Laufende 
Forschungsvorhaben

EU-Vorhaben NOMAD

Das europäische Forschungsprojekt NOMAD - Nondestructive Evaluation (NDE) System for the Inspection of Operation-Induced Material Degradation in Nuclear Power Plants - verfolgt das Ziel, ein Prüfsystem zu entwickeln, um neutroneninduzierte Materialversprödung in Kernkraftwerken zerstörungsfrei zu quantifizieren, insbesondere an den nicht ersetzbaren und in ihrer Lebensdauer begrenzten Reaktordruckbehältern. Das Forschungskonsortium besteht hierbei aus 10 europäischen Mitgliedern aus Belgien (SCK-CEN), Deutschland (Fraunhofer IZfP, Eurice), Finnland (VTT), Grossbritannien (Coventry University), Spanien (Tecnatom), Ungarn (MTA-EK, Hepenix) und der Schweiz (PSI, SVTI). Für die Entwicklung des zerstörungsfreien Prüfsystems, dem "NDE-Tool", werden im Rahmen des Forschungsprojekts 6 verschiedene ZfP-Verfahren, basierend auf unterschiedlichen physikalischen Prinzipien, eingesetzt. Diese werden an Proben, die im Forschungsreaktor unterschiedlichen Betrahlungszyklen ausgesetzt wurden, hinsichtlich ihrer Sensitivität auf Neutronenversprödung untersucht. Zusätzlich weisen die Samples, die aus vier verschiedenen Grundmaterialtypen gefertigt wurden, unterschiedliche Geometrien auf - von Kerbschlagproben bis hin zu plattierten Testkörpern. Der innovative Ansatz im Forschungsprojekt besteht nun darin, die unterschiedlichen Verfahren nicht nur zu kombinieren, sondern ein NDE-Tool zu entwickeln, welches zusätzlich die Möglichkeiten des Maschinellen Lernens ausnutzt.

Es wurden vier technische Arbeitspakete - Work Packages - definiert:

• WP1: "Description and delivery of the sample sets (including cladded material) and irradiation conditions, sample provision, microstructure characterization and determination of the mechanical properties" (Herstellung von Testkörpern und deren zerstörende Materialcharakterisierung)
• WP2: "Non-destructive materials characterization (MC) and evaluation of the progression of the material properties" (Zerstörungsfreie Materialcharakterisierung)
• WP3: "Advanced non-destructive evaluation tool for demonstration of materials characterization" (NDE-Tool Entwicklung für die zerstörungsfreie Materialcharakterisierung)
• WP4: "Application and Validation" (Anwendung und Validierung)

Aufgrund der vielfältigen Erfahrungen aus der Qualifizierung von zerstörungsfreien Prüfsystemen (Qualifizierungsstelle ZfP Schweiz) hat der SVTI die Leitung des Arbeitspakets 4 "Application and Validation" übernommen. Die Herausforderung im europäischen Forschungsvorhaben besteht nun unter anderem darin, ein Prüfsystem unter möglichst realistischen Randbedingungen zu validieren, welches auf Ansätzen maschinellen Lernens beruht. Die Ermittlung der Leistungsfähigkeit von derartigen Prüfsystemen, dessen Funktionsweise aufgrund Maschinellen Lernens nur begrenzt verstanden ist, ist zukünftig auch für weitere Qualifizierungen relevant, gerade auch im Hinblick auf die Zuverlässigkeit von Prüfsystemen im Feldeinsatz bei variierenden Randbedingungen.

Das Projekt wird von der EU unter dem Euratom "Forschungs- und Ausbildungsprogramm 2014-2018" im Rahmen der Zuschussvereinbarung Nr. 755330 finanziert.

PIONIC

Das internationale Forschungsvorhaben PIONIC setzt die Untersuchungen zur Leistungsfähigkeit aktueller und neuer ZfP-Verfahren und Prüftechniken fort, welchen in den vorhergehenden Forschungsprogrammen PINC (International Program for Inspection of Nickel-alloy Components) und PARENT (Program to Assess the Reliability of Emerging Nondestructive Techniques) durchgeführt wurden. Das Gesamtziel dieser Aktivitäten zwischen den Vereinigten Staaten (NRC, PNNL, EPRI), Schweden (SSM, SQC), Finnland (VTT, Aalto University), Korea (SKKU, KINS), Japan (MHI, JAPEIC) und der Schweiz (ENSI, PSI, SVTI) besteht in der Ermittlung von Leistungsfähigkeiten eingesetzter ZfP-Prüftechniken (Ultraschall und Wirbelstrom) zum Nachweis und zur Charakterisierung von simulierten Spannungskorrosionsrissen (SCC).  Weiterhin soll das Verständnis von Einflussfaktoren wie Fehler- und Schweissnahteigenschaften auf den Fehlernachweis und die Fehlergrössenbestimmung erweitert werden. Daher wurden Serien von internationalen Ringversuchen (RRTs) an offenen Testkörpern und Blindtestkörpern unterschiedlicher Geometrie mit austenitischen Schweissnähten und Mischschweissnähten unter Einbeziehung von kommerziellen Anbietern,  Labors und Universitäten durchgeführt. Die angewandten Prüftechniken wurden unter Anwendung des "hit-miss"- probability of detection (POD)-Ansatzes quantitativ bewertet und verglichen. Um die Anzahl der Testfehler für die Leistungsbewertung zu erweitern, wird neben der Herstellung von realen Spannungskorrosionsrissen auch die Verwendung von künstlichen Spannungskorrosionsrissen, die durch Modellierung und Simulation sowie durch die Vervielfältigung realer Rissanzeigen erzeugt wurden, untersucht. Beide Quellen dienen dazu, die POD-Berechnung und damit die Leistungsbewertung durch eine größere Testfehleranzahl zu präzisieren. Basierend auf den empirischen Versuchen und dem Update der POD-Analysen durch künstliche Testfehlerantworten wird eine Vorgehensweise entwickelt, um die Leistungsfähigkeit realistisch quantifizieren zu können. Darüber hinaus soll die Auswertung der Daten durch künstliche Intelligenz unterstützt werden. Die erarbeitete Vorgehensweise soll in einem nuklearspezifischen Leitfaden für Durchführung von POD-Analysen zur Bewertung von Prüftechniken in der Kerntechnik zusammengefasst werden.

Folgende Arbeitsgruppen wurden im Forschungsvorhaben PIONIC etabliert:

• Task Group 1 “NDE Modeling and Simulation” (UT-Modellierung und Simulation)
• Task Group 2 “Flaw Relevance Evaluation” (Bewertung/Einfluss von Fehlereigenschaften)
• Task Group 3 “Materials Degradation Monitoring” (Überwachung von Materialschädigung)
• Task Group 4 “Probability of Detection Analysis“ (POD-Analysen)
• Task Group 5 "Machine Learning" (Maschinelles Lernen)

Das internationale Forschungsvorhaben mit Beiträgen von Aufsichtsbehörden, Unternehmen, Universitäten und Forschungseinrichtungen wird durch "in-kind contributions" der Projektpartner finanziert.

Forschungsvorhaben des ASTRA – «Detektion und Ortung von Kiesnestern in Betonbauteilen»

Für die Sicherstellung der Standsicherheit sowie der Dauerhaftigkeit von Stahlbetonbauwerken ist neben der konstruktiven Bemessung der Konstruktion die sorgfältige Bauausführung von entscheidender Bedeutung, um u.a. unter anderem den Korrosionsschutz der eingelegten Bewehrung vor Umwelteinflüssen dauerhaft zu gewährleisten. Dazu gehört auch die fehlerfreie Betonierung der Betonbauteile. Der Nachweis fehlerfreien Betonierens bzw. die Detektion von schadhaften Bereichen in Form von Kiesnestern oder Entmischungen, welche beispielsweise bei dicht bewehrten Bauteilquerschnitten, hohen Betonierhöhen oder komplexen Geometrien auftreten können, ist als Qualitätskontrolle nach dem Betonieren jedoch bisher nur in wenigen Einzelfällen durchgeführt worden. In diesem Forschungsvorhaben besteht das Ziel darin, die baupraktischen Randbedingungen von Stahlbetonbauteilen zu ermitteln, unter denen ein Kiesnest bzw. eine Entmischung zuverlässig zerstörungsfrei detektiert und quantifiziert werden kann. Dazu werden im ersten Schritt typische Kiesnestausprägungen ermittelt, die anschliessend experimentell nachgestellt werden. An diesen künstlichen Kiesnestern werden dann Untersuchungen mit akustischen Verfahren wie dem Ultraschallverfahren oder dem Impact-Echo-Verfahren durchgeführt. Unterstützt werden diese experimentellen Untersuchungen mit ersten Ansätzen der Modellierung des Prüfproblems. Abschliessend werden Empfehlungen formuliert, unter welchen Randbedingungen ein Kiesnest bzw. Eine Entmischung in der Praxis zuverlässig detektiert werden kann.

Folgende Arbeitspakete werden im Vorhaben bearbeitet:

• Literaturrecherche zu typischen Kiesnestausprägungen und zugehörigen Signalantworten
• Herstellung von Testkörpern und praktische Untersuchungen
• Modellierung von Testkörpern und theoretische Untersuchungen
• Empfehlungen für die Detektierbarkeit von Kiesnestern bzw. für ein optimales ZfP-System

Das nationale Forschungsprojekt, welches zusammen mit dem Projektpartner TFB AG (Technik und Forschung im Betonbau) bearbeitet wird, wird durch das Bundesamt für Strassen (ASTRA) unter der Projekt Nummer AGB 2018/006 "zerstörungsfreie Detektion von Kiesnestern in Stahlbetonbauteilen" gefördert.