Impianti nucleari ed azioni sismiche: analisi del rischio e strategie di protezione Federico Perotti

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2 ENERGIA FUTURO RICERCA LA TECNOLOGIA NUCLEARE ROAD SHOW ACCADEMICO 21/211 Politecnico di Milano - 3 Maggio 211 Impianti nucleari ed azioni sismiche: analisi del rischio e strategie di protezione Federico Perotti Dipartimento di Ingegneria Strutturale

3 Lesson learnt - Kashiwazaki-Kariwa Terremoto di Chūetsu (Giappone) del di severità superiore al terremoto di progetto non ha causato danni alle strutture/impianti fondamentali per la sicurezza ha causato danni ad altre strutture/impianti, danni che hanno certamente contribuito a ritardare il riavvio dell impianto

4 Lesson learnt - Kashiwazaki-Kariwa A team from the IAEA carried out a four day inspection, The team of the IAEA confirmed that the plant had "shut down safely" and that "damage appears less than expected." [ On August 19, the IAEA reported that, for safety-related and nuclear components, "no visible significant damage has been found" although "nonsafety related structures, systems and components were affected by significant damage. The official report issued by the IAEA stated that the plant "behaved in a safe manner" after a 4-day inspection. Other observations were: "Safety related structures, systems and components of the plant seem to be in a general condition, much better than might be expected for such a strong earthquake, and there is no visible significant damage" Conservatisms introduced in the construction of the plant compensated for the magnitude of the earthquake being so much greater than planned for.

5 Lesson learnt Fukushima Terremoto di Tohoku (Giappone) del di severità superiore a quella di progetto non sembra essere stato responsabile della perdita di controllo dell impianto, dovuta presumibilmente all effetto dello tsunami ha tuttavia messo in evidenza il livello di eccezionalità delle condizioni al contorno che si possono verificare in un evento raro

6 Lesson learnt per terremoti di intensità paragonabile a quello di progetto, al di là dei requisiti essenziali di sicurezza occorre limitare i danni ad ogni livello l evento eccezionale va trattato come tale; non è un evento di progetto amplificato, comporta scenari e modelli del tutto differenti

7 isolamento sismico l isolamento sismico è una strategia per la limitazione della risposta sismica che consente di ridurre fortemente i danni per l eccitazione sismica di progetto occorre peraltro verificare le prestazioni dei sistema di isolamento in condizioni eccezionali di eccitazione sismica

8 il rischio sismico per un componente rischio sismico = vulnerabilità strutturale X pericolosità al sito X = convoluzione { } ( ) ( ) Pf = P DM > dm f IM = im pim im d im DM damage measure (dm f valore al collasso) IM intensity measure (ad esempio PGA)

9 calcolo della vulnerabilità.4.4 & PGA value 1 2 time [s] 3 acceleration [g] input properties selectiong acceleration [g] time [s] 4 experimental point.4 3 acceleration [g].2 pressure vessel simplified model -.2 accelerogram time [s] BUILDING RESPONSE.2.8 acceleration [g] acceleration time histories computation at each component support level containment vessel refined model acceleration [g].4 reactor vessel internals simplified model component time [s] time [s].6 COMPONENT RESPONSE extreme value of component response D and capacity C computation.4 acceleration [g] containment vessel simplified model time [s] mean value and variance of C-D computation over all the accelerograms r r µ g ( x ) = y µ ( x1 ) = N r a z (x ) i i i i =1 r r σ g ( x ) = y σ ( x1 ) = N r b z (x ) i i =1 F. Perotti Strategie di protezione dalle azioni sismiche level II reliability or Monte Carlo methods failure probability after the cycle over all the exp. points computed values of mean and variance addition to RSs i i acceleration Politecnico di Milano, 3 Maggio 211

10 il progetto internazionale IRIS progetto di un reattore PWR da 335 MWe con sistema primario completamente integrato nel vessel sviluppato da parte di un consorzio internazionale formato da più di 2 partner (industrie, università, laboratori, produttori) il consorzio è caratterizzato da una significativa componente italiana

11 edifici dotati di isolamento sismico HDRB device edificio reattore di IRIS 5 m 1 m gap 1 m thick elementi di isolamento tipo HDRB (High Damping Rubber Bearings ) Ground level Flood level (1 m) 22 m 56 m 21 m 23 m

12 vulnerabilità di edifici isolati la risposta dinamica dell edificio si riduce drasticamente l incertezza legata ai parametri strutturali e del terreno diventa poco influente le condizioni di progetto per gli impianti possono essere standardizzate la sicurezza sismica dipende quasi esclusivamente dalle prestazioni dell isolatore probability of exceedence Exceedance probability Structural amplification

13 condizioni critiche degli isolatori la caratterizzazione del comportamento a collasso di un isolatore di grandi dimensioni presenta notevoli difficoltà alternativamente si può fare riferimento ad una condizione di primo danno, ad esempio corrispondente al distacco delle piastre in acciaio dagli elementi elastomerici

14 stima della vulnerabilità degli isolatori 1. prove sperimentali (a collasso) degli HDRB (grande diametro!) 2. sviluppo di un modello a EF raffinato per gli isolatori 3. definizione della superficie dello stato limite per l isolatore 4. calibrazione di un modello isteretico semplice per l analisi dinamica dell edificio isolato 5. sviluppo dell analisi di vulnerabilità in base al modello semplificato dell edificio ed alla superficie dello SL e/o al valore di collasso dello spostamento relativo + analisi di fragilità tradizionale per i componenti dell impianto (soprattutto per la componente verticale)

15 esempio: pericolosità campione PGA =.32 g pericolosità in termini di PGA - periodo di ritorno T (sito di sismicità mediobassa) T = 1 yrs nota T(a g ) la distrubuzione del valore estremo attuale della PGA è ottenuta come: ( ) g,min ( ) g P A g T a ( ag ) = 1 T a

16 calcolo del rischio per un isolatore risultati otternuti per il sito campione 1 2.5E-6.8 2E-6 P f P f *Pag (a g) 1.5E-6 1E-6 5E-7 SSE a g [g] a g (m/s 2 )

17 conclusioni l isolamento sismico è una strategia necessaria per soddisfare gli elevatissimi requisiti prestazionali dei moderni impianti a fronte delle azioni sismiche di progetto è necessario continuare le attività in atto per la caratterizzazione delle modalità di collasso degli isolatori soggetti a grandi deformazioni trasversali