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Technischer Bericht NTB 84-31

Behälter aus Stahlguss für die Endlagerung verglaster hochradioaktiver Abfälle

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Im gegenwärtigen Konzept der Nagra zur Endlagerung von hochaktiven verglasten Abfällen aus der Wiederaufarbeitung im kristallinen Sockel der Nordschweiz stellen Endlagerbehälter eine der Sicherheitsbarrieren dar. Diese Behälter sollen während mindestens 1'000 Jahren dicht bleiben und einem isostatischen Aussendruck von 300 bar (entsprechend dem maximalen Quelldruck des als Verfüllmaterial vorgesehenen kompaktierten Bentonits) standhalten.

 

Der Bericht beschreibt einen entsprechend ausgelegten Endlagerbehälter aus Stahlguss GS 40, welcher als selbsttragender dickwandiger Druckkörper mit zylindrischem Behältermantel und hemisphärischem Boden und Deckel ausgebildet ist. Bei einem Aussendurchmesser von 940 mm und einer Gesamtlänge von 2'000 mm weist der Behälter eine Wanddicke des zylindrischen Behältermantels von 250 mm und Wanddicken des gewölbten Bodens und Deckels von 150 mm auf. In Boden und Deckel sind der Innenkontur angepasste Zusatzabschirmungen angebracht. Das Gesamtgewicht des mit einer RAA-Kokille beladenen Behälters beträgt 8'900 kg. Der Endlagerbehälter ist so gestaltet, dass unter der Aussendruckbelastung von 300 bar korrosionskritische Zug­ oder Schubspannungen an der mit dem Korrosionsmedium beaufschlagten Behälteroberfläche weitestgehend vermieden bzw. auf unkritische Werte begrenzt werden. Insbesondere wird die Deckelschweissnaht durch die spezielle Ausbildung der Deckelauflage und der rohrförmigen Schweisslippen von Deckel und Behältergrundkörper frei von Zusatzkräften gehalten; die Schweissnaht erfüllt nur eine Dichtfunktion. Die notwendigen Herstellungsschritte und Prüfverfahren sind durch den heutigen Stand der Technik abgedeckt.

Die geforderte Langzeit-Korrosionsbeständigkeit wird erreicht, indem für die Konstruktion ein Korrosionszuschlag von 50 mm vorgegeben wird; dies ist konservativ in Anbetracht der Ergebnisse des Korrosionsprogrammes der Nagra, welche in der chemischen Umgebung des Endlagers eine korrosionsbedingte Angriffstiefe von weniger als 30 mm in 1'000 Jahren erwarten lassen.

Der dickwandige Endlagerbehälter gewährleistet eine ausreichende Abschirmung der radio- aktiven Strahlung der HAA-Kokille, so dass eine direkte Handhabung der Behälter durch das Betriebspersonal möglich ist. Die maximale Dosisleistung an der Oberfläche des zylindrischen Behältermantels beträgt weniger als 100 mrem/h (1 mSv/h), diejenige an Deckel und Boden beträgt sogar nur 30 mrem/h (0,30 mSv/h), wobei die Hauptanteile der Dosisleistung aus der Neutronenstrahlung resultieren. Durch die gute Abschirmwirkung des Endlagerbehälters wird gleichzeitig die Radiolysegasbildung im Endlager stark reduziert. So wurde unter konservativen Annahmen die innerhalb 1'000 Jahren infolge Radiolyse gebildete Wasserstoffmenge auf nur 30 mg berechnet, was im Vergleich zu der sich durch die Korrosion des Behälters ergebende Wasserstoffproduktion von schätzungsweise rund 44 kg in 1'000 Jahren vernachlässigbar gering ist.

Die unter der Annahme einer gleichmässig um 50 mm dünneren (korrodierten) Wanddicke durchgeführten Spannungs- und Stabilitätsanalysen zeigen, dass der Endlagerbehälter unter einem isostatischen Aussendruck von 300 bar an seiner höchstbelasteten Stelle mit einer Vergleichsspannung von weniger als 80 N/mm2 eine Sicherheit gegen Spannungsüberschreitung aufweist, die beträchtlich höher ist als jene, welche vom ASME­Code (ASME VIII, Division 1) vorgeschrieben wird. Bei der Stabilitätsanalyse zeigen die nach demselben Regelwerk durchgeführten Berechnungen ebenfalls hohe Sicherheitsreserven.

Weiterhin wurden in extrem konservativer Annahme für nur einseitig korrodierte Behälter Berechnungen durchgeführt. Diese Spannungs- und Stabilitätsanalysen zeigten ebenfalls, dass ein Bauteilversagen ausgeschlossen werden kann. Abschliessend wurde das Langzeitverhalten, insbesondere das Kriechverhalten des Endlagerbehälters untersucht. Hierbei hat sich gezeigt, dass für den Endlagerbehälter aus GS 40 unter den gegebenen Druck- und Temperaturbelastungen ein Versagen aufgrund Kriecherscheinungen erst zu einem wesentlich späteren Zeitpunkt als nach 1'000 Jahren möglich ist.

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