Analisi di Sicurezza del sistema eXperimental Accelerator Driven System

Analisi di Sicurezza del sistema eXperimental Accelerator Driven System G.Alongi, V.Arculeo, M.Passarello Dipartimento di Ingegneria, Università degli Studi di Palermo Palermo 11/09/2023 Revisore Mariarosa Giardina Sommario 1. Introduzione .............................................................................................................................................. 1 2. Risultati delle analisi FMEA ........................................................................................................................ 1 2.1 VALVOLE ................................................................................................................................................... 1 2.1.1 Valvole a sfera ad attuazione manuale ................................................................................................. 2 2.1.2 Valvole a sfera ad attuazione pneumatica ............................................................................................ 5 2.1.3. Attuatore pneumatico e sistema di controllo ...................................................................................... 9 2.2. COMPRESSORE ..................................................................................................................................... 11 2.3. POMPA DI CIRCOLAZIONE ..................................................................................................................... 14 3. CONCLUSIONI .............................................................................................................................................. 16 pag. 1 1. Introduzione L’attività ha riguardato di sviluppo di analisi di sicurezza per l’impianto nucleare innovativo eXperimental Accelerator Driven System (XADS), attraverso l’uso integrato e ricorsivo di numerose tecniche per l’analisi di rischio. Il Sistema Acceleratore-Driven (ADS) è una tecnologia che combina un reattore nucleare subcritico con un acceleratore di particelle. Questo sistema ha il potenziale di fissionare in modo sicuro gli Attinidi Minori (cioè, alcuni prodotti radioattivi molto longevi presenti nelle scorie nucleari) e di trasmutare, su scala industriale, alcuni prodotti di fissione a lunga vita in isotopi meno pericolosi e di durata molto più breve. Nel particolare l’attività ha riguardato, la definizione delle analisi FMEA per i principali componenti (valvole, compressori, pompe, etc) e la messa a punto di analisi FMEDA per i sensori e controlli distribuiti nell’impianto (temperatura, pressione, etc). 2. Risultati delle analisi FMEA Sottoponendo ad un’attenta analisi l’impianto considerato si può osservare come i componenti in esso presenti possano essere distinti in valvole, pompe, compressori, scambiatori di calore e controlli di vario tipo. Proprio questi ultimi, visto anche il loro ruolo fondamentale ai fini della sicurezza, richiedono un’analisi più attenta rispetto ad una normale FMEA. Per tal motivo, i controlli verranno analizzati nel capitolo successivo mediante un’analisi di tipo FMEDA, che si differenzia dalla normale metodologia tenendo in considerazione la diagnosi dei guasti realizzata mediante un processo di test interno (normalmente introdotto in ogni tipo di controllo ad oggi in commercio). Nei successivi paragrafi saranno analizzati i componenti presenti nei singoli macro-sistemi (secondario e circuito del gas) presentando i risultati nella classica forma tabellare. 2.1 VALVOLE Allo scopo di ottenere dei risultati che possano a pieno garantire un’applicabilità nel campo industriale di riferimento, sono state poste ad analisi delle valvole di tipo a sfera. Tale tipo, infatti, costituisce il modello più utilizzato in impianti ad alto rischio (chimici, petroliferi, nucleari). Le valvole a sfera (ball valve) sono a flusso diretto con un elemento rotondo di chiusura che si abbina ad una sede arrotondata consentendo lo sforzo uniforme della tenuta. Sono valvole in grado di trasferire i gas, i liquidi ed i liquidi con i solidi in sospensione (residui). In generale, le valvole a sfera offrono molti vantaggi una volta contrapposte con altri tipi della valvola. Forniscono una elevata facilità di funzionamento e possono effettuare/regolare un alto flusso ad alta pressione ed a temperatura. Nel particolare, sono stati analizzati sia il modello operato manualmente sia quello operato mediante attuatore pneumatico. Ulteriormente, allo scopo di semplificare la chiave di lettura delle analisi qui presentate in forma tabellare, ciascun modo di guasto viene catalogato seguendo la convenzione di seguito riportata: • SD (Safe Detected) I guasti sono considerati Safe quando non sono in grado di determinare direttamente o indirettamente un hazard nella linea o nel sistema all’interno del quale sono introdotti. Il guasto è indicato come Detected qualora esista un modo che consenta la sua rilevazione prima di creare l’hazard. pag. 2 • SU (Safe Undetected) I guasti sono considerati Safe quando non sono in grado di determinare direttamente o indirettamente un hazard nella linea o nel sistema all’interno del quale sono introdotti. Il guasto è indicato come Undetected qualora non esista un modo che consenta la sua rilevazione prima di creare l’hazard. • DD (Dangerous Detected) I guasti sono considerati Dangerous quando sono in grado di determinare direttamente o indirettamente un hazard nella linea o nel sistema all’interno del quale sono introdotti. Il guasto è indicato come Detected qualora esista un modo che consenta la sua rilevazione prima di creare l’hazard. • DU (Dangerous Undetected) I guasti sono considerati Dangerous quando sono in grado di determinare direttamente o indirettamente un hazard nella linea o nel sistema all’interno del quale sono introdotti. Il guasto è indicato come Undetected qualora non esista un modo che consenta la sua rilevazione prima di creare l’hazard. 2.1.1 Valvole a sfera ad attuazione manuale In questo paragrafo vengono mostrati i risultati derivanti dall’analisi realizzata per la valvola mostrata in Figura 1 ad attuazione manuale. Come si può osservare, il corpo sferico della valvola risulta cavo e da una sua rotazione, ottenuta seguito di una rotazione dello stelo principale, interrompe immediatamente il passaggio del fluido che lo attraversa. Figura 1. Valvola a sfera ad attuazione manuale Estrapolando i risultati mostrati nelle tabelle che seguono, si osserva come i pericoli maggiori, e non rilevati, sono da addebitarsi agli effetti causati sulle parti della valvola da corrosione ed erosione. Ulteriormente, l’eccessiva velocità di chiusura o l’eccessiva coppia torcente applicata alla valvola comportano un danneggiamento tale da renderne probabile un blocco. In tal modo, la valvola non è più in grado di svolgere la funzione per cui viene introdotta creando, di conseguenza, un hazard. Risulta, quindi, fondamentale garantire sia che il fluido che la attraversa (sia esso, ai nostri fini, gas o olio) venga trattato in modo tale da ridurre l’effetto corrosivo sia attuare un attento piano di manutenzione programmata al fine di mantenerne elevata la sua disponibilità. pag. 3 Inoltre, la possibile perdita di fluido esternamente alla valvola a causa di un danneggiamento delle tenute, dovrà esser considerato come uno di quei fattori che contribuiscono ad un incidente di pressurizzazione del contenimento. Tabella 1.2 Valvola a sfera ad attuazione manuale pag. 4 Tabella 1.3 Valvola a sfera ad attuazione manuale Tabella 1.4 Valvola a sfera ad attuazione manuale pag. 5 2.1.2 Valvole a sfera ad attuazione pneumatica In questo paragrafo vengono mostrati i risultati derivanti dall’analisi realizzata per la valvola mostrata in Figura 2 ad attuazione pneumatica. Come nel caso precedente, il corpo sferico della valvola risulta cavo ma, diversamente da prima, la chiusura avviene ad opera di un sistema con valvole a solenoide. Anche in questo caso, gli effetti derivanti dalla corrosione, dall’erosione e dalle caratteristiche di azione della valvola (i.e. coppia torcente, velocità di chiusura) risultano fattori critici ai fini della sua disponibilità. Va, inoltre, osservata la criticità dei cuscinetti assiali e di supporto. Il loro eventuale danneggiamento, determina, infatti, un effetto a catena da punto di vista dello stress a cui vengono ad essere soggetti tanto il corpo valvola quanti gli altri suoi componenti. Sempre a tal riguardo, rientra nella criticità il sistema di lubrificazione sia delle parti (potenzialmente mobili) sia dei cuscinetti stessi. La manutenzione programmata risulta sempre positiva ai fini della disponibilità dell’intero item. Figura 2. Valvola a sfera ad attuazione pneumatica pag. 6 Tabella 2.1 Valvola a sfera ad attuazione pneumatica Tabella 2.2 Valvola a sfera ad attuazione pneumatica pag. 7 Tabella 2.3 Valvola a sfera ad attuazione pneumatica Tabella 2.4 Valvola a sfera ad attuazione pneumatica pag. 14 2.3. POMPA DI CIRCOLAZIONE La pompa di circolazione è introdotta nel circuito secondario per fornire all’olio diatermico la prevalenza necessaria. Nel layout dell’impianto non è introdotta una ridondanza, quindi, in caso di un suo guasto la circolazione dell’olio verrà garantita esclusivamente dalla circolazione naturale. Nell’analisi di seguito riportata viene analizzata una pompa di tipo centrifuga che mostra caratteristiche dinamiche che ben si adattano alle necessità del circuito secondario. Anche in questo caso, vista la presenza di parti rotanti, valgono le stesse considerazioni fatte precedentemente per il compressore. Figura 8. Pompa centrifuga Vista la particolarità del fluido e vista l’attenzione che deve essere posta sulle tenute, bisognerà garantire sulla linea un elevato grado di purificazione dell’olio. Naturalmente, la pompa dovrà essere utilizzata compatibilmente alle specifiche costruttive oltre che al suo campo di applicazione. pag. 15 Tabella 4.1 Pompa centrifuga Tabella 4.2 Pompa centrifuga pag. 16 3. CONCLUSIONI I risultati ottenuti in questo rapporto costituiscono una base di partenza per ulteriori studi dell’impianto. Infatti, pur consentendo l’attento studio dei singoli componenti, posseggono delle limitazioni dettate dal fatto che si considera un singolo guasto per volta, tralasciando l’importante analisi di più guasti concomitanti in uno stesso componente o in più componenti che si guastano simultaneamente. Inoltre, i risultati sono dipendenti dalla fase operativa, senza curarsi della variazione degli effetti di certi modi di guasto in funzione dell’operazione nella quale il sistema viene considerato. Basandosi esclusivamente sui risultati precedentemente esposti, si può concludere che uno dei fattori più importanti ai fini della funzionalità e disponibilità dei singoli componenti è la manutenzione dei singoli item. Sarà, quindi, necessario procedere ad un’attenta programmazione sulla base della criticità dei singoli componenti/parti qui analizzati. Ovviamente, gli intervalli manutentivi andranno decisi anche in funzione della disponibilità del singolo componente ai fini della disponibilità dell’intero macrosistema all’interno del quale è introdotto.