Neuere Entwicklungen bei der Bewertung der Komponentenintegrität in kerntechnischen Anlagen

Abstract

In diesem Eigenforschungsvorhaben wurden vier für die Sicherheitsbewertung kerntechnischer Anlagen auf dem Gebiet der Komponentenintegrität wichtige Themenkomplexe untersucht (Einfluss des Warmvorbelastungseffekts auf die Integritätsbewertung (WPS); Auswirkung turbulenter Mischungsvorgänge auf die Ermüdungsbelastung; Konstruktion, Ausführung und Prüfung von Schweißnähten; Risikoinformierte Inspektionen (RI-ISI)). Der WPS-Effekt wird in verschiedenen Ländern in unterschiedlicher Art und Weise bei der Sprödbruchabsicherung des Reaktordruckbehälters berücksichtigt bzw. diskutiert. Ein quantitativer Vergleich verschiedener WPS-Modelle zeigte, dass die Verfahren ähnlich gute Prognosen für den Bruchpunkt nach einer Warmvorbeanspruchung liefern. Aus den Untersuchungen wird auch gefolgert, dass bei der Bewertung von Transienten Unsicherheitsanalysen mit verteilten thermohydraulischen Parametern bis hin zur bruchmechanischen Bewertung durchgeführt werden sollten. Die Zahl der Schäden durch thermische Ermüdung nimmt generell und global seit Ende der 1990er Jahre ab, wird aber zunehmend durch hochzyklische Ermüdung aufgrund turbulenter Vorgänge im Kühlmittel dominiert. Die grobe Struktur der Strömungen in Abhängigkeit verschiedener Einflussparameter (u. a. ΔT, T) sind qualitativ recht gut verstanden. Für quantitative Aussagen über das Verhalten in realistischen Strukturen mit Bögen und Armaturen reichen bisherige Experimente und Simulationen jedoch noch nicht aus. Trotz detaillierter Anforderungen an Schweißverbindungen und deren Fertigungsprüfung sowie an Schweißnahtreparaturen in den verschiedenen Regelwerken kam es wiederholt unter den unterschiedlichen Beanspruchungen in kerntechnischen Anlagen zu Schäden an Schweißverbindungen, die oftmals auf herstellungsbedingte Vorschäden zurückzuführen sind. In diesem Eigenforschungsvorhaben erfolgte eine Aufarbeitung des Kenntnisstandes zu zwei etablierten Schweißverfahren (Wolfram-Inertgas- (WIG) und Unterpulverschweißen (UP)). In einigen europäischen Ländern und in den USA sind risikoinformierte Vorgehensweisen (RI-ISI) bei den Wiederkehrenden Prüfungen zugelassen. Dabei gibt es unterschiedliche Ansätze zur Auswahl der zu prüfenden Stellen. Weit verbreitet sind die US-amerikanischen Methodiken der Westinghouse Owners Group (WOG) und des Electric Power Research Institute (EPRI), wobei letztere überwiegt. Die Vorteile der RI-ISI werden insbesondere in einer Optimierung des Prüfaufwandes gegenüber herkömmlichen Prüfprogrammen einschließlich einer Verringerung der damit verbundenen Strahlenbelastung des Personals gesehen. In this project, four component integrity topics important for the safety assessment of nuclear facilities were investigated: influence of the warm prestress effect (WPS) on the integrity assessment; effect of turbulent mixing on fatigue loading; design, execution, and testing of welds; risk-informed in-service inspections (RI-ISI). Different approaches are considered in different countries to include the WPS effect in integrity assessments of the reactor pressure vessels. A quantitative comparison of different WPS models showed that the methods provide similarly good predictions of brittle fracture initiation following prestressing at higher temperatures. It is also concluded from the investigations that in the evaluation of transients, uncertainty analyses with distrib uted thermal-hydraulic parameters should be carried out including fracture-mechanical assessments. The number of events caused by thermal fatigue has decreased generally and globally since the end of the 1990s but is increasingly dominated by high-cycle fatigue due to turbulent mixing in the coolant. The general structure of the flows as a function of different influencing parameters (e.g. ∆T, T) is qualitatively quite well understood. However, hith erto performed experiments and simulations are not yet sufficient for the quantitative prediction in realistic systems and structures with e.g., bends and fittings. Despite detailed requirements for welded joints, for their final production testing and for their repair in various codes and standards, damage to welded joints has repeatedly occurred under the various stresses in nuclear facilities, often due to manufacturing-re lated defects. In this project, the state of knowledge of two established welding processes (Tungsten Inert Gas (TIG) and Submerged Arc Welding (SAW)) was compiled. In some European countries and the USA, risk-informed in-service inspection (RI-ISI) approaches are accepted for periodic inspections. There are different approaches to se lecting the locations to be inspected. The US methodologies of the Westinghouse Own ers Group (WOG) and the Electric Power Research Institute (EPRI) are widely used, with the latter being predominant. The advantages of RI-ISI are seen in particular in the opti mization of the inspection effort compared to conventional inspection programs, includ ing a reduction in the associated radiation exposure of personnel.