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Technical Report NTB 12-06
Canister Design Concepts for Disposal of Spent Fuel and High Level Waste
Die Nagra untersucht im Rahmen ihrer langfristigen Planung zur Realisierung eines geologischen Tiefenlagers für die Entsorgung abgebrannter Brennelemente (BE) und hochaktiver Abfälle (HAA) verschiedene Optionen bei der Auswahl von Materialien und Auslegungskonzepten für die Endlagerbehälter. Die Auswahl geeigneter Behälterauslegungen wird bestimmt durch eine Anzahl Anforderungen, wobei die wichtigste die Gewährleistung einer Mindestlebensdauer von 1'000 Jahren ohne Versagen des Einschlusses ist. Ein mögliches Material ist dabei Karbonstahl, dies aufgrund seiner vergleichsweise geringen Korrosionsrate unter tiefenlagerrelevanten Bedingungen sowie seines hohen technischen Entwicklungsstands hinsichtlich Konstruktion und Herstellung. Weitere Materialien und Auslegungsvarianten werden in Parallelstudien untersucht.
Das Ziel des vorliegenden Berichts ist die Entwicklung von Auslegungskonzepten für BE- und HAA-Endlagerbehälter aus Karbonstahl und ihre Begründung. Bei diesem Prozess werden sämtliche wichtigen Aspekte hinsichtlich Herstellung, Schweissnähte und Abnahmeprüfung sowie Funktionsfähigkeit, d. h. Kurzeit- (Handhabung und Einlagerung) und Langzeitverhalten (Korrosion und Strukturverhalten nach der Einlagerung) der Behälter behandelt. Ein weiteres Ziel des vorliegenden Berichts ist die Anwendung des Auslegungsprozesses zur Identifikation künftiger Arbeiten, die für die Entwicklung detaillierter Auslegungen erforderlich sind.
Die Entwicklung von Behälterauslegungen begann mit der Aufstellung einer Anzahl Auslegungsanforderungen, die aus dem Bedürfnis entstanden, die Langzeitanforderungen (mindestens 1'000 Jahre Lebensdauer ohne Behälterversagen) und die Betriebssicherheitsanforderungen (erforderliche Robustheit für die sichere Handhabung während der Einlagerung und potenziellen Rückholung der Behälter) zu erfüllen. Basierend auf Berechnungen zur Abschirmung radioaktiver Strahlung wurde angenommen, dass die Rate der Strahlendosis an den Behälteroberflächen auf einem Niveau sein wird, das keine manuelle Handhabung mehr erlaubt. Daher werden eine «heisse Zelle» und Fernbedienung bei der Befüllung der Endlagerbehälter und der Erstellung der abschliessenden Schweissnähte notwendig. Die wichtigsten Behälteranforderungen werden hierarchisch gegliedert und in den Kontext der Gesamtmethodologie gestellt. Es wurden konzeptuelle Auslegungen für BE-Behälter mit einem SWR- (Siedewasserreaktor) Brennstoffbehälter als Referenz und HAA-Behälter basierend auf zwei verglasten HAA-Kokillen pro Endlagerbehälter entwickelt. Korrosion, Abbau, Versagensmechanismen, Toleranz gegenüber Fabrikationsfehlern und weitere strukturelle Leistungsdefizite wurden in Zusammenhang mit vorgeschlagenen Auslegungen, Prüfkonzepten und Herstellung von Schweissnähten geprüft. Dabei wurden verschiedene Wege zur Erfüllung der Behälteranforderungen untersucht.
Die resultierenden Auslegungskonzepte liefern eine Beschreibung von geometrischer Form, Dimensionierung, Material, Schweissnaht sowie Herstellungs- und Überprüfungsoptionen für die Behälter einschliesslich ihrer internen Struktur. Korrosion, Materialabbau, strukturelle Funktion, Schweissnahtauslegung, Überprüfungs- und Fabrikationsfragestellungen jeder Option werden diskutiert. Ausserdem wird gezeigt, wie die vorgeschlagenen Auslegungen die Behälteranforderungen erfüllen.
Ein Vorteil dieser Studie ist, dass die Entwicklung der Behälterauslegungen und die Funktionsanalyse zur Identifizierung spezifischer Arbeitsgebiete führte, die zur Entwicklung detaillierter Auslegungskonzepte und Behälterprototypen erforderlich werden. Die wichtigsten Aspekte sind dabei die Entwicklung der Schweissnahtauslegung, der Schweissmethode und der zu verwendende Ansatz zum Spannungsabbau nach erfolgtem Schweissen sowie die Bestimmung der maximal tolerierbaren Grösse von Defekten und des entsprechenden Sicherheitsfaktors in Zusammenhang mit der Rissbildungswahrscheinlichkeit.