Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 6854

Limit Strains for Severe Accident Conditions Final Report of the EU-project LISSAC

R. Krieg, M. Seidenfuß

Abstract
The local failure strains of essential reactor vessel components are investigated. The size influence of the components is of special interest. Typical severe accident conditions including elevated temperatures and dynamic loads are considered.

The main part of work consists of test families with specimens under uniaxial and biaxial static and dynamic loads. Within one test family the specimen geometries and the load conditions are similar, the temperature is the same; but the size is varied up to reactor dimensions. Special attention is given to geometries with a hole or a notch causing non-uniform stress and strain distributions typical for reactor components. There are indications that for such non-uniform distributions size effects may be stronger than for uniform distributions. Thus size effects on the failure strains and failure processes are determined under realistic conditions.

Several tests with nominal identical parameters are performed for small size specimens. In this way some information is obtained about the scatter. A reduced number of tests is carried out for medium size specimens and only a few tests are carried out for large size specimens to reduce the costs to an acceptable level. To manufacture all specimens sufficient material was available from the unused reactor pressure vessel Biblis C consisting of the material 22NiMoCr37. Thus variations of the mechanical material properties, which could impair the interpretation of the test results, are quite small. This has been confirmed by an adequate number of additional quality assurance tests.

A key problem was the definition of failure and the determination of the local strains at failure for very different specimens under varying load conditions. Here appropriate methods had to be developed including the so-called “vanishing gap method” and the “forging die method”. They are based on post test geometrical measurements of the fracture surfaces and reconstructions of the related strain fields using finite element calculations, for instance.

To deepen the understanding of structural degradation and fracture and to allow extrapolations, advanced computational methods including damage models have been developed and validated. The problems to be treated here are quite difficult. Micro-structural effects, for instance, play an important role. Therefore several approaches were tried in parallel. In some cases so-called non-local concepts, in other cases the description of stochastic properties at the grain size level are considered.

The experimental results indicate that stresses versus dimensionless deformations are approximately size independent up to failure for specimens of similar geometry under similar load conditions. Also the maximum stress is approximately size independent, if failure occurs after the maximum stress is reached.

Cracks are initiated, if the local equivalent strain – here expressed as a true or logarithmic strain, respectively – reaches a critical value, called the local failure strain. It turned out to be more than 50 % for large specimens approaching the dimensions of the reactor pressure vessel.

The local failure strains are size dependent. They reach values around 150 % for small specimens with thicknesses or diameters of a few millimetres.

The parameter describing the size effect is the radius of holes or notches located in critical specimen regions. It is very remarkable and it simplifies the applications that the shape of the specimen and the type of load plays a minor role, only.

Some of the above findings about size effects can be understood by theoretical investigations considering the stochastic, micro structural character of the material. However quantitative predictions based on micro structural models are still beyond the current knowledge.

As expected, the scatter of the results on structural failure is considerable. However statistical evaluations indicate that the failure strains will hardly fall below a lower threshold.

Thus limit strains, i.e. limit values for true equivalents strains depending on the hole or notch radius in the critical specimen region could be proposed. These limit strains are valid for temperatures up to 400 °C. Dynamic loads are included. Limit strains for higher temperatures up to 850 °C are also discussed but their reliability is restricted. If in severe accidents the proposed limit strains will not be exceeded, it can be assumed that the structure will not fail.

Using the limit strains – or acceptable strains – a more realistic strain based evaluation concept can be employed for structural mechanics analyses of severe accident consequences. Furthermore the results on size effects will help to examine, whether findings from small scale model experiments can be converted to reactor conditions.

The applicability of the results can be extended to other geometries and load conditions by using the recommended theoretical models. However, in any case, care must be taken when the stress triaxiality is higher than in the LISSAC specimens. In this case the failure strain may decrease significantly.

A remarkable worth mentioning result is, that under excessive load large fragments of structures can be completely torn off to become missiles. This happened in a biaxial test under quasi static load provided by (almost incompressible) pressurized oil.

Application of the proposed limit strains to selected severe accident problems shows that the admissible load increases by a factor between 1.25 and about 2.0 in comparison to using state-of-the-art rules.

There will be two types of benefits. It will now be possible to show that additional very severe accidents can be carried by the structures; without the LISSAC results the consequences of these accidents could hardly be assessed. On the other hand, certain structural improvements planned to harden the facility against severe accidents might now turn out to be not necessary.

Dehnungsgrenzen für Materialbeanspruchungen bei schweren Unfällen – ausführlicher Abschlussbericht

Zusammenfassung
Die lokalen Versagensdehnungen wesentlicher Komponenten des Reaktordruckbehälters werden untersucht. Der Größeneinfluss der Komponenten ist von besonderem Interesse. Typische Unfallbedingungen wie erhöhte Temperaturen und dynamische Beanspruchungen werden berücksichtigt.

Hauptteil der Arbeiten sind Testfamilien mit Materialproben unter ein- und mehrachsiger statischer und dynamischer Belastung. Innerhalb einer Testfamilie ist die Probengeometrie ähnlich und die Temperatur ist gleich; nur die Probengröße wird variiert bis hin zu Reaktorabmessungen. Die meisten Proben enthalten ein Loch oder eine gerundete Kerbe. Die dadurch hervorgerufenen ungleichmäßigen Spannungsund Dehnungsverteilungen sind typisch für Reaktorkomponenten. Es gibt Hinweise, dass für solche ungleichmäßigen Verteilungen der Größeneinfluss besonders ausgeprägt ist.

Bei Proben mit kleinen Abmessungen werden mehrere Tests mit nominell identischen Parametern durchgeführt. Dadurch ist es möglich auch Informationen über die Streuung der Ergebnisse zu gewinnen. Bei Proben mit mittleren Abmessungen werden nicht ganz so viele Tests und bei Proben mit großen Abmessungen wird jeweils nur ein Test durchgeführt. Zur Herstellung der Proben stand Material 22NiMoCr37 vom nicht benutzten Reaktordruckbehälter Biblis C zur Verfügung. Dadurch war es möglich, die störenden Variationen der mechanischen Materialeigenschaften klein zu halten. Dies wird durch begleitende Materialstichproben bestätigt.

Ein Schlüsselproblem war die Definition und Bestimmung der lokalen Versagensdehnungen für die sehr unterschiedlichen Geometrien und Testbedingungen. Hierzu mussten spezielle Methoden wie zum Beispiel die „vanishing gap method“ oder die „forging die method“ entwickelt werden. Sie beinhalten geometrische Vermessungen der Bruchoberflächen nach den Tests und erlauben die Rekonstruktion der Dehnungsfelder in den Proben beim Rissbeginn – beispielsweise mit Hilfe von Finite-Elemente-Rechnungen.

Um das Verständnis der beobachteten Materialschädigungen und der Bruchvorgänge zu vertiefen, wurden fortgeschrittene theoretische Modelle entwickelt und – wenn möglich – validiert. Dazu gehören unter anderem so genannte „non-local concepts“, aber auch Modelle, die die stochastischen Materialeigenschaften der einzelnen Körner berücksichtigen. Derartige Modelle sind bei der Extrapolation zu anderen Beanspruchungsbedingungen hilfreich.

Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass für ähnliche Probengeometrien und Belastungsbedingungen die Spannungen über den dimensionslosen Verformungen nahezu größenunabhängig sind – bis zu den jeweiligen größenabhängigen Versagenspunkten. Damit ist auch die Maximalspannung näherungsweise größenunabhängig, vorausgesetzt Versagen erfolgt nachdem die Maximalspannung erreicht wurde.

Risse werden initiiert, wenn die lokale Vergleichsdehnung – hier formuliert als „wahre“ bzw. „logarithmische Dehnung“ – einen kritischen Wert erreicht. Dieser kritische Wert wird als lokale Versagensdehnung definiert. Für große Proben im Bereich der Reaktorabmessungen beträgt sie mehr als 50%.

Die lokale Versagensdehnung ist größenabhängig. Für kleine Proben mit Dicken oder Durchmessern im Millimeterbereich erreicht sie etwa 150%.

Der die Probengröße beschreibende Parameter ist der Radius der Löcher und Kerben in den Proben. Die sonstige Form der Proben und die Art der Belastung hat dagegen nur geringen Einfluss. Dies ist bemerkenswert und erleichtert die praktische Nutzung der Ergebnisse.

Die experimentellen Erkenntnisse können mit Hilfe theoretischer Modelle verstanden werden, die die Existenz von Material-Mikrostrukturen berücksichtigen. Versagensprognosen mit Modellen die die Material-Mikrostrukturen im Detail abbilden sind derzeit jedoch noch nicht möglich.

Wie erwartet sind die Streuungen der ermittelten lokalen Versagensdehnungen erheblich. Statistische Bewertungen zeigen jedoch, dass die lokalen Versagensdehnungen einen unteren größenabhängigen Grenzwert nicht unterschreiten.

Damit war es möglich größenabhängige, d.h. vom Loch- oder Kerbradius abhängige Dehnungsgrenzen vorzuschlagen. Diese gelten für Temperaturvariationen zwischen Raumtemperatur und 400 °C sowie auch für dynamische Belastungen. Dehnungsgrenzen für höhere Temperaturen bis 850 °C werden diskutiert. Wenn bei schweren Unfällen die vorgeschlagenen Dehnungsgrenzen nicht überschritten werden, darf angenommen werden, dass die Bauteile nicht brechen.

Mit Hilfe von Dehnungsgrenzen ist es möglich für schwere Unfälle ein wesentlich realistischeres, auf Dehnungen basierendes Bewertungskonzept anzuwenden. Ferner ist es jetzt möglich zu entscheiden, inwieweit experimentelle Ergebnisse von kleineren Reaktormodellen auf reale Rektorabmessungen übertragbar sind.

Unter Beachtung der theoretischen Untersuchungen sind auch Anwendungen auf andere Geometrien und Beanspruchungsbedingungen möglich. Vorsicht ist jedoch geboten, wenn die Dreiachsigkeit des Spannungszustandes größer ist als bei den hier untersuchten Proben. In diesem Falle können die Versagensdehnungen erheblich abnehmen.

Es soll auch erwähnt werden, dass bei Überbelastung von Bauteilen Bruchstücke abgetrennt und weggeschleudert werden können. Dies wurde demonstriert beim Test einer zweiachsigen Probe unter quasi-statischer Belastung (Druckbelastung durch nahezu inkompressibles Öl).

Die Anwendung der vorgeschlagnen Dehnungsgrenzen auf ausgewählte strukturmechanische Probleme bei schweren Unfällen zeigt, dass im Vergleich zu den bisherigen Bewertungsmethoden, die noch hinnehmbare Belastung um einen Faktor zwischen 1.25 und etwa 2.0 zunimmt.

Die Ergebnisse können auf zweierlei Weise einen Gewinn bedeuten. Es wird jetzt möglich sein zu zeigen, dass von den gegenwärtigen Anlagen weitere schwere Unfälle beherrscht werden können. Ferner ist es denkbar, dass diskutierte sicherheitstechnische Nachbesserung sich jetzt als überflüssig erweisen.

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