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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.
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.
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.
The investigation of the long-term performance of sealing systems employed in containers of radioactive waste and spent nuclear fuel is one research focus area for division 3.4 \Safety of Storage Containers" at the Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung. The behaviour of metallic seals, which are employed in interim storage casks for spent nuclear fuel and high active waste, over time is of high importance for ensuring safe enclosure. Therefore, investigations on these systems were started at BAM to get a general understanding of the relevant processes. Our investigations comprise investigations on different parameters which influence the seal Performance and the main part is focussed on the time and temperature dependent behaviour. Our aim is to understand the longterm behaviour of the sealing systems for evaluation of their performance during possible extended interim storage and subsequent transportation. In this contribution an overview of the performed tests and their respective results is given. A focus lies on a comparison between seals with large torus diameter in comparison to small diameters.
Im Forschungsvorhaben KoBrA werden Anforderungen an Endlagerbehälter für hochradioaktive Abfälle erstmals systematisch und unter Berücksichtigung des internationalen Standes von Wissenschaft und Technik hergeleitet. Parallel werden die behälterrelevanten Randbedingungen und Beanspruchungsgrößen für Endlagerbehälter in den drei potenziellen Wirtsgesteinen Steinsalz, Tonstein und Kristallingestein ermittelt. Darauf aufbauend werden die zur Erfüllung der Anforderungen unter den gegebenen Einwirkungen und Beanspruchungen notwendigen Behälterfunktionen bestimmt und erste Konzeptideen für zukünftige Endlagerbehälter diskutiert bzw. entwickelt.
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.
The investigation of the long-term performance of sealing systems employed in containers for radioactive waste and spent nuclear fuel is one research focus area for division 3.4 “Safety of Storage Containers” at the Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM). Our investigations comprise investigations on metallic and elastomeric seals and covers experimental investigations to get a database on the component/material behaviour, work on analytical descriptions and numerical analysis. Our aim is to understand the long-term behaviour of the sealing systems for evaluation of their performance during possible extended interim storage and subsequent transportation.
Safety of long term containment and storage of radioactive waste is an essential issue, which is increasingly gaining international attention. Extending interim storage beyond initial license periods is one of the major challenges worldwide.
BAM has been involved in all kinds of radioactive waste container safety evaluation for storage and transportation including their long term performance from the very beginning. Today, all work related to the safe management of radioactive waste is linked by the activity field “Nuclear Waste Management” within the Focus Area “Energy” at BAM and in conjunction with a research strategy and agenda. Most recently, the working group “Long Term Safety of Container Systems and Components” was established to launch and perform research projects related to safety issues concerning the extended interim storage of radioactive waste.
For example, within our project LaMEP, we investigate ageing effects of metal and elastomer seals as well as polymeric neutron shielding materials, which are container components that fulfil major safety functions. The results of the experiments help to understand the long term behaviour of these components. Likewise, our project BRUZL started at BAM in 2018 with the aim of developing a fracture mechanics approach to understand and describe a potential brittle failure mechanism of fuel cladding during long-term interim storage. BAM also contributes to the GRS project “Development of methods and models and international exchange for safety evaluation in the frame of interim storage of radioactive waste”. Additionally, BAM is involved in several international research programmes dealing with extended interim storage, such as the European Joint Programme on Radioactive Waste Management (EURAD), the Extended Storage Collaboration Program (ESCP) and IAEA Coordinated Research Projects.
The present contribution provides a comprehensive overview of BAM research activities contributing to national and international gap analyses and to filling knowledge gaps regarding the safe long term management of radioactive waste.
This publication summarizes the work carried out during an IAEA coordinated research project (CRP) on safe and reliabe management of spent nuclear fuel. This work contributes to the overall goal of demonstrating the performance of spent nuclear fuel and related storage systems components over long durations, and facilitates the transfer of this knowledge to Member States. The technical areas addressed by the CRP participants were related to potential degradation mechanisms in metal casks and concrete overpacks, such as stress corrosion cracking; long term integrity and performance of the fuel cladding; thermo-mechanical behaviour of the metal seals; and long term gamma and neutron shielding capability. The participants also considered past and ongoing demonstration programmes. For each technical topic addressed the main conclusions have been drawn, including information on the development of specific monitoring and inspection techniques as well as future opportunities for closing relevant data gaps. A major achievement is also the establishment of a worldwide network of experts working on current research projects to demonstrate the long term performance of spent fuel in dry storage systems.