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Langzeitversuche über 10 Jahre an Federkern-Metalldichtungen mit Aluminium- bzw. Silberummantelungen
(2023)
Federunterstützte Metalldichtungen mit Aluminium(Al)- oder Silber(Ag)-Ummantelung werden u.a. in Behältern für Wärme entwickelnde radioaktive Abfälle eingesetzt, da diese Dichtungen eine sehr gute Dichtheit gewährleisten sowie Langlebigkeit und Beständigkeit gegenüber erhöhten Temperaturen und radioaktiver Strahlung aufweisen. Auch wenn die Sicherheit solcher Behälter und der verwendeten Dichtungen vielfach belegt wurde, sind sie Gegenstand andauernder Forschung, etwa im Hinblick auf eine absehbar benötigte verlängerte Zwischenlagerdauer. Aus diesem Grund werden an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) im Fachbereich 3.4 „Sicherheit von Lagerbehältern“ seit über 20 Jahren Versuche an solchen Metalldichtungen durchgeführt. Dabei sollen zusätzliche Erkenntnisse hinsichtlich der Sicherheitsreserven der Dichtungen in unterstellten Störfallszenarien (axiale Bewegung des Deckelsystems bzw. Aufweitung der Nutgeometrie) und insbesondere detailliertere Erkenntnisse zum Langzeitverhalten gewonnen werden.
Bei der Auswahl eines Standortes für ein Endlager für hochradioaktive Abfälle (Wärme entwickelnde radioaktive Abfälle und ausgediente Brennelemente) in Deutschland werden auf Grundlage des Standortauswahlgesetzes von 2017 die drei potenziellen Wirtsgesteine Steinsalz, Tonstein und Kristallingestein in Betracht gezogen. Die Auswahl eines konkreten Endlagerstandortes steht dabei in engem Zusammenhang mit den für die jeweiligen Wirtsgesteine geeignet erscheinender Endlagersystemen. Zentraler Bestandteil dieser Endlagersysteme sind die Endlagerbehälter, deren Gestaltung und Auslegung maßgeblich die Randbedingungen für die Transport- und Einlagerungstechnik vorgibt und zudem die Nachweise zur Betriebs- und Langzeitsicherheit entscheidend prägt. Daher ist es für die Behälterentwicklung erforderlich, die an Endlagerbehälter zu stellenden Anforderungen systematisch herzuleiten. Auf dieser Grundlage können anforderungsgerechte Endlagerbehälter zielgerichtet für die jeweils zu untersuchenden Endlagerstandorte in unterschiedlichen Wirtsgesteinen entwickelt werden.
Dieser Beitrag fasst die wesentlichen Ergebnisse des von BAM und BGE TECHNOLOGY GmbH im Zeitraum 2017 bis 2020 bearbeiteten und vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) geförderten Forschungsvorhabens KoBrA zusammen, die in einem Abschlussbericht und vier zugehörigen Teilberichten umfassend dokumentiert sind.
Im hier vorliegenden Bericht wurde im Rahmen einer umfassenden Literaturrecherche der nationale und internationale Stand von Wissenschaft und Technik hinsichtlich Behälterkonzepten und Behälteranforderungen erfasst. Dabei wurde eine umfangreiche Dokumentensammlung zusammengestellt und sortiert, die als Quellenbasis für alle weiteren Arbeiten zur Verfügung steht. Die Auswertung der gesammelten Informationen resultiert in einem Überblick über internationale Behälterentwicklungen sowie einer detaillierten Übersicht über die Behälterkonzepte und die ihnen zugrundeliegenden Anforderungskataloge aus elf fortgeschrittenen Endlagerprogrammen.
Dieser Bericht untersucht die im ersten Arbeitspaket ermittelten vorhandenen bzw. entwickelten Behälterkonzepte dahingehend, inwieweit die jeweiligen Behälterfunktionen unter den im zweiten und dritten Arbeitspaket ermittelten Randbedingungen und Einwirkungen den im dritten Arbeitspaket ermittelten Anforderungen an endlagerfähige Behälter in einem deutschen Endlager genügen. Zum anderen sollen, basierend auf den im zweiten Arbeitspaket ermittelten Randbedingungen und den im dritten Arbeitspaket hergeleiteten und zusammengestellten Anforderungen an die Endlagerbehälter, Vorschläge für mögliche generische Endlagerbehälter in den drei potenziellen Wirtsgesteinen Steinsalz, Tonstein und Kristallingestein erarbeitet werden. Die im ersten Arbeitspaket recherchierten Behälterkonzepte, deren Entwicklungslinien und zugrundeliegende Behälteranforderungen bilden hier den Ausgangspunkt für weitergehende Überlegungen hinsichtlich ihrer potenziellen Eignung für ein zukünftiges deutsches Endlager und zur Skizzierung generischer Konzepte für zukünftige Endlagerbehälter.
Der Bericht zum Arbeitspaket 3 baut auf den Ergebnissen der internationalen Recherche (AP1) sowie der Zusammenstellung der Randbedingungen und Beanspruchungsgrößen für die Endlagerbehälter (AP2) auf. Die Anforderungen an die Behälter – regulatorische, betriebliche sowie solche aus der Standortgeologie und den Einwirkungen und Prozessen, denen die Behälter ausgesetzt sind – werden hergeleitet und systematisch dargestellt.
Die für das Endlagersystem zu betrachtenden Nutzungsphasen werden aus den regulatorischen Anforderungen hergeleitet und charakterisiert. Die Einwirkungen auf die Behälter in den drei potenziellen Wirtsgesteinen sowie die sich für die Erfüllung der Sicherheitsfunktionen des Behälters als Teil des Endlagersystems ergebenden Behälterfunktionen werden ebenfalls wirtsgesteins- und zeitphasenabhängig betrachtet. Schließlich werden aus den Einwirkungen auf die Behälter und den Anforderungen an die Behälterfunktionen auch quantifizierbare Behälterfunktionen für alle drei potenziellen Wirtsgesteine abgeleitet.
The investigation of the long-term performance of sealing systems employed in containers of radioactive waste and spent nuclear fuel is one research focus area for division 3.4 \Safety of Storage Containers" at the Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung. The behaviour of metallic seals, which are employed in interim storage casks for spent nuclear fuel and high active waste, over time is of high importance for ensuring safe enclosure. Therefore, investigations on these systems were started at BAM to get a general understanding of the relevant processes. Our investigations comprise investigations on different parameters which influence the seal Performance and the main part is focussed on the time and temperature dependent behaviour. Our aim is to understand the longterm behaviour of the sealing systems for evaluation of their performance during possible extended interim storage and subsequent transportation. In this contribution an overview of the performed tests and their respective results is given. A focus lies on a comparison between seals with large torus diameter in comparison to small diameters.
Im Forschungsvorhaben KoBrA werden Anforderungen an Endlagerbehälter für hochradioaktive Abfälle erstmals systematisch und unter Berücksichtigung des internationalen Standes von Wissenschaft und Technik hergeleitet. Parallel werden die behälterrelevanten Randbedingungen und Beanspruchungsgrößen für Endlagerbehälter in den drei potenziellen Wirtsgesteinen Steinsalz, Tonstein und Kristallingestein ermittelt. Darauf aufbauend werden die zur Erfüllung der Anforderungen unter den gegebenen Einwirkungen und Beanspruchungen notwendigen Behälterfunktionen bestimmt und erste Konzeptideen für zukünftige Endlagerbehälter diskutiert bzw. entwickelt.
The investigation of the long-term performance of sealing systems employed in containers for radioactive waste and spent nuclear fuel is one research focus area for division 3.4 “Safety of Storage Containers” at the Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM). Our investigations comprise investigations on metallic and elastomeric seals and covers experimental investigations to get a database on the component/material behaviour, work on analytical descriptions and numerical analysis. Our aim is to understand the long-term behaviour of the sealing systems for evaluation of their performance during possible extended interim storage and subsequent transportation.
In Germany, spent nuclear fuel and high active waste from reprocessing is stored in transport and storage containers with double lid systems that are equipped with metal seals completing the primary sealing barrier. The tasks of the Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) within the interim storage licensing procedures ruled by the German Atomic Energy Act include the long-term safety evaluation of the container design regarding the permanently safe enclosure of the inventory. In order to generate a knowledge base for the safety evaluation, research regarding the long-term behavior of the critical components is performed. So far, the containers are licensed for an interim storage period of 40 years. However, due to significant delays in establishing a final repository, the required time span for interim storage is expected to increase significantly. Thus, a widespread investigation program is run to gain systematic data on the long-term behavior of the seals and to develop prediction models.
Long-term seal investigations consider the development of their restoring seal force, their useable resilience and their achievable leakage rate caused by aging at temperatures ranging from room temperature up to 150 °C. This year, the total time span of the tests reaches 10 years. Furthermore, seal segments are aged at the selected temperatures for up to 300 days. From these segments additional information on the sealing behavior, changes of the seal contact and the material behavior is gained.
This contribution deals with the current results of the long-term seal investigations at BAM. Furthermore, insights of the more in-depth component and material investigations of the metal seals with focus on the seal contact development are discussed and the ongoing work aiming for an analytical description of the thermo-mechanical aging effects on metal seals are presented.
This publication summarizes the work carried out during an IAEA coordinated research project (CRP) on safe and reliabe management of spent nuclear fuel. This work contributes to the overall goal of demonstrating the performance of spent nuclear fuel and related storage systems components over long durations, and facilitates the transfer of this knowledge to Member States. The technical areas addressed by the CRP participants were related to potential degradation mechanisms in metal casks and concrete overpacks, such as stress corrosion cracking; long term integrity and performance of the fuel cladding; thermo-mechanical behaviour of the metal seals; and long term gamma and neutron shielding capability. The participants also considered past and ongoing demonstration programmes. For each technical topic addressed the main conclusions have been drawn, including information on the development of specific monitoring and inspection techniques as well as future opportunities for closing relevant data gaps. A major achievement is also the establishment of a worldwide network of experts working on current research projects to demonstrate the long term performance of spent fuel in dry storage systems.