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The thermal expansion of polymeric parts can be an issue in many applications where the available space is limited, or exact dimensions of the part are required. For this study, a device was designed and built that allowed measuring the thermal expansion simultaneously in all three spatial directions on cubic samples with real-scale dimensions (78 mm edge length). The results are shown between 25 °C and 125 °C for two PE materials, one HMWPE and one tempered UHMWPE, for non-irradiated samples as well as cubes that have been irradiated with 100 and 400 kGy. The results measured with the new device were very similar to those measured with conventional thermo-mechanical analysis equipment and to literature data of UHMWPE. The HMWPE material shows a much larger thermal expansion coefficient in one direction compared to the other two directions during the first heating due to frozen stresses from the pressing step during material manufacturing. These stresses are mostly released by the expansion during the first heating, so that the expansion during the second heating is more uniform. The overall volumetric expansion is the same for both heating runs. By contrast, the tempered UHMWPE material shows no significant difference between first and second heating run, as the stresses from processing could already relax in the tempering step. The irradiation treatment does not affect the values significantly for the given test set-up.
Langzeitversuche über 10 Jahre an Federkern-Metalldichtungen mit Aluminium- bzw. Silberummantelungen
(2023)
Federunterstützte Metalldichtungen mit Aluminium(Al)- oder Silber(Ag)-Ummantelung werden u.a. in Behältern für Wärme entwickelnde radioaktive Abfälle eingesetzt, da diese Dichtungen eine sehr gute Dichtheit gewährleisten sowie Langlebigkeit und Beständigkeit gegenüber erhöhten Temperaturen und radioaktiver Strahlung aufweisen. Auch wenn die Sicherheit solcher Behälter und der verwendeten Dichtungen vielfach belegt wurde, sind sie Gegenstand andauernder Forschung, etwa im Hinblick auf eine absehbar benötigte verlängerte Zwischenlagerdauer. Aus diesem Grund werden an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) im Fachbereich 3.4 „Sicherheit von Lagerbehältern“ seit über 20 Jahren Versuche an solchen Metalldichtungen durchgeführt. Dabei sollen zusätzliche Erkenntnisse hinsichtlich der Sicherheitsreserven der Dichtungen in unterstellten Störfallszenarien (axiale Bewegung des Deckelsystems bzw. Aufweitung der Nutgeometrie) und insbesondere detailliertere Erkenntnisse zum Langzeitverhalten gewonnen werden.
During an extensive test programme at the Bundesanstalt für Materialforschung und prüfung, material property changes of EPDM O-rings were investigated at different ageing times and two ageing temperatures of 125∘C and 150∘C. To exclude possible diffusion-limited oxidation (DLO) effects that can distort the data, IRHD microhardness measurements were taken over the cross section of compressed O-rings. Continuous stress relaxation measurements were taken on samples free of DLO effects. The additional effect of physical processes to irreversible chemical ones during a long-term thermal exposure is quantified by the analysis of compression set measurements under various test conditions. By combining the different experimental methods, characteristic times relative to the degradation processes were determined. On the basis of experimental data, a microphysically motivated model that takes into account reversible and irreversible processes was developed. The parameter identification strategy of the material model is based on our experimental investigations on homogeneously aged elastomer O-rings. The simulated results are in good agreement with the experiments.
The excellent mechanical properties of elastomer seals at a wide range of temperatures as well as their high versatility and recovery potential under several load conditions make these materials well suitable for the application in containers designed for transport and disposal of negligible heat generating radioactive 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 which prohibit an avoidable cask handling. An extensive knowledge of the change of the elastomer properties during aging and the availability of reliable end-of-lifetime criteria to guarantee the safe enclosure of the radioactive material for the required time are 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 already been made and are still ongoing to scientifically support this task.
Among other representative types of elastomers, specimen made from ethylene propylene diene rubber (EPDM) were tested before, during and after aging to capture the with respect to application most important of their complex mechanical properties.
Exemplary results of these investigations were used to calibrate material models implemented in the commercial finite element software ABAQUS/Standard®. The finite element model already presented in previous works uses a sequential temperature displacement coupling. The calculated compression stress relaxation (CSR) and compression set (CS) values do satisfactorily match the experimental results.
In many investigations performed at BAM both values (CSR and CS) were identified as key indicators of elastomer’s long-term performance.
However, the possibility to correlate these equivalent indicators with performance values such as tightness and leakage rate, measurable in the mounted state, is an important goal of our future work. In the presented study the ABAQUS® feature of “pressure penetration” is introduced in the suggested finite element model for this purpose. It provides the possibility to simulate the penetration of a gas into a possible gap between flange and O-ring causing an opening of a leakage path. Three dimensional and axis-symmetric finite element models were generated to represent flat and grooved flanges of different dimensions.
The sensitivity of the feature to several input parameters is investigated and the observed behavior of the O-ring is correlated with the results of performed leakage tests.
Bei der Auswahl eines Standortes für ein Endlager für hochradioaktive Abfälle (Wärme entwickelnde radioaktive Abfälle und ausgediente Brennelemente) in Deutschland werden auf Grundlage des Standortauswahlgesetzes von 2017 die drei potenziellen Wirtsgesteine Steinsalz, Tonstein und Kristallingestein in Betracht gezogen. Die Auswahl eines konkreten Endlagerstandortes steht dabei in engem Zusammenhang mit den für die jeweiligen Wirtsgesteine geeignet erscheinender Endlagersystemen. Zentraler Bestandteil dieser Endlagersysteme sind die Endlagerbehälter, deren Gestaltung und Auslegung maßgeblich die Randbedingungen für die Transport- und Einlagerungstechnik vorgibt und zudem die Nachweise zur Betriebs- und Langzeitsicherheit entscheidend prägt. Daher ist es für die Behälterentwicklung erforderlich, die an Endlagerbehälter zu stellenden Anforderungen systematisch herzuleiten. Auf dieser Grundlage können anforderungsgerechte Endlagerbehälter zielgerichtet für die jeweils zu untersuchenden Endlagerstandorte in unterschiedlichen Wirtsgesteinen entwickelt werden.
Dieser Beitrag fasst die wesentlichen Ergebnisse des von BAM und BGE TECHNOLOGY GmbH im Zeitraum 2017 bis 2020 bearbeiteten und vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) geförderten Forschungsvorhabens KoBrA zusammen, die in einem Abschlussbericht und vier zugehörigen Teilberichten umfassend dokumentiert sind.
Im hier vorliegenden Bericht wurde im Rahmen einer umfassenden Literaturrecherche der nationale und internationale Stand von Wissenschaft und Technik hinsichtlich Behälterkonzepten und Behälteranforderungen erfasst. Dabei wurde eine umfangreiche Dokumentensammlung zusammengestellt und sortiert, die als Quellenbasis für alle weiteren Arbeiten zur Verfügung steht. Die Auswertung der gesammelten Informationen resultiert in einem Überblick über internationale Behälterentwicklungen sowie einer detaillierten Übersicht über die Behälterkonzepte und die ihnen zugrundeliegenden Anforderungskataloge aus elf fortgeschrittenen Endlagerprogrammen.
Dieser Bericht untersucht die im ersten Arbeitspaket ermittelten vorhandenen bzw. entwickelten Behälterkonzepte dahingehend, inwieweit die jeweiligen Behälterfunktionen unter den im zweiten und dritten Arbeitspaket ermittelten Randbedingungen und Einwirkungen den im dritten Arbeitspaket ermittelten Anforderungen an endlagerfähige Behälter in einem deutschen Endlager genügen. Zum anderen sollen, basierend auf den im zweiten Arbeitspaket ermittelten Randbedingungen und den im dritten Arbeitspaket hergeleiteten und zusammengestellten Anforderungen an die Endlagerbehälter, Vorschläge für mögliche generische Endlagerbehälter in den drei potenziellen Wirtsgesteinen Steinsalz, Tonstein und Kristallingestein erarbeitet werden. Die im ersten Arbeitspaket recherchierten Behälterkonzepte, deren Entwicklungslinien und zugrundeliegende Behälteranforderungen bilden hier den Ausgangspunkt für weitergehende Überlegungen hinsichtlich ihrer potenziellen Eignung für ein zukünftiges deutsches Endlager und zur Skizzierung generischer Konzepte für zukünftige Endlagerbehälter.
Der Bericht zum Arbeitspaket 3 baut auf den Ergebnissen der internationalen Recherche (AP1) sowie der Zusammenstellung der Randbedingungen und Beanspruchungsgrößen für die Endlagerbehälter (AP2) auf. Die Anforderungen an die Behälter – regulatorische, betriebliche sowie solche aus der Standortgeologie und den Einwirkungen und Prozessen, denen die Behälter ausgesetzt sind – werden hergeleitet und systematisch dargestellt.
Die für das Endlagersystem zu betrachtenden Nutzungsphasen werden aus den regulatorischen Anforderungen hergeleitet und charakterisiert. Die Einwirkungen auf die Behälter in den drei potenziellen Wirtsgesteinen sowie die sich für die Erfüllung der Sicherheitsfunktionen des Behälters als Teil des Endlagersystems ergebenden Behälterfunktionen werden ebenfalls wirtsgesteins- und zeitphasenabhängig betrachtet. Schließlich werden aus den Einwirkungen auf die Behälter und den Anforderungen an die Behälterfunktionen auch quantifizierbare Behälterfunktionen für alle drei potenziellen Wirtsgesteine abgeleitet.
Elastomer seals are mounted as barrier seals in lid systems of containers designed for transport and disposal of negligible heat generating radioactive waste and as auxiliary seals in spent fuel storage and transportation casks (dual purpose casks (DPC)). When the behavior of mounted seals under normal and hypothetical accident conditions of disposal and transport is to be simulated, a comprehensive knowledge of their complex mechanical properties at every state of aging is necessary. In previous works, BAM’s efforts in experimental investigations on specimen artificially aged at different temperatures and times and the implementation of the found results in finite element material models were presented. Additionally, our approaches to reproduce the aging process itself and to extrapolate the results of artificially accelerated aging to longer times were presented. Numerical simulations have shown that the behavior of the seal during mounting and one-sided pressurizing and the resulting performance values such as leakage rate strongly depend on the coefficient of friction (COF) between flange and seal. The friction coefficient, in turn, depends on the aging state of the elastomer material as several publications suggest (see below).
Dynamic COF between an exemplary ethylene propylene diene rubber (EPDM) material and a stainless steel ball were determined by using a self-designed linear oscillation tribometer. Unaged and artificially aged EPDM specimen stored for 30 days and 100 days at a temperature of 150 °C were tested. A stainless steel ball (d=10 mm) is brought in contact with the specimen’s surface und loaded by normal forces of 2.5 N, 5 N, 10 N and 20 N. During a reciprocating movement of the EPDM sheet, the horizontal force/friction force is continuously measured, and the COF can be derived.
It is well known that friction is a complex phenomenon especially in soft materials. It cannot be excluded that the measured friction force is influenced by additional force components, resulting from the ball’s grooving through the elastomer’s surface. This force depends on the penetration depth of the ball and on the resistance of the elastomer in its different states of aging. The latter results from microstructural changes i.e., chain scission and additional crosslinking that occur during aging which in turn influence the softening or hardening of the material.
A finite element (FE) ABAQUS® model was developed to reproduce the measurement process. It should help to better understand the physical mechanisms and to quantify the percentage of measured forces resulting from real friction on the one hand and forces resulting from unintended side effects that could falsify the result on the other hand. The behavior of the elastomer in its different states of aging is reproduced by a FE material model already presented in previous works of BAM.
Component and material investigations on metal seals for high level radioactive waste containers
(2018)
In Germany casks for interim storage of spent nuclear fuel and high level radioactive waste are equipped with Helicoflex® metal seals as main sealing barrier of the double lid system. The long-term behaviour of those seals is investigated at Bundesanstalt für Materialforschung und –prüfung (BAM) in order to evaluate the safety function of the containment at different temperatures over storage periods of 40 years or more in case extended interim storage becomes necessary.
Long-term investigations have been done for ageing times of up to 8.5 years at temperatures ranging from room temperature to 150 °C. It was found that the seal force and useable resilience decrease over time, which is mainly caused by creep deformation of the aluminium (or silver) outer jacket of the seals. This effect becomes stronger with increasing temperature.
The ageing processes of the seal material and the overall seal behaviour is under investigation in order to derive analytical descriptions for the long-term seal performance. Thus, standardized tests on the basic seal materials, with focus on aluminium, and additional investigations on the seals as a component are conducted. The current investigations include compression and tension creep measurements as well as tensile testing. Furthermore, ageing of seal segments provides information on the development of the contact area width, jacket thickness and microstructural changes in dependence of time and temperature. The obtained data are used for the development of material models and an analytical approach to describe and predict the time and temperature dependent sealing behaviour in the long-term.