SPEUREN NAAR SCHEUREN: DE STUDIE VAN PROF. RENE BOONEN

DOCENT IN DE KIJKER

De laatste tijd zijn de kerncentrales niet uit het nieuws te branden. Betondegradatie in de bunkergebouwen, lekkende koelwatercircuits, scheurtjes in de reactorkuipen van Doel 3 en Tihange 2, … Met alle gevolgen van dien voor de elektriciteitscapaciteit en ’s lands energievoorziening. Om nog te zwijgen over het flankerend politiek gehakketak. In één specifiek dossier in deze complexe materie heeft prof. René Boonen (Campus Groep T) zich de voorbije jaren stevig vastgebeten. Dat van de scheurtjes in de reactorkuipen. Zijn bevindingen werden hem lang niet altijd door iedereen in evenveel dank afgenomen. Het verhaal van prof. Boonen heeft dan ook alles van een detective story.

We schrijven 2012. Toen raakte via de pers bekend dat in de reactorkuipen van Doel 3 en Tihange 2 scheurtjes waren ontdekt en de centrales bijgevolg werden stilgelegd. Bij Doel 3 ging het het om 8000 scheurtjes in het reactorvat. In 2014 bij een nieuwe inspectieronde werden er zowaar 13.000 scheurtjes gevonden. Toen een jaar later het Federaal Agentschap voor Nucleaire Controle (FANC) het licht op groen zette voor de heropstart van de reactoren, ging bij prof. Boonen een rood knipperlichtje branden. Gedreven door een aanstekelijke vorm van ‘engineering curiosity’ trok hij op onderzoek om een antwoord te vinden op een aantal prangende vragen zoals: waar komen die scheurtjes vandaan, vanwaar die plotse toename in korte tijd, hoe is er gemeten, enz. De berichten in de pers brachten alvast weinig of geen informatie. Het luidde voor prof. Boonen het begin in van een echte queeste doorheen duizenden pagina’s rapporten, verslagen en statistieken. Deze documenten en berichten stonden gelukkig allemaal in een speciaal dossier op de FANC-website en in principe dus toegankelijk voor ieder. Alleen hebben slechts weinigen de energie opgebracht om zich doorheen zo’n berg informatie te worstelen.

Prof. Boonen's onderzoek richtte zich op vier aspecten die betrekking hadden op de scheurvorming. Dat waren achter een volgens het productieproces, de concentratie van waterstof in het staal van het reactorvat, mechanische restspanningen die tijdens de productie optreden en ten slotte de berekeningswijze die is gehanteerd om de integriteit van de reactorvaten aan te tonen.

Prof. Rene Boonen

Productieproces

De eerste vraag die zich stelde, betrof het ontstaan van die scheurtjes. Die waren er volgens de beschikbare documenten altijd al geweest. Ze zouden hun oorsprong vinden in het productieproces van de stalen kuipen. Bij wijze van hypothese werd waterstofgas opgelost in het staal als de oorzaak van de scheurvorming aangewezen. “Dit is een bekend verschijnsel”, aldus prof. Boonen “Het probleem betrof echter de hoeveelheid waterstof die vereist is om het ontstaan van zoveel scheurtjes te verklaren. Uit mijn berekeningen bleek dat de originele hoeveelheid waterstof gemeten tijdens de fabricage van de kuipen veel te klein was om zoveel scheurtjes van die grootte te veroorzaken, zoals gemeten tijdens de inspectie van 2014. Ik kon maximaal 1500 scheurtjes verklaren, een fractie in vergelijking met de 13.000 die waren gemeten bij de controle van 2014”.

Waterstofconcentratie

Verder onderzoek drong zich op. Zo kwam prof. Boonen terecht bij de diffusie van waterstof in het staal tijdens de fabricatie. “Als een stalen kuip na het gieten afkoelt, verandert het geleidelijk aan van vloeibare vorm in een vaste stof “, legt prof. Boonen uit. “Tijdens het stollen van het gietstuk treden er grote concentratieverschillen van waterstof tussen de vloeibare en de vaste fase van het staal op. Maar – en dat is het punt – van zodra het gietstuk volledig gestold is, verdwijnen die concentratieverschillen en verdeelt de waterstof zich homogeen over het staal. Ik heb berekend dat de waterstof binnen een dag homogeen verdeeld is wat maakt dat de hoeveelheid waterstof te gering is om het grote aantal scheurtjes te verklaren”.

Maar er is meer. De scheurtjes ontstaan enkel tijdens de afkoeling als de temperatuur onder de 200° C daalt. “In de loop van het productieproces zijn er niet één maar wel vier momenten waarbij dat het geval is”, vervolgt prof. Boonen. “Het gieten van de kuip en het voorsmeden gebeurt bij Krupp. Na afkoeling verhuist de kuip naar Rotterdam waar ze opnieuw wordt verhit om te smeden en een zachtgloeibehandeling te ondergaan. Dan is er opnieuw een afkoelingsmoment waarna de kuip wordt afgedraaid tot ze helemaal blank is. Na het afdraaien wordt een eerste ultrasoontest uitgevoerd, maar daarvan zijn geen gegevens beschikbaar. Daarna krijgt de kuip een nieuwe warmtebehandeling om het staal op de uiteindelijke sterkte te brengen met twee afkoelmomenten. Dan wordt de kuip op maat gedraaid en een tweede ultrasoontest uitgevoerd. De uitslag van deze test maakte melding van ‘geen rapporteerbare defecten’. Voor alle duidelijkheid: de productie van deze kuipen dateert van 1974. Als er toen geen gewag gemaakt werd van een probleem, ga je je afvragen: wat is er tussen 1974 en 2014 gebeurd om zoveel scheurtjes te kunnen verklaren”.

Restspanning

Deze vraag bracht prof. Boonen in een volgende fase van zijn speurwerk: het onderzoek van de restspanningen, die ertoe zouden kunnen leiden dat het materiaal gaat scheuren of barsten. “Krimpspanningen, afkoelspanningen, thermische spanningen onder druk konden we alvast uitsluiten”, verduidelijkt prof. Boonen. “In elk van deze gevallen zouden de scheurtjes loodrecht op de wandrichting staan en niet tangentiaal de omtrek volgen zoals nu het geval is. Blijven over: smeedspanningen en materiaal transformatiespanningen. Die kunnen scheurtjes in alle richtingen veroorzaken. Deze twee soorten rest - spanningen samen genereren slechts een maximaal effect van amper 15% van de toelaatbare materiaalspanning”.

Er is trouwens nog meer aan de hand. Hoe is het te verklaren dat op een paar jaar tijd zulk een groot verschil in het aantal scheurtjes is gemeten? Volgens prof. Boonen is dit niet logisch. “Aangezien waterstof de aanwezige scheuren verder doet groeien in omvang en geen nieuwe scheuren zou veroorzaken in het blanke metaal, zou hun aantal net niet toenemen. Minder maar wel groter. Maar dat is in de rapporten niet duidelijk terug te vinden. Een bijkomend probleem is dat in de statistieken van 2016 enkel het aantal scheurtjes is opgenomen, niet de grootte ervan. Een betere maatstaf zou daarom het aantal vierkante meter scheur opper - vlakte zijn”.

Sterkteberekening

Dan rest er tot slot nog een andere cruciale vraag. Hoe is het te verklaren dat in een streng genormeerde sector als de nucleaire een reactor met 13000 scheurtjes op volle kracht blijft draaien? “Daarmee zijn we bij een laatste heikel punt beland”, meent prof. Boonen. “Dat is de wijze van berekenen. Volgens de normen van de American Society of Mechanical Engineering (ASME), die ook volgens de Belgische wet nageleefd moeten worden, moeten eventuele scheurtjes minimaal 1 inch -25mm- van elkaar verwijderd zijn. De scheurtjes in het reactorvat liggen echter dichter bij elkaar dan die 1 inch. De norm voorzag niet om dergelijke scheurdichtheden door te rekenen. Om de berekening toch te kunnen uitvoeren, werden de scheurtjes gegroepeerd en die scheurgroepen als equivalente enkelvoudige scheuren doorgerekend. Op deze wijze blijft de structurele integriteit van de reactorkuip van Doel 3 officieel binnen de opgelegde veiligheidsnormen. Voor deze berekeningswijze bestaat er evenwel geen precedent. Nergens in de literatuur is zo’n methode toegepast om de integriteit van een constructie aan te tonen”.

Conclusie van al het speurwerk van prof. Boonen: "Tot op heden is op basis van de beschikbare gegevens de exacte oorzaak van de scheurtjes niet eenduidig identificeerbaar".

Yves Persoons