Statistische Nachweisführung für KMV-Störfälle unter Verwendung von Best-Estimate Plus Uncertainty (BEPU)-Analysen. Simone Palazzo, GRS Garching

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1 Statistische Nachweisführung für KMV-Störfälle unter Verwendung von Best-Estimate Plus Uncertainty (BEPU)-Analysen Simone Palazzo, GRS Garching

2 Inhalt Historischer Überblick Vorgehensweisen zur Durchführung von KMV-Analysen Vorschlag RSK und Umsetzung in der deutschen Genehmigungspraxis Darstellung der GRS Methode Zusammenfassung und künftige Arbeiten 2

3 Historischer Überblick: Entwicklung der Analyse-Methoden 1970/80s Konservativer Ansatz 1990s Entwicklung von best-estimate Codes 2000 bis heute Anwendung in Genehmigungsverfahren Konservative Annahmen Konservative Codes Entwicklung der CSAU Methodik Entwicklung weiterer Methoden: Die GRS veröffentlicht eine statistische Methode basierend auf der Formel von Wilks Universität PISA veröffentlicht die UMEA und CIAU Methoden Westinghouse/Siemens wendete die Response Surface Methodik an IAEA empfiehlt Sensitivitätsund Unsicherheitsanalysen für best-estimate Codes einzusetzen IAEA veröffentlicht SSG-2 Heute werden Best Estimate Plus Uncertainty Methods (BEPU) weltweit in Genehmigungsverfahren für KMV-Störfall verwendet CSAU UMEA CIAU Code Scaling, Applicability and Uncertainty Uncertainty Method based on Accuracy Extrapolation Code with (the capability of) internal assessment of uncertainty 3

4 Übersicht: Konservativer Ansatz für KMV-Analyse (1) Seit den 60er Jahren war der doppelendige Bruch einer Hauptkühlmittelleitung in DWR der GAU (Größter Anzunehmender Unfall) gegen den eine Anlage auszulegen war. Es ist nachzuweisen, dass ein KKW einen Kühlmittelverluststörfall (KMV) sicher beherrschen kann Die Beherrschbarkeit eines KMV-Störfalls ist gegeben, wenn die Kühlbarkeit des Kerns gewährleistet ist. 4

5 Übersicht: Konservativer Ansatz für KMV-Analyse (2) Die Kühlbarkeit des Kerns wird anhand von Nachweiskriterien überprüft. Bekanntestes Nachweiskriterium für einen KMV-Störfall: Hüllrohrtemperatur < 1200 C Die GRS entwickelte konservative Rechencodes und Methoden, um die Beherrschbarkeit des GAUs zu überprüfen Doppelendiger Bruch im kalten Strang von Loop-1 5

6 Übersicht: Konservativer Ansatz für KMV-Analyse (3) Wahrscheinlichkeitsdichte für die Bestimmung des Reaktorzustandes vor Störfalleintritt 106% Reaktorleistung vor Störfalleintritt Der konservative Ansatz für die Reaktorleistung ergibt sich aus: Erlaubte Abweichung der Reaktorleistung im Begrenzungssystem (PERL) 3% Messfehler Durchflussmessung des Speisewassers für die Bestimmung der Dampferzeuger-Leistung ca. 2% Abweichung zwischen gemessener Reaktorleistung und durch Rechenschaltung (REALEI) berechneten kurzzeitkorr. thermischen Reaktorleistung ca. 1% 6

7 Übersicht: Konservativer Ansatz für KMV-Analyse (4) Ergebnisse aus den konservativen Codes unter konservativen Anfangs- und Randbedingungen UO 2 -pellet Konservative Analyse Hüllrohr Pönalisierter BS Der zeitliche Verlauf der Hüllrohrtemperatur am heißen Stab zeigt, dass das KMV-Nachweiskriterium T Hüllrohr < 1200 C eingehalten ist. 7

8 Historischer Überblick: Entwicklung der Analyse-Methoden 1970/80s Konservativer Ansatz 1990s Entwicklung von best-estimate Codes 2000 bis heute Anwendung in Genehmigungsverfahren Konservative Annahmen Konservative Codes Entwicklung der CSAU Methodik Entwicklung weiterer Methoden: Die GRS veröffentlicht eine statistische Methode basierend auf der Formel von Wilks Universität PISA veröffentlicht die UMEA und CIAU Methoden Westinghouse/Siemens wendete die Response Surface Methodik an IAEA empfiehlt Sensitivitätsund Unsicherheitsanalysen für best-estimate Codes einzusetzen IAEA veröffentlicht SSG-2 Heute werden Best Estimate Plus Uncertainty Methods (BEPU) weltweit in Genehmigungsverfahren für KMV-Störfall verwendet CSAU UMEA CIAU Code Scaling, Applicability and Uncertainty Uncertainty Method based on Accuracy Extrapolation Code with (the capability of) internal assessment of uncertainty 8

9 Entwicklung von Best-Estimate Codes und statistischen Methoden Ziel: Erhörte Aussagesicherheit durch die Nutzung von best-estimate Codes für die Bestimmung von Unsicherheit der Ergebnisse Umsetzung: simultane Variation der Eingabe- und Modellgrößen basierend auf spezifizierten Verteilungen (= Prinzip der Monte-Carlo-Simulation) Problematik: hohe Anzahl an Simulationen wegen vieler variierten Eingabegrößen ca. 2 n Rechnungen notwendig, wo n = Anzahl der Parameter Statistische Analyse Hersteller entwickelten Vorgehensweise basierend auf der response surface Methodik 9

10 Ansatz der GRS zur statistischen Analyse Lösung: Reduktion der erforderlichen Anzahl von Simulationen GRS entwickelte eine Methode, um die Anzahl der Rechenläufe drastisch zu reduzieren und damit die Analyse mit statistischer Betrachtung der Eingabegröße zu ermöglichen Wilk s Formel ergibt die erforderliche Anzahl von Simulationen (Minimum von 59 Rechenläufe für einseitigen 95%/95% Toleranzlimit) Mit einer Wahrscheinlichkeit von 95% bei einer Aussagesicherheit von 95%: T Hüllrohr < Max. T Hüllrohr von 59 Rechenläufen unabhängig von der Anzahl der variierten Eingabegrößen Die GRS Methode ist weltweit anerkannt und eingesetzt 10

11 Historischer Überblick: Entwicklung der Analyse-Methoden 1970/80s Konservativer Ansatz 1990s Entwicklung von best-estimate Codes 2000 bis heute Anwendung in Genehmigungsverfahren Konservative Annahmen Konservative Codes Entwicklung der CSAU Methodik Entwicklung weiterer Methoden: Die GRS veröffentlicht eine statistische Methode basierend auf der Formel von Wilks Universität PISA veröffentlicht die UMEA und CIAU Methoden Westinghouse/Siemens wendete die Response Surface Methodik an IAEA empfiehlt Sensitivitätsund Unsicherheitsanalysen für best-estimate Codes einzusetzen IAEA veröffentlicht SSG-2 Heute werden Best Estimate Plus Uncertainty Methods (BEPU) weltweit in Genehmigungsverfahren für KMV-Störfall verwendet CSAU UMEA CIAU Code Scaling, Applicability and Uncertainty Uncertainty Method based on Accuracy Extrapolation Code with (the capability of) internal assessment of uncertainty 11

12 Umsetzung in der deutschen Genehmigungspraxis R S K RSK 2005 Bei Störfalleintritt ist von den ungünstigsten Werten auszugehen, die im bestimmungsgemäßen Betrieb unter Berücksichtigung der Begrenzungseinrichtungen in der integralen Leistung und in der Leistungsdichte auftreten können. Mess- und Kalibrierfehler können statistisch berücksichtigt werden In dem best-estimate -Vorgehen wird die Simulation mit einem pönalisierten Brennstab umgesetzt Eine hohe Aussagesicherheit ist gegeben, wenn das ermittelte Ergebnis mit mindestens 95% Wahrscheinlichkeit und 95% statistischer Sicherheit unterhalb der Nachweiskriterien liegt. 12

13 Visualisierung der RSK Richtlinien 2005 anhand einer Eingabegröße Entwicklung der angenommenen Wahrscheinlichkeitsdichte für die Bestimmung des Reaktorzustandes vor Störfalleintritt Gaußsche Verteilungsfunktion wird für die Reaktorleistung angenommen Reaktorleistungsbegrenzung (PERL) wird als konservative Größe berücksichtigt; Mess- und Kalibrierfehler werden statistisch berücksichtigt. Konservative Betrachtung unter Verwendung eines pönalisierten Brennstabs 13

14 Ermittlung der Ergebnisse anhand der RSK-Richtlinie 2005 KMV-Nachweiskriterium nach konservativ-statistischer Methode (RSK 2005) einseitiges Toleranzlimit (95%, 95%) für maximale Hüllrohrtemperatur am pönalisierten Stab notwendige Anzahl von Simulationen: 59 Die zeitliche Verläufe der Hüllrohrtemperatur am heißen Stab zeigen, dass das KMV-Nachweiskriterium T Hüllrohr < 1200 C eingehalten ist. 14

15 Umsetzung in der deutschen Genehmigungspraxis R S K RSK 2015 Die RSK legte fest, dass die integrale Leistung und die maximale lokale Leistungsdichte bei der KMV-Nachweisführung statistisch zu behandeln sind. Von den Vorgaben aus RSK 2005 kann bei einer statistischen Nachweisführung abgewichen werden, wenn u.a. die Aussage über die Gesamtheit der Brennstäbe gilt. Hierzu kann in der Simulation eine hinreichend große Menge der ungünstigen realen Brennstäbe im Kern analysiert werden Es ist zu zeigen, [ ] dass mit einer Wahrscheinlichkeit von mindestens 95 % bei einer statistischen Sicherheit von mindestens 95 % höchstens ein Brennstab das Nachweiskriterium überschreitet. 15

16 Visualisierung der RSK Richtlinien 2015 anhand einer Eingabegröße Entwicklung der angenommenen Wahrscheinlichkeitsdichte für die Bestimmung des Reaktorzustandes vor Störfalleintritt Realistische Betrachtung des Anfangszustandes der Reaktorleistung vor dem Störfalleintritt 16

17 Darstellung der GRS Methode (1) Umsetzung anhand der Anforderungen der RSK 2015 durch: Berücksichtigung einer hinreichend großen Menge ungünstiger realer BS Empirische Annahme: mindestens 6% der heißesten BS (ca. 3400) 1 heißes BE 1 heißer Kernkanal BE 18x18 Brennstab Heißer Brennstab Die hochbelasteten BS werden in 17 Kernkanäle verteilt Durch die Anwendung des RSK-Nachweiskriteriums von 2015 wird sich ergeben: ca Simulationen 17

18 Darstellung der GRS Methode (2) Formulierung des KMV-Nachweiskriteriums für die maximale Hüllrohrtemperatur (RSK 2015): Berechnung des Toleranzlimits (Wahrscheinlichkeit von 95% bei einem statistischen Vertrauensgrad von mindestens 95%) so dass: höchstens ein BS den Grenzwert von 1200 C überschreiten darf Mathematische Umformulierung Toleranzlimit (Wahrscheinlichkeit von 70% bei einem statistischen Vertrauensgrad von mindestens 95% - entspricht 9 Rechenläufe pro BS) so dass: kein BS den Grenzwert von 1200 C überschreiten darf ca Simulationen 18

19 Zusammenfassung und künftige Arbeiten Vorbereitung des Analysesimulators Bearbeitung der Daten aus den PIN-Files Erweiterung des Kernmodells eines Konvoi-Analysesimulators Ermittlung der Unsicherheiten Ermittlung der Parameter mit ungenauem Kenntnisstand und Festlegung der Verteilungsfunktionen Bestimmung der möglichen Abhängigkeit von Parametern Durchführung der Rechnungen und Bewertung der Analyseergebnisse Durchführung von KMV-Störfallrechnungen Konservativ-statistische Nachweisführung Statistische Nachweisführung Auswertung der Ergebnisse Empfehlung der GRS Ergebnisse der GRS bis Ende

20 Danke für Ihre Aufmerksamkeit 20