DEVELOPMENT AND APPLICATION OF THE SEISMIC HAZARD PERIODIC REEVALUATION 

METHODOLOGY FOR MEETING DOE O 420.1C

Annie Kammerer, Kevin Coppersmith, Nilesh Chokshi, Robert BudnitzINL Seismic Risk‐Informed Methodology Independent Review Panel

Justin Coleman, Suzette PayneIdaho National Laboratory

DOE Natural Phenomena Hazards Meeting October 2016

DOE Order 420.1C for Reevaluation of Existing SDC‐3 to SDC‐5 Facilities

Requires a review of natural phenomena hazards (NPH) assessments at least every ten years to evaluate the need for an update based on “significant” change in data, criteria, and assessment methods

Order points to DOE‐STD‐1020‐2012 for criteria and guidance to be considered in the 10‐year evaluation

DOE‐STD‐1020‐2012 points to ANSI/ANS‐2.29‐2008 and NUREG‐2117 for consideration of hazard adequacy and guidance.

DOE Order 420.1C establishes nuclear facility and programmatic safety of nuclear facilities—function of both hazard (seismic) and the facility capacity—but no guidance is available.

Background & Overview

Developed as a convergence of early work by review committee members that was focused on NPPs and a new project for re‐evaluation of INL facilities (SDC‐3)

Incorporates a graded approach using Seismic Design Categories

Incorporates periodic reevaluation requirements/guidance under DOE Order 420.1C and the NRC 50.54(f) process. Can also be used as a framework for assessing new hazard information.

Incorporates the SSHAC Process with appropriate levels Can be used for other reevaluation of other natural hazards

References

INL/EXT‐16‐37751INL/EXT‐15‐36510

7 Criteria for Assessing Need for PSHA Update or Follow up Actions

7 criteria were developed and used for all SDC category facilities The timing in which they appear in the process differs for the SDCs to account for the level of radiological risk

Criteria #1 to #4 come directly from the DOE Order and its supporting documents and look at changes in hazard information

Criteria # 5 and #6 use information from ASCE 43‐05 and NRC Regulatory Guide 1.208. Compares the design basis ground motion (DBGM) to the new estimates of hazard from a SL1 or SL2 and the resulting Ground Motion Response Spectrum (GMRS) The DBGM is the ground motion to which the plant has been designed and is maintained. DBGM is called “Authorization Ground Motion” in DOE facilities.

Senior Seismic Hazard Analysis (SSHAC) Process

Originally described in NUREG/CR‐6372 (1989). Additional guidance provided in NUREG‐2117 (2012)

The SSHAC reports described a structured approach for incorporating a variety of data types and expert judgment into the model development process

The process objective is to develop a model that represents the center, body, and range of the technically defensible interpretations within a composite model

4 Levels of complexity described in 2 NUREG reports

The objectives are the same regardless of SSHAC Level

NUREG/CR-6372 (1989)

NUREG 2117 (2012)

SSHAC Process Objective

“The fundamental goal of a SSHAC process is to properly carry out and completely document the activities of evaluation and integration, defined as:

Evaluation: The consideration of the complete set of data, models, and methods proposed by the larger technical community that are relevant to the hazard analysis.

Integration: Representing the center, body, and range of technically defensible interpretations in light of the evaluation process (i.e., informed by the assessment of existing data, models, and methods).”

from NUREG 2117

Risk‐Informed Seismic Hazard Periodic Review Methodology

# Evaluation Criterion Answer1 Change in data, models, or methods?

Yesor No

2 Change in hazard input models?

3 Change in technical basis?

4 Change in mean hazard?

5 Design Basis Ground Motion > Seismic Design Category Ground Motion?

6 Design Basis Ground Motion > Ground Motion Response Spectrum?

7 Risk objectives met?

Derived fromSSHAC L1 or L2

Derived fromFacility Information

SDC‐3 Facilities

For SDC‐3 and SDC‐4 and Facilities

From

 DOE Order and

 supp

ortin

g do

cumen

ts

Provides confident basis for applying the methodology

Intended for reevaluation activities only

Documentation requirements if no new data model or methods or if new hazard does not 

exceed DBGM or GMRS

Compa

rison

 of n

ew 

hazard in

form

ation with

 de

sign ba

sis and

 GMRS

Evaluation Criteria 1 to 4 for the Risk‐Informed Methodology 

Change Relative to the Baseline PSHA Supporting Design Basis

EvaluationCriterion 1

EvaluationCriterion 2

Evaluation Criterion 3

Evaluation Criterion 4

Changes to data, models, and methods?

Changes to input SSC or GMC models?

Changes to the technical bases?

Change in mean hazard?

Requires that all relevant new and updated data, models, and methods used in the current hazard be identified to assess how they differ from what was used in the baseline PSHA supporting designbasis

Requires that changes to the SSC and GMC inputs (including associated aleatory and epistemic uncertainties) in the current PSHA model be identified based on the changes identified underEvaluation Criterion 1

Requires an evaluation of whether or not the technical bases for the SSHAC Level 1 or 2 hazard have changed, even if the calculated hazard does not indicate a significant change

Requires a comparison of the baseline PSHA hazard results with the SSHAC Level 1 or 2 to determine if there are significant changes

From Suzette Payne’s presentation

Example of Application of Evaluation Criteria 1 to 4

From Suzette Payne’s presentation

Change Relative to the 1996 and 2000 INL PSHAs Evaluation Criterion 4Significance 

(or Meaning) to INL SSHAC L1 Hazard

EvaluationCriterion 1

EvaluationCriterion 2

Evaluation Criterion 3

Changes to data, models, and methods?

Changes to input SSC or GMC models?

Changes to the technical bases?

Implications or why changes occur to the current hazard

Applied the GMM developed by the SWUS Ground Motion Characterization project

Implemented the SWUS median GMM for shallow crustal earthquakes for the tectonic source zones, volcanic zones, regional fault sources and local fault sources

Change to the technical basis to include only empirical GMPEs for the GMM at INL

Incorporates a SSHAC Level 3 GMM that is applicable to extensional environments and has complete characterization of median ground motions and their aleatory variability

GMM – Ground Motion ModelGMPEs – Ground Motion Prediction EquationsSWUS – Southwestern United States

Lesson from FMF and ZPPR application

The comparisons for criteria 1 to 4 are most appropriately performed by the SSHAC TI team (perhaps reviewed by the PPRP).

The scope of work of the SSHAC project should include both the SSHAC project itself AND the evaluation and documentation of criteria 1 to 4.

SSHAC has strong documentation requirements that should make future comparisons “straight forward”. However, it may be something for the PPRP to keep in mind when reviewing the sufficiency of documentation.

SDC‐5 Facilities

SDC‐5 Facilities

Consistent with 50.54(f) approach. Recognizes potential impact from SDC‐5 

facilities

7 Criteria for Assessing Need for PSHA Update or Follow up Actions

Criterion #1: New data, models, and methods developed since the existing PSHA

Criterion #2: New inputs to the PSHA model, including the SSC, GMC, and site response models Includes the treatment of aleatory and epistemic uncertainties Does the model still capture the  center, body, and range of 

technically‐defensible interpretations Criterion #3: Changes in the technical bases

Technical arguments and justifications for the hazard inputs and the associated treatment of uncertainties

Criterion #4: Significant changes in mean hazard Need to consider the precision or “noise” levels of hazard 

calculations

7 Criteria for Assessing Need for PSHA Update or Follow up Actions

Criterion #5: Compare mean hazard at the annual frequency of exceedance (AFE) for specific SDC level with DBGM

Criterion #6: Compare mean hazard at AFE for specific SDC level with GMRS Intended to ensure meeting target performance goals GMRS includes a factor to account for slope of hazard curve ASCE 43‐05 and RG 1.208 define GMRS consistently

Criterion #7: Risk insights: Compare mean risk with target performance goals for SDC level; compare GMRS with HCLPF capacity

Steps for assessment of criteria 5 and 6

Determine the UHRS and GMRS based on SSHAC study and ASCE 43‐05

Determine the UHRS and GMRS based on SSHAC study and ASCE 43‐05

Determine the actual design basis ground motion (DBGM) for the facility

Determine the actual design basis ground motion (DBGM) for the facility

Compare DBGM against the UHRS (Criterion 5) and the GMRS (Criterion 6) 

Compare DBGM against the UHRS (Criterion 5) and the GMRS (Criterion 6) 

ASCE/SEI 43‐05 Seismic Hazard & Design Guidance

Performance‐based approach to ensure facility achieves desired performance

Provides guidance on where to enter the mean hazard curve to achieve a desired performance objective and, in turn, to mitigate defined dose consequence

Works with RG1.208 to define performance‐based GMRS used for new NPPs in the US and for post‐Fukushima reevaluation

UHRS and GMRS

ASCE‐43‐05 sets appropriate hazard levels (annual frequency of exceedance) for each SDC

ASCE‐43‐05 provides risk‐informed design factors (based on the slope of the hazard curve) that adjust UHRS to get GMRS

25

Criteria 5 and 6 comparisons

Used narrow band exceedance criteria in the EPRI SPID to assess the importance of the exceedance

Lesson from FMF and ZPPR application

Ground motion terminology was a bit of a challenge. Terminology has changed along the way and the “design” basis ground motions change in paperwork as the hazard is revised and the plant is reevaluated… but the facility is constructed and so the actual design hasn’t changed.

Improved terminology that make it clear which ground motions are actual design and which were used for reevalation would be helpful.

Steps for assessment of criteria 7

Determine the accident sequences (facility response model)Determine the accident sequences (facility response model)

Determine the seismic safety‐related equipment list (SEL)Determine the seismic safety‐related equipment list (SEL)

Determine the fragilities for items on the SELDetermine the fragilities for items on the SEL

Use accident sequences, fragilities, and new ground motion to assess risk and compare against agreed upon risk objectives

Use accident sequences, fragilities, and new ground motion to assess risk and compare against agreed upon risk objectives

Steps for criteria 7 at FMF and ZPPR

The accident sequences for INL were only structural failures in both cases (work demonstrating the other cases investigated were referenced)

The accident sequences for INL were only structural failures in both cases (work demonstrating the other cases investigated were referenced)

The SEL was composed of only the structure in both casesThe SEL was composed of only the structure in both cases

The fragilities were assessed for both buildingsThe fragilities were assessed for both buildings

The fragility was compared with the loads from the SSHAC study to demonstrate adequate margin against DOE performance criteria (not risk)

The fragility was compared with the loads from the SSHAC study to demonstrate adequate margin against DOE performance criteria (not risk)

DOE Performance Criteria

DOE‐STD‐3009 set deterministic targets 25 rem at site boundary 100 rem for co‐located worker

No DOE risk criteria current set Currently need to be set, and preferably agreed upon, with regulator and facility management in advance

Performance criteria used for INL due to simple accidence sequences involving only the structures

Developing DOE‐wide risk criteria would be very helpful to future applications of the SHPRM

30

Lesson from FMF and ZPPR application

A challenge in documenting the study was that a number of documents that were relied up on are not public. These were removed from the public report. It may be appropriate to create a public and non‐public version so that the complete chain of information is available and reviewable in‐house.

Results

Would have screened out

Assessed facility against criteria to further exercise the process

Thank You

Questions?