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Organisationseinheit der BAM
Eingeladener Vortrag
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Während des Transportes sind Behälter für hoch radioaktive Abfälle durch stoßdämpfende Bauteile vor Einwirkungen, die aus Unfallszenarien gemäß den IAEA Regularien resultieren können, weitestgehend geschützt. Nach dem Entfernen dieser Komponenten im Rahmen der Einlagerung ins Zwischenlager müssen Vorkehrungen getroffen sein, um Beanspruchungen der Behälter aus möglichen Handhabungsunfällen im Empfangsbereich zu reduzieren. Die Maßnahmen müssen vor allem darauf abzielen, die stoßdämpfenden Eigenschaften der potentiellen Aufprallflächen zu optimieren. Da Standardmaterialien für Fundamente nur ein geringes Energieabsorptionsvermögen aufweisen, wurde durch die Firma HOCHTIEF eine neuartige Betonmixtur entwickelt, bei der ein spezieller Leichtzuschlag zum Einsatz kommen. Zur Charakterisierung dieses sogenannten Dämpferbetons liegen Standardkennwerte vor sowie Messwerte aus Eindringversuchen, die zur Qualitätssicherung für jede Produktcharge durchgeführt werden. Das stoßdämpfende Potential des neuen Werkstoffs kann jedoch nur dann vollkommen ausgeschöpft werden, wenn die Energieabsorption in numerischen Simulationen der Behälterabstürze über die gesamte Belastungsdauer zuverlässig wiedergegeben wird. Für die Implementierung und Anpassung eines entsprechenden Materialmodelis in einem Finite Elemente (FE) Programm
sind Daten aus systematischen Druckversuchen mit Variation der relevanten Einflussgrößen erforderlich. An der BAM werden daher im Rahmen eines werkstoffübergreifenden Forschungsvorhabens zur Untersuchung von stoßdämpfenden Strukturen auch die Eigenschaften von Dämpferbeton experimentell untersucht und zugehörige numerische Methoden entwickelt. Der aktuelle Beitrag behandelt die Ergebnisse der ersten Projektphase, in der kubische Probekörper mit der Kantenlänge 100mm bei unterschiedlichen Lagerungsbedingungen statisch und dynamisch gestaucht wurden. In nachfolgenden Versuchen wird der Einfluß der Probengröße ermittelt sowie die Eignung der verwendeten Materialmodelle anhand realistischer Belastungssituationen validiert.
Versuchsprogramm.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Ermittlung dynamischer Kennwerte von Dämpferbeton für die Simulation des Beanspruchungsverhaltens
(2016)
Die Sicherheit und Integrität von Verpackungen radioaktiver Stoffe wird anhand von numerischen Berechnungen bewertet. Bei einem Anprall oder Absturz sind die mechanischen Beanspruchungen auf die Behälter auch von den Eigenschaften des Untergrunds abhängig. Um potentielle Gefahren während der Verladung zu minimieren, wird energieabsorbierender Dämpferbeton in den Handhabungsbereichen nuklearer Lager eingesetzt.
Zu einer umfassenden sicherheitstechnischen Analyse und Bewertung gehört die Berücksichtigung des Beanspruchungsverhaltens von Dämpferbeton. Hierfür ist ein numerisches Materialmodell notwendig, das in der Literatur bisher nicht vorlag. Die dafür notwendigen dynamischen Kennwerte sind in verschiedenen Druck- und Eindringversuchen ermittelt worden. Dazu wurden dynamische Druckversuche an würfelförmigen Prüfkörpern durchgeführt, sowie Eindringversuche mit unterschiedlichen Eindringkörpern und Dämpferbetonproben. Die experimentell ermittelten Kennwerte wurden verwendet, um ein Materialmodell für Dämpferbeton zu entwickeln und kritische Beanspruchungsszenarien numerisch zu berechnen. Um die Qualität des Materialmodells zu überprüfen, wurde ein realitätsnaher Fallversuch eines Behälters in Originalgröße auf ein lagertypisches Dämpferbetonfundament durchgeführt.
In dem Beitrag sollen die unterschiedlichen Untersuchungen zur Ermittlung dynamischer Kennwerte sowie deren Ergebnisse dargestellt werden. Gezeigt werden ebenso numerische Nachberechnungen einzelner Versuche sowie die ausführliche Berechnung des Fallversuchs im Originalmaßstab. Experimentelle und numerische Ergebnisse aus der Simulation werden hier gegenübergestellt.
In drop test scenarios related to assessing and licensing the storage procedure of spent fuel and high active waste, the casks under examination are generally not equipped with impact limiters. Hence, the extent of mechanical stresses in case of an assumed handling accident is largely affected by the ground properties of the reception hall floor in the specific storage facility.
Unlike conventional brittle foundation materials, damping concrete performs quite well in such applications as it features high stiffness as well as high energy absorption due to the filler pore volume. However, its damping ability is not sufficiently exploited in current finite element (FE) calculations due to a lack of advanced material models for simulating its impact response. An implementation of qualified concepts that account for plastic, strain rate dependent behavior requires additional information that has to be provided by systematic test series.
BAM recently started a research project to generate such data, subsequently to develop and to improve numerical methods for the analysis of impact limiters and damping foundation material and thus to optimize safety assessment tools for the design of transport and storage casks. A major part of this research concerns dynamic compression tests of variably shaped specimens conducted at a servo hydraulic 1MN impact testing machine as well as at a BAM facility for guided drop tests. This presentation focuses 100mm damping concrete cubes deformed vertically at constant rates under different constraint conditions. For example, a special fitting jig was constructed to subject the specimens to multi-axial loading. Thereby a deformation of 60% could be applied.
Simulation was conducted by FE code ABAQUS based on material models Concrete damaged plasticity and Crushable foam which both allow defining rate sensitive nonlinear stress-strain relations in compression beyond the classic metal plasticity approach.
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.