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Organisationseinheit der BAM
Due to delays in the siting procedure to establish a deep geological repository for spent nuclear fuel and high level radioactive waste as well as in construction of the already licensed Konrad repository for low and intermediate level radioactive waste, extended periods of interim storage become more relevant in Germany. BAM is involved in most of the cask licensing procedures and especially responsible for the evaluation of cask-related long-term safety issues.
The long-term performance of elastomer seals for lid systems of transport and storage casks, whether used as auxiliary seals in spent fuel casks or as primary seals for low and intermediate level waste packages, is an important issue in this context. The polymeric structure of these seals causes a complex mechanical behavior with time-dependent sealing force reduction.
The results of a comprehensive purpose-designed test program consisting of basic compression and tension tests as well as relaxation tests on unaged specimens of representative types of elastomers (fluorocarbon rubber (FKM) and ethylene propylene diene rubber (EPDM)) at different temperatures and strain rates are presented. They were used to identify the constitutive behavior and to obtain parameters for finite element material models provided by the computer code ABAQUS®. After estimating the influence of uncertainties such as Poisson’s ratio and friction coefficient by sensitivity analyses, the chosen parameters had to prove their suitability for the finite element simulation of the specimen tests themselves.
Based on this preliminary work the simulation of a specific laboratory test configuration containing a typical elastomer seal with circular cross section is presented. The chosen finite element material model and the implemented parameters had to show that they are able to represent not only the specimen behavior under predominantly uniaxial load but also the more complex stress states in real components. Deviations between the measured and calculated results are pointed out and discussed.
For the consideration of long-term effects in the simulation of elastomer behavior, test results of aged specimens are needed. First information about a new test program, started recently and planned to provide these data, are given.
Due to delays in the siting procedure to establish a deep geological repository for spent nuclear fuel and high level radioactive waste as well as in construction of the already licensed Konrad repository for low and intermediate level radioactive waste, extended periods of interim storage become more relevant in Germany. BAM is involved in most of the cask licensing procedures and especially responsible for the evaluation of cask-related long-term safety issues.
The long-term performance of elastomer seals for lid systems of transport and storage casks, whether used as auxiliary seals in spent fuel casks or as primary seals for low and intermediate level waste packages, is an important issue in this context. The polymeric structure of these seals causes a complex mechanical behavior with time-dependent sealing force reduction.
The results of a comprehensive purpose-designed test program consisting of basic compression and tension tests as well as relaxation tests on unaged specimens of representative types of elastomers (fluorocarbon rubber (FKM) and ethylene propylene diene rubber (EPDM)) at different temperatures and strain rates are presented. They were used to identify the constitutive behavior and to obtain parameters for finite element material models provided by the computer code ABAQUS®. After estimating the influence of uncertainties such as Poisson’s ratio and friction coefficient by sensitivity analyses, the chosen parameters had to prove their suitability for the finite element simulation of the specimen tests themselves.
Based on this preliminary work the simulation of a specific laboratory test configuration containing a typical elastomer seal with circular cross section is presented. The chosen finite element material model and the implemented parameters had to show that they are able to represent not only the specimen behavior under predominantly uniaxial load but also the more complex stress states in real components. Deviations between the measured and calculated results are pointed out and discussed.
For the consideration of long-term effects in the simulation of elastomer behavior, test results of aged specimens are needed. First information about a new test program, started recently and planned to provide these data, are given.
Among other mechanical tests the 1 meter drop onto a steel puncture bar shall be considered for accident safe packages for the transport of radioactive material. According with the IAEA regulations “the bar shall be of solid mild steel of circular section, 15.0 ± 0.5 cm in diameter and 20 cm long, unless a longer bar would cause greater damage…”. The most damaging puncture bar length can be estimated by iterative processes in numerical simulations. On the one hand, a sufficient puncture bar length has to guarantee that shock absorbers or other attachments do not prevent or reduce the local load application to the package, on the other hand, a longer and thus less stiff bar causes a smaller maximum contact force. The contrary influence of increasing puncture bar length and increasing effective drop height shall be taken into account if a shock absorber is directly placed in the target area. The paper presents a numerical approach to identify the bar length that causes maximum damage to the package. Using the example of two typical package masses the sensitivity of contact forces and puncture bar deformations to the initial length are calculated and assessed with regard to the international IAEA package safety requirements.
Numerical approach to determine the correct puncture bar length for the IAEA puncture bar drop test
(2018)
Among other mechanical tests the 1 meter drop onto a steel puncture bar shall be considered for accident safe packages for the transport of radioactive material. According with the IAEA regulations “the bar shall be of solid mild steel of circular section, 15.0 ± 0.5 cm in diameter and 20 cm long, unless a longer bar would cause greater damage…”. The most damaging puncture bar length can be estimated by iterative processes in numerical simulations. On the one hand, a sufficient puncture bar length has to guarantee that shock absorbers or other attachments do not prevent or reduce the local load application to the package, on the other hand, a longer and thus less stiff bar causes a smaller maximum contact force. The contrary influence of increasing puncture bar length and increasing effective drop height shall be taken into account if a shock absorber is directly placed in the target area. The paper presents a numerical approach to identify the bar length that causes maximum damage to the package. Using the example of two typical package masses the sensitivity of contact forces and puncture bar deformations to the initial length are calculated and assessed with regard to the international IAEA package safety requirements.
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.
The Federal Institute for Materials Research and Testing (BAM) is assessing the mechanical and thermal safety performance of packages for the transport of radioactive materials. Drop testing and numerical calculations are usually part of the safety case concepts, where BAM is performing the regulatory tests at their own test facility site.
Among other mechanical tests the 1 meter drop onto a steel puncture bar shall be considered for accident safe packages. According to the IAEA regulations “the bar shall be of solid mild steel of circular section, 15.0 ± 0.5 cm in diameter and 20 cm long, unless a longer bar would cause greater damage…”.
Particularly with regard to the German transport- and storage cask designs, often made from ductile cast iron, an accurate determination of the puncture bar length to guarantee a load impact covering the worst case scenario can be imperative. If the fracture mechanical proof for the cask material shall be provided by a test, small deviations in the concentrated load applied can be decisive for the question if the cask fails or not.
The most damaging puncture bar length can be estimated by iterative procedure in numerical simulations. On the one hand, a sufficient puncture bar length shall guarantee that shock absorbers or other attachments do not prevent or reduce the local load application to the package, on the other hand, a longer and thus less stiff bar causes a smaller maximum contact force. The contrary influence of increasing puncture bar length and increasing effective drop height shall be taken into account if a shock absorber is directly placed in the target area. The paper presents a numerical approach to identify the bar length that causes maximum damage to the package. Using the example of two typical package masses the sensitivity of contact forces and puncture bar deformations to the initial length are calculated and assessed with regard to the international IAEA package safety requirements.
The Federal Institute for Materials Research and Testing (BAM) is assessing the mechanical and thermal safety performance of packages for the transport of radioactive materials. Drop testing and numerical calculations are usually part of the safety case concepts, where BAM is performing the regulatory tests at their own test facility site.
Among other mechanical tests the 1 meter drop onto a steel puncture bar shall be considered for accident safe packages. According to the IAEA regulations “the bar shall be of solid mild steel of circular section, 15.0 ± 0.5 cm in diameter and 20 cm long, unless a longer bar would cause greater damage…”.
Particularly with regard to the German transport- and storage cask designs, often made from ductile cast iron, an accurate determination of the puncture bar length to guarantee a load impact covering the worst case scenario can be imperative. If the fracture mechanical proof for the cask material shall be provided by a test, small deviations in the concentrated load applied can be decisive for the question if the cask fails or not.
The most damaging puncture bar length can be estimated by iterative procedure in numerical simulations. On the one hand, a sufficient puncture bar length shall guarantee that shock absorbers or other attachments do not prevent or reduce the local load application to the package, on the other hand, a longer and thus less stiff bar causes a smaller maximum contact force. The contrary influence of increasing puncture bar length and increasing effective drop height shall be taken into account if a shock absorber is directly placed in the target area. The paper presents a numerical approach to identify the bar length that causes maximum damage to the package. Using the example of two typical package masses the sensitivity of contact forces and puncture bar deformations to the initial length are calculated and assessed with regard to the international IAEA package safety requirements.
Due to their high versatility and recovery potential under several load conditions, seals made from elastomers are widely used as barrier seals in containers for low and intermediate level radioactive waste and as auxiliary seals in spent fuel storage and transportation casks (dual purpose casks (DPC)). In DPC, elastomer seals allow leakage rate measurements of metal barrier seals for demonstration of their proper assembly conditions and performance.
For spent fuel and high level waste as well as for low and intermediate level waste, long time periods will be required before final disposal will be available. Therefore, the long-term behavior of elastomer seals can be an important issue when the cask’s suitability for an extended interim storage period has to be assessed.
During the licensed interim storage duration, the requested leakage rate has to be maintained under any static and dynamic load conditions. A sufficient resilience, the capability of seals to compensate a (rapid) partial release was identified as an important end-of-lifetime criterion.
In the framework of extensive aging and testing programs at BAM, specimen made from representative types of elastomer (EPDM, FKM) were aged for several years at different temperatures ranging from 23 °C to 150 °C. One aim of the experiments was to determine an end-of-lifetime criterion correlated to leakage as the point of seal failure. As the seals remained leak-tight under static conditions even after advanced material degradation, a more demanding leakage test set-up was constructed that allowed a rapid partial release of the seal. This device enables a release of the O-ring by approx. 0.2 mm from 25 % to 23 % compression in less than one second during the pressure rise measurement. If the resilience of the seal has decreased past a certain point, the seal cannot follow the decompression fast enough and a leak path can open. Using a finite element (FE) material model derived earlier from different material tests, this process was simulated with a 3D FE model, reproducing the essential characteristics of the test device.
The FE-model enables the analyzation of the occurring global mechanisms if a leak path opens. The capability of the seals to follow the lifted flange and the subsequent run of compression force depending on the current state of aging are illustrated. The findings of the simulation are correlated and discussed with respect to the pressure rise measurements.
Elastomer seals are used in many industrial applications due to their excellent mechanical properties at a wide range of temperatures. Their high versatility and recovery potential under several load conditions make them well suitable for the application in containers designed for transport, storage and/or disposal of radioactive materials. In containers for low and intermediate level radioactive waste, elastomer seals are used as barrier seals, and as auxiliary seals in storage and transportation casks (dual purpose casks) for heat generating radioactive waste, such as spent fuel and high-level waste. While a seal exchange at defined intervals is typical in many conventional applications, it is impossible or at least hard to perform when principles of minimization of radiation exposure have to be considered and prohibit an unnecessary cask handling. An extensive knowledge of the change of the elastomer’s properties during aging and the availability of reliable end-of-lifetime criteria to guarantee the permanent safe enclosure of the radioactive material is mandatory. As BAM is involved in most of the national cask licensing procedures and in the evaluation of cask-related long-term safety issues, great efforts have been already made and are still planned to scientifically support this task.
Compression stress relaxation and compression set were identified as key indicators of elastomer long-term performance and quantitatively investigated in comprehensive test programs. Among other representative types of elastomers, specimens made from ethylene propylene diene rubber (EPDM) were tested before, during and after aging to capture the most important of their complex mechanical properties.
In the presented study, exemplary results were used to simulate the compression stress relaxation and the compression set of elastomer O-rings during aging. Regarding the influence of temperature, the time-temperature superposition principle is applied in the relaxation analysis of elastomer O-rings. The proposed model is implemented in the commercial finite element software ABAQUS/Standard® [1] with a sequential temperature displacement coupling. Numerical results match the experimental compression stress relaxation measurements well. The prediction of compression set values after long-term aging shows a relatively good agreement with the experimental results. Nevertheless, all input parameters derived from the specimen tests, additional assumptions concerning boundary conditions and modeling strategy are discussed with regard to the identified slight discrepancies.
The possibility to extend the finite element model to represent the O-ring seal’s ability to recover after a (fast) partial release is taken into account.