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Experimentelle und numerische Untersuchungen an stoßdämpfenden Materialien für Behälter für radioaktiven Abfall

E. Kasparek, H. Völzke, R. Scheidemann, U. Zencker, D. Wolff

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.


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