DGZfP-JAHRESTAGUNG 2003

ZfP in Anwendung, Entwicklung und Forschung

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Einsatz flexibler Metalldichtungen beim Transport radioaktiver Stoffe

Kurt, Heumos,
Gesellschaft für Nuklear-Service mbH,
Hollestraße 7, D-45127 Essen
Kontakt: Heumos Kurt Dipl.-Phys.

1 Einleitung

Bei der Lagerung abgebrannter Brennelemente werden an die dichte Umschließung und damit auch an die Dichtungen hohe Anforderungen gestellt. So wird für die Umschließung über die Dauer von 40 Jahren (z.Z. Genehmigungszeitraum für die Lagerung) eine integrale Standard-He-Leckagerate von 1*10-7 hPa*l*s-1 gefordert. Auf Grund dieser Forderung scheiden Elastomerdichtungen für diesen Einsatzzweck aus, da sie einerseits bedingt durch ihre Permeationseigenschaften die geforderte Leckagerate nicht erreichen, andererseits eine Langzeitbeständigkeit über 40 Jahre nicht sicher gewährleistet werden kann.

Im Rahmen des Zulassungsverfahrens werden die Behälter mehreren Falltests, bei denen Verzögerungswert von 100 - 200 g keine Seltenheit sind, unterzogen. Nach diesen Unfallsimulationen muss die dichte Umschließung mit reduzierten Anforderungen noch intakt sein.

Die beladenen Behälter werden über Schiene und Straße zum Lager transportiert. Während des Transportes gelten zwar reduzierte Anforderungen an die Dichtheit, da die Einlagerung aber ohne einen Dichtungswechsel erfolgt, gilt die Forderung von 1*10-7 hPa*l*s-1 auch beim Transport. Die einschlägigen Vorschriften für Transporte verlangen, dass der Behälter Beschleunigungen von bis zu 10 g (in Deutschland bis zu 2 g) in Längsrichtung verkraftet, ohne dass es zu irgendeiner Beeinträchtigung der Integrität kommt. Zusätzlich müssen natürlich auch die normalen dynamischen Bewegungen eines Transportes verkraftet werden. Bedingt durch die Falltests und die Transportanforderungen scheiden starre Metalldichtungen wie z.B. Schneidringdichtungen aus und es werden Dichtungen benötigt, die die flexiblen Eigenschaften der Elastomere und die Permeationseigenschaften sowie die Langzeitbeständigkeit von Metallen in sich vereinen.
Eine solche Dichtung stellt die "Hélicoflex(r)" dar.

2 Beschreibung der Dichtung

2.1 Aufbau der Dichtung

Die bei der GNS eingesetzten Hélicoflex(r) Dichtungen vom Typ HN200 sind wie folgt aufgebaut:
Sie bestehen aus einer Spiralfeder aus Edelstahl. Über diese Feder ist ein Edelstahlmantel gelegt, der seinerseits wieder von dem eigentlichen "Dichtungsmantel" umhüllt ist. Das Material des Dichtungsmantels variiert je nach Einsatzweck und besteht bei den von uns eingesetzten Dichtungen aus Aluminium oder Silber. Für den Transport flüssiger hochradioaktiver Stoffe (HAWC) wurden Mitte der 80ziger Jahre auch Gold und Edelstahl erfolgreich getestet. Da die Transportbehälter für HAWC nie zum Einsatz kamen, spielen diese Materialen z.Z. keine Rolle mehr.
Abbildung 1 zeigt den Aufbau einer Dichtung wie sie bei den Transport- und Lagerbehältern vom Typ CASTOR(r) eingesetzt wird.


Abb. 1: Aufbau einer Hélicoflex(r) Dichtung vom Typ HN200 mit Aluminiummantel

2.2 Wirkungsweise der Dichtung

Die Abbildungen 2 zeigen schematisch eine Dichtung vor und nach der Verformung.


Abb. 2: Einbausituation der Dichtung

Die Darstellung zeigt, dass diese Dichtungen im Gegensatz zu den Elastomerdichtungen nur oben und unten an den Dichtflächen anliegen und somit auch nur hier dichten. Die Dichtungen dürfen auch nach dem Verpressen nicht an den radialen Flanken anliegen, da dies die für die Dichtheit erforderliche Verformung behindern würde.
Abb. 3: Kennlinie einer Hélicoflex(r) Dichtung
Die Spiralfeder sorgt einerseits dafür, dass die nötigen Anpresskräfte aufgebracht werden, um die geforderte Dichtheit zu gewährleistet, anderseits dafür, dass die Dichtung in gewissem Umfang elastische Eigenschaften erhält und somit Bewegungen der Dichtflächen in gewissem Umfang ausgleichen kann.
Die Kennlinie in Abbildung 3 zeigt diese Eigenschaft.

Die bei der GNS üblicherweise eingesetzten Alu-Dichtungen werden je nach Größe um ca. 0,9 - 1,2 mm verpresst, wobei Presskräfte von ca. 200 - 350 daN*cm-1 Dichtungslänge aufgebracht werden müssen. Die eingesetzten Silberdichtungen werden ebenfalls um ca. 0,9 - 1,2 mm verpresst, wobei allerdings Presskräfte von ca. 300 - 650 daN*cm-1 Dichtungslänge aufgebracht werden müssen.

3 Verhalten der Dichtungen unter extremen Belastungen

3.1 IAEA - Versuche

Im Rahmen der Zulassungsversuche für Transportbehälter für radioaktive Stoffe müssen u.a. die Nachweise dafür erbracht werden, dass die Behälter einen Fall aus 9 m Höhe auf ein unnachgiebiges Fundament, einen Fall aus 1 m Höhe auf einen massiven Dorn und ein 30 min Feuer bei einer Temperatur von mindestes 800 °C ohne wesentlichen Verlust der Dichtheit überstehen. Dabei ist die Versuchsführung so zu legen, dass die größt mögliche Schädigung eintritt.
High-Speed-Aufnahmen während der 9 m Fallversuche zeigen, dass die Behälterdeckel beim Aufprall nicht nur vom Behälterkörper abheben, sondern gleichzeitig auch in gewissem Umfang Rotationsbewegungen durchführen.
Abbildung 4 zeigt schematisch das Dichtsystem eines CASTOR(r)-Behälters.


Abb. 4 Schematische Darstellung des Dichtsystems eines CASTOR(r)-Behälters

Die He-Dichtheitsprüfungen vor und nach den Versuchen ergaben keine signifikanten Unterschiede in der Dichtheit.

3.2 Beschuss-Versuche

Um den Absturz einer schnell fliegenden Militärmaschine zu simulieren, wurde die Nachbildung einer Triebwerkswelle (als massivstes Teil einer Militärmaschine) mit Schallgeschwindigkeit auf das Deckelsystem eines Behälters geschossen. Obgleich der Sekundärdeckel des Behälters nach dem Beschuss sehr starke plastische Verformungen aufwies, erreichte die Dichtung des Sekundärdeckels noch die geforderten Werte, während die Dichtheit des Primärdeckel keine signifikante Änderung der Dichtheit aufwies.

3.3 Weitere Versuche im Rahmen der Zulassung

Um die Grenzen der Dichtungen auszuloten, wurde bei mehreren Dichtungen der Aluminiummantel auf der radialen Achse durchbohrt. Bei der nachfolgenden Dichtheitsprüfung wurde keine Beeinträchtigung der Dichtheit festgestellt. In einer weiteren Versuchsserie wurden die Dichtungen mehrfach benutzt, wobei der Deckel bei jedem Einbau gedreht wurde. Die jeweils erfolgten Dichtheitsprüfungen zeigten eine Abhängigkeit von der Anzahl der Zusammenbauten, aber es wurde in keinem Falle der Wert überschritten, der nach einem Versuch unter IAEA-Bedingungen zulässig war. Bei den kleinen Dichtungen wurden nach den ersten drei bis fünf Zusammenbauten sogar Leckageraten gemessen, die unterhalb der Auslegungsleckagerate lagen.
Um die Korrosionsfestigkeit der Alu-Dichtungen gegen Cäsium zu prüfen, wurden mehrere Dichtungen einige Jahre Cäsiumdämpfen ausgesetzt bzw. direkt in Cäsium gelegt und regelmäßig geprüft. Während der ca. 5 Jahre laufenden Versuche wurde keine Beeinträchtigung der Dichtheit festgestellt.
Beim Hersteller in Frankreich laufen seit über 20 Jahren (vor über 10 Jahren wurde die Versuchsanordnung von der GNS mbH gekauft, da der Hersteller die Versuche einstellen wollte) Wärmelastversuche mit diesen Dichtungen. Dabei werden mehrere Dichtungen, die in einen Ofen eingebaut wurden zyklisch, hochgeheizt und wieder abgekühlt. Die Dichtheit der Anordnung wird in regelmäßigen Abständen überprüft und es wurde bisher noch kein Versagen der Dichtungen festgestellt.

4 Erfahrungen beim Einsatz der Dichtungen

4.1 Einfluss der Oberflächenrauhigkeit der Dichtflächen

In der Anfangszeit ging man davon aus, dass die Funktionsfähigkeit der Dichtungen am besten durch eine möglichst glatte Dichtfläche (Rt < 1µ) gewährleistet werden würde.
Im Rahmen der ersten Behälterassemblierungen wurde dann allerdings festgestellt, dass bei einer Oberflächenrauhigkeit Rt zwischen 10 und 20 µm die besten Ergebnisse erzielt wurden.

4.2 Einfluss von Fehlern in den Dichtflächen oder der Dichtung

Fehler (Kratzer o.ä.) in den Dichtflächen oder der Dichtung, die in Umfangsrichtung der Dichtung liegen, werden i.A. problemlos toleriert, wobei die Breite der Fehler in Abhängigkeit von der Größe der Dichtung ein gewisses Maß nicht überschreiten darf. Fehler, die die gesamte Dichtspur kreuzen, werden nicht toleriert und führen zu einem deutlichen Anstieg der Leckagerate. Das gleiche Verhalten beobachtet man auch bei Fremdkörpern, die zwischen Dichtung und Dichtfläche gelangen.

4.3 Einfluss der Handhabung

Die Handhabung (der Einbau) der kleineren Dichtung ist völlig unproblematisch. Bei den größeren Dichtungen benötigt man für den Einbau mindestens eine Person pro Meter Dichtungsumfang, um einen ordnungsgemäßen Einbau der Dichtung zu gewährleisten. Vor dem Einbau müssen die Dichtung und die Dichtflächen peinlich genau auf Beschädigungen und eventuell anhaftende Fremdkörper untersucht werden.

4.4 Einfluss der Behälterabfertigung

Die Brennelementbehälter werden normalerweise unter Wasser beladen und müssen im Rahmen der Abfertigung getrocknet werden. Um einen besseren Wirkungsgrad bei der Trocknung zu erreichen, wurde der Primärdeckel für die Trocknung nicht direkt auf den Behälterkörper aufgelegt, sondern wurde über eine spezielle Vorrichtung ca. 60 mm vor Block gehalten. Die nach erfolgter Trocknung und Verschraubung des Deckels durchgeführte Dichtheitsprüfung ergab dann allerdings eine unangenehme Überraschung - die Dichtungen waren undicht -. Die nachfolgenden Untersuchungen ergaben dann Folgendes:
Das im Beckenwasser gelöste Bor war auf der Dichtung und der Dichtfläche ausgefallen und die im Wasser gelösten Salze und Chloride hatten an dem Alu-Mantel der Dichtung zu Korrosion geführt.
Diese Ergebnisse führten dazu, dass die Alu-Dichtung für Beladungen unter Wasser aus dem Programm genommen und das Trocknungsverfahren umgestellt wurde. Der Primärdeckel liegt nun während der Trocknung auf und ist soweit festgeschraubt, dass er ca. 0,2 - 0,3 mm vor Block steht.
Seit dieser Umstellung wurden keine Undichtheiten mehr festgestellt.
Die folgenden Abbildungen zeigen einige Schadensbilder, die während der "optimierten" Trocknung auftraten.


Abb. 5
Schmutz auf einer Metalldichtung

Abb. 6
Borablagerungen auf der Dichtfläche

Abb. 7
Borablagerungen auf der Dichtung

Abb. 8
Borablagerungen auf der Dichtung und Dichtfläche

STARTHerausgeber: DGfZPProgrammierung: NDT.net