原子力プラントにおけるレジリエンス評価法の開発 (その1:原子力プラントの事故時安全性評価指標としてのレジリエンス指標の提案)
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カテゴリ: 第13回
1.緒言
福島第一発電所事故以降、原子力プラントにとっての事故時におけるアクシデントマネジメント(AM)の重要性、すなわちハザード等の原因により一時的に喪失した安全上重要な機能をいかに早く・いかに必要なレベルまで回復させられるかという能力の重要性が再認識された。 原子力プラントの AM能力、すなわち安全機能回復能力を定量的に評価するには、単純に確率で評価するのではなく、事故シナリオに沿って時系列で AMをシミュレ ーションし、最終的に重大事故に至らないか否か、すなわち必要最小限の安全機能をタイムリミット内に回復で きるか否かを評価する必要がある。 今回のシリーズ論文では、日本保全学会・保全指標検討会が、原子力プラントのAMによる安全機能回復能力を評価する指標として開発した「レジリエンス指標」[1] について、レジリエンス指標の基本的考え方 ・静的機器の劣化要因に対する信頼性評価法 ・PWRを例にした試評価 ・運転プラントにおけるシステム安全の考え方 の4段階に分けて、4件の論文にてそれぞれ解説する。
2.レジリエンス指標の基本的考え方
2.1 安全機能のレジリエンスとは
レジリエンスとは一般的に「復元力、回復力、弾力」 などと訳される言葉である。では原子力安全におけるレジリエンスとは何であろうか。ここではそれを、「ある要因により失われた減圧機能や冷却機能など安全機能を回復する能力」と考えることにする。原子力プラントでは、例えば外力などを起因とする事故の発生により安全機能が一時的に失われた場合には、炉心損傷などのシビアアクシデントを避けるため、AM を展開して安全機能を回復させる。 安全限界曲線 Fig.1 Resilience of Safety Function Fig.1は、時刻t = 0においてある安全機能が一時的に失われ、その後に回復するという、a. ~ e.のAMシナリオ の 5 つの例を示している。回復力が大きくて早ければ a. のようなシナリオになるであろう。一方で、回復力が小さくて遅ければ、e.に近いシナリオとなるであろう。e.は 赤くハッチングした回復不可領域と交わっている。ここで考える回復不可領域とは、シビアアクシデントに至ら ないためのタイムリミットと最低限の機能回復度とで結 ばれる領域である。この領域と交わる AM シナリオは、 タイムリミットまでに最低限の安全機能を回復できなか ったために「失敗」と判断できる。 逆に言うと、回復不可領域を避けるAM シナリオは「成 功」となる。「成功」するAMシナリオを用いてレジリエ ンス指標、すなわち原子力プラントの AM 能力を定量化 する手段はいくつか考えられるが、ここではまず、「成功」 する確率、すなわち「回復不可領域を通らない AM シナ リオの存在確率」について考える。 Fig.1に示す各々のレジリエンスカーブのAMシナリオ は、AM を構成する段階的対応の各々が持つ 3 つの特徴 量により算出できると仮定する: 1 要求機能充足率 l:各対応が設計要求に比して機能 する割合 2 必要経過時間 ΔT:各対応の操作にかかる時間 3 成功確率 x:各対応が行われ、かつ成功する確率 これら3つの特徴量を用いて、「回復不可領域を通らない AM シナリオの存在確率」を算出するための手法とその 考え方を次に述べる。 2.2AMシナリオパスとレジリエンス指標 Fig.2 に例を示すように、AM は複数の対応が多段に組 まれた構造をしている。すなわち、第1段階目の対策が 失敗するかまたは十分でなく事故を収束できない場合に は第2段階の対応が実施され、それが失敗するかまたは 十分でなく事故を収束できない場合にはさらに第3段階 の対応が実施される、という具合である。実際のAM は もっと複雑であるが、このように各段階の対応における 前述の1~3を評価できれば、その組み合わせにより「回 復不可領域を通らないAMシナリオの存在確率」を算出 できるであろう。 Fig.2 Layered Accident Management l, ΔT, x を用いて、Fig.2 の各 AM による安全機能回 復の時間変化を表すと、Fig.3 のようになる。安全機能は 時刻t=0において一時的に低下する。その後に多段的 な対応で構成される AM を展開するのであるが、第1 段 階の対応で十分に安全機能が元通りに回復するシナリオ もあれば、いくつかの段階の対応を経なければ要求を満 足するレベルまで安全機能が回復しないシナリオもある だろう。また、各対応は外力(地震や津波など)の大き さの影響によっては対応能力そのものが低下する可能性 もあり、その影響を受けたシナリオも考慮に入れる必要 がある。 このように、ある安全機能喪失事象を想定し、次にそ のAM シナリオを展開し、そのAMシナリオに沿って可 能性のあるすべての AM パスについて安全機能回復の時 間変化を折れ線グラフで表現することができれば、「回復 不可領域を通らない」AM パスと「通る」AM パスとの 選別が可能となる。前者のみの AM パスの確率の和は、 レジリエンス指標として定義した「回復不可領域を通ら ないAM シナリオの存在確率」に他ならない。 - 42 - Fig.3 Resilience Index is obtained as the sum of probability of AM path that avoids the Un-recoverable area. 2.3レジリエンス指標に期待される有用性 レジリエンス指標の使途としてまず挙げられるのは、 レジリエンス指標値をプラントごとに比較することで、 各プラントの外力に対するAM能力を比較評価できるこ とである。また、事業者によってAM 策の改善がなされ た場合、これをFig.4のようにAM パスの上昇として可視 化することができる。すなわち、AM策の改善前後でそ の効果を可視化することができる点も、もう一つの使途 として挙げられる。 Fig.4 Improvement of AM Measure is visualized as the change of the AM management path. 3.レジリエンス指標の算出手順 レジリエンス指標値を算出するための手順は以下の通 りである。 1 事故シーケンスを選択する。 2 選択したシーケンスに対してAM シナリオを展開 する。 3 特徴量(l, ΔT, x)をAM シナリオの可能性のある すべてのAMパスについて評価する。 4 特徴量(l, ΔT, x)の外力強度依存性をモデル化す る。 5 外力の強度とその確率分布を設定する。 6 回復不可領域を避けるAMシナリオの確率を積分 し、レジリエンス指標値とする。 これら?~6について、以下に解説する。 3.1 事故シーケンスの選択 回復不可領域 原子力規制委員会の審査ガイド「原子炉損傷防止対策 及び格納容器防止対策の有効性に係る標準評価手法」で は,重大事故の兆候として最低限想定しなければならな い事故シーケンスが指定されている。BWRとPWRに関 する「炉心の著しい損傷の防止」シーケンスは以下の通 りである。レジリエンス指標の評価では、事故シーケン スとしてこれらを適用することとする。ここでは例とし て、BWRの「2 ) 高圧注水・減圧機能喪失」シーケンス を対象とした場合について述べる。 炉心の著しい損傷の防止シーケンス(BWR) 1) 高圧・低圧注水機能喪失 2) 高圧注水・減圧機能喪失 3) 全交流電源喪失 4) 崩壊熱除去機能喪失 5) 原子炉停止機能喪失 6) LOCA時注水機能喪失 7) 格納容器バイパス(インターフェイスシステム LOCA) 炉心の著しい損傷の防止シーケンス(PWR) 1) 2次冷却系からの除熱機能喪失 安全限界曲線 2) 全交流動力電源喪失 3) 原子炉補機冷却機能喪失 4) 原子炉格納容器の除熱機能喪失 5) 原子炉停止機能喪失 6) ECCS注水機能喪失 7) ECCS再循環機能喪失 8) 格納容器バイパス(インターフェイスシステム LOCA,蒸気発生器伝熱管破損) 3.2 選択したシーケンスにAMシナリオを展開 Fig. 5に「高圧注水・減圧機能喪失」シーケンスを対象 に展開したAM シナリオの例を示す。第1 段階の対応で AMADS(AM 時自動減圧系)が作動すれば原子炉内の圧力 回復不可領域 - 43 - を下げられるが、これに失敗した場合には第2段階でSR 弁による逃し弁機能の投入で減圧を行う。減圧成功後は、 次なる第1段階の対応としてAMLPCI(AM時低圧注水系) が作動すれば炉心に冷却水を注水でき、炉心損傷には至 らない。AMLPCI が作動しない、もしくは十分に機能し ない場合には、第 2 段階の対応として低圧 ECCS(緊急冷 却装置)が自動もしくは手動で起動し、冷却水を注水する。 それでも十分でない場合には、第3 段階としてMUW(復 水補給水系)やポンプ車を投入して冷却水の注入を行う。 Fig.5 Example of AM scenario for Loss of High Pressure Cooling Water Injection Function and Loss of Decompression Function 3.3 特徴量 l, Δ T , x を各AMシナリオのAM パスについて評価 Fig. 6 に、Fig. 5 で示した「高圧注水・減圧機能喪失」 シーケンスを対象に展開したAM シナリオのうち、j = 1 とj = 4のAMパスを示す。j = 1のAM パスでは、外力 発生後にまず AMADS が対応して炉内圧力を低下させ、 次にAMLPCIと低圧ECCSが対応することで冷却水が注 入され炉心冷却に至る。 j = 1のAM パスを構成するこれら3つの対応のうち、 AMADS による対応の成功確率をx1 (L), 要求機能充足率 をl1 (H), 経過時間をΔT1(H)とし、同様にAMLPCIと低圧 ECCS による対応の成功確率、要求機能充足率、経過時間 をx2 (L), x3 (L), l2 (H), l3 (H), ΔT2(H), ΔT3(H)とする。ここで、 LはこのAMパスによって回復したプラントの安全機能、 H はハザードの強度である。また、仮にΔT2(H) < ΔT3(H) とする。 外力Hが小さい場合、l1(H=小)=1, l2(H=小)=1であり、 AMADSとAMLPCIが対応することで一時的に低下した 安全機能は L = l1×l2 = 1 までに時間 T = ΔT1(H=小)+ ΔT2(H=小)で回復する。また、この場合にはL=1まで安全 Fig.6 Two AM paths for Loss of High Pressure Cooling Water Injection Function and Loss of Decompression Function 同じくj = 1のAMパスで外力Hが大きい場合の安全機 能回復の時間変化を表したものがFig. 7 の青点線である。 このAM パスではl1(H=大)<1, l2(H=大)<1 であり、L = l1×l2 < 1となって安全機能は元の状態まで回復できる わけではないが、要求される回復を満足しているために さらに次の段階の対応は不要とする。この AM パスで必 要とされる時間はT = ΔT1(H=大)+ΔT2(H=大)であり、こ のAM パスの存在確率はX = x1(L1)×x2(L1)と求められる。 同様にして、j = 4のAM パスについて考える。外力発 生後、AMADS の対応は成功するが、第1段階のAMLPCI および第 2 段階の ECCS の対応の作動に失敗するか、ま たは作動できても安全機能回復が要求されるレベルに達 せず、第3 段階の MUW やポンプ車を投入して冷却水を 注入することによって要求レベルを充足する。MUW と ポンプ車による対応の成功確率と要求機能充足率と経過 時間をx4 (L), l4 (H), ΔT4(H)とすると、j = 4のAMパス で回復する安全機能は L4 = l1(H=大)×l2(H=大) +l1(H= 機能が回復できるため、このAM パスの存在確率はX = x1(L=1)×x2(L=1)と求められる。これに基づく安全機能回 復の時間変化を表すと、Fig. 7 の青実線のようになる。 - 44 - 大)×l3(H=大) + l1(H=大)×l4(H=大), 経過時間はT = Δ T1(H=大)+ΔT2(H=大)+ ΔT3(H=大)+ΔT4(H=大), AMパ スの存在確率はX = x1(L4)×(1-x2(L4))×(1-x3(L4))×x4(L4)と 求められる。しかしこのj = 4 のAM パスは、Fig. 7 に示 すように制限時間内に安全機能の回復が間に合わず、「回 復不可領域」と交差してしまう。よってj = 4のAMパス は、最終的な安全機能回復度は要求レベルを充足するも のの、「失敗AMパス」として判定される。 Fig.7 Probability of Hazard Strength and corresponding AM scenario paths 3.4 特徴量 l, Δ T , xの外力強度依存性モデル 上述のようにレジリエンス指標では、AM 対応の成功 確率 x(L), 要求機能充足率 l(H), 経過時間ΔT(H)を用い てAMパスの安全機能回復能力を評価する。ここではx(L), l(H), ΔT(H)の外力強度 H への依存性のモデル化につい て説明する。 (1) 要求機能充足率 l(H) 各AM対応に対し、外力閾値 C1, C2を定める。外力の 影響がないときは機能が完全に作動し、安全機能回復へ の寄与は最大となると考えられ、 l(H) = 1 となる。外力 強度 H が大きくなり C1を超えると、C1から C2に至る間 に安全機能回復への寄与は直線的に減少し、C2 で0に達 する。H > C2ではl(H) = 0である。 Fig.8 Dependency model of sufficiency rate of required performance of AM action upon the strength of hazard (H) 安全限界曲線 (2)経過時間ΔT(H) 各 AM 対応に対し、要求機能充足率l(H)と同じく外力 閾値 C1, C2を定める。外力の影響がないときの経過時間 はその対応における設計値 T1と等しくΔT(H)=T1となる。 外力強度Hが大きくなりC2を超えると、この対応は作動 することができず次の段階のAMに移る。 ここでは、「成功」、「失敗」、「不要」の3つの場合の確 率を定義する。このうち「不要」とは、当該の前の段階 の対応までの和として安全機能回復(=L)が要求を満足 しており( L > Lc)、当該の対応が行われない場合に相当す る。したがって、L > Lcであればx(L) = 0 となる。 一方、「成功」、「失敗」は、当該の前の段階の対応までで 安全機能回復が要求を満足しておらず( L < Lc)、よって当 該の段階の対応を行う必要がある場合に考慮する。さら にここで言う「成功」、「失敗」は、外力による影響を受 けないものとする。外力による影響は要求機能充足率 l (H)ですでに考慮済みであるためである。したがって、外 力の影響を受ける以前の状態で、偶発故障や劣化により AM 対応が作動しない場合が「失敗」であり、作動する 場合が「成功」である。各々の確率は、x(L) = Mおよび x(L) = 1‐Mである。ここでMは「保全指標値」[2]であ り、保全指標検討会にて提案した、偶発故障や劣化と保 全による回復の効果を考慮に入れて機器・構造物の未来 の機能喪失確率を定量的に評価する指標である。 Fig.10 Dependency model of success probability of AM action upon the recovered safety function of plant (L) - 45 - Fig.9 Dependency model of necessary time of AM action upon the strength of hazard (H) (3)確率x(L) 以上、「成功」・「失敗」・「不要」の確率は、前段階まで の安全機能回復(=L)、要求される安全機能回復(=Lc) 、保 全指標値(=M)を用いて、Fig.10のように表される。 3.5 外力の強度とその確率分布の設定 つぎに、外力(ハザード)の強度Hによって各AM対 応の能力が低下することを考慮に入れる。このため外力 の発生確率を、Fig. 11のように外力強度を変数として設 定する。グラフの縦軸の値は、ハザード強度=Hのハザー ドが発生する確率である。この値は、そのハザードのた めに各アクシデントマネジメントパスが対応する確率の 和に等しい。図中の領域は、対応するマネジメントパス を意味する (青:j=1、緑:j=2、黄:j=4) 。 Fig. 11 にて色分けしたように、外力の影響が無い(H = 0)の場合には、j = 1のパスに示す第1段階の対応で安全 機能を回復する確率が圧倒的に高いであろう。一方、H が大きくなると、第1段階の対応だけでは安全機能を回 復しきれず、第2、第3段階の対応の投入も必要とするj = 2, 3, 4, 5...のパスの割合が増えると考えられる。 Fig.11 Probability of hazard event due to hazard strength 3.6レジリエンス指標値の算出 以上のモデルを用いて求められる AM パスの時間変化 を用い、レジリエンス指標値を算出する。まず Fig.12 の ように回復不可領域(Un-recoverable area)に交わらない AM パスを抽出できる。ここでδ(j, H)を、j番目のパスが 外力強度H の影響を受けるときに回復不可領域を通るか 否かの0 or 1のインデックスとして定義すると、レジリエ ンス指標値は 回復不可領域 - 46 - Fig.12 Calculation of Resilience Index Value from AM paths 4.結論 原子力発電所のAM能力を、AMシナリオの3つの特 徴量(l, ΔT, x)に基づき、さらに外力強度と保全活動の 効果を考慮して評価する「レジリエンス指標」を提案し た。現提案での「レジリエンス指標」はまだ簡易手法で あるが、細部を精緻化することによりさらに精密な評価 が可能になると考える。 謝辞 本研究は、株式会社三菱総合研究所が原子力規制庁か ら受託した高経年化技術評価高度化事業「経年プラント の総合的な安全評価手法に係る調査研究」の再委託研究 における成果の一部である。ここに記して謝意を表する。 参考文献 [1] 原子力規制庁委託事業・平成26年度高経年化技術 評価高度化事業、「経年プラントの安全評価指標と評 価データの枠組みに関する調査」成果報告書 [2] 原子力規制庁委託事業・平成25年度高経年化技術 評価高度化事業、「経年プラントの安全評価指標と評 価データの枠組みに関する調査」成果報告書 ∞ = 0 j )(),(, I ∫ ∑ δ ( dHHfHjxHj ) (1) の式で表わされる。ここでf(H)はFig. 11に示した外力強 度 H のハザードの発生確率、x(j,H)は、外力強度= H の ときのj番目 AM パスの存在確率である。“ “原子力プラントにおけるレジリエンス評価法の開発 (その1:原子力プラントの事故時安全性評価指標としてのレジリエンス指標の提案)“ “出町 和之,Kazuyuki DEMACHI,鈴木 正昭,Masaaki SUZUKI,宮野 廣,Hiroshi MIYANO,中村 隆夫,Takao NAKAMURA,釜谷 昌幸,Masayuki KAMAYA,荒井 滋喜,Shigeki ARAI,糸井 達哉,Tatsuya ITOI,村上 健太,Kenta MURAKAMI,笠原 直人,Naoto KASAHARA,松本 昌昭,Masaaki MATSUMOTO
福島第一発電所事故以降、原子力プラントにとっての事故時におけるアクシデントマネジメント(AM)の重要性、すなわちハザード等の原因により一時的に喪失した安全上重要な機能をいかに早く・いかに必要なレベルまで回復させられるかという能力の重要性が再認識された。 原子力プラントの AM能力、すなわち安全機能回復能力を定量的に評価するには、単純に確率で評価するのではなく、事故シナリオに沿って時系列で AMをシミュレ ーションし、最終的に重大事故に至らないか否か、すなわち必要最小限の安全機能をタイムリミット内に回復で きるか否かを評価する必要がある。 今回のシリーズ論文では、日本保全学会・保全指標検討会が、原子力プラントのAMによる安全機能回復能力を評価する指標として開発した「レジリエンス指標」[1] について、レジリエンス指標の基本的考え方 ・静的機器の劣化要因に対する信頼性評価法 ・PWRを例にした試評価 ・運転プラントにおけるシステム安全の考え方 の4段階に分けて、4件の論文にてそれぞれ解説する。
2.レジリエンス指標の基本的考え方
2.1 安全機能のレジリエンスとは
レジリエンスとは一般的に「復元力、回復力、弾力」 などと訳される言葉である。では原子力安全におけるレジリエンスとは何であろうか。ここではそれを、「ある要因により失われた減圧機能や冷却機能など安全機能を回復する能力」と考えることにする。原子力プラントでは、例えば外力などを起因とする事故の発生により安全機能が一時的に失われた場合には、炉心損傷などのシビアアクシデントを避けるため、AM を展開して安全機能を回復させる。 安全限界曲線 Fig.1 Resilience of Safety Function Fig.1は、時刻t = 0においてある安全機能が一時的に失われ、その後に回復するという、a. ~ e.のAMシナリオ の 5 つの例を示している。回復力が大きくて早ければ a. のようなシナリオになるであろう。一方で、回復力が小さくて遅ければ、e.に近いシナリオとなるであろう。e.は 赤くハッチングした回復不可領域と交わっている。ここで考える回復不可領域とは、シビアアクシデントに至ら ないためのタイムリミットと最低限の機能回復度とで結 ばれる領域である。この領域と交わる AM シナリオは、 タイムリミットまでに最低限の安全機能を回復できなか ったために「失敗」と判断できる。 逆に言うと、回復不可領域を避けるAM シナリオは「成 功」となる。「成功」するAMシナリオを用いてレジリエ ンス指標、すなわち原子力プラントの AM 能力を定量化 する手段はいくつか考えられるが、ここではまず、「成功」 する確率、すなわち「回復不可領域を通らない AM シナ リオの存在確率」について考える。 Fig.1に示す各々のレジリエンスカーブのAMシナリオ は、AM を構成する段階的対応の各々が持つ 3 つの特徴 量により算出できると仮定する: 1 要求機能充足率 l:各対応が設計要求に比して機能 する割合 2 必要経過時間 ΔT:各対応の操作にかかる時間 3 成功確率 x:各対応が行われ、かつ成功する確率 これら3つの特徴量を用いて、「回復不可領域を通らない AM シナリオの存在確率」を算出するための手法とその 考え方を次に述べる。 2.2AMシナリオパスとレジリエンス指標 Fig.2 に例を示すように、AM は複数の対応が多段に組 まれた構造をしている。すなわち、第1段階目の対策が 失敗するかまたは十分でなく事故を収束できない場合に は第2段階の対応が実施され、それが失敗するかまたは 十分でなく事故を収束できない場合にはさらに第3段階 の対応が実施される、という具合である。実際のAM は もっと複雑であるが、このように各段階の対応における 前述の1~3を評価できれば、その組み合わせにより「回 復不可領域を通らないAMシナリオの存在確率」を算出 できるであろう。 Fig.2 Layered Accident Management l, ΔT, x を用いて、Fig.2 の各 AM による安全機能回 復の時間変化を表すと、Fig.3 のようになる。安全機能は 時刻t=0において一時的に低下する。その後に多段的 な対応で構成される AM を展開するのであるが、第1 段 階の対応で十分に安全機能が元通りに回復するシナリオ もあれば、いくつかの段階の対応を経なければ要求を満 足するレベルまで安全機能が回復しないシナリオもある だろう。また、各対応は外力(地震や津波など)の大き さの影響によっては対応能力そのものが低下する可能性 もあり、その影響を受けたシナリオも考慮に入れる必要 がある。 このように、ある安全機能喪失事象を想定し、次にそ のAM シナリオを展開し、そのAMシナリオに沿って可 能性のあるすべての AM パスについて安全機能回復の時 間変化を折れ線グラフで表現することができれば、「回復 不可領域を通らない」AM パスと「通る」AM パスとの 選別が可能となる。前者のみの AM パスの確率の和は、 レジリエンス指標として定義した「回復不可領域を通ら ないAM シナリオの存在確率」に他ならない。 - 42 - Fig.3 Resilience Index is obtained as the sum of probability of AM path that avoids the Un-recoverable area. 2.3レジリエンス指標に期待される有用性 レジリエンス指標の使途としてまず挙げられるのは、 レジリエンス指標値をプラントごとに比較することで、 各プラントの外力に対するAM能力を比較評価できるこ とである。また、事業者によってAM 策の改善がなされ た場合、これをFig.4のようにAM パスの上昇として可視 化することができる。すなわち、AM策の改善前後でそ の効果を可視化することができる点も、もう一つの使途 として挙げられる。 Fig.4 Improvement of AM Measure is visualized as the change of the AM management path. 3.レジリエンス指標の算出手順 レジリエンス指標値を算出するための手順は以下の通 りである。 1 事故シーケンスを選択する。 2 選択したシーケンスに対してAM シナリオを展開 する。 3 特徴量(l, ΔT, x)をAM シナリオの可能性のある すべてのAMパスについて評価する。 4 特徴量(l, ΔT, x)の外力強度依存性をモデル化す る。 5 外力の強度とその確率分布を設定する。 6 回復不可領域を避けるAMシナリオの確率を積分 し、レジリエンス指標値とする。 これら?~6について、以下に解説する。 3.1 事故シーケンスの選択 回復不可領域 原子力規制委員会の審査ガイド「原子炉損傷防止対策 及び格納容器防止対策の有効性に係る標準評価手法」で は,重大事故の兆候として最低限想定しなければならな い事故シーケンスが指定されている。BWRとPWRに関 する「炉心の著しい損傷の防止」シーケンスは以下の通 りである。レジリエンス指標の評価では、事故シーケン スとしてこれらを適用することとする。ここでは例とし て、BWRの「2 ) 高圧注水・減圧機能喪失」シーケンス を対象とした場合について述べる。 炉心の著しい損傷の防止シーケンス(BWR) 1) 高圧・低圧注水機能喪失 2) 高圧注水・減圧機能喪失 3) 全交流電源喪失 4) 崩壊熱除去機能喪失 5) 原子炉停止機能喪失 6) LOCA時注水機能喪失 7) 格納容器バイパス(インターフェイスシステム LOCA) 炉心の著しい損傷の防止シーケンス(PWR) 1) 2次冷却系からの除熱機能喪失 安全限界曲線 2) 全交流動力電源喪失 3) 原子炉補機冷却機能喪失 4) 原子炉格納容器の除熱機能喪失 5) 原子炉停止機能喪失 6) ECCS注水機能喪失 7) ECCS再循環機能喪失 8) 格納容器バイパス(インターフェイスシステム LOCA,蒸気発生器伝熱管破損) 3.2 選択したシーケンスにAMシナリオを展開 Fig. 5に「高圧注水・減圧機能喪失」シーケンスを対象 に展開したAM シナリオの例を示す。第1 段階の対応で AMADS(AM 時自動減圧系)が作動すれば原子炉内の圧力 回復不可領域 - 43 - を下げられるが、これに失敗した場合には第2段階でSR 弁による逃し弁機能の投入で減圧を行う。減圧成功後は、 次なる第1段階の対応としてAMLPCI(AM時低圧注水系) が作動すれば炉心に冷却水を注水でき、炉心損傷には至 らない。AMLPCI が作動しない、もしくは十分に機能し ない場合には、第 2 段階の対応として低圧 ECCS(緊急冷 却装置)が自動もしくは手動で起動し、冷却水を注水する。 それでも十分でない場合には、第3 段階としてMUW(復 水補給水系)やポンプ車を投入して冷却水の注入を行う。 Fig.5 Example of AM scenario for Loss of High Pressure Cooling Water Injection Function and Loss of Decompression Function 3.3 特徴量 l, Δ T , x を各AMシナリオのAM パスについて評価 Fig. 6 に、Fig. 5 で示した「高圧注水・減圧機能喪失」 シーケンスを対象に展開したAM シナリオのうち、j = 1 とj = 4のAMパスを示す。j = 1のAM パスでは、外力 発生後にまず AMADS が対応して炉内圧力を低下させ、 次にAMLPCIと低圧ECCSが対応することで冷却水が注 入され炉心冷却に至る。 j = 1のAM パスを構成するこれら3つの対応のうち、 AMADS による対応の成功確率をx1 (L), 要求機能充足率 をl1 (H), 経過時間をΔT1(H)とし、同様にAMLPCIと低圧 ECCS による対応の成功確率、要求機能充足率、経過時間 をx2 (L), x3 (L), l2 (H), l3 (H), ΔT2(H), ΔT3(H)とする。ここで、 LはこのAMパスによって回復したプラントの安全機能、 H はハザードの強度である。また、仮にΔT2(H) < ΔT3(H) とする。 外力Hが小さい場合、l1(H=小)=1, l2(H=小)=1であり、 AMADSとAMLPCIが対応することで一時的に低下した 安全機能は L = l1×l2 = 1 までに時間 T = ΔT1(H=小)+ ΔT2(H=小)で回復する。また、この場合にはL=1まで安全 Fig.6 Two AM paths for Loss of High Pressure Cooling Water Injection Function and Loss of Decompression Function 同じくj = 1のAMパスで外力Hが大きい場合の安全機 能回復の時間変化を表したものがFig. 7 の青点線である。 このAM パスではl1(H=大)<1, l2(H=大)<1 であり、L = l1×l2 < 1となって安全機能は元の状態まで回復できる わけではないが、要求される回復を満足しているために さらに次の段階の対応は不要とする。この AM パスで必 要とされる時間はT = ΔT1(H=大)+ΔT2(H=大)であり、こ のAM パスの存在確率はX = x1(L1)×x2(L1)と求められる。 同様にして、j = 4のAM パスについて考える。外力発 生後、AMADS の対応は成功するが、第1段階のAMLPCI および第 2 段階の ECCS の対応の作動に失敗するか、ま たは作動できても安全機能回復が要求されるレベルに達 せず、第3 段階の MUW やポンプ車を投入して冷却水を 注入することによって要求レベルを充足する。MUW と ポンプ車による対応の成功確率と要求機能充足率と経過 時間をx4 (L), l4 (H), ΔT4(H)とすると、j = 4のAMパス で回復する安全機能は L4 = l1(H=大)×l2(H=大) +l1(H= 機能が回復できるため、このAM パスの存在確率はX = x1(L=1)×x2(L=1)と求められる。これに基づく安全機能回 復の時間変化を表すと、Fig. 7 の青実線のようになる。 - 44 - 大)×l3(H=大) + l1(H=大)×l4(H=大), 経過時間はT = Δ T1(H=大)+ΔT2(H=大)+ ΔT3(H=大)+ΔT4(H=大), AMパ スの存在確率はX = x1(L4)×(1-x2(L4))×(1-x3(L4))×x4(L4)と 求められる。しかしこのj = 4 のAM パスは、Fig. 7 に示 すように制限時間内に安全機能の回復が間に合わず、「回 復不可領域」と交差してしまう。よってj = 4のAMパス は、最終的な安全機能回復度は要求レベルを充足するも のの、「失敗AMパス」として判定される。 Fig.7 Probability of Hazard Strength and corresponding AM scenario paths 3.4 特徴量 l, Δ T , xの外力強度依存性モデル 上述のようにレジリエンス指標では、AM 対応の成功 確率 x(L), 要求機能充足率 l(H), 経過時間ΔT(H)を用い てAMパスの安全機能回復能力を評価する。ここではx(L), l(H), ΔT(H)の外力強度 H への依存性のモデル化につい て説明する。 (1) 要求機能充足率 l(H) 各AM対応に対し、外力閾値 C1, C2を定める。外力の 影響がないときは機能が完全に作動し、安全機能回復へ の寄与は最大となると考えられ、 l(H) = 1 となる。外力 強度 H が大きくなり C1を超えると、C1から C2に至る間 に安全機能回復への寄与は直線的に減少し、C2 で0に達 する。H > C2ではl(H) = 0である。 Fig.8 Dependency model of sufficiency rate of required performance of AM action upon the strength of hazard (H) 安全限界曲線 (2)経過時間ΔT(H) 各 AM 対応に対し、要求機能充足率l(H)と同じく外力 閾値 C1, C2を定める。外力の影響がないときの経過時間 はその対応における設計値 T1と等しくΔT(H)=T1となる。 外力強度Hが大きくなりC2を超えると、この対応は作動 することができず次の段階のAMに移る。 ここでは、「成功」、「失敗」、「不要」の3つの場合の確 率を定義する。このうち「不要」とは、当該の前の段階 の対応までの和として安全機能回復(=L)が要求を満足 しており( L > Lc)、当該の対応が行われない場合に相当す る。したがって、L > Lcであればx(L) = 0 となる。 一方、「成功」、「失敗」は、当該の前の段階の対応までで 安全機能回復が要求を満足しておらず( L < Lc)、よって当 該の段階の対応を行う必要がある場合に考慮する。さら にここで言う「成功」、「失敗」は、外力による影響を受 けないものとする。外力による影響は要求機能充足率 l (H)ですでに考慮済みであるためである。したがって、外 力の影響を受ける以前の状態で、偶発故障や劣化により AM 対応が作動しない場合が「失敗」であり、作動する 場合が「成功」である。各々の確率は、x(L) = Mおよび x(L) = 1‐Mである。ここでMは「保全指標値」[2]であ り、保全指標検討会にて提案した、偶発故障や劣化と保 全による回復の効果を考慮に入れて機器・構造物の未来 の機能喪失確率を定量的に評価する指標である。 Fig.10 Dependency model of success probability of AM action upon the recovered safety function of plant (L) - 45 - Fig.9 Dependency model of necessary time of AM action upon the strength of hazard (H) (3)確率x(L) 以上、「成功」・「失敗」・「不要」の確率は、前段階まで の安全機能回復(=L)、要求される安全機能回復(=Lc) 、保 全指標値(=M)を用いて、Fig.10のように表される。 3.5 外力の強度とその確率分布の設定 つぎに、外力(ハザード)の強度Hによって各AM対 応の能力が低下することを考慮に入れる。このため外力 の発生確率を、Fig. 11のように外力強度を変数として設 定する。グラフの縦軸の値は、ハザード強度=Hのハザー ドが発生する確率である。この値は、そのハザードのた めに各アクシデントマネジメントパスが対応する確率の 和に等しい。図中の領域は、対応するマネジメントパス を意味する (青:j=1、緑:j=2、黄:j=4) 。 Fig. 11 にて色分けしたように、外力の影響が無い(H = 0)の場合には、j = 1のパスに示す第1段階の対応で安全 機能を回復する確率が圧倒的に高いであろう。一方、H が大きくなると、第1段階の対応だけでは安全機能を回 復しきれず、第2、第3段階の対応の投入も必要とするj = 2, 3, 4, 5...のパスの割合が増えると考えられる。 Fig.11 Probability of hazard event due to hazard strength 3.6レジリエンス指標値の算出 以上のモデルを用いて求められる AM パスの時間変化 を用い、レジリエンス指標値を算出する。まず Fig.12 の ように回復不可領域(Un-recoverable area)に交わらない AM パスを抽出できる。ここでδ(j, H)を、j番目のパスが 外力強度H の影響を受けるときに回復不可領域を通るか 否かの0 or 1のインデックスとして定義すると、レジリエ ンス指標値は 回復不可領域 - 46 - Fig.12 Calculation of Resilience Index Value from AM paths 4.結論 原子力発電所のAM能力を、AMシナリオの3つの特 徴量(l, ΔT, x)に基づき、さらに外力強度と保全活動の 効果を考慮して評価する「レジリエンス指標」を提案し た。現提案での「レジリエンス指標」はまだ簡易手法で あるが、細部を精緻化することによりさらに精密な評価 が可能になると考える。 謝辞 本研究は、株式会社三菱総合研究所が原子力規制庁か ら受託した高経年化技術評価高度化事業「経年プラント の総合的な安全評価手法に係る調査研究」の再委託研究 における成果の一部である。ここに記して謝意を表する。 参考文献 [1] 原子力規制庁委託事業・平成26年度高経年化技術 評価高度化事業、「経年プラントの安全評価指標と評 価データの枠組みに関する調査」成果報告書 [2] 原子力規制庁委託事業・平成25年度高経年化技術 評価高度化事業、「経年プラントの安全評価指標と評 価データの枠組みに関する調査」成果報告書 ∞ = 0 j )(),(, I ∫ ∑ δ ( dHHfHjxHj ) (1) の式で表わされる。ここでf(H)はFig. 11に示した外力強 度 H のハザードの発生確率、x(j,H)は、外力強度= H の ときのj番目 AM パスの存在確率である。“ “原子力プラントにおけるレジリエンス評価法の開発 (その1:原子力プラントの事故時安全性評価指標としてのレジリエンス指標の提案)“ “出町 和之,Kazuyuki DEMACHI,鈴木 正昭,Masaaki SUZUKI,宮野 廣,Hiroshi MIYANO,中村 隆夫,Takao NAKAMURA,釜谷 昌幸,Masayuki KAMAYA,荒井 滋喜,Shigeki ARAI,糸井 達哉,Tatsuya ITOI,村上 健太,Kenta MURAKAMI,笠原 直人,Naoto KASAHARA,松本 昌昭,Masaaki MATSUMOTO