Přehled požadavků a kritérií seizmického hodnocení provozovaných jaderných zařízení v podmínkách velkého zemětřesení Marek Tengler Bezpečnosť jadrových elektrární. Požiadavky a hodnotenie seizmickej odolnosti zariadení JE 17. až 19. 3. 2015 Rajecké teplice, Aphrodite komplex Rizzo Associates Czech, a. s., Vejprnická 56, 318 00 Plzeň, Česká republika, IČ 45353409, DIČ CZ45353409
Úvod V souvislosti se zvyšováním požadavků na prokazování bezpečnosti jaderných zařízení pro velká zemětřesení, které byly rovněž akcelerovány Fukušimskou událostí, se vyskytuje naléhavá potřeba hledat taková inženýrská řešení, která pomohou překonat obtížné úlohy prokazování seizmické odolnosti stávajících zařízení provozovaných elektráren a případné realizace úprav seizmického zodolnění. V rámci seizmického přehodnocení se historicky dobře etablovali dvě principiální metody a to metoda seizmické hraniční odolností a metoda pravděpodobnostního seizmického hodnocení. rem-ten003-15.rcz 2
Definice příkladem.. Kalifornské zemětřesení 1906 - Datum: středa 18. dubna 1906 (05:12:21) - Oblast Sanfranciského zálivu - Hypocentrum otřesu s magnitudou 7,1-9,3 se nacházelo západně od průlivu Zlatá brána v hloubce 8 km (±5 km) - Hlavní epicentrum otřesů na pobřeží 3 km, blízko skal nazvaných Mussel Rock - Otřesy byly cítit až v Los Angeles a ve vnitrozemí až v centru Nevady - Zemětřesení a následný požár si vyžádal přes 3 000 lidských životů rem-ten003-15.rcz 3
Izoseizmická mapa rem-ten003-15.rcz 4 Modifikovaná Mercalliho mapa intenzit
Kalifornské, nebo také San Franciské zemětřesení je dobře zdokumentovaná a stále studovaná událost, která postihla významné území s oblastmi s hustou zástavbou. Lawsonova zpráva popsala a dokumentovala otřesy a škody spolu s dostupným teoretickým výkladem celkem na 1643 stranách, viz The California Earthquake of April 18, 1906 - Report of the State Earthquake Investigation Commission. Pro praktickou demonstraci účinků Kalifornského zemětřesení 1906, popsané dobovým jazykem Lavsonovy zprávy, jsou účinky zemětřesení přiřazeny stupňům v Mercalliho škále makroseizmické intenzity zemětřesení. rem-ten003-15.rcz 5
1 - Nepocítění 2 - Pociťují lidé v klidu, ale ne horníci v pracích, lampy a otevřené dveře se pohupují, některé kyvadlové hodiny zastaveny 2-3 - Mírný šok 3 - Pocítění většinou lidí, obvykle po krátkou dobu (< 20 s), směr pohybu popsán 4 - Lehké otřesy, většina spících probuzeno, dveře a okna rachotí, delší trvání (> 30 s) a popsána variabilita směru pohybu, vyvržena voda z žlabů pro koně, vodojemů a kanálů 5 - Střední otřesy, objekty posunuty, mléko vylito z kastrolů, domy rozhoupány s mírnými trhlinami rem-ten003-15.rcz 6 omítky, některé vodojemy strženy
5-6 - Stromy silně otřesený, louky a pole se zjevně pohybují ve vlnách 6 - Těžké otřesy, objekty přesunuty a shozeny z regálů, omítky prasklé, okna rozbita, některé komíny a špatně vyztužené zdi poškozené, cihly shozený z říms, vysoké pomníky posunuty 6-7 Pozemní trhliny na vozovkách a svazích, některé komíny poškozeny 7 - Většina komínů stržena nebo poškozena, některé cihlové domy poškozeny, ne však budovy rámové konstrukce, hromady sáhového dříví svrženy, některé náhrobky převráceny, malé sesuvy půdy a zemní propady rem-ten003-15.rcz 7
7-8 - Ztekucení a velké laterální rozrušení půdy, všechny komíny svrženy 8 - Dobře zhotovená zdiva poškozeny, některé budovy s rámovou konstrukcí posunuty po jejich základech, náhrobky a hřbitovní pomníky převráceny, rozsáhlé poruchy terénu a sesednutí, porušení základů, vodovodního a plynového potrubí, železniční tratě zkroucené 8-9 - Lidé, koně a dobytek stržení z nohou, mosty zbořené, budovy s rámovou konstrukcí strženy od základů rem-ten003-15.rcz 8
9 - Zděné budovy a budovy s rámovou konstrukcí destruovány, masivní sesuvy půdy, všudypřítomná poruchy terénu, hlavní větvě zdravých stromů zlomené 9-10 - Stromy popadané, téměř všechny pomníky a hřbitovní památníky zbořeny rem-ten003-15.rcz 9
2,5 m rem-ten003-15.rcz 10
rem-ten003-15.rcz 11
rem-ten003-15.rcz 12
rem-ten003-15.rcz 13
rem-ten003-15.rcz 14
rem-ten003-15.rcz 15
Stanovení seizmické odolnosti Řešení seizmické odolnosti zařízení komerčně provozovaných jaderných zařízení, je nutné rozlišovat ve dvou režimech : (1) Navrhování seizmicky způsobilých zařízení podle návrhové normativně-technické dokumentace (2) Posuzování seizmických mezí odolnosti pro mimořádné události V prvém režimu se musí postupovat podle stavebních nebo pevnostních kódů pro teplomechanické konstrukce, nebo produktových norem (aj.), které stanovují příslušná kritéria a návrhové limity pro tzv. postulovanou seizmickou událost. rem-ten003-15.rcz 16
Postupy hledání limitní odolnosti Vyloučení extrémních nároků na design zařízení a souvisejících nároků na průkaz odolnosti v režimu (1), je zabezpečeno vylučujícími podmínkami pro seizmické ohrožení lokality, do které je zařízení umisťováno. V druhém případě, viz (2), se řeší kvantifikace rizik jaderných zařízení indukovaných odstupňovaných seizmických událostí a vyhovění požadavkům regulátora na stanovené kumulované hodnoty seizmického rizika definovaného buď jako CDF (Core Demage Frequency), resp. LERF (Large Earley Release Frequency); a vyjádřené v podobě povolených úniků radionuklidů do okolí. rem-ten003-15.rcz 17
Postupy hledání limitní odolnosti Velká zemětřesení je v perspektivě navrhování seizmických staveb nutno nazírat jako exernalitu a tedy řešit jako Design Extended Conditions. Pro tyto případy je nutno sahat na metody založené na pravděpodobnostních výpočtech, které jsou založeny na hledání ekvilibria mezi stochasticky definovaným zatížením a stochasticky určenou odolnost zařízení Poznámka: Zde zařízení lze chápat jako soubor konstrukcí, systémů a komponent. rem-ten003-15.rcz 18
Postupy hledání limitní odolnosti Pro jaderně energetická zařízení platí princip aplikace ověřených metod řešení. Zde se uplatnili dvě komplementární přístupy: SMA (Seismic Margin Assessment) hodnocení hraniční seizmické odolnosti SPSA, resp. SPRA (Seismic Probability (Risk) Assessment) pravděpodobnostní hodnocení seizmického rizika rem-ten003-15.rcz 19
Postupy hledání limitní odolnosti Praktickým způsobem jak zabezpečit vstupní data pro analýzy seizmických rizik (vyhodnocení CDF nebo LERF) je stanovení hodnot HCLPF a to pro všechny položky seznamu (SSEL, resp. SEL) konstrukcí, systémů a komponent nutných pro zajištění bezpečného odstavení a dochlazení reaktoru, integritu primárního okruhu a sekundárního okruhu až po uzavírací armatury na hranici seizmické kategorie 1, zabránění úniku radioaktivních látek a ionizujícího záření do okolí. Určení hodnot HCLPF se provádí pro všechny položky SSEL/SEL přičemž se aplikuje metoda CDFM (Conservative Deterministic Failure Margins), resp. FA (Fragility Analysis). 20 rem-ten011-14.rcz
Výpočet HCLPF Při výpočtu parametrů HCLPF se definuje bezpečnostní koeficient F S, který odpovídá násobku výsledné seizmické odezvy určené pro SL-2 (nebo RLE), při které dojde k vyčerpání rozhodujícího akceptačního kritéria, použitého pro hodnocení dané komponenty. Těmi mohou obvykle být: - napěťová kritéria (viz výpočtové hodnocení), - deformační kritéria (viz výpočtové hodnocení), - funkční kritéria (viz hodnocení zkouškou). Pak platí: rem-ten011-14.rcz 21
Výpočet HCLPF kde C kapacita komponenty (např. dovolená napětí, dovolené posuvy aj.), R NS výsledná odezva na působící neseizmická zatížení (např. napětí, posuvy aj.), R S výsledná odezva na seizmická zatížení daná SL-2 nebo RLE. Pro výpočet parametrů hraniční seizmické odolnosti HCLPF pak platí následující vztah: HCLPF = F S x PGA SL-2 (resp. RLE) rem-ten011-14.rcz 22
Výpočet HCLPF Pro zaručení seizmické odolnosti na požadované úrovni musí být výsledná hodnota parametru HCLPF (určená pro rozhodující způsob porušení) alespoň rovná hodnotě PGA (Peak Ground Acceleraation), která je stanovená jako hodnota projektového ohrožení konkrétní lokality jaderné elektrárny (např. 0,15g). Vzhledem k tomu, že metoda CDFM obsahuje nižší míru konzervatizmu, než je tomu při standardních výpočtech obsažených v průkazní dokumentaci (jedná se zejména o použití koeficientu duktility a použití vyšších hodnot poměrného útlumu) bude takto určená výsledná hodnota HCLPF dle výsledků výpočtů průkazné dokumentace na bezpečné straně.
Performance Based Design rem-ten003-15.rcz 24