Вероятностный анализ безопасности, основные положения.
Специалисты в области ядерной энергетики различают понятия надежности и безопасности ЯЭУ.
Надежность ЯЭУ – это ее свойство вырабатывать полезную энергию (тепловую, электрическую, механическую) требуемых параметров по заданному графику нагрузки в допустимых для нормальной эксплуатации радиационных условиях при заданной системе технического обслуживания и ремонтов оборудования.
Безопасность ЯЭУ – это ее свойство обеспечивать с помощью технических средств и организационных мер непревышение установленных доз по внутреннему и внешнему облучению персонала и населения, а также нормативов по содержанию радиоактивных продуктов в окружающей среде при нормальной эксплуатации и проектных авариях, т.е. таких авариях, против которых в проекте предусмотрена специальная защита.
За время существования ядерной энергетики выработались определенные система и культура обеспечения НиБ ЯЭУ как сложных и потенциально опасных технических систем. Все важные для безопасности элементы и устройства дублируются (элементное резервирование), контроль состояния и режимов работы ЯЭУ осуществляется по многим параметрам приборами, использующими разные физические явления и принципы действия (функциональное резервирование). Все важные системы обслуживаются и ремонтируются по строго определенным графикам с последующим контролем качества. Такому важному фактору как квалификация и дисциплина обслуживающего персонала, уделяется самое серьезное внимание.
Поскольку по своей природе отказы оборудования являются случайными событиями, то разработана и используется специальная технология оценок показателей НиБ ЯЭУ, имеющая специальное название – вероятностный анализ безопасности (ВАБ). ВАБ представляет собой системный анализ причин возникновения, всевозможных путей развития и последствий аварий на ЯЭУ с использованием широкого спектра физических, теплотехнических методов, механики разрушения и ряда других, дополненных анализом надежности средств обеспечения безопасности, а также новейших достижений теории вероятности, математической статистики, теории случайных процессов, алгебры логики и других.
В процессе проведения ВАБ обычно выделяют несколько основных этапов. ВАБ уровня 0 – оценка интенсивности исходных событий аварий и анализ надежности систем безопасности. ВАБ уровня 1 – анализ аварийных процессов, которые могут привести к разрушению активной зоны, основных причин разрушения и частоты их возникновения. ВАБ уровня 2 предусматривает анализ теплофизических и химических процессов плавления активной зоны. Определяются возможные виды отказов защитной оболочки. Рассматриваются процессы выделения р/а продуктов из топлива, распространения их в пределах защитной оболочки и выхода за предусмотренные границы локализации. Результатом анализа является вероятностное распределение выбросов с различным количеством радиоактивных продуктов в окружающую среду. ВАБ уровня 3 посвящен анализу распространения радионуклидов в окружающей среде и воздействие их на население. При этом также учитываются экономические последствия аварий.
Основным понятием, которым оперируют при проведении ВАБ ЯЭУ, является риск. Это понятие является синтетическим и учитывает как неопределенности во времени появления и масштабах проявления нежелательных событий, так и ущерб от них. Интуитивное понимание риска всегда связывается с вероятностной природой событий. Если наступление или ненаступление неблагоприятного события в данных конкретных условиях предопределенно, то о риске говорить бессмысленно. В первом случае необходимо принимать меры по предотвращению события, которое обязательно наступит, если не изменить условия, приводящие к его появлению. Если событие определенно не наступает, то нет необходимости включать его в рассмотрение. Если случайное событие не приводит к ущербу, то интуитивно ясно, что его тоже можно не принимать во внимание при оценке риска, т.к. в этом случае просто нечем рисковать.
Количественной мерой риска R принято считать следующую математическую конструкцию:
где N – число рассматриваемых событий;
0 < Рi < 1 – вероятность наступления i-го события;
Сi – ущерб от i-го события, если оно наступит.
Входящие в правую часть записанного равенства величины должны удовлетворять следующим условиям:
1) ущербы Сi должны измеряться в одних и тех же единицах;
2) рассматриваемые события должны быть несовместны, т.е. наступление одного из них должно означать, что остальные (или любые сочетания из них) не наступили;
3) система рассматриваемых событий должна быть полной, т.е. должна включать в себя всю совокупность ситуаций, которые в принципе могут произойти на ЯЭУ (в том числе и ситуацию нормальной эксплуатации).
Последнее условие означает, что в рассмотрение должны быть включены и ущербы (облучение персонала в пределах норм, материальные затраты на противоаварийные мероприятия и др.), которые неизбежно возникают также и при нормальной эксплуатации ЯЭУ. Формально условие 3) записывается так:
Тогда риск R есть ни что иное, как среднее значение ущерба от работы ЯЭУ в данных конкретных условиях.
Часто рассматривают условный риск, т.е. риск только от неприятных событий на ЯЭУ, при условии, что какое-либо из них произошло. Условный риск Rус может быть вычислен по формуле
где считается, что событию нормальной эксплуатации присвоен номер N и тогда
Pус = Pi/(1 – PN)
Следует отметить, что важнейшим в обеспечении НиБ ЯЭУ является человеческий фактор. Как уже отмечено выше, по оценкам специалистов примерно 70% крупных инцидентов на ЯЭУ или произошли из-за ошибок персонала, или сопровождались ими. Однако как раз учет вероятностей ошибок человека наиболее труден при проведении ВАБ. Второй трудностью является получение достоверных исходных данных по показателям надежности отдельных элементов и узлов ЯЭУ. У этой трудности есть причины как объективного, так и субъективного характера. Так как обеспечению надежности элементов и узлов ЯЭУ уделяется серьезное внимание и они, как правило, выпускаются малыми сериями или в единичных экземплярах, то статистика по их отказам крайне мала или отсутствует вовсе. Поэтому достоверная оценка показателей надежности таких элементов и узлов, в принципе, нетривиальная задача. Это – объективная причина. К субъективным причинам следует отнести трудности в организации сбора достоверной информации по отказам важных для безопасности элементов и узлов ЯЭУ.
Оценки второй компоненты риска – ущерба – также должны проводиться по определенным правилам. Здесь также есть некоторые проблемы, в том числе и морально-этического характера. Например, требование измерять ущербы от различных неблагоприятных событий в одних и тех же единицах приводит к необходимости введения единой шкалы для экономических и человеческих потерь при анализе последствий возможных тяжелых аварий. Моральные ущербы и неполученные в результате аварии выгоды также требуется измерять в одних и тех же единицах.
В силу изложенного, при проведении ВАБ приходится иметь дело, с одной стороны, с очень малыми величинами (10–5-10–12), характеризующими вероятности отказов ЯЭУ и его элементов и систем, и/или очень большими (105-1012), характеризующими ущербы от аварий, а с другой – оценки этих величин часто весьма приблизительны.