הפקולטה להנדסה - המגמה להנדסה מכנית

חקר תקלות בכור גרעיני באמצעות אילן תקלות (2)

אירוע על: שחרור יתר של מוצרי ביקוע למרות השתקה תקינה של הכור

תקציר מנהלים

מגיש: דן גביש ת.ז.: 025164237

נושא הפרויקט

השימוש בקרינה גרעינית לצורותיה השונות היא חלק בלתי נפרד מחייו של בן המחצית השניה של המאה העשרים ועתיד להעסיק אותנו גם בדורות הבאים. החומרים הרדיואקטיבים מנוצלים לטובת האדם המודרני ולרווחתו בתחומי: הרפואה, החקלאות, התעשייה והמחקר המדעי. עם החרפת המחסור בדלק נוזלי לסוגיו השונים נפוץ גם השימוש בכורי כוח גרעיניים ליצור חשמל. למרות כל הטובה הצפונה בטכנולוגיה הגרעינית ישנו פן נוסף והוא הסכנה הגלומה בשימוש בטכנולוגיה זו. עוצמת הפגיעה של הקרינה הישירה- בעיקר קרינה של גמא מרוכזת, זכורה מהשימוש בפצצות האטום במלחמת העולם השניה. הסכנה הגדולה לציבור הרחב היא הקרינה העקיפה – ענן של חלקיקים רדיואקטיבים (בעיקר יוד רדיואקטיבי ¹³¹I ), התגלתה באסון צ'רנוביל אשר התרחש ב-1986 שהמחיש בצורה הברורה ביותר את משמעות שחרור לסביבה של הקרינה העקיפה. עקב הסיכונים הקיימים בשימוש בטכנולוגיה הגרעינית הכורים הגרעיניים למחקר ויצור החשמל, מצוידים הכורים באמצעי בטיחות מפליגים ונבנים בתוך מאטמים מיוחדים למניעת דליפת מוצרי ביקוע הרדיואקטיבים גם במקרה של תקרית חמורה. פרוייקט זה בוחן את אחת ממערכות הבטיחות החשובות ביותר – סגירת מאטם הכור של המרכז למחקר גרעיני בשורק (ממ"ג). בעת מצב תקלה, במקביל לכיבוי האוטומטי של הכור (SCRAM), ישנן מספר פעילויות הננקטות על מנת למנוע אסון , אחת מפעילויות אלו היא סגירת מאטם הכור הנעשית בצורה אוטומטית או ידנית ומטרת הפרוייקט לבחון את הסיכוי לכשל של כניסתה של מערכת סגירת מאטם הכור לפעילות במידת הצורך. בעזרת שיטת ניתוח תקלות (Fault Tree Analysis) FTA ניבחן את המערכת ההנדסית הקיימת. בשיטה זו מניחים כשל מסוים כאירוע על כללי ובודקים את סיבת הכשל בפרטי התיכון השונים, עד רמה של אירועי בסיס. שיטת הניתוח של התיכון "מלמעלה למטה", מתוארת גרפית ע"י אילן (עץ) מצמרתו ועד ענפיו הנמוכים (בסיסיים). אנליזה זו מחייבת בדיקה מעמיקה של כל גורמי הכשל המהווים את הסיבה להתרחשותו, תוך רישום הקשרים הלוגיים שבין האירועים. יתרונה של שיטה זו על פני שיטות אחרות היא באפשרות זיהוי מדויק של הנתיב הקריטי, בתכן או בתהליך ההנדסי, שבו מספר מינימלי של תקלות עלולות לגרום לתקלה הבטיחותית. אירוע העל שהוגדר בפרוייקט זה שחרור יתר של למוצרי ביקוע למרות השתקה תקינה של הכור (SCRAM ) מחייב התמקדות בכל אחד מרכיביה, מהגלאים המפעילים את המערכת דרך הממסרים ועד לכל פתחי המאטם .צמרת העץ –אירוע על המוגדר, שחרור מוצרי ביקוע אל האטמוספירה ובבניית העץ נעבור על כל המערכות המשתתפות בסגירת המאטם.

מטרת הפרויקט

ניתן לזהות בפרוייקט שלוש מטרות. המטרה הראשונה הייתה לימוד והכרת כור מחקר גרעיני. במהלך הפרוייקט ביקרתי 4 פעמים בממ"ג בליווי מנחה הפרוייקט, מנהל הכור והחשמלאי הראשי האחראי על פיתוח ותחזוקת מערכות החשמל בכור. במהלך ביקורים אלו סיירנו בתוך ומחוץ למאטם במטרה לאתר את כל המערכות הפועלות תוך התמקדות במערכת הנבחנת מערכת סגירת המאטם. בנוסף, למדתי את תרשימי מערכות החשמל על מנת לעמוד על הקשרים בין הרכיבים ועל התלות של רכיב אחד במשנהו דבר אשר יש לו חשיבות רבה בקשרים הלוגיים שבין רכיבי המערכת ( ענפי העץ).

המטרה השנייה הייתה לימוד שיטת ניתוח מערכות הנדסיות ע"י עץ תקלות ה- FTA,היתרון הבולט של שיטה זו הוא במציאת הנתיב הקריטי ("החוליה החלשה") המוגדרת ע"י צירוף תקלות מינימליות להתרחשות האירוע –על. אבחון זה מאפשר "טיפול" נקודתי ונכון בבעיה. על מנת להבטיח את יכולת הניתוח בשיטת ה- FTA, יש להכיר את המערכת על בוריה ,ז"א סוג הרכיב,מקור ההזנה, התלות שלו ברכיבים אחרים, אופן ההפעלה, ועוד כל מידע אשר יכול להשפיע על בנית העץ. ברוב המקרים משתמשים בשיטת ה-FTA בשלבי התיכון אך גם לבחינת מערכת קיימת שיטה זו יעילה מאד.

המטרה השלישית של הפרוייקט הייתה בחינת מערכת סגירת המאטם על ידי שימוש ב-FTA.בניתי עץ תקלות לאחר שהגדרתי ,בעזרת המנחה את תקלת העל כשחרור מוצרי ביקוע אל מחוץ למאטם. לאחר קבלת העץ הסופי ביצעתי אנליזה על מנת למצוא את נקודות התורפה או "חוליה חלשה" בשרשרת זו,וע"י שימוש במסקנות אלו ניתן יהיה להקטין את ההסתברות לכשל במערכת סגירת המאטם של הכור הגרעיני בנחל שורק.

לאחר השלב הראשוני של איסוף החומר לימוד השימוש בשיטת ה FTA והכרת המערכות בניתי את עץ התקלות אשר עם התקדמות הפרוייקט גדל והקיף את כל המערכות הנחוצות. לאחר בניית העץ, הבנת הקשרים הלוגיים בין המערכות הקובעים את הצורה בה מתרחשים התהליכים, (מה קודם למה) ומה יכול לגרום לכישלון, מגיע שלב של ניתוח התוצאות והסקת מסקנות. כאמור, מטרת הפרוייקט היא שיפור מערכת קיימת ופועלת של סגירת המאטם בכור המחקר בנחל שורק בעזרת שיטת ה - FTA. העתק של הפרוייקט כולל מסקנות והצעות הייעול יוגשו למנהל הכור על מנת שיוכל לבחון את המסקנות ולהיעזר בהם בכדי לעלות את רמת הבטיחות בכור.

תאור מערכת המאטם וסגירתו בעת תקרית

בשעת תקרית תפקידו של המאטם להגביל את דליפת מוצרי הביקוע מן המאטם ע"י השהייתם זמן ממושך במאטם לצורך דעיכה , טהור האוויר באולם הכור ושחרור מבוקר של אוויר אולם הכור דרך פילטרים לאטמוספירה.מאטם הכור עשויי ברובו מבטון מזוין ובחלקו מקיר לבניי

סיליקט כשהן מבודדות ומצופות בטיח ובצבע אטים. הקוטר הפנימי של המאטם הוא 26 מטר גובהו הפנימי כ-21 מטר וניפחו כ-7000 מ"ק . במאטם הכור מספר פתחים המאפשרים כניסת ויציאת אוויר בזמן שיגרה ,להלן רשימת הפתחים:

· שלושה פתחי כניסת ויציאת אוויר למזגן

· פתח מפוח כיפה, מפוח שפן מפוח צינורות הקרנה ומפוח מינדפים

· מנהרת שחרור לחץ

בעת סגירת המאטם נסגרים כל פתחי המאטם מלבד פתח מפוח מנדפים, פתח זה נשאר פתוח וכמו כן גם מנוע המפוח ממשיך לעבוד, שלא כמו שאר מנועי המפוחים והמזגן אשר נכבים. הפתח למסנן הרגיל נסגר והפתח של מסנן החירום נפתח כך שהאוויר המשתחרר מתוך המאטם לאטמוספירה עבר סינון במסנן החירום. כל פתחי המאטם התפוסים בעזרת שסתומים אשר במצבם הרגיל תפוסים ע"י תפס מגנטי נסגרים במצב חירום ע"י כוח הכובד, בעקבות הפסקת הזנה לתפסים ,שיטה זו נקראת (Fail safe ) ומעלה את אמינות המערכת. בעת הפעלת מערכת סגירת המאטם מופעלת גם מערכת טיהור אוויר בתוך המאטם אשר תפקידה לסנן את האוויר בתוך המאטם על מנת לאפשר לאנשי הכור לטפל בבעיה שגרמה לסגירת המאטם. מערכת זו מופעלת בהשהיה של שתי דקות על מנת למנוע עומס על מערכת החשמל. דלת מנהרת שחרור לחץ בשגרה נמצאת במצב סגור אך בעת הפעלת מערכת סגירת המאטם היא נפתחת ולאחר כ- שתי דקות נסגרת, אם הלחץ בתוך המאטם נמוך מ- 10 מ"מ מים. תפקידה של מנהרת שחרור הלחץ למנוע מצב שבו יעמוד המאטם בלחצים גבוהים.

בעת הכנת הפרוייקט התברר בשיחה עם מנהל הכור כי מערכת שחרור הלחץ, מהמנהרה דרך המסננים ועד הגלאי ,אינם נמצאים תחת ביקורת וזאת מאחר שבבדיקה שנערכה הגיעו למסקנה שגם בעת אירוע של שחרור מוצרי ביקוע מרבי אין סכנה של קריסה במאטם. בעצתו של מנחה הפרוייקט החלטתי כי אין יכולה מערכת אשר איננה מתוחזקת להיכלל כמערכת בטיחות ולכן בניתוח התקלה יש לראות מערכת זו ככשל.

בעת שמופעלת מערכת סגירת המאטם פעולת הכור מופסקת ועוד מספר מערכות עוברות למצב חירום. חשוב לציין שהפתחים והמפוחים אשר מופסקים בעת תקרית אינם חוזרים לפעולה מעצמם והם דורשים החזרה ידנית למצב פעולה רגיל. הפעולה הידנית של החזרת המאטם לשחרור אוויר דרך המסנן הרגיל מגדילה את אמינות מערכת המאטם ומונעת פתיחה באופן אקראי עקב תקלה חשמלית או מכנית. קיימים מספר מצבים שבהם מופעלת מערכת סגירת המאטם:

א. ירידת מפלס מי הבריכה ב- 2 מטר, בתוך בריכת הכור ישנם שני מצופים אשר מפעילים את מערכת סגירת המאטם כאשר גובה מפלס מי הבריכה יורד ב – 2 מטר .

ב. התראת גלאים על קרינה מעל סף. קומבינציה של שני גלאים המתריעים על קרינה חריגה, בתוך המאטם פזורים 5 גלאי קרינת גמא ומסנן חלקיקים שילוב של שני גלאים מתוך השישה יפעיל את המערכת.

ג. התראת על לחץ, במאטם ישנו מד לחץ אשר מפעיל את המערכת בעת עליית לחץ מעל סף מסוים. מלבד זאת ישנם עוד 3 לחצנים ידניים בתוך ומחוץ למאטם , אשר מפעילים את מערכת סגירת המאטם.

ממצאים, סיכום והמלצות להמשך העבודה

לאחר השלמת עץ התקלות ניתן לרכז את הנתיבים הקריטיים. הנתיבים הקריטיים הם אותם נתיבים אשר יגרמו לתקלת העל בהסתברות הגבוהה ביותר. בפרויקט זה לא נעשה ניתוח כמותי אלה ניתוח איכותי בלבד ועל כן לא ניתן לאפיין את הנתיב ה"מסוכן ביותר" כי אם את הנתיב אשר יגרום לתקלת העל במספר הכשלים הנמוך ביותר. ישנם מספר נתיבים אשר די בכשל אחד על מנת לגרום לתקלת העל.

נתיב קריטי מספר 1 – אירועים מספר#2,#3,#9,#20,#21,#22,#25,#26 הם כולם כשלים זהים, כשל סגירה מכנית של אחת הקלפות. מובן שכאשר יש כשל בקלפה והיא אינה ניתנת לסגירה המאטם נשאר פתוח. ההסתברות לכשל של מנגנון הקלפות הוא נמוך מאוד עקב שילוב של שימוש בשיטת (Fail Safe) ובנוסף קיימת אפשרות לנתק את מנגנון הקלפות מהמערכת האוטומטית דבר המאפשר ביקורת תקופתית.

נתיב קריטי מספר 2 – אירוע מספר #19 סדק בסיפון. אירוע זה גם כן יגרום לתקלת העל מכוון שזהו פתח נוסף במאטם אשר במקרה של כשל יגרום לדליפת מים המכילים רכיבים רדיואקטיבים. בכל מקרה כמות המים המנוקזים קטנה מאוד והם נבדקים לפני הניקוז החיצוני.

נתיב קריטי מספר 3 – אירועים מספר #27, #28, #29 כשל בממסר ה - COR ,כשל בממסר ה- RR וכשל בממסר ה- RA13. שלושת הממסרים נמצאים אחד אחרי השני בטור ודרכם עוברת ההזנה של כל המערכת, כשל באחר מהם יקטע את רצף הפעולות המתרחשות בעת סגירת המאטם ויוביל לתקלת העל. הממסרים הם מסוג אחד (נספח א'), מאוד אמינים עם קצב תקלות נמוך וידוע.

נתיב קריטי מספר 4 – אירועים מספר #6,#7,#8 סתימה במסנן חירום, סתימה בצנרת ובשסתום מספר 7 , סתימה בצנרת ובשסתום מספר 5. כל אחד מהאירועים הנ"ל יובילו לתקלת העל מכוון שהם יחסמו את מעבר האוויר המזוהם דרך מסנן החירום ,והאוויר המזוהם יפלט החוצה דרך מערכת שחרור הלחץ.

לסיכום בפרויקט זה בחנתי את מערכת סגירת המאטם באמצעות שיטת FTA ומצאתי ארבעה נתיבים קריטיים אשר בכל אחד מהם כשל בודד עלול לגרום לתקלת העל. אין למהר ולהסיק מסקנות מהניתוח שהתקלה עלולה לקרות בהסתברות גבוהה. הגדרת נתיב מסוים בעץ התקלות כנתיב קריטי מעלה את הצורך לבדיקה כמותית של נתיב זה (על מנת לחשב את ערך ההסתברות לכשל). על כן, מומלץ להמשך העבודה לבדוק את ההסתברות לכשל של אירועים אלו ובהתאם לתוצאות לשקול האם נדרשים שינויים טכניים להגברת הבטיחות.