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Technical Report NTB 09-04
A Review of the Possible Effects of Hydrogen on Lifetime of Carbon Steel Nuclear Waste Canisters
In der Schweiz ist die Nationale Genossenschaft für die Lagerung radioaktiver Abfälle (Nagra) zuständig für die Erarbeitung einer geeigneten Lösung zur sicheren Entsorgung der verglasten hochaktiven Abfälle (HAA) und abgebrannten Brennelemente (BE). Eine mögliche Option für die Lagerbehälter ist dickwandiger Kohlenstoffstahl. Die Lagerbehälter weisen einen Durchmesser von etwa 1 m und eine Länge von etwa 3 m (HAA) bzw. 5 m (BE) auf und werden in horizontale Stollen eingelagert, welche mit Bentonit verfüllt werden. In den Richtlinien der Behörden wird für den Lagerbehälter eine Auslegung für einen Einschluss der Radionuklide während 1'000 Jahren verlangt, von der Nagra angestrebt wird jedoch ein Einschluss während mehr als 10'000 Jahren. Das Porenwasser, mit dem die Behälter umgeben sind, ist marinen Ursprungs mit etwa 0.1-0.3 M Cl-. Weil durch die Korrosion Wasserstoff gebildet wird, ist eine Abschätzung der Wahrscheinlichkeit von Wasserstoff-induzierter Rissbildung und die Erarbeitung von Empfehlungen, wie eine solche verhindert werden kann, erforderlich.
Deshalb wurden die wichtigsten Berichte evaluiert, die bezüglich der lokalen Bedingungen und den dort erwarteten Korrosionsraten der Lagerbehälter von Relevanz sind, im Hinblick auf die Beurteilung der Auswirkungen der im Stahl vorhandenen Wasserstoffkonzentration. Einfache Berechnungen der Diffusion und Akkumulation von Wasserstoff im Inneren des verschweissten Behälters zeigen, dass in der zu betrachtenden Zeit ein Gasdruck erreicht wird, der mit dem vom Gas ausserhalb des Behälters vergleichbar ist (ca. 10 MPa). Dies ist wichtig, weil die innere Oberfläche der Schweissnaht, die beim Verschluss des Behälters entstanden ist, nicht bearbeitet werden kann. Im vorliegenden Bericht werden die heute vorhandenen Kenntnisse zu Mechanismen zur Wasserstoff-induzierten Rissbildung diskutiert. Die Diskussion ergibt, dass das mechanistische Verständnis und die entsprechenden Modelle für Wasserstoff-induzierte Rissbildung keine quantitative Voraussage solcher Phänomene erlauben. Deshalb beschränkt sich der Bericht auf die Identifikation und Festlegung von Grenzwerten und Bedingungen bezüglich Rissbildung und auf eine Abschätzung der Wahrscheinlichkeit, dass diese Grenzwerte und Bedingungen innerhalb der Lebensdauer des Behälters überschritten werden könnten. Basierend auf einer Analyse der Daten wird eine Rissbildung als sehr unwahrscheinlich eingeschätzt. Im Bericht werden Empfehlungen gemacht zur Auswahl der Stahlzusammensetzung, der Stahlbearbeitung und der Schweissverfahren, damit die Möglichkeit der Rissbildung für den Endlagerbehälter für die erwarteten Lagerbedingungen praktisch ausgeschlossen werden kann.