Probabilistic model of unplanned shutdown caused by abnormal steam generator water level in nuclear power plants

Unplanned reactor shutdowns in nuclear power plants represent critical events that may not cause safety consequences but with significant economic consequences due to production losses, equipment stress, and recovery costs. They may also reduce the lifetime of components. In pressurized water reactors, abnormal steam generator water levels, particularly those initiated by malfunctions like a main steam safety valve stuck-open failure, are a known source of such unplanned transients. Understanding and minimizing the probability of these shutdowns is essential to ensure operational reliability and cost-effectiveness. This thesis seeks to construct a probabilistic risk model for unplanned shutdowns, caused by abnormal steam generator water levels, with the goal of accurately assessing their probability and guiding the design of appropriate risk‐reduction measures. A key objective is to identify the most critical equipment failure modes and the most relevant human error mechanisms, and to evaluate the impact of potential interventions—particularly in human reliability and operator response—on the overall risk profile. A combined master logic diagram and event tree analysis framework was employed to establish the probabilistic model of unplanned shutdowns. The model considers mechanical component failures, control system behavior, and operator actions. Human reliability analysis was conducted using the SPAR-H (Standardized Plant Analysis Risk‐Human Reliability Analysis) methodology, which incorporates performance shaping factors such as time pressure and experience. Importance analyses were performed to evaluate the influence of various parameters on the probability of the top event in the master logic diagram. By importance analyses, the most critical events were identified, including operator “takeover not successful”, “bugs in control algorithms”, “pressure surge demand” and “MSSV failure of regulation”, and “MSSV stuck-open”. Several technological and administrative countermeasures are proposed to mitigate the most critical event of “takeover not successful”.

Le interruzioni non pianificate dei reattori nelle centrali nucleari rappresentano eventi critici che, pur non determinando necessariamente conseguenze dirette sulla sicurezza, comportano rilevanti impatti economici. Questi includono perdite di produzione, sollecitazioni aggiuntive sulle apparecchiature e costi legati al ripristino dell’operatività, oltre a potenziali riduzioni della vita utile dei componenti. Nei reattori ad acqua pressurizzata, un problema particolarmente rilevante è costituito dai livelli anomali dell’acqua nei generatori di vapore. Tali condizioni, spesso originate da malfunzionamenti, come il guasto di una valvola principale di sicurezza del vapore bloccata in posizione completamente aperta, rappresentano una fonte ben documentata di errori non pianificati. Comprendere e ridurre al minimo la probabilità di queste interruzioni costituisce un requisito essenziale per garantire l’affidabilità operativa e la sostenibilità economica delle centrali. La presente tesi si propone di sviluppare un modello probabilistico di rischio finalizzato alla valutazione delle interruzioni non pianificate dovute a livelli anomali nei generatori di vapore. L’obiettivo principale è stimarne la probabilità e fornire un supporto strutturato alla progettazione di misure di mitigazione del rischio. Particolare attenzione viene posta all’identificazione delle modalità di guasto più critiche dei componenti e delle principali fonti di errore umano, nonché alla valutazione dell’impatto di possibili interventi correttivi, con un focus specifico sull’affidabilità umana e sulla capacità di risposta degli operatori. A tale scopo è stato adottato un approccio integrato che combina l’impiego di un Master Logic Diagram con l’analisi degli alberi di eventi. Il modello considera i guasti meccanici dei componenti, il comportamento dei sistemi di controllo e le azioni degli operatori. L’analisi di affidabilità umana è stata condotta attraverso la metodologia SPAR-H (Standardized Plant Analysis Risk-Human Reliability Analysis), che tiene conto di fattori influenti quali pressione temporale, livello di addestramento e carico cognitivo. Sono state inoltre eseguite analisi di importanza al fine di quantificare l’influenza dei diversi parametri sulla probabilità dell’evento principale individuato nel Master Logic Diagram. Tale procedura ha permesso di riconoscere i fattori più significativi al rischio complessivo, tra cui l’evento di “intervento dell’operatore non riuscito”, che rappresenta i casi in cui l’azione manuale non riesce a stabilizzare l’impianto in presenza di transitori anomali di livello nel generatore di vapore. L’individuazione di eventi di questa natura non solo evidenzia le aree di maggiore vulnerabilità, ma costituisce anche la base per la definizione di priorità nelle contromisure tecnologiche e organizzative, finalizzate a incrementare l’affidabilità complessiva delle operazioni impiantistiche