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Cylindrical casks made of ductile cast iron are used for transport, interim storage and final disposal of radioactive waste in Germany. A basic design criterion is the ability to withstand a horizontal drop without impact Binders onto a foundation representative for the real ground of a storage facility. The increasing use of more cost-effective material compositions requires optimized cask geometries to reduce stresses and strains in the cask structure. For example, a non-uniform wall thickness was introduced to reduce maximum wall bending stresses. As a result, the load characteristics changed from line load to point load at bottom and lid side under horizontal drop fest conditions. Hereby, the position of highest stress inside the structure has shifted significantly. This was the reason for a systematic investigation of effects caused by small design changes or small variations of fest conditions. It led to a better understanding of the positions of high local stresses, their time history and maximum value for cylindrical casks under horizontal drop test conditions. Hence, the paper presents the lessons learnt from modeling and simulating such scenarios considering an impact without limiters onto a realistic target.
Finite element analysis (FEA) has been carried out for investigation of damping concrete under different impact loading conditions with a built-in material model and damage criteria available in FEA code ABAQUS.
At first, all parameters for the selected material model had been derived from compression Tests of cubic specimens. After that, a validation was carried out with different static and dynamic penetration tests. Finally, a 5 meter real drop test with a 23 Mg cylindrical cask could successfully be simulated.
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.
Zur numerischen Simulation von Transport- und Lagerbehältern für radioaktive Stoffe unter mechanischen Unfallbedingungen sind geeignete
Materialmodelle und zugehörige Parametersätze für alle relevanten Behälterbauteile und den Aufpralluntergrund sowie gegebenenfalls für weitere am Störfall beteiligte Komponenten erforderlich.
Sie bilden eine wesentliche Grundlage um für unterschiedliche Belastungsvarianten und Temperaturen zuverlässige Berechnungsergebnisse zu ermitteln, die umfangreiche experimentelle Erprobungen zumindest in Teilen ersetzen und damit einen zentralen Bestandteil von sicherheitstechnischen Nachweisen in gefahrgut- und atomrechtlichen Zulassungs- und Genehmigungsverfahren bilden können. Für die Auslegung der Behälter von besonderer Bedeutung ist die Effizienz der eingesetzten energieabsorbierenden Elemente, wie beispielsweise Stoßdämpfer am Behälterdeckel oder -boden bzw. äquivalente Strukturen auf oder im Fundament von Zwischen- und Endlagern.
Diese Bauteile, die häufig aus Holz, Polyurethan (PU) - Schaum oder Dämpferbeton hergestellt werden, erfahren beim Auf- oder Anprall erhebliche plastische Deformationen, deren Verteilung und Größenordnung u.a. von der Belastungsgeschwindigkeit, dem Belastungsverlauf und der Temperatur bestimmt werden. Die Berücksichtigung dieser Faktoren in dynamischen Finite Elemente (FE) Berechnungen, die den heutigen Stand der Simulationstechnik repräsentieren, setzt eine systematische Datenbasis für den stoßdämpfenden Werkstoff voraus und die Implementierung dieser Informationen in numerischen Materialformulierungen.
An der BAM wird seit Ende 2008 im Rahmen des vom BMBF geförderten Forschungsvorhabens ENREA (Entwicklung rechnerischer Analysemethoden für stoßdämpfende Strukturen beim Anprall oder Absturz von Abfallgebinden) die experimentelle Bestimmung derartiger Daten sowie die Anpassung und teilweise Neuentwicklung geeigneter Materialmodelle betrieben.
Up to the end of this decade, corresponding to the planned date of starting operation in the final disposal KONRAD for non-heat generating waste in Germany, a lot of efforts are needed to condition and package the radioactive waste in containers certified by BfS (Federal Institute for Radiation Protection). This waste is produced by public sector and industry as well as nuclear energy facilities, which result in more than a half of the actually declared quantity growing especially after the phase out decision of nuclear power production in Germany and the subsequent decommissioning of nuclear power plants. BAM (Federal Institute for Materials Research and Testing) acts as responsible authority on behalf of BfS for design testing under consideration of the KONRAD requirements. Within the assessment procedure of containers, BAM has to verify the application documents, including material qualification, container geometry, corrosion protection, leakage rate and operational and accidental loading, and to evaluate quality assurance measures. Besides the previous completed approvals for various containers such as steel sheet and cast iron box-shaped containers and concrete cylindrical ones, BAM is actually carrying assessments for other types such as cast iron cylindrical containers and “old” steel sheet box shaped ones. The so called “old” containers present already loaded containers without any KONRAD certification, currently stored at licensed interim storages. In the benefit of the container assessment, BAM operates design testing facilities for drop and fire tests which are also used for research objectives to improve and expand the evaluation methods such as research project ConDrop. The latter deals with numerical simulations and analyses tools for further precise predictions about unfavorable drop test scenarios, safety margins, and design sensitivities for steel sheet containers. Furthermore, during the assessment procedure, several specifications about the containers, the inventory to be disposed and the required safety level have been intensely debated by authorities and applicants. Based on its experience in qualifying containers, BAM has been commissioned to identify insufficiently specified aspects in the waste acceptance criteria and to propose clearer definitions with regard to the secondary regulations in the planning approval notice. This paper focuses on aspects of the contribution of BAM in certifying KONRAD waste containers. This will include the current state of design testing procedures, evaluation methods that are available or are being developed and the main topics within the KONRAD requirements being actually specified by BAM.