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The evaluation of cladding integrity is a major issue to be demonstrated in Germany for extended interim storage periods up to 100 years and subsequent transportation considering operational and accidental conditions with respect to reactor operation, cask drying and dry interim storage. The chemical reaction between the zirconium fuel cladding and the cooling water in water-cooled reactors produces hydrogen and zirconium oxide. Hydrogen diffuses into the cladding and precipitates as zirconium hydrides when the solubility limit is reached, preferably oriented in hoop direction. At high temperatures during vacuum drying procedures, the hydrides can dissolve. Over a succeeding period of slow cooling with existing hoop stress the hydrides precipitate again, but partly reoriented along the radial direction of the cladding. This change of microstructure in combination with a decreasing temperature (0.5...2 K/year) during (extended) interim storage and additional mechanical load by handling procedures or under accident conditions could lead to a potential cladding embrittlement and consequently increased failure probability. The current research project BRUZL (Fracture mechanical analysis of spent fuel claddings under long-term dry interim storage conditions) has been launched by BAM to investigate potential sudden brittle failure of spent fuel claddings at small deformation under long-term dry interim storage conditions and is 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.
The safety evaluation of cask components made of ductile cast iron includes investigations to prevent brittle fracture. Generally, ductile cast iron is endangered by brittle fracture especially at low temperatures (down to -40°C) and in combination with existing crack-like material defects. An applicable method is the assessment of fracture resistance using fracture mechanics according to the IAEA guidelines. The approach is based on the prevention of fracture initiation. For application of these principles for drop loads, account must be taken both of dynamic stresses within the component and dynamic material behavior. Basically, the dynamic stress intensity factor of postulated pre-existing crack-like defects is compared with the dynamic fracture toughness of the material. Applicable numerical and experimental methods for the safety assessment of cask components are demonstrated for the case of an artificially pre-cracked cylindrical cast iron cask which undergoes dynamic loading conditions as result of the hard impact between the cask and a concrete target. The proposed evaluation procedure is a combination of numerical and experimental steps. Exemplarily, the calculated stress intensity factor is compared with measured fracture toughness values from single edge notched bending specimens.
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 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.
Safety of long term containment and storage of radioactive waste is an essential issue, which is increasingly gaining international attention. Extending interim storage beyond initial license periods is one of the major challenges worldwide.
BAM has been involved in all kinds of radioactive waste container safety evaluation for storage and transportation including their long term performance from the very beginning. Today, all work related to the safe management of radioactive waste is linked by the activity field “Nuclear Waste Management” within the Focus Area “Energy” at BAM and in conjunction with a research strategy and agenda. Most recently, the working group “Long Term Safety of Container Systems and Components” was established to launch and perform research projects related to safety issues concerning the extended interim storage of radioactive waste.
For example, within our project LaMEP, we investigate ageing effects of metal and elastomer seals as well as polymeric neutron shielding materials, which are container components that fulfil major safety functions. The results of the experiments help to understand the long term behaviour of these components. Likewise, our project BRUZL started at BAM in 2018 with the aim of developing a fracture mechanics approach to understand and describe a potential brittle failure mechanism of fuel cladding during long-term interim storage. BAM also contributes to the GRS project “Development of methods and models and international exchange for safety evaluation in the frame of interim storage of radioactive waste”. Additionally, BAM is involved in several international research programmes dealing with extended interim storage, such as the European Joint Programme on Radioactive Waste Management (EURAD), the Extended Storage Collaboration Program (ESCP) and IAEA Coordinated Research Projects.
The present contribution provides a comprehensive overview of BAM research activities contributing to national and international gap analyses and to filling knowledge gaps regarding the safe long term management of radioactive waste.
Die Verfügbarkeit von Behältern für die Entsorgung nicht Wärme entwickelnder radioaktiver Abfälle im Endlager Konrad stellt ein wesentliches Element des nationalen Entsorgungskonzeptes für diese Abfallart dar. Grundlage für die Verfügbarkeit geeigneter Behälter sind typspezifische Bauartprüfungen, auf deren Grundlage eine Eignungs-feststellung in Form eines Prüfzeugnisses durch die Bundesgesellschaft für Endlagerung mbH (BGE), vormals Bundesamt für Strahlenschutz (BfS), erfolgt. Die Prüfgrundlagen sind in den durch das BfS (heute BGE) veröffent-lichten „Anforderungen an endzulagernde radioaktive Abfälle“ (Endlagerungsbedingungen) sowie der zugehörigen „Produktkontrolle radioaktiver Abfälle, radiologische Aspekte“ (PK) verankert. Die Eignungsfeststellung für eine Be-hälterbauart ist gleichzeitig die Grundlage für eine Behälterserienfertigung entsprechend den im Prüfzeugnis veran-kerten Spezifikationen und Randbedingungen.
Mit den Gesetzen zur Neuordnung der Organisationsstruktur im Bereich der Endlagerung (Mitte 2016) und zur Neuordnung der Verantwortung in der kerntechnischen Entsorgung (Mitte 2017) mit der Finanzierung des Kern-energieausstiegs wurden wesentliche Weichenstellungen im Hinblick auf den anstehenden Rückbau der bereits stillgelegten und in den kommenden Jahren noch stillzulegenden deutschen Kernkraftwerke vorgenommen. Bezüg-lich der nicht Wärme entwickelnden radioaktiven Abfälle führt dies zu einer spürbaren Intensivierung der Anstren-gungen zur Bereitstellung qualifizierter Gebinde für das Endlager Konrad, das nach aktueller Planung bis 2027 sei-nen Einlagerungsbetrieb aufnehmen soll. Dies wiederum führt zu einer erheblichen Verdichtung der Verfahren zur Behälterbauartprüfung, die allen Seiten (Antragsteller, BGE, Gutachter) erhebliche Anstrengungen abfordert.
Die Bundesanstalt für Materialprüfung und –forschung (BAM) ist auf Grundlage des Kap. 7 der o. g. „Produktkon-trolle …“ (PK) von der BGE mit den Behälterbauartprüfungen für das Endlager Konrad beauftragt. Hierbei ist eine Vielzahl von Anforderungen zu berücksichtigen, wozu neben den Anforderungen an Abfallbehälter gemäß Kap. 5 der Endlagerungsbedingungen weitere Anforderungen an die Verpackung (Kap. 3.2.2 PK), Kenngrößen (Kap. 3.5.1 PK) und schließlich die eigentliche Prüfung von Behältern/Verpackungen zählt (Kap. 7 PK). Letzteres beinhaltet die umfassende Behälterbeschreibung und –spezifikation, die Behälterauslegung, die thermischen und mechanischen Baumusterprüfungen (z.B. Brand- und Fallprüfungen), und schließlich die qualitätssichernden Maßnahmen für Her-stellung und Betrieb der Behälter. Neben der klassischen Bauartprüfung neuer Behältertypen spielt auch die Prü-fung bereits hergestellter Behälter, sog. Altbehälter, eine wesentliche Rolle, da sich etliche tausend Gebinde bereits in der Zwischenlagerung befinden und nach Möglichkeit für das Endlager Konrad qualifiziert werden sollen.
Dieser Beitrag berichtet aktuell über den Umfang und Stand der laufenden Bauartprüfungen bei der BAM unter Be-rücksichtigung der besonderen Herausforderungen und der zuletzt erzielten Fortschritte. Dabei erfordert die paral-lele Bearbeitung der zahlreichen Verfahren einen verstärkten Koordinierungsbedarf hinsichtlich vergleichbarer fach-licher Aspekte sowie hinsichtlich Priorisierung und Ressourceneinsatz. Bei den experimentellen Nachweisen (Fall- und Brandversuche) betrifft das hinsichtlich der Nutzung der Versuchseinrichtungen bei der BAM die Koordination mit anderen Prüfaufträgen, wie z. B. verkehrsrechtliche Baumusterprüfungen. Schließlich erfordern diverse Fach-fragen zur Interpretation der Anforderungen aus Endlagerungsbedingungen und Produktkontrolle intensive Abstim-mungsprozesse zwischen BAM, BGE und Antragstellern. Wichtige Ergebnisse mit übergeordneter Bedeutung wer-den in Form erläuternder Fachnotizen durch die BGE veröffentlicht und können so bei zukünftigen Antragsverfahren berücksichtigt werden.
Die Verfügbarkeit von Behältern für die Entsorgung nicht Wärme entwickelnder radioaktiver Abfälle im Endlager Konrad stellt ein wesentliches Element des nationalen Entsorgungskonzeptes für diese Abfallart dar. Grundlage für die Verfügbarkeit geeigneter Behälter sind typspezifische Bauartprüfungen, auf deren Grundlage eine Eignungs-feststellung in Form eines Prüfzeugnisses durch die Bundesgesellschaft für Endlagerung mbH (BGE), vormals Bundesamt für Strahlenschutz (BfS), erfolgt. Die Prüfgrundlagen sind in den durch das BfS (heute BGE) veröffent-lichten „Anforderungen an endzulagernde radioaktive Abfälle“ (Endlagerungsbedingungen) sowie der zugehörigen „Produktkontrolle radioaktiver Abfälle, radiologische Aspekte“ (PK) verankert. Die Eignungsfeststellung für eine Behälterbauart ist gleichzeitig die Grundlage für eine Behälterserienfertigung entsprechend den im Prüfzeugnis verankerten Spezifikationen und Randbedingungen.
Mit den Gesetzen zur Neuordnung der Organisationsstruktur im Bereich der Endlagerung (Mitte 2016) und zur Neuordnung der Verantwortung in der kerntechnischen Entsorgung (Mitte 2017) mit der Finanzierung des Kern-energieausstiegs wurden wesentliche Weichenstellungen im Hinblick auf den anstehenden Rückbau der bereits stillgelegten und in den kommenden Jahren noch stillzulegenden deutschen Kernkraftwerke vorgenommen. Bezüg-lich der nicht Wärme entwickelnden radioaktiven Abfälle führt dies zu einer spürbaren Intensivierung der Anstren-gungen zur Bereitstellung qualifizierter Gebinde für das Endlager Konrad, das nach aktueller Planung bis 2027 sei-nen Einlagerungsbetrieb aufnehmen soll. Dies wiederum führt zu einer erheblichen Verdichtung der Verfahren zur Behälterbauartprüfung, die allen Seiten (Antragsteller, BGE, Gutachter) erhebliche Anstrengungen abfordert.
Die Bundesanstalt für Materialprüfung und –forschung (BAM) ist auf Grundlage des Kap. 7 der o. g. „Produktkon-trolle …“ (PK) von der BGE mit den Behälterbauartprüfungen für das Endlager Konrad beauftragt. Hierbei ist eine Vielzahl von Anforderungen zu berücksichtigen, wozu neben den Anforderungen an Abfallbehälter gemäß Kap. 5 der Endlagerungsbedingungen weitere Anforderungen an die Verpackung (Kap. 3.2.2 PK), Kenngrößen (Kap. 3.5.1 PK) und schließlich die eigentliche Prüfung von Behältern/Verpackungen zählt (Kap. 7 PK). Letzteres beinhaltet die umfassende Behälterbeschreibung und –spezifikation, die Behälterauslegung, die thermischen und mechanischen Baumusterprüfungen (z.B. Brand- und Fallprüfungen), und schließlich die qualitätssichernden Maßnahmen für Her-stellung und Betrieb der Behälter. Neben der klassischen Bauartprüfung neuer Behältertypen spielt auch die Prü-fung bereits hergestellter Behälter, sog. Altbehälter, eine wesentliche Rolle, da sich etliche tausend Gebinde be-reits in der Zwischenlagerung befinden und nach Möglichkeit für das Endlager Konrad qualifiziert werden sollen.
Dieser Beitrag berichtet aktuell über den Umfang und Stand der laufenden Bauartprüfungen bei der BAM unter Be-rücksichtigung der besonderen Herausforderungen und der zuletzt erzielten Fortschritte. Dabei erfordert die paral-lele Bearbeitung der zahlreichen Verfahren einen verstärkten Koordinierungsbedarf hinsichtlich vergleichbarer fach-licher Aspekte sowie hinsichtlich Priorisierung und Ressourceneinsatz. Bei den experimentellen Nachweisen (Fall- und Brandversuche) betrifft das hinsichtlich der Nutzung der Versuchseinrichtungen bei der BAM die Koordination mit anderen Prüfaufträgen, wie z. B. verkehrsrechtliche Baumusterprüfungen. Schließlich erfordern diverse Fach-fragen zur Interpretation der Anforderungen aus Endlagerungsbedingungen und Produktkontrolle intensive Abstim-mungsprozesse zwischen BAM, BGE und Antragstellern. Wichtige Ergebnisse mit übergeordneter Bedeutung wer-den in Form erläuternder Fachnotizen durch die BGE veröffentlicht und können so bei zukünftigen Antragsverfahren berücksichtigt werden.
Metal seals of O-ring form are often used in lid-systems of transport and storage casks for radioactive waste in Germany. To investigate their mechanical behaviour, three dimensional (3D) finite element (FE) models were created using solid elements for all of the seal components. The material behaviour of each component is described with a unified static elastic-plastic material model. The total strain is defined as the sum of linear elastic strain and plastic strain with power-law hardening. The model was carefully validated by comparison of Simulation results with experimental results. The influence of material fluctuation of each seal component due to varying properties and the sensitivity of different seal diameters on the seal force are analysed and discussed.
The results show that the material properties of helical spring have major influence on seal force and that the influence of seal diameters is negligible small in the studied range. This is very important to use the test results from seals with small diameter for the assessment of seal behaviour with larger diameter as used in transport and storage cask.