NIRAS maakt al iets meer dan vijf jaar gebruik van statistische onderzoeksplanning (DOE - Design of experiments) voor verschillende projecten in haar onderzoeks-, ontwikkelings- en demonstratieprogramma (RD&D). Die methode bestaat uit een reeks experimenten die vooraf strikt georganiseerd zijn om - met een minimum aan proeven en een maximum aan nauwkeurigheid - de invloed van bepaalde variabelen op een systeem of proces te bepalen.
Erik Coppens, een van onze betonspecialisten, illustreert deze methode aan de hand van twee concrete voorbeelden: de experimenten uitgevoerd in het kader van het onderzoek naar de gevoeligheid van beton en het onderzoek naar de sorptie van plutonium in beton.
Erik, wat betekent statistische onderzoeksplanning precies?
Erik: "Statistische onderzoeksplanning, ook wel DOE (Design of experiments) genoemd, is een verzameling wiskundige en statistische technieken die gebruikt worden om een experiment of een reeks experimenten te plannen.
Stel je voor dat je een gerecht moet maken met vier variabelen: bloem, gist, water en baktijd op 180°C. Wat is de optimale combinatie van die variabelen? In een voorbereidende fase moeten de onafhankelijke variabelen gedefinieerd worden. Ons recept kan herleid worden tot een probleem met drie onafhankelijke variabelen: de verhouding water/bloem, de verhouding gist/bloem en de baktijd op 180°C. We benaderen de vraag dan heel wiskundig en splitsen ze op in verschillende delen:
- welke van die drie onafhankelijke variabelen is belangrijk?
- zijn er synergieën tussen die variabelen of werken ze elkaar soms tegen?
- zijn de effecten lineair?
- is het verkregen model met die effecten voorspellend?
Die cascade aan vragen illustreert de wiskundige structuur die aan de basis ligt van de DOE-methode. Onderzoekers beantwoorden die vragen één voor één met een reeks experimenten die bepaald worden op basis van drie elementen:
- de antwoorden op de vorige vragen;
- de omstandigheden waaronder toekomstige experimenten uitgevoerd kunnen worden;
- de statistische instrumenten die gebruikt zullen worden om de gegevens te analyseren.
Op basis van die drie elementen kunnen we met wiskunde alle experimenten identificeren die de benodigde informatie opleveren. Beter nog, met wiskunde kunnen we de nauwkeurigheid van de antwoorden kennen nog voordat de experimenten uitgevoerd worden. "
OFAT- of DOE-methode?
Erik: "Experimenten zijn vaak gebaseerd op de 'één variabele per keer'-methode, ook bekend als OFAT (one factor at a time). Bij die experimentmethode worden alle variabelen behalve één vastgelegd waarna die ene variabele wordt gevarieerd om het effect op de uitkomst te bepalen. Maar dat vereist heel wat experimenten, zonder garantie dat alle belangrijke effecten geïdentificeerd werden.
Bij de DOE-methode wordt bij de bepaling van de experimenten daarentegen rekening gehouden met alle mogelijke effecten. Bij het toepassen van de DOE-methode is het dus onwaarschijnlijk dat er significante effecten zijn die niet geïdentificeerd worden. Ter vergelijking kunnen bij de OFAT-methode daarentegen interacties tussen variabelen gemakkelijk over het hoofd gezien worden. Interacties vertellen ons of er sprake is van synergie of dat de variabelen elkaar tegenwerken. Kortom, DOE is een krachtige methode voor het verzamelen en analyseren van gegevens."
Wat zijn enkele voorbeelden van toepassingen in het beheer van radioactief afval?
Erik: "De processen die we onderzoeken zijn natuurlijk complexer dan een kookrecept en bevatten vaak veel variabelen. We hebben de DOE-methode gebruikt om onder andere twee complexe kwesties rond de toekomstige oppervlaktebergingsinstallatie voor laag- en middelactief kortlevend afval aan te pakken."
De gevoeligheid van beton
Erik: "Beton wordt veel gebruikt in de nucleaire industrie voor de conditionering en berging van radioactief afval. Het heeft namelijk een hoge sorptiecapaciteit, m.a.w. een groot fixatievermogen, voor radionucliden, waardoor hun mobiliteit afneemt.
We hebben onlangs de gevoeligheid onderzocht van een van de samenstellingen van het beton dat gebruikt zal worden voor de oppervlaktebergingsinstallatie. Het doel van het onderzoek was om het effect van kleine variaties in de samenstelling van het beton op de eigenschappen ervan te kwantificeren. We hebben negen onafhankelijke variabelen geïdentificeerd die een invloed zouden kunnen hebben op die eigenschappen. Ik denk bijvoorbeeld aan de hoeveelheid grind of zand die gebruikt wordt om het beton te maken.
Verschillende betonmengsels met variaties in samenstelling werden met behulp van de DOE-methode bepaald en vervolgens op laboratoriumschaal geproduceerd. Al die variaties waren representatief voor het spectrum van variaties die kunnen voorkomen bij de industriële productie van beton. Het doel was om de variaties te identificeren die een significante invloed kunnen hebben op de eigenschappen van beton en de variaties die dat niet hebben.
Met de DOE-methode konden we de invloed van die negen variabelen bestuderen in slechts twaalf experimenten. Met de klassieke OFAT-methode zouden we waarschijnlijk tot vier keer zoveel experimenten uitgevoerd hebben, met uiteindelijk minder betrouwbare resultaten."
De invloed van isosacharinezuur op de sorptie van plutonium in beton
Erik: "Isosacharinezuur (ISA) is een afbraakproduct van cellulose waarvan bekend is dat het de sorptiefactor van plutonium in beton vermindert. Er zit echter vaak cellulose in radioactief afval. Behalve ISA is het a priori niet uit te sluiten dat ook andere variabelen een invloed kunnen hebben.
Met de DOE-methode konden we bepalen welke variabelen, behalve ISA, een invloed hadden op die sorptie-eigenschap en in welke mate, inclusief de interacties met ISA. Verschillende variabelen spelen hier immers een rol: de concentratie ISA, de samenstelling van het water in het beton, de verhouding vloeistof tot vaste stof, de concentratie plutonium en de periode van contact tussen het beton en het plutonium. In totaal zijn er enkele honderden, zo niet duizenden, denkbare combinaties.
Met de DOE-methode konden we al die te testen combinaties terugbrengen tot een totaal van 28 experimenten."
Lees meer over deze studie hier.
