Comparison between safety classification and risk importance measure of systems and components in a nuclear power plant

Abstract

In this thesis risk importance measures (RIMs) calculated for components in a nuclear power plant with probabilistic risk analysis (PRA) are studied and their values are compared to the safety classes given for the components based on primarily deterministic guidelines in Finnish nuclear regulatory guides. There are four safety classes in use: SC1, SC2, SC3 and EYT. Multiple requirements set for a component depend on the safety class.

In nuclear field the PRA models are used to model how the occurrence of smaller events, can lead to core damage or containment failure. Two different types of events can be identified on the highest resolution of a PRA model: basic events (BEs) and initiating events (IEs). IEs are deviations from normal operation that require activation of safety functions and BEs are used to model failures of that can cause the safety functions to fail. PRA-software can then be used to solve sets of IEs and BEs whose simultaneous occurrence can cause core damage and to calculate total core damage frequency (CDF).

The results can also be used to calculate RIMs. Three different RIMs were used in the comparison for components: Fussell-Vesely that measures the share of CDF that involves a failure of the component, Risk Achievement Worth that measures the relative increase in CDF when the component fails and conditional core damage probability that is the probability of core damage given that the component causes an IE.

The comparisons were carried out by analyzing the RIMs and safety classes of components with absolute RIM values, relative rankings and distributions. A previously known fact that RIM values of components are not completely in line with the safety classification was confirmed. A component from a low safety class can be more significant according to RIM values than a component from a higher safety class. However, on average components from a high safety class are considered more significant than components from lower safety classes. Upper limits were determined for safety classes that show how high RIM values can components in each class currently have. The upper limits can be used in assistance when classification of new components or reclassification of existing components is being considered. If any of the upper limits of a safety class are exceeded, then the component should be classified one class higher based on PRA.

Tässä diplomityössä tutkitaan ydinvoimalaitoksen laitteille todennäköisyyspohjaista riskianalyysiä (PRA) hyödyntämällä laskettavia riskitärkeysmittoja ja vertaillaan niiden arvoja laitteiden turvallisuusluokkiin, jotka ovat määritetty perustuen pääosin deterministisiin ohjeisiin suomalaisissa ydinturvallisuusohjeissa. Suomessa on käytössä neljä turvallisuusluokkaa: TL1, TL2, TL3 ja EYT. Useat komponentille asetettavat vaatimukset riippuvat turvallisuusluokasta.

PRA-mallilla mallinnetaan kuinka reaktorin vaurioituminen tai päästön leviämisen estämisen epäonnistuminen riippuu pienemmistä tapahtumista. Mallin tarkimmalla tasolla on kahden eri tyypin tapahtumia: perustapahtumia ja alkutapahtumia. Alkutapahtumat ovat poikkeamia laitoksen normaalista toiminnasta ja jotka vaativat turvallisuustoimintojen käynnistämistä. Perustapahtumat kuvaavat vikaantumisia, jotka mahdollistavat turvallisuustoiminnon epäonnistumisen. Laskentaohjelmistolla voidaan määrittää alku- ja perustapahtumajoukkoja joiden samanaikainen ilmeneminen voi aiheuttaa reaktorin vaurioitumisen ja voidaan laskea sydänvaurioitumistaajuus.

Mallin avulla voidaan myös laskea tärkeysmitat. Vertailuissa käytettiin kolmea eri tärkeysmittaa: Fussell-Veselyä, joka kuvaa osuutta sydänvauriotaajuudesta johon liittyy laitteen vikaantuminen, riskinnousukerrointa, joka kuvaa suhteellista muutosta sydänvauriotaajuudessa kun laite vikaantuu, sekä ehdollista sydänvauriotodennäköisyyttä, joka on sydänvaurion ehdollinen todennäköisyys kun laite aiheuttaa alkutapahtuman.

Vertailut suoritettiin analysoimalla laitteiden tärkeysmittoja ja turvallisuusluokkia hyödyntäen absoluuttisia arvoja, suhteellisia suuruusjärjestyksiä ja jakaumia. Aikaisempi tieto siitä, että laitteiden turvallisuusluokat eivät ole täysin linjassa niiden turvallisuusluokituksen kanssa, vahvistettiin. Yksittäinen matalan turvallisuusluokituksen laite voi olla tärkeysmittojen mukaan merkittävämpi kuin korkeamman turvallisuusluokituksen laite. Keskimäärin korkean turvallisuusluokan laitteet ovat kuitenkin tärkeämpiä kuin alempien luokkien laitteet. Kullekin turvallisuusluokalle määritettiin ylärajat tärkeysmittojen arvoille, jotka kertovat kuinka suuria tärkeysmittojen arvoja voi kunkin luokan laitteilla olla. Ylärajoja voidaan hyödyntää kun uuden laitteen luokitusta tai vanhan laitteen uudelleenluokitusta harkitaan. Jos yksikin yläraja ylittyy, niin laite tulisi PRA-näkökulmasta luokitella korkeampaan turvallisuusluokkaan.