14.03.2019

1. Experimentelle Behälterprüfungen

Im Zuge von Genehmigungsverfahren auf gefahrgut- oder atomrechtlicher Grundlage werden experimentelle Bauartprüfungen von Behältern für Transport, Zwischen- und Endlagerung radioaktiver Stoffe von der BAM durchgeführt. Dazu gehören Behälterfall- und Brandprüfungen sowie Prüfungen von radioaktiven Stoffen in besonderer Form.

Zu den mechanischen Prüfungen gehören insbesondere die Sequenz 9 Meter-Fall auf ein unnachgiebiges Fundament und der Fall aus 1 Meter Höhe auf einen Stahldorn, jeweils in der Position, in der am Behälter die schwerwiegendsten Schäden hervorgerufen werden. Infolge unterschiedlicher Behälterbauteile oder Komponentenbereiche wird eine Vielzahl von Fallpositionen betrachtet und untersucht.

Zur experimentellen Behälterprüfung betreibt die BAM im Testgelände Technische Sicherheit:

a) 200 t - Fallversuchsanlage
b) 55 t - Fallturm
c) Geführter Fallprüfstand

Für die zugehörigen Prüftätigkeiten stehen in der BAM umfangreiche Prüftechniken und Messverfahren zur Verfügung. Zur Analyse und Auswertung der experimentellen Untersuchungen werden folgende Messverfahren eingesetzt:
- Ermittlung von Leckageraten mittels Helium-Dichtheitsprüfung
- Erfassung und Berechnung von Weg-, Geschwindigkeits-, Verzögerungs-, Dehnungs- und Kraft-Zeit-Verläufen
- Optische Messverfahren für plastische Verformungsanalysen
- Hochgeschwindigkeits-Kameraaufnahmen für dynamische Bewegungsanalysen
- Signalerfassung mit mehrkanaligen Messwerterfassungssystemen und Abtastraten bis zu 2 MHz

a) 200 t Fallversuchsanlage

200 t Fallversuchsanlage

200 t Fallversuchsanlage

Quelle: BAM

200 t Fallversuchsanlage

200 t Fallversuchsanlage

Quelle: BAM

Die große Fallversuchsanlage besteht aus dem Fallturm mit Hubwinde und Abwurfvorrichtungen für Prüfobjekte mit 2.000 bis 200.000 kg Fallgewicht, dem Aufprallfundament sowie einer Versuchs- und Montagehalle mit 80 t Brückenkran, Messwarte, Laborräumen und Beobachtungsstand.

Technische Daten
max. Prüfmasse: 200.000 kg
max. Fallhöhe: 30 m
Aufprallfundament
stahlarmierter Betonquader mit integrierten Sensoren und verankerter Stahlaufprallplatte
Gesamtmasse: ca. 2.600.000 kg
Abmessungen: 14 m x 14 m x 5 m
Aufprallbereich: 10 m x 4,5 m x 0,22 m

Die Gesamtmasse und Konstruktion des Aufprallfundamentes gewährleisten die Unnachgiebigkeit gemäß den Vorgaben der Internationalen Atom- und Energieorganisation IAEA für Prüfmuster mit einer Gesamtmasse bis 200 t.

b) 55 t Fallturm

Fallturm bis 55 t

Fallturm bis 55 t

Quelle: BAM

Der 55t-Fallturm in Outdoor-Bauweise ermöglicht auch die Prüfung von mit Flüssigkeit gefüllten Testbehältern. Die Anlage besteht aus Fallturm mit 55t-Winde in Einhausung, Doppelhaken, dem stahlarmierten Aufprallfundament sowie einem Kontroll- und Messraum.

Technische Daten
max. Prüfmasse: 55.000 kg
max. Fallhöhe: 18 m
Aufprallfundament
Betonblock mit verankerter Stahlaufprallplatte
Gesamtmasse: ca.: 600.000 kg
Abmessungen: 10 m x 10 m x 2,5 m
Aufprallbereich: 7 m x 4 m x 0,21 m

c) geführter Fallprüfstand

Geführter Fallprüfstand

Geführter Fallprüfstand

Quelle: BAM

Geführter Fallprüfstand

Geführter Fallprüfstand

Quelle: BAM

Der Prüfstand für geführte Fallversuche ermöglicht dynamische Be¬anspruchungsanalysen von Komponenten, Bauteilen und Material¬proben in Biege-, Stauch- und Crash-Tests.

Das Führungsgerüst ist vom unnachgiebigen Aufprallfundament ent¬koppelt. Der Abstand der Führungsschienen ermöglicht den Einbau von Prüfmustern mit einer Breite bis 1.600 mm.

Technische Daten
max. Prüfmasse: 1.000 kg
max. Fallhöhe: 12 m
Aufprallfundament
Betonblock mit Stahlaufspannplatte
Gesamtmasse: ca. 18.000 kg
Abmessungen: 2 m x 2 m
Fallmassen-Auffangsystem
max. Prüfmasse: 500 kg (erweiterbar)

Zu den regelmäßig auf dem BAM Testgelände Technische Sicherheit (TTS) ausgeführten Fallprüfungen zählen unter anderem:

- 9 Meter Fall auf ein unnachgiebiges Fundament
- 1 Meter Fall auf einen Stahldorn (Dornfallprüfung)
- 9 Meter Fall einer Stahlplatte auf das Prüfobjekt (Quetschprüfung)
- 5 Meter Fall auf ein Endlagerfundament

Testbehälter Constor V/TC nach der 9m Fallprüfung

Testbehälter Constor V/TC nach der 9m Fallprüfung

Quelle: BAM

Umfassende Prüf- und Forschungserfahrungen liegen bei der Durchführung von bis zu 60-minütigen Brandversuchen mit Behältern und Behälterkomponenten vor, für die auf dem BAM Testgelände TTS Brandprüfstände zur Verfügung stehen.

Experimentelle Prüftätigkeiten umfassen ebenso Dichtsystemuntersuchungen und Heliumdichtheitsprüfungen, bei denen die Leckagerate mit höchster Empfindlichkeit ermittelt wird.

Die BAM führt detaillierte Analysen und Bewertungen des mechanischen und thermischen Beanspruchungsverhaltens im Rahmen von experimentellen Behälteruntersuchungen durch. Außerdem entwickelt sie fortlaufend zugehörige Prüfmethodik und Messtechnik. In Forschung und Prüfung konzentriert die BAM sich schwerpunktmäßig neben den experimentellen Bauartprüfungen auf analytische und numerischen Untersuchungen zur Simulation mechanischer und thermischer Unfalleinwirkungen sowie auf Untersuchungen zum dichten Einschluss radioaktiver Stoffe. Simulationsberechnungen werden mit Finite-Elemente-Software durchgeführt. Zum Einsatz kommen u.a. die Programme ABAQUS, ANSYS, LS-DYNA.

2. Messwerterfassung und Datenanalyse

Beim Behälteraufprall werden die mechanischen Beanspruchungen des Behälterkörpers und die Stoßkinematik untersucht.

Für die Registrierung von Beanspruchungs-Zeit-Signalen während des zeitlich kurzen Behälteraufpralls wird der Prüfkörper umfangreich mit Beschleunigungssensoren (im Bild die Sensortypen ENDEVCO und ENTRAN) und mit Dehnungsmessstreifen instrumentiert.

Für die Aufnahme dieser Messsignale stehen mehrere Messsysteme mit bis zu 128 Messkanälen zur Verfügung. Ein weiteres Messsystem kann bis zu 64 Temperaturmessstellen aufzeichnen und überwachen. Die Auswertung und Analyse dieser Messdaten erfolgt über anwendungsspezifische Software.

Messtechnik für Behälterfallprüfungen

Vielstellenmesssystem (Fa. Dewetron), Piezoresistive Beschleunigungsaufnehmer (Fa. Endovco und Entran) sowie Dehnungsmessstreifen (Fa. HBM) bei Behälterfallprüfungen

Quelle: BAM

Zusätzlich erfolgt die visuelle Analyse des Aufprallvorganges mit Hochgeschwindigkeitskameras in Verbindung mit einer intensiven Beleuchtungseinheit.

Beispielsweise untersuchte die BAM für einen 4000 kg schweren Behälter zum Transport radioaktiver Stoffe die mechanischen Beanspruchungen infolge des Behälteraufpralls aus 9 Meter Fallhöhe auf ein unnachgiebiges Fundament an einer Vielzahl von Einzelmessstellen am Behälterkörper.

Im dargestellten Beispiel liegen zwischen dem Erstaufprall auf der linken Behälterseite und dem Sekundäraufprall ca. 10 ms, wobei vergleichbare hohe Beanspruchungsmaxima beim Slap down auftraten.

Hochgeschwindigkeits-Videokamera bei Behälterfallprüfungen

Einsatz von Hochgeschwindigkeits-Videokamera (Fa. Photron Fastcam) bei Behälterfallprüfungen

Quelle: BAM

Dichtheitsprüfungen

Die Dichtheitsprüfung als Form der zerstörungsfreien Prüfung ist ein wesentlicher Bestandteil zur Erfüllung der Anforderungen an eine dichte Umschließung in den einzelnen Verfahren für Transport- und Lagerbehälter für radioaktive Stoffe sowie der umschlossenen radioaktiven Stoffe.

Die Dichtheitsprüfverfahren dienen nicht nur zur Bestimmung einer geforderten zulässigen Standard-Leckagerate vor und nach mechanischer oder thermischer Beanspruchung, sondern auch zur Lokalisierung von Leckagen.

Die Durchführung von Dichtheitsprüfverfahren und Begriffserklärungen sind u.a. in den Normen
DIN EN ISO 20484 Zerstörungsfreie Prüfung – Dichtheitsprüfung – Begriffe; 2017
DIN EN ISO 20485 Zerstörungsfreie Prüfung – Dichtheitsprüfung – Prüfgasverfahren; 2018
beschrieben.

Für die Dichtheitsprüfung an umschlossenen radioaktiven Stoffen gilt die ISO 9978.

Dichtheitsprüfung

Dichtheitsprüfung

Quelle: BAM

3. Die Finite Elemente Methode (FEM)

Die rechnerische Ermittlung der Beanspruchungen von Behältern unter den zu betrachtenden Beförderungsbedingungen, insbesondere in Unfallsituationen wie Bränden oder bei Behälterabstürzen, kann entweder analytisch oder numerisch betrieben werden.

Den analytischen Ansätzen der Mechanik und Thermomechanik liegen in der Regel sehr stark idealisierende Annahmen zu Grunde (z.B. konstante Wandstärke, starre Einspannung). Diese reichen oftmals für eine hinreichend genaue Berechnung komplexer Behältergeometrien und Beanspruchungszuständen nicht mehr aus. Insbesondere, wenn die tatsächlichen Belastungsgrenzen der Behälter zunehmend ausgeschöpft werden sollen.

Entsprechend dieser Entwicklung besteht die Möglichkeit des Einsatzes der Finite-Element-Methode (FEM), bei der eine reale Struktur durch eine dem Beanspruchungszustand angepasste unterteilte Modellstruktur abgebildet wird, die aus den so genannten „Finiten-Elementen“ zusammengesetzt ist. Über diese Elemente und ihre Stützstellen, die so genannten Knoten, können dem Modell bestimmte Werkstoffeigenschaften, Anfangs- und Randbedingungen vorgegeben werden. Auf der Grundlage herkömmlicher mechanischer bzw. thermischer Gleichgewichtsbeziehungen entstehen so abhängig vom Grad der Feinheit des Finite-Element-Modells sehr große Gleichungssysteme, die sich unter Einsatz hochentwickelter Lösungsalgorithmen auf leistungsfähigen, modernen Rechnersystemen lösen lassen. Mit der ständigen Weiterentwicklung der Leistungsfähigkeit der Rechner steigen gleichzeitig aber auch die Möglichkeiten der Lösung komplexerer Fragestellungen.

BAM-Mitarbeiter bei der Finite-Elemente-Analyse eines Behälters für radioaktive Stoffe.

BAM-Mitarbeiter bei der Finite-Elemente-Analyse eines Behälters für radioaktive Stoffe.

Quelle: BAM

Die Berechnungen mit der Methode der Finiten Elemente liefern stets umfangreiche und detaillierte Berechnungsergebnisse. Die sorgfältige Verifikation und Validierung derselben kommt hierbei eine erhebliche Bedeutung zu, damit die richtigen Schlussfolgerungen im Hinblick auf die Sicherheit von Behältern gezogen werden.

Eine derartige Überprüfung kann unter den verschiedensten Gesichtspunkten erfolgen und sollte sich mehrerer unabhängiger Methoden bedienen. Dazu zählen beispielsweise analytische Näherungsbetrachtungen, um grundlegende Zusammenhänge zu bestätigen, oder Parametervariationen, um die Einflüsse verschiedener Modellparameter wie z.B. Feinheit der Modellierung einschätzen zu können. Sehr wesentlich für die Verifikation von Berechnungsergebnissen ist aber immer auch die gezielte experimentelle Bestätigung verschiedener Annahmen und Ergebnisse. Das heißt nicht, dass in jedem Fall Versuche mit einem vollständigen Behälter notwendig wären. Vielmehr können experimentelle Untersuchungen der Ermittlung verwendeter Materialgesetze ebenso dienen wie der Bestätigung des Verhaltens ausgewählter Teilstrukturen wie z.B. eines Deckelsystems eines Behälters.

Grundsätzlich lässt sich sagen, dass eine zunehmende Ausnutzung von Sicherheitsreserven einer Behälterkonstruktion eine entsprechend präzisere Analyse der auftretenden Belastungssituation erfordert und damit auch der Aufwand hinsichtlich Berechnung und Verifikation ansteigt. Unter Umständen können dann auch weitere experimentelle Untersuchungen an Originalbehältern erforderlich werden.

4. Fallprüfungen mit Prototyp-Stoßdämpfern

Während des Transportes werden CASTOR-Behälter durch Stoßdämpfer geschützt. Prototypen dieser Stoßdämpfer mit Holzfüllung und Polyurethanfüllung wurden in der BAM an einem Dummybehälter befestigt und Fallversuchen unterzogen.

Zusammen wogen die Körper etwa 1000 Kilogramm. Die Prüfmuster im Maßstab 1:4 fielen aus unterschiedlichen Positionen aus 9 Metern Höhe auf ein unnachgiebiges Fundament.

Die Versuche dienten dazu, Daten zu sammeln, die in Computer-Simulationen einsetzbar sind. Dazu wurden sie mit Sensoren ausgestattet, die Beschleunigungen messen können. Mit Hilfe der Daten ist es möglich, die Stoßdämpfer in Originalgröße zu konstruieren und Auslegungsberechnungen künftiger Dämpfer-Modelle zu erstellen.

Die Messergebnisse zeigen, dass beim Füllstoff Holz die Verzögerungswerte bei jeweils kürzerer Aufpralldauer höher liegen als beim Füllstoff Polyurethan. Dies zeigt sich besonders deutlich beim Behälterkantenfall und -vertikalfall, während beim Behälterhorizontalfall die Unterschiede relativ gering sind.

5. Forschungsvorhaben EBER

In den drei Projekten zur "Entwicklung von Beurteilungsmethoden für Transport- und Lagerbehälter mit erhöhten metallischen Reststoffanteilen" (kurz EBER) wurde untersucht, inwieweit radioaktiv belasteter Metallschrott aus der Stilllegung und dem Rückbau kerntechnischer Anlagen als Behälterwerkstoff verwendet werden kann.

Gussbehälter zum Transport und zur Lagerung radioaktiver Abfälle werden heute in Deutschland aus duktilem Gusseisen mit Kugelgraphit hergestellt. Metallschrott wird dem Gusseisen bei seiner Herstellung kaum beigemengt. Durch Erhöhung des Recyclinganteils bei der Behälterherstellung lässt sich einerseits die Menge des als Abfall endzulagernden radioaktiven Metallschrottes verringern. Andererseits verändern sich dadurch aber auch die Eigenschaften des Gusseisens in ungünstiger Weise, weil insbesondere die Bruchzähigkeit abnimmt. Die BAM untersuchte, welche Anforderungen Behälter aus diesem neuen Werkstoff „Gusseisen mit Kugelgraphit / erschmolzen mit hohen Reststoffanteilen“ erfüllen. In den Projekten werden für die sicherheitstechnische Bewertung solcher Behälter geeignete Methoden entwickelt.

Im ersten Projekt EBER wurde die grundsätzliche Eignung von Gusseisen mit hohen Reststoffanteilen als Behälterwerkstoff untersucht. Dabei wurden die Bedingungen für die Endlagerung radioaktiver Abfälle in der Schachtanlage KONRAD zugrunde gelegt. Für unterschiedliche Anforderungsprofile wurden Referenzbehälter definiert. Der Referenzbehälter für hohe Anforderungen (ähnlich dem Gusscontainer Typ VI) wurde numerisch simulierten Fallversuchen aus 5 m Höhe auf den Untergrund im Endlager unterzogen. Mit der Finite-Elemente-Methode (FEM) konnte ermittelt werden, welche Spannungen und Verzerrungen im Behälter bei realen Fallversuchen auftreten würden. Es zeigte sich, dass die Einsatzfähigkeit von duktilem Gusseisen mit erhöhten Reststoffanteilen in erster Linie von den bruchmechanischen Eigenschaften des Werkstoffs abhängt. Der Abschlussbericht zu diesem Projekt ist als BAM-Forschungsbericht 240 erschienen.

Im Folgeprojekt EBER II stand die bruchmechanische Bewertung von Werkstofffehlern im Gusseisen im Vordergrund. Die Werkstofffehler wurden als Risse abgebildet. Unter der Annahme vorhandener Risse wurde das bruchmechanische Verhalten von Gussbauteilen bei statischer und dynamischer Belastung numerisch analysiert. Die gewonnenen Erkenntnisse konnten in einfach zu handhabende Bewertungsdiagramme umgesetzt werden. Die aufgestellten sicherheitstechnischen Bewertungsmethoden wurden dann bei einem Fallversuch mit einem rissbehafteten Prototypbehälter definierter Werkstoffqualität erfolgreich überprüft. Der Abschlussbericht zu diesem Projekt kann von der TIB Hannover bezogen werden.

Zur endgültigen Absicherung der Werkstoffeinsatzgrenzen von duktilem Gusseisen mit erhöhten Reststoffanteilen in einem geschlossenen sicherheitstechnischen Bewertungskonzept bearbeitete die BAM das Projekt EBER III. Das Ziel des Projektes war eine vom Endlagerstandort unabhängige und damit allgemeinere Formulierung der Bewertungsmethoden. Die Beanspruchung im Behälter bei einem Absturz hängt stark vom jeweiligen Untergrund ab. Dieser Untergrund wird bei einem Fallversuch auf dem Versuchsstand durch ein Aufprallfundament simuliert. Deshalb sollten die bisherigen Forschungsergebnisse auf beliebige Aufprallfundamente übertragen bzw. erweitert werden. Dazu wurden Fallversuche von Gussbauteilen auf Betonplatten mit systematisch veränderten Eigenschaften und unterschiedlichen Ankopplungsbedingungen an den Untergrund durchgeführt.

Die genannten Projekte wurden vom Bundesminister für Bildung und Forschung unter den Förderkennzeichen 02 S 7584 (EBER), 02 S 7788 (EBER II) und 02 S 8021 (EBER III) gefördert.

6. Forschungsvorhaben ENREA

In den Stoßdämpfern von Transportbehältern für radioaktive Stoffe sowie im Fundament von Behälterlägern werden verschiedenste stoßdämpfende Komponenten und Strukturen eingesetzt. Durch plastische Deformation absorbieren sie bei Anprall oder Absturz des Behälters einen Großteil der Energie und tragen dazu bei, dass die mechanische Belastung der Behälter minimiert wird.

Für die numerische Beanspruchungsanalyse mittels Finite-Elemente-Simulation sind umfangreiche Materialparameter notwendig. Ermittelt werden diese durch dynamische Druckversuche an quaderförmigen Prüfkörpern aus Holz, Polyurethanschaum und Dämpferbeton mit einer Kantenlänge von 100 mm. Eine Vorrichtung umschließt die Proben vollflächig und ermöglicht die Kräfte in Belastungsrichtung und senkrecht dazu zu messen.

Die Lasteinleitung in die Probe erfolgt über den Druckstempel, dessen Verschiebung über Laser-Wegsensoren erfasst wird und somit die Stauchung der Probe ermittelt werden kann. Ergänzt werden kann die Messtechnik durch eine Kraftmessdose, Beschleunigungsaufnehmer und High-Speed Kameras, die eine vollständige kinematische Analyse des Kompressionsvorganges ermöglichen.

Eindring-Großversuch

Eindring-Großversuch

Quelle: BAM

Dynamische Eindringversuche

Dynamische Eindringversuche

Quelle: BAM