnik in einer Struk-tur von heißen Zellen zweckmäßigangeordnet werden. Gebäude-struktur und die prozesstechnischeEinrichtungen waren derart auszu-legen, dass auch Einwirkungen ausinduzierten Erschütterungen nachSchutzziele undsicherheitstechnischeAuslegungEinführung in das VEK-Projekt172(172)HAWC-Entsorgung der WAK – eine mit der VEK zu lösende AufgabeJ. Fleisch, M. Weishaupt, WAK; G. Roth, S. Weisenburger, INENACHRICHTEN – Forschungszentrum Karlsruhe Jahrg. 38 3/2006 S. 172–176 Abb. 1: Fertiggestelltes VEK-Prozessgebäude – Ansicht von Süd-westen.Personal-zugangCASTOR-AusschleuseHAWC-LagerErdbeben oder Flugzeugabsturzdie jeweils erforderlichen Schutz-funktionen erhalten. Hinsichtlichdes Verglasungsbetriebes solltedie Auslegung einen möglichststörungsfreien und sicheren Be-trieb mit kurzen Betriebszeiten er-möglichen, wobei für die HAW-Glasgebinde spezifizierte Parame-ter für die Zwischen- und Endla-gerfähigkeit einzuhalten sind.Aus diesen Anforderungen resul-tiert eine sicherheitstechnischeAuslegung der VEK mit folgendenMerkmalen [2]:● Der Schutz der Bevölkerungwird durch Minimierung der ra-dioaktiven Emissionen mit Er-wartungswerten für die effekti-ve Jahresdosis < 2 µSv ge-währleistet. Gleiches gilt für den173(173)Abb. 2: Vereinfachtes Fließbild des VEK-Verglasungsprozesses.GlasfritteVerglasungÜbernahme Glasfritten-dosieranlageAbgasbehandlungnass trockenErhitzer Erhitzer GebläseKaminKühlerHEPA-FilterJod-FilterHEPA-FilterFaser-mattenf.SekundärabfallbehandlungMAW-Sammel-behälterNOx-AbsorberStrahl-wäscherKonden-satorNass-entstauberDosier-behälterFeed AbgasHAWCÜbernahme-behälter (2) Wisch-testDeko-stationSchweiß-stationAbkühl-stationKokillen-hubwagenGlas-schmelze Verdampfer(2-stufig)Zwischen-lagerSchmelzofenKokillenbehandlungSAWKondensatorKonzentrat-behälterSchutz des Betriebspersonalsdurch eine weitgehend fern-hantierte Prozessführung mitErwartungswerten am ständi-gen Arbeitsplatz von < 4 mSv/a.● Anlage und Einrichtungen sindgegen Erdbeben bis zur Stärke7/8 (Richterskala) geschützt.Der Erhalt der Funktionsfähig-keit von Einrichtungen und derWeiterbetrieb, ggf. nach einzel-nen Reparaturen wurde nach-gewiesen.● Es besteht Penetrationsschutzdes Gebäudes gegen den di-rekten Flugzeugtreffer (1,80 m/2,10 m Wand/Deckenstärke). DieIntegrität von radiologisch wich-tigen Komponenten wie HAWC-Behälter, Schmelzofen, Zel-lenauskleidungen bleibt auchnach diesem unterstellten Last-fall erhalten. VEK-VerglasungsprozessDie Verglasungsanlage umfasstneben den Systemen des Haupt-prozesses mit Lüftungsanlage, Me-dien- und Stromversorgung ins-gesamt 28 technische Systeme.Die folgenden im vereinfachtenFließbild der Abb. 2 dargestelltenSysteme werden dem Hauptpro-zess der Verglasung zugeordnet:● Das Übernahmesystem zur För-derung des HAWC aus den La-gerbehältern der LAVA, in dieÜbernahmebehälter der VEK.Prozesstechnik undGebäudestrukturdes Prozessgebäudes. Die pro-zesstechnischen Einrichtungen zurÜbernahme des HAWC und derKonzentrierung der sekundärenflüssigen Abfälle sind in der Über-nahmezelle angeordnet. Für denFall von möglichen Leckagen sinddiese, wie auch die übrigen Zellen,mit entsprechenden Leckageauf-fang- und Beseitigungseinrichtun-gen ausgestattet.Die Anordnung der Prozesskom-ponenten der Schmelzofenzellesowie die fertig gestellte heiße Zel-le sind in Abb. 4 dargestellt.Über Gewichtsmessungen am Ko-killenhubwagen werden bei derGlasabfüllung sowohl die Glas-flussrate als auch das Gebinde-gewicht kontrolliert und durch Si-cherheitsabschaltungen eine Über-füllung der Kokille ausgeschlos-sen. Nach mehrtägiger Abkühlungder befüllten Kokille in der Kokil-lenbehandlungszelle erfolgen je-weils fernhantiert Verschweißung,Dekontamination und radiologi-sche Vermessung im gleichen Zel-lenbereich. Für die Verschweißungkommt ein qualifiziertes Verfahrenzum Einsatz, bei dem (ggf. in meh-reren Lagen) ohne Zuführung vonSchweißzusatzwerkstoffen der Ko-killendeckel automatisiert mit demGrundkörper dicht verschweißtwird. Zur Dekontamination der Ge-bindeoberfläche stehen ein mit Ul-traschallgeneratoren ausgerüste-tes Säurebad sowie ein Spülbadzur Verfügung (siehe Abb. 5).Vor der Ausschleusung der HAW-Abfallgebinde in das anlagenin-terne Pufferlager (Kapazität 36Glaskokillen), werden die Gebin-deoberfläche auf Restkontamina-tion sowie die Dosisleistungen (n, β/γ) im Hinblick auf Überein-174(174)Abb. 3: Längsschnitt durch das VEK-Prozessgebäude – Anordnung der heißenZellen und Funktionsbereiche.HAWC-Übernahme,Sekundärflüssig-keitsbehandlungHAWCHAWC-DosierungGlaserschmelzungAbgasvorreinigungKokilllentransport1  Übernahmezelle2  Schmelzofenzelle3  Kokillenbehandlung4  Pufferlager5  Transportbehälter-    LadestationAbkühlenDeckel verschweißenDekontaminierenKontaminationstest12354● Das Verglasungssystem mitdem Schmelzofen und den Do-siereinrichtungen zur Zuführungvon HAWC und Glasperlen inden Schmelzofen.● Die Kokillenbehandlung mit denEinzelschritten der Abkühlung,des Aufschweißens des Kokil-lendeckels und der Dekonta-mination.● Die nasse Abgasreinigung mitWaschkolonnen, einem Strahl-wäscher und einem Kondensa-tor.● Die trockene Abgasreinigung(2-strängig) mit verschiedenenStufen der Feinfilterung (Faser-mattenfilter, HEPA-Filter, Jod-Filter).● Die MAW-Behandlung mit Be-hältern zum Sammeln vonMAW-Flüssigkeiten, Aufkon-zentrierung in einer zweistufi-gen Verdampfungsanlage undRückführung in den Prozess.Die in der VEK angewandte Vergla-sungstechnologie basiert auf einemflüssig gespeisten elektrisch be-heizten keramischen Schmelzofenmit einem Schmelzbadinhalt von430 kg [3]. Die kontinuierliche Ein-speisung der HAWC-Abfalllösungerfolgt mit einem Durchsatz von ca.10 l/h aus einem Dosierbehälterüber ein Airliftsystem. Die erforder-lichen glasbildenden Stoffe werdenin Form einer perlenförmigen Glas-fritte über einer Dosierstation peri-odisch dem Schmelzofen zugeführt.Die Abfüllung des Produktglases inEdelstahlkokillen erfolgt über ein in-duktiv beheiztes Bodenauslauf-system in Chargen von ca. 100 kgnach jeweils ca. 15 h. Zur Befüllungeiner Kokille sind jeweils vier Char-gen erforderlich. Anordnung der Prozess-technik in Heißen Zellen Die Abb. 3 zeigt die Anordnungder Systeme in den heißen Zellenstimmung mit den Produktdatenüberprüft. Die Auslagerung derproduzierten Glaskokillen erfolgtnach ca. zwei bis drei Monaten inder Transportbehälterladestationin CASTOR-Behälter.Schritte der InbetriebnahmeDie Inbetriebnahme der VEK er-folgt nach geprüften und freige-gebenen Funktionsprüf- und In-betriebnahmeprogrammen, jeweilsgetrennt für die einzelnen Systemeund abschießend im Verbundbe-trieb. Folgende Schritte werdendurchlaufen:● Funktionsprüfungen der Ein-zelkomponenten (Armaturen,Ventile, Pumpen etc.)● Funktionsprüfung von Bau-gruppen mit mehreren Kompo-nenten (Probenahmeeinrich-tungen, Fördereinrichtungen,Glasfrittendosieranlage etc.)● Funktionsprüfung an Systemen(SAW-Behandlung, Lüftungs-anlage, Übernahmesystem,Schmelzsystem etc.).Bei Funktionsprüfungen, die mitFlüssigtransfers verbunden sind,wird Wasser anstelle chemisch si-mulierter inaktiver Prozessflüssig-keit verwendet. Voraussetzung fürdie Inbetriebnahme von Systemen,ist die mängelfrei nachgewieseneFunktion der Einzelkomponentenund Baugruppen. Die Inbetrieb-nahme von Systemen dient auchzur Voreinstellung und Bestätigungwichtiger Betriebsparameter, demNachweis des VerbundbetriebsInbetriebsetzung undÜbergang zum heißenBetrieb175(175)Abb. 4: a) 3-D-Ansicht der Schmelzofenzelle –  b) Foto nach Montageende.Nass-entstauberDosier-behälterSchmelz-ofenKokillen-hubwagenKondensatorheißen Betriebs ab. WesentlicheUnterschiede zum heißen Pro-duktionsbetrieb bestehen darin,dass die HAWC-Leitung zum Tank-lager noch verschlossen ist undein HAWC-Simulat verglast wird,das über Provisorien in die Über-nahmebehälter der VEK einge-speist wird. DekobadSpülbadKühl- undSchweißpositionvon Einzelkomponenten verschie-dener Systeme und dem Nach-weis der Prozessüberwachungüber das Prozessleitsystem. Eine Besonderheit stellt die Funk-tionsprüfung des Schmelzofensdar. Hierzu bedarf es bis auf weni-ge Prüfschritte der Inbetriebnahmedes Schmelzofens, d. h. der Auf-temperung auf 1000 °C mit Hilfevon SiC-Startheizelementen, diein den Schmelzofen eingesetztwerden. Nach Befüllung desSchmelzofens mit niedrig schmel-zendem Startglas und der Inbe-triebnahme der Joule’schen Be-heizung erfolgen die restlichenFunktionsprüfungen, wie z. B. dieGlasabfüllung. Abb. 5: Blick in die Kokillenbehandlungszelle.a bKalttestbetriebZiel des Kalttestbetriebes ist dieDemonstration der vollen Funkti-onsfähigkeit der Anlage. Der Be-trieb läuft in dieser Phase bereitsweitgehend nach den Regularienund Bedienungsanweisungen des Der Kalttestbetrieb umfasst einenZeitraum von mehreren Monaten,wobei ca. 15 m3 HAWC-Simulatim 24-h-Schichtbetrieb verglastwerden. Die dabei produzierteGlasmenge von über ca. 11 t wirdin ca. 29 Kokillen abgefüllt. DerBetrieb der Anlage geschieht inAnlehnung an das chemischeFließbild mit einer Glasprodukti-onsrate von 7 kg/h. Heiße InbetriebnahmeNach Beendigung des Kalttestbe-triebes werden alle Provisorien ent-fernt und nach Erteilung der zwei-ten Betriebsgenehmigung die hei-ßen Anschlüsse zum HAWC-Lager(LAVA) hergestellt. Zur Durch-führung der heißen Inbetriebnah-me wird ein geringes Volumen vonwenigen 100 l HAWC aus der LAVAin einen der Übernahmebehältergefördert und dort mit HAWC-Simulat vermischt. Diese radioak-tive Mischung wird analog zumVorgehen beim Kalttestbetrieb ver-glast. Die Dauer der heißen Testsbelaufen sich auf wenige Wochen.Nach Beendigung der heißen In-betriebnahme kann dann der heißeProduktionsbetrieb mit der Über-nahme der ersten Charge von ca.1,6 m3 HAWC und der nachfol-genden Verglasung beginnen. Die Erzeugung spezifikationsge-rechter Glaskokillen wird durchEinhaltung wesentlicher Prozess-176(176)Tab. 1: Produktionsdaten und garantierte Kenngrößen der VEK-Glas-kokille.Parameter Nominalwert Garantiewert Glasbeladung (Abfalloxide) 16 Gew.-% ≤ 19 Gew.-% Gebindemasse 495 kg ≤ 550 kg Gesamt-α-Aktivität 5,6 E13 Bq ≤ 8,6 E13 Bq Gesamt-β/γ-Aktivität 6 E15 Bq ≤ 9,6 E15 Bq Uran-Menge 3977 g ≤ 7200 g Plutonium-Menge 132 g ≤ 190 g Wärmeleistung 520 W ≤ 734 W [1] G. Roth, S. Weisenburger, J. Fleisch,M. Weishaupt,„Process Technique and SafetyFeatures of the German VEK-Vitrification Plant Currently underCommissioning“, Proceedings ofGlobal 2005, Tsukuba, Japan,October 9-13, 2005, Paper no. 296[2] J. Fleisch, H. Kuttruf, G. Roth,S. Weisenburger,„Protection of Operators andEnvironment – The Safety Concept ofthe Karlsruhe Vitrification Plant VEK”,Proceedings WM ’02 Conference,Tucson (AZ), USA, February 24 – 28,2002[3] G. Roth, S. Weisenburger,„Verglasungstechnologie desForschungszentrums Karlsruhe fürhochradioaktive flüssige Abfälle“,In: Radioaktivität und Kernenergie,Forschungszentrum Karlsruhe, 103-116, 2001, ISBN 3-92-3704-26-7Literaturparameter mit Hilfe des Prozess-leitsystems sichergestellt. In Tab. 1sind die Produktionsdaten mit we-sentlichen Garantiewerten derHAW-Glaskokille im Vergleich zuden Nominalwerten dargestellt. Die VEK steht unmittelbar vor derHerstellung der Betriebsbereit-schaft. Nach Abschluss der letztenFunktionsprüfungen am Schmelz-system ist in Kürze das Auftemperndes Ofens und der nachfolgendekalte Verbundbetrieb vorgesehen.Die Anlage befindet sich danach imStand-by-Zustand. Die Erteilung der zweiten Teilbe-triebsgenehmigung ist Vorausset-zung für die Einrichtung der Kon-troll- und Sicherungsbereiche. Dieanschließende heiße Inbetriebset-zung beginnt mit der Endmontageder Rohrleitungsverbindungen zwi-schen VEK und LAVA, dem An-schluss der Probenrohrpostleitungan die Hochaktiv-Boxen der LAVAund an die Behälterabgasleitungder LAVA sowie den Anschlussdes VEK-Fortluftkanals an denLAVA-Kamin. Organisatorisch steht eine durchdie Funktionsprüfungen und diekalte Inbetriebsetzung geschultegemeinsame Betriebsmannschaftder WAK BGmbH und des For-schungszentrums zur Verfügung.Bereits am Standort befinden sichdie fünf CASTOR-Behälter, die zumspäteren Abtransport der währenddes etwa einjährigen Betriebs derVEK produzierten ca. 130 HAW-Kokillen erforderlich sind. Ausblick

HAWC-Entsorgung der WAK - eine mit der VEK zu lösende Aufgabe

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