Analyse des Brandverhaltens von Stoßdämpfern für Behälter zum Transport radioaktiver Stoffe

Abstract

Stoßdämpfer, die zum Schutz von Behältern zum Transport radioaktiver Sto e eingesetzt werden und welche häu g aus von Stahlblech ummantelten, geschichtetem Holz bestehen, reduzieren bei einem etwaigen Unfall die auf den Behälterkörper wirkende mechanische Belastung erheblich. In Zulassungsverfahren muss die Sicherheit der jeweiligen Behälterkonstruktion nachgewiesen werden, wobei u. a. der Nachweis erbracht werden muss, dass die Behälter de nierten Prüfbedingungen widerstehen. Diese beinhalten Aufprallsequenzen aus verschiedenen Höhen und Positionen sowie ein anschließendes das Versandstück 30 min lang allumhüllendes Feuer bei 800 C. Falls Stoßdämpfer infolge der 30-minütigen Feuerbeanspruchung in Brand geraten, dürfen diese unter den Prüfbedingungen nicht gelöscht werden. Die Auswirkungen auf die Sicherheit des Behälters sind hierbei zu untersuchen. Das ist die Basis für die in dieser Arbeit durchgeführten Untersuchungen zum Brandverhalten von stahlblechumkapselten Holzstrukturen mit dem Ziel der Bewertung der daraus resultierenden zusätzlichen thermischen Belastung auf den Behälter. Ein wesentlicher Bestandteil war die Durchführung eines Großbrandversuchs, bei dem ein originalgroßer Stoßdämpfer auf dem Brandprüfstand während einer 30-minütigen Feuerphase entzündet wurde. Der Stoßdämpfer hatte ein Volumen von 3m3 und war mit aus den Prüfbedingungen resultierenden Vorschädigungen versehen. Es wurde ein Prüfstand zur Messung der variablen Wärmeleistung des brennenden Stoßdämpfers entwickelt. Die Wärme wird dabei in den Energieaufnahmebehälter (EAB) eingetragen. Aufgrund der entwickelten Temperaturregelung konnte die Wärmeleistung mit geringen Messfehlern bestimmt werden. Dabei wurde der EAB um maximal 10 K erwärmt. Im Großbrandversuch wurde gezeigt, dass der vorgeschädigte Stoßdämpfer 72 h lang brannte und dass eine signi kante Wärmeleistung in den EAB eingetragen wurde. Die während des Stoßdämpferbrands erzeugte Energie betrug ein Vielfaches im Vergleich zur Wärmeleistung, die allein durch das IAEA-Feuer eingetragen wird. Temperaturen von bis zu 1100 C wurden erreicht. Im Versuch wurde Flammenschlagen im Stoßdämpferinnern und das Glühen der Stoßdämpferstahlblechummantelung beobachtet. Bewusst dessen, dass ein einzig durchgeführter Brandversuch nur unzulängliche Aussagekraft hat, um das Brandverhalten von Stoßdämpfern zu beschreiben, wurde in weiteren Kleinbrandversuchen die Parameterabhängigkeit beim Brand von stahlblechumkapselten Holzstrukturen untersucht. Dafür wurde das Brandverhalten von 8 zylinderförmigen 0,07m3 großen Probekörpern bei variabler Schadstellengröße getestet. In der Bewertung der Kleinbrandversuche konnte gezeigt werden, dass eine kritische Schadstellengröße existiert und welche Streubreite in den Kleinbrandversuchen vorliegt. Die Kleinbrandversuche können damit Aufschluss darüber geben, welche Abweichungen in weiteren Großbrandversuchen zu erwarten wären.

Impact limiters protect accident safe packages used for the transport of spent nuclear fuel and high-level waste. These impact limiters are often filled with wooden boards encapsulated by steel sheets. Their function is to reduce stress on the metal cask in the event of an accident. The transport packages undergo numerical analysis and tests for their safety approval. It has to be demonstrated that the packages can withstand test conditions represented by cumulative drop tests from dfferent heights and positions and a 30 min enduring fully engulfing 800°C fire test phase. Generally, burning of impact limiters in consequence of the fire test is known but was revalued recently. Therefore, the burning of wooden board packages encapsulated by steel sheets was investigated in this PhD thesis. One objective of this work was the design and preparation of a real scale impact limiter fire test, where a 3m3 volume impact limiter was ignited during the 30 min enduring fire phase. The impact limiter was equipped with a pre-damage in consequence of the test conditions. One aim of the test was to measure the heat flux of the burning impact limiter. Therefore, a test bench for heat flux quantification was designed. The maximum desired temperature difference across the calorimeter tank circuit between incoming and outcoming water was 10 K. A feedback control for the calorimeter tank temperature was implemented for precise quantification of the heat flux. In the real scale fire test it was proven that the pre-damaged impact limiter burnt for 72 hours. A significant heat flux into the calorimeter tank and temperatures above 1100 °C were measured during the test. This is a multiple of the heat flux that resulted during the 30 min enduring fire phase. Flaming combustion inside the impact limiter and the glowing of the steel sheet encapsulation were observed. Still aware that the conduction of a single real scale impact limiter fire test is not suffi- cient to evaluate the burning behaviour of impact limiters. Therefore several small scale fire tests were conducted for the assessment of the burning behaviour and the investigation of the parameter dependency. These tests consisted of 8 cylindrical specimen with varying sizes of pre-damage and a wood volume of 0,07m3. Furthermore a critical pre-damage size and the spread of the measurement results were shown. The small scale fire tests shed light on variations that can be expected in further impact limiter fire tests.