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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.
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.
The Bundesanstalt für Materialforschung und –Prüfung (BAM) runs an investigation program on the long-term behavior of multi-component metal seals. Such seals are used in a wide area of applications including transport and storage casks for spent nuclear fuel and high level radioactive waste.
The seal function is mainly based on the compression of the inner helical spring, which generates the necessary seal force to keep the sealing surfaces in close contact. This in turn leads to a plastic deformation of the outer jacket of the seal, comprised of highly ductile aluminum or silver that adapts to the sealing surfaces of cask body and bolted lid, thus providing high Level leak tightness. In Germany, those casks are licensed for Interim storage periods of up to 40 years or more if extended Interim storage would become necessary before a final repository is available. Thus, the sealing performance has to be evaluated, including factors like elevated temperature due to decay heat or mechanical loads due to transport under normal as well as accident conditions. Long-term investigations at BAM have been running over the last nine years to identify and evaluate the seal performance by measuring the remaining seal force, the useable resilience and the leakage rate after various time intervals at temperatures ranging from room temperature up
to 150 °C. It was found that the seal force and useable resilience decrease with time and temperature, caused by creep deformation of the outer jacket. In order to obtain an analytical description for the seal behavior and to achieve more information on the material behavior under application conditions a comprehensive investigation program with Focus on aluminum as outer jacket material was launched. The program includes material investigations such as compression and tension creep tests with representative basic materials. An additional test setup allows for the continuous measurement of the remaining seal force at temperatures of up to 150 °C. Furthermore, seal segments are compressed and stored in heating chambers, thus producing segments at different stages of the aging process. The segments are investigated regarding the development of the contact area width, jacket thickness and microstructural changes. This data will be used to develop material models and an analytical description of the time and temperature dependent long-term sealing behavior. This paper explains the current status of gained test results and modelling approaches and closes with an outlook to the future Project plans.
Component and material investigations on metal seals for high level radioactive waste containers
(2018)
Long-term investigations performed at BAM look to extend the state of knowledge on safety-related components of interim storage containers. Metal seals act as the primary sealing barrier in the bolted double lid closure system of the containers. The behaviour of metal seals has been investigated for ageing times up to 8.5 years and for various temperatures. The main cause for reduction in useable resilience overtime was due to creep deformation of the outer jacket of the seal.
Component and material investigations on metal seals for high level radioactive waste containers
(2018)
In Germany casks for interim storage of spent nuclear fuel and high level radioactive waste are equipped with Helicoflex® metal seals as main sealing barrier of the double lid system. The long-term behaviour of those seals is investigated at Bundesanstalt für Materialforschung und –prüfung (BAM) in order to evaluate the safety function of the containment at different temperatures over storage periods of 40 years or more in case extended interim storage becomes necessary.
Long-term investigations have been done for ageing times of up to 8.5 years at temperatures ranging from room temperature to 150 °C. It was found that the seal force and useable resilience decrease over time, which is mainly caused by creep deformation of the aluminium (or silver) outer jacket of the seals. This effect becomes stronger with increasing temperature.
The ageing processes of the seal material and the overall seal behaviour is under investigation in order to derive analytical descriptions for the long-term seal performance. Thus, standardized tests on the basic seal materials, with focus on aluminium, and additional investigations on the seals as a component are conducted. The current investigations include compression and tension creep measurements as well as tensile testing. Furthermore, ageing of seal segments provides information on the development of the contact area width, jacket thickness and microstructural changes in dependence of time and temperature. The obtained data are used for the development of material models and an analytical approach to describe and predict the time and temperature dependent sealing behaviour in the long-term.
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.
Im Vorhaben "KoBrA" sollen aus bestehenden Anforderungen für endlagerfähige Behälter und aus internationalen Erfahrungen ein aktueller Stand auf dem Gebiet der Behälterforschung für HLW/SF-Behälter ermittelt und generische Vorschläge für einen deutschen HLW/BE-Endlagerbehälter in den drei potentiellen Wirtsgesteinen (Kristallin, Ton oder Salz) erarbeitet werden. Im Arbeitspaket 1 wird dafür eine umfassende Literaturrecherche zu internationalen Behälterkonzepten durchgeführt, deren erste Ergebnisse hier präsentiert werden.
Verbundvorhaben "KoBrA"
(2018)
Im Verbundvorhaben "KoBrA" sollen systematisch Randbedingungen, Anforderungen und Konzepte für BE/HLW-Endlagerbehälter in den potentiellen Wirtsgesteinen Kristallin, Ton und Salz gesammelt, zusammengetragen und ausgewertet werden. Am Ende sollen generische Behälteranforderungen und -Konzepte für mögliche endlagerfähige Behälter in Deutschland erarbeitet werden. Hier wird ein Überblick über das gemeinsam mit unseren Partnern von der DBE TEC (jetzt BGE TEC) bearbeitete Gesamtvorhaben mit allen Arbeitspaketen gegeben.
Im Vorhaben "KoBrA" sollen aus bestehenden Anforderungen für endlagerfähige Behälter und aus internationalen Erfahrungen ein aktueller Stand auf dem Gebiet der Behälterforschung für HLW/SF-Behälter ermittelt und generische Vorschläge für HLW/BE-Endlagerbehälterkonzepte in den drei potentiellen Wirtsgesteinen (Kristallin, Ton oder Salz) erarbeitet werden.
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.