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Elastomer seals are widely used as barrier seals in containers for low and intermediate level radioactive waste and in some countries for spent fuel transportation casks. Depending on the area of use, the rubber materials have to demonstrate proper sealing performance with regard to mechanical, thermal and environmental conditions as well as irradiation during the entire operation period.
In Germany the low and intermediate level radioactive waste is planned to be disposed in the Konrad repository in standardized containers. Many of these containers use an elastomer seal between lid and container body. Depending on the radiactive inventory and a possible containment of the waste in inner barrels and/or concrete structures, such containers may require a specific leak tightness. In such cases, specified leakage rates are shall not be exceeded by the the seals to keep potential activity releases from the inventories well below defined limits.
Generally, all waste containers have to fulfill the waste acceptance criteria for the Konrad repository as defined by the reports BfS SE-IB-29/08 and SE-IB-30/08. From these criteria several requirements for seal performance are derived. The seals have to:
- ensure full functionality until final container disposal,
- maintain its function in case of a thermal or mechanical accident,
- ensure encapsulation also at -20 °C.
This combination of requirements is challenging especially as a seal exchange, which is typical for many other applications, is hardly possible and thus a sound understanding of how to perform safety evaluation of containers is required. Therefore BAM has initiated investigations on elastomer seal behaviour. This work focuses on low temperature behaviour and sealing performance concerning static conditions as well as partial loss of compression and ageing of elastomer seals. Concerning ageing, property changes caused by long-term thermooxidative conditions as well as gamma irradiation are investigated.
This contribution presents an overview and explanation of the aims of the ongoing research and gives an update of the most relevant results.
Der Vortrag vermittelt einen Überblick über internationale Forschungsaktivitäten im Hinblick auf zukünftig deutlich zu verlängernde Zwischenlagerzeiträume für bestrahlte Brennelemente. Ausgehend von der aktuellen Entsorgungssituation werden die relevanten Fragestellungen skizziert. Davon ausgehend werden die FuE-Aktivitäten der IAEA vorgestellt sowie die wichtigsten Themen beim Extended Storage Collaboration Program (ESCP) in den USA. Schließlich wird das "European Joint Programme on Radioactive Waste Management and Disposal“ kurz vorgestellt und werden die nationalen Initiativen auf diesem Sektor diskutiert.
Elastomers show a high versatility which makes them ideal materials for sealing applications in various fields. Especially under changing application conditions the high recovery potential of this class of material is beneficial to compensate temperature or pressure fluctuation, and geometrical changes resulting from mechanical loads in e.g. accident conditions. Out of these reasons elastomers are also used in containers for low and intermediate level radioactive waste and for spent fuel transportation casks. In casks designed for low and intermediate level waste elastomer seals can act as primary seal responsible for the containment function whereas in spent fuel storage and transportation casks (dual purpose casks (DPC)) elastomer seals are used as auxiliary seals to allow leakage rate measurements of metal barrier seals. An inherent prerequisite for this kind of application is the Long time-scale of operation without or with limited possibility of seal replacement. In Germany an interim storage license for DPC`s is typically issued for 40 years, a timeframe which might increase in the future due to challenges of the final repository siting procedure. For low and intermediate level waste, also long time periods are required before final disposal can be achieved. Therefore, the performance of elastomer seals over extended time periods is, as for other applications, of high importance.
A typical approach to ensure long-term functionality is to perform accelerated aging tests to calculate an estimated lifetime by assuming e.g. Arrhenius like equations for the timetemperature relationship. This approach requires a suitable end of life criterion considering the application of interest. This often can represent a challenge on its own.
As BAM is involved in most of the cask licensing procedures and especially responsible for the evaluation of cask-related long-term safety issues we initiated several test programs for investigating the behavior of elastomer seals. Experiments concerning the low temperature performance down to -40 °C and the influence of gamma irradiation have been started first.
Currently the thermal aging behavior of elastomer seals, which is the topic of this contribution, is examined. For our aging investigations we use a broad approach to first determine the property changes in different elastomer materials due to thermo-oxidative aging at elevated temperatures and secondly, we test how the typical methods of lifetime extrapolation can be applied to these results. This Approach enables us to detect and exclude undesired side effects which very often influence lifetime estimations. In this contribution, our recent results are extended. The results show that lifetime estimation based on single material properties can be misleading and therefore a combination of several methods is recommended.
In Germany spent nuclear fuel is stored and transported in casks that possess bolted lid systems equipped with double jacket metal seals of Helicoflex® type in order to enable safe enclosure of the radioactive inventory. A dry interim storage period of 40 years was planned and the casks are licensed for that time span. However, due to political reasons and delayed disposal projects this time span is expected to increase significantly. It is therefore necessary to evaluate the long-term sealing behavior of the casks exceeding 40 years of operating time. In this paper, we discuss our approach to investigate the aging behavior of such metal seals, and to predict the long-term sealing behavior.
Accelerated aging component tests with seals are performed at temperatures up to 150°C to investigate the course of seal force, useable resilience and leakage rate. Even though these tests have already shown a significant decrease in seal force and useable resilience after aging times of less than 1 year, for most seals the leakage rate stayed better than the specified value. However, observation of the leakage rate has to be continued to determine the aging effect on the seal properties. As a main influence on the seal long-term behavior the increasing permanent deformation of the outer jacket has been recognized. It is made of aluminum or silver which means that the temperatures that are relevant for the aforementioned application in casks lead to creep deformation.
For further investigation of seal behavior a comprehensive research program concerning the material characteristics and aging behavior of the individual seal components, with an emphasis on the outer jacket material, has been launched. The aim is to get a better understanding of the time and temperature dependent creep mechanisms and deformation. The examinations are separated into tests on seal segments and tests on standardized specimen.
In order to be able to study the aging process, seal segments are compressed in flanges and stored at temperatures ranging from room temperature to 150°C. After defined time intervals the segments are analyzed by using standardized tests including structure investigation and creep tests. The results are compared with the behavior of the specimen basic raw material. This is done to ensure comparability of the thin jacket material and additional sheet material used for standardized tests. Thus, the prediction of component changes after different aging times at different temperatures can be made. As a result forecasts on the long term seal behavior are intended.
Due to delays in the siting procedure to establish a deep geological repository for spent nuclear fuel and high level radioactive waste as well as in construction of the already licensed Konrad repository for low and intermediate level radioactive waste, extended periods of interim storage become more relevant in Germany. BAM is involved in most of the cask licensing procedures and especially responsible for the evaluation of cask-related long-term safety issues.
The long-term performance of elastomer seals for lid systems of transport and storage casks, whether used as auxiliary seals in spent fuel casks or as primary seals for low and intermediate level waste packages, is an important issue in this context. The polymeric structure of these seals causes a complex mechanical behavior with time-dependent sealing force reduction.
The results of a comprehensive purpose-designed test program consisting of basic compression and tension tests as well as relaxation tests on unaged specimens of representative types of elastomers (fluorocarbon rubber (FKM) and ethylene propylene diene rubber (EPDM)) at different temperatures and strain rates are presented. They were used to identify the constitutive behavior and to obtain parameters for finite element material models provided by the computer code ABAQUS®. After estimating the influence of uncertainties such as Poisson’s ratio and friction coefficient by sensitivity analyses, the chosen parameters had to prove their suitability for the finite element simulation of the specimen tests themselves.
Based on this preliminary work the simulation of a specific laboratory test configuration containing a typical elastomer seal with circular cross section is presented. The chosen finite element material model and the implemented parameters had to show that they are able to represent not only the specimen behavior under predominantly uniaxial load but also the more complex stress states in real components. Deviations between the measured and calculated results are pointed out and discussed.
For the consideration of long-term effects in the simulation of elastomer behavior, test results of aged specimens are needed. First information about a new test program, started recently and planned to provide these data, are given.
The Bundesanstalt für Materialforschung und –Prüfung (BAM) runs an investigation program on the long-term behavior of multi-component metal seals. Such seals are used in a wide area of applications including transport and storage casks for spent nuclear fuel and high level radioactive waste.
The seal function is mainly based on the compression of the inner helical spring, which generates the necessary seal force to keep the sealing surfaces in close contact. This in turn leads to a plastic deformation of the outer jacket of the seal, comprised of highly ductile aluminum or silver that adapts to the sealing surfaces of cask body and bolted lid, thus providing high Level leak tightness. In Germany, those casks are licensed for Interim storage periods of up to 40 years or more if extended Interim storage would become necessary before a final repository is available. Thus, the sealing performance has to be evaluated, including factors like elevated temperature due to decay heat or mechanical loads due to transport under normal as well as accident conditions. Long-term investigations at BAM have been running over the last nine years to identify and evaluate the seal performance by measuring the remaining seal force, the useable resilience and the leakage rate after various time intervals at temperatures ranging from room temperature up
to 150 °C. It was found that the seal force and useable resilience decrease with time and temperature, caused by creep deformation of the outer jacket. In order to obtain an analytical description for the seal behavior and to achieve more information on the material behavior under application conditions a comprehensive investigation program with Focus on aluminum as outer jacket material was launched. The program includes material investigations such as compression and tension creep tests with representative basic materials. An additional test setup allows for the continuous measurement of the remaining seal force at temperatures of up to 150 °C. Furthermore, seal segments are compressed and stored in heating chambers, thus producing segments at different stages of the aging process. The segments are investigated regarding the development of the contact area width, jacket thickness and microstructural changes. This data will be used to develop material models and an analytical description of the time and temperature dependent long-term sealing behavior. This paper explains the current status of gained test results and modelling approaches and closes with an outlook to the future Project plans.
Die Verfügbarkeit von Behältern für die Entsorgung nicht Wärme entwickelnder radioaktiver Abfälle im Endlager Konrad stellt ein wesentliches Element des nationalen Entsorgungskonzeptes für diese Abfallart dar. Grundlage für die Verfügbarkeit geeigneter Behälter sind typspezifische Bauartprüfungen, auf deren Grundlage eine Eignungs-feststellung in Form eines Prüfzeugnisses durch die Bundesgesellschaft für Endlagerung mbH (BGE), vormals Bundesamt für Strahlenschutz (BfS), erfolgt. Die Prüfgrundlagen sind in den durch das BfS (heute BGE) veröffent-lichten „Anforderungen an endzulagernde radioaktive Abfälle“ (Endlagerungsbedingungen) sowie der zugehörigen „Produktkontrolle radioaktiver Abfälle, radiologische Aspekte“ (PK) verankert. Die Eignungsfeststellung für eine Be-hälterbauart ist gleichzeitig die Grundlage für eine Behälterserienfertigung entsprechend den im Prüfzeugnis veran-kerten Spezifikationen und Randbedingungen.
Mit den Gesetzen zur Neuordnung der Organisationsstruktur im Bereich der Endlagerung (Mitte 2016) und zur Neuordnung der Verantwortung in der kerntechnischen Entsorgung (Mitte 2017) mit der Finanzierung des Kern-energieausstiegs wurden wesentliche Weichenstellungen im Hinblick auf den anstehenden Rückbau der bereits stillgelegten und in den kommenden Jahren noch stillzulegenden deutschen Kernkraftwerke vorgenommen. Bezüg-lich der nicht Wärme entwickelnden radioaktiven Abfälle führt dies zu einer spürbaren Intensivierung der Anstren-gungen zur Bereitstellung qualifizierter Gebinde für das Endlager Konrad, das nach aktueller Planung bis 2027 sei-nen Einlagerungsbetrieb aufnehmen soll. Dies wiederum führt zu einer erheblichen Verdichtung der Verfahren zur Behälterbauartprüfung, die allen Seiten (Antragsteller, BGE, Gutachter) erhebliche Anstrengungen abfordert.
Die Bundesanstalt für Materialprüfung und –forschung (BAM) ist auf Grundlage des Kap. 7 der o. g. „Produktkon-trolle …“ (PK) von der BGE mit den Behälterbauartprüfungen für das Endlager Konrad beauftragt. Hierbei ist eine Vielzahl von Anforderungen zu berücksichtigen, wozu neben den Anforderungen an Abfallbehälter gemäß Kap. 5 der Endlagerungsbedingungen weitere Anforderungen an die Verpackung (Kap. 3.2.2 PK), Kenngrößen (Kap. 3.5.1 PK) und schließlich die eigentliche Prüfung von Behältern/Verpackungen zählt (Kap. 7 PK). Letzteres beinhaltet die umfassende Behälterbeschreibung und –spezifikation, die Behälterauslegung, die thermischen und mechanischen Baumusterprüfungen (z.B. Brand- und Fallprüfungen), und schließlich die qualitätssichernden Maßnahmen für Her-stellung und Betrieb der Behälter. Neben der klassischen Bauartprüfung neuer Behältertypen spielt auch die Prü-fung bereits hergestellter Behälter, sog. Altbehälter, eine wesentliche Rolle, da sich etliche tausend Gebinde bereits in der Zwischenlagerung befinden und nach Möglichkeit für das Endlager Konrad qualifiziert werden sollen.
Dieser Beitrag berichtet aktuell über den Umfang und Stand der laufenden Bauartprüfungen bei der BAM unter Be-rücksichtigung der besonderen Herausforderungen und der zuletzt erzielten Fortschritte. Dabei erfordert die paral-lele Bearbeitung der zahlreichen Verfahren einen verstärkten Koordinierungsbedarf hinsichtlich vergleichbarer fach-licher Aspekte sowie hinsichtlich Priorisierung und Ressourceneinsatz. Bei den experimentellen Nachweisen (Fall- und Brandversuche) betrifft das hinsichtlich der Nutzung der Versuchseinrichtungen bei der BAM die Koordination mit anderen Prüfaufträgen, wie z. B. verkehrsrechtliche Baumusterprüfungen. Schließlich erfordern diverse Fach-fragen zur Interpretation der Anforderungen aus Endlagerungsbedingungen und Produktkontrolle intensive Abstim-mungsprozesse zwischen BAM, BGE und Antragstellern. Wichtige Ergebnisse mit übergeordneter Bedeutung wer-den in Form erläuternder Fachnotizen durch die BGE veröffentlicht und können so bei zukünftigen Antragsverfahren berücksichtigt werden.
Die Verfügbarkeit von Behältern für die Entsorgung nicht Wärme entwickelnder radioaktiver Abfälle im Endlager Konrad stellt ein wesentliches Element des nationalen Entsorgungskonzeptes für diese Abfallart dar. Grundlage für die Verfügbarkeit geeigneter Behälter sind typspezifische Bauartprüfungen, auf deren Grundlage eine Eignungs-feststellung in Form eines Prüfzeugnisses durch die Bundesgesellschaft für Endlagerung mbH (BGE), vormals Bundesamt für Strahlenschutz (BfS), erfolgt. Die Prüfgrundlagen sind in den durch das BfS (heute BGE) veröffent-lichten „Anforderungen an endzulagernde radioaktive Abfälle“ (Endlagerungsbedingungen) sowie der zugehörigen „Produktkontrolle radioaktiver Abfälle, radiologische Aspekte“ (PK) verankert. Die Eignungsfeststellung für eine Behälterbauart ist gleichzeitig die Grundlage für eine Behälterserienfertigung entsprechend den im Prüfzeugnis verankerten Spezifikationen und Randbedingungen.
Mit den Gesetzen zur Neuordnung der Organisationsstruktur im Bereich der Endlagerung (Mitte 2016) und zur Neuordnung der Verantwortung in der kerntechnischen Entsorgung (Mitte 2017) mit der Finanzierung des Kern-energieausstiegs wurden wesentliche Weichenstellungen im Hinblick auf den anstehenden Rückbau der bereits stillgelegten und in den kommenden Jahren noch stillzulegenden deutschen Kernkraftwerke vorgenommen. Bezüg-lich der nicht Wärme entwickelnden radioaktiven Abfälle führt dies zu einer spürbaren Intensivierung der Anstren-gungen zur Bereitstellung qualifizierter Gebinde für das Endlager Konrad, das nach aktueller Planung bis 2027 sei-nen Einlagerungsbetrieb aufnehmen soll. Dies wiederum führt zu einer erheblichen Verdichtung der Verfahren zur Behälterbauartprüfung, die allen Seiten (Antragsteller, BGE, Gutachter) erhebliche Anstrengungen abfordert.
Die Bundesanstalt für Materialprüfung und –forschung (BAM) ist auf Grundlage des Kap. 7 der o. g. „Produktkon-trolle …“ (PK) von der BGE mit den Behälterbauartprüfungen für das Endlager Konrad beauftragt. Hierbei ist eine Vielzahl von Anforderungen zu berücksichtigen, wozu neben den Anforderungen an Abfallbehälter gemäß Kap. 5 der Endlagerungsbedingungen weitere Anforderungen an die Verpackung (Kap. 3.2.2 PK), Kenngrößen (Kap. 3.5.1 PK) und schließlich die eigentliche Prüfung von Behältern/Verpackungen zählt (Kap. 7 PK). Letzteres beinhaltet die umfassende Behälterbeschreibung und –spezifikation, die Behälterauslegung, die thermischen und mechanischen Baumusterprüfungen (z.B. Brand- und Fallprüfungen), und schließlich die qualitätssichernden Maßnahmen für Her-stellung und Betrieb der Behälter. Neben der klassischen Bauartprüfung neuer Behältertypen spielt auch die Prü-fung bereits hergestellter Behälter, sog. Altbehälter, eine wesentliche Rolle, da sich etliche tausend Gebinde be-reits in der Zwischenlagerung befinden und nach Möglichkeit für das Endlager Konrad qualifiziert werden sollen.
Dieser Beitrag berichtet aktuell über den Umfang und Stand der laufenden Bauartprüfungen bei der BAM unter Be-rücksichtigung der besonderen Herausforderungen und der zuletzt erzielten Fortschritte. Dabei erfordert die paral-lele Bearbeitung der zahlreichen Verfahren einen verstärkten Koordinierungsbedarf hinsichtlich vergleichbarer fach-licher Aspekte sowie hinsichtlich Priorisierung und Ressourceneinsatz. Bei den experimentellen Nachweisen (Fall- und Brandversuche) betrifft das hinsichtlich der Nutzung der Versuchseinrichtungen bei der BAM die Koordination mit anderen Prüfaufträgen, wie z. B. verkehrsrechtliche Baumusterprüfungen. Schließlich erfordern diverse Fach-fragen zur Interpretation der Anforderungen aus Endlagerungsbedingungen und Produktkontrolle intensive Abstim-mungsprozesse zwischen BAM, BGE und Antragstellern. Wichtige Ergebnisse mit übergeordneter Bedeutung wer-den in Form erläuternder Fachnotizen durch die BGE veröffentlicht und können so bei zukünftigen Antragsverfahren berücksichtigt werden.
For the long-term storage of spent nuclear fuel and other high-Level radioactive waste, dual purpose casks for the transportation and storage are widely used. Usually, these casks consist of a thick-walled monolithic cask body and a bolted double barrier lid System equipped with metal seals (consisting of an inner helical spring and two outer metal layers with a total cross-section diameter between 5 and 10 mm) to ensure the long-term safe confinement of the radioactive inventory.
Based on analytical and experimental studies, such metallic Systems have been qualified of storage periods of up to four decades so far as long as proper manufacturing and assembling conditions are met. More than 20 years of Operation experience with a permanently increasing number of casks has shown full compliance with the expectations.
In the meantime many countries have to face a significant delay of establishing a high-level radioactive waste repository what leads to Need for extending interim storage periods for probably 60, 80 or 100 years.
For that reason the long-term performance of metal seals for such time periods is of specific internst to demonstrate their sufficient safety function and specific investigations have already been launched, e.g. by BAM, to gain more experimental data and to develop validated models to extrapolate the seal performance to longer periods of time and or requested temperature levels.
Suitable containers for receiving high-level radioactive waste are a key elements of every repository system concerning different host rocks like rock salt, claystone and crystalline rock as being considered in Germany. The disposal container design is decisive regarding boundary conditions for the transport, emplacement techniques, and the operational and long-term safety assessment. The systematic derivation of the requirements to be placed on disposal containers forms the basis for a targeted, comprehensible and transparent development of containers that meet the requirements. The presentation summarizes the outcomes of the research project KoBrA.