EMUS-TWIN

»EMUS-TWIN« ist ein integriertes System zur zustandsorientierten Integritätsbewertung von Rohrleitungen in Kernkraftwerken. Es koppelt eine tomographische EMUS-Prüftechnik (elektromagnetisch angeregter Ultraschall) mit einem physik-informierten Digitalen Zwilling (Digital Twin, DT) auf Basis eines Finite-Elemente-Modells (FEM) und einer Physics-Informed Neural Network (PINN)-Kalibrierung. An Rohrleitungen ringförmig angeordnete EMUS-Sensoren regen selektiv geführte Scherwellenmoden (SH0 nichtdispersiv, SH1 dispersiv) an und erfassen Signale aus mehreren Richtungen und Pfaden (axial, tangential, helikal). Aus Laufzeit- und Amplitudenänderungen werden in der Tomographie sowohl Geometriefehler (z. B. Wanddickenverluste oder Risse) als auch betriebsbedingte Spannungsfelder (akustoelastischer Effekt) volumetrisch rekonstruiert. Die so gewonnenen, hochaufgelösten Defekt- und Spannungslandkarten dienen dem DT als reale Grundwahrheit, um Materialparameter, Randbedingungen und Lasten kontinuierlich zu identifizieren und die Rissfortschrittsprognose unter realen Betriebsbedingungen zu liefern. Zentraler Innovationspunkt ist der »virtuelle Sensor«: Der verifizierte, physikbasierte DT extrapoliert die in einem zugänglichen Rohrabschnitt gemessenen Zustände auf schwer zugängliche, sicherheitskritische Bereiche (z. B. Düsen, komplexe Geometrien, Bereiche mit hoher Bestrahlungslast), in denen physische Sensorik nicht praktikabel ist. Damit wird eine durchgängige, ortsunabhängige Zustandsbewertung ermöglicht – die Grundlage für vorausschauende, risikoinformierte Instandhaltungsstrategien. Die Umsetzung erfolgt in drei Phasen:

1. Aufbau und Benchmarking des EMUS-Tomographiesystems inkl. Signalverarbeitung und Inversionsalgorithmen,
2. Entwicklung des physik-informierten DT (FEM und PINN) mit Datenassimilation und Unsicherheitsquantifizierung,
3. gestufte Validierung vom Labor (TRL4) über mechanisch zyklische Vierpunkt-Biegeversuche (Rissinitiierung und -propagation, TRL5) bis zu thermo-hydraulischen Tests mit realitätsnahen Temperaturtransienten (z. B. thermische Schichtung, TRL6).

Werkstoffschwerpunkt ist austenitischer Edelstahl 304L, wie er in LWR-Primär- und Sekundärkreisen verbreitet ist. Das Konzept ist auf weitere Werkstoffe im nukleartechnischen Umfeld (z. B. 316L(N), 16MND5, Alloy 690, CASS) und Degradationsmechanismen (Erosion/Korrosion, SCC, Kriechen) übertragbar.

Erwartete Effekte im Betrieb:

• frühzeitige Schadenerkennung und Wachstumsprognose
• Reduktion unnötiger ISI-Einsätze und Personendosis (ALARA)
• geringere OPEX (ca. 20 % weniger Wartungskosten)
• weniger ungeplante Stillstände (ca. 30–50 %)
• Unterstützung von Langzeitbetrieb (LTO) und Zulassung neuer Konzepte (SMR/AMR) durch erklärbare, verifizierbare KI 

»EMUS-TWIN« adressiert CONNECT-NM RL4 (NDE & Materials Health Monitoring), liefert eine multiparametrische NDT- und E-Lösung mit KI-gestützter Degradationsprognose und führt die Technologie von TRL4 auf TRL6.