Damit keiner in die Röhre schaut: Wie Simulationsprogramme aus der Reaktorsicherheit bei der Instandhaltung von Trinkwassernetzen helfen können

22.01.2018

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Ob in Kernkraftwerken (KKW), Industrieanlagen, Trinkwassernetzen, Biogasanlagen oder Wohnhäusern: Rohrleitungen sind so etwas wie die Lebensadern vieler technischer Anlagen. Leckagen in diesen Leitungen können zu einem Sicherheitsrisiko werden, wenn beispielsweise giftige, radioaktive oder brennbare Stoffe darüber an die Umwelt und zum Menschen gelangen. Hinzu kommt, dass derartige Schäden in aller Regel auch mit wirtschaftlichen Einbußen verbunden sind, wenn der zu transportierende Stoff auf dem Weg zum Zielort teilweise verloren geht oder es durch die Leckage zu Ausfallzeiten bei der Anlage kommt.

Warum die Forscherinnen und Forscher der GRS sich mit Leckagen befassen

Aufgrund ihrer möglichen Auswirkungen auf den sicheren Betrieb von KKW forschen Fachleute für Strukturmechanik bei der GRS seit Jahrzehnten intensiv zum Thema Leckagen. Um im Generator Strom zu erzeugen muss die antreibende Turbine mit Dampf versorgt werden. Dieser kommt in einem KKW mit Druckwasserreaktor über die sogenannte Frischdampfleitung  aus den Dampferzeugern. Die Dampferzeuger wiederum sind über Rohrleitungen mit dem Reaktor verbunden. In diesen Rohrleitungen wird die von den Brennelementen erzeugte Wärme in die Dampferzeuger transportiert. Ebenso benötigen die Turbinen für ihren Betrieb Öl, das ebenfalls über Rohrleitungen zum Einsatzort geleitet wird.

Um das Verhalten von Leckagen und deren Auswirkungen noch besser prognostizieren zu können, werden mithilfe spezieller Rechenprogramme beispielsweise die Leck- und Bruchwahrscheinlichkeiten sowie die Leckraten in Rohrleitungen und Behältern analysiert. Als Leckrate wird dabei definiert, wie schnell eine Volumeneinheit aus einem Leck ausströmt oder kurz gesagt: wie viel in welcher Zeit raus kommt. Sie ist vor allem abhängig von Druck, Temperatur und Aggregatzustand des Mediums in der Leitung. Außerdem spielen auch Gegebenheiten an der Außenseite eines Rohres eine Rolle. Geht man beispielsweise von einer Rohrleitung in einem KKW aus, die Wasser unter hohem Druck und hoher Temperatur führt, während die Umgebungstemperatur und der Druck an der Außenseite des Rohres niedriger sind, dann tritt ein Wasser-Dampf-Gemisch aus dem Leck aus.

Unter den verschiedenen Arten von Leckagen, die im kerntechnischen Bereich vorkommen können, sind rissartige Lecks in Rohren von besonderer Bedeutung. In der Regel sind diese zunächst schmal, das heißt es gelangt nur eine geringe Menge aus der Rohrleitung in die Umgebung. Erhöht sich allerdings der Druck im Rohr, können sich die Lecks aufweiten und im schlimmsten Fall kann es infolge von Risswachstum dann sogar zu einem Rohrbruch kommen.

Da sich Leckagen erst ab einer bestimmten Größe sicher erkennen lassen, ist für Forscher die Leckgröße zwischen den „Extremen“ von besonderem Interesse: beginnend ab dem Punkt, an dem die Leckage schon detektierbar aber noch stabil ist, bis zu dem Punkt, bevor es zu einem Rohrbruch kommt. Die Eingrenzung und Festlegung dieses Bereichs erfolgt im Rahmen von sogenannten Leck-vor-Bruch Nachweisen (siehe Abbildung). Das kerntechnische Regelwerk in Deutschland verlangt, dass diese Nachweise für bestimmte Leitungen in deutschen KKW erbracht sein müssen. 

Schematische Darstellung der Leckrate als Funktion der Lecklänge: Der hellblaue Bereich in der Mitte zeigt die Lecklängen, bei denen ein Leck detektierbar aber noch ausreichend stabil ist. In diesem Bereich ist das Auffinden des Lecks möglich, so dass rechtzeitig eine Reparatur erfolgen kann (Grafik: GRS)

Untersuchungen zum Leck-vor-Bruch Nachweis

Mit einem Leck-vor-Bruch Nachweis wird gezeigt, dass ein wanddurchdringender Riss (Leck) in einer druckführenden Rohrleitung eines KKW hinreichend stabil bleibt und dass dieses Leck rechtzeitig erkannt werden kann, bevor es sich vergrößert und es gegebenenfalls zum Bruch der Rohrleitung kommt. Es ist also von Vorteil, wenn eine Leitung ein solches Leck-vor-Bruch Verhalten zeigt. Dadurch würde sich ein Zeitfenster ergeben, um Gegenmaßnahmen einzuleiten, zum Beispiel das Abschalten der Anlage. Ob eine Rohrleitung Leck-vor-Bruch Verhalten aufweist, hängt von verschiedenen Eigenschaften der Komponente ab. Beispielsweise neigen Rohre mit größerem Durchmesser eher zum Leck-vor-Bruch Verhalten, als solche mit kleinem Durchmesser. Hingegen hat die Wanddicke einen eher vernachlässigbaren Einfluss auf das Leck-vor-Bruch Verhalten.    

Nutzen für die Trinkwasserversorgung

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der GRS prüfen derzeit, inwieweit die Erkenntnisse aus den Untersuchungen zum Leck-vor-Bruch Nachweis in der Kerntechnik auf die Instandhaltung des Trinkwassernetzes  angewandt werden können.
Die Folgen des Klimawandels in Form von Dürren, Überschwemmungen etc. haben bereits jetzt in vielen Regionen der Erde Auswirkungen auf die Verfügbarkeit von Trinkwasser. Dort, wo ohnehin schon Trinkwasserknappheit herrscht, stellen zusätzliche Wasserverluste, die durch beschädigte Leitungen zustande kommen, ein großes Problem dar. Industrienationen in Regionen mit ausreichend Wasserreserven hingegen stehen in erster Linie vor ökonomischen Herausforderungen was die Trinkwasserversorgung angeht. Hier gilt es, insbesondere Rohrbrüche in einem alternden Netz durch entsprechende Instandhaltungsmaßnahmen zu vermeiden.

Das Wissen zum Verhalten von Leckagen in Rohrleitungen kann die Zuverlässigkeit der Trinkwasserversorgung erhöhen. Konkret wurden hierzu im Fachgebiet Strukturmechanik hydraulische Beschreibungen von Leckagen, wie sie in der Wasserwirtschaft vorkommen, mit Leckausströmmodellen aus der Kerntechnik verglichen. Dabei konnte gezeigt werden, dass die Leckausströmmodelle der GRS eine gute Begründung für die in Wasserverteilsystemen beobachteten Eigenschaften von Lecks bereit halten, die mit einfacheren Modellen bisher nicht erklärt werden konnten. Die ersten Berechnungen hierzu wurden auf der internationalen Fachkonferenz 15th International Computing & Control for the Water Industry Conference in Sheffield vorgestellt. Der dazu eingereichte Fachbeitrag „Leakage Modeling: High Leakage Exponents Due to Friction Effects“ der GRS-Kollegen wurde als Best Paper ausgezeichnet.

Neben der Wasserwirtschaft prüfen die Fachleute der GRS derzeit weitere mögliche Einsatzfelder für die Berechnungen von Leckagen, zum Beispiel die Prozesstechnik (z. B. Öl-/Gas-Pipelines) oder die Infrastruktur zur wasserstoffbasierten Mobilität.

Weiterführende Links

GRS-Simulationsprogramm WinLeck
GRS-Simulationsprogramm PROST (Programm zur Bestimmung der Zuverlässigkeit von Strukturen)