JUGOSLOVENSKA KONFERENCIJA ETAAte N O V I S A D . 1217. JUNA 1989

Dore Vojnev-t-C Institut "Oozef Stefan"

Jamova 39 61111 Ljubljana

VEROVATNOSNA ANALIZA POUZDANOSTI SISTEMA ZA IRINUDNB HLAERH NUKLEARNE ELEKTRANE - OCENA POUZDANOSTI ZA SLUAJ. HALE I Z U M E NEZGODE

NUCLEAR POWER PUNT EMERGENCY CORE C08LING SYSTEM REllABILITY ANALYSIS - RELIABILITY ESTI MAT101 FOR SHALL LOCA

SADR2A0: Pouzdanost delovanja sistema nije zavisna samo od njegove razpolo2ivosti nego i od zahteva koji se pred njega postavljaju. U radu je prikazan nain ocenjivanja pouzdanosti delovanja sistema za prisilno hlaenje jezgra NE u sluaju male izlivne nezgode. Uz pomo stabla dogadaja su utvreni scenariji razvoja dogadaja i zahtevi za pojedinim sistemima za ovladavanje nezgode. Na osnovu zahteva za delovanjem sistema za prisilno hlaenje je ocenjena njegova pouzdanost.

ABSTRACT: System performance reliability depends not only on its own availability but also on requirements which are placed on the system. This paper shows a way of system performance reliability estimation for a NPP Emergency Core Cooling System in case of Small LOCA. The event scenario and requirements for systems are determined with event tree . Finally, the ECCS reliability estimation are performed on the basis of system requirements.

Uvod

Odziv vet aktiviranog sistema za prisilno hlaenje jezgra zavisi od velictne pritiska u primarnom rashladnom krugu. Svaki definisani podsistem sistema za prisilno hlaenje jezgra ima svoju ulogu u zavisnosti od: pritiska u primarnom rashladnom krugu, od delovanja drugih sigurnosnih sistema i od vremena koje je proteklo od nezgode. Pouzdanost sistema je dakle funkcija scenarija nezgode - sekvence. Eroj i tok scenarija (sekvenci) za pojedini potetni dogaaj (nezgoda, tranzient) se u verovatnosnim analizama sigurnosti prikazuje putem stabla dogadaja. Stablima dogadaja se kreira model elektrane gde su osnovne jedinice sistemi ili sigurnosne funkcije. Za svaki poetni dogaaj se konstruiSe novo stablo dogadaja na osnovu procedura za nezgodna stanja elektrane. -Stablo dogaaja je specifino za svaku elektranu. Analizirajmo za primer jedno manje razgranato stablo dogadaja za malu izlivnu nezgodu konstruisano za primer NEK.

Pouzdanost sistema za hlaenje jezgra u sluaju male izlivne nezgode

Izlivnom nezgodom smatramo putanje primarnog rashladnog kruga ili bilo-kojeg cevovoda prikljuenog na taj sistem, koji se dogodi u bilo

IX. 152

kojem vremenskom periodu rada NE. Mala izlivna nezgoda je putanje primarnog sistema koje sistem za kontrolu hemijskog sastava i zapremnine (CVCS) ne moe da nadoknadi, dok je gornja granica putanja ona koju visokopritisni sistem za prinudno ubrizgavanje moe da nadoknadi. Stablo dogadaja je tipa malo stablo dogaaja/veliko stablo otkaza. To je pristup pri kojem se u stablu dogadaja pojavljuju samo sigurnosni sistemi. U tom sluaju se stabla otkaza podpornih sistema ukljuuju u stabla otkaza sigurnosnih sistema. Dakle meuzavisnosti izmeu sigurnosnih sistema i njihovih podpornih sistema (vertikalne zavisnosti) se reSavaju na nivou stabla otkaza a ostale na nivou stabla dogadaja.

Stablo dogadaja je konstruisano na osnovu:

- poznavanja projekta elektrane, - tehnikih specifikacija, - procedura za upravljanje elektranom u nezgodnim situacijama, - razgovora sa operaterima,

Preuzeti uslovi i predpostavke pri konstrukciji stabla dogaaja

Navedimo osnovne uslove 1 predpostavke koje su smo preuzeli pri konstrukciji stabla dogadaja:

1. Veliina loma je predpostavljena izmeu 3/8" i 2" ekvivalentnog prenika. To ima za posledicu da CVCS pumpe nemogu nadoknaditi hladioc koji istie kroz lom.

2. Kapacitet jednog rasteretnog ventila (PORV) i jedne pumpe za visokopritisno ubrizgavanje je dovoljno za odvoenje toplote iz jezgra po naCinu Feed & Bleed (napajanje i putanje).

3. Ako PORV otkaze u otvorenom poloaju nije mogue koristiti niskopritisni deo za dugotrajnu recirkulaciju (pritisak u primarnom rashladnom krugu je jos dovoljno visok da onemoguava to).

4. Gubitak hladiva kroz lom se moe nadoknaditi iz rezervoara vode za zanienu goriva tokom 24h.

5. Kapacitet PORV-a nije dovoljan da rastereti primarni sistem od pritiska pri kojem bi mogli upotrebiti niskopritisni deo sistema za prisilno hlaenje, a da pri tome ne doe do otkrivanja jezgra, kao i da se taj deo sistema ne moe upotrebiti za Feed & Bleed hlaenje.

6. Otkaz generatora pare, kao ponora toplote, nije ukljuen u stablo dogadaja zbog nezavisnosti moguih puteva otkaza. Neki od tih otkaza se posebno analiziraju kao poetni dogaaji nezgoda (lom cevi u generatoru pare).

7. Pri generaciji "S" signala (signal za pokretanje sigurnosnih zatitnih mera) se generira i signal "T" (signal za aktiviranje sistema za izolaciju zatitne zgrade - I faza) na koji se izvri izolacija zatitne zgrade. Zato operater mora pred upotrebom PORV resetirati "S" signal i obezbediti snabdevanje ureaja unutar zatitine zgrade sa instrumentalnim komprimiranim vazduhom.

Opis sekvenci stabla dogadaja za malu izlivnu nezgodu

Na slici 1 je prikazano stablo dogadaja konstruisano za glavni dogaaj male izlivne nezgode. Identifikovano je osam sekvenci od koje 3 vode u sigurno zaustavljanje elektrane, dovode do oteenja jezgra i 1 (jedan) zavrava sa prelaznom pojavom bez zaustavljanja reaktora. OpiSimo svaku sekvencu pojedinano.

3 A W S

MEUSPEH

tEGENDA : CD OTEENJE JEZGRA ATWS PRELAZNA POJAVA BEZ ZAUSTAVLJANJA REAKTORA

SL.l Stablo dogadaja za malu izlivnu nezgodu i

Sekvenca 1: Po prvoj sekvenci del uju svi sistami relevantni za obvladavanje nezgode i ublaavanja posledica tako da je ishod, stanje toplog zaustavljanja elektrane:

Sekvenca 2: NeraspoloZivost pomone napajne vode znaci da sekundarni sistem ne moze preuzeti (odr2ati) ulogu ponora toplote koja se jos uvek oslobaa u jezgru reaktora Sto prouzrokuje kompletan otkaz funkcije odvoenja toplote iz primarnog sistema. U takvoj situaciji nam ostaje na raspolaganju Feed i Bleed Sto znaci da u reaktorski sistem uz pomoC visokopritisnog dela sistema za prisilno hlaenje (sigurnosno ubrizgavanje) ubrizgavamo borirani rastvor iz rezervoara vode za izmenu goriva dok hladioc istie na mestu loma i posto to nije dovoljno se akcijom operatera otvaraju rasteretni ventili na sudu za odravanje pritiska. Otvaranjem potrebnog broja ventila i/ili naizmenicnim otvaranjem i zatvaranjem operator odrava pritisak u reaktorskom krugu dovoljno visoko iznad temperature saturacije. Da bi rasteretne ventile otvorili potrebno je resetirati S signal da bi ponovo uspostavili napajanje reaktomke zgrade sa komprimiranim vazduhom za instrumentaciju, a koji je neophodan za pogon rasteretnih ventila.

IX. 154

Sekvenca 3: U slutaju otkaza rasteretnog ventil u otvorenom poloaju u toku manevrisanja sa otvaranje i zatvaranjem istog ventila Ce doci do vee potronje bori rane vode iz rezervoara z"a izmenu goriva. Posledica toga je potreba za prelazak na fazu rerirkulacije hladioca iz kontejaentskog korita pre nego Sto se dosegne stanje hladnog zaustavljanja. Sekvenca 4: U koliko je prelazak na recirkulacioni rad neuspesan obustavlja se odvodenje toplote iz jezgra i doci Ce do oteenja jezgra. Sekvenca 5: Neuspesan pokusaj/pokusaji otvaranja rasteretnih ventila na sudu za.odravanje pritiska takode prouzrokuju oteenje jezgra. Toplota se odvodi samo puten hladioca koji istie kroz lom Sto je nedovoljno. Sekvenca 6: Operator nije uspeo resetirati "S" signal i zbog toga nije na raspolaganju komprininarni vazduh za pogon rasteretnih ventila na sudu za odravanje pritiska. Posledica je ista kao pri petoj sekvenci. Sekvenca 7: U koliko je uspeSnim zaustavljanjem reaktora ne deluje sistem / podsistem visokopritisnog ubrizgavanja i dolazi do oteenja jezgra, jer ga po pritisku i kapacitetu ne moze zameniti ni jedan drugi sistem. Sekvenca-8: Otkaz zatitnog sistema reaktora vodi u trarizient (prelaznu pojavu) bez zaustavljanja reaktora. Kompleksnost razvoja stanja /scenarija za taj s"lutaj zahteva posebno stablo dogadaja.

Uloga 1 doprinos si stems za prisilno hlaenje jezgra oteenju jezgra za sluaj male izlivne nezgode

Iz stabla dogaaja uoavamo zahtev samo za visokopritisnim delom sistema i to u fazi recirkulacije. Treba podsetiti da rad visokopirtisnog dela u recirkulacionoj fazi zahteva uspeSan rad i niskopritisnog dela u istoj fazi Sto je vec uzeto u obzir u modelu visokopritisnog dela.

Kritine sekvence

Kritine sekvence su identificirani scenariji, putem stabla dogadaja, koji imaju dominantan doprinos oteenja jezgra. Kritine sekvence se mogu odrediti (uoiti) na dva naCina.Prvi je kvalitativan, po broju sistema/sigurnostnih funkcija sa neuspeSnim delovanjem u odreenoj sekvenci. I drugi po verovatnoCi ostvarenja sekvence. U naCelu Sto je broj sistema sa neuspeSnim delovanjem koji su sadrani u odreenoj sekvenci manji to je sekvenca kritinija. I kvantitativno, Sto je verovatnoa ostvarenja sekvence sa negativnim ishodom visa to je sekvenca kritinija. Kritine ili tkzv. dominantne sekvence opredeljuju nivo ukupne verovatnoe oteenja jezgra bilo samo za jedan poetni dogaaj bilo za sve postulirane poetne dogaaje. Po pravilu je-nivo verovatnoe ostvarenja kritinih sekvenci za nekolika redova veliina visi od ostalih. Iz tog razloga se analizi takvih sekvenci posveuje najvea panja. Sa obzirom da je predmet naSe analize sistem za prisilno hlaenje jezgra potraimo kritine sekvence i uloge/doprinos analiziranog sistema u njima. Uoava se da je sekvenca 7 najkritinija jer vec neraspolozivost visokopritisnog dela sistema za prisilno hlaenje u fazi ubrizgavanja (sigurnosno ubrizgavanje) dovodi do oteenja jezgra. ZapiSimo izraze za sraCunavanje verovatnoe ishoda sekvenci koje se zavsavaju sa neuspehom:

Q4-P( I ) f (A) P ( B | P(C) P(D) P(E) P(F) P(G) Q4P(I) P(C) P(F) P(G)

Q5=P(I) P(A) P(B) P(C) P(D) P(E) Q5-P( I ) P(C) P(E)

Q6-P( I ) P(A) P(B) P(C) P(D) Q6-P( I ) P(C) P(D)

Q7-P( I ) P(A) P(D) Q7-P( I ) P(B)

NAPOMENA .'Oznaavanje dogadaja u gornjim izrazima je izvreno prema SL. 1

Za uestalost poetnog dogadaja Ce se u prvom priblizanju preuzeti jedan od srednjih ocenjenih vrednosti za sledeCe 4 elektrane.

Zion P -3.5E-2 (USA) Biblis P -2.7E-3 (BRO) Surry P 1.0E-3 (USA) S i z w e l l . , . . P =9.4E-4 (UK)

usvaja se aritmetika srednja vrednost, Sto iznosi P-P(I)2.7E-3

nmiM u - fA? WHS

( } Up-J

mnntxut SE asTwrni na KiMtki wwSfwiwog ta*

SL.2 Stablo otkaza - zavisnost podsistema/faa rada

Napomena; Nepouzdanost delovanja podsistema sistema za prisilno hlaenje NEK je ocenjena putem stabla otkaza (Ref. / V ) i nije predmet ovog

IX. 156

lanka.

U modelu visokopritisnog dela u fazi recirkulacije je obuhvaen i rad niskopritisnog dela. Meutim rad niskopritisnog dela u fazi recirkulacije je uslovljen uspeSnim startovanje i radom u fazi ubrizgavanja.

VerovatnoCa otkaza visokopritisnog dela u fazi kratke recirkulacije, P(G), e se sraunati preko stabla dogadaja na gornjoj slici tj.:

P(G)-(P(H) * P(G)) + P(N) - (P(N) * P(G) * P(N)) P(G)=((l-2.26E-5) * 1.S9E-3) + 2.26E-5 -

-((1 - 2.25E-5) * 1.69E-3 * 2.26E-5)

P(G)=1.713E-3

pa je konano verovatnoCa ostvarenja pojave sekvenca 7:

Q7-1.Z3E-6

SL.3 Stablo otkaza za sluaj rasteretnih ventila

gde su: P(B)-4.60E-4 nepouzdanost visokopritisnog dela sistema za

prisilno hlaenje u fazi ubrizgavanja. P(fi)-1.69E-3 nepouzdanost visokopritisnog dela u fazi kratke

recirkulacije.

P(N)=2.26E-5 nepouzdanost niskopriti snog dela sistema u fazi ubrizgavanja

SraCunajmo joS sekvencu 4 uz dopunu podataka iz drugih izvora.

()=.5E-5 - nepouzdanost sistema pomone napojne vode

Verovatnoa da se rasteretni ventil ne zatvara u procesu ostvarivanja Feed i Bleed P(F), je ocenjena u prvom priblizenju na sledeci nain:

predpostavka: - u toku Feed & Bleed procesa se otvaranje i zatvaranje ventila vrsi 10 puta.

Podaci za osnovne dogadaje F1,F2,F3,F4 (oznake prema slici 3):

P(Fi)*5.0t-3 - Gen. podatak P(F3)=5.0E-6 l/h * 24 = 1.2E-4 - Gen. podatak P(F4)=2.0E-3 -Gen. podatak (proseCna verovatnoa)

Verovatnoa otkaza PORV-a pri zatvaranju , P(F2), da se ventil neCe zatvoriti u procesu od 10 otvaranja/zatvaranja se sraCunava kao zbir verovatnoa otkaza pri svakom od pokuaja zatvaranja. Verovatnoa da se ventil neCe zatvoriti pri n-tom pokuaju je:

n-1 P(D1 D2 ... -1 Dn)-P(0)(l-P(D))

gde je: P(D)=3.2E-3

Pa je : P(D)10>3.109E-3 P(D)9 -3.119E-3

P(D)2 3.1898E-3 P(D)1 3.2E-3

P(F2)=P(D)10 + P(D)9 + ... +P(Q)2 + P(D)1 = 3.15E-2

Na osnovu stabla otkaza na slici 3 se sraCunava P(F):

P(F)3.86E-2

I konano sraCunajmo verovatnoCu ostvarenja sekvence 4:

Q4-P(I)*P(C)*P(F)*P(G) Q4- 2.7E-3 6.57E-5 3.86E-2 1.713E-3 Q4- 1.16E-11

NAPOMENA: Predpostavlja se da su modeli meusobno nezavisni kao i da poetni dogaaj, ne utie na raspoloivost sistema u zaglavlju stabla dogaaja, Sto znaci da je rezultat za Q4 iz tog razloga optimistian.

IX. 158

Iz dosadanje analize se o pouzdanosti delovanja sistema za prisilno hlaenje jezgra-u sluaju male i2livne nezgode mo2e zakljuiti sledece:

- nivo pouzdanosti ce log sistema opredel ju je del ovan j e v isokopri t i snog del a n fazi ubrizgavanja,

- doprinos nepouzdanosti delovanja sistema k nesigurnosti elektrane (verovatnofif topljenja jezgra isputanje radioaktivnosti u okolinu, riziku..) se mole oceniti samo putem ocene verovatttoce ostvarivanja sekvenci u kojima se pojavljuje

- kritinost sekvence naelno zavisi od uestalosti pojave poetnog dogadaja i od broja sistema u sekvenci koji dovodi do neuspeha.

Zakljuak

Nepouzdanost sistema za hlaenje jezgra se ne moze oceniti samo na osnovu.razpolo2ivih podataka/informacija/znanja o nepouzdanosti podsistema pd kojih se sastoji i faza u kojima po projektu delije. Pri sintezi ocene napouzdanost-i ovog sistema se moraju uzeti u obzir teinski faktori koji opredeljuju rangove uticaja pojedinih delova sistema ili pojedinih faza ka neuspeSnom ovladavanju nezgode (oteenju jezgra i naruavanju sigurnosti). Sto praktino znaci da se ocena pouzdanosti sistema moze dati jedino nakon modeliranja i analize elektrane, a ne na nivou sistema. To je oevidno na preliminarno izvedenom primeru za malu izlivnu nezgodu, gde je visokopritisni deo sistema u fazi ubrizgavanja takorei nosioc pouzdanog delovanja celog sistema. Za neki drugi poetni dogaaj je situacija moe biti sasvim drugaija zbog- drugaijeg odziva i uloge sistema, a Sto se odraava putem senaria razvoja nezgode (sekvenci). Uestalost poetnog dogadaja takode utiCe na doprinos nepouzdanosti pojedinog sistema na ukupnu konanu verovatnou topljenja jezgra. Na kraju se moe zakljuiti da se doprinos sistema i dela sistema ka verovatnoCi oteenja jezgra ocenjuje kroz doprinose sekvenci u kojima se sistem pojavljuje, a koje rezultuju u stanje sa oteenjem jezgra. Na taj nain je pri oceni pouzdanosti sistema obuhvaena uslovijenost (zavisnost) stanja sisteaa koji uestvuju u scenariju dogadaja.

Pouzdanost sistema odreena na nivou si stem-analize mo2e biti razliita. To je zavisno od zahteva-koji se postave pred njega, a to je opet zavisno od niza faktora kao sto je stanje elektrane, delovanje drugih sigurnostnih sistema itd. Iz toga se moZe zakljuiti da je pouzdanost kategorija koja je vezana za funkciju koju sistem izvrava i tada govorimo o pouzdanosti funkcije. Bok to nije sluaj sa kategorijama raspolo2ivosti koja je nerazdvojno vezana za "hardware".

Reference

/1/ Vojnovic ore, "Verovatnosna analiza sigurnosti i pouzdanosti rada nuklearne elektrane - Sistem za prinudno hladenjr jezgra NE KRSKO", Magistarski rad, maj 1988

/2/ M. Ko2uh, 0. Vojnovic, "Drevo dogodkov zamalo izlivno nezgodo", IJS-DP-4989, December 1987, Ljubljana