3.4 Sicherheit von Lagerbehältern
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Eine Aufgabe des Fachbereichs 3.4 Sicherheit von Lagerbehältern der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) ist es, die Sicherheit von Behältern zur Lagerung von radioaktivem Abfall mit vernachlässigbarer Wärmeentwicklung zu bewerten. Da solche Behälter vor der Entsorgung transportiert und gelagert werden, ist während dieser Zeit ein sicherer Einschluss des radioaktiven Inhalts von größter Bedeutung. Zur Abdichtung dieser Behälter sind Elastomer-O-Ringe weit verbreitet. Um für solche, wie auch für viele andere Anwendungen, eine Voraussage über die Lebensdauer dieser Komponenten treffen zu können, ist es unerlässlich zu verstehen, welchen Einfluss der durch Alterung hervorgerufene Abbau auf Dauer auf die Elastomerdichtungen hat. In einem Langzeittest wurden drei Kautschukarten (EPDM und FKM, die für die Anwendung relevant sind, und HNBR als Vergleich) über mehrere Jahre untersucht. Dabei wurden die Veränderungen der mechanischen Eigenschaften (z. B. Härte und Bruchdehnung) bei vier verschiedenen Alterungstemperaturen (75 °C, 100 °C, 125 °C und 150 °C) sowie das Dichtungsverhalten betrachtet. Um den Einfluss von Vernetzung und Kettenspaltung auf die beobachteten Alterungseffekte zu bestimmen, wurden Messungen zur kontinuierlichen und intermittierenden Druckspannungsrelaxation durchgeführt. Dadurch konnten Erkenntnisse über Kinetik und Mechanismus der Abbaureaktionen
gewonnen werden. Zur Einschätzung des Dichtungsverhaltens wurden Durckverformungsrest und Leckagerate gemessen. Die Ergebnisse zeigen, dass die O-Ringe unter statischen Bedingungen auch dann dicht halten, wenn die Werte für Druckverformungsrest, Druckspannungsrelaxation und mechanische Eigenschaften schon auf einen fortgeschrittenen Alterungsabbau hindeuten. Aus diesem Grund wurde ein modifizierter Dichtigkeitsversuch mit einer geringen und schnellen teilweisen Entlastung der Dichtung entwickelt, mit dessen Hilfe sich ein Lebensdauerkriterium bestimmen lässt, das eine Sicherheitsspanne für thermische Schrumpfung und Vibrationen beinhaltet.
Verbundvorhaben KoBrA: Ausblick zur Umsetzung von Anforderungen in Technische Behälterkonzepte
(2018)
Als Ausblick auf noch ausstehende Arbeiten zum Verbundvorhaben "KoBrA" zur Erfassung nationaler und internationaler Anforderungen und Konzepte für Behälter zur Endlagerung wärmeentwickelnder radioaktiver Abfälle in den potentiellen Wirtsgesteinformationen Kristallin, Ton und Salz werden die grundlegenden Anforderungen und Schutzziele der Endlagerbehälter untersucht und der konzeptionelle Weg von Anforderungen hin zu Konzepten erläutert.
Im Vorhaben "KoBrA" sollen aus bestehenden Anforderungen für endlagerfähige Behälter und aus internationalen Erfahrungen ein aktueller Stand auf dem Gebiet der Behälterforschung für HLW/SF-Behälter ermittelt und generische Vorschläge für HLW/BE-Endlagerbehälterkonzepte in den drei potentiellen Wirtsgesteinen (Kristallin, Ton oder Salz) erarbeitet werden.
Im Vorhaben "KoBrA" sollen aus bestehenden Anforderungen für endlagerfähige Behälter und aus internationalen Erfahrungen ein aktueller Stand auf dem Gebiet der Behälterforschung für HLW/SF-Behälter ermittelt und generische Vorschläge für einen deutschen HLW/BE-Endlagerbehälter in den drei potentiellen Wirtsgesteinen (Kristallin, Ton oder Salz) erarbeitet werden. Im Arbeitspaket 1 wird dafür eine umfassende Literaturrecherche zu internationalen Behälterkonzepten durchgeführt, deren erste Ergebnisse hier präsentiert werden.
Verbundvorhaben "KoBrA"
(2018)
Im Verbundvorhaben "KoBrA" sollen systematisch Randbedingungen, Anforderungen und Konzepte für BE/HLW-Endlagerbehälter in den potentiellen Wirtsgesteinen Kristallin, Ton und Salz gesammelt, zusammengetragen und ausgewertet werden. Am Ende sollen generische Behälteranforderungen und -Konzepte für mögliche endlagerfähige Behälter in Deutschland erarbeitet werden. Hier wird ein Überblick über das gemeinsam mit unseren Partnern von der DBE TEC (jetzt BGE TEC) bearbeitete Gesamtvorhaben mit allen Arbeitspaketen gegeben.
Three-dimensional finite element analysis of O-ring metal seals considering manufacture tolerances
(2019)
Metal seals are widely used in various industrial branches with severe working conditions (e.g. high pressure, high temperature, corrosion, or radioactive radiation). For example, O-ring metal seals are applied in the closure lid system of transport and storage casks for radioactive materials to guarantee an approved specified leak-tightness and the safe enclosure of the radioactive inventory. Within safety assessments of those casks under normal or accident conditions during transport and long-term interim storage for several decades, numerical simulations of the thermo-mechanical behavior of metal seals by using finite element (FE) analyses are suitable and effective.
In general, finite element codes provide the possibility to construct a complex three-dimensional (3D) modelling of metal seals with solid elements, cf., where all components of the metal seals are modeled in detail. This modelling is complex but allows the consideration of underlying physical effects such as elastic-plastic deformation, thermal expansion, creep/relaxation, friction and possible local damage. Therefore, this approach permits the investigation and understanding of the complex behavior of metal seals in detail which can hardly be measured for all seal components.
In a prior work, the complex 3D modelling approach was applied to investigate the influence of each seal component on the global seal force by considering varying material properties and different seal diameters. In the present contribution, the influence of manufacturing tolerances is discussed. At first, the results of prior work are summarized. After that, the manufacturing tolerances of the studied O-ring metal seal types are described and the corresponding FE model with all individual components is introduced. Finally, the influence of varying manufacturing tolerances of each seal component on the global seal force is analyzed and discussed.
German spent nuclear fuel and high level waste is stored in dry conditions in interim storage facilities until a final repository will be ready for operation in the future. Dual purpose casks are used for the packaging of the materials to ensure transportability at any time during long-term interim storage and fulfilling both requirements from interim storage as well as transport. Germany’s 2011 decision to phase out utilization of nuclear energy has led to a high demand for casks for decommissioning power plants as quickly as possible. Cask serial production will continue at a high level for the next few years. In the process, a system of quality assurance measures ensures that every cask reliably complies with design specification according the transport approval certificate and storage license.
When the first casks were manufactured in Germany about 40 years ago, quality assurance was oriented towards pressure vessel and general nuclear manufacturing. The system was continuously adapted to the state of the art. In particular serial production, globalization of manufacturing and deep supplier chains had to be taken into account. The system of quality assurance measures applied today for cask manufacturing shall be presented here.
The quality assurance measures can be categorized as system-related and design-related. With respect to transport regulations for example, they are independently approved and monitored by the competent authority BAM and its authorized inspection experts. The qualification of the applicant is reviewed first in the context of the design approval procedure and then periodically. The qualification of component and cask manufacturers is also checked at the start of manufacturing and then periodically. Before the start of manufacturing documents such as quality plans are pre-assessed. Manufacturing and inspection are then performed according to the pre-assessed documents. Cask manufacturing is completed by a final inspection before commissioning. Periodic inspections during operation ensure preservation of the properties specified in the approval certificate over package life time. The type and the time interval of periodic inspections depend on the use of the package. For transport after interim storage a system of specific tests and inspections is prescribed.
A reliable finite element analysis presupposes a qualified model of the object to be analyzed. The finite element mesh density may significantly vary throughout a model. A transition between dissimilar meshes can be accomplished by a gradual change of element size or by an interface with constraint conditions. Some issues may arise from such mesh transitions. Generally, a finer mesh can transmit signals of higher frequency than a coarser mesh. Stress wave propagation through the model could be affected by the transition region or the artificially induced interface. Stress waves generated within the fine mesh could be partly encapsulated by the surrounding coarse mesh. Therefore poor mesh transitions could result in reflections or shape changes of stress waves. A thin rod is investigated to demonstrate the effects.
This study supports the development of the ASME Guidance Document "Use of Explicit Finite Element Analysis for the Evaluation of Nuclear Transport and Storage Packages in Energy-Limited Impact Events".
Spent fuel storage periods well beyond those originally foreseen are a reality. This publication offers several ideas and approaches that may be considered to address the increasingly longer storage times. The aim is to raise awareness, encourage dialogue and provide ideas on how to manage spent fuel. Key messages include the following:
- Delays in reprocessing or disposal could result in spent fuel being stored for 100 years or longer. Safe, secure and effective storage of spent fuel manages fuel degradation while preserving future fuel cycle options.
- Ageing management programmes apply engineering, operations and maintenance actions to ensure safety is maintained during storage, future handling and transport.
- Site selection and facility and equipment design can significantly reduce the risks and costs of spent fuel storage over longer periods.
- Spent fuel storage configurations can be selected to accommodate uncertain storage periods, to facilitate ageing management and to provide flexibility needed to accommodate the uncertainty of future end points, such as reprocessing or disposal.
- By considering multiple licence renewals, regulatory frameworks can be designed to ensure safe storage until an acceptable end point is achieved.
- Safety can be assured by maintaining shielding, containment, decay heat removal and criticality control. Navigating the complexity of societal beliefs and values, as well as political systems, has proven to be a greater challenge for the management of spent fuel than maintaining its safety and security or addressing the technical and economic aspects.
- Sustainable spent fuel management requires policies and strategies to provide a clear, consistent and stable direction because they drive the need for spent fuel storage as well as the available options and timing for achieving an acceptable end point. Unless States address spent fuel reprocessing and disposal on a sufficient scale to accommodate their spent fuel discharges, then storage for longer and longer periods becomes the de facto end point — which is not considered to be consistent with the responsibility to protect human health and the environment.
An effective, periodic licence renewal process can ensure effective ageing management and strong institutional control. Hence, spent fuel can be safely and securely stored for as long as it may be necessary until transport for reprocessing or disposal. However, the risks and costs of storing the growing inventory of spent fuel will continue to increase; and in the absence of an end point, it will eventually become a significant societal burden.