Belastungstest für Reaktorhülle

Indische Atomwissenschaftler haben Forscher aus aller Welt zu einem besonderen Wettbewerb eingeladen: Gesucht war die genaueste Prognose des Tragverhaltens eines Reaktorsicherheitsbehälters. Noch heuer sollen die Berechnungen bei einem Belastungstest an einem 16 Meter hohen Modell in Indien überprüft werden. Mit dabei ist auch ein Team der Uni Innsbruck um Prof. Günter Hofstetter.
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Bild: Mit der Erhöhung des Innendrucks wird der Behälter zusehends verformt (überhöht dargestellt) und es bilden sich Risse (geringe (blau), mittlere (rot) und hohe (gelb) Schädigung des Betons durch Rissbildung).

Kernreaktoren sind von einem inneren und einem äußeren Sicherheitsbehälter umschlossen, um bei Störfällen den Austritt von radioaktiven Gasen zu verhindern. Diese Sicherheitsbehälter werden so bemessen, dass für einen vorgegebenen Druck im Inneren des Behälters keine Zugspannungen im Beton auftreten. Wenn der Druck allerdings über einen bestimmten Punkt ansteigt, treten zunächst Zugspannungen an der Innenseite des Behälters auf, bei weiterem Druckanstieg bilden sich Risse im Beton und die Bewehrung und die Spannglieder verformen sich plastisch, bis der Behälter schließlich durch das Reißen von Spanngliedern versagt. Um dieses Verhalten besser zu verstehen, haben das Bhabha Atomic Research Centre (BARC) of India und die Nuclear Power Corporation of India im vergangenen Jahr Forschergruppen eingeladen, an einem internationalen Wettbewerb zur Prognose des Tragverhaltens des primären Sicherheitsbehälters eines Schwerwasserreaktors teilzunehmen. Das besondere daran: Die eingereichten Rechenmodelle werden nun in Indien an einem maßstabsgetreuen Modell des Sicherheitsbehälters überprüft. Dieses Bauwerk wurde bereits errichtet und hat einen Durchmesser von 12 Metern. Mehr als 1500 Sensoren werden das Struktur- und Materialverhalten während des Großversuchs überwachen.

Know-how auch in Tirol

Neben zwölf weiteren Teams aus England, Finnland, Frankreich, Indien, Südkorea und der Tschechischen Republik hat auch die Forschungsgruppe um Prof. Günter Hofstetter, Dr. Hermann Lehar und Dipl.-Ing. Bernhard Valentini vom Institut für Grundlagen der Bauingenieurwissenschaften an diesem Wettbewerb teilgenommen. „Da in den an Tirol angrenzenden Ländern zahlreiche Kernkraftwerke in Betrieb sind und neue Anlagen geplant werden, ist eine Teilnahme nicht nur für uns von Bedeutung", sagt Prof. Hofstetter. „Wir zeigen damit auch, dass in Tirol das entsprechende Know-how zur Beurteilung der Tragfähigkeit und damit der Sicherheit solcher Strukturen vorhanden ist." Die abgegebenen Prognosen der Teilnehmer werden von den indischen Organisatoren mit den Versuchsergebnissen verglichen. „Damit lässt sich die Leistungsfähigkeit und Genauigkeit von Rechenmodellen zur numerischen Simulation des Verhaltens solcher Tragwerke unter außergewöhnlichen Belastungen überprüfen und bewerten", erklärt Günter Hofstetter. „Durch das umfassende Messprogramm werden wertvolle Daten gewonnen, die für die Weiterentwicklung der Rechenmodelle sehr hilfreich sind."

Enormer Rechenaufwand

„Am Arbeitsbereich für Festigkeitslehre, Baustatik und Tragwerkslehre haben wir langjährige Erfahrung in der numerischen Simulation des Verhaltens von Betontragwerken", sagt Prof. Hofstetter. „Das von uns entwickelte Rechenmodell basiert auf der Methode der finiten Elemente." Dabei wird das Tragwerk in Elemente endlicher Größe - die finiten Elemente - unterteilt, deren Verhalten mit mathematischen Modellen beschrieben und das Ganze dann mittels Computer wieder zur gesamten Struktur zusammengesetzt. „Für den Sicherheitsbehälter haben wir ein Modell aus 37 000 finiten Elementen mit insgesamt 875 000 Freiheitsgraden erstellt", erzählt Bernhard Valentini. „Weil das Tragverhalten nicht linear ist, mussten wir in der numerischen Simulation die Belastung in kleinen Schritten auf die Struktur aufbringen." Das Gleichungssystem mit 875 000 Unbekannten musste insgesamt mehr als zehntausend Mal aufgestellt und gelöst werden. Dafür sind Hochleistungsrechner notwendig, die eine parallelisierte Berechnung auf mehreren Prozessoren erlauben. Das Team um Prof. Hofstetter ist deshalb auch an der Forschungsplattform „Scientific Computing" der Universität Innsbruck beteiligt.

Schäden breiten sich langsam aus

Die Ergebnisse der Innsbrucker Berechnung zeigen, dass unter dem Bemessungswert des Innendrucks nur geringe Schädigungen des Betons durch Rissbildung auftreten. Auch unter dem doppelten Wert des Bemessungsdrucks sind weite Bereiche des Behälters noch frei von Rissen, die geringe Schädigung hat sich im Wesentlichen nur in der Umgebung der Öffnungen ausgebreitet. Bei weiterer Steigerung des Innendrucks ist jedoch eine starke Ausbreitung der geschädigten Bereiche festzustellen, bis schließlich unter dem 2,9-fachen Wert des Bemessungsdrucks weite Teile des Behälters stark geschädigt sind und der Sicherheitsbehälter bei geringfügiger weiterer Steigerung der Belastung versagt. „Mit der Teilnahme an diesem Wettbewerb wollen wir zeigen, dass mit unseren Simulationsmodellen eine zutreffende Prognose des Tragverhaltens von Reaktorsicherheitsbehältern aus Spannbeton möglich ist. Außerdem erhalten wir dadurch Zugang zu den umfangreichen Messdaten, die eine wertvolle Grundlage für die Weiterentwicklung der numerischen Simulationsmodelle liefern", betont Prof. Hofstetter, der schon gespannt auf die Daten des Großversuches in Indien wartet.

(cf)

Über die Forschungen von Prof. Hofstetter und seinem Team berichten wir auch im aktuellen Forschungsnewsletter der Universität Innsbruck, den Sie hier abonnieren können.