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Technical Report NTB 92-14
Mechanical Behaviour of High Level Nuclear Waste Overpacks under Repository Loading and During Welding
In der Schweiz sieht eines der Entsorgungskonzepte für hochradioaktive Abfälle vor, ein Endlager in einer Tiefe von etwa 1200 m im kristallinen Grundgestein der Nordschweiz zu errichten. Bei diesem Konzept wurde Wert auf das Prinzip mehrfacher Sicherheitsbarrieren gelegt, um in ihnen die Freisetzung der Radionuklide zur Biosphäre zu verzögern und dabei ihre Konzentration auf annehmbare Werte zu reduzieren. Neben den natürlichen Barrieren (Wirtgestein und überlagerte Sedimente) sind folgende ingenieurmässige Barrieren vorgesehen: Die Form des verglasten hochradioaktiven Abfalls selbst und ein mit verdichtetem Bentonit hinterfüllter, horizontal in der Achse des Endlagers angeordneter Endlagerbehälter. Der Endlagerbehälter soll während mindestens 1000 Jahren dicht bleiben und die Radionuklide vom Grundwasser isolieren. Die Hinterfüllung aus Bentonit soll den Transport von Wasser und gelösten Partikeln zwischen dem hochradioaktiven Abfall und dem Wirtgestein reduzieren.
Der erste Teil der vorliegenden Arbeit berichtet über die Teilnahme am Projekt COMPAS (COontainer Mechanical Performance ASsessment). Dieses Projekt wurde im Zusammenhang mit dem Atomenergieprogramm 'Radioactive Waste Management and Disposal' der Europäischen Gemeinschaft ausgeführt und konzentriert sich auf das mechanische Verhalten von Endlagerbehältern für hochradioaktiven Abfall. Das Projekt COMPAS verfolgte zwei Ziele. Erstens sollte nachgewiesen werden, dass Endlagerbehälter entworfen werden können, welche den geologischen Belastungen tiefliegender Endlager standhalten. Und zweitens sollten die analytischen Möglichkeiten herausgefunden werden, mit denen das Verhalten von Endlagerbehältern sowohl unter den geologischen Belastungen tiefliegender Endlager als auch unter Belastungen infolge von extremen Bedingungen vorhergesagt werden kann. Im Projekt COMPAS wurde grosses Gewicht auf vorhersagende Berechnungen gelegt. Daher wurden mit Experimenten an Modellen, ausgehend von einfachen Ringmodellen bis zu realen, massstäblichen Modellen beispielsweise in Form des Endlagerbehälters der Nagra, die erforderlichen Daten für eine Überprüfung der Berechnungen bereitgestellt. Unser Interesse an einer Teilnahme am Projekt COMPAS bestand darin, das verwendete Finite Elemente Programm an Experimenten zu verifizieren, die für den Entwurf von Endlagerbehältern relevante Probleme behandeln.
Der zweite Teil dieser Arbeit befasst sich mit dem Themenkreis Spannungsrisskorrosion beim Endlagerbehälter der Nagra für die Endlagerung verglaster hochradioaktiver Abfälle. Die durchgeführten Berechnungen (Steag & Motor-Columbus 1984) zur Dimensionierung des Endlagerbehälters aus Stahlguss GS-40 weisen für die Spannungen einen Sicherheitsfaktor von 5 gegenüber der Zugfestigkeit nach. Fragen betreffend Spannungsrisskorrosion müssen nun aber dann gestellt werden, wenn grosse Zugspannungen erwartet werden, auch wenn niedrigfester Stahl mit seinem potentiell guten Widerstand gegenüber dieser Art von Korrosion eingesetzt wird. Bei der Nagra wurde ein Projekt zu diesem Themenkreis mit folgenden Zielen initiiert:
- das Verhalten des Referenzstahls auf Spannungsrisskorrosion detaillierter als in den früheren Projekten zu untersuchen und Laboruntersuchungen einzubeziehen,
- die Möglichkeiten von Computerprogrammen bei der Ermittlung von Schweisseigenspannungen sowie deren vollen oder teilweisen Abbau abzuklären sowie
- die Eignung verschiedener Methoden für einen ausreichenden Abbau der Schweisseigenspannungen festzulegen.
Der oben erwähnte Punkt (2) ist Gegenstand des zweiten Teils dieser Arbeit. Nach einer Beschreibung der Materialeigenschaften von Stahlguss GS-40 wird das eindimensionale Modell FIBRE diskutiert, welches Einblick in die bei thermomechanischen Berechnungen von Schweissprozessen involvierten Parameter geben soll. Dann werden die thermomechanischen Berechnungen zur Bestimmung der Schweisseigenspannungen mit der Methode der Finiten Elemente beschrieben: Es werden der Berechnungsablauf, die Verifikation des vorgeschlagenen Materialmodells zur Simulation des Materialverhaltens bei hohen Temperaturen, Mehrlagenschweissung und Abbau von Schweisseigenspannungen dargelegt.
Die Berechnungen wurden mit dem kommerziellen Finite-Elemente-Programm ADINA (ADINA 1984) durchgeführt. Die Resultate von ADINA wurden als Eingabe für den Postprozessor ORVIRT (Bass & Bryson 1983) verwendet, wenn Bruchmechanikprobleme zu behandeln waren. Während der Arbeiten zur Simulation des Schweissprozesses wurde offensichtlich, dass zur Beschreibung des Materialverhaltens bei hohen Temperaturen ein eigenes Materialmodell erforderlich ist. Dieses Materialmodell wurde im Finite-Elemente-Programm SOLVIA (SOLVIA 1987) eingebaut; SOLVIA wurde aus der Version 84 des Programms ADINA abgeleitet.
Die vorliegende Arbeit lässt folgende Folgerungen zu:
- Das kommerzielle Finite-Elemente-Programm ADINA eignet sich, Spannungsanalysen an den Endlagerbehältern zur Lagerung hochradioaktiver Abfälle unter den geologischen Belastungen tiefliegender Endlager wie auch während des Schweissens durchzuführen.
- Es wurde gezeigt, dass mit dem Finite-Elemente-Programm ADINA das Verhalten von Endlagerbehältern mit einem Genauigkeitsgrad bestimmt werden kann, der innerhalb von realistischen, ingenieurmässigen Grenzwerten liegt. Die innerhalb des Projekts COMPAS ausgeführten Validierungs- und Verifizierungsarbeiten behandelten Kriechvorgänge, Bruchmechanikprobleme und Beulen. Die Experimente wurden mit zwei- und dreidimensionalen Modellen simuliert, in denen elastoplastisches Materialverhalten vorausgesetzt und grosse Verschiebungen berücksichtigt wurden. Das Materialmodell zur Simulation des Materialverhaltens bei hoher Temperatur wurde an Hand eines Experiments verifiziert, wo zwei Ringe mittels Elektrostrahlschweissen zusammengefügt wurden.
- Die in die thermomechanischen Berechnungen eingehenden Annahmen für die Simulation des Schweissprozesses sind wichtig für die Form des Werkstücks, nicht jedoch für die Eigenspannungen, da die berechneten Eigenspannungen hoch sind und dadurch von der Fliessgrenze begrenzt werden. Die berechneten Zugspannungen um die Schweissnaht herum können die Fliessgrenze erreichen.
- Der in einer Wärmebehandlung nach dem Schweissen erzielte Spannungsabbau kann in der daran anschliessenden Abkühlung auf Raumtemperatur erhalten bleiben, wenn die Abkühlung in geeigneter Weise erfolgt. Rasches Abkühlen kann hohe Eigenspannungen erzeugen, welche auch bei Berücksichtigung viskoser Effekte nicht unbedingt kleiner ausfallen werden.