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A state-of-the-art (SOTA) review on characterisation of spent nuclear fuel (SNF) properties in terms of source term and inventory assessment (neutron, gamma-ray emission, decay heat, radionuclide inventory, elemental content) and in terms of out-of-core fuel performance (cladding performance and fuel integrity in view of the safety criteria for SNF interim storage, transport and canister packaging) using several numerical and experimental approaches and methodologies is presented. This SOTA report is a result of the spent fuel characterisation (SFC) work package as part of the European Joint Programme on Radioactive Waste Management (EURAD), which offers an overview of the status of knowledge in the field of SNF characterisation and assessment during the pre-disposal phase. The document aims to focus on the current safety-significant gaps and related challenges, providing a direct link to the goals of the mandated actors of EURAD. The report is expected to be used by all EURAD colleagues in their national programmes as a key resource for knowledge management programmes and to contribute to demonstrating and documenting the state-of-the-art.
Der erhöhte Zusatz metallischer Reststoffe aus der Stilliegung und dem Rückbau
kerntechnischer Einrichtungen bei der Herstellung von Behältern aus Gusseisen mit
Kugelgraphit führt einerseits durch das Recycling zu einer Reduzierung der Menge
des endzulagernden radioaktiven Metallschrottes, aber andererseits auch zu einer
nachteiligen Beeinflussung sicherheitsrelevanter Werkstoffeigenschaften. Unter den
hochdynamischen Beanspruchungsbedingungen der nicht mit Stoßdämpfern ausgerüsteten Behälter liegt die Bruchzähigkeit um mehr als die Hälfte unter dem Mindestwert für die bisher genehmigten Werkstoffqualitäten, was eine Anpassung der sicherheitstechnischen Bewertungsmethoden für Behälter aus Gusseisen mit Kugelgraphit an den neuen Werkstoff erfordert. Im ersten Teil des Projektes EBER wurden dazu die Grundlagen erarbeitet. In diesem zweiten Teil wird die Beanspruchungsanalyse der Behälter weiter vervollkommnet. Die Werkstoffdämpfung wird mittels einer Analyse der Ausbreitung von Spannungswellen im Gusseisen berechnet. Die Behälterstruktur wird genauer als bei den bisherigen Berechnungen in den Modellen abgebildet. Im Mittelpunkt steht die Weiterentwicklung des sicherheitstechnischen Bewertungskonzeptes. Zur Bewertung von rissartigen Werkstofffehlern in geometrisch
komplexen Behälterpartien wurden statische und dynamische bruchmechanische nu-
merische Berechnungen eines Risses in einer Hohlkehle und in der Mitte einer Behälterwand durchgeführt. Die Berechnungsergebnisse wurden für spezielle Anwendungsfälle verifiziert, für die bereits Lösungen bekannt sind. Die gewonnenen Erkenntnisse
wurden in einfach zu handhabende Bewertungsdiagramme umgesetzt. Das sicherheitstechnische Bewertungskonzept wurde schließlich bei einem Fallversuch mit einem
rissbehafteten Prototypbehälter definierter Werkstoffqualität überprüft. Eine Minderung
der Beanspruchung infolge konstruktiver Verbesserungen (größere Hohlkehlen, Bodenleiste) durch den Behälterkonstrukteur konnte dabei bestätigt werden.
Es werden Methoden zur sicherheitstechnischen Bewertung des mechanischen Verhaltens von Brennstabhüllrohren entwickelt, um sprödes Versagen in Belastungsszenarien nach längerfristiger trockener Zwischenlagerung zu verhindern. Unbestrahlte Brennstabhüllrohrsegmente aus der Zirkoniumlegierung ZIRLO® wurden hydriert und thermomechanischen Behandlungen unterzogen, um Hüllrohrmaterial durch Ausscheidung radialer Hydride zu verspröden. Die Proben mit radialen Hydriden wurden im Ring Compression Test (RCT) bei Raumtemperatur untersucht. Bereits bei kleinen Probenverformungen wurden abrupte Kraftabfälle mit instabiler Rissausbreitung durch das Netzwerk radialer Hydride beobachtet. Die Risslängen erreichten in einigen Fällen bis zu 90 % der Wanddicke. Der mikromechanische Versagensmechanismus ist Quasi-Spaltbruch in den Hydriden und Porenbildung, -wachstum und -vereinigung in der Zirkoniummatrix an den duktilen Brücken zwischen benachbarten Hydriden. Es wurde ein Finite-Elemente-Modell des Ring Compression Tests erstellt, um das Versagensverhalten zirkoniumbasierter Legierungen mit radialen Hydriden im RCT zu analysieren. Die Fließkurve für das elastisch-plastische Materialmodell des Matrixmaterials wurde durch eine inverse Finite-Elemente-Analyse ermittelt. Kohäsivzonenmodelle wurden benutzt, um die plötzlichen Kraftabfälle zu reproduzieren. Es wurde ein mikromechanisches Modell mit statistisch generierten Matrix-Hydrid-Verteilungen entwickelt, das zwischen sprödem Versagen entlang der Hydride und duktilem Versagen der Zirkoniummatrix in der Kohäsivzone unterscheidet. Für das jeweilige Materialverhalten wird ein lokales zweiparametriges Versagenskriterium auf Grundlage der Kohäsionsfestigkeit und der Separationsenergie bei einer festgelegten Form des Kohäsivgesetzes vorgeschlagen. Geeignete Kohäsivparameter lassen sich mit einer inversen Finite-Elemente-Analyse des Versagensverhaltens von hydrierten Proben im Ring Compression Test bestimmen. In den Simulationen lag der Schwerpunkt auf dem ersten Kraftabfall. Die Berechnungsergebnisse stimmen gut mit den RCT-Ergebnissen überein. Es konnte gezeigt werden, dass die Rissinitiierung und -ausbreitung stark von der speziellen Anordnung der radialen Hydride und Matrixbrücken in der Bruchzone abhängt. Die numerische Modellbildung wurde an Versuchen mit bestrahlten Proben aus der Zirkoniumlegierung M5® validiert.
Die sicherheitstechnische Auslegung von Behältern aus duktilem Gusseisen mit erhöhten Reststoffanteilen wird untersucht. Ausgehend von den zu gewährleistenden Anforderungen an Transport- und Lagerbehälter für radioaktive Abfälle werden Referenzbeanspruchungs- situationen definiert. Für einen ausgewählten Referenzfall (bestehend aus der Kombination der Behälterbauart Gusscontainer Typ VI, einem Absturz aus 5 m Höhe auf ein hartes Endlagergestein simulierendes Betonfundament als repräsentativer Störfall und vorgegebenen Werkstoffeigenschaften) wird eine numerische Spannungsanalyse durchgeführt. Die Berechnungen erfolgen mit der Methode der finiten Elemente an dreidimensionalen Modellen, deren numerische Stabilität und Genauigkeit überprüft wird. Zur Berechnung der Behälterbeanspruchungen in Abhängigkeit vom Reststoffanteil werden dynamische Fließkurven für definiert legierte Testabgüsse angegeben.