Евростандарт для ЛАЭС-2

В.В.Безлепкин, д.т.н., заместитель директора по науке Санкт-Петербургского института «Атомэнергопроект»

Повышенное внимание к безопасности Ленинградской АЭС предопределено географическими и статистическими причинами – близостью сухопутной и морской границ, плотностью заселения Балтийского региона. Этот интерес, регулярно подогреваемый акциями экологистов, как правило, не поднимается выше обывательского уровня.

Озабоченность людей, их фантомные страхи могли бы рассеять специалисты. Такие, например, как заместитель директора по науке Санкт-Петербургского института «Атомэнергопроект», доктор технических наук В.В.Безлепкин, для которого безопасность АЭС – сфера научных интересов и практика выработки технических решений, обеспечивающих безаварийную работу энергоблока. Владимир Викторович готов квалифицированно обосновать безопасность нового проекта.

– Какова идеология построения системы безопасности для ЛАЭС-2?

– Прежде всего, необходимо пояснить, что такое безопасность АЭС. Это свойство в процессе всего жизненного цикла предотвращать или ограничивать до допустимого уровня радиационное воздействие на персонал, население и окружающую среду. Для оценки уровня безопасности используются набор критериев – показателей безопасности.

К основным показателям безопасности АЭС относятся: вероятность тяжелого повреждения активной зоны; вероятность превышения предельно допустимого выброса.

Важнейшим направлением улучшения этих показателей является повышение надежности систем безопасности. А надежность определяется как элементным составом, так и надежностью каждого элемента. При этом нельзя исключить вероятность отказа по общим причинам. А это значит, что увеличение количества однотипных, дублирующих друг друга каналов системы безопасности не имеет смысла, потому что при определенных условиях они могут выйти из строя одновременно. Следовательно, увеличивая количество резервирующих каналов, мы не достигаем цели – снижения вероятности отказов. Показатель надежности не увеличивается, но растет стоимость средств обеспечения безопасности. Целесообразнее применять разнопринципные системы, например, активную и пассивную, или две активные, но имеющие отличающиеся схемные решения и разные элементные базы. Тогда вероятность отказа существенно снизится. В проекте ЛАЭС-2 для наиболее вероятных исходных событий, которые могут послужить причиной аварии, введены как пассивные, так и активные системы безопасности.

– Этот проект безопаснее тяньваньского?

– На Тяньваньской АЭС была применена четырех­канальная система безопасности. Все каналы активные. На ЛАЭС-2 мы вводим пассивные каналы, чем резко повышаем надежность системы, т.к. в этом случае показатели вероятности отказов можно перемножать. К примеру, показатель активного канала 10-3 событий на реактор в год, показатель пассивного тоже 10-3, их суммарный показатель будет 10-6. Увеличение же количества активных каналов добавляет к суммарному показателю только один порядок. Таким образом, применяя разнопринципные системы, мы можем без ущерба для безопасности сократить количество каналов или значительно улучшить вероятностные показатели безопасности при том же числе каналов.

– Какие мероприятия направлены на предупреждение тяжелых аварий?

– Основной вероятностный критерий – частота повреждения активной зоны. Это интегральный показатель. Рассматриваются все исходные события, которые могут привести к такой аварии с радиационными последствиями. Для каждого исходного события выбирается определенный набор систем безопасности. Далее частота самого исходного события и вероятность отказа систем безопасности перемножаются и получаются показатели вероятности аварий с тяжелыми повреждениями активной зоны. И так по каждому исходному событию: прекращение подачи питания, разрыв трубопровода и т.д. Всего их рассматривается несколько десятков. Затем все показатели суммируются, и получаем частоту повреждения активной зоны. Этот комплексный показатель для проектов нового поколения не должен превышать 10-6 соб./(реакт. год). Т.е. такое событие на любом из реакторов может происходить не чаще чем, один раз в миллион лет.

– Как формируется перечень исходных событий?

– На основе анализа конкретного проекта и опыта эксплуатации аналогичных энергоблоков обосновывается количество рассматриваемых исходных событий. Их вероятность должна быть не ниже 10-7. Например, разрыв корпуса реактора – это очень маловероятное событие, его мы в проекте не рассматриваем. Это гипотетическая или запроектная авария. Когда проектировщик начинает работу над выбором конфигурации системы безопасности, он должен определиться с тем, что может произойти, затем определить, как с этим бороться и выбрать оптимальную структуру системы безопасности, которая в случае аварии сведет к нулю или минимизирует выброс радиоактивных веществ в окружающую среду.

– Представим себе, что разрабатывается проект энергоблока с принципиально новой реакторной установкой и опыт эксплуатации отсутствует. Как в этом случае определяется конфигурация системы безопасности?

– Если говорить о ЛАЭС-2, это эволюционный проект, в основе которого лежит РУ, очень близкая к той, что была поставлена в Китай. И в России на нескольких станциях работают В-320. Реактор ВВЭР-1000 – это референтная установка для ЛАЭС-2. Там есть некоторые усовершенствования и в плане безопасности, и в плане экономических показателей. Проект Тяньваньской АЭС в Китае был шагом вперед по сравнению с установкой В-320, особенно в отношении безопасности. Идеология его системы безопасности в существенной части соответствует европейским нормам. Отдельные требования не выполнены, потому что заказчик не ставил таких задач, посчитав их для себя избыточными. ЛАЭС-2 – это еще один шаг вперед по сравнению с китайским проектом. Применение пассивных систем безопасности позволило нам снизить основной вероятностный показатель практически на порядок. Такие условия нам поставил заказчик, концерн «Росэнергоатом». И этот уровень вероятности повреждения активной зоны соответствует требованиям, которые сегодня предъявляются к АЭС нового поколения в странах ЕС и США.

Дополнительные меры, которые заложены в новый проект, направлены на снижение вероятности и количества выбросов в случае запроектных и тяжелых аварий. Европейские нормы эксплуатации требуют, чтобы запроектные и тяжелые аварии с вероятностью выше 10-8 учитывались в рамках проекта. В проекте ЛАЭС-2 для них предусматривается специальная система безопасности. Если не сработала цепочка «исходное событие – система безопасности», и произошло разрушение активной зоны, то для того чтобы уменьшить выбросы в окружающую среду, применяется целая система мер. Во-первых, расплав активной зоны мы удерживаем в специальном устройстве локализации расплава – «ловушке» Она впервые в мире была применена нами в проекте Тяньваньской АЭС. Это техническое решение прошло международную экспертизу и признано во всем мире.

– Такая же система безопасности закладывается и в серийные блоки проекта АЭС-2006?

– Да, в нем будет предусмотрена ловушка, во всяком случае, в проекте ЛАЭС-2. Этот элемент можно было бы посчитать избыточным, вероятностный показатель таких аварий находится на грани обязательного применения такой системы. Но мы считаем, что должны гарантировать защиту окружающей среды, несмотря на низкую вероятность такого развития событий. Кроме того, мы применяем ряд дополнительных мер: во-первых, защитная оболочка или контейнмент, в котором находится реакторная установка, рассчитан на последствия тяжелых аварий с расплавом активной зоны. Он способен выдержать давление до 10 бар. При тяжелой аварии есть опасность раннего или позднего разрушения контейнмента. Первая опасность – взрыв водорода. Поэтому мы применяем систему выжигания водорода, основными элементами которой являются устройства его пассивной каталитической рекомбинации. Чтобы исключить сценарий плавления при высоком давлении, мы предусматриваем устройство сброса среды из реакторной установки. Тогда давление в реакторе и контейнменте выравнивается, что позволяет сохранить последний барьер.

– Насколько эти дополнительные системы безопасности увеличивают стоимость энергоблока?

– Удорожание составит несколько процентов. Те же аварийные клапаны компенсатора давления предусматриваются и для нормальной эксплуатации. Надо также иметь в виду, что применение пассивных систем позволяет отказаться от некоторых активных. Кроме четырех каналов систем безопасности, имеется пятый и шестой каналы нормальной эксплуатации, снабженные мощными дизельгенераторами. В Китае эти каналы задействованы также в системе безопасности для управления аварией. Эффективность их была довольно низка, и если мы применяем пассивную систему безопасности, то можем существенно уменьшить мощность дизелей пятого и шестого канала, сократив всю цепочку электротехнических устройств. Убрав лишние активные каналы, мы получаем дополнительный экономический эффект за счет исключения различных обеспечивающих устройств.

– Поясните, каким образом осуществляется управление аварией?

– Управляющие действия разделяются на два типа. Первый – это действия, направленные на предупреждение повреждения активной зоны. Это может быть автоматическое включение системы, которая отработает как система безопасности, или действия оператора, предусмотренные специальной инструкцией. Второй тип – это управление тяжелой запроектной аварией, когда управляющие первого типа оказались неэффективны. Например, по причине ошибочных действий оператора или сочетания множественных маловероятных отказов. Теперь уже действия должны быть направлены на смягчение последствий тяжелой аварии. Для локализации расплава могут применяться и пассивные элементы, и системы автоматики, которые управляют процессом. На Тяньваньской АЭС, например, предусмотрены действия оператора, обеспечивающие подачу воды в устройство локализации расплава.

– Чем отличается европейский подход к безопасности проектов АЭС?

– Все события уровня вероятности выше 10-8 рассматриваются, анализируются, систематизируются, и для всех предусматриваются соответствующие управляющие действия. На основе анализа определяются требования к оборудованию, контейнменту, проходкам, шлюзам и т.д. Это и есть европейский поход к проектированию – условия расширенного проектирования, включающие в себя учет запроектных аварий. Проект ЛАЭС-2 выполняется в соответствии с требованиями европейских производителей энергии (EUR). Следует выделить требования EUR к обеспечению автономности станции в случае тяжелых аварий. Системы безопасности станции должны обеспечить удержание продуктов деления внутри контейнмента как минимум в течение 72 часов в условиях потери внешнего энергоснабжения.

– Почему выбран такой временной интервал?

– Предпринять какие-то адекватные меры, скажем, поставить на аварийную станцию крупногабаритное оборудование, в более короткий срок невозможно. Думаю, это вполне разумный критерий, хотя многие его критикуют, говорят, что достаточно 24 часов. Даже если станция сама имеет все источники, чтобы управлять аварией, трое суток – это тот промежуток времени, когда можно осознать ситуацию и принимать взвешенные решения. Проект должен гарантировать, что выбросы в течение этих 72 часов будут ограничены допустимым уровнем.

– Вы считаете, что соответствие европейским стандартам безопасности должно обеспечить общественное одобрение развитию атомной энергетики в России?

– После Чернобыля был проведен целый ряд исследований, направленных на обеспечение безопасности, выработаны рекомендаций и ужесточены нормативы. Сейчас население в значительной степени преодолело радиофобию. Да и здравый смысл подсказывает, что при нынешней ситуации на рынке органического топлива атомная энергетика становится вполне конкурентоспособной.

– В качестве базового проекта выбрана разработка, мягко говоря, не новая. Это оправдано с позиций безопасности, но ставит под сомнение эффективность наших НИИ и КБ в течение последних десятилетий. А чем занимается ваш научно-исследовательский отдел?

– При модернизации и реконструкции действующих станций возникает целый ряд научных проблем. Разработка концепции проекта требует расчетных теоретических обоснований. В ряде случаев возникают проблемы методического плана. Одно из основных направлений работы НИО – обеспечение методической базы расчетных обоснований безопасности, разработка математических моделей и реализация их в виде программ, которые в дальнейшем используются в обосновании концепций безопасности. Другое немаловажное направление – исследование поведения элементов реакторной установки, систем безопасности и продуктов деления в условиях тяжелых аварий. Для этого требуется большая база данных свойств материалов в области высоких температур. Необходима разработка моделей физико-химического взаимодействия конструкционных материалов и сред в реакторной установке и контейнменте. Эти модели программируются и включаются в систему компьютерных кодов для анализа запроектных тяжелых аварий.

– Вы располагаете материаловедческой лабораторией?

– Мы не проводим материаловедческих исследований, но изучаем проблему, формулируем задачу и заказываем необходимые исследования специалистам. Если у нас нет экспериментальной базы, это не значит, что мы не можем сами создать модель этого явления. Обработав результаты выполненного по нашему заказу эксперимента, мы предлагаем конкретное решение. Хотя отсутствие своей экспериментальной базы создает определенные проблемы. Для того чтобы управлять аварией, мы применяем специальные жертвенные материалы. Расплав содержит металлические и оксидные компоненты, которые, как правило, сепарируются и образуют определенную структуру. Наша задача, зная свойства всех материалов, прогнозировать их поведение и найти надежный способ теплоотвода. Управляя теплоотводом, мы гарантируем, что температура внутри ловушки не превысит критическую, и расплав не выйдет за пределы контейнмента.

Разработка кодов касается многих направлений – это и теплогидравлика, и механика, и физико-химические процессы. Эти работы требуют экспериментальной поддержки, и мы тесно взаимодействуем с НИТИ, ИБРАЭ, ФЭИ, Курчатовским институтом, ВНИИЭФ. В работе над китайским проектом СПбАЭП играл роль координатора, и в результате была создана система компьютерных кодов для анализа безопасности АЭС.

– НИО объединяет программистов, математиков, физиков и химиков. Такой состав позволяет комплексно подойти к проблеме?

– Да, например, отдельная тема исследований у нас – химия йода. Как известно, изотопы йода – один из наиболее опасных продуктов распада. Он может присутствовать в аэрозольной форме, в летучем молекулярном и атомарном виде и в органических соединениях. При тяжелых авариях на начальной стадии выброс содержит йод преимущественно в аэрозольной форме и нами разработаны модели, описывающие все, что с ним происходит. На более поздней стадии, часов через десять, в атмосферу контейнмента выходят летучие формы йода. Именно они и выходят наружу через течи, потому так важно иметь модель поведения йода с химической точки зрения, учитывающую воздействие радиации, взаимодействие с продуктами коррозии и органикой. На Тяньваньской АЭС мы пошли по пути регулирования pH в контейнменте путем подачи туда щелочи. Это позволит снизить до приемлемого предела выход органических форм йода.

– Наверно наиболее частым исходным событием являются повреждения трубопроводов. Какие способы борьбы с этим явлением предлагает прикладная наука?

– Нами разработана концепция защиты от разрывов трубопроводов. Суть ее заключается в том, что мы заранее прогнозируем места разрывов трубопроводов и применяем систему мер по ограничению последствий этих разрывов. Для исключения биения трубопроводов применяются специальные устройства. Определяются нагрузки от пароводяных струй, и предусматривается система экранов. Таким образом, предотвращается выход из строя оборудования и исключается повреждение элементов контейнмента. Эта концепция внедрена на нескольких действующих АЭС с реакторной установкой В-320 и в тяньваньском проекте.

Защита от гидроударов, проблемы с вибропрочностью оборудования, устойчивая работа контуров естественной циркуляции – вот неполный перечень инженерных задач, которые также решает НИО. Проводятся исследования, предлагают варианты решения, из которых выбирается оптимальное.

– Какие еще исследования направлены на управление тяжелыми авариями?

– Тут несколько научных направлений. Отдельный раздел исследований посвящен разработке и расчетно-экспериментальному обоснованию пассивных систем безопасности. В 90-х годах эти работы выполнялись в рамках разработки проекта АЭС с ВВЭР-640. Применительно к проекту ЛАЭС-2 нами разработаны водяные пассивные системы отвода тепла от реакторной установки и контейнмента. Сейчас с участием НИТИ, ОКБМ, НПО ЦКТИ проводятся экспериментальные исследования на нескольких крупномасштабных модельных установках.

Отдельная тема – водородная безопасность: это и коды, и новые устройства подавления и контроля и создание пассивного катализатора водорода. При полном окислении циркониевых оболочек твэлов в контеймент выйдет около тонны водорода. Это выше взрывоопасной концентрации – более 10% объема. Возникает угроза детонации. Предотвращение этой угрозы – цель создания системы подавления водорода.

По европейским нормам в случае тяжелой аварии требуется отвод тепла от защитной оболочки, и нами принципиально решена эта задача. Для расчета свободно конвективных течений используются трехмерные модели. Эти расчеты позволяют выбрать параметры конденсатора пассивной системы безопасности. Для обоснования интенсивности теплообмена нужно иметь модели конвекции, конденсации, влияния турбулентности. Изучение этого вопроса показало, что на сегодняшний день нет готовых кодов, описывающих эти процессы. Уже есть несколько экспериментальных установок и разработаны расчетные модели. Используем мы и готовые коды, приспосабливая их к нашим условиям. Создание такой пассивной системы позволит обеспечить те самые 72 часа автономности.

– Насколько затратно для проекта выполнение такого условия?

– Программа требует соответствующих финансовых затрат, но я считаю, что они оправданы. Мы получаем новое решение, отвечающее мировому уровню. Экспериментальная часть исследований проводилась на установках ведущих исследовательских центров. Одна из них находится в НИТИ и представляет собой готовый стенд с моделью контейнмента. Еще один стенд создается в ОКБМ, на нем можно будет провести исследования самого контура. Но главная задача для этого стенда – продемонстрировать устойчивую циркуляцию, отсутствие гидроударов и обеспечение вибропрочности. Для исследования естественной конвекции и тестирования модели турбулентности мы используем стенд в ЦНИИ Крылова. Решение этой задачи оказалось наукоемким, но мы понимаем, что должны получить, необходимо лишь подтвердить расчеты экспериментально. В новый проект закладываются определенные характеристики этого конденсатора, и мы надеемся убедить надзорные органы в правоте нашей теории.

– Не вступают ли показатели уровня безопасности в противоречие с экономической эффективностью проекта?

– Улучшение технико-экономических показателей сейчас наиболее актуальная проблема. Но и здесь сделан качественный шаг вперед. Реакторная установка модернизируется с целью улучшения этих показателей, повышаются параметры и в первом, и во втором контуре. Увеличить КПД производства электроэнергии удалось за счет того, что были выявлены внутренние резервы в части обеспечения теплотехнической надежности активной зоны. Кроме того, предусматриваются специальные меры для того, чтобы увеличить коэффициент готовности (КГ), что в конечном итоге позволит повысить коэффициент использования установленной мощности (КИУМ). Но КИУМ не определяет непосредственно качество проекта, для его характеристики лучше использовать такой показатель как КГ. Он отражает способность установки к выполнению диспетчерских заданий. Специальные расчеты позволяют предсказать, какой будет готовность проектируемого энергоблока. Чтобы обеспечить КИУМ на уровне 90%, КГ должен быть выше 95%. Для этого необходимо свести к минимуму продолжительность перегрузки топлива, ремонтов и обследования оборудования. В проекте ЛАЭС-2 заложен восьмилетний период инспекции парогенератора вместо четырехлетнего. Для этого необходимо материаловедческое обоснование и новые конструкторские решения. Сократить продолжительность ремонтных работ по машзалу и уложиться в перегрузочный период можно, если ремонтировать турбину по частям.

– А за счет чего произойдет увеличение электрической мощности реактора, этот самый «плюс» в новом названии ВВЭР1000+?

– Во-первых, за счет увеличения тепловой мощности до 3200 МВт. Второе – увеличение давления в парогенераторе. Третье направление – повышение экономичности паротурбинной установки за счет увеличения количества ступеней в цилиндрах высокого давления и применения сепаратора с двухступенчатым пароперегревателем. Существует проблема потерь в цилиндре низкого давления с выходной скоростью. Этот параметр зависит от глубины вакуума в конденсаторе и длины лопатки последней ступени турбины.

– Потребуются ли существенные конструкторские переработки основных узлов для дальнейшего увеличения единичной мощности реактора типа ВВЭР?

– Главная проблема – это создание основного оборудования (реактора, парогенераторов, ГЦН, турбины, генератора) большой мощности. Например, для реактора необходимо выполнить расчетно-экспериментальное обоснование разъемных соединений.

Возможности турбины сейчас уже на пределе. Нужно создавать лопатки большей длины, так как существующие не отвечают современным требованиям по экономичности. Это одна из главных причин, почему наши турбины уступают изделиям Framatom. На мой взгляд, переход на мощность 1500 МВт и выше целесообразен только через создание опытно-промышленного блока АЭС, на котором в течение нескольких лет будут отработаны все системы и элементы.

Беседовала Людмила Селивановская

Журнал «Атомная стратегия» № 29, март 2007 г.

назад

Материалы из архива

7.2008 Вне нобелевской игры

Сергей Лесков, обозреватель газеты «Известия»: - В России из всех наук более всего уважают физику… Но все наши нобелевские достижения сделаны в 1950-е годы… Наши ученые на первых ролях, но они делают науку не в России. Академия же наук самоустранилась от науки - ее занимают выборы, назначения, бюджет, привилегии. Молодые ученые в круг этих интересов не входят и даже в тягость своей назойливой активностью, их лучше спровадить подальше.

6.2007 ПЛАВУЧИЕ АЭС: «ХРОМАЯ УТКА» РОСАТОМА

Надежда Попова, «Аргументы неделi»В недрах атомного ведомства страны разгорается скандал. После бодрых рапортов о том, что в России в ближайшее время будет построена флотилия из 7 плавучих атомных станций (по другим данным, из 15, а академик Евгений Велихов и вовсе озвучил цифру 150), стали раздаваться робкие вопросы: а потянем ли? а не опасны ли эти плавучие АЭС? как охранять будем? Некоторые опасения по вопросу безопасности атомных поплавков выражают и ученые Института ядерных реакторов РНЦ «Курчатовский институт». Свои мысли вслух о дороговизне проекта озвучил министр Герман Греф.

2.2009 Энергетика послекризисного мира

С.В.Коровкин, главный инженер проекта ОАО «Атомстрой», НИКИМТВсе согласны с тем, что индустриальный мир после кризиса будет другим. Другими будут не только экономические, но и технологические системы индустриального общества. Уже сейчас проясняется будущая энергетическая система послекризисного индустриального мира. Основным источником энергии в  XXI веке в развитых странах будет  не нефть, не газ, не уран, не дрова и не солома.