20.12.2017

1. Experimentelle Behälterprüfungen

Im Rahmen von Genehmigungsverfahren auf gefahrgut- oder atomrechtlicher Grundlage sind experimentelle Bauartprüfungen von Behältern für Transport, Zwischen- und Endlagerung radioaktiver Stoffe durchzuführen. Dazu gehören Behälterfall-, Dichtheits- 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 muss für jedes Prüfmuster eine Vielzahl von Fallpositionen untersucht werden.

Für entsprechende Prüftätigkeiten stehen in der BAM umfangreiche Prüf- und Messtechniken zur Verfügung. 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

9m Fallversuch Constor V/TC in Horstwalde auf dem TTS Fallturm

9m Fallversuch Constor V/TC in Horstwalde auf dem TTS Fallturm

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 Analyse und Bewertung des mechanischen und thermischen Beanspruchungsverhaltens im Rahmen von experimentellen Behälteruntersuchungen durch. Außerdem entwickelt sie fortlaufend zugehörige Prüfmethodik und Messtechnik. In Forschung und Prüfung konzentrieren sich die BAM-Forscher schwerpunktmäßig neben den experimentellen Bauartprüfungen auf analytische und numerischen Untersuchungen zur Simulation mechanischer und thermischer Unfalleinwirkungen sowie auf Untersuchungen zum dichten Einschluss gefährlicher Stoffe. Simulationen werden mit Finite-Elemente-Software erstellt. Zum Einsatz kommen u.a. die Programme ABAQUS, ANSYS, DYNA3D, TASEF, TOPAZ3D, HEATING6.

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 extrem kurzen Behälteraufpralls wird der Prüfkörper umfangreich mit Beschleunigungssensoren (im Bild die Sensortypen ENDEVCO und ENTRAN) und mit Dehnungsmessstreifen instrumentiert.

Die hochdynamischen Signale werden mit einem Transientenrekorder (64 kanalige Vielstellenmessanlage) erfasst und über die integrierte und weitere anwendungsspezifische Software analysiert.

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

Beispielsweise untersuchte die BAM für einen 4000 kg schweren Transportbehälter für radioaktive 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.

Dichtheitsprüfungen

Bei der Dichtheitsprüfung von umschlossenen radioaktiven Stoffen kommen folgende Dichtheitsprüfverfahren und Messtechniken zur Anwendung:


Verfahren der Dichtheitsprüfung
(DIN 25426, T. 3)
Prüfausstattung
Vakuumverfahren (Helium)Massenspektrometrischer Leckdedektor
Schnüffelverfahren (Helium)Massenspektrometrischer Leckdedektor mit Schnüffelsonde
Vakuum-BlasenprüfungVakuumpumpe, Vakuumkammer
Blasenprüfung nach DruckbeaufschlagungDruckkammer, Vakuumpumpe

3. Die Finite Elemente Methode (FEM)

Die rechnerische Ermittlung der Beanspruchungen von Behältern insbesondere in Unfallsituationen wie Bränden oder bei Behälterabstürzen kann entweder analytisch oder numerisch betrieben werden.

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

Entsprechend dieser Entwicklung besteht heute die Möglichkeit des Einsatzes der Finite-Element-Methode (FEM), bei der eine reale Struktur durch eine mehr oder weniger fein 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 nur noch 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.

Dr.-Ing. Linan Qiao bei der Finite-Elemente-Analyse von Transport- und Lagerbehältern für radioaktive Stoffe.

Dr.-Ing. Linan Qiao bei der Finite-Elemente-Analyse von Transport- und Lagerbehältern für radioaktive Stoffe.

Quelle: BAM

Da man mit Berechnungen mit der Methode der Finiten Elemente stets umfangreiche und detaillierte Berechnungsergebnisse erhält, kommt der sorgfältigen Überprüfung und Verifikation derselben eine erhebliche Bedeutung zu, damit nicht falsche Schlussfolgerungen 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 Auslastung von Sicherheitsreserven einer Behälterkonstruktion eine entsprechend präzisere Analyse der auftretenden Belastungssituation erfordert und damit auch der Aufwand hinsichtlich Berechnung und Verifikation ansteigt und unter Umständen auch weitere experimentelle Untersuchungen an Originalbehältern erforderlich macht.

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 Prüflinge 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 Auslegungsrechnungen 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 Kantenfall und Vertikalfall, während beim Horizontalfall 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) wird 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 untersucht, 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 von 1995 bis 1998 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 Methode der finiten Elemente (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 von 1998 bis 2001 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 demnächst von der TIB Hannover bezogen werden.

Zur endgültigen Absicherung der Werkstoffeinsatzgrenzen von duktilem Gusseisen mit erhöhten Reststoffanteilen in einem geschlossenen sicherheitstechnischen Bewertungskonzept bearbeitet die BAM seit 2001 das Projekt EBER III. Das Ziel des Projektes ist eine vom Endlagerstandort unabhängige und damit allgemeinere Formulierung der Bewertungsmethoden. Die Beanspruchung im Behälter bei einem Absturz hängt nämlich stark vom jeweiligen Untergrund ab. Dieser Untergrund wird bei einem Fallversuch auf dem Versuchsstand durch ein Aufprallfundament simuliert. Deshalb sollen die bisherigen Forschungsergebnisse auf beliebige Aufprallfundamente übertragen bzw. erweitert werden. Dazu werden Fallversuche von Gussbauteilen auf Betonplatten mit systematisch veränderten Eigenschaften und unterschiedlichen Ankopplungsbedingungen an den Untergrund durchgeführt.

Die genannten Projekte wurden bzw. werden 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.