Experimental and numerical studies of shock absorbing materials for Containers for radioactive waste

摘要

Zur Sicherheitsbeurteilung von Transport-und Lagerbehältern für radioaktives Material gehören auch die in den Vorschriften der Internationalen Atomenergieorganisation (IAEO) vorgesehenen Fallszenarien oder potentielle Störfälle in einer bestimmten Nuklearanlage. Dabei haben die Auslegung von Aufprallbegrenzern und die Fundamenteigenschaften im Handhabungsbereich großen Einfluss auf die mechanische Belastung des Behälter-Deckel-Systems. Zuverlässige numerische Simulationen, die sehr oft einen wichtigen Teil solcher Sicherheitsnachweise darstellen, erfordern systematische Angaben über das Energieaufnahmepotenzial der betreffenden Materialien und deren Umsetzung in FEM-(Finitelement)-Programmen. Bei der Durchführung von Fallversuchen hat die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) allerdings erhebliche Unterschiede zwischen numerischen und experimentellen Ergebnissen festgestellt, die vermutlich von numerischen Verfahren herrühren, die das Verhalten der aufprallbegrenzenden Strukturen nicht ausreichend wiedergeben. Besonders sind hiervon betroffen Behälteraufprallbegrenzer aus Holz oder Polyurethanschaum oder Dämpfungssteine aus Beton, die in den Fundamenten deutscher Zwischenlager verbaut werden. Ende 2008 begann die BAM deshalb das Forschungsprojekt ENREA (Entwicklung numerischer Verfahren zur Analyse von Aufprallbegrenzern, die Stoß- oder Fallszenarien ausgesetzt sind); es wird vom BMFT finanziert. Damit sollen geeignete Werkstoffmodelle zur Simulation von Aufprallbegrenzern im Rahmen eines umfassenden Versuchsprogramms entwickelt werden. Dieses Programm umfasst statische und dynamische Kompressionsversuche an Holz, Schaumstoffen und Dämpfungsbeton. Die Versuchsparameter umfassen unter anderem Temperatur, Stützverhältnisse und Materialausrichtung. Der vorliegende Beitrag konzentriert sich auf die Ergebnisse der ersten Projektstufe, die unter anderem Verdrängungsversuche bei konstanten Belastungsgeschwindigkeiten von 0,02 mm/s bis 3.000 mm/s umfassen. Mit den gewonnenen Daten werden Materialmodelle durch schrittweise Optimierung der entsprechenden Parameter in FE-Rechnungen angepasst. Die grundlegenden Konzepte ebenso wie die Grenzen der vorhandenen Modelle werden dargestellt. Nicht mit aufgeführt wird das Ergebnis für Holz, weil das Untersuchungsvolumen zu groß ist und die anzuwendenden numerischen Verfahren zu kompliziert sind. Diese Ergebnisse werden in einem eigenen Beitrag auf der KONTEC vorgelegt.%Safety assessments of containers for transport and storage of radioactive materialsrninvolve drop scenarios pre-scribed in the regulations of the International Atomic Energy Agency - IAEA or potential accidents that might occur in a specific nuclear facility. Hereby, the design of impact limiters and foundation properties of the handling region have a major effect on the mechanical loading of the cask and lid system. Reliable numerical simulations, which very often constitute a relevant part of such safety proofs, require systematic information about the energy absorption potential of the respective materials and its implementation in FEM (finite element) programs. However, when performing drop tests, BAM (BAM Bundesansta.lt fur Materialforschung und -priifung, Federal Institute for Materials Research and Testing) identified significant differences between numerical and experimental results, which most likely result from numerical methods that do not sufficiently reproduce the behaviour of impact limiting structures. Particularly concerned are container impact limiter made of wood or polyurethane foam as well as damping concrete bricks, which are embedded in foundations of German interim storages.rnHence, at the end of 2008 BAM initiated the research project ENREA (development of numerical methods for analyzing impact limiters subjected to impact or drop scenarios) funded by BMBF. It aims to develop appropriate materials models for simulating impact limiters based on a comprehensive experimental program. Latter consists of static and dynamic compression tests on wood, foam and damping concrete, where test parameters include temperature, support conditions and the material orientation. This contribution focus on results from the first project stage, which comprises displacement-driven tests at constant loading rates varying between 0.02 mm/s and 3,000 mm/s. The data are used to adopt materials models by stepwise optimizing the applicable parameters of FE calculations. The underlying concepts as well as the limitations of available models are presented. Not included is the outcome for wood due to the huge test volume and complexity of applicable numerical techniques. These results are rather given in an independent paper at KONTEC 2011.