Verglasungsanlagen für Hochradioaktive flüssige Abfälle

Im Jahr 2021 kann Kraftanlagen Heidelberg auf 40 Jahre Erfahrung in der Planung, Errichtung und Inbetriebnahme von Verglasungsanlagen für hochradioaktive flüssige Abfälle (HAWC) aus der Wiederaufarbeitung von Brennelementen zurückblicken. Von Anfang an setzten wir auf die Technologie des Joule beheizten flüssigkeitsgespeisten keramischen Schmelzofens und wurden dabei immer vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT), dem Institut für Nukleare Entsorgung (INE), unterstützt. Bereits in den 80er Jahren wurden Zusammenarbeits- und Kooperationsvereinbarungen geschlossen, die uns bis heute die kompetente und effektive Abwicklung von Aufträgen für Verglasungsanlagen sichern.

Neben den nachfolgend vorgestellten Verglasungsanlagen, die im heißen Betrieb zur Verglasung von HAWC eingesetzt werden, war Kraftanlagen Heidelberg auch bei der Planung und Errichtung von zahlreichen Testanlagen beteiligt.

In Verglasungsanlagen werden hochaktive Flüssigkeiten transportiert und behandelt. Hohe Dosisleistungen und extreme Anforderungen an Integrität und Funktionsfähigkeit von Bauteilen und Einrichtungen kennzeichnen diese Anlagen. Die Heißzellentechnik und der fernhantierter Ein- und Ausbau von Komponenten sowie der Einsatz von Manipulatoren sind hierbei zwingend erforderlich. Kraftanlagen Heidelberg beherrscht diese Technologien, plant und liefert entsprechende Einrichtungen seit vielen Jahren und verfügt auch über die entsprechenden Spezialisten und Programme um 3D-CAD Studien über Hantierungsabläufe, Kollisionsuntersuchungen und Montagefreiräume anzufertigen und entsprechende zu Simulationen zu erzeugen.

Diese Erfahrungen konnten ebenfalls bereits erfolgreich in zahlreichen Rückbauprojekten, sowohl beim Rückbau von Kernkraftwerken als auch beim Rückbau nuklearer Forschungsanlagen und Heißzellenanlagen eingesetzt werden. Denn beim Rückbau vieler nuklearer Anlagen sind immer wieder Arbeiten mit Fernhantierungseinrichtungen und -methoden durchzuführen, da viele Bereiche nicht direkt intervenierbar sind.

Ab 1981 wurde die erste aktiv betriebene europäische Verglasungsanlage mit der Technik des flüssigkeitsgespeisten keramischen Schmelzofens im belgischen Mol unter maßgeblicher Beteiligung von Kraftanlagen errichtet und in Betrieb genommen.

Ab 1999 wurde die erste deutsche Verglasungseinrichtung (VEK) in Deutschland auf dem Gelände der Wiederaufarbeitungsanlage Karlsruhe (heute KTE) errichtet und der dort gelagerte Abfall wurde nach der Inbetriebnahme der Anlage in nur 9 Monaten im Jahr 2009 verglast. Auch hier war Kraftanlagen Heidelberg in die Planung in allen Errichtungsphasen, in die Inbetriebnahme und Bauleitung und in die Genehmigung maßgeblich eingebunden und stellte auch Teile der Betriebsmannschaft.

2009 erhielt ein deutsches Konsortium bestehend aus Kraftanlagen Heidelberg, Steag und KTE den Auftrag für eine erste Verglasungsanlage in China (Vitrification Plant China, VPC). Der Auftrag umfasste die Planung und die Lieferung der Schlüsselkomponenten incl. des keramischen Schmelzofens sowie die Montageüberwachung, Inbetriebnahme und Betriebsunterstützung.

Die Anlage wurde in der Provinz Sichuan in Guangyuan errichtet und ist technisch sehr eng an die Verglasungseinrichtung in Karlsruhe (VEK) angelehnt. Sie hat jedoch die fünffache Durchsatzleistung.

Herzstück der VPC-Prozessstrecke – und somit auch der gesamten Anlage – ist dabei der flüssigkeitsgespeiste keramische Schmelzofen.

Weltweit ist die Verglasungstechnologie als die sicherste Methode zum Einschluss hochradioaktiver Flüssigkeiten für die Zwischen- beziehungsweise Endlagerung akzeptiert. Die Verglasungsanlage China (Vitrification Plant China, VPC) erfüllt alle internationalen Standards für kerntechnische Anlagen.

VPC ist eine erdbebensichere „Heiße-Zellen-Anlage“, in welcher die stark strahlenden Abfälle konditioniert werden. Die Schmelzofenzelle, die Zellen zur Handhabung der „Canister“ (Edelstahlkokillen) und die Abgaszelle sind mit Bleiglasfenstern, Zellenkränen, Hand- und Schwerlastmanipulatoren sowie mit Abschirmtüren ausgerüstet.

Die Verglasung erfolgt in einem bewährten flüssigkeitsgespeisten und elektrisch beheizten keramischen Schmelzofen. Unter Zugabe von Glasfritte wird der hochradioaktive Abfall verdampft, kalziniert, in eine Glasmasse homogen eingebunden, und anschließend in Edelstahlkokillen abgefüllt. Alle Komponenten in der Ofenzelle wurden von KAH hinsichtlich ihrer Fernhantierbarkeit ausgelegt und optimiert und nach erfolgreichen Factory-Acceptance-Tests und Abnahmen zum Kunden nach Guangyuan verschifft. Nach Montageabschluss und umfangreichen Systemtests ist inzwischen die kalte Inbetriebnahme in 2020 erfolgt und im nächsten Jahr soll die Anlage in den heißen Betrieb gehen und die nahezu 850 m3 hochradioaktiven Flüssigabfälle, die am Standort lagen, verglasen.

Ab 2017 begannen Verhandlungen mit altbekannten und neuen chinesischen Partnern, die zu Vertragsabschlüssen für mehrere Verglasungsanlagen führten. Vertragspartner auf der deutschen Seite ist ein Konsortium aus Kraftanlagen Heidelberg und Steag. Auf der chinesischen Seite sind CNPE (China Nuclear Power Engineering), CNEIC (China Nuclear Energy Industrie Cooperation) und die 404 Company die Vertragspartner.

Wie bisher auch, konnten wir uns weiterhin die Unterstützung durch das Institut für Nukleare Entsorgung des KIT für die Glaschemie, der Laboranalytik und Verglasungstechnik sichern.

Der Engineering-Vertrag umfasst im Wesentlichen die Planung einer Anlage zur Verglasung von hochradioaktivem flüssigem Abfall, der bereits am Standort gelagert ist, sowie die Verglasung von Abfällen aus einer Pilot-Wiederaufarbeitungsanlage. Weiterhin wird eine Testanlage geplant, um mit HAWC Simulat im inaktiven Betrieb Betriebserfahrungen zu sammeln und Verglasungstests zu ermöglichen.

Die abfallspezifische Glasentwicklung einschließlich aller erforderlichen Laborversuche und die Analytik sind ebenfalls beauftragt. Ergänzt wird der Auftrag durch die Planung eines Instandhaltungs- und Zerlegebereichs und eines Zwischenlagers für die mehrere tausend Abfallkokillen, die am Standort mit der Verglasungsanlage produziert werden.Die Schmelzöfen dieser Anlagen sind nahezu baugleich mit dem VPC Schmelzofen.

Die Anlage ist anspruchsvoll, da am Standort besondere Anforderungen aufgrund der recht hohen Aktivität des zu verglasenden Abfalls bestehen, sowie auch zur Beherrschung der hohen Lasten aus den Erdbebenbeschleunigungen besondere technische Vorkehrungen erforderlich sind.

In 2020 wurde ein zweiter Vertrag verhandelt. Er umfasst die Lieferung der Schlüsselkomponenten und die Unterstützung bei Montage und Inbetriebnahme sowie weiter Leistungen für das Detailengineering und für die Unterstützung bei der behördlichen Genehmigung.

Bis 2030 sollen die beiden Anlagen (Heiße Anlage und Teststand) sowie das Zwischenlager für die befüllten Edelstahlkokillen in Betrieb sein.