Laitteiden seismiset särkyvyysanalyysit ydinvoimalaitoksella

Abstract

Ydinvoimalaitoksilla turvallisuus on ensisijaisen tärkeää. Tämän vuoksi ydinvoimalaitoksilla pyritään varautumaan kaikkiin mahdollisiin ulkoisiin ja sisäisiin uhkiin. Yhtenä ulkoisena uhkana ovat seismiset ilmiöt, joiden huomioimista edellytetään myös Suomen ydinvoimalaitoksilla, vaikka Suomi onkin seismisesti hyvin rauhallista aluetta. Maanjäristykset on huomioitava muun muassa laitoksen todennäköisyysperusteisessä riskiarviossa (PRA), jonka avulla pyritään kvantifioimaan eri tekijöiden aiheuttamaa riskiä. Tämä riski arvioidaan kolmessa tasossa: ensimmäisellä tasolla arvioidaan reaktorisydämen vaurion taajuus, toisella radioaktiivisten päästöjen taajuus ja kolmannella päästöjen aiheuttamaa riskiä ihmisille ja ympäristölle. PRA:n seismisen osion yhtenä keskeisenä osana on laitoksen rakenteiden, laitteiden ja järjestelmien fragiliteetti- eli särkyvyysanalyysit. Särkyvyysanalyysissä muodostetaan tarkasteltavalle komponentille särkyvyyskäyrä, joka kuvaa komponentin vaurioitumisen todennäköisyyttä maanjäristyksen voimakkuuden funktiona.

Tässä työssä kartoitetaan, esitellään ja vertaillaan tyypillisimpiä särkyvyysanalyysin menetelmiä. Menetelmät voidaan luokitella analyyttisiin, kokeisiin ja havaintoihin perustuviin, asiantuntijalausuntoihin perustuviin ja hybridimenetelmiin. Ensisijaiset arviot särkyvyydestä on suositeltava laskea hybridi-/CDFM-menetelmällä. Tarkempia tuloksia on mahdollista muodostaa täysin analyyttisillä menetelmillä, kuten varmuuskerroinmenetelmällä tai Monte Carlo -simulaatiolla. Työssä esitetään hybridimenetelmän käyttöä ja särkyvyyden muodostamista esimerkkilaitteelle. Esimerkkilaskuissa särkyvyys muodostetaan kahdelle vauriomuodolle: laitteen ankkuroinnille, joka on yksi tyypillisimmistä rajoittavista tekijöistä särkyvyysanalyyseissä, ja kallistumiselle, joka on riskinä tarkastellun laitteen kaltaisille korkeille mutta kapeille laitteille. Laskelmien perusteella kohde on seismisesti luja, ja sen vaurioituminen maanjäristyksen aikana on hyvin epätodennäköistä. Saadut särkyvyysarvot vastaavat kirjallisuudessa esitettyjä tyypillisiä särkyvyysarvoja lämmönvaihtimille.

At nuclear power plants (NPPs), safety is of utmost importance. Due to this, the plant operator must prepare for all kinds of external and internal hazards. One type of such external hazards are seismic phenomena, which also must be accounted for. This is true even in Finland where the seismic activity is very low. One of the several methods to prepare for earthquakes is the usage of probabilistic risk assessment (PRA). In PRA, the risks of various hazards are quantified, and the frequencies of reactor core melt and release of radioactive materials are calculated, and the risk caused by such radioactive release to people and the environment is estimated. One of the main parts of the seismic PRA are the fragility analyses of structures, systems, and components (SSCs). The aim of a fragility analysis is to determine the fragility curve of an SSC. This curve describes the SSC's probability (or frequency) of failure as a function of the intensity of the earthquake.

This thesis surveys, presents and compares the most common methods of developing fragility curves. Described methods include analytical, empirical, judgemental and hybrid methods. The hybrid/CDFM-method is considered to be the best method for calculating the initial fragility values. Analytical methods such as the safety factor method or Monte Carlo simulation can be used to obtain more accurate fragilities. Furthermore, this work showcases the usage of said hybrid/CDFMmethod and the development of fragility curves for an example case. In the example, two failure modes are investigated: failure of the anchorage, which is one of the most common dominating failure modes in fragility analyses, and failure due to rocking, as the investigated component is tall and slender and as such, possibly susceptible to overturning. Based on the conducted analysis, the component has a high seismic capacity, and failure due to an earthquake is unlikely. The calculated results correspond well with the fragility values found in literature for similar components.