Hybridverfahren zur zerstörungsfreien Bewertung und tomographischen Bestandserfassung dickwandiger Stahlbetonstrukturen in kerntechnischen Anlagen (BetoNPP)

Abstract

In Anbetracht der Sicherung der Energieversorgung und der Laufzeitverlängerung europäischer Kernkraftwerke (KKW) ist es auch für Deutschland wichtig, den Zustand kerntechnischer Anlagen in den Nachbarländern bewerten und sicherheitsrelevante Aspekte einschätzen zu können. Der Zustand der Betonkomponenten eines KKW, die als Bioschild sowohl die Umwelt vor potenzieller Strahlung schützen als auch die Kraftwerkskomponenten vor äußeren Einflüssen sichern, ist dabei von zentraler Bedeutung. Zeitstandbedingte Fehler wie Risse und Delaminationen im Beton sowie Korrosion und Rissbildung an eingebetteten Stahlkomponenten rechtzeitig als potenziell sicherheitskritisch zu klassifizieren, ist unerlässlich. Zwar existieren etablierte Verfahren zur Zustandsbewertung mittels zerstörungsfreier Prüfmethoden (ZfP), diese sind jedoch nicht spezifisch auf die besonderen Anforderungen kerntechnischer Betonbauteile ausgelegt. Um den Anforderungen kerntechnischer Betonbauteile gerecht zu werden, insbesondere im Hinblick auf die Detektion von Fehlstellen in größeren Tiefenbereichen, wurde ein hybrides Prüfverfahren entwickelt, das Georadar zur tomographischen Zustandsbewertung mit der Streuflusstechnik zur Risserkennung kombiniert. Die jeweiligen Messdaten werden verfahrensspezifisch vorverarbeitet, anschließend durch Datenfusion zusammengeführt und mittels KI-gestützter Auswertung analysiert. Die Kombination komplementärer Messprinzipien ermöglicht die Entwicklung einer anwendungsspezifischen Prüfstrategie, womit eine an die spezifischen Prüfanforderungen angepasste Fehlerdetektion in kerntechnischen Betonbauteilen realisiert werden kann. Unter Laborbedingungen wurde mit der Weiterentwicklung der Streuflusstechnik eine Detektion in Tiefen von bis zu 50 cm erreicht. Das weiterentwickelte Ultra-Wideband (UWB)-Georadar ermöglicht sowohl eine Erfassung oberflächennaher Irregularitäten als auch eine Untersuchung tieferer Bereiche. In der im Projekt eingesetzten Betonzusammensetzung (C50/60, Größtkorn 16 mm) konnte eine Detektion bis zu einer Tiefe von 30 cm zuverlässig durchgeführt werden. Durch die Kombination verfahrensspezifischer Vorverarbeitungsschritte, einer darauf aufbauenden Datenfusion und einer KI-gestützten Modellbildung konnte der gesamte Analyseablauf validiert werden, der als Vorlage für potenzielle Prüfanwendungen dient. Die Einbindung in eine digitale Zustandsakte ermöglicht eine strukturierte Langzeitdokumentation und schafft die Grundlage für wiederkehrende Zustandsbewertungen sowie eine systematische Integration in bestehende Instandhaltungskonzepte und ebnet den Weg für automatisierte Prüfprozesse sowie eine systematische Integration in langfristige Instandhaltungskonzepte.

Datei-Upload durch TIB

In view of securing the energy supply the lifetime extension of European nuclear power plants (NPPs), it is also important for Germany to be able to evaluate the condition of nuclear facilities in neighboring countries and assess safety-relevant aspects. The condition of the concrete components of a nuclear power plant, which act as a bioshield both to protect the environment from potential radiation as well as protecting the power plant components from external influences, is of central importance. It is indispensable to classify service life-related defects such as cracks and delamination in the concrete as well as corrosion and cracking of embedded steel components as potentially safety-critical in early stages. Although there are established procedures for condition assessment using non-destructive testing methods (NDT), these are not specifically designed for the special requirements of structural elements in nuclear facilities. In order to meet the requirements of concrete components used in nuclear facilities, particularly with regard to the detection of defects at greater depths, a hybrid inspection method was developed that combines ground penetrating radar (GPR) for tomographic condition evaluation with the magnetic flux leakage (MFL) technique for crack detection. The respective measurement data is pre-processed in a process-specific manner, then merged by data fusion and analyzed using AI-supported evaluation. The combination of complementary measurement principles enables the development of an application-specific test strategy, which can be used to realize defect detection in nuclear concrete components adapted to the specific test requirements. Under laboratory conditions, detection at depths of up to 50 cm was achieved with the further development of the magnetic flux leakage technique. The further developed ultra-wideband (UWB) GPR enables both the detection of irregularities near the surface and the investigation of deeper areas. In the concrete composition used in the project (C50/60, maximum grain size 16 mm), detections up to a depth of 30 cm could be reliably performed. The combination of process-specific pre-processing steps, a data fusion based on this and AI-supported modeling made it possible to validate the entire analysis process, which serves as a template for potential testing and evaluation applications. Integration into a digital condition file enables structured long-term documentation and creates the basis for recurring condition assessments as well as systematic integration into existing maintenance concepts and paves the way for automated testing processes and systematic integration into long-term maintenance concepts.