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Digitale Leittechnik

Bild: © istokphoto.com/ TimMcCleanUnter Leittechnik versteht man die technischen Einrichtungen zur Überwachung, Steuerung und Regelung eines Kernkraftwerks. Sie dient dazu, Informationen über den Zustand der Anlage zu erfassen, zu verarbeiten und Einrichtungen wie Steuerstäbe, Pumpen oder Armaturen anzusteuern.

Systeme der  Leittechnik
Die Leittechnik in Kernkraftwerken besteht aus unterschiedlichen Systemen, die verschiedene Aufgaben erfüllen. So ist ein System für die Regelung und Steuerung des Reaktors im Normalbetrieb zuständig. Ein anderes System − das Begrenzungssystem − dient dazu, Störungen rechtzeitig zu erkennen und abzufangen, damit es nicht zu sogenannten Schutzaktionen des Reaktorschutzsystems kommt. Weitet sich trotz Eingriff des Begrenzungssystems eine Störung zu einem Störfall aus, so ist es die Aufgabe des Reaktorschutzsystems, eine Schutzaktion auszulösen, die den Störfall sicher beherrscht. Solche Schutzaktionen sind z.B. die Schnellabschaltung des Reaktors und der Turbine.

In der Trennung in Regelungs- und Steuerungssystem, Begrenzungssystem und Reaktorschutzsystem spiegelt sich ein Grundprinzip der Reaktorsicherheit wider. Denn ein entscheidender Beitrag zur Sicherheit von Kernkraftwerken ist, dass alle sicherheitsrelevanten Systeme – hier das Begrenzungssystem und das Reaktorschutzsystem – aus mehrfach vorhandenen Teilsystemen aufgebaut sind. Diese sind räumlich so voneinander getrennt, dass z.B. ein Brand nicht mehr als ein Teilsystem zerstören kann. Außerdem sind die Systeme zur Regelung und Begrenzung und das Reaktorschutzsystem funktional getrennt, um eine gegenseitige Beeinflussung zu verhindern.

Wechsel von festverdrahteter auf digitale, softwarebasierte Leittechnik
Deutsche Kernkraftwerke wurden während ihres Baus mit sogenannter festverdrahteter Leittechnik (im Sprachgebrauch häufig „analoge Leittechnik“) ausgestattet. Bei der analogen Leittechnik werden die erforderlichen Funktionen durch die feste Verdrahtung von integrierten Schaltkreisen festgelegt. Seit den Neunzigern findet bei der Leittechnik ein Technologiewandel hin zur digitalen, softwarebasierten Leittechnik statt. Bei der softwarebasierten Leittechnik wird die Funktionalität durch ein im Speicher der Einrichtungen abgelegtes Programm festgelegt.

Als eine Folge des Technologiewandels sind zum Beispiel in den Kernkraftwerken Biblis A, Isar 1, Isar 2 und Grohnde im Bereich der Reaktor- und Turbinenregelung auf softwarebasierte Leittechnik umgerüstet worden. Bei dem Reaktorschutzsystem − der für die Sicherheit wichtigste Teil der Leittechnik − gibt es zwar für einige Anlagen Änderungsanträge zur Umstellung. Da deren Prüfung aber noch nicht abgeschlossen ist, ist in deutschen Anlagen das Reaktorschutzsystem bis zum heutigen Tag in festverdrahteter Technik aufgebaut.

Bewertung softwarebasierter Leittechnik: Vor- und Nachteile
Ein Grund für den Wechsel auf softwarebasierte Leittechnik ist die zunehmend erschwerte Ersatzteilbeschaffung für die bisher verwendeten festverdrahteten Baugruppen. Vorteile der digitalen Leittechnik liegen in den Möglichkeiten der Prozessoptimierung. Gleichzeitig sind softwarebasierte Systeme bezüglich ihrer Fehlerfreiheit aber weitaus schwieriger zu prüfen als die festverdrahteten Baugruppen. Eine digitale Einrichtung hat einen um ein vielfaches komplexeren Aufbau als festverdrahtete Einrichtungen. Nichterkannte Programmierfehler, fehlerbehaftete Updates, Lücken in der IT-Sicherheit und die – im Gegensatz zur festverdrahteten Technik – unzureichende Betriebserfahrung kennzeichnen die Schwierigkeiten bei der Bewertung der Zuverlässigkeit softwarebasierter Einrichtungen.

Lösung in Sicht?
Die Zuverlässigkeit der softwarebasierten Leittechnik ist insbesondere im Bereich der Schutzaktionen  sehr wichtig. Diese Funktionen kommen ausschließlich im Falle von Störungen oder Störfällen zum Einsatz. An softwarebasierte Sicherheitsleittechnik werden deshalb hohe Anforderungen gestellt. Bevor softwarebasierte Leittechnik im Reaktorschutz zum Einsatz kommen kann, muss sie deshalb geprüft und qualifiziert sein. Außerdem müssen aus Sicht der GRS beim Einsatz softwarebasierter Leittechnik im Reaktorschutz bestimmte Reaktorschutzfunktionen in diversitärer, d.h. unterschiedlicher, Technik realisiert werden. Nationale und internationale Institutionen sowie Gremien (z.B. die Reaktorsicherheitskommission, der VdTÜV, der Kerntechnische Ausschuss und die Internationalen Atomenergie-Organisation (IEAO) diskutieren derzeit die an softwarebasierte Leittechnik zu stellenden Anforderungen und erarbeiten hierzu Leitlinien, Regeln und Standards.

Das Thema digitale Leittechnik in der GRS
Die GRS beteiligt sich in verschiedenen Gremien an den Diskussionen zu Anforderungen, die an softwarebasierte Sicherheitsleittechnik zu stellen sind. Unter anderem war sie an der Erarbeitung der Stellungnahme des VdTÜV zu den erforderlichen Vorsorgemaßnahmen gegen systematisches Versagen von digitalen leittechnischen Einrichtungen im Reaktorschutz kerntechnischer Anlagen beteiligt.

Die GRS arbeitet daran mit, eine Bewertungsgrundlage nach aktuellem Stand von Wissenschaft und Technik für die Zuverlässigkeit moderner leittechnischer Einrichtungen zu schaffen. Sie nimmt zu allen sicherheitstechnisch relevanten Fragestellungen der festverdrahteten und der softwarebasierten Systeme und Komponenten in der Leittechnik Stellung.

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