МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ОБНИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ АТОМНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

ФИЗИКО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

Ю.В. Волков, О.Б. Дугинов

НАДЕЖНОСТЬ И БЕЗОПАСНОСТЬ ЯЭУ

Учебное пособие

ОБНИНСК 2004

ВВЕДЕНИЕ 5

Глава 1 7

ФАКТОРЫ ПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ОПАСНОСТИ ЯЭУ. 7

ВОЗМОЖНЫЕ СПОСОБЫ ИХ ПРОЯВЛЕНИЯ 7

1.1. Факторы потенциальной опасности ЯЭУ 7

1.1.1. Избыточная реактивность 7

1.1.2. Остаточное тепловыделение и концентрация р/а продуктов в активной зоне реактора 9

1.1.3. Запасенная неядерная энергия 10

1.2. Возможные способы проявления опасностей 12

1.2.1. Авария на TMI 13

1.2.2. Авария на IV блоке Чернобыльской АЭС. Выводы и уроки 18

1.2.3. Общие выводы по двум авариям 33

1.3. Основные принцины безопасности 34

1.3.1. Основные цели безопасности 35

1.3.2. Фундаментальные принципы 37

1.4. Регламент обеспечения безопасной работы ЯЭУ 44

1.4.1. Нормативно-техническая документация 44

1.4.2. Общие требования нормативных документов 47

1.4.3. Общие требования к системам воздействия на реактивность 48

1.4.4. Специфика критстендов 50

1.4.5. Специфика исследовательских реакторов и РУ АС 51

1.5. Влияние человеческого фактора на безопасность ЯЭУ 52

1.5.1. Роль персонала при обеспечении безопасности ЯЭУ 52

1.5.2. Ошибки персонала и способы их предотвращения 54

1.5.3. Управляющие воздействия персонала при аварии 56

Глава 2 59

КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ 59

БЕЗОПАСНОСТИ ЯЭУ. 59

СВЯЗЬ С НАДЕЖНОСТЬЮ 59

2.1. Вероятностный анализ безопасности. Определение риска 59

2.2. Элементы теории вероятностей 66

2.2.1. Случайные события 66

2.2.2. Свойства частот. Вероятность события 70

2.2.3. Операции над событиями 71

2.2.4. Формула Байеса. Проверка гипотез 73

2.2.5. Независимость событий 74

2.2.6. Вероятностные схемы 75

2.2.7. Вероятностные характеристики случайных величин 79

2.3. Деревья отказов и деревья событий 82

2.3.1. Деревья событий 82

2.3.2. Деревья отказов 86

2.4. Основные понятия теории надежности 90

2.4.1. Качественное определение надежности 90

2.4.2. Количественные характеристики надежности 92

2.4.3. Простейшие потоки событий. Пуассоновский поток событий (отказов) 94

2.4.3. Структурная надежность 96

2.4.4. Расчет норм надежности 105

Глава 3. 109

МЕТОДЫ ВЫЧИСЛЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЕЙ 109

НАДЕЖНОСТИ И БЕЗОПАСНОСТИ ЯЭУ 109

3.1. Использование пуассоновского потока для анализа без(мало-)аварийного опыта испытаний и(или) эксплуатации оборудования ЯЭУ 109

3.2. Модели типа "параметр-граница работоспособности" 118

3.2.1. Общая модель 119

3.2.2. Частные случаи 119

3.2.3. Задание определяющих параметров 122

3.2.4. Теплотехническая надежность активной зоны 123

3.3. Постепенное накопление дефектов. Процессы накопления 124

3.3.1. Приближение нулевой скорости роста дефекта при нормальном режиме и мгновенного скачка при выходе определяющего параметра за допустимые пределы 126

3.4. Распределение амплитуд флуктуации определяющих параметров 129

3.4.1. Первая модель 130

3.4.2. Вторая модель 138

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА С КОММЕНТАРИЕМ 141

Введение

В настоящее время проблеме оценки и обеспечения надежности и безопасности (НиБ) ЯЭУ уделяется неизмеримо большее внимание, чем, скажем, 30 лет назад. В то время этой проблемой интересовался и всерьез занимался узкий круг специалистов-профессионалов. В результате катастрофы на Чернобыльской АЭС, сейчас НиБ ЯЭУ интересуются и "всерьез занимаются" практически все, кто следует политической моде и хочет выглядеть прилично среди, например, депутатов различных уровней. Это и хорошо, и плохо. Хорошо – потому, что наконец-то этой проблемой приобретен подобающий ей статус – важнейшей из проблем ядерной энергетики. Плохо – потому, что на волне всеобщего беспокойства (вполне понятного) по поводу решения этой проблемы возникают спекуляции недобросовестных политиков и околонаучных кругов, цель которых далека от повышения НиБ объектов ядерной энергетики.

Изучение курса "Надежность и безопасность ЯЭУ" студенты всех специальностей, относящихся к ядерной отрасли, должны (по мнению автора) считать своей святой обязанностью, т.к., во-первых, как при обосновании проектов и режимов эксплуатации ЯЭУ, так и при участии непосредственно в их эксплуатации знания в этой области просто необходимы, во-вторых, любой специалист естественнонаучного профиля, даже если он и не работает в сфере ядерной энергетики, должен ориентироваться в проблеме НиБ ЯЭУ, т.к. это, как оказалось, жизненно важная область человеческого знания.

По меткому изречению одного из инспекторов государственного органа по надзору за безопасностью в ядерной энергетике – "Безопасность – это отсутствие опасности". Поэтому изучение факторов потенциальной опасности объектов ядерной энергетики, от которых необходимо защищаться, является неотъемлемой частью курса "Надежность и безопасность ЯЭУ", которой посвящен раздел в этом пособии.

НиБ ЯЭУ в настоящее время регламентируются и обеспечиваются рядом нормативно-технических документов, требования которых должны быть известны, и неукоснительно выполняться специалистами всех профилей в ядерной энергетике (разумеется, каждым в своей части). Поэтому в пособие входит раздел, посвященный нормативной базе обеспечения НиБ ЯЭУ.

Для того, чтобы что-то обеспечивать, необходимо уметь количественно измерять результаты своей деятельности. Тогда можно будет иметь представление о величине достигнутого и того, что требуется. Значит, чтобы обеспечивать НиБ необходимо уметь количественно оценивать эти качественные характеристики ЯЭУ. Количественные характеристики НиБ ЯЭУ являются вероятностными и раздел, посвященный применению теорий вероятности и надежности, является неотъемлемой частью этого пособия.

Автор по образованию и убеждению инженер-физик. Поэтому по структуре и содержанию это пособие отличается от других учебников и пособий по НиБ ЯЭУ. Здесь помимо фактов из НиБ ЯЭУ (в том числе и не отраженных в достаточной степени в имеющейся научно-учебной литературе) приводится их инженерно-физическое объяснение. Например, при описании аварий на TMI и ЧАЭС основное внимание уделяется качественному анализу нейтронно-физических и теплогидравлических процессов в этих авариях, а не точному хронологическому описанию событий.

Пособие написано на основе одноименного курса лекций, читаемого автором на протяжении ряда лет в ИАТЭ, и отражает его многолетний опыт практической работы в этой области знаний. Автор уверен, что не только студенты старших курсов, но и опытные специалисты в ядерных технологиях найдут в пособии ранее неизвестные и интересные им сведения.

Для удобства чтения в усвоения материала жирным шрифтом выделены наиболее важные сведения, термины и определения. Курсивом выделены места, на которые следует обратить особое внимание.

ГЛАВА 1

ФАКТОРЫ ПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ОПАСНОСТИ ЯЭУ.

ВОЗМОЖНЫЕ СПОСОБЫ ИХ ПРОЯВЛЕНИЯ

1.1. Факторы потенциальной опасности ЯЭУ

В "Общих положениях безопасности АЭС" (ОПБ-88/97) дано такое определение безопасности ЯЭУ: "Свойство ЯЭУ при нормальной эксплуатации и нарушениях нормальной эксплуатации, включая аварии, ограничивать радиационное воздействие на персонал, население и окружающую среду установленными пределами". Это свойство может быть нарушено, если реализуются потенциальные (внутренне присущие) опасности, способные привести к разрушению ядерного реактора с высвобождением радиоактивных (р/а) веществ. Основные факторы, определяющие эти характерные опасности для различных типов реакторов, приведены далее.