Abschätzung der Lebensdauer von Isolatorwerkstoffen auf Polymerbasis unter Strahlungs- und Temperatureinfluss (A.L.I.S.e)

Abstract

Der vorliegende Bericht umfasst Ergebnisse, die im Rahmen des vom Bundesministeriums für Umwelt, Klimaschutz, Naturschutz und nukleare Sicherheit (BMUKN) geförderten Eigenforschungsvorhabens "Abschätzung der Lebensdauer von Isolatorwerkstoffen auf Polymerbasis unter Strahlungs- und Temperatureinfluss (A.L.I.S.e)" (Förderkennzeichen 4722R01220) erarbeitet wurden. Die Zielsetzung dieses Vorhabens war es, ein grundsätzlich in der Praxis einsetzbares Werkzeug in Form von Rechenmodellen zu entwickeln, mit dem die Lebensdauer von Isolierwerkstoffen von Kabeln unter Temperatur- und Strahleneinfluss bestimmt werden kann. Dies geschah basierend auf verschiedenen mathematischen Verfahren aus ausgewählten Regelwerken und Normen. Es wurden Rechenmodelle zur Ermittlung der Lebensdauer von Kabelisolierwerkstoffen bei rein thermischer Alterung, rein radiologischer Alterung, sowie bei kombinierter thermischer und radiologischer Alterung umgesetzt. Alle Rechenmodelle wurden in Form von Notebooks mit dem Programm Wolfram Mathematica 11.2 umgesetzt. Über die Notebooks können die erforderlichen Messdaten aus Excel-Dateien eingelesen und verarbeitet werden. Das Ergebnis für die ermittelte Lebensdauer wird sowohl graphisch als auch in Form von Zahlenwerten ausgegeben. Um eine konservative Abschätzung der Lebensdauer von Isolierwerkstoffen von Kabeln sicherzustellen, wurden diverse Sicherheitszuschläge festgelegt, die mögliche Unsicherheiten der Modellparameter und die Fehlerfortpflanzung aufgrund von Messunsicherheiten berücksichtigen. Darüber hinaus wurden noch Sicherheitszuschläge definiert, die aus synergetischen Effekten bei der kombinierten thermischen und radiologischen Alterung resultieren, die bei der Verifikation der Rechenmodelle beobachtet und bei einer Literaturrecherche ermittelt wurden. Alle entwickelten Rechenmodelle konnten mithilfe von Messdaten und Modelldaten einer anderen unabhängigen Forschungseinrichtung erfolgreich verifiziert werden. Die in den Normen und Regelwerken dargestellten Rechenmethoden sind materialunabhängig formuliert. Daher wurde eine Literaturrecherche zu den Materialien Polyvinylchlorid (PVC) und Ethylen-Propylen-Copolymeren (EPR) durchgeführt, um materialspezifische Sondereffekte zu ermitteln, die in den Rechenmodellen berücksichtigt werden müssen bzw. unter denen die Rechenmodelle nicht mehr anwendbar sind. Für die Materialien Vernetztes Polyethylen (VPE) und Silikonkautschuk (Silicon Rubber SIR) sind die entsprechenden Materialrecherchen bereits durch GRS-interne Vorarbeiten erfolgt. This report presents results obtained within the framework of the research project "Estimation of the service life of polymer-based insulating materials under the influence of radiation and temperature (A.L.I.S.e)" (funded by the Federal Ministry for the Environment, Climate Action, Nature Conservation and Nuclear Safety under funding code 4722R01220). The objective of this project was to develop a practically applicable tool in the form of computational models for determining the service life of cable insulating materials under the influence of temperature and radiation. This was achieved based on various mathematical methods from selected regulations and standards. Computational models were implemented to determine the service life of cable insulation materials under purely thermal aging, purely radiological aging, and combined thermal and radiological aging. All models were implemented as notebooks using the Wolfram Mathematica 11.2 software. The necessary measurement data from Excel files can be imported and processed via these notebooks. The resulting service life is displayed both graphically and numerically. To ensure a conservative estimation of the service life of cable insulation materials, various safety margins were defined to account for potential uncertainties in the model parameters and error propagation due to measurement uncertainties. Furthermore, additional safety margins were defined to account for synergistic effects observed during combined thermal and radiological aging, which were identified during the verification of the models and determined through a literature review. All developed computational models were successfully verified using measurement and model data from another independent research institution. The calculation methods described in the standards and regulations are formulated to be material-independent. Therefore, a literature review was conducted on the materials Polyvinyl Chloride (PVC) and Ethylene-Propylene Copolymers (EPR) to identify material-specific effects that must be considered in the computational models or under which the computational models are no longer applicable. For the materials Cross-linked Polyethylene (XLPE) and Silicone Rubber (SIR), the corresponding material reviews have already been carried out through preliminary work within GRS.