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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.
Abgeleitet aus den in Teil 3 der „Systemanalyse Konrad“ [1] definierten Lastannahmen für den „untertägigen Anlagenbereich“ müssen Verpackungen, die der Abfallbehälterklasse I (ABK I) mit dem zusätzlichen Merkmal der störfallfesten (sf) Verpackung oder der ABK II zugeordnet werden, gemäß den „Endlagerungsbedingungen, Endlager Konrad“ [2], nach einem „…Fall aus 5 m Höhe auf eine unnachgiebige Unterlage…“ bestimmten Anforderungen genügen.
Eine nähere Beschreibung der Prüfeinrichtung sowie die Definition detaillierter Anforderungen an das Aufprallfundament erfolgen in der „Produktkontrolle, Endlager Konrad“ [3]: „Die Prüfeinrichtung, bestehend aus einer Hebeeinrichtung und einem Fundament ist so zu gestalten, dass der Fall des Prüfmusters in jeder beliebigen Aufprallorientierung aus 5 m Höhe, gemessen von der Unterkante des Prüfmusters zum Fundament, möglich ist. Das Fundament ist aus Beton der Mindestgüte B 35 herzustellen und muss so beschaffen und verankert sein, dass keine Zerstörung in zahlreiche kleinere Bruchstücke erfolgt und keine horizontale Verschiebung des Fundamentes oder seiner Teile auftritt. Maße und Masse des Fundaments müssen so beschaffen sein, dass der Einfluss des Baugrundes unter dem Fundament auf den Aufprallwiderstand vernachlässigbar ist.“
Im Rahmen der Bauartprüfung für Behälter zur Endlagerung radioaktiver Abfälle mit zu vernachlässigender Wärmeentwicklung im Endlager Konrad wird die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) von der Bundesgesellschaft für Endlagerung (BGE) als Sachverständige hinzugezogen und ist in der Regel auch mit der Durchführung der notwendigen Fallprüfungen auf dem Testgelände Technische Sicherheit der BAM (BAM TTS) einschließlich der Bereitstellung der benötigten Prüfeinrichtungen sowie des regelkonformen Aufprallfundamentes beauftragt. Der Prozess, beginnend von der Gewährleistung einer von allen Beteiligten als gültig bewerteten Fallprüfung bis hin zur abschließenden Bewertung und Interpretation der Versuchsergebnisse erfordert dabei u.a. eine sorgfältige Planung und Fertigung der für das Endlager Konrad repräsentativen Fundamentplatte und deren Ankopplung an einen Untergrund im Sinne der „Regulations for the Safe Transport of Radioactive Material“ [4], [5] wie er zum Beispiel auf den beiden Fallversuchsanlagen des BAM Testgelände Technische Sicherheit (BAM TTS) zur Verfügung steht.
Um diese Anforderungen zu erfüllen muss zum einen der Erhalt der Integrität der Fundamentplatte beim Fallversuch durch eine geeignete Auswahl und kraftflussgerechte Anordnung der Stabstahl-Bewehrung sowie deren Verankerung garantiert und damit eine unzulässige Energieaufnahme durch Risse sowie eine unzulässige „… Zerstörung (der Fundamentplatte) in zahlreiche kleinere Bruchstücke …“, wie in [3] gefordert, verhindert werden. Außerdem ist zu gewährleisten, dass der Beton die Anforderungen an die vorgeschriebene Mindestgüte bzw. -festigkeit zum Zeitpunkt der Fallprüfung erfüllt, die Betonfestigkeit jedoch zur Vermeidung unnötig verschärfter Prüfrandbedingungen eine zu definierende Obergrenze nicht überschreitet.
Ausgehend von dem 2009 im Rahmen der KONTEC veröffentlichten Wissensstand [6] präsentiert die BAM im vorliegenden Beitrag die wesentlichen Ergebnisse der zwischenzeitlich bei der Planung und Durchführung von zahlreichen Fallprüfungen gewonnenen Erfahrungen bzgl. Spezifikation und Fertigung der für die Fallversuche notwendigen Fundamentplatten sowie deren Anbindung an den Untergrund. Neben den immer wieder notwendigen Anstrengungen zur Gewährleistung einer im Rahmen der Definition korrekten Betondruckfestigkeit am Tag der Fallprüfung wird die Anpassung der Bewehrungsführung an verschiedene Fallpositionen diskutiert.
Zur Ergänzung des gültigen Regelwerks entsteht parallel zu diesem Dokument eine Fachnotiz, in der BGE und BAM die Vorgaben und Spezifikationen zur regelwerkskonformen Herstellung und Montage von Fundamentplatten für Fallprüfungen im Rahmen der Behälterbauartprüfungsverfahren für das Endlager Konrad zusammenfassen und veröffentlichen werden. Diese Fachnotiz soll detaillierte Vorgaben und Spezifikationen zur Planung, Beauftragung, Herstellung und abschließenden Prüfung eines solchen Fundamentes und dessen Anbindung an den Untergrund enthalten. Damit soll allen beteiligten Organisationen wie Antragstellern, Sachverständigen und BGE ein langfristig verlässlicher Leitfaden im Hinblick auf die Durchführung anforderungsgerechter Fallprüfungen unter definierten und reproduzierbaren Randbedingungen im Rahmen der Bauartprüfungsverfahren für das Endlager Konrad an die Hand gegeben werden.
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.
Testing and numerical simulation of elastomeric seals under consideration of time dependent effects
(2016)
Due to delays in the siting procedure to establish a deep geological repository for spent nuclear fuel and high level waste and in construction of the already licensed Konrad repository for low and intermediate level waste, extended periods of interim storage will become more relevant in Germany. BAM is involved in most of the cask licensing procedures and is responsible for the evaluation of cask-related long-term safety issues. Elastomeric seals are widely used as barrier seals for containers for low and intermediate level radioactive waste. In addition they are also used as auxiliary seals in spent fuel storage and transportation casks (dual purpose casks (DPC)).
To address the complex requirements resulting from the described applications, BAM has initiated several test programs for investigating the behavior of elastomeric seals. These include experiments concerning the hyperelastic and viscoelastic behavior at different temperatures and strain rates, the low temperature performance down to -40°C, the influence of gamma irradiation and the aging behavior.
The first part of the paper gives an overview of these tests, their relevant results and their possible impact on BAM’s work as a consultant in the framework of approval and licensing procedures.
The second part presents an approach of the development of a finite element model using the finite element code ABAQUS®. The long-term goal is to simulate the complex elastomeric behavior in a complete lid closure system under specific operation and accident conditions.