Ydinvoimalaitoksen järjestelmien, rakenteiden ja laitteiden riskitietoinen luokittelu

Ilkka Männistö, Jan-Erik Holmberg, VTT Tuotteet ja tuotanto

VTT TUOTTEET JA TUOTANTO

Johdanto 1/2

• Riskitietoinen lähestymistapa tarkoittaa riskianalyysin tulosten käyttämistä päätöksenteon apuna

• Ydinvoimaloihin liittyviä riskejä arvioidaan PSA:lla (probabilistic safety assessment)

• PSA on matemaattinen malli laitoksen luotettavuudelle• Riskitietoinen luokittelu tarkoittaa tässä yhteydessä PSA:n

käyttämistä luokittelun tukena• PSA:ssa määritellään erilaisia negatiivisia tapahtumia (TOP-

tapahtuma) joiden todennäköisyyksiä lasketaan, kuten reaktorisydämen vaurioituminen (taso 1), tai radioaktiivisten aineiden leviäminen ympäristöön (taso 2)

VTT TUOTTEET JA TUOTANTO

Johdanto 2/2

• Työn aiheena selvittää riskiluokittelun soveltamista ydinvoimalaitosten järjestelmiin, rakenteisiin ja komponentteihin

• Luokittelua käytetään yleisesti riskin rajoittamisessa ja kontrolloinnissa

• Riskin määritelmä P*C

• P = tapahtuman todennäköisyys

• C = seurauksen suuruus

• Ei-ydinvoimaan liittyviä sovelluksia: padot, dokumenttien salaisuusluokat, vankien riskiluokat

• Luokiteltavan asian ominaisuudet määräävät riskiluokan (negatiivisten seurausten tn., seurausten suuruus)

• Luokkaan liittyy toimenpiteitä jotka pienentävät riskiä (vahvemmat rakenteet, kalliimpi vakuutus, etc.)

VTT TUOTTEET JA TUOTANTO

Menetelmä

• Järjestelmien vikaantuminen vaikuttaa voimalaitoksen turvallisuuteen

• Yleisesti vikaantumisen vaikutusta riskin suhteen mitataan erilaisilla tärkeysmitoilla, esim:

• Riskin nousu laitteen ollessa epäkäytettävänä

• Riskin lasku laitteen toimiessa aina

• Todennäköisyys että ko. komponentti on syynä, kun sydänvaurio on tapahtunut

• Tärkeysmitat riippuvat TOP-tapahtumasta; eri komponentit tärkeitä kun verrataan sydänvauriota ja radioaktiivisten aineiden vapautumista

VTT TUOTTEET JA TUOTANTO

Riskitärkeysmitat 1/3

• Yleisesti komponenttien ja järjestelmien riskitärkeyttä on kuvattu kahdella mitalla:

1. Riskin nousukerroin, RIF: kerroin jolla riski nousee kun laite on epäkäytettävä

2. Fussel-Vesely: komponentin aiheuttama suhteellinen osuus kokonaisriskistä (ehdollinen tn. komponentin epäkäytettävyydelle kun TOP tapahtuu)

• Työssä valittiin kuitenkin todennäköisyyspohjaiset riskitärkeysmitat näiden sijaan

VTT TUOTTEET JA TUOTANTO

Riskitärkeysmitat 2/3

1. Vikaantumistodennäköisyys P(X)• Tn. että järjestelmä tai komponentti ei toimi

2. Ehdollinen sydänvauriotodennäköisyys (CCDP)• Todennäköisyys sydänvauriolle ehdolla että järjestelmä

tai komponentti ei toimi

• Nämä kaksi mittaa kuvaavat riskin, joka liittyy komponentin tai järjestelmän vikaantumiseen, koska riski määriteltiin todennäköisyys * seuraus

VTT TUOTTEET JA TUOTANTO

Riskitärkeysmitat 3/3

• Riskimittojen tulkintoja:• Korkea CCDP: heikko defense-in-depth tai suurella

taajuudella turvallisuushaasteita jotka vaativat komponentin tai järjestelmän toimintaa

• Korkea vikaantumistodennäköisyys: laite on epäluotettava

• Komponentin tai järjestelmän korkea riskimerkitys voi siis muodostua korkeasta CCDP:stä tai P(X):stä

VTT TUOTTEET JA TUOTANTO

Menetelmä

• Menetelmät CCDP:n ja luotettavuuden parantamiseksi ovat erilaisia, joten luokittelussa tarvitsee huomioida molemmat• Korkeata CCDP:tä voidaan alentaa lisäämällä

redundanssia, tai diversifioimalla turvallisuustoimintoa• Korkeata vikaantumistodennäköisyyttä voidaan alentaa

vaihtamalla laite luotettavammaksi tai laadunvarmennuksella

• Riskiluokittelun periaate:

1. Riskitieto eli tärkeysmitat määräävät luokan

2. Luokkaan liittyy riskejä alentavia menetelmiä

VTT TUOTTEET JA TUOTANTO

Menetelmän soveltaminen

• Työssä kehitetty kahdenlaista käyttöä riskiluokitukselle

1. Tärkeiden komponenttien tunnistaminen riskin alentamista varten. • Tavoitteena resurssien tehokas käyttö, vaikka

eksplisiittisesti ei ole kyse optimointiongelmasta

2. YVL-ohjeen vaatimien turvallisuusluokkien arviointi• Tavoitteena turvallisuusluokkien tasapainoisuus• Mahdollisuus asettaa luotettavuusvaatimuksia

järjestelmille ja laitteille

• Reunaehtona kaikille näille on sydänvauriotaajuudelle asetettu tavoite (10-5/vuosi uusille laitoksille)

VTT TUOTTEET JA TUOTANTO

Laitteiden vs. järjestelmien luotettavuus

• PSA antaa helposti tiedon laitteiden tärkeydestä, mutta luokituksessa kiinnostaa järjestelmien (toimintojen) merkitys

• Samaan toimintoon kuuluvilla laitteilla on lähes sama CCDP• yksinkertainen menetelmä päätellä järjestelmätoiminnon

tärkeys tarvitsematta laskea PSA:ta uudestaan• Toiminnon luotettavuus riippuu yleensä epäluotettavimpien

komponenttien luotettavuudesta => suuruusluokka• tarkkaa arviota varten pitäisi ratkaista vikapuu

• Järjestelmien tärkeys voidaankin karkeasti arvioida laitteiden riskitärkeyksien perusteella

• toki tarkemmat arviot voidaan tuottaa PSA-mallilla, mutta se vaatii paljon laskentaa

VTT TUOTTEET JA TUOTANTO

YVL 2.1-turvallisuusluokittelu

• YVL ohjeet vaativat kaikkien järjestelmien, rakenteiden ja komponenttien turvallisuusluokittelua

• Luokitteluperusteena käytettävä determinististä turvallisuusmerkitystä

• Determinististen perusteiden tukena täytyy käyttää myös riskianalyysin tietoja

• Turvallisuusluokituksen tulee perustua toiminnalliseen tärkeyteen, eli järjestelmän tärkeys suhteessa turvallisuustoimintoon / toimintoihin joita järjestelmä on toteuttamassa

• Pelkästään riskitärkeysmittojen käyttäminen turvallisuusluokitteluun ei siis onnistu, koska toiminnot eivät ole suoraviivaisesti määritelty PSA:ssa, eivätkä riskitärkeysmitat suoraan mittaa niiden toteutumista

VTT TUOTTEET JA TUOTANTO

XY-riskikuvaaja

• Luokiteltavat järjestelmät ja komponentit voidaan havainnollistaa XY-tasokuvaan valittujen riskitärkeysmittojen suhteen

• Kuvaajaa voi käyttää apuna tärkeiden komponenttien tunnistamisessa

• Kuvaaja voidaan nähdä ALARA-mielessä, eli on liiallisen ja mitättömän riskin alueet, ja alue jossa riskiä tulee alentaa jos mahdollista

• Käytettäessä luokittelun apuna tietyt alueet kuvassa vastaavat tiettyä luokkaa. Voidaan muodostaa yhteys näiden luokkien ja turvallisuusluokkien välille

• --> Mahdollisuus määrätä luotettavuusvaatimuksia turvallisuusluokille

VTT TUOTTEET JA TUOTANTO

Hahmotelma riskiluokitukselle(Class 1,2,3 eri kuin YVL 2.1 turvallisuusluokitus)

log P(X=1)

log P(TOP=1|X=1)

Class 2

Class 1

Class 3Area of insignificant risk

Area of unacceptable risk

VTT TUOTTEET JA TUOTANTO

Riskiluokkien eräs tulkinta

Class 1

• liittyvät välttämättömiin toimintoihin harvinaisissa alkutapahtumissa

• liittyvät lähes välttämättömiin toimintoihin yleisissä alkutapahtumissa

• voivat aiheuttaa erittäin vakavan alkutapahtuman

Class 2

• liittyvät varmentaviin toimintoihin

• voivat aiheuttaa melko vakavan alkutapahtuman

Class 3

• liittyvät varmentaviin toimintoihin

• voivat aiheuttaa yleisen alkutapahtuman

Näettekö yhteyttä turvallisuusluokkiin?

VTT TUOTTEET JA TUOTANTO

Komponentteja ja alkutapahtumia Loviisan voimalaitoksesta [Jänkälä]

1E+0

1E+1

1E+2

1E+3

1E+4

1E-8 1E-7 1E-6 1E-5 1E-4 1E-3 1E-2 1E-1 1E+0

FV

RIF

SC1

SC2

SC3

EYT

VTT TUOTTEET JA TUOTANTO

Komponentteja ja alkutapahtumia Loviisan voimalaitoksesta [Jänkälä]

1E-4

1E-3

1E-2

1E-1

1E+0

1E-7 1E-6 1E-5 1E-4 1E-3 1E-2 1E-1 1E+0

Q

CC

DP

SC1

SC2

SC3

EYT

VTT TUOTTEET JA TUOTANTO

Yhteenveto

• Valitut riskitärkeysmitat, vikaantumistodennäköisyys ja ehdollinen sydänvaurio tn. ovat komplementaarisia riskin määritelmän suhteen

• Valitut riskitärkeysmitat mahdollistavat vikaantumistapahtumien vertailun erityyppisten parannusehdotusten suhteen

• Komponenttien tärkeyttä ja turvallisuusluokitusta on arvioitu paljolti erilaisilla riskitärkeysmitoilla, mutta tässä työssä tarkastellaan myös järjestelmien tärkeyttä, ottaen huomioon toiminnallinen tärkeys

• Järjestelmätoimintojen tärkeys päätellään yksinkertaisesti laitteiden tärkeydestä

• Mutta kuinka paljon turvallisuusluokitus (YVL-2.1) vaikuttaa laitteiden luokitukseen?

• Jos turvallisuusluokituksen ja riskiluokituksen välillä halutaan nähdä yhteys, tulisi varmistua siitä että turvallisuusluokitus johtaa asetettuihin luotettavuustavoitteisiin