MSTOR – Langzeitverhalten von Metalldichtungen

Gegenstand:	MSTOR – Metal Seals During Long-Term Storage Erweiterung der vorhandenen experimentellen Basis zum temperaturabhängigen Alterungsverhalten von Metalldichtungen Ableitung eines Prognosemodells für Dichtungskennwerte
Projektpartner:	GNS (Behälterhersteller, Deutschland) Technetics (Dichtungshersteller, Frankreich EWN Entsorgungswerk für Nuklearanlagen GmbH (Lagerbetreiber)
Laufzeit:	2021 bis 2031, gegebenenfalls länger

Der sichere Einschluss der radioaktiven Stoffe während der Lagerung wird durch das Doppeldeckel-Dichtsystem mit verpressten Metalldichtungen gewährleistet.

In der Dichtbarriere kommen ausschließlich Metalldichtungen vom Typ Helicoflex^® des französischen Herstellers Technetics zum Einsatz. Dichtungen vom Typ Helicoflex^® bestehen aus einem Spiralfederkern und einem Edelstahlmantel, der von einem äußeren Liner aus Aluminium oder Silber überzogen ist. Die Funktionsweise der Dichtungen beruht einerseits auf der Elastizität der Spiralfeder (siehe Abbildung 3), die im verpressten Zustand eine Rückstellkraft generiert, die erforderlich ist, um den Kontakt zwischen dem Außenliner und den Dichtflächen aufrechtzuerhalten. Zum anderen sorgt die Plastizität des Außenliners dafür, dass sich die Oberfläche der Dichtung optimal an die Struktur der Dichtfläche anpasst. Unter dem Anpressdruck fließt das Linermaterial in die Unebenheiten der Kontaktfläche, was die eigentliche Voraussetzung für die Erzielung der hohen Dichtheit mit Standard-He-Leckageraten unter 10^-8 P m³/s ist. Die einzuhaltende Standard-He-Leckagerate von 10^-8 P m³/s ist daher auch als systemspezifisches Qualitätskriterium für die erforderliche langfristige Funktionssicherheit zu verstehen und nicht als eine radiologisch begründete Dichtheitsanforderung, da diese auch mit höheren Leckageraten eingehalten würde.

Abbildung 3:
Funktionsweise von Metalldichtungen des Typs Helicoflex^®

Beim erstmaligen Verpressen der Metalldichtung ergibt sich der in Abbildung 4 dargestellte Kraft-Verformungs-Verlauf. Bei der Verformung e₀ wird die erforderliche Dichtheit erstmals erreicht, aber erst bei der Verformung e₂ befindet sich die Dichtung in ihrem Arbeitspunkt. Das Erreichen des Arbeitspunktes ist konstruktiv durch die Tiefe der Nut sichergestellt, in die die Dichtung im Deckel eingelegt ist, da die Differenz zwischen der Nuttiefe und dem Torusdurchmesser der Dichtung genau der optimalen Verpressung e₂ entspricht.

Kommt es infolge äußerer Lasten zu einer Entlastung der Dichtung, das heißt zu einem Spalt zwischen dem Deckel und der Gegenfläche, bleibt die geforderte Dichtheit bis zum Erreichen von e₁ aufrechterhalten. Der zulässige Spalt zwischen der Dichtfläche und dem Deckel entspricht dabei der nutzbaren elastischen Rückfederung r_u (siehe Abbildung 4). Insbesondere dieser Parameter und die dazugehörige Kraft Y₁ sind wesentlich dafür, das Verhalten der Metalldichtung unter Betriebs- und Störfallbedingungen zu bewerten.

Im Einbauzustand kommt es infolge der mechanischen Beanspruchung und der herrschenden Temperaturen zu Kriechvorgängen in der Metalldichtung, die sich in Form von Relaxation bemerkbar machen. Wie in Abbildung 4 dargestellt, sinkt infolge der Relaxation die Rückstellkraft im Arbeitspunkt auf Y_2r bei unveränderter Verformung. Zwar sinkt bei Entlastung die minimal erforderliche Kraft zur Aufrechterhaltung der spezifizierten Dichtheit Y_1r, aber auch die Verformung e_1r nimmt entsprechend ab, sodass die verbleibende nutzbare Rückfederung r_ur einer gealterten Dichtung gegenüber dem Montagezustand nennenswert abnimmt.

Um das Langzeitverhalten der eingesetzten Metalldichtungen zuverlässig bewerten zu können, ist daher die Kenntnis der Kennwerte Y_1r und r_ur einer gealterten Dichtung von großer Bedeutung. Insbesondere die verbleibende nutzbare Rückfederung r_ur ist ein Maß zur Beurteilung der Robustheit der Dichtbarriere, also der Frage, inwieweit die Dichtung in der Lage ist, auch bei äußeren mechanischen Einwirkungen die erforderliche Dichtheit aufrechtzuerhalten.

Abbildung 4:
Kennwertveränderung von Metalldichtungen durch Alterung

Die bisher durchgeführten Langzeit-Untersuchungen und die Betriebserfahrungen von mehr als 25 Jahren belegen, dass die hohen Dichtheitsanforderungen auch langfristig von den verwendeten Metalldichtungen eingehalten werden. Es ist zu erwarten, dass dies auch für eine über 40 Jahre hinausgehende Zwischenlagerung gilt. Zur Absicherung und quantitativen Prognose des Dichtungsverhaltens über längere Zeiträume sind jedoch weitergehende Untersuchungen mit Bestimmung der Veränderung der Dichtungskennwerte unter dem Einfluss von Temperatur und Zeit erforderlich.

Zwischen 2013 und 2016 wurde mit RuDrift ein Untersuchungsprogramm zum Alterungsverhalten von Metalldichtungen unter der Regie der GNS durchgeführt. Die Versuche wurden im Gemeinschaftslabor von Technetics und CEA am Standort Pierrelatte (Frankreich) vorgenommen. Die für die Prüfungen entwickelten Testflansche aus rostfreiem Edelstahl (SST) repräsentieren dabei die Standard-Dichtflächen-Deckelkombination (vernickelter Behälterköper/martensitisches Deckelmaterial). In die Testflansche wurden aluminium- und silberummantelte Metalldichtungen eingesetzt, wie sie im Primär- und Sekundärdeckel, den sogenannten Großdeckeln, zum Einsatz kommen. Die in Testflanschen verpressten Metalldichtungen wurden bei Temperaturen von 100 °C, 130 °C und 150 °C für zwei Jahre gelagert, um insbesondere für die maximalen Auslegungstemperaturen das zeitliche Dichtungsverhalten prognostizieren zu können. Parallel erfolgte als Referenz die Lagerung von Flanschen bei Raumtemperatur. Zu verschiedenen Zeitpunkten wurden die Testflansche aus den Öfen entnommen und die Entlastungskurven mit Y_1r und r_ur aufgenommen. Die Ergebnisse beschreiben das quantitative Verhalten der Metalldichtungen für ein Temperaturniveau, das dem der maximalen Auslegungswärmeleistung entspricht.

Tatsächlich liegen die Dichtungstemperaturen während der Zwischenlagerung deutlich unter den Versuchstemperaturen bei RuDrift, das heißt, die Auslegungstemperaturen werden selbst zum Beladezeitpunkt nicht erreicht und fallen aufgrund der abnehmenden Wärmeleistung weiter ab. Um auch für die bei der verlängerten Zwischenlagerung zu erwartenden Dichtungstemperaturen valide Aussagen zum Verhalten der Metalldichtungen zu erlangen, ist geplant, zusätzliche Versuche auf niedrigeren Temperaturniveaus mit entsprechend verlängerter Versuchsdauer durchzuführen. Außerdem sollen auch Dichtungen mit kleinerem Torusdurchmesser in die Untersuchungen einbezogen werden, die in den sogenannten Kleindeckeln (Verschlussdeckel und Schutzkappe sowie Druckschalter) eingesetzt werden. Ebenso ist geplant, die Übertragbarkeit auf eine weitere zur Anwendung gekommene Dichtflächen-Deckel-Kombination zu untersuchen. Hierbei handelt es sich um die Kombination aus unbeschichtetem Gusseisen (DCI) mit nicht rostendem Edelstahl (SST), die nur für Großdeckel mit aluminiumummantelten Metalldichtungen relevant ist. Dementsprechend stellt sich das Erprobungsprogramm (EP) im Rahmen von MSTOR wie folgt dar (siehe Abbildung 5):

Abbildung 5:
Übersicht Versuchsprogramm RuDrift/MSTOR

EP1/2
Weiterführung der mit RuDrift begonnenen Warmauslagerung von aluminium- und silberummantelten Metalldichtungen in Großdeckeln bei 130 °C (plus ein Jahr) und 100 °C (plus mindestens drei Jahre) zur Verbesserung der Prognosegenauigkeit im gewählten Temperaturbereich sowie zur weiteren Referenzprüfung von bei Raumtemperatur (plus acht Jahre) gelagerten Dichtungen.

EP3/6
Erweiterung der Datenbasis für aluminium- und silberummantelte Metalldichtungen in Großdeckeln bei Auslagerungstemperaturen von 60 °C und 80 °C, jeweils über einen Zeitraum von mindestens acht Jahren.

EP4
Schaffung einer Datenbasis für aluminiumummantelte Metalldichtungen in Großdeckeln für die Flansch-Kombination DCI/SST bei repräsentativen Auslagerungstemperaturen von 130 °C (ein Jahr), 100 °C (sechs Jahre) sowie bei Raumtemperatur (sechs Jahre) zu Referenzzwecken.

EP5/7
Schaffung einer Datenbasis für aluminium- und silberummantelte Metalldichtungen in Kleindeckeln für die Flansch-Kombination SST/SST bei Auslagerungstemperaturen analog zu den Großdeckeldichtungen von 150 °C (ein Jahr), 130 °C (drei Jahre), 100 °C (sechs Jahre), 80 °C (sieben Jahre) und 60 °C (mindestens sieben Jahre) sowie bei Raumtemperatur (mindestens sieben Jahre) zu Referenzzwecken.

Auf Basis der temperatur- und zeitabhängigen Messergebnisse werden Prognosemodelle für die Vorhersage der Kennwertänderung der Metalldichtungen abgeleitet. Diese Modelle erlauben einerseits die Bewertung des Langzeitverhaltens von Metalldichtungen unter Berücksichtigung der realen Wärmeleistung und des Abklingverhaltens. Andererseits können die Ergebnisse dazu genutzt werden, Metalldichtungen durch Warmauslagerung gezielt vorzualtern, um zum Beispiel weiterführende Untersuchungen an gealterten Dichtungen durchzuführen. In den Erprobungsprogrammen EP3/6 werden zur Verifikation der Berechnung zusätzliche Flansche (sogenannte Travelling Flanges) mit silber- und aluminiumummantelten Metalldichtungen bei verschiedenen Temperaturen (130 °C, 100 °C, 80 °C und 60 °C) ausgelagert und die jeweiligen Messergebnisse mit den temperatur- und zeitabhängigen Berechnungen verglichen. So soll gezeigt werden, dass das gefundene Prognosemodell in der Lage ist, realistische Betriebsbedingungen mit abnehmenden Temperaturen korrekt wiederzugeben.

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MSTOR – Langzeitverhalten von Metalldichtungen

Publikationen (Pressemitteilungen der BGZ)

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Forschungsprojekt LEDA: Vorbereitungen für erste Untersuchungen laufen auf Hochtouren

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