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The investigation of low temperature properties of elastomeric sealing materials by means of thermo-analytical methods is a sound way to get information about the glass transition process.
The breakdown temperature of the sealing function of O-ring seals was measured in a component test setup depending on material and degree of compression.
An in depth explanation of the observed component tests behaviour is currently in preparation. It requires the results of thermo-analytical methods and measurements as the compression set (not shown here). With that, a model was developed to describe the correlation between physical material parameters and observed component behaviour.
Elastomere werden vielfach als Dichtungsmaterial für verschiedene Anwendungen eingesetzt.
In vielen Bereichen ist die Funktion der Dichtung auch bei tiefen Temperaturen erforderlich. Daher ist das Verständnis des Versagensmechanismus von großer Bedeutung.
Normalerweise werden Elastomere oberhalb ihres Glass-Gummi Umwandlungsbereiches eingesetzt, wobei die minimale Einsatztemperatur nicht exakt definiert ist. Daher ist es sinnvoll, diese untere Temperatureinsatzgrenze in Abhängigkeit von den Materialeigenschaften zu bestimmen. Hierfür werden die Ergebnisse der thermischen Analyse mit den Resultaten des Druckverformungsrests aus einer abgewandelten Messung mit der Dynamisch Mechanischen Analyse (DMA) kombiniert.
Weiterhin werden Ergebnisse von Bauteilversuchen vorgestellt und diskutiert.
Die vorgestellten Untersuchungen wurden zum großen Teil auf Untersuchungen im Rahmen der Dissertation von M. Jaunich durchgeführt.
Für Elastomenwerkstoffe im Allgemeinen und im Bereich der Dichtungstechnik im Besonderen ist der Druckverformungsrest eine wichtige Kenngröße zur Beurteilung der Eignung eines Werkstoffs bzw. der Funktion eines Bauteils. Er ermöglicht eine Einschätzung des zeitabhängigen Rückstellverhaltens eines Werkstoffs nach Deformation. Dieses ist für Dichtungen von besonderer Bedeutung, da der Test deren Einbauzustand nachstellt.
Oft wird er, bei der Prüfung unter erhöhten Temperaturen, zur Beurteilung des Alterungsverhaltens verwendet und kann anhand eines definierten Versagenskriteriums zur Lebensdauerabschätzung eingesetzt werden. Bei tiefen Temperaturen dient er dazu, die limitierende Einsatztemperatur zu bestimmen. Dabei spielt eine Alterung im eigentlichen Sinne nur eine untergeordnete Rolle, wohl aber physikalische Effekte wie Tieftemperaturkristallisation und Glasübergang. Diese Effekte sind weit weniger durch lange Lagerzeiten beeinflusst als die eigentliche Alterung.
Die Versuchsdurchführung unterscheidet sich je nach angewandter Norm und kann einen deutlichen Einfluss auf den Druckverformungsrest haben. Alle standardisierten Methoden sind aufgrund der langen Lagerzeiten relativ langwierig und erfordern das regelmäßige Eingreifen durch den Prüfer. Zusätzlich sehen einige Methoden nur die Bestimmung eines einzelnen Wertes nach einer definierten Zeit vor.
Um die Messungen zu beschleunigen wurde eine Methode entwickelt, die automatisch die erforderlichen Messungen bei mehreren Temperaturen durchführt.
Dazu wird ein Prüfgerät der Dynamisch Mechanischen Analyse verwendet, das kontinuierlich die Deformation während eines frei programmierbaren Temperaturzyklus misst, wodurch eine sehr große Datenmenge verfügbar ist.
Ein Vergleich der neuen Methode mit den Ergebnissen des nach ISO 815 genormten Messprinzips ergibt eine gute Übereinstimmung. Ergebnisse der neuen Methode werden vorgestellt und die Vorzüge der kontinuierlichen Datenerfassung, z.B. für die Materialauswahl, diskutiert.
Die vorgestellten Ergebnisse beziehen sich zum großen Teil auf die in beschriebenen Untersuchungen und Ergebnisse.
To achieve the required tightness levels of Containers for low and intermediate level radioactive wastes rubbers are widely applied as main sealing materials. The save encapsulation of the radioactive Container contents has to be guaranteed according to legislation and appropriate guidelines for long storage periods as well as down to temperatures of-40 °C during transportation.
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 rubbers are strongly influenced by temperature. At low temperatures this is caused by the rubber-glass transition (abbr. glass transition). During continuous cooling the material changes from rubber-like entropy-elastic to stiff energy-elastic behaviour, that allows nearly no strain or retraction. Therefore, rubbers are normally used above their glass transition but the minimum working temperature limit is not defrned precisely, what can cause problems during application. The temperature ränge where full functionality is possible is strongly dependent on the application conditions and the material.
For this investigation mainly ethylene propylene diene (EPDM) and fluorocarbon rubbers (FKM) were selected as they are often used for radioactive waste Containers.
Differential Scanning Calorimetry (DSC) and Dynamic Mechanical Analysis (DMA) are typically used for the determination of the temperature ränge of the glass transition process. The standardized compression set measurement according to ISO 815 is common for investigation of rubber sealing materials as the test simulates the seal behaviour after release. To reduce the test time of the Standard tests a faster technique giving the same information was developed.
Additionally, the breakdown temperature of the sealing function of complete O-ring seals is measured in a component test Setup to compare it with the results of the other tests. The experimental Setup is capable of measuring the leakage rate at low temperatures by the pressure rise method.
A model was developed that allows calculating the minimum working temperature limit of a seal by combining the results of the applied methods.
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.
It is important to evaluate the effect of thermal ageing on the sealing performance of metal gaskets under high temperature for long-term usage. Therefore, in order to gain representative data for this kind of metal-sealed lid System, BAM is currently performing laboratory tests of different gasket types with aluminum and silver jackets at three different temperatures under static conditions up to four years so far, using test flanges for gaskets with full scale cross section diameter but much smaller outer diameter. On the other hand, in order to investigate the applicability of the numerical methodology to evaluate the long-term behavior of the metal gaskets, such as a correlation between seal pressure force and holding time, CRIEPI is developing a modeling method including material tests (tensile and creep tests) at high temperature. In this paper, the applicability of the finite element method (ABAQUS) to predict the recovery displacement and residual seal pressure force of the gasket complex was verified by comparing the calculated values with BAM’s laboratory test results under the joint research agreement between BAM and CRIEPI.
Sicherheitsbewertung von Lagerbehältern bei Auslaufen einer befristeten Zwischenlagergenehmigung
(2013)
Bei der sicherheitstechnischen Begutachtung der behälterspezifischen Aspekte nach Ablauf einer Zwischenlagergenehmigung ist entsprechend einer Neubeantragung zu verfahren. Die Sicherheitsbewertung erfolgt nach dem aktuellen Stand von Wissenschaft und Technik bei Berücksichtigung der zur Behälterbauart bereits vorliegenden Sicherheitsnachweise und Begutachtungsergebnisse sowie der physikalischen und chemischen Alterungseinflüsse der bisherigen Zwischenlagerung. Am Beispiel einer beantragten weiteren Zwischenlagerung nach Auslaufen einer auf 20 Jahre befristeten Genehmigung und dem notwendigen Behältertransport zu einem neuen Zwischenlager werden Erfahrungen bzgl. der durchgeführten Sicherheitsbewertung zur Erfüllung der Technischen Annahmebedingungen des neuen Behälterlagers dargestellt.