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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.
For the realization of a sustainable energy economy, it is of great importance to develop CO2 -neutral methods producing multi-carbon organic chemicals used as feedstock in the chemical industry as well as carbon-neutral fuels. A promising method to alleviate the greenhouse effect and thereby forming value-added chemicals or syngas as an energy carrier, is through the electrochemical CO2 reduction reaction (CO2RR). In this work, a bioelectrotechnological approach is developed, in which the CO2RR reaction products (CO and H2) are directly fed to bacteria (acetogens), who use them as “reduction equivalents” to further metabolize CO2 to valuable carbon compounds. Therefore, a bio-electrochemical system consisting of a bioreactor coupled to a CO2 electrolysis cell will be established. Currently, scarce catalysts such as Ag and Au are used as for the CO2RR which may hamper the use of decentral CO2 conversion technology for cost reasons.
The technological viability of the bacteria-assisted electrolysis depends on the usage of efficient, biocompatible, and selective electrocatalysts prepared from inexpensive precursors. Porous transition metal and nitrogen co-doped carbons (M-N-Cs) have emerged as precious-metal free electrocatalysts for the direct electrochemical reduction of CO2 into CO and are excellent candidates for scale-up and deployment in technological applications. Furthermore, Co/Ni/Zn functioning as the catalytically active sites will be used, as they are expected to depict non-bactericidal properties in contrast to Cu and Ag catalysts. The non-bactericidal property could e.g., allow for application within the hybrid device (bio-electrochemical system), without the need to separate bacteria and cathode catalyst. The MNCs with the most promising electrocatalytic activity and selectivity will be evaluated in abiotic conditions in the hybrid bio-electrochemical reactor system.
Update on Work and Meetings in Germany about the Spent Fuel Behavior for Transport and Storage
(2018)
The presentation gives an update about the work on the spent fuel behavior for transport and storage in Germany. Recent developments and meetings are discussed. In this context the results of the hot cell tests on fuel rod segments performed at JRC in Karslruhe in collaboration with BAM are shown. Furthermore, a new research project about the investigations on potential brittle failure of cladding materials under long-term dry interim storage conditions, which is currently starting at BAM 3.4 is presented.
Im Zusammenhang mit den Untersuchungen zu den Möglichkeiten von gekühlten Transporten von Lithiumbatterien werden unterschiedliche Zerstörungsmethoden vorgestellt und diskutiert. Insbesondere wird dabei das neu entwickelte Nageltool und die vorläufigen Untersuchungen für den Einfluss von Ultratiefkühlung auf unbeschädigte Lithiumbatterien vorgestellt.
Heizöllagerbehälter aus Kunststoffen (z.B. Polyethylen) sind für einen sicheren Betrieb von 30 Jahren, dem Zeitraum der Produkthaftung, ausgelegt. Die Tankhersteller empfehlen zur Gewährleistung der Sicherheit nach Ablauf von 30 Jahren den Ersatz dieser Behälter. Kunststoffe unterliegen im Laufe ihrer Nutzungsdauer der Alterung durch die Veränderung ihrer Eigenschaften. Das Ausmaß der Alterung und die Art des Abbauvorganges hängen im Wesentlichen vom chemischen Abbau des Kunststoffes, der Wanddicke des Behälters und den Umgebungsbedingungen ab. Aufgrund der Komplexität der Alterungsvorgänge sind Aussagen zum Langzeitverhalten bzw. zur Lebensdauer der Heizöllagerbehälter ohne geeignete Langzeitprüfungen problematisch. Bisher liegen keine Untersuchungen zum Langzeitverhalten der Kunststoffe vor, insbesondere nach einer Nutzungsdauer über 20 Jahre. In der BDH-Broschüre: Effiziente Systeme und erneuerbare Energien wird darauf hingewiesen, dass ca. 45 % der Heizöllagerbehälter aus Kunststoffen in Deutschland 26 Jahre und älter sind. Viele dieser Tankanlagen sind zudem noch nie von einem Sachverständigen überprüft worden. Schätzungen gehen davon aus, dass mehr als 10.000.000 Tankanlagen aus Kunststoffen in Deutschland vor 1987 errichtet wurden.
Ziel der Untersuchungen ist, den Schädigungsgrad der Kunststoffe im Vergleich zu den unbelasteten Werkstoffen zu ermitteln. Da die BAM bis Ende der 80-iger Jahre für die Zulassung dieser Behälter zuständig war, sind die Daten über den eingesetzten Werkstoff für den Vergleich noch vorhanden. Der Bundesverband Lagerbehälter e.V. und das Institut für Wärme und Oeltechnik (IWO) befürworten diese Untersuchungen, um eine Überalterung der Tankanlagen zu vermeiden. Diese Überalterung könnte die zukünftige Gefahr für die Heizöltankanlage sein, nicht der Wettbewerb mit anderen Energieformen.
Heizöllagerbehälter aus Polyethylenformstoffen werden seit Beginn der 70-iger Jahre in Deutschland hergestellt. Die Hersteller empfehlen zur Gewährleistung der Sicherheit nach Ablauf von 30 Jahren den Ersatz dieser Behälter. Polyethylenformstoffe unterliegen im Laufe ihrer Nutzungsdauer der Alterung durch die Veränderung ihrer Eigenschaften. Das Ausmaß der Alterung und die Art des Abbauvorganges hängen im Wesentlichen vom chemischen Abbau des Polyethylens, der Wanddicke des Behälters und den Umgebungsbedingungen ab. Bisher lagen keine Untersuchungen zum Langzeitverhalten der Polyethylenformstoffe vor, insbesondere nach einer Nutzungsdauer der Tanks über 30 Jahre. Ziel der Untersu-chungen war, den tatsächlichen Schädigungsgrad der Polyethylenformstoffe im Vergleich zu den unbelasteten Formstoffen zu ermitteln. Da die BAM bis Mitte der 90-iger Jahre für die Prüfungen und Gutachten zur Zulassung dieser Behälter zuständig war, sind die Werkstoffdaten noch vorhanden.
Als Untersuchungsmethoden wurden die Bestimmung der Schmelze-Masse-Fließrate (MFR) und die Fourier-Transformation-IR-Spektroskopie (FTIR) von Tankausschnitten aus dem Bereich des Bodens, des Mantels und des Daches von 10 ausgesonderten Behältern aus den Polyethylenformstoffen A und B herangezogen. Die Messungen der MFR der Tankaus-schnitte aus diesen Bereichen zeigten Unterschiede in den Werten in Abhängigkeit vom Ge-wicht (5 kg oder 21,6 kg), welches eingesetzt wurde. Eine Abnahme der MFR-Werte wurde für die größere Anzahl der Tankwandungsausschnitte aus dem Formstoff B nach einer Lebensdauer der Tanks > 30 Jahre gemessen. Dieser Formstoff wurde hauptsächlich durch innere Alterung infolge Vernetzungen, Verzweigungen und Weichmacherverlust und weniger durch oxidativen Abbau geschädigt. Die FTIR-Messungen der Proben aus dem Bereich des Bodens und des Mantels der Tanks zeigten, dass die Intensität der asymmetrischen/symmetrischen CH2 -Streckschwingungen im Bereich: 2800 - 2900 cm-1 und der CH2 -Biegeverformungsschwingung bei 1400 cm-1 aufgrund von Kettenspaltungen zugenommen haben. Die Intensität der Carbonylstreckschwingung C=O bei 1740 cm-1 ist niedrig. Sie ist ein Maß für die Oxidation des Polymerwerkstoffes.
Transport von defekten Lithiumbatterien - die BAM setzt die Vorschriften des internationalen Gefahrguttransportrechts für defekte Lithiumbatterien um. Um die Kompetenz hierfür sicherzustellen, bedarf es eigener Forschungstätigkeit. Auch im zuständigen UN Gremium werden Untersuchungen durchgeführt, an denen die BAM beteiligt ist.
Germany had been transporting spent fuel to the reprocessing plant in Sellafield and La Hague for decades until around 2005. Resulting from the obligation to take back the vitrified high-level waste from reprocessing six CASTOR® HAW28M filled with 168 canisters with radioactive waste in vitrified form were transported from Sellafield to the interim storage facility Biblis in 2020. Rail wagons were used for the transport to the port in Barrow-in-Furness, where they were loaded into a dedicated seagoing vessel, certified as INF Class 3 according to the INF Code. This was the first time that vitrified high level waste with considerable heat load was transported under a German design approval certificate.
BAM was involved in the authority assessment of the conditions for the sea transport. For the first transport BAM required among others, assessment of temperature distribution during transport, logging of temperatures of cargo bays and graphical imaging of temperatures of the bay with the cask in order to ensure compliance with temperature specifications, e.g. maximal neutron absorber and gasket temperatures. Special interest was taken in the identification of possible events exceeding the specified temperatures considering the different philosophies of IMDG code and its supplement INF code regarding temperature control of hatches. Results show compliance with assumed conditions.
Hydrogen pressure vessels are among the most essential components for reliable hydrogen technology. Under current regulations, a mostly conservative strategy is employed, restricting the usage time of hydrogen pressure vessels without providing information on the real remaining lifetime. During the service life, pressure vessels are inspected periodically. However, no established method that can provide continuous monitoring or information on the remaining safe service life of the vessel. In this paper, we propose a sensor network for Structural Health Monitoring (SHM) of hydrogen pressure vessels where data from all sensors are collected and centrally evaluated. Specifically, we integrate three different SHM sensing technologies namely Guided Wave ultrasonics (GW), Acoustic Emission testing (AT), and distributed Fiber Optic Sensing (FOS). This integrated approach offers significantly more information and could therefore enable a transition from costly and time-consuming periodic inspections to more efficient and modern predictive maintenance strategies, including Artificial Intelligence (AI)-based evaluation. This does not only have a positive effect on the operational costs but enhances safety through early identification of critical conditions in the overall system in real-time. We demonstrate an experimental set-up of a lifetime test where a Type IV Composite Overwrapped Pressure Vessel (COPV) is investigated under cyclic loading instrumented with AT, FOS, and GW methods. We acquired data from the sensor network until the pressure vessel failed due to material degradation. The data collected using the three different SHM sensor technologies is planned to be evaluated individually, using data fusion, and AI. In the future, we aim to integrate the measurement setup into a hydrogen refueling station with the data stream implemented into a digital signal processing chain and a digital twin.
The BAMline at the synchrotron X-ray source BESSY II (Berlin, Germany) is supporting researchers especially in materials science. As a non-destructive characterization method, synchrotron X-ray imaging, especially tomography with hard X-Rays, plays an important role in structural 3D characterization. The imaging capabilities allow for in-situ and operando experiments. In this presentation the equipment, data handling pipeline as well as various examples from material science are presented.
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.
A preliminary analysis has been presented on the advantages for Mexico to migrate the cargo from trucking to railways. While the approach is highly unrealistic, it describes interesting figures that should animate the interest of Mexico to develop its railway infrastructure. Adverse situations due to the topographic characteristics of the mostly populated area of Mexico. The data presented in this paper suggest that the building of railway infrastructure is economically feasible.