Karol Kowal CD MANHAZ, * Raport dla PAA wykonany pod kier. dra M. Borysiewicza

Analiza PSA wybranego ciągu zdarzeń awaryjnych na wypadek SBLOCA przy użyciu Saphire v.8 Analiza PSA wybranego ciągu zdarzeń awaryjnych na wypadek SBLOCA w reaktorze PWR (EJ SURRY) Podstawowe informacje dot. elektrowni jądrowej Surry Probabilistyczne analizy bezpieczeństwa – PSA Level 1 Awaria utraty chłodziwa i jej konsekwencje – SBLOCA System wysokociśnieniowego awaryjnego wtrysku chłodziwa – HPIS Pomocniczy system wody zasilającej – AFWS System awaryjnego zasilania w energię elektryczną – EP Analiza wybranego ciągu zdarzeń awaryjnych – Saphire v. 8

Analiza PSA wybranego ciągu zdarzeń awaryjnych na wypadek SBLOCA przy użyciu Saphire v.8 Analizowane systemy bezpieczeństwa dotyczą reaktora PWR z elektrowni jądrowej Surry Lokalizacja w Surry County, południowo-wschodnia Wirginia Dwa reaktory PWR Westinghouse z 1972 i 1973 roku, po 800 MWe W 2003 roku US NRC przedłużyła licencje dla reaktorów do 60 lat Blok 1 Surry był przedmiotem analiz PSA opublikowanych w raporcie US NRC Wash-1400 Widok na dwa bloki energetyczne elektrowni jądrowej Surry (źródło:

Probabilistyczne analizy bezpieczeństwa Probabilistic safety assessment

Analiza PSA wybranego ciągu zdarzeń awaryjnych na wypadek SBLOCA przy użyciu Saphire v.8 Probabilistyczne analizy bezpieczeństwa (PSA) - 3 poziomy Poziom 1 - Modelowanie odpowiedzi elektrowni (lub podsystemu) na wystąpienie zdarzenia inicjującego poprzez zidentyfikowanie kluczowych elementów wpływających na zniszczenie rdzenia. Poziom 2 - Ocena awaryjności obudowy bezpieczeństwa poprzez konstruowanie modeli do wyznaczania scenariuszy zdarzeń prowadzących do uwolnień w wyniku uszkodzenia rdzenia. Poziom 3 - Kwantyfikacja częstotliwości skutków uwolnienia substancji aktywnych do środowiska.

Analiza PSA wybranego ciągu zdarzeń awaryjnych na wypadek SBLOCA przy użyciu Saphire v.8 Probabilistyczne analizy bezpieczeństwa (PSA) - poziom 1 PSA poziomu 1 pozwala określić: Potencjalne przyczyny awarii układów bezpieczeństwa Błędy ludzkie prowadzące do niedostępności układów bezp. Konsekwencje poszczególnych scenariuszy awaryjnych Prawdopodobieństwo rozpatrywanych sekwencji awaryjnych Sekwencje zdarzeń mających istotny wpływ na całkowite prawdopodobieństwo uszkodzenia rdzenia.

Analiza PSA wybranego ciągu zdarzeń awaryjnych na wypadek SBLOCA przy użyciu Saphire v.8 Ocena prawdopodobieństwa uszkodzenia rdzenia

Analiza PSA wybranego ciągu zdarzeń awaryjnych na wypadek SBLOCA przy użyciu Saphire v.8 Symbole podstawowych elementów logicznych oraz pojedynczych zdarzeń w drzewie uszkodzeń Bramka logiczna I Bramka logiczna LUB Zdarzenie podstawowe Zdarzenie nierozwinięte Przeniesienie do poddrzewa

Analiza PSA wybranego ciągu zdarzeń awaryjnych na wypadek SBLOCA przy użyciu Saphire v.8 Program Saphire i inne narzędzia do analiz PSA Saphire v. 8 Oprogramowanie U. S. NRC przeznaczone dla PC/Windows Umożliwia analizę PSA na poziomie 1, 2 i 3 (częściowo) Pozwala na generowanie raportów końcowych Plikowa baza danych niezawodnościowych Inne narzędzia PSA FaultTree+ OpenFTA ITEM Toolkit ITEM QRAS RiskSpectrum RELEX

Awaria utraty chłodziwa z obiegu pierwotnego Small Break (0,5’’-2’’) Loss Of Coolant Accident

Analiza PSA wybranego ciągu zdarzeń awaryjnych na wypadek SBLOCA przy użyciu Saphire v.8 Awaria utraty chłodziwa z obiegu pierwotnego reaktora PWR SBLOCA – nieszczelność o średnicy 0,5 do 2 cali w obiegu pierwotnym (najmniejsza awaria typu LOCA) Lokalizacja awarii na jednym z trzech króćców zimnych reaktora (wybór pesymistyczny) Wymagana jest funkcjonalność przynajmniej 1 z 3 pomp HPIS (minimalne wymagania)

Analiza PSA wybranego ciągu zdarzeń awaryjnych na wypadek SBLOCA przy użyciu Saphire v.8 Pełne drzewo zdarzeń dla SBLOCA – 32 sekwencje Rozpatrywane układy i funkcje bezpieczeństwa EP (Electric Power) RPS (Reactor Protection System) AFWS (Auxilary Feedwater System) CSIS (Containment Spray Injection System) ECI (Emergency Coolant Injection) CSRS (Containment Spray Recirc. System) CHRS (Containmant Heat Removal System) ECR (Emergency Coolant Recirculation) SHA (Sodium Hydroxide Addition)

System wysokociśnieniowego awaryjnego wtrysku chłodziwa High Pressure Injection System

Analiza PSA wybranego ciągu zdarzeń awaryjnych na wypadek SBLOCA przy użyciu Saphire v.8 System wysokociśnieniowego awaryjnego wtrysku chłodziwa – HPIS (High Pressure Injection System) Zasada działania HPIS podczas normalnej pracy elektrowni Rys. 1. Schemat funkcjonalny (źródło: USNRC)Schemat funkcjonalny Rys. 2. Schemat techniczny (źródło: NUREG 75/014)Schemat techniczny Działanie HPIS w przypadku awarii typu SBLOCA Rys. 3. Schemat funkcjonalny (źródło: USNRC)Schemat funkcjonalny Rys. 4. Schemat techniczny (źródło: NUREG 75/014)Schemat techniczny Chłodzenie uszczelnień i oleju pomp zasilających Rys. 5. Schemat techniczny (źródło: NUREG 75/014)Schemat techniczny

Analiza PSA wybranego ciągu zdarzeń awaryjnych na wypadek SBLOCA przy użyciu Saphire v.8 Definicja i przyczyny zdarzenia szczytowego drzewa uszkodzeń systemu HPIS Niedostarczenie wystarczającej ilości wody borowej do trzech zimnych króćców podczas utraty chłodziwa na króćcu 1 (ozn. HPIS) Awaria HPIS w dostawie chłodziwa przez główny rurociąg tłoczny do króćców zimnych reaktora 2 i 3 (ozn. HPIS1) Awaria HPIS w dostawie wystarczającej ilości wody z pomp zasilających do głównego rurociągu tłocznego (ozn. HPIS2) Awaria układu HPIS w dostawie odpowiedniej ilości wody przez pompy zasilające (ozn. HPIS3) Awaria HPIS w dostawie wystarczającej ilości wody borowej do sekcji ssącej pomp zasilających (ozn. HPIS4) Awaria HPIS w dostawie chłodziwa przez co najmniej jedną pompę zasilającą (ozn. HPIS5)

Analiza PSA wybranego ciągu zdarzeń awaryjnych na wypadek SBLOCA przy użyciu Saphire v.8 Tworzenie drzewa uszkodzeń systemu HPIS na wypadek awarii typu SBLOCA Potencjalne przyczyny awarii Pojedyncze, np. błąd otwarcia zaworu zwrotnego Podwójne, np. niedostępność dwóch pomp wody serwisowej Awarie pomp zasilających, np. awaria 2 z 3 pomp Awarie zbiornika BIT, np. osadzanie się boru w zbiorniku Systemy powiązane z HPIS System awaryjnego zasilania w energię elektryczną – EP System kontroli awaryjnego wtrysku chłodziwa - SICS System niskociśnieniowego wtrysku chłodziwa - LPIS Pomocniczy system chłodzenia pomp zasilających - CPSS

Analiza PSA wybranego ciągu zdarzeń awaryjnych na wypadek SBLOCA przy użyciu Saphire v.8 Struktura pełnego drzewa uszkodzeń dla systemu HPIS Struktura drzewa uszkodzeń systemu HPIS Rys. 1. Drzewo główne HPIS (zawiera HPIS1, część HPIS2, HPIS3)Drzewo główne HPIS Rys. 2. Poddrzewa HPIS2Poddrzewa HPIS2 Rys. 3. Poddrzewo HPIS4Poddrzewo HPIS4 Rys. 4. Poddrzewo HPIS5Poddrzewo HPIS5 Liczba poszczególnych elementów Zdarzenia podstawowe: 137 (zawiera zdarzenia nierozwinięte) Bramki logiczne LUB: 46 Bramki logiczne I: 19 Awarie zasilania: 9

Analiza PSA wybranego ciągu zdarzeń awaryjnych na wypadek SBLOCA przy użyciu Saphire v.8 Prawdopodobieństwo awarii HPIS oraz minimalne przekroje drzewa uszkodzeń Prawdopodobieństwo zdarzenia szczytowego HPIS P(HPIS) = 5,2E-3 P(HPIS1) = 7,3E-6 P(HPIS2) = 2,0E-3 (38 % HPIS) P(HPIS3) = 7,8E-5 P(HPIS4) = 1,4E-3 (27% HPIS) P(HPIS5) = 1,7E-3 (33% HPIS) Minimalne przekroje drzewa uszkodzeń (min. 5% HPIS) Awarie pomp zasilających: FMOCPMOF (9,67 %) FPMCPOOF (9,67 %) Awarie zaworów podwójnych: FST111DD, FST115BD (6,98 %) FST867CD, FST867DD (6,98 %) FST867AD, FST867BD (6,98 %) Błędy obsługi operatorskiej: FXVSI24X (5,8%) BXVCS25X (5,8%)

Pomocniczy system wody zasilającej Auxiliary Feedwater System

Analiza PSA wybranego ciągu zdarzeń awaryjnych na wypadek SBLOCA przy użyciu Saphire v.8 Pomocniczy system wody zasilającej – AFWS (Auxiliary Feedwater System) Działanie AFWS w przypadku awarii typu SBLOCA Rys. 1. Schemat funkcjonalny (źródło: USNRC)Schemat funkcjonalny Rys. 2. Schemat techniczny (źródło: NUREG 75/014)Schemat techniczny Pompy AFWS są uruchamiane automatycznie w wyniku: Pojawienia się sygnału z SICS (Containment Spray Injection System) Wykrycia zewnętrznej utraty mocy Wyłączenia się głównej pompy zasilającej Wykrycia niskiego poziomu wody w wytwornicy pary

Analiza PSA wybranego ciągu zdarzeń awaryjnych na wypadek SBLOCA przy użyciu Saphire v.8 Ciepło powyłączeniowe a założenia projektowe systemu wody zasilającej – AFWS Ciepło emitowane przez produkty rozpadu: Tuż po wyłączeniu wynosi ok. 7 % nominalnej mocy termicznej Po 1 godzinie wynosi już tylko 2 % nominalnej mocy cieplnej W ciągu doby maleje do 0,4 % nominalnej mocy reaktora Założenia projektowe AFWS: l wody wystarcza do chłodzenia generatorów pary przez ok. 8h Dwa zapasowe źródła – i litrów wody Trzy pompy, jedna napędzana parą, a dwie napędem elektrycznym Minimalne wymagania ograniczają się do działania 1 z 3 pomp

Analiza PSA wybranego ciągu zdarzeń awaryjnych na wypadek SBLOCA przy użyciu Saphire v.8 Definicja i przyczyny zdarzenia szczytowego drzewa uszkodzeń systemu AFWS Niewystarczająca ilość wody pomocniczej dostarczonej do co najmniej jednego generatora pary (ozn. AFWS) Awarie pojedyncze, np. pęknięcie jednego z kolektorów, przez który dostarczana jest dodatkowa woda zasilająca Awarie podwójne, np. awaria podwójnych zaworów, na liniach prowadzących wodę z kolektorów do wytwornic pary Awarie potrójne, np. awaria trzech pomp uwzględniająca różne aspekty związane z ich konserwacją i czasowym wyłączeniem Błędy obsługi operatorskiej polegające na niepożądanym zamknięciu zaworów ręcznych

Analiza PSA wybranego ciągu zdarzeń awaryjnych na wypadek SBLOCA przy użyciu Saphire v.8 Drzewo uszkodzeń oraz prawdopodobieństwo zdarzenia szczytowego AFWS Struktura drzewa uszkodzeń AFWS Rys. 1. Główne drzewo uszkodzeń AFWSGłówne drzewo uszkodzeń AFWS Rys. 2. Poddrzewo dot. pompy elektrycznej APoddrzewo dot. pompy elektrycznej A Rys. 3. Poddrzewo dot. pompy elektrycznej BPoddrzewo dot. pompy elektrycznej B Rys. 4. Poddrzewo dot. pompy turbinowejPoddrzewo dot. pompy turbinowej Prawdopodobieństwo zdarzenia szczytowego: P(AFWS) = 5,9E-4 Dominującymi zdarzeniami są awarie redundantnych szyn zasilania elektrycznego oraz, Błędy obsługi operatorskiej polegające na niepożądanym zamknięciu zaworów ręcznych

System awaryjnego zasilania w energię elektryczną Electric Power

Analiza PSA wybranego ciągu zdarzeń awaryjnych na wypadek SBLOCA przy użyciu Saphire v.8 System awaryjnego zasilania w energię elektryczną - EP (Electric Power) System EP pojedynczego bloku z reaktorem PWR składa się z: Dwóch zewnętrznych źródeł prądu przemiennego (AC) Dwóch źródeł prądu przemiennego w postaci generatorów diesla (DG) Dwóch źródeł prądu stałego (DC) w postaci baterii 125V Dodatkowego osprzętu elektrycznego, transformatorów, okablowania Założenia projektowe systemu EP: Dostarczenie energii elektrycznej do systemów bezpieczeństwa Dystrybucja energii poprzez dwie redundantne linie zasilające A i B Zdarzenie szczytowe systemu EP polega na niedostatecznym zasilaniu szyn obu redundantnych linii A i B

Analiza PSA wybranego ciągu zdarzeń awaryjnych na wypadek SBLOCA przy użyciu Saphire v.8 System awaryjnego zasilania w energię elektryczną - EP (Electric Power) Zasada działania systemy awaryjnego zasilania EP Rys. 1. Część zmiennoprądowa (źródło: NUREG 75/014)Część zmiennoprądowa Rys. 2. Część stałoprądowa (źródło: NUREG 75/014)Część stałoprądowa Dystrybucja energii elektrycznej: 4160V – 1H / 1J – szyny główne doprowadzają prąd do linii A i B 480V – 1H / 1J – zasilają duże silniki układów bezpieczeństwa 480V – MCC 1H1-1 / 1J1-1 – zasilanie układów pomocniczych 480V – MCC 1H1-2 / 1J1-2 – zasilanie układów pomocniczych 125V – DC 1A / 1B – zasilają przełączniki pomiędzy szynami H i J

Analiza PSA wybranego ciągu zdarzeń awaryjnych na wypadek SBLOCA przy użyciu Saphire v.8 Prawdopodobieństwo awarii poszczególnych szyn zasilających systemu EP Opis awariiPrawdopodobieństwo Niedostateczne zasilanie szyny J / H4,0E-5 Niedostateczne zasilanie szyny 480-1J / 480-1H4,0E-5 Niedostateczne zasilanie szyny MCC 1J1-1 / 1H1-14,0E-5 Niedostateczne zasilanie szyny MCC 1J1-2 / 1H1-24,0E-5 Niedostateczne zasilanie szyny DC-1B / DC-1A1,0E-6 Na podstawie danych zawartych w studium Wash-1400 (NUREG 75/014) - Reactor Safety Study, An assessment of accident risks in U.S. commercial nuclear power plants.

Wybrany ciąg zdarzeń awaryjnych uwzględniający HPIS i AFWS

Analiza PSA wybranego ciągu zdarzeń awaryjnych na wypadek SBLOCA przy użyciu Saphire v.8 Tworzenie drzewa zdarzeń na wypadek SBLOCA uwzględniającego systemy HPIS i AFWS Definicja podstawowych sekwencji przebiegu awarii: SUCCESS – dostępność obu systemów HPIS i AFWS - przypadek optymistyczny, realizowane jest zarówno awaryjne chłodzenie rdzenia, jak i odbiór ciepła z obiegu pierwotnego FAIL1 – dostępność AFWS i awaria HPIS FAIL2 – awaria AFWS przy dostępności HPIS FAIL3 – niedostępność obu systemów jednocześnie – przypadek pesymistyczny, konsekwencją może być nawet stopienie rdzenia

Analiza PSA wybranego ciągu zdarzeń awaryjnych na wypadek SBLOCA przy użyciu Saphire v.8 Drzewo zdarzeń na wypadek awarii SBLOCA Prawdopodobieństwo niedostępności przynajmniej jednego z układów HPIS i AFWS wynosi P total = 5,8E-3 Dominujące znaczenie mają minimalne przekroje drzewa HPIS (FAIL1) FAIL3 pojawia się w przekrojach, które stanowią mniej niż 0,01% P total

Analiza PSA wybranego ciągu zdarzeń awaryjnych na wypadek SBLOCA przy użyciu Saphire v.8 Podstawowe założenia projektowe autorskiego oprogramowania do analiz PSA Zdalny i mobilny dostęp do zasobów bazy danych Archiwizacja i wielokrotne wykorzystanie danych Narzędzia do tworzenie dużych zespołowych projektów PSA Lev. 1 Współdzielenie danych pomiędzy różnymi projektami Obliczenia równoległe oraz archiwizacja wyników

Analiza PSA wybranego ciągu zdarzeń awaryjnych na wypadek SBLOCA przy użyciu Saphire v.8 Zaangażowanie zespołu CD MANHAZ w realizację projektu PSA dla PAA i jego kontynuacji w ramach projektu CIŚ Uczestnicy projektu: dr Mieczysław Borysiewicz dr Sławomir Potempski dr Orest Dorosh mgr inż. Karol Kowal mgr inż. Piotr Prusiński mgr inż. Grzegorz Siess mgr Piotr Kopka mgr Elżbieta Florowska Tomasz Kwiatkowski Anna Wasiuk Andrzej Prusiński (PW) Katarzyna Bronowska (PW) Zadania zrealizowane: Drzewa uszkodzeń dla: ECI (HPIS) / ECR AFWS CSIS / CSRS SHAS CHRS Drzewo zdarzeń: HPIS + AFWS Zadania do realizacji: Drzewo uszkodzeń EP Pełne drzewo zdarzeń