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Organisationseinheit der BAM
Verschlussbauwerke sind für die untertägige Endlagerung im Salzgestein als eine wichtige technische Barriere vorgesehen. Diese Bauwerke müssen hohen Anforderungen an Sicherheit und Integrität genügen, weshalb im Projekt SealWasteSafe Werkstofftechnik, Prüfverfahren und Überwachungsmethoden für sichere Verschlussbauwerke verbessert werden. Dabei zeigen die untersuchten alkaliaktivierten Materialien (AAM) langsamere Reaktionskinetik bei der Erhärtung im Vergleich zu Salzbeton, was potenziell geringere Rissbildung erwarten lässt. Die Erhärtung wird an Probekörpern (100-300 l) multisensorisch über einen Zeitraum von mindestens 28 Tagen überwacht. Die Parameter Temperatur und Feuchtigkeit werden einerseits kabelgebunden, andererseits mittels drahtloser Radio Frequency Identification (RFID)-Technik aufgezeichnet. Zusätzlich kommen Schallemissionsmessungen sowie Dehnungsmessungen mittels verteilter faseroptischer Sensorik (FOS) zum Einsatz. Die Überwachung zeigt verschiedene Charakteristika beim Erhärten der Materialien mit geringerer Temperaturentwicklung des AAM. Zusätzlich werden Ultraschallmessungen genutzt, um Einbauteile und Störstellen wie Risse und Delaminationen im Rahmen der Qualitätssicherung am Probekörper und am Verschlussbauwerk zu detektieren. Dafür werden sowohl ein Ultraschallmesssystem mit großer Apertur (LAUS) als auch eine Ultraschall-Bohrlochsonde eingesetzt. Durch Erhöhung des Schalldrucks und Schallfeldbündelung im Beton wird die Aussagekraft der von der Bohrlochsonde aufgezeichneten Messsignale verbessert, was in Modellierungen und ersten Labortests gezeigt werden kann. Die Auswertung der Ultraschallmessungen zeigt das große Potenzial der Methode mit Eindringtiefen bis zu 9 m, wobei anspruchsvolle Abbildungsverfahren zu einer verbesserten Abbildung der internen Strukturen führen. Insgesamt verbessern die im Projekt SealWasteSafe entwickelten Materialien und Methoden die Möglichkeiten für sichere Verschlussbauwerke nuklearer Endlager. Obwohl die Konzepte speziell für Bauwerke im Salzgestein entwickelt werden, sind sie partiell gut auf andere Wirtsgesteine übertragbar.
Zerstörungsfreie Prüfmethoden für Verschlussbauwerke nuklearer Endlager im Projekt SealWasteSafe
(2022)
Für die sichere Einlagerung von radioaktiven oder toxischen Abfällen kommen im Salzgestein technische Barrieren in Form von untertägigen Verschlussbauwerken zum Einsatz. Aufgrund der hohen Anforderungen an Sicherheit und Integrität dieser Verschlussbauwerke werden umfangreiche zerstörungsfreie Prüfmethoden zur Überwachung und Qualitätssicherung verwendet. Im BAM-Projekt SealWasteSafe werden Werkstofftechnik, Prüfverfahren und Überwachungsmethoden für sichere Verschlussbauwerke in Endlagern verbessert. Dabei wird der bisherige Salzbeton mit dem innovativen alkaliaktivierten Material (AAM) mit langsamerer Reaktionskinetik bei der Erhärtung und somit potenziell geringerer Rissbildung verglichen. Im Labormaßstab werden Probekörper mit Volumina von 100-300 l multisensorisch ausgestattet und somit die Zuverlässigkeit und Widerstandsfähigkeit der Sensoren gegenüber der hochalkalischen Umgebung nachgewiesen. Durch das Monitoring wird der Abbindevorgang des Betons überwacht und die Materialien über einen Zeitraum von mehreren Wochen charakterisiert. Dabei werden die Parameter Temperatur und Feuchtigkeit einerseits verkabelt als auch mittels drahtloser Radio Frequency Identification (RFID)-Technik aufgezeichnet. Zusätzlich kommen Schallemissionsmessungen sowie Dehnungsmessung mittels verteilter faseroptischer Sensorik (FOS) zum Einsatz. Das multisensorische Überwachungssystem wird durch aktive Ultraschallmessungen ergänzt, die durch die Detektion von Rissen, Delaminationen oder anderen Störstellen eine Qualitätssicherung der Verschlussbauwerke ermöglichen. Dafür werden sowohl ein Ultraschallsystem mit großer Apertur (LAUS) als auch eine Ultraschall-Bohrlochsonde eingesetzt. Durch Erhöhung des Schalldrucks und Bündelung der Schallsignale im Beton wird die Aussagekraft der von der Bohrlochsonde aufgezeichneten Messsignale verbessert, was in Modellierungen und ersten Labortests gezeigt werden kann. Die Auswertung der Ultraschallmessungen erfolgt mit auf Diffraktionssummation beruhenden Migrationsverfahren wie Kirchhoff-Tiefenmigration und Synthetic Aperture Focusing Technique (SAFT), die Abbildungen vom Inneren der Probekörper erzeugen. Insgesamt verbessert das Projekt SealWasteSafe mithilfe innovativer Multisensorik und Ultraschallmethodik die Überwachungs- und Qualitätssicherungskonzepte für sichere Verschlussbauwerke nuklearer Endlager.
New materials and innovative monitoring for safe sealing structures in underground repositories
(2022)
Within the project SealWasteSafe, we advance construction materials and monitoring concepts of sealing structures applied for underground disposal of nuclear waste. As these engineered barriers have high demands concerning integrity, an innovative alkali-activated material (AAM) is improved and tested on various laboratory scales that is highly suitable for the application in salt as a host rock. This AAM has a low reaction kinetics related to a preferential slow release of the heat of reaction in comparison to alternative salt concretes based on Portland cement or magnesium oxychloride cements. Hence, crack formation due to thermally induced strain is reduced. A comprehensive multi-sensory monitoring scheme is developed and investigated to compare the setting process of AAM and salt concrete for manufactured specimens (100-300 l). The analysed parameters include temperature and humidity of the material, acoustic emissions, and strain variations recorded by fiber optic cables. Passive sensor systems based on radiofrequency identification technology (RFID) embedded in the concrete allow for wireless access and are compared to conventional cabled systems for temperature and humidity measurements. Furthermore, ultrasonic methods are used for quality assurance to detect obstacles, potential cracks and delamination. Field layout and applied imaging techniques are optimised to enhance the image quality. To characterise the inside of the test engineered barrier and achieve a proof-of-concept, an ultrasonic borehole probe is developed to allow for phased arrays that can further improve the detection of potential cracks. Modelling results and first analysis of half-spherical specimen prove the reliability of the directional response caused by the phased arrays of the newly constructed ultrasonic borehole probe. Overall, the project SealWasteSafe improves the construction material, multi-sensory monitoring concepts and ultrasonics for quality assurance. Particularly for salt as a host rock, this will help to develop safe sealing structures for nuclear waste disposal.
The proposed BAM project SealWasteSafe will advance the state of the art for the construction and monitoring of safe sealing systems for underground repositories of radioactive or toxic waste. During this project, a novel salt concrete exhibiting neither significant cracking nor shrinkage will be optimized for use in the sealing systems. The composition of this material will be based on alkali-activated materials, which are characterized by particularly small thermal deformations during the hardening reaction. Quality assurance and continuous monitoring systems developed during this project will be demonstrated not only for high reliability, but also for resistance to highly alkaline environments and to water intrusion along cables or at sensor locations. A variety of sensors will be used in combination with wireless Radio Frequency Identification (RFID) technology to record moisture, temperature, and, if necessary, corrosion activity within the sealing system. Distributed Fibre Optic Sensor (FOS) technology will also be used for strain, temperature, and moisture content measurement. Ultrasound-based measuring methods will be utilized for the detection of cracks and delaminations. Additionally, digital image correlation and acoustic emission analysis will be used for deformation measurements and crack detection. A novel borehole probe and advanced ultrasound imaging techniques will be further developed to track cracks and delaminations within the host rock in 3D. The surface-based Large Aperture Ultrasound System (LAUS) will also be utilized to detect cracks and delaminations deep below the exterior surface of the sealing system. Although the focus of this project will be on the host rock salt, the resulting technologies will be intentionally developed in a way that facilitates their adaptation to other host rocks.
This poster provides an overview of ultrasonic investigations of an engineered test barrier at ERAM Morsleben, which were completed as part of contractual work with the Bundesgesellschaft für Endlagerung mbH (BGE). This includes both experiments with the Large Aperture Ultrasound System (LAUS) and the ultrasonic borehole array. Also included in the poster is a description of the planned BAM thematic project “SealWasteSafe”. In particular, the proposed geopolymer materials are described and future research requirements are detailed.