3.4 Sicherheit von Lagerbehältern
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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.
Aging of elastomer O-rings and PE neutron shielding materials for radioactive waste containers
(2021)
Our institution BAM in Berlin, Germany is concerned with research and testing of materials in the context of safety in chemistry and technology. Our working group is involved in the licensing procedures of casks for radioactive waste. Besides, we’re doing research on aging and lifetime prediction of elastomer O-rings and investigate degradation and thermal expansion of PE neutron shielding materials.
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.
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.
The BAM research project BRUZL (Fracture mechanical analysis of spent fuel claddings during long-term dry interim storage) evaluates results of quasi-static Ring Compression Tests (RCT). Due to its simple realisation, the RCT is an established method for characterising the mechanical behaviour of fuel cladding, where a small tube sample is subjected to a compressive load and the relation between load and displacement is obtained. During tests at room temperature, unirradiated ZIRLO® samples with a distinct extend of radial hydrides have shown high susceptibility to sudden, brittle failure at relatively small loads. Hydride morphology and radial hydride metrics have been an integral part of the characterisation of degradation mechanisms of cladding. A software tool for the analysation of metallographic micrographs was developed. The program allows the automated calculation of hydride lengths, detection of continuous hydride structures, their statistical evaluation and visualisation. Numerical models have been established to reproduce experimental RCT results featuring an elastic-plastic material model, which was derived from inverse finite element analyses of as-received RCT samples. A cohesive zone model (CZM) is introduced to the model to reproduce load drops in the linear regime of the load vs. displacement curve. Using a traction-separation approach for the CZM, the cohesive parameters are fitted to match numerical and experimental results yielding the fracture mechanical material properties. Combining the three key aspects hydride morphology, fracture mechanics and RCT stress-state a failure criterion can be established as a result of the BRUZL project.
The project is funded by the Federal Ministry for Economic Affairs and Energy (BMWi) under contract no. 1501561.
The European Joint Programme on Radioactive Waste Management (EURAD) deals in work package (WP) 8 with Spent Fuel Characterization (SFC). Inspired by the EURAD activities, an international Coordinated Research Project (CRP) on SFC was established by the International Atomic Energy Agency (IAEA). The EURAD WP SFC participants are collaborating as a team on the IAEA CRP on SFC. The EURAD WP SFC project is divided into four tasks. Task 3 investigates the behaviour of nuclear fuel and cladding after discharge. The aim of these activities is to understand and describe the evolution of the cladding-pellet system and its ageing under conditions of extended interim storage, transportation and emplacement in a final disposal system. During an IAEA consultancy meeting, BAM as leader of Task 3 reported on the current status of the research work.
The main task of the division "Safety of Storage Containers" at BAM is the safety assessment of storage containers for radioactive waste. A sufficient sealing of bolted lid systems for the safe containment of the waste for transport, storage and disposal is very important. Extensive knowledge of the change of the elastomer’s properties during ageing and the availability of reliable end-of-lifetime criteria is mandatory to guarantee long term safe enclosure.
In a long-term test programme over 5 years we have studied the degradation and the change of sealing properties of several elastomers, including EPDM, at four different ageing temperatures (75 °C, 100 °C, 125 °C and 150 °C). Compression stress relaxation (CSR) and compression set (CS) experiments were carried out. It has been found that when the data does not cover a sufficient time frame necessary for the evolution of the degradation of a chosen property, a curvature in the Arrhenius relationship is observed. For CSR, the curvature was observed for samples aged up to 186 days. As for CS experiments, the curvature was detected for sample aged up to 2 years. To cover the possible lack of experimental long-term data at low temperatures, a numerical model for CSR was developed and longer ageing times for the simulation were adopted. A degradation-rate based model for the evolution of degradative processes is proposed. The main advantage of the model is the possibility to quickly validate the interpolation at lower temperatures within the range of slower chemical processes without forcing an Arrhenius straight-line extrapolation. The model was also applied to CS experiments and validated by the 5 years experimental results where the curvature was gone, and the degradation property has followed an Arrhenius relationship. In the figure the contribution of the two degradative processes are shown over CS and CSR respectively.
During an extensive test programme at the Bundesanstalt für Materialforschung und prüfung, material property changes of EPDM O-rings were investigated at different ageing times and an ageing temperature of 125 °C. To exclude possible diffusion limited oxidation (DLO) effects that can distort the data, IRHD micro hardness measurements were performed over the cross-section of compressed O-rings. Continuous stress relaxation measurements were conducted on samples free of DLO effects. The additional effect of physical processes to irreversible chemical ones during a long-term thermal exposure is quantified by the analysis of compression set measurements under various test conditions. By combining the different experimental methods, characteristic times relative to the degradation processes were determined. On the basis of experimental data, a microphysically motivated model that takes into account reversible and irreversible processes was developed. The parameter identification strategy of the material model is based on our experimental investigations on homogeneously aged elastomer O-rings. The simulated results are in good agreement with the experiments.