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Eingeladener Vortrag
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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 aging management system for the mechanical components of nuclear power plants (NPPs) must be established and used by the licensee in such a way that the quality of safety relevant components is guaranteed for the completely designed lifetime of the NPP. This demands an extensive plant life management with special emphases on the knowledge of the degradation in material properties. The basic safety concept in Germany observes this circumstance. Lifetime extension of the German NPPs is an aim of the current valid coalition agreement of the German government. Operational extension of interim storage facilities requires, in comparison to the aging management system for NPP, an aging management system adapted to the Special circumstances of spent fuel storage casks. Extension of interim storage periods for spent fuel casks beyond the designed lifetime requires, in comparison to the components of an NPP, an increasing knowledge of material degradation with potential impact on cask integrity, e.g. leak tightness. Dry interim storage in Germany has been approved for 40 years. After that time, according to the present strategy, a final repository should be available. However, until now, such a final facility still does not exist, and the German exploration and licensing process is heavily delayed. Currently, discussions are continuing regarding further exploration of the Gorleben salt mine. There is willingness to overcome this situation that is clearly described in the available coalition agreement of the federal government. Anyway, however, the prediction is viewed; a repository for heat generating radioactive waste in Germany will not be available in the near future and may not be available when first storage facilities and casks reach their 40 years of approved lifetime, which will occur in ~25 years starting from now. Therefore, the question must be asked:
what has to be done with the existing storage casks in the interim facilities? May these casks be fit for continued use, with an extension of the storage period? One option is to have an aging management system, which creates enough information about the technical condition of safety relevant cask properties. This is the basis for safety evaluation for extended storage periods. In the present paper, possible aging mechanisms for high level waste storage casks are discussed, as well as the influence of the time dependent changes of the component properties.
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.
In Deutschland werden zwei Arten von radioaktiven Abfällen unterschieden: Wärme entwickelnde Abfälle und Abfälle mit vernachlässigbarer Wärmeentwicklung. Im Endlager Konrad werden ausschließlich radioaktive Abfälle mit vernachlässigbarer Wärmeentwicklung endgelagert (im internationalen Sprachgebrauch: schwach- und mittelradioaktive Abfälle). Solche Abfälle stammen zum Beispiel aus dem laufenden Betrieb, der Stilllegung und dem Rückbau von Kernkraftwerken, aus der Forschung, der Medizin oder von der Bundeswehr und beinhalten unter anderem kontaminierte Baustoffe, Schrott, Werkzeuge, Schutzkleidung, Schlämme und Suspensionen. Vor dem Endlagern dieser Abfälle werden sie konditioniert, d. h. die festen Abfälle werden teilweise zerkleinert, verpresst oder zementiert, flüssige eingedampft oder zementiert und häufig anschließend in Fässer verpackt. Im nächsten Schritt werden die konditionierten Abfälle in Abfallbehälter verpackt. Geeignete Behältertypen sind (gemäß IM, 121) kubische Container oder Rundbehälter mit definierten Abmaßen aus Stahlblech, Beton oder Gusseisen. Diese Abfallbehälter sind für die Endlagerung, für eine vorausgehende längerfristige Zwischenlagerung sowie ggf. für den Transport über öffentliche Verkehrswege zu qualifizieren.
Der Vortrag illustriert den Stand und die Herausforderungen im Rahmen der Behälter-Bauartprüfungen für das Endlager Konrad. Ausgehend von den Grundlagen der Bauartprüfung und die aktuelle Situation bei den Antragsverfahren werden die fachlichen Begutachtungsschwerpunkte sowie Maßnahmen zur Optimierung Prozess- und Verfahrenssteuerung erläutert.
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.
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.
Approval of existent waste packages and new package design in preparation for the KONRAD repository
(2008)
Abgeleitet aus den in Teil 3 der „Systemanalyse Konrad“ definierten Lastannahmen für den „untertägigen Anlagenbereich“ müssen Verpackungen, die der Abfallbehälterklasse I (ABK I) mit dem zusätzlichen Merkmal der störfallfesten (sf) Verpackung oder der ABK II zugeordnet werden, gemäß den „Endlagerungsbedingungen, Endlager Konrad“, nach einem „…Fall aus 5 m Höhe auf eine unnachgiebige Unterlage…“ bestimmten Anforderungen genügen.
Eine nähere Beschreibung der Prüfeinrichtung sowie die Definition detaillierter Anforderungen an das Aufprallfundament erfolgen in der „Produktkontrolle, Endlager Konrad“: „Die Prüfeinrichtung, bestehend aus einer Hebeeinrichtung und einem Fundament ist so zu gestalten, dass der Fall des Prüfmusters in jeder beliebigen Aufprallorientierung aus 5 m Höhe, gemessen von der Unterkante des Prüfmusters zum Fundament, möglich ist. Das Fundament ist aus Beton der Mindestgüte B 35 herzustellen und muss so beschaffen und verankert sein, dass keine Zerstörung in zahlreiche kleinere Bruchstücke erfolgt und keine horizontale Verschiebung des Fundamentes oder seiner Teile auftritt. Maße und Masse des Fundaments müssen so beschaffen sein, dass der Einfluss des Baugrundes unter dem Fundament auf den Aufprallwiderstand vernachlässigbar ist.“
Im Rahmen der Bauartprüfung für Behälter zur Endlagerung radioaktiver Abfälle mit zu vernachlässigender Wärmeentwicklung im Endlager Konrad wird die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) von der Bundesgesellschaft für Endlagerung (BGE) als Sachverständige hinzugezogen und ist in der Regel auch mit der Durchführung der notwendigen Fallprüfungen auf dem Testgelände Technische Sicherheit der BAM (BAM TTS) einschließlich der Bereitstellung der benötigten Prüfeinrichtungen sowie des regelkonformen Aufprallfundamentes beauftragt. Der Prozess, beginnend von der Gewährleistung einer von allen Beteiligten als gültig bewerteten Fallprüfung bis hin zur abschließenden Bewertung und Interpretation der Versuchsergebnisse erfordert dabei u.a. eine sorgfältige Planung und Fertigung der für das Endlager Konrad repräsentativen Fundamentplatte und deren Ankopplung an einen Untergrund im Sinne der „Regulations for the Safe Transport of Radioactive Material“ wie er zum Beispiel auf den beiden Fallversuchsanlagen des BAM Testgelände Technische Sicherheit (BAM TTS) zur Verfügung steht.
Um diese Anforderungen zu erfüllen muss zum einen der Erhalt der Integrität der Fundamentplatte beim Fallversuch durch eine geeignete Auswahl und kraftflussgerechte Anordnung der Stabstahl-Bewehrung sowie deren Verankerung garantiert und damit eine unzulässige Energieaufnahme durch Risse sowie eine unzulässige „… Zerstörung (der Fundamentplatte) in zahlreiche kleinere Bruchstücke …“, wie in [3] gefordert, verhindert werden. Außerdem ist zu gewährleisten, dass der Beton die Anforderungen an die vorgeschriebene Mindestgüte bzw. -festigkeit zum Zeitpunkt der Fallprüfung erfüllt, die Betonfestigkeit jedoch zur Vermeidung unnötig verschärfter Prüfrandbedingungen eine zu definierende Obergrenze nicht überschreitet.
Ausgehend von dem 2009 im Rahmen der KONTEC veröffentlichten Wissensstand präsentiert die BAM im vorliegenden Beitrag die wesentlichen Ergebnisse der zwischenzeitlich bei der Planung und Durchführung von zahlreichen Fallprüfungen gewonnenen Erfahrungen bzgl. Spezifikation und Fertigung der für die Fallversuche notwendigen Fundamentplatten sowie deren Anbindung an den Untergrund. Neben den immer wieder notwendigen Anstrengungen zur Gewährleistung einer im Rahmen der Definition korrekten Betondruckfestigkeit am Tag der Fallprüfung wird die Anpassung der Bewehrungsführung an verschiedene Fallpositionen diskutiert.
Zur Ergänzung des gültigen Regelwerks entsteht parallel zu diesem Dokument eine Fachnotiz, in der BGE und BAM die Vorgaben und Spezifikationen zur regelwerkskonformen Herstellung und Montage von Fundamentplatten für Fallprüfungen im Rahmen der Behälterbauartprüfungsverfahren für das Endlager Konrad zusammenfassen und veröffentlichen werden. Diese Fachnotiz soll detaillierte Vorgaben und Spezifikationen zur Planung, Beauftragung, Herstellung und abschließenden Prüfung eines solchen Fundamentes und dessen Anbindung an den Untergrund enthalten. Damit soll allen beteiligten Organisationen wie Antragstellern, Sachverständigen und BGE ein langfristig verlässlicher Leitfaden im Hinblick auf die Durchführung anforderungsgerechter Fallprüfungen unter definierten und reproduzierbaren Randbedingungen im Rahmen der Bauartprüfungsverfahren für das Endlager Konrad an die Hand gegeben werden.
Abgeleitet aus den in Teil 3 der „Systemanalyse Konrad“ [1] definierten Lastannahmen für den „untertägigen Anlagenbereich“ müssen Verpackungen, die der Abfallbehälterklasse I (ABK I) mit dem zusätzlichen Merkmal der störfallfesten (sf) Verpackung oder der ABK II zugeordnet werden, gemäß den „Endlagerungsbedingungen, Endlager Konrad“ [2], nach einem „…Fall aus 5 m Höhe auf eine unnachgiebige Unterlage…“ bestimmten Anforderungen genügen.
Eine nähere Beschreibung der Prüfeinrichtung sowie die Definition detaillierter Anforderungen an das Aufprallfundament erfolgen in der „Produktkontrolle, Endlager Konrad“ [3]: „Die Prüfeinrichtung, bestehend aus einer Hebeeinrichtung und einem Fundament ist so zu gestalten, dass der Fall des Prüfmusters in jeder beliebigen Aufprallorientierung aus 5 m Höhe, gemessen von der Unterkante des Prüfmusters zum Fundament, möglich ist. Das Fundament ist aus Beton der Mindestgüte B 35 herzustellen und muss so beschaffen und verankert sein, dass keine Zerstörung in zahlreiche kleinere Bruchstücke erfolgt und keine horizontale Verschiebung des Fundamentes oder seiner Teile auftritt. Maße und Masse des Fundaments müssen so beschaffen sein, dass der Einfluss des Baugrundes unter dem Fundament auf den Aufprallwiderstand vernachlässigbar ist.“
Im Rahmen der Bauartprüfung für Behälter zur Endlagerung radioaktiver Abfälle mit zu vernachlässigender Wärmeentwicklung im Endlager Konrad wird die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) von der Bundesgesellschaft für Endlagerung (BGE) als Sachverständige hinzugezogen und ist in der Regel auch mit der Durchführung der notwendigen Fallprüfungen auf dem Testgelände Technische Sicherheit der BAM (BAM TTS) einschließlich der Bereitstellung der benötigten Prüfeinrichtungen sowie des regelkonformen Aufprallfundamentes beauftragt. Der Prozess, beginnend von der Gewährleistung einer von allen Beteiligten als gültig bewerteten Fallprüfung bis hin zur abschließenden Bewertung und Interpretation der Versuchsergebnisse erfordert dabei u.a. eine sorgfältige Planung und Fertigung der für das Endlager Konrad repräsentativen Fundamentplatte und deren Ankopplung an einen Untergrund im Sinne der „Regulations for the Safe Transport of Radioactive Material“ [4], [5] wie er zum Beispiel auf den beiden Fallversuchsanlagen des BAM Testgelände Technische Sicherheit (BAM TTS) zur Verfügung steht.
Um diese Anforderungen zu erfüllen muss zum einen der Erhalt der Integrität der Fundamentplatte beim Fallversuch durch eine geeignete Auswahl und kraftflussgerechte Anordnung der Stabstahl-Bewehrung sowie deren Verankerung garantiert und damit eine unzulässige Energieaufnahme durch Risse sowie eine unzulässige „… Zerstörung (der Fundamentplatte) in zahlreiche kleinere Bruchstücke …“, wie in [3] gefordert, verhindert werden. Außerdem ist zu gewährleisten, dass der Beton die Anforderungen an die vorgeschriebene Mindestgüte bzw. -festigkeit zum Zeitpunkt der Fallprüfung erfüllt, die Betonfestigkeit jedoch zur Vermeidung unnötig verschärfter Prüfrandbedingungen eine zu definierende Obergrenze nicht überschreitet.
Ausgehend von dem 2009 im Rahmen der KONTEC veröffentlichten Wissensstand [6] präsentiert die BAM im vorliegenden Beitrag die wesentlichen Ergebnisse der zwischenzeitlich bei der Planung und Durchführung von zahlreichen Fallprüfungen gewonnenen Erfahrungen bzgl. Spezifikation und Fertigung der für die Fallversuche notwendigen Fundamentplatten sowie deren Anbindung an den Untergrund. Neben den immer wieder notwendigen Anstrengungen zur Gewährleistung einer im Rahmen der Definition korrekten Betondruckfestigkeit am Tag der Fallprüfung wird die Anpassung der Bewehrungsführung an verschiedene Fallpositionen diskutiert.
Zur Ergänzung des gültigen Regelwerks entsteht parallel zu diesem Dokument eine Fachnotiz, in der BGE und BAM die Vorgaben und Spezifikationen zur regelwerkskonformen Herstellung und Montage von Fundamentplatten für Fallprüfungen im Rahmen der Behälterbauartprüfungsverfahren für das Endlager Konrad zusammenfassen und veröffentlichen werden. Diese Fachnotiz soll detaillierte Vorgaben und Spezifikationen zur Planung, Beauftragung, Herstellung und abschließenden Prüfung eines solchen Fundamentes und dessen Anbindung an den Untergrund enthalten. Damit soll allen beteiligten Organisationen wie Antragstellern, Sachverständigen und BGE ein langfristig verlässlicher Leitfaden im Hinblick auf die Durchführung anforderungsgerechter Fallprüfungen unter definierten und reproduzierbaren Randbedingungen im Rahmen der Bauartprüfungsverfahren für das Endlager Konrad an die Hand gegeben werden.
Up to the end of this decade, corresponding to the planned date of starting operation in the final disposal KONRAD for non-heat generating waste in Germany, a lot of efforts are needed to condition and package the radioactive waste in containers certified by BfS (Federal Institute for Radiation Protection). This waste is produced by public sector and industry as well as nuclear energy facilities, which result in more than a half of the actually declared quantity growing especially after the phase out decision of nuclear power production in Germany and the subsequent decommissioning of nuclear power plants. BAM (Federal Institute for Materials Research and Testing) acts as responsible authority on behalf of BfS for design testing under consideration of the KONRAD requirements. Within the assessment procedure of containers, BAM has to verify the application documents, including material qualification, container geometry, corrosion protection, leakage rate and operational and accidental loading, and to evaluate quality assurance measures. Besides the previous completed approvals for various containers such as steel sheet and cast iron box-shaped containers and concrete cylindrical ones, BAM is actually carrying assessments for other types such as cast iron cylindrical containers and “old” steel sheet box shaped ones. The so called “old” containers present already loaded containers without any KONRAD certification, currently stored at licensed interim storages. In the benefit of the container assessment, BAM operates design testing facilities for drop and fire tests which are also used for research objectives to improve and expand the evaluation methods such as research project ConDrop. The latter deals with numerical simulations and analyses tools for further precise predictions about unfavorable drop test scenarios, safety margins, and design sensitivities for steel sheet containers. Furthermore, during the assessment procedure, several specifications about the containers, the inventory to be disposed and the required safety level have been intensely debated by authorities and applicants. Based on its experience in qualifying containers, BAM has been commissioned to identify insufficiently specified aspects in the waste acceptance criteria and to propose clearer definitions with regard to the secondary regulations in the planning approval notice. This paper focuses on aspects of the contribution of BAM in certifying KONRAD waste containers. This will include the current state of design testing procedures, evaluation methods that are available or are being developed and the main topics within the KONRAD requirements being actually specified by BAM.
Transport and storage of radioactive materials are performed in countries with policy of either closed or open nuclear fuel cycle. The related technologies have been established by accumulation of experiences and researches including demonstrative tests using full scale or scale models and analyses. Those are essential before commercialization, but are often costly and time consuming. Such demonstrative works should not be repeated meaninglessly, but can be shared through this kind of book and used by readers and the future generations to advance the technology effectively. This book systematically provides findings from lots of valuable researches on safety of transport and storage of radioactive materials under normal and accident conditions that have an impact on basis of safe regulations, designs, and operations.
Die Bundesanstalt für Materialforschung und –prüfung (BAM) wurde von der AG 3 der Kommission Lagerung hoch radioaktiver Abfallstoffe gebeten, Anforderungen an Behälter für die Endlagerung hoch radioaktiver Abfallstoffe im Hinblick auf ih-re Rückholbarkeit während des Endlagerbetriebes und ihre Bergbarkeit nach Ver-schluss des Endlagers über einen Zeitraum von 500 (bis 1.000 ?) Jahren darzu-stellen. Die BAM kommt diesem Wunsch auf der Grundlage ihrer langjährigen Er-fahrungen und Fachkenntnisse auf den Gebieten der Bauartprüfung und der si-cherheitstechnischen Begutachtung von Transport- und Lagerbehältern für radio-aktive Stoffe nach.
The general aim of this research is the development of methods for predicting mechanical behavior and identification of limiting conditions to prevent brittle failure of high-burnup (HBU) pressure water reactor (PWR) fuel cladding alloys. A finite element (FE) model of the ring compression test (RCT) was created to analyze the failure behavior of zirconium-based alloys with radial hydrides during the RCT. An elastic-plastic material model describes the zirconium alloy. The stress-strain curve needed for the elastic-plastic material model was derived by inverse finite element analyses. Cohesive zone modeling is used to reproduce sudden load drops during RCT loading. Based on the failure mechanism in non-irradiated ZIRLO® claddings, a micro-mechanical model was developed that distinguishes between brittle failure along hydrides and ductile failure of the zirconium matrix. Two different cohesive laws representing these types of failure are present in the same cohesive interface. The key differences between these constitutive laws are the cohesive strength, the stress at which damage initiates, and the cohesive energy, which is the damage energy dissipated by the cohesive zone. Statistically generated matrix-hydride distributions were mapped onto the cohesive elements and simulations with focus on the first load drop were performed. Computational results are in good agreement with the RCT results conducted on high-burnup M5® samples. It could be shown that crack initiation and propagation strongly depend on the specific configuration of hydrides and matrix material in the fracture area.
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.
With the clear expectation of the need for extending spent fuel storage in Germany beyond the initial license period of maximum 40 years additional material data and knowledge about the long term performance and integrity of casks and internals like fuel rods will be required to meet major safety goals and regulatory requirements.
Based on a broad knowledge base about fuel cladding behavior, degradation mechanisms and related potential failure mechanisms, e. g. induced by reoriented Hydride precipitation, as illustrated in this paper, a specific gap analyses for the German situation regarding fuel conditions and cladding materials should identify the specific knowledge gaps to be addressed and closed in the near future. This is of specific interest as all spent fuel assemblies are going to be transferred to dry cask storage with the next decade and as a consequence of the German nuclear phase-out decision.
Within several decades, BAM as a Federal materials research institute gathered a broad range of expertise in the safety evaluation of materials, components and casks under operational and accidental thermal and mechanical conditions. This paper elucidates selected Basic considerations regarding technical and scientific knowledge about the long term aging performance and potential failure mechanisms of fuel cladding materials.
Under consideration of the national R&D funding policy which has been adapted to the extended interim storage or pre-disposal needs and the competences of BAM, its future R&D strategy is explained and some R&D objectives have already been identified. BAM will continue and expand ist engagement in the area of investigating fuel cladding material behavior in the long term and developing validated simulation and analyses tools in collaboration with national and international partners. R&D outcomes shall improve the knowledge-base to close identified knowledge gaps in the area of demonstrating fuel cladding integrity and to provide crucial information with regard to future safety assessments for the extended interim spent fuel storage.
A Memorandum of Understanding (MOU) between the Federal Institute for Materials Research and Testing (BAM) and Argonne National Laboratory (Argonne) was signed in the fall of 2014. Its objectives are to promote cooperation among scientists and specialists at BAM and Argonne and establish a framework for collaboration in the field of advanced technologies associated with the back end of the nuclear fuel cycle. Collaborative activities involving the BAM and Argonne may be implemented through the promotion of joint research activities and scientific workshops and conferences; the exchange of technical information; and visits by scientists, specialists, and graduate, postgraduate, and Ph.D. students. The first Argonne/BAM workshop was held at Argonne in October 2014 to discuss aging management issues related to the long-term dry storage of spent fuel. Major topics for potential collaboration on the extended storage of spent nuclear fuel and its subsequent transportation were identified.
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.
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.
Suitable containers for receiving high-level radioactive waste are a key elements of every repository system concerning different host rocks like rock salt, claystone and crystalline rock as being considered in Germany. The disposal container design is decisive regarding boundary conditions for the transport, emplacement techniques, and the operational and long-term safety assessment. The systematic derivation of the requirements to be placed on disposal containers forms the basis for a targeted, comprehensible and transparent development of containers that meet the requirements. The presentation summarizes the outcomes of the research project KoBrA.
A Memorandum of Understanding (MOU) between Argonne National Laboratory (Argonne) and the German Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) was signed in October 2014. Its objectives are to promote cooperation among scientists and specialists at Argonne and BAM and establish a framework for collaboration in advanced technologies associated with the back end of the nuclear fuel cycle. Collaborative activities involving Argonne and BAM may be implemented through the promotion of joint research activities and scientific workshops and conferences; exchange of technical information; and visits by scientists, specialists, and graduate, postgraduate, and Ph.D. students. The MOU was renewed in January 2020 for another five years. Highlights of the progress and achievements are provided in identified topical areas for collaboration on ageing management guidance, storage, transportation and disposal R&D, joint conference activities, and conclude with the benefits of the MOU in fostering Argonne and BAM collaboration.
Countdown für Konrad
(2010)
Damping concrete with high energy absorption capability consists of a cement matrix with embedded small polystyrene balls and is investigated experimentally and numerically under high static compression with and without clamping. A material model is derived which describes the fundamental effects of damping concrete like non-linear elastic-plastic behaviour, volume change, volume strain dependent hardening as well as shear failure with an adequate description of damage initiation and evolution. The suggested material model is validated by simulation of penetration tests.
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.
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.
Beginning in 1976 the former iron ore mine Konrad was geologically investigated concerning its suitability as a location for a German final repository for low and intermediate level waste. After a comprehensive licensing procedure it was approved and is now being prepared and equipped for the planned start of storage in 2027. At the end of the 1980s, the requirements for waste containers for storage in this repository were defined for the first time on the basis of an incident analysis of the on-site handling procedures, beginning with the unloading of the packages after the arrival at the site up to the final positioning in the underground storage galleries. A 5-meter drop onto the rock ground of the mine was identified as the covering case for high mechanical requirements (ABK II container class). In contrast to the 9-meter drop according to the IAEA Regulations for the Safe Transport of Radioactive Material, the 5-meter drop is performed onto a hard but not essentially unyielding target. The container is typically not protected by an impact limiter. The requirements for a potential test facility are described in the regulations for the Konrad repository. The mechanical strength of the target is defined as a concrete strength equivalent to the identified properties of the rock ground of the mine.
Since 1991 BAM has consistently used precast reinforced concrete slabs as target for drop tests in the framework of licensing procedures as well as in research projects. While the original design fulfilled the requirement for the integrity of the concrete slab in most cases, it failed when drop tests onto an edge of a container were performed. A redesigned concrete slab developed in a research project and suggested as a reference target in 2009 has been successfully used in Konrad licensing procedures since then.
The paper gives a brief overview of the historical development and it describes BAM’s efforts and approaches to continuously guarantee a concrete slab of defined quality and to provide a test setup for valid drop tests from the applicants and the authorities view.
Finite element analysis (FEA) has been carried out for investigation of damping concrete under different impact loading conditions with a built-in material model and damage criteria available in FEA code ABAQUS.
At first, all parameters for the selected material model had been derived from compression Tests of cubic specimens. After that, a validation was carried out with different static and dynamic penetration tests. Finally, a 5 meter real drop test with a 23 Mg cylindrical cask could successfully be simulated.
Die Koordinierungsstelle für Informationen zur Behälterabfertigung (KOBAF): Aufgaben und Erfahrungen
(2008)
Die sicherheitstechnische Prüfung von Tranport- und Lagerbehältern für abgebrannte Kernbrennstoffe
(1998)
In Germany dual purpose casks for spent nuclear fuel (SF) or high level radioactive waste (HLW) are used for safe transportation and interim storage. Key safety issues in both fields are the safe enclosure of the radioactive material, the safe removal of decay heat, securing nuclear criticality safety, limitation of radiation exposure to acceptable levels and keeping it as low as reasonable achievable (ALARA principle).
Whereas these safety requirements during transportation are ensured by the Type-B(U)-design testing and approval procedure on basis of internationally agreed IAEA (International Atomic Energy Agency) requirements storage licenses are issued on national and site specific safety analyses.
This paper presents experiences from recent interim storage safety evaluation and licensing procedures in Germany on basis of a Type-B(U) certified cask designs concerning specific differences from Operation and accident conditions inside the storage facility. The focus is laid on the interaction of cask and building structures with regard to shielding, heat removal and accident analyses including aircraft crash. Basic safety is assured by thick-walled metal casks with monitored double lid Systems. They also reduce radiation to levels where workers can safely operate and maintain the casks inside the storage facility. The storage building e. g. provides additional shielding and protection against extemal hazards depending on the building construction. In addition, the storage building helps to reduce radiation levels at the boundary of the storage site well below regulatory limits given by the German Radiation Protection Ordinance (StrSchV).
An extensive series of large deformation crushing tests with spruce wood specimens was conducted. Material orientation, lateral constraint and loading rate were varied. Regarding material orientation, a reduction in the softening effect and the general force level was observed with a higher fiber-load angle. A comparison with characteristics gained by application of Hankinson's formula showed discrepancies in compression strength and the beginning of the hardening effect. Lateral constraint of the specimens caused a multiaxial stress state in the specimens, which was quantified with the applied measuring method. Further, a higher force level compared to specimens without lateral constraint and significant hardening effect at large deformations resulted. Thus, the influence of a multiaxial stress state on the force level could be determined. An increase in the loading rate led to higher force levels at any displacement value and material orientation.
The safety assessment of casks for radioactive material at interim storage facilities or in final repositories includes the investigation of possible handling accidents if clearly defined test conditions are not available from the regulations. Specific handling accidents usually are the drop of a cask onto the transport vehicle or the floor as well as the collision with the wall of the storage building or another cask. For such load cases an experimental demonstration of cask safety would be difficult. Therefore, numerical analyses of the entire load scenario are preferred. The lessons learnt from dynamic finite element analyses of accident scenarios with thick-walled cubical containers or cylindrical casks are presented. The dependency of calculation results on initial and boundary conditions, material models, and contact conditions is discussed. Parameter sets used should be verified by numerical simulation of experimentally investigated similar test scenarios. On the other hand, decisions have to be made whether a parameter or property is modeled in a realistic or conservative manner. For example, a very small variation of the initial impact angle of a container can cause significantly different stresses and strains. In sophisticated cases an investigation of simpler limit load scenarios could be advantageous instead of analyzing a very complicated load scenario.
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.
Es werden Methoden zur sicherheitstechnischen Bewertung des mechanischen Verhaltens von Brennstabhüllrohren entwickelt, um sprödes Versagen in Belastungsszenarien nach längerfristiger trockener Zwischenlagerung zu verhindern. Unbestrahlte Brennstabhüllrohrsegmente aus der Zirkoniumlegierung ZIRLO® wurden hydriert und thermomechanischen Behandlungen unterzogen, um Hüllrohrmaterial durch Ausscheidung radialer Hydride zu verspröden. Die Proben mit radialen Hydriden wurden im Ring Compression Test (RCT) bei Raumtemperatur untersucht. Bereits bei kleinen Probenverformungen wurden abrupte Kraftabfälle mit instabiler Rissausbreitung durch das Netzwerk radialer Hydride beobachtet. Die Risslängen erreichten in einigen Fällen bis zu 90 % der Wanddicke. Der mikromechanische Versagensmechanismus ist Quasi-Spaltbruch in den Hydriden und Porenbildung, -wachstum und -vereinigung in der Zirkoniummatrix an den duktilen Brücken zwischen benachbarten Hydriden. Es wurde ein Finite-Elemente-Modell des Ring Compression Tests erstellt, um das Versagensverhalten zirkoniumbasierter Legierungen mit radialen Hydriden im RCT zu analysieren. Die Fließkurve für das elastisch-plastische Materialmodell des Matrixmaterials wurde durch eine inverse Finite-Elemente-Analyse ermittelt. Kohäsivzonenmodelle wurden benutzt, um die plötzlichen Kraftabfälle zu reproduzieren. Es wurde ein mikromechanisches Modell mit statistisch generierten Matrix-Hydrid-Verteilungen entwickelt, das zwischen sprödem Versagen entlang der Hydride und duktilem Versagen der Zirkoniummatrix in der Kohäsivzone unterscheidet. Für das jeweilige Materialverhalten wird ein lokales zweiparametriges Versagenskriterium auf Grundlage der Kohäsionsfestigkeit und der Separationsenergie bei einer festgelegten Form des Kohäsivgesetzes vorgeschlagen. Geeignete Kohäsivparameter lassen sich mit einer inversen Finite-Elemente-Analyse des Versagensverhaltens von hydrierten Proben im Ring Compression Test bestimmen. In den Simulationen lag der Schwerpunkt auf dem ersten Kraftabfall. Die Berechnungsergebnisse stimmen gut mit den RCT-Ergebnissen überein. Es konnte gezeigt werden, dass die Rissinitiierung und -ausbreitung stark von der speziellen Anordnung der radialen Hydride und Matrixbrücken in der Bruchzone abhängt. Die numerische Modellbildung wurde an Versuchen mit bestrahlten Proben aus der Zirkoniumlegierung M5® validiert.
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.
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.
Erfahrungen und Perspektiven bei der Bauartprüfung von Behältern zur Verpackung radioaktiver Abfälle
(2008)
Erfahrungen und Perspektiven bei der Bauartprüfung von Behältern zur Verpackung radioaktiver Abfälle
(2008)
Experimental and numerical studies of shock absorbing materials for containers for radioactive waste
(2012)
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.
Extended drop tests of DCI casks with artificial flaws demonstrating the existing safety margins
(1995)
Existing spent nuclear fuel (SF) and high active waste (HAW) management policies and practices worldwide are the result of past presumptions that sufficient reprocessing and/or disposal capacity would be available in the near term. Consequently, in the past many countries have developed specific solutions for different periods of time due to their individual national nuclear policies.
In Germany the concept of dry interim storage in dual purpose metal casks before disposal is being pursued for SF and HAW management and transport and storage licenses have been issued accordingly. The current operation licenses for existing storage facilities have been granted for a storage period of up to 40 years. This concept has demonstrated its suitability for over 20 years so far. Relevant safety requirements haven been assessed for the short-term as well as for the long-term for site-specific operational and accidental storage conditions. But in the meantime significant delays in the national repository siting procedure occured which will make extended storage periods necessary in the future.
This paper describes the current situation in Germany with regard to dry cask storage and focuses on current perspectives considering regulatory, technical, and scientific aspects for storage license renewal. Since there is one case of a storage license limitation to only 20 years due to administrative reasons, first experience is currently gathered in case of an expiring storage license. Subsequent license options have been pursued intensively including the extension of the initial storage license as well as shipping all casks to another storage facility considering an extended storage period at that storage facility as well. All safety relevant aspects have to be reviewed on basis of the current state-of-the-art which might be different from the initial safety demonstrations. That includes new safety assessment standards as well as improved knowledge base. Major issues are e.g. improved accident scenario analyses, assessment methods, and consideration of aging effects from previous operation periods. Inspection programs with respect, e.g. to bolts and seals to verify leak-tightness and lid screw pre-stress have been initiated to demonstrate proper cask conditions for extended storage as well as transportation to another storage facility.
This presentation addresses the current German policy in nuclear waste management and illustrates significant changes throughout the last decades. With the reset of the high level waste repository siting process in 2013 the need for extending interim storage beyond initial license periods will become a future challenge. For that purpose knowledge needs to be enhanced and data gaps need to be closed timely. In addition, international collaboration in R&D and regulatory improvements are explained.
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.
The prevention of brittle fracture of spent fuel claddings during long-term dry interim storage is based on experimental investigations, numerical analyses and assessment methods for predicting the mechanical behavior and determining limiting conditions. The ring compression test (RCT) is an established experimental method for characterizing cladding material. Test results for various high-burnup pressure water reactor zirconium-based fuel cladding alloys (e.g., ZIRLO®, M5®) are publicly available. To reduce the effort associated with irradiated samples in hot cells, it is helpful to perform studies on unirradiated surrogate cladding material. Based on such experimental data, load-displacement curves were numerically analyzed for selected cladding materials. In the presence of radial hydrides, a sample may suddenly fail by fracture even at small deformations. Noticeable load drops in the RCT occur associated to unstable crack propagation through the radial hydride network. The failure mechanism is quasi-cleavage in the hydrides and micro-void nucleation, growth, and coalescence in the zirconium matrix, with ductile tearing patches connecting neighboring hydrides. The failure process was simulated by cohesive zones controlled by the fracture energy and the cohesive strength. A modeling approach is presented in which the radial hydride morphology is taken into account. Based on the developed fracture mechanics approach with cohesive zone modeling, not only the deformation behavior but also the failure behavior of irradiated as well as unirradiated claddings with radial hydrides under RCT loading conditions can be adequately described.
Transport and storage casks for medium and high level radioactive waste are subjected to extreme heavy loads during the accidental drop scenarios prescribed by IAEA regulations and national storage acceptance criteria. Subsequently, considerable efforts have been made to optimize impact limiting structures aiming to reduce cask stresses and deformations. Though, their benefits can only fully be exploited, if the energy absorbing behavior is reliable simulated by numerical models which play an increasingly important role in safety assessments.
BAM has had conducted the 5-years research project ENREA in order to overcome the problems caused by the use of simplified, not sufficiently validated or even defective computational concepts for damping materials. While major results of the just recently completed program will be presented, the focus is laid on the question whether these Outputs provide a solid foundation for approximating impact limiting structures in all relevant configurations.
So far, material models have been implemented for spruce, Polyurethane foams and damping concrete based mainly on small and medium scale compression test results. The experimental program performed at BAM comprised likewise guided drop tests and, especially for concrete, penetration tests. Although the resulting numerical simulations showed good agreement with measured values, it turned out to be necessary to consider further effects with regard to e.g. multiaxial stress States, shearfailures of shock absorbing components and their interaction with enclosed or enclosing structures. Thus, the strengths and application constraints of the actual models will be shown as well as details about further research needs, if any.
German approach and experience feedback of transport ability of SNF packages after interim storage
(2013)
In Germany the concept of dry interim storage of spent fuel in dual purpose metal casks is implemented, currently for periods of up to 40 years.
The casks being used have an approved package design in accordance with the international transport regulations. The license for dry storage is granted on the German Atomic Energy Act with respect to the recently revised “Guidelines for dry interim storage of irradiated fuel assemblies and heat-generating radioactive waste in casks” by the German Waste management Commission (ESK).
For transport on public routes between or after long term interim storage periods, it has to be ensured that the transport and storage casks fulfil the specifications of the transport approval or other sufficient properties which satisfy the proofs for the compliance of the safety objectives at that time.
In recent years the validation period of transport approval certificates for manufactured, loaded and stored packages were discussed among authorities and applicants. A case dependant system of 3, 5 and 10 years was established. There are consequences for the safety cases in the Package Design Safety Report including evaluation of long term behavior of components and specific operating procedures of the package.
Present research and knowledge concerning the long term behavior of transport and storage cask components have to be consulted as well as experiences from interim cask storage operations. Challenges in the safety assessment are e.g. the behavior of aged metal and elastomeric gaskets under IAEA test conditions to ensure that the results of drop tests can be transferred to the compliance of the safety objectives at the time of transport after the interim storage period.
German approach and feedback on experience of transportability of SNF packages after interim storage
(2014)
In Germany, the concept of dry interim storage of spent fuel in dual purpose metal casks is implemented, currently for periods of up to 40 years. The casks being used have an approved package design in accordance with the international transport regulations. The license for dry storage is granted on the German Atomic Energy Act with respect to the recently revised 'Guidelines for dry interim storage of irradiated fuel assemblies and heat-generating radioactive waste in casks' by the German Waste management Commission. For transport on public routes between or after long term interim storage periods, it has to be ensured that the transport and storage casks fulfil the specifications of the transport approval or other sufficient properties, which satisfy the proofs for the compliance of the safety objectives at that time. In recent years, the validation period of transport approval certificates for manufactured, loaded and stored packages were discussed among authorities and applicants. A case dependent system of 3, 5 and 10 years was established. There are consequences for the safety cases in the Package Design Safety Report, including evaluation of long term behaviour of components and specific operating procedures of the package. The present research and knowledge concerning the long term behaviour of transport and storage cask components have to be consulted as well as experiences from interim cask storage operations. Challenges in the safety assessment are e.g. the behaviour of aged metal and elastomeric gaskets under IAEA test conditions to ensure that the results of drop tests can be transferred to the compliance of the safety objectives at the time of transport after the interim storage period. Assessment methods for the material compatibility, the behaviour of fuel assemblies and the aging behaviour of shielding parts are issues as well. This paper describes the state of the art technology in Germany, explains recent experience on transport preparation after interim storage and points out arising prospective challenges.
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.