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SEMINARIO SAFETY IN NUCLEAR FUSION PLANT 24 Aprile 2015 T. Pinna Probabilistic Analysis.

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Presentazione sul tema: "SEMINARIO SAFETY IN NUCLEAR FUSION PLANT 24 Aprile 2015 T. Pinna Probabilistic Analysis."— Transcript della presentazione:

1 SEMINARIO SAFETY IN NUCLEAR FUSION PLANT 24 Aprile 2015 T. Pinna Probabilistic Analysis

2 2 Seminario Fusione 2015 – Probabilistic Analysis Probabilistic safety assessment (PSA) A cosa serve?  Identificazione degli incidenti e delle situazioni operative anomale che possono avvenire all’interno di un impianto  Definire adeguate soluzioni per evitarli/le  Dando più o meno credito alle probabilità di accadimento, scegliere gli eventi incidentali di riferimento sulla base dei quali  Definire e progettare i sistemi e le procedure di salvaguardia (preventing systems and actions)  Definire e progettare i sistemi e le procedure di protezione per limitare le conseguenze che possono essere determinate da situazioni operative anomale o da incidenti (mitigating systems and actions)  Dimostrare alle autorità di licensing che tutti gli aspetti relativi ai possibili incidenti che possono avvenire nell’impianto sono stati accuratamente analizzati e trattati

3 3 Seminario Fusione 2015 – Probabilistic Analysis Probabilistic safety assessment (PSA) Altri termini spesso utilizzati e/o correlati  Risk assessment  Reliability assurance program  Plant safety assessment  Hazard analysis

4 4 Seminario Fusione 2015 – Probabilistic Analysis Probabilistic safety assessment (PSA) La metodologia PSA nasce per le analisi di sicurezza degli impianti per la fissione nucleare  A comprehensive, structured approach to identifying failure scenarios, constituting a conceptual and mathematical tool for deriving numerical estimates of risk.  Three PSA levels:  Level 1 comprises the assessment of plant failures leading to determination of the frequency of core damage.  Level 2 includes the assessment of containment response, leading, together with Level 1 results, to the determination of frequencies of failure of the containment and release to the environment of a given percentage of the reactor core’s inventory of radionuclides.  Level 3 includes the assessment of off-site consequences, leading, together with the results of Level 2 analysis, to estimates of public risks.

5 5 Seminario Fusione 2015 – Probabilistic Analysis Probabilistic safety assessment (PSA)  It is a physical situation with potential for human injury, damage to property, damage to the environment or any combination of these PERICOLO HAZARD:PERICOLO  It is the likelihood of undesirable events (hazard) to occur within specified time and/or specified circumstances RISCHIO RISK:RISCHIO

6 6 Seminario Fusione 2015 – Probabilistic Analysis Probabilistic safety assessment (PSA) non c’è modo di poter assicurare che i rischi vengano eliminati completamente L’analisi di sicurezza di una installazione industriale distingue tra i rischi potenziali che possono essere incontrati in assenza di misure protettive ed i rischi residui che possono rimanere nonostante le misure protettive. In particolare, si focalizza nella valutazione di questi ultimi, in quanto, non c’è modo di poter assicurare che i rischi vengano eliminati completamente. L’obiettivo principale è lo studio di quei rischi che hanno le potenzialità di generare anormali problemi ai lavoratori, alla popolazione e all’ambiente.

7 7 Seminario Fusione 2015 – Probabilistic Analysis Come effettuare una valutazione dettagliata di eventi rischiosi? Raccogliendo ed integrando insiemi di informazioni e dati: Potenziali sorgenti di energia ed energie inerenti ai processi (es.: reattività, temp. e pressioni)  Sorgenti di energia Sostanze chimiche e materiali radioattivi che possono determinare rischi nell’installazione  Materiali rischiosi: quantità, forma ed ubicazione Potenziali eventi iniziatori (initiating events - IEs) che interessano sostanze pericolose e che possono generare rilasci di tali sostanze o generare altri eventi pericolosi. Esempi di IEs: interni alle installazioni industriali (esplosioni e fuoco), IEs di processo (fuoriuscite di liquidi o gas, trasferimenti impropri di materiali), IEs esterni (alluvioni, terremoti)  Potenziali Eventi Iniziatori Strutture, sistemi o componenti dedicati a prevenire il rilascio di sostanze pericolose in caso di condizioni incidentali (es.: barriere passive come tubazioni, contenitori, scatole a guanti, e sistemi o componenti attivi, come valvole di sfiato e sistemi di monitoraggio)  Dispositivi di prevenzione Strutture, sistemi o componenti dedicati a mitigare le conseguenze di un rilascio di sostanze radioattive in caso di situazioni incidentali. Es.: barriere passive (sistemi di contenimento) o sistemi e componenti attivi (sistemi di filtrazione e pulizia dell’aria, pozzetti di raccolta, ecc.)  Dispositivi di mitigazione

8 8 Seminario Fusione 2015 – Probabilistic Analysis Integrated safety assessment Integrated Safety Assessment Plant Design Exhibits Acceptable Levels of Risk Probabilistic Safety Assessment Demonstrate Performance Identify important scenarios beyond design basis Risk Profile and Dominant Sequences Reliability and Consequence Analysis Reliability Based Assumptions Capability Based Assumptions Probabilistic Criteria Deterministic Criteria Technical Specifications Maintain Validity of Assumptions All identified scenarios Expected scenarios Add those sequences not previously identified Bounding consequences scenarios Plant is capable of containing radioactive products Deterministic Safety Assessment Plant Design Basis Demonstrate capability Plant Reference Design Design Basis Accidents Accident Scenarios Possible Threats (initiators) Functional Analysis System Analysis From IAEA-TECDOC-1264

9 9 Seminario Fusione 2015 – Probabilistic Analysis ITER Overall Plant Level Sequence Assessment Process

10 10 Seminario Fusione 2015 – Probabilistic Analysis Analisi degli incidenti (accident analysis) Elementi base: Le funzioni che devono essere effettuate per tenere sotto controllo le sorgenti di energia nell’impianto e limitare i rischi connessi all’impianto (es.: radiazioni) sono definite “funzioni di sicurezza”. Tali funzioni permettono la selezione degli eventi iniziatori di incidenti e l’identificazione delle potenziali risposte dell’impianto.  Definizione delle funzioni di sicurezza L’obiettivo è quello di determinare un insieme completo di sequenze incidentali che comprenda tutti gli effetti relativi a tutte le potenziali condizioni incidentali che hanno qualche possibilità di accadere (fenomeni ritenuti realistici e fisicamente possibili). Pertanto, deve essere compilata una lista completa di eventi iniziatori di incidenti che copra tutti i possibili casi di funzionamento anormale di impianto. Due fasi sono previste:  Selezione degli eventi iniziatori di incidenti Definizione di tutti gli eventi possibili ═ ► Fallimenti elementari Raggruppamento degli IEs identificati tenendo conto delle funzioni di sicurezza svolte dai sistemi/componenti e delle conseguenze ═ ► Postulated Initiating Events (PIEs) Le sequenze incidentali relative ad ogni PIE devono essere identificate attraverso una chiara e completa valutazione delle risposte di impianto ad ogni evento iniziatore.  Identificazione delle sequenze incidentali

11 11 Seminario Fusione 2015 – Probabilistic Analysis Analisi degli incidenti (accident analysis) (example for an old design of fusion power plant)

12 12 Seminario Fusione 2015 – Probabilistic Analysis Analisi degli incidenti (accident analysis) Esistono molte tecniche analitiche per valutazioni di sicurezza su un ampio spettro di installazioni industriali e nucleari di varia complessità. Le tecniche di analisi devono essere scelte sulla base dei potenziali rischi legati all’installazione e della complessità dei processi operati nell’installazione. Normalmente è usata una semplice analisi di rischio  Operazioni a bassa complessità (Low-Complexity Operations) E’ comunemente suggerita una Fault Tree Analysis (FT)  Processi con complessità grande o moderata E’ comunemente suggerita una Failure Modes and Effects Analysis (FMEA)  Sistemi elettro-meccanici a guasto singolo E’ comunemente suggerita una Event Tree Analysis (ET).  Sistemi con barriere ridondanti o a guasto multiplo per generare rischi E’ comunemente suggerito un Hazard and Operability Study (HAZOP)  Processi complessi di fluidi e gas Sono comunemente suggerite tecniche integrate di FMEA, Fault Trees ed Event Trees  Installazioni/Impianti di alta complessità

13 13 Seminario Fusione 2015 – Probabilistic Analysis Analisi degli incidenti (accident analysis) Safety goal comparisons for ITER Event CategoryIIIIIIIV Category Description Operational Events Likely Sequences Unlikely Sequences Extremely Unlikely Sequences Range of Frequency f>~10 -2 /a10 -2 /a > f > ~10 -4 /a > f > ~10 -6 /a ITER Plant Conditions Normal Operation IncidentsAccidents Project Release Guideline <1 g HT and 0.1 g HTO /a <1 g HT or 0.1 g HTO /ev <50 g HT or 5 g HTO /event

14 14 Seminario Fusione 2015 – Probabilistic Analysis Accident identification (Failure Mode and Effect Analysis) TOP-DOWN Process BOTTOM-UP Process Functions Components

15 15 Seminario Fusione 2015 – Probabilistic Analysis Accident identification (Failure Mode and Effect Analysis) For each component the following items were evaluated:  all possible failure modes, in the various operating phases,  frequencies and category classification,  failure causes and possible actions to prevent the failure,  consequences and actions to prevent and mitigate the consequences,  Postulated Initiating Events (PIE) in which the safety relevant elementary failures are grouped.

16 16 Seminario Fusione 2015 – Probabilistic Analysis Accident identification (Failure Mode and Effect Analysis)

17 17 Seminario Fusione 2015 – Probabilistic Analysis Accident identification (Event Tree Analysis)

18 18 Seminario Fusione 2015 – Probabilistic Analysis Accident identification (summary) Identification of high-risk sequences TPL1-10-PSP2 TPL1-11-PSP2 TPO3-3-PSP8 TPL1-21-PSP2 TPL1-22-PSP2 TSL1-21-PSP4 TSL1-22-PSP4 TPL1-5-PSP1 Only sequences with probabilities higher than /event were considered

19 19 Seminario Fusione 2015 – Probabilistic Analysis Integrated safety assessment Integrated Safety Assessment Plant Design Exhibits Acceptable Levels of Risk Probabilistic Safety Assessment Demonstrate Performance Identify important scenarios beyond design basis Risk Profile and Dominant Sequences Reliability and Consequence Analysis Reliability Based Assumptions Capability Based Assumptions Probabilistic Criteria Deterministic Criteria Technical Specifications Maintain Validity of Assumptions All identified scenarios Expected scenarios Add those sequences not previously identified Bounding consequences scenarios Plant is capable of containing radioactive products Deterministic Safety Assessment Plant Design Basis Demonstrate capability Plant Reference Design Design Basis Accidents Accident Scenarios Possible Threats (initiators) Functional Analysis System Analysis From IAEA-TECDOC-1264 Reliability, Availability, Maintenability, Inspectability RAMI

20 20 Seminario Fusione 2015 – Probabilistic Analysis RAMI - Reliability, Availability, Maintenability, Inspectability  Design in inherent R  Redundancies  Weakest link of chain  Weakest equipments  Contractors vs permanent staff  Maintenance staff size, training  Spare parts  Regulations vs good practice  Inspections & tests requiring extra outage time vs those that don’t Reliability Probability of a system running correctly over its assigned run time Inspectability Productive time lost or gained due to test and inspection requirements Maintainability Probability of returning failed system to service in a fixed time interval, or avg time to 100% repair Availability Annual plant operating hours ∕ 8760 hr Availability Annual plant operating hours ∕ 8760 hr

21 21 Seminario Fusione 2015 – Probabilistic Analysis RAMI - Reliability, Availability, Maintenability, Inspectability Flow diagram for RAMI process in ITER RAMI Requirements Initial FMECA Risk mitigating actions Design Improvements Expected FMECA RAMI analysis through Reliability Block Diagrams Compatible with RAMI objectives Yes No Final Design Preliminary Design Functional Breakdown Structure

22 22 Seminario Fusione 2015 – Probabilistic Analysis Functional Breakdown Structures (FBS) Products, Energy, Information INPUT Input + Added value OUTPUT CONTROLS MECHANISMS Activity support Technical and Human Resources FUNCTION TO DO to obtain an added value

23 23 Seminario Fusione 2015 – Probabilistic Analysis Failure Mode, Effect and Criticality Analyses (FMECA) Criticality analysis to quantify the risk and criticality levels of function failure mode Potential Failure Modes Potential Effects of Failure Mode Potential Causes of Failure Mode Detection Capability of Failure modes Quantify Severity S Quantify Occurence O Quantify Detectability D Risk Quantification RPN = O*S*D Risk Priority Number Critically Analysis C = O*S Criticality Loss of component functions Identification of Causes & Effects CRITICALITY MATRIX

24 24 Seminario Fusione 2015 – Probabilistic Analysis Example of FMECA table

25 25 Seminario Fusione 2015 – Probabilistic Analysis Probabilistic evaluations: Example of FMECA results Effects of Design improvements Parametric study was done taking into account minimum, mean and maximum values of failure rates existing in literature for similar components

26 26 Seminario Fusione 2015 – Probabilistic Analysis RAMI study: Sample of RBD to define Reliability of a system to operate on demand Modeling through Reliability Block Diagrams 15 days of continuous operation Reliability 97.43%

27 27 Seminario Fusione 2015 – Probabilistic Analysis RAMI study: Sample of RBD to define Reliability of a system to operate on demand  System overview on RAMI data evaluated for several years of simulation time Continuous time of operations 1 year2 years5 years10 years System Overview8760 h17520 h43800 h87600 h General Mean Availability (All Events): Std Deviation (Mean Availability): Mean Availability (w/o Preventive Maintenances & Inspection): Point Availability (All Events) at end operation time: Point Reliability (at end operation time): Expected Number of Failures: Std Deviation (Number of Failures): MTTFF: System Uptime/Downtime Uptime (h): Corrective Maintenance Downtime (h): Inspection Downtime (h): Preventive Maintenances Downtime (h): Total Downtime (h): System Downing Events Number of Failures: Number of Corrective Maintenances: Number of Inspections: Number of Preventive Maintenances:0024 Total Events:

28 28 Seminario Fusione 2015 – Probabilistic Analysis Probabilistic Analysis Grazie per l’attenzione Domande?


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