Zwischenlagerung Konzepte, Bautechnische Herausforderungen, Alterung, extreme Einwirkungen

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1 Zwischenlagerung Konzepte, Bautechnische Herausforderungen, Alterung, extreme Einwirkungen, Dennis Köhnke, Harald Budelmann Institut für Baustoffe, Massivbau und Brandschutz TU Braunschweig

2 Einführung weltweit rund 440 kommerziell betriebene Kernreaktoren - jährlich werden ca t bestrahlten Kernbrennstoffs produziert (8.500 t als radioaktiver Abfall, t zur Wiederaufarbeitung) insgesamt ca t bestrahlten Kernbrennstoffs in der Zwischenlagerung - entspricht in etwa der jährlichen Kapazität der MVA der EEW Energy from Waste Hannover GmbH, aber auch - etwa der 25-fachen Masse des Eiffelturms und der 2,5-fachen Masse der Harmony of the Seas Zwischenlagerung Zwischenlagerung: - Umgang mit der Zwischenlagerung international sehr unterschiedlich - Zentrale Randbedingungen: Zielsetzung, Zeiträume - Abfallarten unterschiedlich (Brennelementarten, Glaskokillen etc.) - Vielfalt technischer Systeme - Abhängigkeit von vorigen und nachgeordneten Schritten 2

3 Ziele der Zwischenlagerung Mögliche Ziele in Anlehnung an [OECD NEA 2006]: Abklinglagerung (decay storage) für das Abklingen von Radioaktivität und Wärmeentwicklung Pufferlagerung (buffer storage) innerhalb eines bereits laufenden Prozesses, vor einem Transport oder vor der direkten Tiefenlagerung Zwischenlagerung (interim storage) zur Überbrückung der Zeit bis zu einer Entscheidung, zur Bereitstellung eines Tiefenlagers etc. Strategische Lagerung (strategic storage) für Materialien mit potentiellem Nutzen oder Wert in der Zukunft, die infolge dessen nicht als Abfall deklariert werden Indefinite storage Ziele und Zeiträume sind zentrale Randbedingungen, die eng miteinander verknüpft sind Beispiel Deutschland 3

4 Begrifflichkeiten in Deutschland Verlängerte Zwischenlagerung: Über den ursprünglich genehmigten Zeitraum hinausgehende Zwischenlagerung. [ESK 2015, S. 4] Bis zur Einlagerung der Abfälle in das Endlager sind diese zwischenzulagern. Die Kommission bezeichnet diese Form der Zwischenlagerung in Abgrenzung zur Langfristigen Zwischenlagerung als notwendige Zwischenlagerung, da sie per se nicht als Entsorgungsoption betrachtet wird und auf das bis zur Einlagerung in das Endlager unabdingbare Maß zu reduzieren ist. [BT-Drs. 18/9100, S. 212] Unter dem Begriff der Langzeitzwischenlagerung versteht die Kommission die Zwischenlagerung hoch radioaktiver Abfälle über einen Zeitraum von mehreren hundert Jahren, unter einem zeitlich nicht festgelegten Verzicht auf die Entwicklung einer endgültigen Entsorgungslösung. [ ] Um daher überhaupt als denkbare Strategie in Betracht zu kommen, bedarf eine Langzeitzwischenlagerung über einige hundert Jahre einer bewussten Entscheidung und einer dezidierten Begründung. [BT-Drs. 18/9100, S. 189 f.] 4

5 Begrifflichkeiten in Deutschland Was heißt long term? Langzeit-, Langfristzwischenlagerung? Long term storage is considered in this Safety Guide to be storage beyond approximately 50 years, and with a defined end point. [ ] Long term storage is not expected to last more than approximately 100 years. [ ] The 100 year period is judged to be adequate to allow enough time to determine future fuel management steps. [IAEA SSG-15, S. 91] Zwischenfazit: - zahlreiche Begriffe in Verwendung - Gesamtkontext der Entsorgungsstrategie stets zu berücksichtigen Zielsetzung und Zeiträume sind wichtige Randbedingungen für Entwurf und Auslegung von Zwischenlagersystemen! 5

6 Anforderungen an Zwischenlager IAEA Safety Fundamentals No. SF-1: The fundamental safety objective is to protect people and the environment from harmful effects of ionizing radiation IAEA Safety Standards No. SSG-15: The design features and the operation of the facility should be such as to provide - containment of radioactive material to - ensure that radiation protection of workers, members of the public and the environment is optimized within the dose constraints [ ] - to maintain subcriticality, - to ensure removal of decay heat and - to ensure retrievability of the spent fuel. 6

7 Trocken Nass Technische Konzepte I In Anlehnung an [IAEA-TecDoc-1558] Typ Wärmeabfuhr Containment Abschirmung Besonderheit Wasserbecken (anlagenbezogen/ selbstständig) Vaults (MVDS, MACSTOR, HABOG ) Wasser Wasser, Bauwerk Wasser Klassische Option Konvektion an metallischen Röhren Hüllrohr (Inertgas) Umgebende Betonstruktur Verschiedene Ausführungsvarianten Zentrales Zwischenlager CLAB (Oskarshamm, S) Quelle: Zentrales Zwischenlager HABOG nach Vault-Konzept (Vlissingen, NL) 7

8 Trocken Technische Konzepte II In Anlehnung an [IAEA-TecDoc-1558] Typ Wärmeabfuhr Containment Abschirmung Besonderheit (Metallische) Behälter (CASTOR, TN ) Wärmeleitung durch Behälterwand, Konvektion Doppeldeckelsyst. mit metallischen Dichtungen (Inertgas) Behälterwand inkl. Moderatorstäbe Transport- und Lagerbehälter (dual purpose) (Beton-)Behälter (CONSTOR, HI-STORM ) Konvektion am inneren Abfallbehälter Hohlraumliner, Dichtschweißung (Inertgas) Umgebende Beton- und Stahlschichten Stehend Betonmodule (NUHOMS, MAGNASTOR ) Konvektion am inneren Abfallbehälter Dichtschweißung des inneren Behälters (Inertgas) Umgebende Betonstruktur Auch liegend Standortzwischenlager Krümmel, D Quelle: Vattenfall Modulare Systeme (bspw. NUHOMS, in Anlehnung an [ANDRA 2012]) 8

9 Interaktive Weltkarte zur Zwischenlagerung Interaktives Format mit Informationen zur Zwischenlagerung hoch radioaktiver Reststoffe aus der kommerziellen Stromerzeugung eigenständig konzipiert und programmiert zweisprachig: deutsch / englisch browserbasiert, abrufbar über Länder-Fact-Sheets der FFU FUB und des KIT ITAS verfügbar 9

10 Grundkategorien der Technischen Konzepte Zusammenfassung in Grundkategorien Nasslagerung Trockenlagerung - Behälter (Vortrag Wolfgang Neumann), ggf. in Kombination mit Stahlbetonhallen - Module - Vaults (häufig sehr massige Stahlbetonbauwerke) 10

11 Systemkomponente Beton In Zwischenlagern häufig eingesetzt zur Abschirmung der ionisierenden Strahlung und als Konstruktionsbaustoff (bzw. mechanische Barriere) Bestandteile von Beton Zement (verschiedene Arten) Wasser Gesteinskörnung (Art, Form, Porosität ) Betonzusatzstoffe (Hüttensand, Puzzolane) Betonzusatzmittel (z. B. Fließmittel, Luftporenbildner) Zementsack für einen Hochofenzement Serpentin Baryt Hämatit 11

12 Abschirmung ionisierender Strahlung α β γ γ-strahlung geschwächt 1 Blatt Papier 15 Blatt Papier 4 mm Aluminium Dickere Bleischichten Beton Abbremsung der Neutronen Neutroneneinfang Abschirmung der γ-strahlung n Polyethylen Wasser Bor Cadmium Blei Beton In Anlehnung an [Koelzer 2004] 12

13 Abschirmung ionisierender Strahlung durch Beton Beton wird für die Abschirmung von γ- und Neutronenstrahlung eingesetzt Zielgrößen für den Mischungsentwurf: γ: hohe Rohdichte (z. B. Blei kg/dm³) und hohe Ordnungszahlen (z. B. Blei 82) n: hoher Wassergehalt; Zusätze von z.b. Bor, Cadmium; hohe Rohdichte 70 Vol.-% im Beton GK gute Einflussmöglichkeit Quelle: [VDZ 2002] 13

14 Abschirmung ionisierender Strahlung durch Beton Video Auszüge aus Untersuchungen zur Simulation desabschirmungsverhaltens in Kooperation mit dem KIT INE, ibmb 14

15 Beton als Konstruktionsbaustoff sehr vielseitig einsetzbar, hohe Leistungsfähigkeit Anpassungsmöglichkeiten an den jeweiligen Einsatzzweck sehr umfangreich dauerhaft ( wobei: Was bedeutet dauerhaft?) Verhältnismäßig hohe Druckfestigkeit, dagegen kaum Zugfestigkeit Einsatz von eingebetteter Bewehrung aus zugfesten Materialien (im Regelfall: Bewehrungsstahl) Neben dem Beton muss vor allem die Bewehrung zwingend vor Korrosion geschützt werden 15

16 Bewehrungsstahl Schädigungsphasen an Stahlbeton Schädigungsgrad eines Bauwerks Bruchgrenzzustand (ULS) Einleitungsphase Zerstörungsphase Zeit Beton Betondeckung c MicroCT-Aufnahmen unterschiedlicher Betone in verschiedenen Skalen, ibmb 16

17 Schädigungsbilder in der Praxis 17

18 Dauerhaftigkeitskonzepte nach Norm In Anlehnung an [VDZ 2014] 18

19 Bewehrungsstahl Festlegung betontechnologischer Parameter Entwicklung des Dauerhaftigkeitskonzeptes für Stahlbeton von 1978 bis 2001 nach [Köhnke 2017] Zeitliche Entwicklung des Dauerhaftigkeitskonzeptes von 1978 bis 2001 Jahr W/Z Wert Mindestzementgehalt Betondeckung Mindestbewehrung erforderlich? 1978 Z 25: 0,65 Z 25: 280 kg/m³ 10 bis 40 mm Nein Z 35: 0,75 Z 35: 240 kg/m³ 1988 Z 25: 0,65 Z 35: 0,75 Z 25: 280 kg/m³ Z 35: 240 kg/m³ 20 bis 50 mm Ja 2001 Werte sind abhängig von der jeweiligen Expositionsklasse Ja 0,45 bis 0, bis 320 kg/m³ 20 bis 55 mm Kleiner W/Z- Wert: Kleiner Kapillarporengehalt (Transportraum) Hoher Zementgehalt: Höhere Festigkeit Kann als Füller der Porenräume fungieren Beton Konstruktive Regel u. a. zur Rissbreitenbeschränkung Betondeckung 19

20 Besondere Randbedingungen in Zwischenlagern Besondere Randbedingungen in Zwischenlagern sind nicht in der Normung erfasst - Direkter Zustrom von Außenluft infolge Naturzugkühlung - erhöhte Temperaturen o o Beschleunigung chemischer Prozesse Zwangsspannungen (Gefahr der Rissbildung) - außergewöhnliche bzw. extreme Einwirkungen o o o o Erdbeben Explosionsdruckwelle Flugzeugabsturz etc. Simulation der Temperaturfelder in einem STEAG-Lager Quelle: [BfS 2005, S.40] 20

21 Extreme Einwirkungen Grundkategorien Sicherheit (zufällig bzw. unbeabsichtigt auftretend) Sicherung (Störmaßnahmen oder sonstige Einwirkungen Dritter) Unter dem Aspekt der Sicherheit, Auszug nach [ESK 2013] Einwirkungen von innen - Mechanische Einwirkungen (z. B. Behälterabsturz) - Thermische Einwirkungen durch Brand Einwirkungen von außen - Naturbedingte Einwirkungen von außen: Sturm, Regen, Schneefall, Frost, Blitzschlag, Hochwasser, Erdrutsch, Erdbeben - Zivilisatorisch bedingte Einwirkungen von außen: Druckwellen aufgrund chemischer Reaktionen, Flugzeugabsturz (zufälliger Absturz eines schnell fliegenden Militärflugzeugs) 21

22 Erdbebeneinwirkung - Natürlich entstehende Erschütterung (z. B. infolge Plattentektonik, Vulkanismus, etc.) - Bodenbeschleunigungen (Wellen) führen zu teils verheerenden Bauwerksschäden - Zahlreiche Parameter zur Steuerung des Bauwerkswiderstands (Massenverteilung, Aussteifung, Energiedissipation durch Bildung plastischer Gelenke etc.) 22

23 Erdbebeneinwirkung - Oberflächenwellen maßgebend für Bauwerksbeanspruchungen Rayleigh-Welle Love-Welle Ungestörter Bereich F = m a - Modellierung erfordert zutreffende/zuverlässige Werte der Beanspruchung sowie genaue Kenntnis der Bauwerkseigenschaften (statisches System, Konstruktion) a - Etablierte Berechnungsmethoden verfügbar 23

24 Explosionseinwirkung Bemessungswert für Bauwerke ist der Reflexionsüberdruck Effektivster Schutz vor Explosionen ist ein möglichst großer Abstand des Explosionsherdes zum Bauwerk Vereinfachte Explosionsdruckwelle verfügbar (z. B. [DIN 25449]) - Ergebnis stark abhängig von den Bauwerkseigenschaften Spitzenüberdruck pso Druck p t a t pos Positive Phase Negative Phase Zeit t t neg p atm Druck p [kn/m²] Zeit t [s] 0 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 z. B. in [Reichardt 2017] 24

25 Lastfall Flugzeugabsturz Unterscheidung zwischen - Militärflugzeug - Verkehrsflugzeug hinsichtlich der Parameter Anfluggeschwindigkeit, Winkel, Massenverteilung etc. Motivation zur Erforschung: Kerntechnik, Auslegung von Reaktorgebäuden Bemessungsgrundlage: Phantom F-4 - Anfluggeschwindigkeit 215 m/s - Eigengewicht 20 t - Auftrefffläche 7 m² 25

26 Lastfall Flugzeugabsturz mechanisch sehr komplexer Vorgang - Bauwerk muss sowohl lokal als auch global ausreichend Widerstandsfähigkeit aufweisen o o o Durchstanzen verhindern, Schäden begrenzen Standsicherheit (Gesamtimpuls) Induzierte Schwingungen Datenbasis realer Vorkommnisse dieser Art (glücklicherweise) sehr gering Abschätzung über Ingenieurmethoden wie z. B. allgemeine Lastansätze oder Simulationsprogramme 110 F [MN] t [ms] - [Reichardt 2017] 26

27 Sicherheitskonzept im Bauwesen Im Bauwesen hat sich das semiprobabilistische Sicherheitskonzept durchgesetzt Einwirkungen E im Regelfall statistisch verteilt - Wind, Schnee, Temperaturen etc., so auch Erdbeben - Ausnahmen bilden extreme Beanspruchungen wie Explosion und Flugzeugabsturz (Wie damit umgehen?) Widerstände R sind im Regelfall statistisch verteilt - Materialeigenschaften, Ausführungsqualität etc. - Zutreffen des zugrunde liegenden Ingenieurmodells (statisches System, numerisches Modell) Kombinationen von Einwirkungen werden rechnerischen Widerständen gegenübergestellt, Grundforderung des Sicherheitskonzeptes: - R(t) > E(t) 27

28 Zuverlässigkeit und Lebensdauer Einwirkung E Widerstand R E E E R R (t) mittlere Lebensdauer E (t) Zeit t p f Versagenswahrscheinlichkeit Zuverlässigkeit Z technische Lebensdauer z z In Anlehnung an: [Gehlen 2000] 28

29 Bauwerkszustand Bauwerkszustand unter außergewöhnlichen Lasten Gewöhnliche Beanspruchungen Resttragfähigkeit Zwischenlager Außergewöhnliche Beanspruchungen Teil- oder vollständige Zerstörung Außergewöhnliche Beanspruchung Gewöhnliche Beanspruchungen Tragfähigkeitsreserven Grenzzustand der Tragfähigkeit Zeit 29

30 Bauwerksmonitoring Möglichkeiten der Zustandsüberwachung Mess- und Monitoringsysteme Anwendungsmöglichkeiten und Grenzen Kombination verschiedener Verfahren Quelle: [IAEA TecDoc 1025] Definition relevanter Parameter Wahl geeigneter Methoden auf Basis der Randbedingungen Interpretation der Ergebnisse Grundlage für Ingenieurmethoden 30

31 Band zur Zwischenlagerung Herausgeber: Arbeitstitel: Franziska Semper,, Dennis Köhnke Zwischenlagerung hoch radioaktiver Abfälle Diskussionsbeiträge zu aktuellen Herausforderungen Recht: Semper Strahlenschutz: Neumann Abfälle, Behälter und Bauwerk: Pönitz, Köhler, Köhnke, Reichardt Praxis: Zeiger et al. (BfE), Verhoef et al. (COVRA) Ethik: Ott, Riemann, Budelmann 31

32 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Fragen? Förderkennzeichen 15S9082A 32

33 Quellen [ANDRA 2012] [BfS 2005] [BT-Drs. 18/9100] [DIN 25449] [ESK 2015] [ESK 2013] ANDRA: Bilan des études et recherches sur l entreposage - Déchets radioactifs de haute activité et de moyenne activité à vie longue, 2012, Abruf: Bundesamt für Strahlenschutz: Dezentrale Zwischenlager Bausteine zur Entsorgung radioaktiver Abfälle, 2005 Deutscher Bundestag, 18. Wahlperiode: Abschlussbericht der Kommission Lagerung hoch radioaktiver Abfallstoffe, 2016 Deutsches Institut für Normung e. V.: DIN Bauteile aus Stahl- und Spannbeton in kerntechnischen Anlagen - Sicherheitskonzept, Einwirkungen, Bemessung und Konstruktion. Berlin, Beuth Verlag GmbH, Entsorgungskommission: Diskussionspapier zur verlängerten Zwischenlagerung bestrahlter Brennelemente und sonstiger Wärme entwickelnder radioaktiver Abfälle K-MAT 41, 2015 Entsorgungskommission: Empfehlung der Entsorgungskommission: Leitlinien für die trockene Zwischenlagerung bestrahlter Brennelemente und Wärme entwickelnder radioaktiver Abfälle in Behältern. Revidierte Fassung vom

34 Quellen [Gehlen 2000] [Hartmann 2009] [IAEA 2015] [IAEA SSG-15] [IAEA TecDoc 1025] [IAEA TecDoc 1341] [IAEA TecDoc 1558] Gehlen, Christoph: Probabilistische Lebensdauerbemessung von Stahlbetonbauwerken - Zuverlässigkeitsbetrachtungen zur wirksamen Vermeidung von Bewehrungskorrosion, DAfStb (2000), Heft 510. Thomas Hartmann: Zur mesomechanischen Modellierung von Beton und ihrer Anwendung zur makromechanischen Modellbildung. Dissertation. Universität der Bundeswehr, München, International Atomic Energy Agency: Nuclear power reactors in the world. Wien, International Atomic Energy Agency: IAEA Safety Standards. Specific Safety Guide No. SSG-15: Storage of Spent Nuclear Fuel. Wien, 2012 International Atomic Energy Agency: IAEA-TECDOC-1025: Assessment and management of ageing of major nuclear power plant components important to safety: Concrete containment buildings - IAEA-TECDOC-1025, Wien, 1998 International Atomic Energy Agency: IAEA-TECDOC-1341: Extreme external events in the design and assessment of nuclear power plants. Wien, International Atomic Energy Agency: IAEA-TECDOC-1558: Selection of Away- From-Reactor Facilities for Spent Fuel Storage - A Guidebook. Wien,

35 Quellen [Köhnke 2017] [Koelzer 2004] [OECD NEA 2006] [Reichardt 2017] [Riedel et al. 2013] Dennis Köhnke: Die unbestimmte Nutzungsdauer als besondere technische Herausforderung bei der Zwischenlagerung hoch radioaktiver Abfälle. In: Semper, Reichardt, Köhnke (Hrsg.): Zwischenlagerung hoch radioaktiver Abfälle - Diskussionsbeiträge zu aktuellen Herausforderungen, Springer Verlag, im Erscheinen. Winfried Koelzer: Grundlagen über Atomaufbau, Radioaktivität, Strahlenarten, Dosis, Abschirmung, PDF/ ik_atomaufbau01_2004.pdf, Abruf: Organisation for Economic Co-Operation and Development, Nuclear Energy Agency: The Roles of Storage in the Management of Long-lived Radioactive Waste - Practices and Potentialities in OECD Countries, : Herausforderungen und Randbedingungen für das Zwischenlagerbauwerk als langfristig wirksame, vollwertige mechanische Barriere. In: Semper, Reichardt, Köhnke (Hrsg.): Zwischenlagerung hoch radioaktiver Abfälle - Diskussionsbeiträge zu aktuellen Herausforderungen, Springer Verlag, im Erscheinen. Riedel, Nöldgen, Stolz, Wassmann: Innovative kritische Infrastrukturen mit Hochleistungsbeton: Auslegungsmethoden gegen Flugzeuganprall. In: Beton- und Stahlbetonbau 108 (2013), Heft 8 35

36 Quellen [VDZ 2002] [VDZ 2014] VDZ: Richter, T.: Schwerbeton/Strahlenschutzbeton. Zement-Merkblatt Betontechnik B 10, Verein Deutscher Zementwerke e.v. (Hrsg.), Düsseldorf, Ausg. 01/2002 VDZ: Oesterheld, R., Beck, M.: Expositionsklassen für Betonbauteile im Geltungsbereich des EC2. Zement-Merkblatt Betontechnik B 9, Verein Deutscher Zementwerke e.v. (Hrsg.), Düsseldorf, Ausg. 09/2014 [WNA 2017] World Nuclear Association: Radioactive Waste Management, Abruf: