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The prevention of brittle fracture of spent fuel claddings during long-term dry interim storage is based on experimental investigations, numerical analyses and assessment methods for predicting the mechanical behavior and determining limiting conditions. The ring compression test (RCT) is an established experimental method for characterizing cladding material. Test results for various high-burnup pressure water reactor zirconium-based fuel cladding alloys (e.g., ZIRLO®, M5®) are publicly available. To reduce the effort associated with irradiated samples in hot cells, it is helpful to perform studies on unirradiated surrogate cladding material. Based on such experimental data, load-displacement curves were numerically analyzed for selected cladding materials. In the presence of radial hydrides, a sample may suddenly fail by fracture even at small deformations. Noticeable load drops in the RCT occur associated to unstable crack propagation through the radial hydride network. The failure mechanism is quasi-cleavage in the hydrides and micro-void nucleation, growth, and coalescence in the zirconium matrix, with ductile tearing patches connecting neighboring hydrides. The failure process was simulated by cohesive zones controlled by the fracture energy and the cohesive strength. A modeling approach is presented in which the radial hydride morphology is taken into account. Based on the developed fracture mechanics approach with cohesive zone modeling, not only the deformation behavior but also the failure behavior of irradiated as well as unirradiated claddings with radial hydrides under RCT loading conditions can be adequately described.
Task 3 of Work package 8 (Spent Fuel Characterization) of the European Joint Programme on Radioactive Waste Management (EURAD) investigates the behaviour of nuclear fuel and cladding after discharge. The aim of the work is to understand and describe the be-haviour of spent nuclear fuel (SNF), irradiated cladding, fuel/cladding chemical interaction (FCCI) and ageing under conditions of extended interim storage, transportation and em-placement in a final disposal system. BAM contributes to the project as partner and leads Task 3. The presentation gives an overview of the project status, main achievements in experimental work and modelling studies, deviations from the plan, delays and challenges ahead.
The European Joint Programme on Radioactive Waste Management (EURAD) is working on Spent Fuel Characterization (SFC) in its work package (WP) 8. Inspired by the EURAD activities, the International Atomic Energy Agency (IAEA) established an international Coordinated Research Project (CRP) on SFC. The EURAD WP SFC
participants are collaborating as a team on the IAEA CRP on SFC. The EURAD WP SFC project consists of 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. At a Consultancy Meeting, BAM as contributor to Task 3 presented current results of the failure analysis of irradiated ZIRLO® claddings under conditions of the Ring Compression Test.
Beginning in 1976 the former iron ore mine Konrad was geologically investigated concerning its suitability as a location for a German final repository for low and intermediate level waste. After a comprehensive licensing procedure it was approved and is now being prepared and equipped for the planned start of storage in 2027. At the end of the 1980s, the requirements for waste containers for storage in this repository were defined for the first time on the basis of an incident analysis of the on-site handling procedures, beginning with the unloading of the packages after the arrival at the site up to the final positioning in the underground storage galleries. A 5-meter drop onto the rock ground of the mine was identified as the covering case for high mechanical requirements (ABK II container class). In contrast to the 9-meter drop according to the IAEA Regulations for the Safe Transport of Radioactive Material, the 5-meter drop is performed onto a hard but not essentially unyielding target. The container is typically not protected by an impact limiter. The requirements for a potential test facility are described in the regulations for the Konrad repository. The mechanical strength of the target is defined as a concrete strength equivalent to the identified properties of the rock ground of the mine.
Since 1991 BAM has consistently used precast reinforced concrete slabs as target for drop tests in the framework of licensing procedures as well as in research projects. While the original design fulfilled the requirement for the integrity of the concrete slab in most cases, it failed when drop tests onto an edge of a container were performed. A redesigned concrete slab developed in a research project and suggested as a reference target in 2009 has been successfully used in Konrad licensing procedures since then.
The paper gives a brief overview of the historical development and it describes BAM’s efforts and approaches to continuously guarantee a concrete slab of defined quality and to provide a test setup for valid drop tests from the applicants and the authorities view.
The prevention of brittle fracture of spent fuel claddings during long-term dry interim storage is based on experimental investigations, numerical analyses and assessment methods for predicting the mechanical behavior and determining limiting conditions. The ring compression test (RCT) is an established experimental method for characterizing cladding material. Test results for various high-burnup pressure water reactor zirconium-based fuel cladding alloys (e.g., ZIRLO®, M5®) are publicly available. To reduce the effort associated with irradiated samples in hot cells, it is helpful to perform studies on unirradiated surrogate cladding material. Based on such experimental data, load-displacement curves were numerically analyzed for selected cladding materials. In the presence of radial hydrides, a sample may suddenly fail by fracture even at small deformations. Noticeable load drops in the RCT occur associated to unstable crack propagation through the radial hydride network. The failure mechanism is quasi-cleavage in the hydrides and micro-void nucleation, growth, and coalescence in the zirconium matrix, with ductile tearing patches connecting neighboring hydrides. The failure process was simulated by cohesive zones controlled by the fracture energy and the cohesive strength. A modeling approach is presented in which the radial hydride morphology is taken into account. Based on the developed fracture mechanics approach with cohesive zone modeling, not only the deformation behavior but also the failure behavior of irradiated as well as unirradiated claddings with radial hydrides under RCT loading conditions can be adequately described.
Task 3 of Work package 8 (Spent Fuel Characterization) of the European Joint Programme on Radioactive Waste Management (EURAD) investigates the behaviour of nuclear fuel and cladding after discharge. The aim of the work is to understand and describe the behaviour of spent nuclear fuel (SNF), irradiated cladding, fuel/cladding chemical interaction (FCCI) and ageing under conditions of extended interim storage, transportation and emplacement in a final disposal system. BAM contributes to the project as partner and leads Task 3. The presentation gives an overview of the project status, main achievements in experimental work and modelling studies, deviations from the plan, delays and challenges ahead.
The European Joint Programme on Radioactive Waste Management (EURAD) is working on Spent Fuel Characterization (SFC) in its work package (WP) 8. Inspired by the EURAD activities, the International Atomic Energy Agency (IAEA) established an international Coordinated Research Project (CRP) on SFC. The EURAD WP SFC participants are collaborating as a team on the IAEA CRP on SFC. The EURAD WP SFC project consists of 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. At the Second Research Coordination Meeting on Spent Fuel Characterization, BAM as leader of Task 3 reported on the status of the research work.
Es werden Methoden zur sicherheitstechnischen Bewertung des mechanischen Verhaltens von Brennstabhüllrohren entwickelt, um sprödes Versagen in Belastungsszenarien nach längerfristiger trockener Zwischenlagerung zu verhindern. Unbestrahlte Brennstabhüllrohrsegmente aus der Zirkoniumlegierung ZIRLO® wurden hydriert und thermomechanischen Behandlungen unterzogen, um Hüllrohrmaterial durch Ausscheidung radialer Hydride zu verspröden. Die Proben mit radialen Hydriden wurden im Ring Compression Test (RCT) bei Raumtemperatur untersucht. Bereits bei kleinen Probenverformungen wurden abrupte Kraftabfälle mit instabiler Rissausbreitung durch das Netzwerk radialer Hydride beobachtet. Die Risslängen erreichten in einigen Fällen bis zu 90 % der Wanddicke. Der mikromechanische Versagensmechanismus ist Quasi-Spaltbruch in den Hydriden und Porenbildung, -wachstum und -vereinigung in der Zirkoniummatrix an den duktilen Brücken zwischen benachbarten Hydriden. Es wurde ein Finite-Elemente-Modell des Ring Compression Tests erstellt, um das Versagensverhalten zirkoniumbasierter Legierungen mit radialen Hydriden im RCT zu analysieren. Die Fließkurve für das elastisch-plastische Materialmodell des Matrixmaterials wurde durch eine inverse Finite-Elemente-Analyse ermittelt. Kohäsivzonenmodelle wurden benutzt, um die plötzlichen Kraftabfälle zu reproduzieren. Es wurde ein mikromechanisches Modell mit statistisch generierten Matrix-Hydrid-Verteilungen entwickelt, das zwischen sprödem Versagen entlang der Hydride und duktilem Versagen der Zirkoniummatrix in der Kohäsivzone unterscheidet. Für das jeweilige Materialverhalten wird ein lokales zweiparametriges Versagenskriterium auf Grundlage der Kohäsionsfestigkeit und der Separationsenergie bei einer festgelegten Form des Kohäsivgesetzes vorgeschlagen. Geeignete Kohäsivparameter lassen sich mit einer inversen Finite-Elemente-Analyse des Versagensverhaltens von hydrierten Proben im Ring Compression Test bestimmen. In den Simulationen lag der Schwerpunkt auf dem ersten Kraftabfall. Die Berechnungsergebnisse stimmen gut mit den RCT-Ergebnissen überein. Es konnte gezeigt werden, dass die Rissinitiierung und -ausbreitung stark von der speziellen Anordnung der radialen Hydride und Matrixbrücken in der Bruchzone abhängt. Die numerische Modellbildung wurde an Versuchen mit bestrahlten Proben aus der Zirkoniumlegierung M5® validiert.
The general aim of this research is the development of methods for predicting mechanical behavior and identification of limiting conditions to prevent brittle failure of high-burnup (HBU) pressure water reactor (PWR) fuel cladding alloys. A finite element (FE) model of the ring compression test (RCT) was created to analyze the failure behavior of zirconium-based alloys with radial hydrides during the RCT. An elastic-plastic material model describes the zirconium alloy. The stress-strain curve needed for the elastic-plastic material model was derived by inverse finite element analyses. Cohesive zone modeling is used to reproduce sudden load drops during RCT loading. Based on the failure mechanism in non-irradiated ZIRLO® claddings, a micro-mechanical model was developed that distinguishes between brittle failure along hydrides and ductile failure of the zirconium matrix. Two different cohesive laws representing these types of failure are present in the same cohesive interface. The key differences between these constitutive laws are the cohesive strength, the stress at which damage initiates, and the cohesive energy, which is the damage energy dissipated by the cohesive zone. Statistically generated matrix-hydride distributions were mapped onto the cohesive elements and simulations with focus on the first load drop were performed. Computational results are in good agreement with the RCT results conducted on high-burnup M5® samples. It could be shown that crack initiation and propagation strongly depend on the specific configuration of hydrides and matrix material in the fracture area.
A state-of-the-art (SOTA) review on characterisation of spent nuclear fuel (SNF) properties in terms of source term and inventory assessment (neutron, gamma-ray emission, decay heat, radionuclide inventory, elemental content) and in terms of out-of-core fuel performance (cladding performance and fuel integrity in view of the safety criteria for SNF interim storage, transport and canister packaging) using several numerical and experimental approaches and methodologies is presented. This SOTA report is a result of the spent fuel characterisation (SFC) work package as part of the European Joint Programme on Radioactive Waste Management (EURAD), which offers an overview of the status of knowledge in the field of SNF characterisation and assessment during the pre-disposal phase. The document aims to focus on the current safety-significant gaps and related challenges, providing a direct link to the goals of the mandated actors of EURAD. The report is expected to be used by all EURAD colleagues in their national programmes as a key resource for knowledge management programmes and to contribute to demonstrating and documenting the state-of-the-art.
A Memorandum of Understanding (MOU) between Argonne National Laboratory (Argonne) and the German Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) was signed in October 2014. Its objectives are to promote cooperation among scientists and specialists at Argonne and BAM and establish a framework for collaboration in advanced technologies associated with the back end of the nuclear fuel cycle. Collaborative activities involving Argonne and BAM may be implemented through the promotion of joint research activities and scientific workshops and conferences; exchange of technical information; and visits by scientists, specialists, and graduate, postgraduate, and Ph.D. students. The MOU was renewed in January 2020 for another five years. Highlights of the progress and achievements are provided in identified topical areas for collaboration on ageing management guidance, storage, transportation and disposal R&D, joint conference activities, and conclude with the benefits of the MOU in fostering Argonne and BAM collaboration.
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.
Abgeleitet aus den in Teil 3 der „Systemanalyse Konrad“ 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“, 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“: „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“ 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 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 purpose of this paper is to investigate the relationship between hydride morphology, in particular the presence of radial hydrides (RHs), stress state and failure mechanisms associated with the ring compression test (RCT). Samples of ZIRLO®cladding were pre-hydrided and subjected to thermo-mechanical treatments to precipitate long radial hydrides. The results show that the reorientation treatment was very successful. A considerable fraction of RHs was generated, the radial hydride continuity factor being around 80 to 90% of the wall thickness. The samples with reoriented hydrides were tested using the RCT at room temperature. Macroscopic brittle failure was observed with sudden load drops for displacements around 0.5 mm, with a calculated “offset strain”between 0.5 and 1%. Crack nucleation occurs in RHs located in regions with the highest values of hoop stress. These locations are the inner diameter of cladding at the vertical plane of the sample (12 and 6 o’clock positions) and the outer diameter at the horizontal plane (3 and 9 o’clock positions). Noticeable load drops in the RCT are associated with unstable crack propagation events through the radial hydride network, the crack front reaching up to 90% of the wall thickness in some cases. The failure micro-mechanism is quasi-cleavage in the hydrides and micro-void nucleation, growth and coalescence in the Zr matrix, with ductile tearing patches connecting neighboring hydrides. The main conclusion is that radial hydride metrics is not the only parameter that determines cladding failure in the presence of RHs, but the interaction between the location and continuity of RHs and the stress normal to the hydride (the hoop stress in this case). Consequently, if a radial hydride is located at a position within the cladding where the hoop stress is small, a crack will not be initiated easily in the RCT.
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 characterization of spent fuel and radioactive waste is essential in the evaluation of the ability of these materials to meet acceptance criteria. Prior to determining a method for spent fuel characterization, it is necessary to identify the type of data required to support safety and other analyses for the storage, transportation and final disposal of spent fuel. BAM’s understanding and capabilities in the field of spent fuel characterization are presented for the scope of a coordinated research project on the topic.
Embrittlement of spent fuel claddings during long-term dry interim storage - Current approach at BAM
(2019)
The integrity of fuel rods and cladding tubes must be demonstrated throughout the dry interim storage of spent nuclear fuel in Germany. For at least a relevant number of casks, an extension of interim storage between 40 and 100 years is foreseeable. The drying procedure for the fuel rods in conjunction with the thermomechanical storage conditions may change the microstructure of the cladding tubes and lead to their possible embrittlement. The failure probability might increase under mechanical load by handling procedures (transport after storage) on potentially embrittled cladding tubes of fuel rods especially at low temperatures after long-term storage. Results of ring compression tests on unirradiated pre-hydrided as well as irradiated samples with radial hydrides are investigated by finite element analyses to be able to describe the failure process and to identify failure criteria.
In order to demonstrate the safety of both spent fuel and the storage system, a good understanding of the processes that might cause deterioration is required. The International Atomic Energy Agency (IAEA) continued the coordinated research on Spent Fuel Performance Assessment and Research (SPAR) into a fourth phase starting in 2015 to evaluate fuel and materials performance under wet and dry storage and to assess the impact of interim storage on associated spent fuel management activities (such as handling and transport). BAM’s understanding and experiences in the field of long-term storage of spent fuel and especially spent fuel characterization are presented to assist the preparation of the final project report.
Embrittlement of spent fuel claddings during long-term dry interim storage - Current approach at BAM
(2019)
In this presentation, the actual situation of long-term dry interim storage of spent nuclear fuel in Germany is reported. An extension of the interim storage period between 40 and 100 years for at least a relevant number of casks is foreseeable. To demonstrate the integrity of fuel rods and cladding tubes throughout the extended dry interim storage, a potential cladding embrittlement should be investigated. The current approach at BAM is a research project on experimental and numerical investigations of sudden failure of unirradiated pre-hydrided cladding tubes after hydride reorientation at small deformation under Ring Compression Test conditions. A fracture mechanics based failure analysis and suggested failure criteria for a potential brittle failure of spent fuel claddings after long-term dry interim storage under mechanical loads are discussed.
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".