Pfau, Michael
Karlsruher Institut für Technologie Gotthard-Franz-Straße 10 Michael.pfau@kit.edu
Bachmann, Madeleine / Gentes, Sascha Karlsruher Institut für Technologie Gotthard-Franz-Straße 10
Madeleine.bachmann@kit.edu / sascha.gentes@kit.edu
Zusammenfassung
Im Projekt Bero wird das Ziel verfolgt für Kunststoffrohrleitungen in Einbaulage ein Demonstratorsystem zu entwickeln, welches nach einem qualitätsgesichertem Beprobungsverfahren eine bedarfsgerechte Beprobung durchführen und das abgetragene Probematerial, soweit möglich, verlustfrei bereitstellen kann. Für diese Probeentnahme soll untersucht werden, welches Abtragsverfahren sich am besten eignet und wie ein definierter Materialabtrag erreicht werden kann. Es muss gewährleistet werden, dass im Querschnitt dieselbe definierte Probenfläche bzw. Materialstärke abgenommen wird. Primäres Ziel ist das Belassen der beprobten Rohrleitungen in Einbaulage, wenn der Nachweis erbracht werden kann, dass die Freigabekriterien für die beprobten Rohre eingehalten werden. Da dieses Vorgehen jedoch nicht pauschal auf alle Kernkraftwerke übertragen werden kann, werden ergänzend zur Beprobung und Freigabe in Einbaulage auch Technologien für einen effizienten Ausbau ohne Entfernung der Betonüberdeckung bewertet und in das Demonstratorkonzept miteinbezogen, um anschließend den Freigabeprozess an der Gebäudestruktur bei entfernter Rohrleitung durchzuführen.
KEYWORDS
Beprobungssystem, qualitätsgesichertes Beprobungssystem, Kunststoffrohrleitungen
Einleitung und Zielsetzung Projekt Bero
Durch den Beschluss der Bundesregierung bis spätestens 15.04.2023 die letzten in Betrieb befindlichen Kernkraftwerke (Streckbetrieb Isar 2, Emsland und Neckarwestheim 2) abzuschalten, besteht aktuell und in den kommenden Jahren ein hoher Bedarf an neuen Technologien, Verfahren und Fachkräften für den Rückbau [1]. Um den spezifischen Anforderungen beim Rückbau kerntechnischer Anlagen gerecht zu werden, müssen u.a. auch die bestehenden Technologien und Verfahren weiterentwickelt werden. Um Arbeitskräfte effektiv und personenschonend einzusetzen, werden für die Anforderungen neue und effiziente Technologien benötigt. Hierzu gehört u.a. ein System, welches an Rohren in Einbaulage im Rohrinneren eine Beprobung mit dem Ziel der Freigabe in Einbaulage durchführen kann. Von wesentlicher Bedeutung ist hierbei, dass ein definierter Abtrag erzielt und die genaue Position des Abtrages im Rohr bestimmt werden kann. Zudem muss gewährleistet werden, dass das System diesen definierten Materialabtrag über den gesamten Querschnitt, auch an Störstellen wir Ovalitäten, Schweißnähte, etc., abträgt und, falls möglich, verlustfrei bereitstellt. Des Weiteren sollte dieses System auch den effizienten Ausbau der betreffenden Rohre ermöglichen, ohne umgebende Betonstrukturen abbauen zu müssen, falls eine Freigabe in Einbaulage nicht möglich ist. Ein konkreter Anwendungsfall für eine derartige technologische Lösung sind die einbetonierten Leitungssysteme der Gebäudeentwässerung im Kontrollbereich von Leistungsreaktoren. Derartige Rohrleitung befinden sich in größerem Umfang z.B. in der Bodenplatte der Kontrollbereichsgebäude.
Nach Angaben verschiedener Energieversorgungunternehmen haben die Rohrleitungen in den Bodenplatten der Gebäude eine Gesamtlänge von ca. einem Kilometer. Sie bestehen größtenteils aus spiegelverschweißten Kunststoffrohren (Polypropylen – PP) mit einem Durchmesser von 8 bis 15cm und einer Wanddicke von ca. 4 bis 6mm. Aktuell in Arbeit befindliche Bestandsaufnahmen in den Rückbauprojekten weisen in Teilen auch auf die Verwendung anderer Kunststoffe (Polyvinylchlorid- PVC, Polyethylen-PE) wie auch Metall (Grauguss) hin. In der überwiegenden Zahl verlaufen diese Rohrleitungen gerade. Es treten aber auch gebogene Rohrleitungsbereiche auf. Diese gebogenen Rohrleitungsbereiche haben sehr große Biegeradien, da es sich wenn dann um Gebäuderingleitungen handelt.
Die Herausforderung bei den genannten Rohrleitungen ist u.a., dass diese zum Teil tief im Stahlbeton (bis zu 1,20m) und unter der Bewehrung liegen. Ein Ausbau der Rohrleitungen durch Entfernung der Betonüberdeckung ist aufwändig und komplex. Hieraus leitet sich der Bedarf ab, ein System zu entwickeln, das zum einen eine Beprobung der Rohre durchführen kann, aber auch eine effiziente InSitu-Entfernung der Kunststoffrohre ermöglicht.
Um die beschriebenen Herausforderungen und den Marktbedarf eines solchen Systems zu verdeutlichen, ist in Abbildung 1 eine Bodenplatte, mit den in Einbaulage verbleibenden Rohrleitungen, Gullys und Sümpfen (Durchmesser ca. 1m) exemplarisch am Beispiel eines Druckwasserreaktors (DWR), dargestellt. Der Durchmesser der dargestellten Bodenplatte liegt bei ca. 50-60 Meter [2]. Die Details sind von Anlage zu Anlage etwas unterschiedlich, der Grundaufbau ist i.d.R. immer ähnlich. Bedingt durch die Betriebsweise der Anlagenentwässerung ist in Teilen von einer geringen Kontamination der Leitungen auszugehen.
Im Projekt Bero wird daher das Gesamtziel verfolgt, für Rohrleitungen in Einbaulage ein Demonstratorsystem zu entwickeln, welches nach einem qualitätsgesichertem Beprobungsverfahren eine bedarfsgerechte Beprobung durchführen und das abgetragene Probematerial, soweit möglich, verlustfrei bereitstellen kann. Die Beprobung soll dabei grundsätzlich an beliebigen Stellen in den Rohrleitungen durchführbar sein, d.h. über die Länge und den Umfang. Für diese Probeentnahme soll untersucht werden, welches Abtragsverfahren sich am besten eignet (z.B. Fräsen, Drehen, Abstechen etc.) und wie ein definierter Materialabtrag erreicht werden kann. Bei der Konzeptfindung sind bauliche Risiken wie Kunststoffqualität; mögliche Ovalität oder Exzentrizität, sowie die Schweißwülste zu berücksichtigen. Es muss gewährleistet werden, dass im Querschnitt dieselbe definierte Probenfläche bzw. Materialstärke abgenommen wird und an ovalen Stellen des Rohrs nicht zu viel Material abgetragen wird. Ein Kontakt mit der umgebenden Betonstruktur soll nicht erzeugt werden. Um die
Rohre nach einer Beprobung ausbauen zu können, ist eine Analyse und Untersuchung verschiedener Verfahren (z.B. Schlitzen, Ziehen, Trennung quer/ längs etc.) notwendig.
Nachfolgende Abbildung 2 ordnet die zu untersuchende Schritte der Beprobung und des Ausbaus im grundlegenden Ablauf der Freigabe ein. Diese umfasst die Schritte Dekontamination, radiologische Charakterisierung durch Probeentnahme, Ausbau und Entscheidungsmessung/Freigabe.
Durch den entwickelten Demonstrator wird damit eine praxisgerechte Lösung zur Probeentnahme der in Einbaulage verbleibenden Rohrleitungen in Kernkraftwerken geliefert. Primäres Ziel ist das Belassen der beprobten Rohrleitungen in Einbaulage, wenn der Nachweis erbracht werden kann, dass die Freigabekriterien für die beprobten Rohre eingehalten werden. Da dieses Vorgehen jedoch nicht pauschal auf alle Anlagen in Deutschland übertragen werden kann, werden ergänzend zur Beprobung und Freigabe in Einbaulage auch Technologien für einen effizienten Ausbau ohne Entfernung der Betonüberdeckung bewertet und in das Demonstrator-Konzept miteinbezogen, um anschließend den Freigabeprozess an der Gebäudestruktur bei entfernter Rohrleitung durchzuführen.
Zentrale Anliegen der Politik und der Genehmigungsinhaber sind u.a. „der Schutz der Menschen und der Schutz der Natur […]. Der sichere, verantwortungsvolle und umweltverträgliche Rückbau kerntechnischer Anlagen ist ein wichtiger Beitrag hierzu [3].“ Folglich trägt dieses Forschungsprojekt einen Anteil am Erreichen der Ziele der Politik an den Rückbau.
Ziel des KIT-TMB ist die Entwicklung eines qualitätsgesichertem Verfahren zur Beprobung im Rohrinneren in Einbaulage. Es wird ein Versuchstand entwickelt und in verschiedenen Testreihen Untersuchungen zur Beprobung und zum Ausbau der Rohre durchgeführt. Das Vorhaben wird von der IBASS GmbH & Co. KG im Verbund mit dem Institut für Technologie und Management im Baubetrieb (TMB) des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) bearbeitet, wobei die RWE Nuclear GmbH und die PreussenElektra kostenneutral beratend tätig sind. Das Projekt Bero (FKZ: 15S9444A) mit der Laufzeit von 01.10.2023 bis 30.09.2026 wird innerhalb der Fördermaßnahme FORKA durch das BMBF gefördert.
Arbeitsprogramm
Damit diese Ziele des Verbundvorhabens erreicht werden können, müssen Versuchsstände aufgebaut und Untersuchungen zu Beprobungs- sowie Ausbauoptionen durchgeführt und analysiert werden. Ebenso muss ein qualitätsgesichertes Beprobungsverfahren entwickelt werden. Zudem muss ein innovatives Trägersystem inklusive Beprobungs- und Ausbaukopf für diese nicht zugänglichen Bereiche konstruiert und hergestellt werden. Das entwickelte System wird dabei so konzipiert, dass es fernhantiert die Rohrleitungen befahren kann, die exakten Daten für die Beprobung (Position, Abtragtiefe, Materialmenge, Abtraggeometrie, etc.) einzustellen sind und das abgetragene Material vollständig abtransportiert werden kann. Das Projekt ist in die folgenden Arbeitspakete (AP) untergliedert:
AP1: Grundlagenanalyse und Recherche geeignetes Abtragsverfahren AP2: Prozessanalyse und Lastenheft
AP3: Aufbau Versuchstand inklusive Analysesensorik
AP4: Entwicklung und Konstruktion Trägersystem inklusive Befestigungssystem AP5: Experimentelle Versuchsreihen 1
AP6: Herstellung Trägersystem und Vorplanung Beprobungs- und Ausbaukopf AP7: Experimentelle Versuchsreihen 2
AP8: Konstruktion finaler Beprobungs- und Ausbaukopf inklusive Herstellung und Zusammenführung aller Komponenten
AP9: Umbau Versuchstand TMB
AP10: Praktische Versuchsreihe mit Prototyp AP11: Dokumentation
Nachfolgend soll der geplante Weg der Arbeiten am KIT zur Realisierung der Forschungsziele aufgezeigt werden. Nach einer ausführlichen Recherche, welche eine Grundlagenanalyse der verschiedenen Abtragsverfahren, sowie deren Machbarkeit, deren Anwendungsgrenzen und die Einflussfaktoren beinhaltet, wird anhand dieser Recherche ein Lastenheft erstellt. Neben der Untersuchung zur theoretischen Machbarkeit, sollen im Projekt vor allem die experimentellen Untersuchungen und Analysen im Vordergrund stehen. Hierfür wird am KIT-TMB ein Versuchstand konstruiert und gebaut. Durch die vorangegangene Recherche kann der Versuchstand mit der für die Analyse zielführender Technik und Sensorik ausgestattet werden. In Abbildung 3 ist der geplante Versuchstand als Konstruktion zu sehen.
Über einen Motor lässt sich das Rohr, welches in einem Backenfutter zentriert und über Kugellager aufliegt, drehen. Das Abtragswerkzeug ist austauschbar, ruht mitsamt dem Motor auf einer Kraftmessdose und lässt sich über einen beweglichen Schlitten per Handrad exakt in Position bringen. Während der Versuchsdurchführung werden die verschiedenen Prozessdaten aufgezeichnet. Hierzu gehören beispielweise die Aufzeichnung der am Abtragkopf wirkenden Kräfte, der Anpressdruck des Werkzeuges am Rohr, die Wärme- und Staubentwicklung während des Abtragprozesses sowie das Messen einer möglichen statischen Aufladung des Kunststoffes. Über Slow-Motion Aufnahmen wird der Abtragprozess zugänglicher gemacht. Zudem werden nach dem Prozess die Ergebnisse analysiert und ausgewertet. So wird mittels eines Profil-Lasers eine qualitative und quantitative Analyse des Abtrags durchgeführt. Mit Hilfe eines Mikroskops der Firma Zeiss wird das abgetragene Material analysiert. Durch diese Korrelation der verschiedenen erhaltenen Messdaten bei Variation der Prozessparameter (Anpressdruck, Drehzahl, Vorschub, etc.) und Abtragwerkzeuge (verschiedene Ausführungen) wird ein Wissenszuwachs generiert. Beispielhaft für die zu erwartenden Ergebnisse, sind in Abbildung 4 Mikroskop-Aufnahmen dargestellt. Zu sehen sind die Abtragspur und der entstandene Span von ersten Vorab-Tests, welche die Machbarkeit verschiedener Abtragsverfahren bestätigten.
Schlussfolgerung
Durch das geplante Verbundprojekt Bero zwischen Wissenschaft und Industrie soll die Forschungsarbeit im Bereich der Freigabeverfahren und konventionellen Entsorgungswege (inkl. Gebäude- und Geländefreigabe) gestärkt werden. Mithilfe der Entwicklung eines qualitätsgesicherten Beprobungsverfahrens und eines Demonstrators zur Beprobung und zum Ausbau von Rohrleitungen wird ein Mehrwert für die Freigabe der beim Rückbau kerntechnischer Anlagen anfallenden Reststoffe insbesondere der vorhandenen PP-, PE, PVC- und Graugussrohrleitungen der Gebäudeentwässerung in der Bodenplatte, unter Berücksichtigung der Akzeptanzkriterien, geliefert. Durch die mögliche Ausbauoption von einbetonierte Rohrleitungen in nicht zugänglichen Bereichen ist zudem ein Mehrweiten im Bereich der Zerlegetechniken vorhanden. Der geplante Demonstrator zeichnet sich u.a. durch seine universelle Einsetzbarkeit für Rohrleitungen im Durchmesserbereich von ca. DN 80 – DN150 bei unterschiedlichen Wandstärken und Materialien aus.
Die Anwendung eines Systems, welches in ein Rohr eingebracht wird und dieses von innen beprobt und ggf. ausbaut, stellt eine notwendige Option zum Vorgehen mit diesen Rohrleitungen dar. Effektive Vorgehensweisen zur Freigabe dieser Rohrleitungen durch Beprobung oder Ausbau sowie sichere Arbeitsbedingungen für das Personal können somit gewährleistet werden.
Literaturverweise
- Bundesamt für die Sicherheit der nuklearen Entsorgung (Jahr unbekannt): „Die Debatte um verlängerte Laufzeiten“, Online unter: https://base.bund.de/DE/themen/kt/ausstieg- atomkraft/ausstieg_node.html, abgerufen am 22.02.2024.
- PreussenElektra: „Symbolskizze der Unterflurleitungen in der Bodenplatte “
- Bundesministerium für Bildung und Forschung, BMBF (2017): „Forka – Forschung für den Rückbau kerntechnischer Anlagen. Förderkonzept: Rückbau und Entsorgung“, Online unter: https://bmbf.de/bmbf/shareddocs/bekanntmachungen/de/2021/06/3681_bekanntmachung.ht ml, abgerufen 22.02.2024.
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