DPOPT – Optimierung des Druckschalters

Gegenstand:	DPOPT Optimierung des Druckschalters Qualifizierung einer fertigungstechnisch optimierten Komponente
Projektpartner:	GNS (Behälterhersteller, Deutschland) HBM (Druckschalterhersteller, Deutschland)
Laufzeit:	2021 bis 2029 inklusive BAM-Qualifizierung

Die Überwachung der Dichtfunktion des Doppeldeckeldichtsystems erfolgt mittels Druckschalter, der in der äußeren Dichtbarriere des Doppeldeckeldichtsystems montiert und mit dem darunterliegenden Sperrraumvolumen verbunden ist.

Der Druckschalter wiederum ist an das Behälterüberwachungssystem angeschlossen. Sollte der Druck im Sperrraum während der Lagerung durch einen Defekt in einer der beiden Barrieren unter das Druckniveau im Referenzraum des Druckschalters fallen, wird der Kontakt des Hauptschalters geöffnet und das Behälterüberwachungssystem meldet „Sperrraumdruck tief“.

Abbildung 8:
Prinzipieller Aufbau des Druckschalters

Beim Druckschalter handelt es sich um ein komplexes Bauteil, siehe Abbildung 8 und Abbildung 9, das nach hohen Qualitätsstandards gefertigt wird. Das Auftreten zufälliger Fehler lässt sich nicht gänzlich ausschließen. Deswegen verfügt der Druckschalter über eine Selbstüberwachung, die durch einen zusätzlichen Schalter für den Referenzraum realisiert wird. Sollte der Referenzraumdruck durch einen Druckschalterdefekt unter den spezifizierten Schaltdruck absinken, wird der entsprechende Kontakt geöffnet und das Behälterüberwachungssystem meldet „Referenzraumdruck tief“.

Abbildung 9:
Druckschalter – Draufsicht ohne Abdeckplatte I

Quelle: GNS

Bei weltweit über 1.500 verbauten Druckschaltern mit Einzelbetriebsdauern von teilweise mehr als 30 Jahren, die sich zu einer Gesamtbetriebszeit von über 20.000 Jahren aufsummieren, kam es bisher nur zu einer sehr begrenzten Anzahl von Defekten – sogenannten Druckschalterereignissen. Die Ausfallwahrscheinlichkeit eines Druckschalters liegt dabei im Bereich von unter 10^-6 pro Jahr.

Abbildung 10:
Gegenüberstellung der Betriebszeit und der Druckschalterereignisse

Abbildung 10 zeigt, dass die aufgetretenen Druckschalterereignisse nicht mit den angefallenen Betriebsstunden korrelieren. Es handelt sich also um das zufällige Auftreten von Defekten, aus deren zeitlicher Verteilung sich nicht ableiten lässt, dass mit der verlängerten Zwischenlagerung ein systematischer Anstieg von Ausfällen verbunden ist. Die Abnahme der Fehlerhäufigkeit ist auch damit verbunden, dass die beim Betrieb beziehungsweise bei der Fehlerauswertung gewonnenen Erfahrungen in die Handhabung der Druckschalter eingegangen sind.

Eine dezidierte Auswertung der Druckschalterereignisse hat gezeigt, dass der weitaus größte Teil der Ereignisse auf Leckagen an den Durchführungen der Kontaktstifte zurückzuführen ist, die zu einem Druckabfall im Referenzraum, jedoch nicht zu einem Ausfall der dichten Umschließung der Sekundärdeckelbarriere führten. Im Hinblick auf eine verlängerte Zwischenlagerung strebt die BGZ zusammen mit der GNS aber eine Optimierung des Druckschalters an. Voruntersuchungen vom Hersteller HBM und der GNS ergaben, dass eine aussichtsreiche Problembehebung durch die Verwendung von Glasdurchführungen anstelle der bisher verwendeten Keramikdurchführungen zu erwarten ist, da bei Glasdurchführungen kein zusätzliches Lötmaterial eingebracht werden muss.

Das Forschungsprogramm DPOPT sieht vor, das neue Design der Kontaktdurchführung mehreren Tests zu unterziehen, die abdeckend für die Betriebsbedingungen sind. So werden die Kontaktstifte unterschiedlichen mechanischen Belastungen unterzogen, die als ursächlich für die bisherigen Defekte erachtet werden. Hierzu zählen reine Gewichtsbelastungen und die Simulation von Steckvorgängen. Zusätzlich wird der neue Schalter thermischen Lasten ausgesetzt, um aufzuzeigen, dass die Glasdurchführungen für den gesamten vorgesehenen Temperaturbereich geeignet sind. Im Anschluss an die jeweiligen Belastungstests werden HeliumDichtheitsprüfungen durchgeführt, bei denen die spezifizierte maximale Leckagerate nicht überschritten werden darf. Nach erfolgreichem Abschluss der internen Qualifikation ist eine Qualifikation der Glasdurchführung bei der BAM vorgesehen, um das optimierte Design in die zukünftige Fertigung von Druckschaltern übernehmen zu können.