Development and Application of Uncertainty Analysis Approaches for MELCOR Simulations of Severe Accidents

QC 2024-03-25

Abstract

Rådande behov av att utveckla säkerhetsanalysmetoder och den ökande stringensen i lättvattenreaktorsäkerhet (LWR) efter Fukushima kräver mer avancerade och systematiska tillvägagångssätt för att analysera svåra haverier. Metoderna för bästa skattning plus osäkerhet (BEPU) är ett sådant tillvägagångssätt och har använts brett för deterministiska säkerhetsanalyser (DSA) av konstruktionsstyrande haverier (DBA). Däremot är BEPU-analys av svåra haverier (SA) mer komplicerat på grund av SA-fenomens komplexitet och SA-simuleringsverktygens specialiteter. BEPU-metoder för svåra haverier behöver därför utvecklas.

Denna doktorsavhandling utgår från den konventionella BEPU-metoden där olika metoder för att bestämma osäkerheter (UQ) med 95/95 toleransgränser används i MELCOR-simuleringar av svåra haverier i syfte att fastställa deras tillämplighet. Både parametriska och icke-parametriska UQ-metoder, inklusive goodness-of-fit-test, Wilks-metoder, Baren och Halls linjära interpolering och metoder utvecklade av Hutson, tillämpas på postulerade scenarier med svåra haverier i en nordisk kokvattenreaktor (BWR). Det har visat sig att (i) en liten urvalsstorlek eller en låg ordning i dessa UQ-metoder tenderar att ge konservativa uppskattningar, och (ii) en stor urvalsstorlek medför många misslyckade beräkningsfall med MELCOR och att åtgärda fallen medför en explosionsartad beräkningskostnad. För att lösa detta problem föreslås två alternativa ansatser som kan utvecklas vidare i ett senare steg.

Den första alternativa ansatsen är att utveckla en modell med artificiellt neuronnät (ANN) baserad på ”bootstrapping” som ska användas i UQ; och den andra alternativa ansatsen är att koppla deterministiska urvalsmetoder (DS) med en fast/dynamisk täckningsfaktor. Det första alternativa tillvägagångssättet löser problemet med den konventionella BEPU-metoden, d.v.s. den explosionsartade beräkningskostnaden till följd av att åtgärda många kraschade MELCOR-fall som annars förstör det slumpmässiga urvalet. Tanken bakom ansatsen är att använda surrogatmodeller (SM) baserade på framgångsrika MELCOR-beräkningar för att förutspå sambandet mellan osäkra in- och utdata. Som ett resultat kan en UQ med numeriskt ekvivalent uppskattning med 95/95-toleransgräns göras. Ansatsen tillämpas för ett scenario med svårt haveri på grund av totalt elbortfall (SBO) i en nordisk BWR och resultaten jämförs med resultat som baserats på konventionella metoder. Den andra metoden föreslås användas för realistiska uppskattningar till lägre beräkningskostnader. Dess teoretiska grund är att DS-metoder behöver färre stickprov för att ge ungefärliga konvergenta uppskattningar av de statistiska momenten för utdata. Genom att införa en fast eller dynamisk täckningsfaktor kan informationen om de två första statistiska momenten utökas till 95:e percentil, eller så kallade numeriskt ekvivalenta uppskattningar av 95/95-toleransgränser. Det andra tillvägagångssättet tillämpas för ett svårt haveri av SBO i en svensk PWR och jämförs med resultat som baserats på konventionella metoder.

Resultatjämförelsen visar att de två alternativa tillvägagångssätten lämpar sig väl för att bestämma osäkerheter i MELCOR-simuleringar av de valda scenarierna med svåra haverier.  Exempelvis förutspår den första alternativa metoden, vid beräkning av H2-massa och tidpunkten för tankgenombrott, 95/95-uppskattningar som liknar de som är genomförda med konventionella metoder. Dessutom kan en icke-parametrisk metod av hög ordning användas i ANN-modellen för stabila och realistiska uppskattningar, vilket är nästan omöjligt för den konventionella metoden på grund av kravet på många MELCOR-beräkningar. För det andra tillvägagångssättet bör en fast täckningsfaktor på 1,65 användas när utdata är symmetriskt normalfördelade. I annat fall bör en dynamisk täckningsfaktor från en anpassad betadistribution användas för att undvika orealistiska uppskattningar när utdatafördelningen är kraftigt skev. Således dras slutsatsen att de två föreslagna alternativa tillvägagångssätten har potential att ersätta den konventionella metoden för bestämning av osäkerheter för MELCOR-simuleringar av svåra haverier vid höga beräkningskostnader på grund av en stor urvalsstorlek eller vid många misslyckade MELCOR-beräkningar genomförda med konventionella metoder.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-344664