Aus Zahlen Informationen generieren: Interview mit den Software-Experten Thomas Voggenberger und Josef Scheuer zum GRS-Analysesimulator

13.11.2018

Der Analysesimulator der GRS wird seit den 1980er Jahren am Standort in Garching entwickelt. Die durch Mittel des Bundesumweltministeriums und des Bundeswirtschaftsministeriums geförderte Software gehört deutschlandweit zu den wichtigsten Tools im Bereich der Reaktorsicherheit. Seit zehn Jahren ist Thomas Voggenberger Projektleiter bei der Entwicklung des Analysesimulators. Nächstes Jahr übergibt er die Leitung an seinen Kollegen Josef Scheuer. Im Interview erläutern die beiden Software-Experten, wie der Analysesimulator funktioniert.

Was kann man sich als Laie unter einem Analysesimulator vorstellen?

Voggenberger: Simulatoren gibt es in vielen Bereichen. Der bekannteste ist der Microsoft-Flugsimulator. Derjenige, der am Flugsimulator sitzt, wählt ein Flugzeug aus, stellt bestimmte Wetterverhältnisse oder vielleicht auch Turbulenzen ein und schaut dann, wie er damit zurechtkommt.

Beim Analysesimulator, den wir hier in der GRS benutzen, dreht sich alles um das Kernkraftwerk. Der Nutzer sitzt vor einem Rechner, der ein Kernkraftwerk oder einen Forschungsreaktor simuliert. Über den Bildschirm kann der Anwender ähnlich wie der Operateur in einer echten Warte agieren. In Prozessbildern kann er durch Farbänderungen und Zahlenwerte sehen, was in der Anlage passiert, zum Beispiel wie hoch der Druck oder die Temperaturen sind. Indem er auf das entsprechende grafische Symbol klickt, kann er in das Geschehen eingreifen und beispielsweise Pumpen abschalten oder Ventile schließen.

Der Analysesimulator ähnelt den Trainingssimulatoren, in denen Personal aus Kernkraftwerken geschult wird. Im Unterschied zum Analysesimulator ist im Trainingssimulator allerdings ein großer Teil der Bedienwarte auch hardwaremäßig abgebildet. Um ein realitätsnahes Training durchzuführen, müssen Trainingssimulatoren mindestens in Echtzeit die Vorgänge beschreiben, was zu Einschränkungen bei der Modellierung der physikalischen Vorgänge führt.

Scheuer: Im Analysesimulator ist es ähnlich, aber der Zweck und die Anwendergruppe unterscheiden sich. Analysesimulatoren haben eine viel weitere Nutzerschaft, unter anderem aus Forschung, Universitäten, Sachverständigenorganisationen aber auch aus der Industrie. Und der Nutzer hat einen anderen Fokus. Er versucht, physikalische Abläufe genauer zu untersuchen, um zu untersuchen, ob Grenzwerte überschritten werden, ob die Materialien und Werkstoffe standhalten, ob die Temperatur in kritische Bereiche rutscht.

Mit dem Analysesimulator lassen sich auch sehr komplexe Szenarien durchspielen. Im Analysesimulator können beliebige Ausfallannahmen und Kombinationen unterstellt werden. Das ist im Trainingssimulator nur eingeschränkt möglich. Im Trainingssimulator soll gelernt werden, die Anlage sicher zu bedienen. Im Analysesimulator konzentriert man sich auf die Analyse des Anlagenverhaltens und erhält Informationen teils in sehr hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung und nicht nur an den Messstellen der Anlage.

Zusammengefasst kann man sagen, dass man den Analysesimulator zur Untersuchung aufgetretener oder hypothetischer Fälle nutzt. Man kann verschiedene Anlagenzustände und Ereignisse untersuchen: vom normalen Betrieb, über den Störfall bis hin zum Unfall oder schweren Unfällen mit Kernschäden.

Wie funktioniert der Analysesimulator der GRS genau?

Voggenberger: Der Analysesimulator besteht im Kern aus drei Komponenten: dem Simulationsprogramm, den Datensätzen und der grafischen Bedienoberfläche. Der Ausgangspunkt ist immer das Simulationsprogramm, das diese physikalischen Prozesse berechnet und die Komponenten der Anlage simulieren kann. Das von der GRS entwickelte und eingesetzte Rechenprogramm, welches sehr häufig eingesetzt wird, heißt ATHLET. Gleichzeitig gibt es noch verschiedene andere Codes, mit denen man das das Programm erweitern oder anwenden kann, abhängig davon, welche Vorgänge man in welchem Bereich der Anlage analysieren möchte.

Diese Simulationen sind oft sehr aufwändig im Hinblick auf die Rechenzeit. Je nach Untersuchung erstreckt sich das von einigen Minuten bis hin zu mehreren Wochen oder sogar Monaten. Bei den rechenzeit-intensiven Analysen ist eine Auswertung, die parallel zur Berechnung erfolgt, wenig praktikabel. In diesen Fällen werden die Berechnungen vorab durchgeführt. Die Auswertung der Rechenergebnisse erfolgt anschließend.

Scheuer: Bei einem Trainingssimulator kann man sich das nicht erlauben. Hier werden die Ergebnisse in Echtzeit präsentiert. Dafür werden z.T. auch andere Rechenverfahren eingesetzt, die z.B. bei der Genauigkeit Abstriche machen. Im Analysesimulator hingegen geht es um die Genauigkeit.

Voggenberger: Damit mit dem Rechenprogramm Anlagen simuliert werden können, muss ein entsprechendes Anlagenmodell in Form eines Datensatzes erstellt werden. Da das Programm nur physikalische Vorgänge beschreibt können verschiedenste Anlagentypen simuliert werden, zum Beispiel verschiedene Typen von Druck- und Siedewasserreaktoren. Die Festlegung des Anlagentyps erfolgt über den Datensatz, der u.a. umfangreiche Daten zum Reaktorkern, zu den Kühlsystemen und zur Leittechnik enthält.

Wie lange braucht man für das Erstellen der Datensätze?

Voggenberger: Um eine grobe Vorstellung zu geben: Wenn man für eine Anlage den Datensatz neu erstellt, kann sich schnell ein Aufwand von mehreren tausend Arbeitsstunden ergeben, einschließlich der Durchführung von Testrechnungen. Die Datensätze müssen auch aktualisiert werden, wenn Änderungen am Kernkraftwerk vorgenommen werden. Deshalb findet diese Datensammlung bei uns ständig statt. Weitere wiederkehrende Entwicklungen an den Datensätzen betreffen Wartungsarbeiten, die mit der Aktualisierung der Rechenprogramme einhergehen und Verfeinerungen von Modellen, um das reale Verhalten immer besser abbilden zu können. 

Die dritte Komponente des Analysesimulators ist für die Visualisierung zuständig. Mithilfe der Visualisierung der Daten ist eine interaktive Steuerung möglich und man kann in die Simulation eingreifen, indem man z.B. Ventile öffnet oder schließt. Das Visualisierungsprogramm „spricht“ im bildlichen Sinn mit dem Simulationsprogramm und überträgt dessen Ergebnisse in Bilder.

In welchen Situationen werfen Sie den Simulator an?

Voggenberger: Wir nutzen den Simulator, um reale Ereignisse in Kernkraftwerken vertieft zu untersuchen. Detaillierte Aussagen zu komplexen Sachverhalten kann man eigentlich nur auf der Grundlage einer Simulation treffen. Wir untersuchen, ob die Ereignisse auch in anderen Kernkraftwerken hätten auftreten können. Uns interessiert dabei auch, wie sie sich hätten weiterentwickeln können, wenn bestimmte Sicherheitssysteme nicht eingegriffen hätten. Der Simulator wird außerdem für Schulungen von Mitarbeitern der GRS oder von Behörden genutzt.

Scheuer: In der Vergangenheit hat man den Simulator auch für die Entwicklung eines Bildschirmdesigns für digitale Warten genutzt. Dabei wurde untersucht, wie Anzeigen und Bedienelemente am besten angeordnet werden, um in einem Störfall schnell und fehlerfrei reagieren zu können.

Könnten Sie die Reaktorunfälle in Tschernobyl und Fukushima mit dem Simulator untersuchen bzw. nachrechnen und wenn ja, haben Sie das getan?

Voggenberger: Bei dem Unfall von Tschernobyl erhöhte sich die Reaktorleistung im Sekundenbereich auf etwa das 100-fache. Wegen dieses gigantischen Anstiegs kam es zu den bekannten Dampfexplosionen, die den Reaktor zerstörten. Die GRS hat den Leistungsanstieg im Reaktorkern in den Monaten nach dem Unfall nachgerechnet. Das Verhalten der gesamten Anlage vor dem Leistungsanstieg konnten wir mit unserem Analysesimulator nicht berechnen, weil uns schlichtweg die Daten fehlten.

Unabhängig von der Nachrechnung des Unfallablaufs in Tschernobyl haben wir in Zusammenarbeit mit russischen Sachverständigenorganisationen Datensätze für diesen russischen Reaktortyp erstellt. Dieser Reaktortyp unterscheidet sich völlig vom Konzept, der Bauweise und der Betriebsführung von westlichen Reaktoren. Mit diesen Datensätzen sind Sicherheitsanalysen möglich. Sie sind dafür eingesetzt worden, die Nachrüst-Maßnahmen zur Vermeidung eines derartigen Unfalls zu untersuchen und ihre Wirksamkeit zu zeigen.

Der Reaktorunfall in Fukushima  wurde umfangreich analytisch untersucht. Man hat zwei Dinge getan. Zum einen wurden Analysen durchgeführt, um den Unfall in Fukushima besser zu verstehen. Zum anderen hat man das Ereignis auf deutsche Anlagendesigns übertragen, um zu sehen was hier passieren würde. Letztlich werden solche realen Unfälle auch deshalb berechnet, um die Einsatzfähigkeit der Rechenprogramme und Modelle zu testen und zu zeigen.

Was macht den Analysesimulator Ihrer Meinung nach zu einem besonderen, wichtigen Werkzeug?

Scheuer: Der Analysesimulator ermöglicht es, ein tiefes Verständnis der Verhaltensweisen einer Anlage zu entwickeln. Das macht ihn für mich zu einem wertvollen Tool. Das Visuelle hilft ungemein dabei, die Zahlen zu verstehen. Es leistet einen wichtigen Beitrag, mögliche Fehlinterpretationen zu vermeiden und Zusammenhänge schneller zu erkennen.

Voggenberger: Es gibt sehr komplizierte Störfälle. Da fallen enorme Mengen Ergebnisdaten und Zahlen an. Selbst für unsere Experten ist das sehr viel. Ohne die grafische Oberfläche wäre das Ergebnis eine Liste von Zahlen. Der Analysesimulator erleichtert die Auswertung der Ergebnisse. Damit können auch Personen, die den eigentlichen Code nicht kennen, die Ergebnisse verstehen.

Auch die Bedienung funktioniert über eine Bedienoberfläche sehr viel leichter. So lassen sich viele Befehle beziehungsweise Ansteuerungen von Komponenten wie „Öffnen“ oder „Schließen“ über definierte Schaltflächen mittels Mausklicks ausführen.

Haben Sie Pläne und Wünsche, wie sich der Analysesimulator in den nächsten Jahren weiterentwickeln soll?

Voggenberger: Wir wollen den grafischen Teil des Analysesimulators neu programmieren und auf den aktuellen Stand bringen. Die Programme müssen sich auch an die neuen Betriebssysteme anpassen lassen und vor diesem Hintergrund erneuert und weiterentwickelt werden.

Scheuer: Da sich die Rechencodes immer weiterentwickeln, muss auch der Analysesimulator die neuen Entwicklungen visualisieren können. In Zukunft sollen online durchgeführte Simulationen flexibler gesteuert und Ergebnisse mehrerer laufender Rechnungen miteinander verglichen werden. Außerdem wollen wir thermohydraulische Effekte in besserer Detailauflösung darstellen. Auch der verstärkte Einsatz von 3D-Darstellungen und Virtual Reality sind Themen, die oft von Nutzern angefragt werden.

Vielen Dank für das Interview!

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