PROST: Die Strukturzuverlässigkeit von Komponenten analysieren

Eine zentrale Voraussetzung für den sicheren Betrieb einer kerntechnischen Anlage ist, dass Rohrleitungen und Behälter den auftretenden Belastungen mit sehr hoher Zuverlässigkeit standhalten. Um das Entstehen und das Wachstum von Rissen bis hin zu möglichen Brüchen bei metallischen Komponenten bewerten zu können, hat die GRS das Simulationsprogramm PROST (PRObabilistische STrukturmechanik) entwickelt.

Rohrleitungen und Behälter unter Dauerbelastungen

Sicherheitstechnisch relevante Komponenten in kerntechnischen Anlagen müssen ihre Integrität über die gesamte Einsatzzeit beibehalten. Dabei müssen sie z.B. hohen Innendrücken, Temperaturschwankungen, Schwingungen, Neutronenbestrahlung und chemischen Prozessen standhalten. Diese Einwirkungen und auch kleinste Risse, die während der Herstellung oder während des Betriebs entstehen können, werden bei der Konzeption und Dimensionierung der Komponenten in konservativer Weise berücksichtigt. Um nachzuweisen, dass es nicht zu einem integritätsgefährdendem Risswachstum kommen kann, müssen entsprechende Analysen durchgeführt werden. Mit PROST kann sowohl der Prozess der Rissbildung als auch die Vergrößerung von unterstellten Rissen unter Verwendung anerkannter bruchmechanischer Modelle und Berücksichtigung spezifischer Umgebungsbedingungen untersucht werden. Mit dem Simulationscode lässt sich auch bewerten zu, ob die Entwicklung eines Risses bis zum Leck oder sogar bis zum Bruch der Komponente für eine gewisse Zeit ausgeschlossen werden kann.

Vielfältige Schädigungsmechanismen 

PROST kann die Vergrößerung von rissartigen Defekten durch Korrosion, Materialermüdung (infolge zyklischer Belastungen) und zähes Risswachstum (duktiles Aufreißen unter großen Lasten) simulieren; auch die Kombination mehrerer Schädigungsmechanismen ist möglich. Zu jedem Schädigungsmechanismus stehen mehrere Modelle zur Verfügung, die das Verhaltens des Werkstoffs im konkreten Fall beschreiben. Auch das Wachstum von Durchrissen (Lecks), aus denen z.B. Kühlmittel ausströmt, kann in PROST simuliert und die Sicherheitsmarge gegenüber dem Bruch der Komponente quantifiziert werden.

Ziel: Befunde bewerten und Zuverlässigkeit bestimmen

Mit PROST kann einerseits eine bruchmechanische Bewertung eines realen Befundes vorgenommen werden, der z. B. bei einer zerstörungsfreien Prüfung festgestellt wurde. Dabei steht die Frage im Vordergrund, ob die Integrität der Komponente noch vollumfänglich gewährleistet ist (deterministische Analyse). Andererseits kann die Zuverlässigkeit einer Komponente ermittelt werden, d. h. statistische Schwankungen in den Materialeigenschaften und in den Annahmen zu den mechanischen Belastungen werden berücksichtigt. PROST berechnet in diesem Fall die Leck- und Bruchwahrscheinlichkeit als Funktion der Betriebszeit (probabilistische Analyse). Dabei kann auch der Einfluss einzelner Parameter auf die Versagenswahrscheinlichkeit quantifiziert werden. 

Validierung und exemplarische Anwendungsbeispiele

PROST wurde in an verschiedenen Testfällen validiert. Probabilistische Testfälle wurden u. a. im internationalen Benchmark NURBIM (EU) und in der finnisch-schwedischen NKS-Studie erfolgreich berechnet. Aktuell nimmt die GRS an einem Benchmark der Internationalen Atomenergieorganisation (IAEO) und einem der Atomenergieagentur der Organisation für Wirtschaftliche Entwicklung und Zusammenarbeit (OECD/NEA) teil. Die deterministischen Fähigkeiten des Codes wurden u. a. beim internationalen Benchmark BENCH-KJ (OECD) unter Beweis gestellt. 

PROST hat zur Beantwortung zahlreicher bruchmechanischer Fragestellungen bei Druck- und Siedewasserreaktoren beigetragen. Zudem wurden mit dem Code vielfältige Untersuchungen zu dem in Deutschland entwickelten Basissicherheitskonzept mit Bruchausschluss sowie dem überwiegend international verwendeten „Leck-vor-Bruch“- Konzept durchgeführt. Im Basissicherheitskonzept sind für Komponenten die Anforderungen an die Werkstoffe, die Qualität nach Auslegung und Herstellung sowie die Überwachung der Folgen möglicher Schädigungsmechanismen festgelegt, so dass ein herstellungsbedingtes Versagen praktisch ausgeschlossen werden kann. Beim „Leck-vor-Bruch“- Konzept wird nachgewiesen, dass ein Leck frühzeitig erkannt wird und Gegenmaßnahmen ergriffen werden können, bevor es zu einem Bruch kommt (siehe Abb.).

„Leck-vor-Bruch“- Konzept am Beispiel zweier Rohrleitungen in einem Kernkraftwerk unter betrieblichen Belastungen. Das Wachstum bzw. der Einfluss des unterstellten Anrisses (gelb) auf die Integrität wird untersucht. Grün markiert ist die berechnete Leckgröße, bei der die kleinste detektierbare Leckrate entsteht. Rot eingezeichnet ist die berechnete kritische Leckgröße, bei der ein vollständiger Bruch des Rohres erwartet wird.