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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.
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.
Metal seals are in common use as an essential component for the leak tight closure of transport and storage casks for spent fuel and vitrified high active waste from reprocessing. They are placed between the massive monolithic cask body made of ductile cast iron or forged steel and the primary and secondary lids, which are fixed with screws around the lid circumference, in order to ensure long term safe enclosure of the radioactive cask inventory. Hereby, long term reliable pressure forces in combination with a tight surface contact are as important as well maintained seal and surface qualities and dry and clean conditions during seal assembly and operation. A few years ago BAM started systematic investigation on the long term seal behavior with re-spect to longer storage periods and seal behavior in accidental cask scenarios with dynamic de-formations of the seal groove geometry or short term drop in pressure force up to lid lifting. BAM has developed test flanges for seals with full scale cross section diameter but much small-er outer diameter to gain representative data for metal-sealed lid systems. They are placed in appropriate testing machines for relevant mechanical loading under static and dynamic condi-tions with the ability to measure the standard helium leakage rate continuously during each test phase. This paper focuses on BAM long term tests of different seal types with aluminum and silver jackets at three different temperatures of +20°C, +100°C and +150°C under static conditions over longer periods of time. Due to creeping effects, a reduction of the pressure force does ap-pear during loading and unloading depending on prior holding times. So far, test results of up to 2 years indicate a clear correlation between seal pressure forces and holding time, temperature and seal type allowing for extrapolating to much longer periods of time. The paper presents basic correlations, test and evaluation procedures as well as important provisional results and gives an outlook on further investigations.
In Germany the concept of dry interim storage of spent fuel and vitrified high active waste 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 guidelines of the German Reactor Safety Commission for dry interim storage of spent fuel. Currently part of the assessment process of the cask design for transport on public routes is to evaluate the suitability of the used materials with respect to their properties and their compatibility for possible transport periods. For transport on public routes during or after long term interim storage periods, it has to be ensured that the transport and storage casks fulfill the specifications of the transport approval or other sufficient properties which satisfy the proofs for the compliance of the safety objectives at that time. This paper describes the state-of-the-art technology in Germany and points out arising prospective challenges and which related questions have to be answered in future. Present research and knowledge concerning the long term behavior of transport and storage cask components (such as gaskets and shielding components) have to be consulted as well as experiences from interim cask storage operations. Challenges in the safety assessment are therefore i.e. 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 (aged package). Assessment methods for the material compatibility, the behavior of fuel assemblies and the aging behavior of shielding parts (e. g. influence of radiation) are further issues as well.
Elastomers are widely used as the main sealing materials for containers for low and intermediate level radioactive waste and as an additional component to metal seals in spent fuel and high active waste containers. The safe encapsulation of the radioactive container inventory has to be guaranteed according to regulation and appropriate guidelines for long term storage periods as well as for temperatures as low as -40°C during transport. Therefore, the understanding of failure mechanisms that lead to leakage at low temperatures is of high importance. It is known that the material properties of elastomers are strongly temperature dependent. At low temperatures, this is caused by the rubber-glass transition (abbreviated: glass transition). During continuous cooling, the material changes from a rubber-like entropy elastic to a stiff energy elastic behaviour, which allows nearly no strain or retraction. Hence, rubbers are normally used above their glass transition, but the minimum working temperature limit is not defined precisely; this can cause problems during the above noted applications. Therefore, the lower operation temperature limit of elastomer seals must be determined in dependence of the material properties. Differential scanning calorimetry (DSC) and dynamic mechanical analysis (DMA) are combined with standardised measurements to determine the compression set according to ISO 815. To reduce the test time of the standard tests, a faster technique than normally used was developed. Additionally, the breakdown temperature of the sealing function of complete O ring seals was measured in a component test set-up to compare it with the results of the other tests. The experimental set-up is capable of measuring the leakage rate at low temperatures by the pressure rise method. A fluorocarbon rubber (FKM) was selected for this investigation as it is often used for radioactive waste containers. The materials (seals and test sheets) were purchased from a commercial seal producer.
Während des Transportes sind Behälter für hoch radioaktive Abfälle durch stoßdämpfende Bauteile vor Einwirkungen, die aus Unfallszenarien gemäß den IAEA Regularien resultieren können, weitestgehend geschützt. Nach dem Entfernen dieser Komponenten im Rahmen der Einlagerung ins Zwischenlager müssen Vorkehrungen getroffen sein, um Beanspruchungen der Behälter aus möglichen Handhabungsunfällen im Empfangsbereich zu reduzieren. Die Maßnahmen müssen vor allem darauf abzielen, die stoßdämpfenden Eigenschaften der potentiellen Aufprallflächen zu optimieren. Da Standardmaterialien für Fundamente nur ein geringes Energieabsorptionsvermögen aufweisen, wurde durch die Firma HOCHTIEF eine neuartige Betonmixtur entwickelt, bei der ein spezieller Leichtzuschlag zum Einsatz kommen. Zur Charakterisierung dieses sogenannten Dämpferbetons liegen Standardkennwerte vor sowie Messwerte aus Eindringversuchen, die zur Qualitätssicherung für jede Produktcharge durchgeführt werden. Das stoßdämpfende Potential des neuen Werkstoffs kann jedoch nur dann vollkommen ausgeschöpft werden, wenn die Energieabsorption in numerischen Simulationen der Behälterabstürze über die gesamte Belastungsdauer zuverlässig wiedergegeben wird. Für die Implementierung und Anpassung eines entsprechenden Materialmodelis in einem Finite Elemente (FE) Programm
sind Daten aus systematischen Druckversuchen mit Variation der relevanten Einflussgrößen erforderlich. An der BAM werden daher im Rahmen eines werkstoffübergreifenden Forschungsvorhabens zur Untersuchung von stoßdämpfenden Strukturen auch die Eigenschaften von Dämpferbeton experimentell untersucht und zugehörige numerische Methoden entwickelt. Der aktuelle Beitrag behandelt die Ergebnisse der ersten Projektphase, in der kubische Probekörper mit der Kantenlänge 100mm bei unterschiedlichen Lagerungsbedingungen statisch und dynamisch gestaucht wurden. In nachfolgenden Versuchen wird der Einfluß der Probengröße ermittelt sowie die Eignung der verwendeten Materialmodelle anhand realistischer Belastungssituationen validiert.
Versuchsprogramm.