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Transport- und Lagerbehälter Aktuelle Entwicklungen in der sicherheitstechnischen Nachweisführung
(2011)
The Konrad repository for not heat generating radioactive wastes was licensed first in 2002. But due to legal actions this license has not been finally confirmed before 2007. Subsequently, the Federal Office for Radiation Protection (BfS) began scheduling backfitting of the former iron ore mine into a repository. The licensed repository volume is 303,000 m3 based on estimations of expected waste volumes to be disposed off although the mine itself would offer a much larger volume. Once the repository is ready for Operation, waste packages can be disposed, but this is not expected before the end of this decade. Nevertheless, there is already today a great interest in qualified and certified waste conditioning and packaging for disposal requiring Containers, tested, evaluated and certified by BAM and BfS.
Key points of the Konrad license concern comprehensive requirements for waste products and Containers. Details are described in BfS reports, which constitute the basic documents for the license. Following the final license confirmation a revision of these documents has been requested in order to include considerations of water poisoning substances. This work is currently done by BfS in Cooperation with the NLWKN of Lower Saxony and the Institute for Safety Technology (ISTec). Concerning the specification for Containers themselves no or only minor changes are expected.
Das Endlager Konrad wurde bereits im Jahr 2002 als Endlager für nicht Wärme entwickelnde radioaktive Abfälle genehmigt. Jedoch wurde diese Genehmigung anschließend beklagt und konnte erst 2007 in letzter Instanz bestätigt werden. Nachfolgend hat das Bundesamt für Strahlenschutz (BfS) mit der Planung und Realisierung zum Umbau des ehemaligen Eisenerzbergwerkes zum Endlager begonnen. Das genehmigte Endlagervolumen beträgt 303.000 m3 und basiert auf Abschätzungen für die zu erwartende Abfallmenge. Das Bergwerk selbst böte ein deutlich größeres Volumen. Mit der Einlagerung von Behältern kann allerdings erst nach Fertigstellung des Endlagers und nach derzeitigem Stand voraussichtlich nicht vor Ende dieses Jahrzehnts gerechnet werden. Gleichwohl besteht bereits heute ein hohes Interesse an der endlagergerechten Konditionierung und Verpackung der für Konrad vorgesehenen radioaktiven Abfälle, wofür nicht zuletzt von der BAM bauartgeprüfte und vom BfS zugelassene Behälter erforderlich sind.
Kernpunkte der Endlagergenehmigung sind umfassende Anforderungen an Abfallprodukte und Behälter. Einzelheiten sind in den vom BfS der Genehmigung zu Grunde liegenden Berichten und Endlageranforderungen definiert. Diese enthalten vor allem Anforderungen an die Abfallprodukte und an die zu deren Verpackung erforderlichen Behälter. Mit der Genehmigungserteilung wurde auch eine Überarbeitung dieser Endlageranforderungen und hinsichtlich der Berücksichtigung Wasser gefährdender Stoffe gefordert. Diese Arbeiten werden derzeit vom BfS in Zusammenarbeit mit dem Niedersächsischen Landesbetrieb für Wasserwirtschaft, Küsten- und Naturschutz (NLWKN) und dem Institut für Sicherheitstechnik (ISTec) vorgenommen. Hinsichtlich der Anforderungen an die Endlagerbehälter wird allerdings davon ausgegangen, dass die für die Behälterbauartprüfung wesentlichen abfallprodukt- und behälterspezifischen Anforderungen davon nicht oder nur unwesentlich berührt sein werden.
Die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) führt im Rahmen einer Verwaltungsvereinbarung mit dem Bundesamt für Strahlenschutz (BfS) Bauartprüfungen für Behältertypen durch, die für die Endlagerung von nicht wärmeentwickelnden radioaktiven Abfällen in das Endlager Konrad vorgesehen sind.
Zur Erlangung einer Eignungsbestätigung einer Behälterbauart für das Endlager Konrad müssen die Antragssteller die Einhaltung der vom BfS festgelegten behälterspezifischen Anforderungen nachweisen. Zentrale Bestandteile der Bauartprüfung sind die Sicherheitsnachweise zur Behälterauslegung gegen mechanische Betriebs- und Störfallbelastungen sowie gegen thermische Störfallszenarien. Die Prüfanforderungen umfassen hierbei Stapeldruckprüfung, Hebeprüfung, Fallprüfung, thermische Prüfung (Brand), ggf. einschließlich Dichtheitsprüfung zum Nachweis der Einhaltung von Dichtheitsanforderungen.
Neben der Nachweisführung mittels sogenannter Baumusterprüfungen oder Obertragbarkeitsbetrachtungen können die Nachweise alternativ mittels numerischer Sicherheitsnachweise erbracht werden, sofern deren hinreichende Verifikation nachgewiesen wird, Dies kann u. a. durch den Vergleich mit hinreichend gesicherten experimentellen Ergebnissen geschehen, Die hier vorgestellten Untersuchungen sind Teil des internen Forschungsprojektes ConDrop der BAM, das zum Ziel hat, erweiterte Prüfmethoden zur Fallprüfung an Stahlblechcontainern für das Endlager Konrad mittels numerischer Beanspruchungsanalyse zu entwickeln. Dazu soll ein Finite-Elemente-(FE)-Modell entwickelt und mit experimentellen Daten, die in Fallversuchen ermittelt werden, verifiziert werden.
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.
Elastomers are widely used as the main sealing materials for containers for low and intermediate level radioactive waste and as an additional component to metal seals in spent fuel and high active waste containers. The safe encapsulation of the radioactive container inventory has to be guaranteed according to regulation and appropriate guidelines for long term storage periods as well as for temperatures as low as -40°C during transport. Therefore, the understanding of failure mechanisms that lead to leakage at low temperatures is of high importance. It is known that the material properties of elastomers are strongly temperature dependent. At low temperatures, this is caused by the rubber-glass transition (abbreviated: glass transition). During continuous cooling, the material changes from a rubber-like entropy elastic to a stiff energy elastic behaviour, which allows nearly no strain or retraction. Hence, rubbers are normally used above their glass transition, but the minimum working temperature limit is not defined precisely; this can cause problems during the above noted applications. Therefore, the lower operation temperature limit of elastomer seals must be determined in dependence of the material properties. Differential scanning calorimetry (DSC) and dynamic mechanical analysis (DMA) are combined with standardised measurements to determine the compression set according to ISO 815. To reduce the test time of the standard tests, a faster technique than normally used was developed. Additionally, the breakdown temperature of the sealing function of complete O ring seals was measured in a component test set-up to compare it with the results of the other tests. The experimental set-up is capable of measuring the leakage rate at low temperatures by the pressure rise method. A fluorocarbon rubber (FKM) was selected for this investigation as it is often used for radioactive waste containers. The materials (seals and test sheets) were purchased from a commercial seal producer.
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.
Proper predictions of the behaviour of shock absorber materials are of utmost importance in safety assessments for licensing casks for transport and storage of highly active waste. After having identified significant discrepancies between numerical results and the actual response of polyurethane foam limiters subjected to accidental scenarios, a new research project ENREA was established by BAM. A major objective is to enhance and to develop advanced material models intended to simulate limiters under impact loading. They should account for all major factors influencing the load–deformation relationship like temperature, strain rate and specific stress state. The corresponding test program, applicable plasticity models, the overall parameter identification strategy based on local and global optimization techniques as well as experimental and numerical results are presented here in particular for closed cell foams.