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Organisationseinheit der BAM
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Transport casks for radioactive materials have to withstand the 9 m drop test, 1 m puncture drop test and dynamic crush test with regard to the mechanical requirements according to the IAEA regulations. The safety assessment of the package can be carried out on the basis of experimental investigations with prototypes or models of appropriate scale, calculations, by reference to previous satisfactory safety demonstrations of a sufficiently similar nature or a combination of these methods. Computational methods are increasingly used for the assessment of mechanical test scenarios. However, it must be guaranteed that the calculation methods provide reliable results. Important quality assurance measures at BAM are given concerning the preparation, run and evaluation of a numerical analysis with reference to the appropriate guidelines.
Hence, a successful application of the finite element method requires a suitable mesh. An analysis of the 1 m puncture drop test using successively refined finite element meshes was performed to find an acceptable mesh size and to study the mesh convergence using explicit dynamic finite element codes. The finite element model of the cask structure and the puncture bar is described. At the beginning a coarse mesh was created. Then this mesh was refined in two steps. In each step the size of the elements was bisected. The deformation of the mesh and the stresses were evaluated dependent on the mesh size. Finally, the results were extrapolated to an infinite fine mesh or the continuous body, respectively. The uncertainty of the numerical solution due to the discretization of the continuous problem is given. A safety factor is discussed to account for the uncertainty. The calculation results are compared with experimental data from a puncture drop test with a half-scale model of a cylindrical cask.
This paper supports the convergence studies of the Task Group on Computational Modeling for Explicit Dynamics reporting to the ASME BPV Code Working Group on Design Methodology.
A material testing program to characterize the concrete behavior under static and dynamic loads
(2010)
In this paper a comprehensive material testing program is described to characterize a German final repository concrete material (BERB1) subjected to static and dynamic loads. The BERB1 material was developed und specified by the German Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) for targets used for drop tests according to the KONRAD requirements.
The testing consists of three concurrent laboratory experimental programs performed in the USA. An extensive preliminary testing program in Germany was performed to assure the required concrete specifications during fabrication and curing.
The first set of data is the static basic material test program consisting of structural tests to quantify macroscopic concrete properties under quasi-static loads. Cubic and cylindrical specimens are investigated under this effort. The second set of test data is from the static complete material test program, where cylindrical concrete specimens are subjected to a variety of quasi-static axial and radial stress and strain paths using a high-pressure hydraulic tri-axial chamber. The material is characterized for confining pressures up to 400 MPa. The third set of data is from the dynamic complete material test program, which uses a modified Split-Hopkinson Pressure Bar to induce dynamic compression and tension waves into cylindrical concrete specimens that generate strain-rates up to 400 s-1.
The ensemble of data generated in these experiments provides a complete set of data that effectively describes the behavior of this concrete and can be used to develop a constitutive calculation model. In addition, the results of the tests show a significant effect of moisture on the strength and rheology of this concrete for quasi-static pressures greater than 50 MPa. Numerical drop test simulations with the developed constitutive model in the Lagrangian finite element code, LS-DYNA, show good agreement with the experimental results from a BAM research project.
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.
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 have 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 occurred which will make extended storage periods necessary in the future.
Transport casks for radioactive materials have to withstand the 9 m drop test, 1 m puncture drop test and dynamic crush test with regard to the mechanical requirements according to the IAEA regulations. The safety assessment of the package can be carried out on the basis of experimental investigations with prototypes or models of appropriate scale, calculations, by reference to previous satisfactory safety demonstrations of a sufficiently similar nature or a combination of these methods. Computational methods are increasingly used for the assessment of mechanical test scenarios. However, it must be guaranteed that the calculation methods provide reliable results. Important quality assurance measures at the Federal Institute for Materials Research and Testing are given concerning the preparation, run and evaluation of a numerical analysis with reference to the appropriate guidelines. Hence, a successful application of the finite element (FE) method requires a suitable mesh. An analysis of the 1 m puncture drop test using successively refined FE meshes was performed to find an acceptable mesh size and to study the mesh convergence using explicit dynamic FE codes. The FE model of the cask structure and the puncture bar is described. At the beginning a coarse mesh was created. Then this mesh was refined in two steps. In each step the size of the elements was bisected. The deformation of the mesh and the stresses were evaluated dependent on the mesh size. Finally, the results were extrapolated to an infinite fine mesh or the continuous body, respectively. The uncertainty of the numerical solution due to the discretisation of the continuous problem is given. A safety factor is discussed to account for the uncertainty.
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.