Page 1 Моделирование отказов по общей причине в рамках ВАБ АЭС на основе новых информационных технологий и подходов Ершов Г.А., Ермакович Ю.Л., Парфентьев М.А. ФГУП СПб «Атомэнергопроект», Санкт-Петербург, Россия В.Б. Морозов, Г.В. Токмачев ФГУП «Атомэнергопроект», Москва, Россия Подольск, ОКБ «Гидропресс», 01 июня 2007 г. ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ АЭС С ВВЭР 2007

Page 2 Классификация отказов по общей причине Физико-механические причины: Ненормально высокая или низкая температура. Ненормально высокое или низкое давление. Механическое напряжение выше проектных пределов Воздействие внешних предметов (например, падение кровли). Вибрация. Радиация. Влажность. Пыль Электрические причины: Ненормально высокое напряжение. Ненормально большой электрический ток. Электромагнитные помехи.

Page 3 Химические причины : Коррозия. Химические реакции. Человеческие причины: Ошибка при разработке или производстве Ошибки при выполнении испытаний/ обслуживания/ эксплуатации Другие причины: Землетрясение. Торнадо. Наводнение. Молния. Классификация отказов по общей причине

Page 4 1) Одинаковый тип элемента - обычно моделируются активные элементы, например: клапаны с электроприводом; центробежные насосы; дизель-генераторы ; выключатели 2) Одинаковая функция, например: изолирование системы; контроль расхода 3) Один и тот же производитель 4) Одинаковые внешние условия, например: температура; влажность; запыленность Факторы общности оборудования

Page 5 Факторы общности оборудования 5) Одинаковые внутренние условия, например: температура; давление; коррозионно-активные жидкости; 6) Одинаковое место расположения 7) Одинаковые начальные условия: открыт; закрыт; работающий; находящийся в режиме ожидания 8) Одинаковые процедуры опробований 9) Одинаковые процедуры технического обслуживания

Page 6 Результаты выполненных ВАБ показывают, что вклад ООП в частоту повреждения активной зоны (ЧПЗ) может быть весьма значительным. Так для различных шведских АЭС вклад ООП находится в диапазоне %, причем для современных АЭС с высокой кратностью резервирования систем безопасности этот вклад наиболее значителен В опубликованных отечественных ВАБ вклады ООП в ЧПЗ имеют меньший разброс - от 18 до 27%. Надежность некоторых современных систем АЭС может практически полностью определяться отказами по общей причине. Вклад ООП в частоту повреждения активной зоны

Page 7 Вклад ООП в частоту повреждения активной зоны Международная база данных ICDE включает, как минимум, 610 событий, относящихся к ООП. 65 из них заключались в отказе полностью всей группы элементов. Наиболее часто отказывают по общей причине различные виды арматуры, центробежные насосы и дизель-генераторы. Из недавних ООП, выявившихся при реагировании системы безопасности на инициирующее событие можно упомянуть инцидент на 1-ом энергоблоке шведской АЭС Forsmark 25 июля 2005 года, когда при внешнем обесточивании отказали два из четырех установленных дизель-генераторов [14].

Page 8 Многофакторность общих причин определяет принципиальную невозможность разработки для каждой из них отдельной модели, детерминированно описывающей причинно-следственный механизм отказа группы зарезервированных элементов. Поэтому для моделирования ООП принято использовать стохастические параметрические модели. При этом ООП задаются в виде базовых (первичных) событий, вероятности возникновения которых определяются с помощью параметрических моделей и обрабатываются наравне с независимыми отказами по правилам Булевой алгебры. Общие принципы моделирования ООП

Page 9 Способы моделирования ООП Первый способ: события отказа по общей причине одновременно двух, трех, четырех и более однотипных элементов изображаются непосредственно на графе (дереве отказов (ДО) или схеме функциональной целостности (СФЦ)). Такой способ применяется, например, при использовании для целей ВАБ программного комплекса SAPHIRE. Второй способ: вначале строится граф, включающий только события независимых отказов. Затем на графе выделяются группы элементов, подверженных ООП. Для каждой такой группы выбирается тот или иной параметрический закон, и задаются параметры этого закона. Преобразование исходного графа, вычисление вероятностных характеристик элементов делаются автоматически.

Page 10 Отображение ООП на графе Принципиальная схема системы Исходная СФЦ системы (без отображенных ООП) Элемент 1 Элемент 2 Элемент

Page 11 Отображение ООП на графе Вершина 5 – ООП элементов 1 и 2; Вершина 6 – ООП элементов 1 и 3; Вершина 7 - ООП элементов 1, 2 и 3; Вершина 8 – ООП элементов 2 и 1; Вершина 9 – ООП элементов 2 и 4; Вершина 10 – ООП элементов 2, 3 и 1; Вершина 11 – ООП элементов 3 и 1; Вершина 12 – ООП элементов 3 и 2; Вершина 13 – ООП элементов 3, 1 и 2; СФЦ системы, модифицированная с учетом ООП

Page 12 Основные модели ООП базового параметра; бета-фактора; множественных греческих букв; альфа-фактора; биноминальная

Page 13 Формулы для расчета вероятностей отказов в группах ООП Модель бета-фактора Модель множественных греческих букв Модель альфа-фактора 1=1, 2=, 3=,…, N+1=0,

Page 14 Параметры различных моделей для группы из трех насосов (отказ на запуск) Параметр модели β-фактора: β = 0,03-0,17 Параметры модели греческих букв: Β = (2,11-7,96)E-2; γ = (3,9-6,03)E-3 Параметры модели α-фактора: α2 = (1,7-4,37)E-2; α3 = (0,821-0,480)E-4 Параметры биномиальной модели: μ = (6,55-12,6)Е-4;ω = (1,01-2,67)Е-3;p = 0,251-0,306

Page 15 Включение в состав АЭС дополнительных систем, дублирующих друг друга, но основанных на разных физических принципах. Например, дополнительно к обычной системе аварийной защиты устанавливают систему быстрого ввода бора. Если использование такого способа невозможно, то в состав АЭС включается хоть и однотипное оборудование, но выпущенное различными производителями. Исключение предпосылок к возникновению ООП уже на стадии проектирования и строительства АЭС сопряжено с большими трудностями, в том числе и материальными. Отсюда следует, что при проектировании АЭС и выполнении ВАБ очень важно правильно рассчитать величину вклада ООП в ЧПЗ, не переоценив, но и недооценив ее. Способы исключения ООП на ранних стадиях жизненного цикла

Page 16 Причины некорректности известных моделей ООП Одним из способов решения задачи корректного расчета параметров ООП является обеспечение адекватности используемых параметрических моделей ООП. Это условие сейчас не соблюдается Все широко используемые на практике модели ООП разрабатывались в «докомпьютерную» эпоху. Расчеты выполнялись вручную, с помощью калькуляторов и т.п. Это вынуждало ученых прибегать к различного рода упрощениям, практически неизбежным в то время. К моменту появления ПЭВМ имевшиеся параметрические модели были уже общепризнанными и их реализовали в программных комплексах без, по существу, какой-либо переработки.

Page 17 Типичная ошибка расчета ООП Как показали недавние исследования, выполненные авторами доклада, вышеназванное обстоятельство приводит к некорректному расчету величины вклада ООП в ЧПЗ. Так, при использовании широко известного кода Risk Spectrum и модели β-фактора величина вклада ООП в ЧПЗ зависит от способа соединения (в смысле надежности) элементов в группе ООП. При последовательном соединении элементов учет ООП приводит к увеличению (!) надежности системы, а при параллельном – к уменьшению. Аналитический (ручной) расчет дает тот же результат, значит ошибка не в коде, а в математике

Page 18 Причина ошибки в теории Этот факт объясняется тем, что при разработке модели β- фактора, наряду с очень практичным (инженерным) соображением о том, что часть отказов оборудования вызывается естественными причинами, обусловленными принципом действия и конструкцией данного оборудования (износ при трении, старение резинотехнических изделий и т.д.), а часть – воздействием факторов внешней по отношению к данным экземплярам оборудования среды (повышенная температура, ошибки при конструировании, допущенные в одной фирме и т.д.), при разработке модели β-фактора, было принято и одно, чисто вероятностное, допущение:

Page 19 На «инженерном» языке это допущение формулируется так – вероятность отказа элемента по независимой и общей причине равна сумме вероятностей этих отказов. Принятие данного допущения правомочно только при одном из двух условий: - если события, входящие в формулу (3) независимы; - если элементы системы имеют очень высокую надежность. Согласно одного из основных положений теории вероятностей несколько событий являются несовместными, если появление любого из них исключает появление каждого из остальных. Очевидно, что в нашем случае это условие неприменимо. Следовательно, использовать формулы для модели бета-фактора, приводимые в литературе, можно только при условии высокой надежности элементов. Причина ошибки в теории

Page 20 Откорректированная модель бета-фактора

Page 21 Вклад ООП при использовании обычной модели

Page 22 Вклад ООП при использовании откорректированной модели

Page 23 Выбор модели ООП в ПК «БАРС»

Page 24 Включение оборудования в группу ООП

Page 25 Результаты расчета параметров ООП

Page 26 Параметры модели отказов по общей причине

Page 27 1.Все, сказанное о недостатках модели бета- фактора, относится и к другим параметрическим моделям ООП, т.е. они также требуют корректировки. 2.Мощность современных ПЭВМ позволяет отказаться от тех допущений, которые использовались при ручных расчетах, практически без ущерба для времени моделирования и, в то же время, обеспечивает большую точность расчетов. 3.Реализация предлагаемых подходов будет иметь существенный экономический эффект ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Page 28 Бюро ВАБ НИО СПбАЭП Спасибо за внимание!