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.
Recovery is an important measure for seal applications representing to which extent the elastomer regains its initial shape after deformation and release of an applied force. Compression set (CS) indicates the degree of recovery. Ethylene propylene diene rubber (EPDM) was aged at 75 ◦C, 100 ◦C, 125 ◦C and 150 ◦C for different ageing times up to five years and compression set measurements were performed at different times after disassembly and after additional tempering. Short- and long-term recovery up to one year after release for samples aged at 125 ◦C and 150 ◦C was also studied. To assess the curvature in the Arrhenius diagram that may occur due to non-sufficiently aged specimens, a degradation-rate based model was fitted to the CS data after tempering. For each ageing temperature, two decay fit functions were proposed, each with an activation energy and a corresponding degradative process. The influence of ageing on the leak-tightness after fast small partial release is investigated and estimated through the analysis of the shift factors from time temperature superposition (TTS) of CS measurements at different times after disassembly. Shift factors of CS measurement after 1 s and after additional tempering are in good agreement.
THz and mid IR spectroscopy of high-molecular PE (HMW) and ultra high-molecular PE (UHMW) reveals modifications of the molecular structure. Characteristic absorption bands are changed if the two materials are exposed by γ-Co60 radiation up to 600 kGy and subsequently stored at an annealing temperature of 398 K until for 729 days.
The thermal expansion of polymeric parts can be an issue in many applications where the available space is limited, or exact dimensions of the part are required. For this study, a device was designed and built that allowed measuring the thermal expansion simultaneously in all three spatial directions on cubic samples with real-scale dimensions (78 mm edge length). The results are shown between 25 °C and 125 °C for two PE materials, one HMWPE and one tempered UHMWPE, for non-irradiated samples as well as cubes that have been irradiated with 100 and 400 kGy. The results measured with the new device were very similar to those measured with conventional thermo-mechanical analysis equipment and to literature data of UHMWPE. The HMWPE material shows a much larger thermal expansion coefficient in one direction compared to the other two directions during the first heating due to frozen stresses from the pressing step during material manufacturing. These stresses are mostly released by the expansion during the first heating, so that the expansion during the second heating is more uniform. The overall volumetric expansion is the same for both heating runs. By contrast, the tempered UHMWPE material shows no significant difference between first and second heating run, as the stresses from processing could already relax in the tempering step. The irradiation treatment does not affect the values significantly for the given test set-up.
Metal seals of O-ring form are often used in lid-systems of transport and storage casks for radioactive waste in Germany. To investigate their mechanical behaviour, three dimensional (3D) finite element (FE) models were created using solid elements for all of the seal components. The material behaviour of each component is described with a unified static elastic-plastic material model. The total strain is defined as the sum of linear elastic strain and plastic strain with power-law hardening. The model was carefully validated by comparison of Simulation results with experimental results. The influence of material fluctuation of each seal component due to varying properties and the sensitivity of different seal diameters on the seal force are analysed and discussed.
The results show that the material properties of helical spring have major influence on seal force and that the influence of seal diameters is negligible small in the studied range. This is very important to use the test results from seals with small diameter for the assessment of seal behaviour with larger diameter as used in transport and storage cask.