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Atemluftflaschen aus Faserverbundwerkstoffen werden bei einem Brandeinsatz situationsabhängig hohen thermischen Belastungen ausgesetzt. Die Grenzen der sicheren thermischen Belastbarkeit dieser Behälter werden jedoch heutzutage nicht abgeprüft. Deshalb hat es sich die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) im Austausch mit der Bergischen Universität Wuppertal zur Aufgabe gemacht, die Auswirkungen dieser Betriebslasten zu untersuchen.
In diesem vierten und letzten Teil dieser Aufsatzreihe werden die Ergebnisse der analytischen Beanspruchungsanalysen vorgestellt, die mit dem entwickelten Hybrid-Behältermodell berechnet wurden. Unter simulierten Einsatzbedingungen des Brandeinsatzes wird dabei ein bisher nicht hinreichend beachtetes thermisches Degradationsverhalten berücksichtigt. Zur Bewertung der realen Degradation einer Atemluftflasche im Feuerwehrbetrieb, werden zudem die Ergebnisse von 90 zerstörenden Prüfungen vorgestellt, die an altersbedingt ausgesonderten Atemluftflaschen durchgeführt wurden. Die Erkenntnisse dieser Untersuchungsreihe werden final in einer sicherheitstechnischen Bewertung kondensiert.
Atemluftflaschen aus Faserverbundwerkstoffen werden bei einem Brandeinsatz situationsabhängig hohen thermischen Belastungen ausgesetzt. Die Grenzen der sicheren thermischen Belastbarkeit dieser Behälter werden jedoch heutzutage nicht abgeprüft. Deshalb haben es sich die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) im Austausch mit der Bergischen Universität Wuppertal zur Aufgabe gemacht, die Auswirkungen dieser Betriebslasten zu untersuchen. Die Erkenntnisse dieser Untersuchungsreihe sollen genutzt werden, um zu beurteilen, wie thermische Betriebsbedingungen in normierten Prüfkriterien sicherheitstechnisch berücksichtigt werden sollten.
In diesem zweiten Teil der Untersuchungsreihe werden Strömungsversuche dargestellt, die an dem untersuchten Baumuster einer Typ-III-Atemluftflasche unter Laborbedingungen durchgeführt wurden. Basierend auf den Wärmestrahlungsversuchen des ersten Teils dieser Untersuchungsreihe und auf den Strömungsversuchen wird ein analytischer Berechnungsansatz vorgestellt, der die instationäre Temperaturentwicklung im Material der Typ-III-Atemluftflasche konservativ annähert.
Anhand der berechneten Materialtemperaturen kann festgestellt werden, dass unter dem typischen Feuerwehr-Belastungsprofils von 130 °C bis 250 °C die Zulassungstemperatur der Typ-III-Atemluftflasche von 65 °C um bis zu 95 °C überschritten werden kann. Aus diesen Temperaturüberschreitungen können zwei Unsicherheiten identifiziert werden. Die Auslegung des Faserverbundwerkstoffs orientiert sich normgerecht an der oberen Zulassungstemperatur. Wird die Typ-III-Atemluftflasche im Brandeinsatz eingesetzt, ist es möglich, dass der lasttragende Faserverbundwerkstoff partiell über seinen nominellen Auslegungsbereich hinaus erwärmt wird. Eine weitere Unsicherheit ergibt sich für den Sicherheitsnachweis im Rahmen der Zulassungsprüfung. Für die Typ-III-Atemluftflaschen erfolgen für den Temperaturbereich des Brandeinsatzes kein statischer und kein dynamischer Festigkeitsnachweis.
Atemluftflaschen aus Faserverbundwerkstoffen werden bei einem Brandeinsatz situationsabhängig hohen thermischen Belastungen ausgesetzt. Die Grenzen der sicheren thermischen Belastbarkeit dieser Behälter werden jedoch heutzutage nicht abgeprüft. Deshalb hat es sich die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) im Austausch mit der Bergischen Universität Wuppertal zur Aufgabe gemacht, die Auswirkungen dieser Betriebslasten zu untersuchen. Die Erkenntnisse dieser Untersuchungen sollen genutzt werden, um zu beurteilen, wie thermische Betriebsbedingungen in normierten Prüfkriterien sicherheitstechnisch berücksichtigt werden sollten.
Um die Beanspruchungen innerhalb des Behältermaterials berechnen zu können wird in diesem dritten Teil der Aufsatzreihe die Entwicklung eines analytischen Hybrid-Behältermodells vorgestellt, in dem die für den Brandeinsatz zu erwartenden Materialtemperaturen, deren Ermittlung im Fokus des ersten und zweiten Teils dieser Untersuchungsreihe standen, eingebunden werden. Dabei werden im Modell erstmalig Schädigungsmechanismen berücksichtigt, die eine thermische Überbelastung des Faserverbundwerkstoffs einbeziehen.
Nach der Reaktorkatastrophe in Fukushima 2011 hat die Bundesregierung beschlossen die Nutzung der Kernenergie bis zum Jahr 2022 zu beenden. Seitdem erfolgt der Rückbau und die Stilllegung der kerntechnischen Anlagen in Deutschland. Dieser Vortrag erörtert die Herausforderungen, die sich mit dem Transport und der Lagerung von Kernbrennstoffen ergeben und leitet daraus Anforderungen ab, die an Transportbehälter gestellt werden.
Typical transport packages used in Germany are equipped with encapsulated wooden impact limiting devices. We would like to present the current status regarding the development of a Finite Element (FE) material model for the crush of wood for the FE-code LS-DYNA. The crush of is a phenomenon governed by macroscopic fracture. Here, we would like to reproduce fracture and failure mechanisms over the continuous volume. In a first step we altered an existing LS-DYNA material model for foams, which considers an ellipse shaped yield surface. For the use for longitudinal compression of wood, we modified the existing material model to consider the deviatoric strain for the evolution of the yield surface as well. This is in accordance with the results of crush tests with spruce wood specimens, where the crushing deformation was rather deviatoric for uniaxial stress states and rather volumetric for multiaxial stress states We rate the basic idea of this approach to be reasonable, though other problems exist regarding the shape of the yield surface and the assumption of isotropic material properties. Therefore we developed a new transversal isotropic material model with two main directions, which considers different yield curves according to the multiaxiality of the stress state via a multi-surface yield criterion and a non-associated flow rule. The results show the ability to reproduce the basic strength characteristics of spruce wood. Nevertheless, problems with regularization etc. show that additional investigations are necessary.
Das Einsatzspektrum von den besonders leichten Druckbehältern aus Faserverbund-werkstoffen erweitert sich kontinuierlich. Dies führt dazu, dass mit der erweiterten Verwendung auch die thermisch zulässigen Einsatzgrenzen dieser Behälter ausgeschöpft und sogar teilweise überschritten werden. So können bspw. Atemluftflaschen im Brandeinsatz der Feuerwehr an der Behälteroberfläche derart hohen Umgebungstemperaturen ausgesetzt werden, dass die zulässige Höchsttemperatur von 65 °C deutlich überschritten wird.
Durch experimentelle Temperaturversuche an Typ-III-Atemluftflaschen mit einem Innenbehälter aus Aluminium konnte gezeigt werden, dass bei der Brandbekämpfung die untersuchten Atemluftflaschen lokal über das in der Zulassung abgeprüfte Temperaturspektrum erhitzt werden. Der Glasübergangsbereich des Faserverbundwerkstoffs wird partiell um bis zu 95 °C überschritten. Um die reale Sicherheit der Atemluftflasche bewerten zu können, wurde ein analytisches Hybridbehältermodell entwickelt, das die Beanspruchungen mit validierten Materialtemperaturverläufen berechnet. Mit der Einbindung von Schädigungsansätzen konnte ein bisher nicht hinreichend beachtetes thermisches Degradationsverhalten in den Berechnungen berücksichtigt werden. Zudem wurden insgesamt 90 altersbedingt ausgesonderte Feuerwehr-Atemluftflaschen zerstörend geprüft, um nähere Erkenntnisse über den Sicherheitszustand am Ende der Lebenszeit zu erhalten.
In diesem Kolloquium werden Forschungsergebnisse vorgestellt, die im Rahmen einer Promotionsarbeit die Auswirkungen dieser erhöhten thermischen Betriebslasten auf eine Typ-III-Atemluftflasche mit einem Innenbehälter aus Aluminium darstellen und bewerten.
Atemluftflaschen aus Faserverbundwerkstoffen werden im Feuerwehrbetrieb hohen thermischen Belastungen ausgesetzt. Der thermisch sichere Bereich dieser Behälter ist jedoch heutzutage noch nicht einschätzbar. Deshalb haben es sich die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) im Austausch mit der Bergischen Universität Wuppertal zur Aufgabe gemacht, die Auswirkungen dieser Betriebslasten zu untersuchen.
Damaged spent nuclear fuel (DSNF) can be loaded in German dual-purpose casks (DPC) for transport and interim storage. Encapsulations are needed to guarantee a safe handling and a tight closure, separated from the package enclosure. These encapsulations shall be durable and leak-tight for a long storage period, because they are usually not accessible within periodical inspections of the DPC. Due to the general design of DPCs for standard fuel assemblies, specific requirements have to be considered for the design of encapsulations for DSNF to ensure the loading in existing package designs. Especially the primary lid system of a DPC is designed for maximum loads due to the internal impact of the content during drop test conditions. The main difference of encapsulations for damaged spent nuclear fuel is that they have usually a much higher stiffness than standard fuel assemblies. Therefore the design of an internal shock absorber, e.g. at the head of an encapsulation is required to reduce mechanical loads to the primary lid system during impacts.
BAM as part of the German competent authority system is responsible for the safety assessment of the mechanical and thermal package design, the release of radioactive material and the quality assurance of package manufacturing and operation. Concerning the mechanical design of the encapsulation BAM was involved in the comprehensive assessment procedure during the package design approval process. An internal shock absorber was developed by the package designer with numerical analyses and experimental drop tests. Experimental drop tests are needed to cover limiting parameters regarding, e.g. temperature and wall thickness of the shock absorbing element to enable a detailed specification of the whole load-deformation behavior of the encapsulation shock absorber.
The paper gives an overview of the assessment work by BAM and points out the main findings which are relevant for an acceptable design of internal shock absorbers. The physical drop tests were planned on the basis of pre-investigations of the applicant concerning shape, dimension and material properties. In advance of the final drop tests the possible internal impact behavior had to be analyzed and the setup of the test facility had to be validated. The planning, performance and evaluation of the final drop tests were witnessed and assessed by BAM. In conclusion it could be approved that the German encapsulation system for damaged spent nuclear fuel with shock absorbing components can be handled similar to standard fuel assemblies in existing package designs.
German package design approvals were granted recently for dual purpose casks (DPC) intended for loading with encapsulated damaged spent nuclear fuel (DSNF). Comprehensive assessment procedures were carried out by the authority BAM with respect to the mechanical and thermal package design, the activity release of radioactive material and quality assurance aspects for manufacturing and operation of each packaging. The objective of each procedure was to verify the Package Design Safety Report (PDSR) and the relevant guidelines fulfils the requirements of the IAEA regulations.
Previous approvals of German SNF package designs consider mainly standard fuel assemblies with defined specifications and properties for transport and interim storage. Due to the nuclear power phase-out in Germany all kinds of SNF, e.g. damaged spent fuel rods shall be packed in DPC now. Therefore specific requirements shall be considered in accordance with international experiences including IAEA technical reports. The main requirement for DSNF is a tight encapsulation with specific defined properties under transport and storage conditions.
Due to the interim storage period of currently up to 40 years the encapsulation with DSNF in the casks shall also be long term durable. Thus specific loading and drying procedures are necessary and had to be qualified during the approval process. BAM assessed these drying procedures and could confirm the long-term behaviour of the encapsulation and the suitability of the drying equipment. This special equipment was qualified in a “cold handling”. In addition, it was shown that the behaviour of the test equipment used in the qualification process was comparable with the original equipment, e.g. test fuel rods or test encapsulation. In the development of the drying process, experience was obtained in how to put the requirements of the IAEA regulations and related IAEA technical reports into practice.
The paper gives an overview of approval assessment and testing experience made by BAM and point out the main resulting requirements on drying processes for these kinds of encapsulations with DSNF.
German package design approvals were granted recently for dual purpose casks (DPC) intended for loading with encapsulated damaged spent nuclear fuel (DSNF). Comprehensive assessment procedures were carried out by the authority BAM with respect to the mechanical and thermal package design, the activity release of radioactive material and quality assurance aspects for manufacturing and operation of each packaging. The objective of each procedure was to verify the Package Design Safety Report (PDSR) and the relevant guidelines fulfils the requirements of the IAEA regulations.
Previous approvals of German SNF package designs consider mainly standard fuel assemblies with defined specifications and properties for transport and interim storage. Due to the nuclear power phase-out in Germany all kinds of SNF, e.g. damaged spent fuel rods shall be packed in DPC now. Therefore specific requirements shall be considered in accordance with international experiences including IAEA technical reports. The main requirement for DSNF is a tight encapsulation with specific defined properties under transport and storage conditions.
Due to the interim storage period of currently up to 40 years the encapsulation with DSNF in the casks shall also be long term durable. Thus specific loading and drying procedures are necessary and had to be qualified during the approval process. BAM assessed these drying procedures and could confirm the long-term behaviour of the encapsulation and the suitability of the drying equipment. This special equipment was qualified in a “cold handling”. In addition, it was shown that the behaviour of the test equipment used in the qualification process was comparable with the original equipment, e.g. test fuel rods or test encapsulation. In the development of the drying process, experience was obtained in how to put the requirements of the IAEA regulations and related IAEA technical reports into practice.
The paper gives an overview of approval assessment and testing experience made by BAM and point out the main resulting requirements on drying processes for these kinds of encapsulations with DSNF.