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Eingeladener Vortrag
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Entsprechend der Zielsetzung des Vorhabens stand die weitere Etablierung des Werkstoffes Sphäroguß (GGG-40) im Bereich der Transport- und Lagerbehälter für radioaktive Stoffe im internationalen Rahmen im Vordergrund der durchgeführten Untersuchungen und Aktivitäten. Dabei gelang es, eine weitgehende fachliche Übereinstimmung hinsichtlich der Bewertungsmethoden und -kriterien zu erzielen und auf IAEA-Ebene zu etablieren. Zuvor vorhandene Vorbehalte insbesondere auf U.S.-amerikanischer Seite konnten wesentlich vermindert werden.
Im Rahmen der durchgeführten Untersuchungen konnte die außerordentliche Belastbarkeit eines Prototypbehälters aus Sphäroguß (CASTOR VHLW) unter extremen Beanspruchungssituationen nachgewiesen werden. So war selbst bei Spannungen im Bereich der Material-Streckgrenze und vorhandenem rißartigen Fehler an dieser Stelle keine Sprödbruchneigung des Werkstoffes erkennbar. Den entsprechenden 14 m-Fall auf zwei harte Widerlager mit daraus folgender hoher Biegebeanspruchung überstand der Behälter unbeschadet.
Mittels begleitender Werkstoffuntersuchungen wurden die Kenntnisse über die Zusammenhänge zwischen der chemischen Zusammensetzung der Gefügeausbildung und den mechanischen Eigenschaften von Sphäroguß erweitert. Dabei wurden sowohl unterschiedliche Gießverfahren (Sand- und Kokillenguß) in der Herstellung als auch die Auswirkungen von Umwandlungsprozessen im Gefüge infolge von Wärmebehandlungen diskutiert. Die statistische Auswertung von Einzelergebnissen im Rahmen der Qualitätssicherung bei der Begutachtung von Transport- und Lagerbehältern für radioaktive Stoffe wurde durch mechanische und bruchmechanische Untersuchungen an 24 Werkstoffsorten aus Gußeisen mit Kugelgraphit ergänzt.
Insgesamt konnten somit die Entwicklung und der Einsatz von Sphäroguß für Transport- und Lagerbehälter radioaktiver Stoffe durch umfangreiche experimentelle und analytische Untersuchungen sowie zahlreiche Fachdiskussionen auf internationaler Ebene positiv beeinflußt und wesentlich vorangetrieben werden.
Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurde von der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung ein Begutachtungskonzept auf bruchmechanischer Basis für sog. Typ B(U)-Behälter aus Sphäroguß zum Transport und zur Lagerung radioaktiver Stoffe entwickelt, siehe dazu Abschlußbericht und Fachband 4. Zur Verifizierung des erarbeiteten Konzeptes wurden sowohl Fallversuche an einem Prototypbehälter, siehe Fachband 2, als auch umfangreiche Werkstoffuntersuchungen durchgeführt, siehe Fachband 3. Um jedoch die experimentellen Untersuchungen sinnvoll aufeinander abzustimmen, bedurfte es der Erarbeitung der entsprechenden theoretischen Grundlagen, welche Gegenstand dieses Fachbandes sind. Dabei wird das für die Berechnung gewählte Behältermodell erläutert und werden die im Hinblick auf unterschiedliche Fallsituationen erzielten Berechnungsergebnisse diskutiert. Diese dienten u.a. dazu, bestimmte Versuchsergebnisse (z.B. maximale Spannungen am Behälter) im Voraus abzuschätzen, um die für die bruchmechanischen Untersuchungen erforderlichen Versuchsparameter zweckmäßig einzustellen. Weiterhin weist der vorliegende Fachband in knapper Form auf die wesentlichen Grundlagen der relevanten Bereiche der Bruchmechanik sowie der Sprödbruchanalyse hin. Insbesondere der Fachband 4 beinhaltet hierzu weitergehende Details, die im Rahmen internationaler Fachdiskussionen auf IAEA-Ebene unter Mitwirkung der BAM als Stand von Wissenschaft und Technik gelten können.
Zur Beurteilung der Eignung des Werkstoffes "Sphäroguß" (GGG 40) für Behälter zum Transport und zur Lagerung radioaktiver Stoffe unter bruchmechanischen Gesichtspunkten wurden im Rahmen dieses Forschungsvorhabens umfangreiche Versuche mit einem Prototypbehälter im Originalmaßstab durchgeführt.
Aufbauend auf die theoretischen Grundlagen und Berechnungsergebnisse (siehe Fachband 1 des Vorhabensberichtes) wurden gezielt Fallversuche durchgeführt mit dem Ziel einer Verifizierung der theoretischen Betrachtungen. So wurden zunächst 2 Fallversuche aus 9 m Höhe mit dem Prototypbehälter mit Stoßdämpfern durchgeführt und die Ergebnisse mit den SCANS-Berechnungen (siehe Fachband 1) verglichen.
Eine zweite Falltestserie mit dem Behälter ohne Stoßdämpfer auf zwei harte Widerlager führte zu erheblich verschärften Beanspruchungsbedingungen. Zusätzlich wurde der Behälter im Bereich maximaler Zugbeanspruchung mit einem rißartigen künstlichen Fehler versehen, so daß ein Festigkeitsnachweis unter bruchmechanischen Gesichtspunkten durchgeführt werden konnte. Mit den Ergebnissen dieser zweiten Falltestserie wurden sowohl das bruchmechanische Begutachtungskonzept (siehe Fachband 4) als auch die bruchmechanischen Festigkeitseigenschaften des Versuchsbehälters demonstrativ überprüft. Die Versuchsberichte 1507/I und 1507/II beinhalten die detaillierte Darstellung und Dokumentation der Ergebnisse zu allen durchgeführten Fallversuchen.
Gußeisen mit Kugelgraphit und ferritischer bzw. ferritisch-perlitischer Matrix gehören zu einer Werkstoffgruppe, die ausreichende Festigkeiten mit hohen Duktilitäten verbindet. Mit der vorliegenden Arbeit wurden die Kenntnisse über die Zusammenhänge zwischen der chemischen Zusammensetzung, der Gefügeausbildung und den mechanischen Eigenschaften erweitert. Dabei wurden sowohl unterschiedliche Gießverfahren (Sand- und Kokillenguß) in der Herstellung, als auch die Auswirkungen von Umwandlungsprozessen im Gefüge infolge von Wärmebehandlungen diskutiert. Die statistische Auswertung von Einzelergebnissen aus der qualitätssichernden Begutachtung von Lager- und Transportbehältern für radioaktive Stoffe wurden durch mechanische und bruchmechanische Untersuchungen an 24 Werkstoffsorten aus Gußeisen mit Kugelgraphit ergänzt.
Ziel der im Rahmen dieses Forschungsvorhabens durchgeführten Untersuchungen war der Nachweis der sicheren Auslegung von Transport- und Lagerbehältern radioaktiver Stoffe aus Gußeisen mit Kugelgraphit auch unter bruchmechanischen Gesichtspunkten. Das bisher im nationalen Rahmen für die Bauartprüfung derartiger sogenannter Typ B-Verpackungen (d.h. unfallsicherer Verpackungen) von der BAM angewandte Begutachtungskonzept basiert im wesentlichen auf experimentellen Festigkeitsnachweisen an Prototypbehältern mit entsprechend daraus abgeleiteten Anforderungen an die qualitätsgerechte Herstellung der Serienbehälter. Die Anforderungen an die Werkstoffqualität und die zerstörungsfreien Prüfungen (insbesondere Nachweis von Rissen durch Ultraschallprüfungen) werden so gewählt, daß ein gesonderter bruchmechanischer Nachweis nicht erforderlich ist. Dieses Begutachtungskonzept ist jedoch unmittelbar mit der Bedingung verknüpft, daß die maximale in der Behälterstruktur auftretende Nennzugspannung etwa 50 % der Werkstoff-Streckgrenze nicht überschreitet. Da dies u.U. eine erhebliche Einschränkung für bestimmte Behälterbauarten bedeuten kann, wird das Begutachtungskonzept derzeit um einen bruchmechanischen Festigkeitsnachweis erweitert, der weitgehend werkstoffunabhängig auch für Gußeisen mit Kugelgraphit anwendbar ist. Die Bereitstellung der dafür erforderlichen grundlegenden Erkenntnisse wurde unter direkter Mitwirkung der BAM auch im Rahmen dieses Forschungsvorhabens auf internationaler Ebene durchgeführt. Die Ergebnisse sind in einem "Technical Dokument (TECDOC)" der Internationalen Atomenergie-Behörde (IAEA) niedergelegt, welches diesem Fachband als Anlage beigefügt ist.
Ziel der Versuche war, den Einfluß eines sehr großen Oberflächenrisses (künstlicher Fehler) auf das Festigkeitsverhalten bei stoßartiger Belastung zu untersuchen. Geprüft wurde ein aus GGG 40 gegossener Behälter vom Typ CASTOR VHLW im Originalmaßstab. Vorgesehener Verwendungszweck dieses Behältertyps ist der Transport und die Lagerung verglaster hochradioaktiver Stoffe. Der Fallversuch wurde auf dem 100 t-Fallprüfstand der BAM in Lehre bei Braunschweig durchgeführt.
Geprüft wurde ein Transport- und Lagerbehälter für verglaste radioaktive Stoffe vom Typ CASTOR VHLW im Originalmaßstab. Die Fallversuche wurden auf dem 100 t-Fallprüfstand der BAM in Lehre bei Braunschweig durchgeführt. Mit dem Behälter wurden insgesamt 3 Fallversuche im Rahmen des Forschungsvorhabens durchgeführt. Davon zwei mit dem Behälter im Zulassungszustand (also mit Stoßdämpfer) aus einer Höhe von 9 Metern. Weiterhin ein 1-Meter-Fallversuch mit dem Behälter ohne Stoßdämpfer.
Aus der Literatur zusammengefasste experimentelle Untersuchungen mit der Methodik der Oberflächenphysik sowie den aufgeführten neuen Verfahren bilden den zentralen Teil, Ergänzend hierzu werden einige grundlegende theoretische Modelle sowie Simulationsrechnungen aus jüngerer Zeit vorgestellt. Ziel dieser Arbeit ist es, Werkstoffwissenschaftlern, Ingenieuren und Physikern eine Einführung in das relativ neue Forschungsgebiet " Mikrotribologie" zu geben und in einem größeren Kontext seinen Zusammenhang mit der (Makro-)Tribologie aufzuzeigen.
Beschrieben wird die Entwicklung eines universell anwendbaren, numerischen Verfahrens, das es gestattet, simultan mehrere thermische Stoffeigenschaften oder Größen wie Wärmeleitfähigkeit, spezifische Wärmekapazität oder Wärmeübergangskoeffizienten aus einem Versuch abzuleiten, indem gemessene und berechnete Größen iterativ in möglichst gute Übereinstimmung gebracht werden.