Ja – Nein – Vielleicht: Wie sich mit Hilfe probabilistischer Methoden der Einfluss menschlicher Handlungen auf die Sicherheit von Kernkraftwerken untersuchen lässt

02.12.2019

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Bei der Bewertung der Sicherheit von kerntechnischen Anlagen spielt neben der Ausfallwahrscheinlichkeit technischer Komponenten auch die Zuverlässigkeit menschlicher Handlungen eine Rolle. Im Gegensatz zu physikalischen Prozessen, die durch Gesetzmäßigkeiten und mathematische Gleichungen beschrieben werden können, entziehen sich menschliche Handlungen aufgrund ihrer Komplexität und Dynamik einer solchen Beschreibung. Sie sind verschiedensten Einflussfaktoren unterworfen und können dementsprechend zu einer Vielzahl an möglichen Ergebnissen führen.

Lässt sich die Zuverlässigkeit menschlicher Handlungen also überhaupt als Faktor in einer Sicherheitsbetrachtung mit einbeziehen? Und wenn ja, in welcher Form? Forscher der GRS haben sich mit diesen Fragen im Rahmen einer Studie näher befasst und ein neues Modell für die Zuverlässigkeitsanalyse menschlicher Handlungen entwickelt. 

Bewertung menschlicher Handlungen: Welche Aspekte spielen eine Rolle?

Bei der Untersuchung der Zuverlässigkeit von menschlichen Handlungen werden neben Aspekten wie der Personalqualifikation, dem Stresslevel, der Ergonomie der Mensch-Maschine-Schnittstelle und der Designqualität von Arbeitsmitteln auch „abstraktere“ Größen betrachtet. Hierzu zählt beispielsweise die Zeit, die zur Durchführung einer Handlung benötigt wird. Aber auch die Interaktion zwischen mehreren Personen, die Teilaufgaben einer Handlung übernehmen wird hier berücksichtigt.

Die daraus resultierenden Handlungsabläufe sind entsprechend komplex und gestalten sich aufgrund ihrer möglichen Wechselwirkungen und zeitlicher Abhängigkeiten dynamisch. Das bedeutet, sie können sich im Verlauf der Handlung ändern. Als Teil herkömmlicher Methoden der Zuverlässigkeitsanalyse können menschliche Handlungen daher bislang – wenn überhaupt – nur sehr grob und unvollständig berücksichtigt werden.

Three Mile Island (links) und Fukushima Daiichi (rechts): Reaktorunfälle, deren Verläufe von menschlichen Fehlhandlungen beeinflusst wurden (Quelle: gemeinfrei, Digital Globa CC BY-SA 3.0)

“Crew-Modul“: GRS-Methode zur Zuverlässigkeitsanalyse menschlichen Handelns

Fachleute der GRS befassen sich im Rahmen ihrer Gutachter- und Forschungstätigkeit bei Sicherheitsbewertungen immer wieder auch mit der Bestimmung der Zuverlässigkeit menschlicher Handlungen. Um menschliche Handlungen zukünftig möglichst genau auch als dynamische Abläufe modellieren und simulieren zu können, haben sie das sogenannte Crew-Modul entwickelt. Es wird in Verbindung mit der von der GRS entwickelten Methode MCDET (Monte Carlo Dynamik Event Tree) zur probabilistischen Dynamikanalyse angewendet. Der wesentliche Unterschied zu bisherigen Modellen ist, dass mit dem Crew-Modul auch Abhängigkeiten von zufälligen Ereignissen, Systemzuständen und zeitliche Wechselwirkungen berücksichtigt werden können.

Dabei sieht das grundlegende Konzept der Methodik vor, einen komplexen Handlungsablauf in mehrere kleine, weniger komplexe Einzelhandlungen zu zerlegen, die dann bezüglich potenzieller Fehlermöglichkeiten bewertet werden. Eine solche Einzelhandlung kann beispielsweise die Bedienung eines Schalters sein, das Ablesen einer Anzeige oder das Zurücklegen einer Strecke von A nach B. Je feiner die Zerlegung in Einzelhandlungen erfolgt, desto detaillierter kann der Handlungsablauf der zu bewertenden Maßnahme sowie die darin stattfindenden Abhängigkeiten und Wechselwirkungen im Crew-Modul simuliert und analysiert werden.

Beispiel Brandbekämpfung

Ausschnitt aus einem Ablaufdiagramm der Brandbekämpfungsmaßnahme in Abhängigkeit von stochastischen Einflussgrößen, Prozesszuständen, zeitlicher Wechselwirkungen sowie des Faktors Stress als dynamische Größe. In Abhängigkeit von Prozesszuständen, zufälligen Einflüssen und zeitlichen Wechselwirkungen ergeben sich verschiedene Handlungsabläufe, die erheblichen Einfluss auf die Ergebnisse der Zuverlässigkeitsanalyse menschlicher Handlungen haben können (Quelle: GRS)Um die Funktionalität des Crew-Moduls zu testen, wurde eine Brandbekämpfungsmaßnahme modelliert. Abbildung 2 zeigt das daraus resultierende Flussdiagramm mit möglichen Einflussgrößen, wie beispielsweise Stress oder Abhängigkeiten von zufälligen Einflüssen und Systemzuständen. An der Modellierung sind folgende Personen beteiligt: Schichtleiter (SL), Brandläufer (BL), Einsatzleiter der Feuerwehr (ELFW) und Personen der Feuerwehr bzw. Löschgruppe (LG). Die Einzelhandlungen sind in sogenannten Handlungslisten (HL) zusammengefasst, die in unterschiedlichen Handlungsabläufen resultieren können.

Die Simulationsrechnungen am Beispiel „Brand“ wurden für verschiedene Fragestellungen ausgewertet. Dabei lag das Hauptinteresse nicht in der Ermittlung der Wahrscheinlichkeit, ob eine Löschung stattfindet, sondern in welcher Zeit und mit welchen Mitteln die Löschung des Brandes erfolgt. Die Zeit spielte hier insofern eine wichtige Rolle, als dass die Schädigung sicherheitsrelevanter Komponenten wesentlich von der Dauer des Brandes abhängig ist.

Am Beispiel der Brandbekämpfungsmaßnahme zeigt sich, in welcher Form die Stressentwicklung als dynamische Größe in Abhängigkeit von Prozesszuständen und zufälligen Einflüssen mit dem Crew-Modul in einem Handlungsablauf modelliert werden kann. Das Beispiel verdeutlicht zudem, wie es in Abhängigkeit der Stressentwicklung zu unterschiedlichen Entscheidungsfindungen kommt und welche (alternativen) Handlungsabläufe sich aus den Entscheidungen ergeben.

Außerdem wurde in dem Beispiel angenommen, dass sich hoher Stress nicht grundsätzlich auf alle beteiligten Personen beziehen muss, sondern auch nur einzelne Personen betreffen kann. So wurde beispielsweise unterstellt, dass sich unter einer Fehlhandlung seitens des Schichtleiters hoher Stress lediglich beim Schichtleiter selbst und beim Brandläufer einstellt, während die Feuerwehrleute aufgrund ihrer besonderen Ausbildung in dieser Situation lediglich ein normales bis leicht erhöhtes Stresslevel annehmen.

Ergebnisse der GRS-Untersuchungen

Mit der im Crew-Modul eingesetzten Methodik kann nicht nur der Einfluss von Stress auf sogenannte Unterlassungsfehler modelliert werden, also solche Fehler, die durch eine ausbleibende Handlung entstehen, sondern auch dessen Einfluss auf Fehlentscheidungen und auf Fehler in der Ausführung. Es konnte gezeigt werden, dass sowohl die Einflussgrößen „Stressentwicklung allgemein“ als auch „unter hohem Stress getroffene Entscheidungen“ mit der Crew-Methodik probabilistisch quantifiziert werden und damit zur Zuverlässigkeitsbewertung einer menschlichen Handlung herangezogen werden können.

Auf Grundlage der bisherigen Arbeiten konnte gezeigt werden, dass sich die Methode generell zur dynamischen Analyse menschlicher Handlungen eignet. Der Einsatz des Crew-Moduls ist grundsätzlich auch in anderen Systemen außerhalb der Kerntechnik denkbar, bei denen die Zuverlässigkeit menschlicher Handlungen eine Rolle spielt, wie beispielsweise in großen Industrieanlagen oder in der Luftfahrt.

Weiterführende Informationen

GRS Bericht 516: Beurteilung der menschlichen Zuverlässigkeit in PSA für übergreifende Einwirkungen