Гордон Б.Г. Безопасность ядерных объектов
.pdfТакова оценка только ядерной безопасности. Как повысится уязвимость сотни АС, насколько придётся усилить их физическую защиту, – предмет для особых исследований.
Иными словами, можно сказать, что если авария может произойти, то чем дольше она не происходит, тем больше оснований полагать, что она произойдет. Такая ситуация может иметь место не только из-за старения оборудования, снижения надежности, привыкания персонала и т.п., но и потому, что наши знания ограничены и не могут охватывать всю совокупность возможных причин аварии.
Напомним: одно из значений глагола «обеспечивать» – гарантировать. Именно в этом смысле следует понимать выражение: «Обеспечение безопасности объекта в будущем – гарантия с не-
которой вероятностью». А вот обеспечивать радиационную безопасность человека можно абсолютно, отправив его, как уже говорилось, подальше от радиационного объекта, поскольку технически исключить радиационное воздействие на человека после ядерной аварии вряд ли возможно. Это еще один пример того, что многие споры возникают от неточного словоупотребления.
Детерминистский анализ безопасности (ДАБ) и ВАБ составляют тот опыт науки и техники, который служит базой для обоснований безопасности проектируемых объектов. В основе ДАБ лежит перечень предусмотренных проектом исходных событий и их сочетаний, которые могут приводить к проектным авариям. Расчет аварийных режимов с учетом работы спроектированных систем безопасности должен доказывать, что аварийные проектные пределы не будут достигнуты, а последствия проектных аварий локализуются. Программные средства, с помощью которых проводится ДАБ, должны быть верифицированы. Разнообразные экспериментальные исследования в этой области служат для обоснования работоспособности различных систем, дают материал для верификации, уточняют характеристики исследуемых процессов и т.п. Все это обеспечивает достоверность и точность ДАБ.
В отличие от сказанного об опыте эксплуатации, который накапливается по мере возрастания времени эксплуатации, результаты ДАБ практически не зависят от этого времени. ДАБ проводят еще до всякой эксплуатации, но для расчетов проектных аварий характеристики объекта (время кампании, утонение стенок твэлов, за-
71
громожденность проходных сечений и т.п.) должны приниматься консервативно наихудшими.
Современные программные средства ДАБ для запроектных аварий используют коды наилучшей оценки, с распределенными по объему параметрами, программные средства для вычисления динамики потока, коды CFD и т.п. Тем не менее исходные данные и граничные условия в них также применяются консервативно для конечного результата, чтобы предусмотреть и скомпенсировать влияние недостатка наших знаний. Хотя это противоречит целям анализа запроектных аварий, но консерватизм наших прогнозов
способен лишь отчасти скомпенсировать ограниченность наших знаний.
Обеспечение потенциальной составляющей ядерной безопасности по существу означает предотвращение тяжёлых запроектных аварий. Методы ДАБ доказывают, что при всех заранее предусмотренных сценариях проектных аварий повреждение твэлов не превысит установленные пределы. Но они и не претендуют на доказательство того, что при наложении отказов иных непредвиденных аварий не произойдет. Опыт изучения аварий показывает: как раз наиболее крупные запроектные аварии происходили по не предусмотренным заранее сценариям. А если и были некоторые ученые, предсказывавшие возможность аварий типа Три-Майл-Айленд, Чернобыля или Фукусимы, то стечение обстоятельств, приводящих к этим авариям, большинству специалистов казалось невероятным.
Теория вероятностей имеет дело с макрообъектами, полностью подчиняющимися законам причинности. Однако когда объектов и воздействий на них много, когда знаний об их взаимодействии недостает, то поведение объектов приходится описывать вероятностными методами. В отличие от квантовой механики, в макромире нет физических законов, препятствующих расчету причинноследственных явлений. Есть ограничения технических средств и методов выполнения математических расчетов. Несмотря на впечатляющие успехи в этой области, в ближайшее время ВАБ сохранится как единственный вид анализа, позволяющий рассчитывать
количественные показатели потенциальной составляющей безопасности, тенденцию изменения ядерной безопасности.
Действительно, если авария – случайное событие, то частота этого события может быть рассчитана только вероятностными методами.
72
А вот расчёты вероятности тяжёлой аварии, по-видимому, лежат за пределами возможностей ВАБ по указанным выше причинам.
За последние 10 – 15 лет возможности и сфера применения ВАБ существенно расширились. У нас в стране многие весьма скептически относятся к нему. Такое отношение отчасти объясняется практически не обоснованными и легкомысленными результатами первых ВАБ, выполненных еще в 90-е гг. прошлого века. Как и любой метод, ВАБ имеет свои недостатки и ограничения, которые надо хорошо знать, чтобы использовать его реальные возможности и не обольщаться мнимыми авансами.
Источники случайных событий, которые могут приводить к авариям, – неисправности технических устройств, действия человека, вмешивающегося в работу этих устройств, и природные воздействия. На сегодняшнем уровне знаний кажется невозможным предусмотреть все исходные события возможных аварий и их сочетания. Достижения ВАБ последних лет связаны с совершенствованием математических методов, уточнением баз данных отказов, повышением надёжности оборудования и т.п.
Частота запроектных аварий на современных энергоблоках АС оценивается величинами порядка 10–5 (реактор год)–1. Вклад человеческого фактора в результат расчетов широко изменяется – от 10 до 60 %. Даже если взять наименьшую величину этого диапазона, то 10–5– 10–6 (реактор год)–1 представляется тем пределом, ниже которого расчеты этой частоты методами ВАБ нельзя считать достоверными. Указанные значения могут быть признаны границей возможностей вероятностных методов оценки частот аварий.
Вообще говоря, оценивать границы своих возможностей и используемого метода должны сами специалисты в области ВАБ. Непредсказуемость влияния человека в настоящее время представляется непреодолимой преградой, которая ограничивает возможности ВАБ. Это как попытка измерять обычной линейкой расстояние, меньшее 1 мм.
Безопасность объекта – свойство, о котором можно говорить только в прошедшем времени. Когда мы проектируем и сооружаем новый ядерный объект, то, используя весь предыдущий научнотехнический опыт обеспечения безопасности, можем лишь надеяться, что безопасность объекта будет обеспечена. И мы с гордостью читаем в отчетах Росэнергоатома и других эксплуатирующих
73
организаций, что переоблученных за прошедший год не было, а вероятность тяжелых аварий стала ниже, чем в предыдущие годы. Иными словами, это свидетельствует о том, что безопасность данных объектов была обеспечена, гарантирована.
Но никто не может сказать, сколько аварий уже было предотвращено имеющимися средствами, и дать гарантии, что безопасность будет обеспечена. Об этом можно говорить лишь с некоторой вероятностью, которая для современных АС достигает почти единицы (0,99999). Эксплуатирующие организации, государственные органы управления и регулирования безопасности напрягают свои силы, тратят ресурсы на ее обеспечение на протяжении всего срока эксплуатации АС. И именно их совместные усилия позволяют рассчитывать на обеспечение безопасности впредь.
В практической деятельности специалисты эксплуатирующих организаций, например, концерна «Росэнергоатом» руководствуются документом [34], содержащим 145 показателей безопасной эксплуатации, классифицированных, как показано на рис. 4.3, по 16-ти группам. Код для каждой группы показателей соответствует номеру раздела по приложению А упомянутого СТО. (ВАО АЭС) – группы показателей, включающие показатели, применяемые ВАО АЭС.
По-видимому, эпитет «безопасный» в подрисуночной подписи только затемняет суть дела. Эксплуатация – это вид деятельности на объекте, сложный длительный процесс, характеризующийся множеством различных параметров и факторов, и 145 из них названы показателями эксплуатации. А ядерная и радиационная безопасность – это свойство объекта, характеризующееся своими показателями иной физической природы, которые устанавливаются на основе имеющихся знаний о характере и размерах угроз, а также технических, экономических и социальных возможностей общества. Эти пределы различны для персонала, населения, окружающей среды и т.д., а также для активных и потенциальных воздействий. При этом существует большой соблазн при защите от комплексных угроз устанавливать показатели безопасности, исходя из рассмотрения только активных составляющих.
74
75
Рис. 4.3. Показатели безопасной эксплуатации
Активные угрозы могут представлять не только радиоактивные, но и химические, микробиологические вещества. Для радиационных воздействий можно установить меру (масштаб, индикатор) опасности. Превышение нормы является указателем (индикатором) нарушения радиационной безопасности. Понятие же «показатель» подразумевает некоторый диапазон, шкалу, на которой показывается, насколько искомая величина (безопасность) изменяет свое значение. Пока такое понимание этих терминов не устоялось, будем использовать их как синонимы. Таким образом, индикатор нарушения радиационной безопасности можно записать так:
δa =Dр −Dр, |
(4.2) |
где Dp – величина измеренной или рассчитанной эквивалентной дозы, полученной человеком; Dн – нормативное значение ПДД, различное для персонала и населения.
То есть δа – превышение реальной величины дозы в некоторой точке над его нормативным значением. Эта угроза существует независимо от того, находится или нет в этой точке человек или иные объекты флоры и фауны.
Разумеется, этот подход можно признать весьма приближенным. Эквивалентная доза рассчитывается через среднюю поглощенную дозу в органах и интегрирование по времени после поступления радиоактивных веществ в организм. Не учитываются различные влияния дозы на людей разного возраста, отсроченные эффекты вреда здоровью и т.п. Количество людей, получивших повышенную дозу, зависит не только от мероприятий администрации АС или инспекций регулирующих органов, но и состояния энергоблока, длительности ремонтов и т.д.
Однако для оценки безопасности объектов или эффективности регулирующей деятельности в разных отраслях промышленности нужны ясные, легко рассчитываемые показатели, полученные при прочих равных условиях по единым методикам и статистическим формам. Поэтому предложенный масштаб представляется весьма удобным.
76
Таким образом, при нормальной эксплуатации радиационного объекта при δа > 0, вокруг него существует нестационарное поле радиационных угроз, величина которого зависит от интенсивности источника излучения, координат точки, ослабляющих свойств среды и т.п. В процессе эксплуатации и персонал объекта, и население могут попасть в это поле в течение фиксированного периода времени, скажем, года. Тогда в качестве основного индикатора на-
рушения безопасности (степени опасности) принимается количество лиц N, у которых это превышение установлено, и в каче-
стве дополнительного – величина превышения нормативных пределов эквивалентной дозы у этих контингентов:
N = Nперс + Nнас; |
(4.3) |
N |
|
Dперс/ наc = ∑(Dpi − Dнперс/нас ). |
(4.4) |
i=1 |
|
Выражения (4.3), (4.4) надо применять отдельно для персонала и населения, так как для них установлены различные нормативные значения предельно допустимых эквивалентных доз Dн.
Предложенный индикатор N, по сути, интегрирует все условия эксплуатации и её нарушений, приводящие к активному радиационному воздействию на человека и окружающую среду. Векторы усилий эксплуатирующей организации по модернизации энергоблоков, повышению культуры безопасности, снижению радиоактивных выбросов и сбросов и т.п. совпадают с вектором усилий регулирующего органа по разработке нормативных документов, тщательной экспертизе безопасности при лицензировании, непрерывному надзору за безопасностью и т.д. Но насколько все эти усилия эффективны, в конечном счете, определяется количеством людей, получивших повышенные дозы, и, так сказать, «удаленностью» от ядерной аварии.
То есть индикатор (4.3) должен быть распространен и на возможные события, масштаб которых уже не может быть описан детерминистскими зависимостями, а характеризуется риском облучения, равным
77
R = PּY, |
(4.5) |
где Р – вероятность наступления аварии; Y – величина ее последствий, которая, в частности, может рассчитываться по (4.4).
Как уже говорилось, в области использования атомной энергии, например для действующих АС, существует понятие предельного аварийного выброса радиоактивных веществ, превышение которого потребует эвакуации населения за пределы зоны планирования защитных мероприятий. При этом вводится вероятностный целевой показатель 10-7 на реактор в год, к которому следует стремиться для исключения необходимости эвакуации населения. Таким образом,
величина последствий предельной аварии в атомной отрасли в отличие от иных отраслей как бы фиксируется: для ВАБ-1 – это сверхнормативное повреждение топлива, для ВАБ-2 – сверхнормативное значение радиоактивного выброса, ВАБ-3 – результат радиационного воздействия на население. Это позволяет оценивать риск тяжелой запроектной аварии по ее вероятности.
Очевидно, что стремление какой-либо величины к постоянному показателю характеризуется изменением этой величины во времени. Значит, если существуют методы расчета вероятности реализации потенциальной угрозы, P(τ), то мерой (индикатором) потенциальной угрозы δп можно считать:
δп = – P΄(τ), |
(4.6) |
то есть изменение вероятности опасного события, аварии с течением времени τ. Понятно, что вероятность может являться функцией многих других параметров, и производная P΄(τ) берется только по времени при прочих равных условиях.
Все три типа ВАБ анализируют последствия ядерной аварии, которая может произойти в результате конкретного набора исходных событий с различной глубиной аварийного воздействия. Хотя величина оценки ядерной и радиационной безопасности для разных состояний и режимов эксплуатации АС будет различна, методика оценки состоит из общих этапов, которые, в конечном счете,
78
можно довести до уровня ВАБ-2. А если имеются результаты ВАБ-2, сделанного в два момента времени, например при выдаче двух последовательных лицензий на эксплуатацию, то в качестве индикатора потенциальной угрозы, которую могут представлять АС, целесообразно, используя (4.6), рассмотреть изменение вероятности предельного аварийного выброса от энергоблока АС, оцененное за период действия лицензии на эксплуатацию АС, ∆τ:
δ |
п |
= |
|
Pi−1 − Pi |
, |
(4.7) |
|
10−7 ∆τ |
|||||||
|
|
|
|
||||
где Pi, Pi-1 – значения вероятностей предельного аварийного выброса, рассчитанных в год получения новой и предыдущей лицензий на эксплуатацию; а 10–7 – целевой показатель, установленный в [18].
К сожалению, в настоящее время ВАБ-2 делается не для всех энергоблоков. Поэтому пока в качестве первого приближения вполне можно использовать результаты первого уровня, ВАБ-1, которые имеются практически для всех энергоблоков. Правда, объем выполненных исследований ВАБ-1 для основной части энергоблоков АС, эксплуатируемых в России, ограничивается пока рассмотрением только внутренних инициирующих событий при работе энергоблоков на номинальном уровне мощности. Тогда вместо
(4.7) для оценки потенциальной составляющей безопасности
можно использовать выражение
∆ |
п |
= |
|
Pi−1 − Pi |
, |
(4.8) |
|
10−5 ∆τ |
|||||||
|
|
|
|
||||
где Pi, Pi-1 – значения вероятностей сверхнормативного повреждения твэлов, рассчитанных в год получения новой и предыдущей лицензий на эксплуатацию, а 10–5 – целевой показатель, также установленный в [18].
Предложенная на рис. 2.6 классификация видов безопасности позволяет связать их с глубиной анализов безопасности. Для того чтобы понять, как же в настоящее время можно оценивать ядерную
79
безопасность АС, следует рассмотреть состояния и режимы, в которых может пребывать реакторная установка. Согласно [18] различают следующие режимы:
•нормальная эксплуатация;
•эксплуатация с отклонениями;
•нарушение нормальной эксплуатации;
•предаварийная ситуация;
•авария.
То есть нарушения нормальной эксплуатации могут перерасти в предаварийную ситуацию, и именно эта возможность должна анализироваться вероятностными методами. Вместе с тем особенность такой классификации состоит в том, что первые четыре типа режимов определяются технологическими параметрами и характеристиками состояния систем (элементов), а авария – это событие, «связанное с радиационными последствиями» [18].
Количество нарушений нормальной эксплуатации очень мало, для российских АС в последнее время оно колеблется в пределах 1,0 – 1,5 на энергоблок в год. Но за 10 – 20 лет эксплуатации их уже становится достаточно, чтобы оценивать не только величину вероятности ядерной аварии (ядерную безопасность), но и тенденцию её изменения.
Эти данные следует применять весьма аккуратно, так как изменение значений ЧПЗ, а следовательно, и индикатора (4.8), может быть обусловлено следующими причинами:
•учет в модели ВАБ выполненных модернизаций (конструктивных, организационных и других изменений, направленных на обеспечение ядерной и радиационной безопасности энергоблока АС);
•исправление допущенных при выполнении ВАБ методических недостатков;
•учет новых исходных событий (ИС) (внутренние пожары и затопления, внешние события) и иных эксплуатационных состояний (стояночные режимы, эксплуатация на пониженной мощности).
Для оценки ядерной безопасности АС, прежде всего, является важным изменение ЧПЗ, обусловленное первой причиной. В
80