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Organisationseinheit der BAM
Die mechanische Beanspruchung von Transport- und Lagerbehältern für radioaktive Stoffe gemäß den durch die IAEA vorgegebenen Prüfszenarien oder bei Unfällen, die während der Handhabung in einer kerntechnischen Anlage auftreten können, wird maßgeblich durch das Design der Stoßdämpfer und die Eigenschaften des jeweiligen Untergrundes beeinflusst. Da der Nachweis der Behälterintegrität und -dichtheit häufig an numerische Simulationen gekoppelt ist, sind für die sicherheitstechnische Auslegung der Konstruktion zuverlässige Informationen über das Energieabsorptionsvermögen der Werkstoffe und eine geeignete Umsetzung dieser Daten in FEM - Programme erforderlich. Die im Rahmen von Falluntersuchungen bei der BAM festgestellten, teilweise erheblichen Abweichungen zwischen experimentellen und berechneten Größen sind entsprechend darauf zurückzuführen, dass die zur Verfügung stehenden numerischen Verfahren das komplexe Verhalten der stoßdämpfenden Strukturen
nicht ausreichend präzise wiedergeben. Hiervon besonders betroffen sind Bauteile aus Holz und Polyurethan-Schaum (PU-Schaum), die zur Konstruktion von Behälterstoßdämpfern für die Transportkonfiguration eingesetzt werden, sowie Dämpferbeton, der in ausgewählten Bereichen im Fundament von Standort-Zwischenlagern eingebaut wird. Um die zugehörigen Materialmodelle weiter zu entwickeln und die dafür erforderliche Datenbasis zu schaffen, hat die BAM vor knapp zwei Jahren das vom BMBF geförderte Forschungsvorhaben ENREA (Entwicklung rechnerischer Analysemethoden für stoßdämpfende Strukturen beim Anprall oder Absturz von Abfallgebinden) gestartet. Wesentlicher Bestandteil ist ein systematisches Versuchsprogramm, bei dem die drei genannten Werkstoffe statisch und dynamisch hohen Druckbelastungen ausgesetzt werden. Relevante Versuchsparameter sind, neben der Dehnrate, die Temperatur und Lagerungsbedingungen sowie die Orientierung des Werkstoffes hinsichtlich der Belastungsrichtung. Dieser Beitrag präsentiert die wichtigsten Ergebnisse aus der ersten Versuchsphase, die durch weggesteuerte Versuche mit konstanten Prüfgeschwindigkeiten von 0,02 mm/s und 3000 mm/s gekennzeichnet ist. Darüber hinaus wird die Verwertung dieser Daten zur Anpassung von Materialmodellen auf der Grundlage von Nachrechnungen gezeigt, wobei die Möglichkeiten und Grenzen der verwendeten Konzepte Umrissen werden. Aufgrund des Umfangs, den die Versuche mit Holzwerkstoffen einnehmen, und des erforderlichen Aufwandes für die numerische Modellierung werden die entsprechenden Maßnahmen und Ergebnisse in einem eigenständigen Beitrag auf der KONTEC vorgestellt.
For disposal of the research reactor of the Technical University Munich FRM II a new transport and storage cask design was under approval assessment by the German authorities on the basis of International Atomic Energy Agency (IAEA) requirements. The cask body is made of ductile cast iron and closed by two bolted lid systems with metal seals. The material of the lids is stainless steel. On each end of the cask the wood-filled impact limiters are installed to reduce impact loads to the cask under drop test conditions. In the cavity of the cask a basket for five spent fuel elements is arranged.
This design has been assessed by the Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) in view to the mechanical and thermal safety analyses, the activity release approaches, and subjects of quality assurance and surveillance for manufacturing and operation of the package.
For the mechanical safety analyses of the package a combination of experimental testing and analytical/numerical calculations were applied. In total, four drop tests were carried out at the BAM large drop test facility. Two tests were carried out as a full IAEA drop test sequence consisting of a 9m drop test onto an unyielding target and a 1m puncture bar drop test. The other two drop tests were performed as single 9m drop tests and completed by additional analyses for considering the effects of an IAEA drop test sequence.
The main objectives of the drop tests were the investigation of the integrity of the package and its safety against release of radioactive material as well as the test of the fastening system of the impact limiters. Furthermore, the acceleration and strain signals measured during the tests were used for the verification of finite-element (FE) models applied in the safety analysis of the package design.
Mechanical loading conditions of transport and storage casks for radioactive materials in accidental scenarios are highly affected by the behavior of both: the impact limiters and the footing materials. To minimize potential damages during the handling of casks, a so called damping concrete is frequently used for the footings in interim nuclear facilities. It obtains its shock absorbing properties through admixing of polymer cells. For a comprehensive mechanical evaluation of casks, advanced material models are also needed for damping concrete. In order to characterize the mechanical properties and to develop numerical material models, penetration tests were carried out at different test facilities of BAM. The tests contain static and dynamic penetration tests on cubic specimen with an edge length of 100 mm as well as mortared specimen with a size of 240 x 240 x 50 cm³. Indenters with different geometries and diameters were used for these model-sized penetration tests. Subsequently a full-scale cylindrical cast-iron indenter with a diameter of 110 cm was dropped of 5 m height on a realistic damping concrete footing.
A new dual purpose cask design was developed for the safe transport and interim storage of spent fuel elements of German research reactors. In the framework of the safety assessment within the licensing procedure the Bundesanstalt für Materialforschung und –prüfung (BAM) as competent authority performed a series of drop tests according to the IAEA-Regulations [1]. The package consists of a cylindrical thick-walled ductile cast iron cask body closed by a double lid system with metallic seals. A lid and bottom sided impact limiter consisting of a wood/steel construction limit the mechanical impact loading. The full-scale test specimen was equipped with a basket and assembled with dummy-fuel elements. The package and test specimen, respectively have a total mass of approximately 24 metric tons.
The mechanical test program included three 9m free drop tests, in horizontal, vertical and oblique cask orientation onto the lid system. Additionally, a 1m-puncture drop test followed the horizontal drop test to consider an IAEA-test sequence. The horizontal and vertical drop tests were performed at a temperature of minus 40°C. During the oblique drop test the upper impact limiter was heated to +80°C. The tests were conducted onto an unyielding target, fulfilling the requirements of the IAEA regulations [1].
The test specimen was considerably instrumented with strain gauges and accelerometers. Transient strains at selected locations of the inner and outer container walls, of the primary and secondary lid, as well as of the corresponding lid bolts were measured during the drop tests. Furthermore, decelerations in different locations at the cask body and the lids were measured. The complex geometrical deformation of the impact limiters due to the impact were determined by optical 3d- measurements using the projected fringe method in combination with multi-image photogrammetry. Before and after the drop tests the leakage rate of the lid system was determined by helium leakage testing.
The experimental results contribute to the evaluation of the package response to mechanical tests, demonstrating safety under normal and accident conditions of transport. Especially to the verification of the dynamic finiteelement model of the package used in the package design safety report [2]. The paper describes the performance of the drop tests, selected test results focusing on the lid screws and the cask body and the deformation of the impact limiters as well as impact kinematics, respectively.
Zur numerischen Simulation von Transport- und Lagerbehältern für radioaktive Stoffe unter mechanischen Unfallbedingungen sind geeignete
Materialmodelle und zugehörige Parametersätze für alle relevanten Behälterbauteile und den Aufpralluntergrund sowie gegebenenfalls für weitere am Störfall beteiligte Komponenten erforderlich.
Sie bilden eine wesentliche Grundlage um für unterschiedliche Belastungsvarianten und Temperaturen zuverlässige Berechnungsergebnisse zu ermitteln, die umfangreiche experimentelle Erprobungen zumindest in Teilen ersetzen und damit einen zentralen Bestandteil von sicherheitstechnischen Nachweisen in gefahrgut- und atomrechtlichen Zulassungs- und Genehmigungsverfahren bilden können. Für die Auslegung der Behälter von besonderer Bedeutung ist die Effizienz der eingesetzten energieabsorbierenden Elemente, wie beispielsweise Stoßdämpfer am Behälterdeckel oder -boden bzw. äquivalente Strukturen auf oder im Fundament von Zwischen- und Endlagern.
Diese Bauteile, die häufig aus Holz, Polyurethan (PU) - Schaum oder Dämpferbeton hergestellt werden, erfahren beim Auf- oder Anprall erhebliche plastische Deformationen, deren Verteilung und Größenordnung u.a. von der Belastungsgeschwindigkeit, dem Belastungsverlauf und der Temperatur bestimmt werden. Die Berücksichtigung dieser Faktoren in dynamischen Finite Elemente (FE) Berechnungen, die den heutigen Stand der Simulationstechnik repräsentieren, setzt eine systematische Datenbasis für den stoßdämpfenden Werkstoff voraus und die Implementierung dieser Informationen in numerischen Materialformulierungen.
An der BAM wird seit Ende 2008 im Rahmen des vom BMBF geförderten Forschungsvorhabens ENREA (Entwicklung rechnerischer Analysemethoden für stoßdämpfende Strukturen beim Anprall oder Absturz von Abfallgebinden) die experimentelle Bestimmung derartiger Daten sowie die Anpassung und teilweise Neuentwicklung geeigneter Materialmodelle betrieben.
Im Zuge des Forschungsvorhabens ENREA (Entwicklung rechnerischer Analysemethoden für stoßdämpfende Strukturen beim Anprall oder Absturz von Abfallgebinden) führt die BAM systematische Untersuchungen an stoßdämpfenden Werkstoffen, unter anderem an Fichtenholz, durch. Zweck der mit diesen Untersuchungen erzeugten Datenbasis ist die Erstellung und Parametrierung eines Finite-Elemente- (FE-) Materialmodells, das die Modellierung holzgefüllter stoßdämpfender Bauteile von Transportbehältern für radioaktive Stoffe in der FE-Simulation ermöglichen soll.
Anhand von Ergebnissen aus der ersten Versuchsphase werden der Einfluss der Dehnrate und der Faserorientierung auf das Kraft-Verformungs-Verhalten von Fichtenholz diskutiert. Anschließend wird die rechnerische Modellierung von Fichtenholz diskutiert und die Anforderungen an ein Materialmodell werden erläutert.
BAM acts as authority and for service in safety assessment of packages for transport and storage of radioactive materials. We offer extensive test capabilities and application of analytical methods for design verification and simulation for all types of packages for the transport and storage of radioactive materials according with the international IAEA Regulations for the safe transport and for national storage acceptance criteria. BAM operates several test facilities for drop and stacking testing, leak testing and thermal testing. The large drop test tower allows dropping full-scale specimens up to 200,000 kg in any drop orientation as requested. The comprehensive test facilities combined with long-term experience, newest equipment and measurement devices according to the latest state-of-the-art technology ensures realisation of complex test campaigns for package safety evaluation.
Beyond that, non-destructive and destructive material test devices and experts are available. Equipment and application of all kinds of typical measurement categories can be offered for testing campaigns.
In recent years we performed testing of full-scale type B package models with complex handling and preparation procedures. The results were contributed for different package design approval procedures. Type A packages mainly designed for medical related transport purposes, were continuously tested according to the transport regulations over recent years as well. Moreover, we work on research topics with relevance to package safety. The mechanical behaviour of lid closure systems under transport and storage conditions and the thermal behaviour of impact limiters were recently of special importance for the assessment competencies of BAM and were investigated under use of our test facilities.
The paper describes the test facilities and capabilities for package design safety evaluation at BAM and shows examples from our recent work.