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Influence of impact angle and real target properties on drop test results of cubic containers
(2017)
Drop test scenarios with cubic containers without impact limiters at interim storage sites or in a final repository have been investigated by numerical simulations. An ideally flat drop is impossible to conduct as a free fall of a container even under laboratory conditions. Dynamic stresses and strains inside the container structure are sensitive to the impact angle. Even very small impact angles cause remarkable changes in the experimental or numerical results when a flat bottom or wall of a container hits a flat target. For drop tests with transport packages the International Atomic Energy Agency (IAEA) regulations define an essentially unyielding target. In contrast, potential accident scenarios for storage containers are derived from site-specific safety analyses or acceptance criteria in Germany. Each interim storage site or repository has a yielding or so-called real target with individual structural and material properties. The real target acts as a kind of impact limiter. A more conservative container design is required if the impact limiting effect of the target is not considered.
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.
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.
Die sicherheitstechnische Auslegung von Behältern aus duktilem Gusseisen mit erhöhten Reststoffanteilen wird untersucht. Ausgehend von den zu gewährleistenden Anforderungen an Transport- und Lagerbehälter für radioaktive Abfälle werden Referenzbeanspruchungs- situationen definiert. Für einen ausgewählten Referenzfall (bestehend aus der Kombination der Behälterbauart Gusscontainer Typ VI, einem Absturz aus 5 m Höhe auf ein hartes Endlagergestein simulierendes Betonfundament als repräsentativer Störfall und vorgegebenen Werkstoffeigenschaften) wird eine numerische Spannungsanalyse durchgeführt. Die Berechnungen erfolgen mit der Methode der finiten Elemente an dreidimensionalen Modellen, deren numerische Stabilität und Genauigkeit überprüft wird. Zur Berechnung der Behälterbeanspruchungen in Abhängigkeit vom Reststoffanteil werden dynamische Fließkurven für definiert legierte Testabgüsse angegeben.
Within the last years BAM has carried out numerous drop tests with prototype casks made of ductile cast iron onto targets according to the requirements for final disposal of non-heat generating waste in the German KONRAD repository. The results have shown that the target specifications in the acceptance criteria have to be defined more accurately to get reproducible test results with high precision. Hence, a suitable test stand foundation was developed with much effort. The integrity of the upper concrete layer of this target must be preserved during a test.
Recently the geometrical properties of a tested cubic cast iron container led to a concentration of the impact forces beneath the container walls. The target was damaged strongly with the consequence of inadmissible reduction of cask stresses. For that reason the target construction was modified. However, the basic design was not changed. A prefabricated concrete slab was still joined by a mortar layer to the IAEA target of the BAM drop test facility. In the course of the optimization of the test stand foundation the concrete slab dimensions and the reinforcement were enlarged. During the drop test repetition the target kept intact. Additionally, the mechanical behavior of the cast iron container and the target was analyzed by finite element calculations.
This improved target construction is suggested as a reference target for drop tests with casks whose mass and base area are covered by the container types VI or VII respectively according to the KONRAD repository acceptance criteria.
The measurements during the drop tests with cast iron casks have provided the strains on the cask surface at selected positions. This allows the verification of finite element simulations of drop tests which show the stress distribution also inside the component. In September 2008 a drop test was carried out with a cylindrical cast iron cask containing an artificial material defect which was designed under consideration of critical stress states in the cask body. This drop test could demonstrate the safety against failure by fracture of a cask made of a special cast iron with reduced fracture toughness.