SalVE - Machbarkeitsstudie zur Anwendbarkeit von Niedertemperatur-Salzschmelzen für Verschlussmaßnahmen von Endlagern für radioaktive Abfälle im Wirtsgestein Salz

Abstract

Als potentiell relevante Salzsysteme kommen aufgrund der Forderungen nach der Bildung stabiler Salze, ihrer Verfügbarkeit, der preislichen Vertretbarkeit sowie ihrer allgemeinen Toxizität prinzipiell drei Gruppen infrage, welche Schmelzpunkte unter 200°C aufweisen: • Mischungen von Alkalimetallchloriden/-bromiden mit Aluminiumchlorid • Mischungen von Alkalimetallsulfiden mit Schwefel (Polysulfide) Mischungen von Alkalimetallchloriden/-bromiden mit Kupfer(I)chlorid bzw.-bromid. In Tabelle 7.1 ist für diese Mischungen die Datenlage der Literatur zusammengefasst. Die binären Mischungen von Alkalimetallchloriden mit Aluminiumchlorid, insbesondere das System NaCl-AlCl3 ist recht gut untersucht, vor allem bei höheren Temperaturen. Charakteristisch sind Schmelzpunkte der eutektischen Mischungen zwischen 114 bis 147°C. Die Schmelzen weisen eine niedrige Viskosität vergleichbar mit Wasser auf und sind somit sehr fließfähig. Schmelzmischungen, welche eine Alkalimetallchlorid-Sättigung aufweisen sind wesentlich günstiger zu handhaben als Mischungen mit AlCl3-Überschuss, da die Hydrolyseempfindlichkeit, der Dampfdruck sowie die Volumenzunahme beim Schmelzen wesentlich niedriger sind. Letztere Eigenschaft liegt bei äquimolaren Mischungen in einer Größenordnung von ca. 15 %, was bei einem potentiellen Einsatz als Verschlussmaterial im Endlager nähere Betrachtung finden muss. Es fehlen Daten zum Reaktionsverhalten dieser Schmelzmischungen gegenüber Wasser bei Temperaturen unter 200°C. Für die ternären Mischungen von Alkalimetallchloriden mit Kaliumchlorid bzw. Erdalkalimetallchloriden mit Aluminiumchlorid liefert die Literatur Hinweise auf eutektische Punkte unter 100°C. Diese Daten müssten jedoch überprüft experimentell werden. Mit Mischungen von Alkalimetallbromiden mit Aluminiumbromid können ebenfalls sehr niedrige Schmelztemperaturen unter 100°C erreicht werden, wobei die Datenlage wesentlich schlechter als bei den chloridischen Systemen ist. Allerdings liegen diese niedrigen Schmelzpunkte allesamt bei AlBr3-Gehalten über 50 mol%. Diese Mischungen sind aufgrund sehr hohen Hydrolyseempfindlichkeit von AlBr3, bei welcher HBr freigesetzt wird, nicht handhabbar. Damit scheiden Aluminiumbromid-haltige Mischungen als potentielle Verschlussmaterialien in Endlagern aus. Die Datenlage über sulfidische Schmelzen ist besonders für das ternäre System Na2S – K2S– S schlecht. Aufgrund der Daten des Systems Na2S – S sind wesentlich höhere Viskositäten als in AlCl3-haltigen Systemen zu erwarten. Glasbildung und Unterkühlungseffekte erschweren voraussichtlich experimentelle Untersuchungen. Bisher nicht untersucht ist die Frage, in welchem Maße ein Kontakt der Schmelze mit Wasser zur Zersetzung der Sulfide und damit zum Freisetzen von Schwefelwasserstoff führt. Bei den Kupfer(I)chlorid-haltigen Systemen ist insbesondere das System CuCl-KCl als katalytisches System untersucht und thermodynamisch modelliert worden. Experimentelle Daten unter 200°C fehlen. Vorteilhaft erscheinen die zu erwartenden niedrigeren Volumenzunahmen beim Schmelzvorgang (bzw. -abnahmen beim Erstarren) und die geringere Hydrolyseempfindlichkeit im Vergleich zu den AlCl3-haltigen Systemen. Nachteilig für experimentelle Untersuchungen ist die durch Verunreinigungen an CuCl2 hervorgerufene Schwarzfärbung der Schmelze. Weitere Möglichkeiten für Schmelzmischungen wurden in Kap. 6 zusammengestellt. Es wurde jedoch gezeigt, dass diese eine noch untergeordnete Bedeutung gegenüber den in Tabelle 7.1 gelisteten Systemen haben. Datei-Upload durch TIB