Гордон Безопасност ядерныкх обектов 2014

аварий, и другими специалистами, чем оперативный персонал. А неуспех этой защиты представляет угрозу для безопасности человека, даже если технологические процессы на объекте были безупречны.

Рис. 3.3. Принципиальная схема обеспечения безопасности

Любая модель может быть проверена на асимптотических приближениях. Представим себе очень опасный атомный объект, на котором аварии происходят столь же часто, как, например, на угольных шахтах или на автомобильном транспорте. Пусть учет, контроль и физическая защита обеспечиваются на нем одинаково тщательно. Тогда безопасность человека и окружающей среды будет обеспечиваться только за счет государственной инфраструктуры, аварийной готовности и реагирования, иными словами, прекращением эксплуатации или удалением человека как можно дальше от опасного объекта.

С другой стороны, если допустить, что объект детерминистски безопасен, то есть аварии на нем практически исключены и во всех случаях не предусматривают сверхнормативное радиационное воздействие за пределами площадки объекта, то государственная инфраструктура, аварийная готовность и реагирование для обеспечения безопасности человека оказываются избыточными и ненужными. Оба последних случая, иллюстрируемые рис. 3.4, вряд ли могут быть реализованы на практике, но они помогают понять важность всех элементов обеспечения безопасности и связь между безопасностью человека и окружающей среды, с одной стороны, и объекта – с другой.

41

ская ядерная установка, может быть представлен, как показано на рис. 3.5. При этом ядерная безопасность в полном соответствии с её определениями [71] обеспечивает защиту только от потенциальной угрозы ядерной аварии.

Рис. 3.5. Состав понятия «ядерная и радиационная безопасность АС»

В свою очередь, выработанные выше представления позволяют также сформировать классификацию причин ядерной аварии, представленную на рис. 3.6. Это те причины, которые способны разрушить свойство объекта быть безопасным и, в конечном счете, могут привести к разрушению контура теплоносителя, охлаждающего ядерное топливо. Все исходные события аварий, которые происходили на реальных объектах, моделировались на крупномасштабных установках или программными средствами, условно разделяют на внешние и внутренние. К внешним – относят события, воздействующие на объект со стороны окружающей его среды, такие как землетрясения, ураганы, пожары, наводнения, падение самолёта и т.п.

Внутренние события зависят от свойств самого объекта и обусловлены происходящими на нём процессами, среди которых можно назвать: нейтронно-физические, теплогидравлические, химические, механические, электротехнические, электронные и т.п. К внутренним событиям следует отнести ошибки персонала, так называемый человеческий фактор. Так как в результате внутренних процессов могут происходить пожары и затопления, их иногда выделяют в группу общих исходных событий. Конечно, все перечисленные причины тесно связаны, как правило, они возникают со-

43

вместно. И каждая крупная авария – результат маловероятного сочетания разнородных событий.

Рис. 3.6. Классификация причин ядерной аварии

Данная классификация органично вытекает из практики эксплуатации, анализов нарушений и весьма удобна для иллюстрации причин немногих крупных ядерных аварий. Например, причиной аварии на Три-Майл-Айленд было сочетание теплогидравлических процессов и ошибок персонала, причина аварий в Чернобыле – приведение реактора в не регламентное состояние, обусловившее реактивностную (нейтронно-физическую) аварию. Причины аварии на Фукусиме – землетрясение, цунами и последовавшие за этим отказы электротехнического оборудования, результатом которых стала потеря источников охлаждения ядерного топлива, вызванная ошибочными действиями оперативного персонала. Подробнее об этом будем говорить в главе 7.

В основе обеспечения ядерной безопасности лежит важнейшее требование о необходимости глубоко эшелонированной защиты, которое формулируется в [18,19] практически идентично: «безо-

пасность объекта должна обеспечиваться за счет последовательной реализации концепции глубоко эшелонированной защиты,

44

основанной на применении системы физических барьеров на пути распространения в окружающую среду ионизирующего излучения, ядерных материалов, радиоактивных веществ, системы технических и организационных мер по защите физических барьеров и сохранению их эффективности, а также по защите работников (персонала), населения и окружающей среды».

Система физических барьеров для многообразия объектов ЯТЦ формулируется в общем виде [19]: «объекты ЯТЦ должны иметь систему физических барьеров, препятствующих распространению ионизирующего излучения, ядерных материалов и радиоактивных веществ в окружающую среду. Количество, назначение и надежность физических барьеров объекта ЯТЦ устанавливаются и обосновываются в проекте».

Далее приведём конкретное описание концепции глубокоэшелонированной защиты, как она сформулирована в [18] для АС: «Система физических барьеров блока АС включает топливную матрицу, оболочку твэла, границу контура теплоносителя реактора, герметичное ограждение реакторной установки и биологическую защиту».

Система технических и организационных мер должна образовывать пять элементов глубокоэшелонированной защиты и включать перечисленные ниже уровни.

«Уровень 1 (Условия размещения АС и предотвращение нарушений нормальной эксплуатации):

•оценка и выбор площадки, пригодной для размещения АС;

•установление санитарно-защитной зоны, а также зоны наблюдения вокруг АС, на которой осуществляется планирование защитных мероприятий;

•разработка проекта на основе консервативного подхода с развитым свойством внутренней самозащищенности реакторной установки;

•обеспечение требуемого качества систем (элементов) АС и выполняемых работ;

•эксплуатация АС в соответствии с нормативными документами, технологическими регламентами и инструкциями по эксплуатации;

45

•поддержание в исправном состоянии важных для безопасности систем и элементов путем своевременного определения дефектов, принятия профилактических мер, замены выработавшего ресурс оборудования и организации эффективно действующей системы документирования результатов работ и контроля;

•подбор и обеспечение необходимого уровня квалификации персонала АС для действий при нормальной эксплуатации и нарушениях нормальной эксплуатации, включая предаварийные ситуации и аварии, формирование культуры безопасности.

Уровень 2 (Предотвращение проектных аварий системами нормальной эксплуатации):

•выявление отклонений от нормальной работы и их устране-

ние;

•управление при эксплуатации с отклонениями.

Уровень 3 (Предотвращение запроектных аварий системами безопасности):

•предотвращение перерастания исходных событий в проектные аварии, а проектных аварий в запроектные аварии с применением систем безопасности;

•ослабление последствий аварий, которые не удалось предотвратить, путем локализации выделяющихся радиоактивных веществ.

Уровень 4 (Управление запроектными авариями):

•предотвращение развития запроектных аварий и ослабление их последствий;

•защита герметичного ограждения от разрушения при запроектных авариях и поддержание его работоспособности;

•возвращение АС в контролируемое состояние, при котором прекращается цепная реакция деления, обеспечивается постоянное охлаждение топлива и удержание радиоактивных веществ

вустановленных границах.

Уровень 5 (Противоаварийное планирование):

• подготовка и осуществление, при необходимости, планов противоаварийных мероприятий на площадке и за ее пределами».

46

Концепция глубокоэшелонированной защиты осуществляется на всех этапах деятельности, связанных с обеспечением безопасности АС, в части, которая затрагивается тем или иным видом деятельности. Приоритетной является стратегия предотвращения нарушений нормальной эксплуатации. Это следует из того, что количество мер по первому уровню практически равно количеству мер по всем остальным уровням.

Для объектов использования атомной энергии, отличающихся от атомной станции, физические барьеры, уровни глубокоэшелонированной защиты и образующие их технические и организационные меры могут быть несколько иными, но они должны реализовывать общий для атомной отрасли принцип многобарьерной

имногоуровневой защиты. В частности, после аварий на АЭС Фукусима встал вопрос о формировании уровней глубокоэшелонированной защиты для бассейнов выдержки и хранилищ ОЯТ.

Надо сказать, что именно воздействие этой катастрофы привело автора к необходимости ревизии содержания концепции глубокоэшелонированной защиты. Интересно сопоставить изложенную концепцию с концепцией защиты других опасных, например химических, производств. В литературе достаточно подробно описаны меры по предотвращению взрывов, пожаров, аварийных выбросов

идругих возможных аварий на химических производствах. Эти же меры используются в других отраслях промышленности и в теплоэнергетике, где опасные вещества содержатся в различных резервуарах, контейнерах, боксах и т.п.

На химических объектах в ряде случаев для повышения безопасности зачастую предусматриваются дополнительные барьеры в виде многослойных материалов, дублирования ограждающих конструкций, обваловывания и т.п. Вместе с тем в качестве технических и организационных мер осуществляются изменения технологии производства, состоящие в его зонировании, снижении объёмов реагентов, изменении последовательности обращения с ними, переходе, где это возможно, от непрерывных производств к дискретным с дозированием опасных веществ и т.п. Надо сказать, что в тепловой энергетике, где химическая энергия горения углеродосодержащего топлива используется для производства тепла и электроэнергии, также можно обнаружить как минимум два барьера

47

глубокоэшелонированной защиты в виде, например, оболочек труб, по которым течёт теплоноситель, и корпуса котла. Очевидно, что

концепция глубоко эшелонированной защиты ядерных объектов является естественным развитием и усложнением системы технических и организационных мер, применяющихся в неядерной промышленности, и увеличением количества защитных барьеров в конструкциях энергоблоков АС. На предпри-

ятиях ЯТЦ в ряде случаев количество таких барьеров не более, чем на химических производствах.

Рассмотрим последовательность барьеров глубокоэшелонированной защиты АС. По существу, барьером называют конструкцию, отделяющую разные предметы, среды, площади и т.п. Причём эта конструкция не обязательно непроницаемая или герметичная. Этими обоими качествами обладают только 2-й, 3-й и 4-й барьеры. Ядерное топливо для современных реакторов делается из твёрдых таблеток двуокиси урана-238, в кристаллической решётке которых содержатся молекулы расщепляющегося материала в виде двуокиси урана-235.

То есть в матрице ядерного топлива ничто не отделяет расщепляющийся материал от инертного, так что топливная матрица может называться барьером только с некоторым насилием над языком. Это отдалённо похоже на то, как в горной массе содержатся массивы угля. Разница в том, что ядерное топливо состоит из изотопов одного химического элемента, а горная масса, которая служит для получения органического топлива, – из разных химических веществ, одни из которых даже с большим основанием могут называться матрицей для угля. Большая часть продуктов деления и активации удерживается в топливной матрице, но легко летучие изотопы цезия и иода и газы (криптон, ксенон) диффундируют в газовый объём между топливом и оболочкой твэлов.

Второй барьер – оболочка твэлов, действительно, должна быть непроницаема и герметична. Она препятствует выходу продуктов деления, часть из которых газообразны. Поэтому давление внутри твэла достигает величин около 200 бар. Так как снаружи твэла при работе реактора давление того же порядка, оболочка твэла при эксплуатации частично разгружена. Однако при хранении ОЯТ внутреннее давление в твэле уменьшается только за счёт охлаждения и

48

остаётся существенно выше атмосферного. То есть всё время хранения ОЯТ существует градиент давления, способствующий нарушению герметичности.

С большим основанием топливная матрица может быть названа барьером применительно к одному из видов перспективного топлива, которое состоит из микросфер из обогащённого урана с графитовой оболочкой достаточно сложного состава. Эти микросферы соединены в цилиндрический твэл специальным компаундом, который, в свою очередь, может быть заключён в твёрдую оболочку. В этом случае графитовая оболочка действительно представляет барьер для ядерных материалов, а компаунд может быть назван ещё одним барьером с тем же основанием, с каким сегодня им называется топливная матрица. В таких твэлах летучие и газообразные продукты деления легко удерживаются внутри микросфер за счёт прочности оболочек с малым радиусом кривизны.

Так что концепция глубоко эшелонированной защиты в атомной энергетике представляется эволюционным развитием средств и методов защиты, отработанных в неядерной сфере. Причём в обеспечении себя энергией человечество за тысячелетия своего существования постепенно переходило от дров к нефти и газу, и теплотворная способность органического топлива возросла всего в 5–6 раз. При использовании ядерной энергии менее, чем за столетие, теплотворная способность ядерного топлива увеличилась на 5–6 порядков в зависимости от его состава, а методы защиты от ядерных аварий до настоящего времени сохраняются только несколько усовершенствованными сравнительно с теми, которые применялись для теплоэнергетических, химических и тому подобных производств.

Это стало понятным не сразу. Применение ядерных реакторов для производства электроэнергии стало результатом конверсии военных технологий подобно тому, как бомбардировщики приспосабливались для гражданской авиации, на танковых заводах выпускались трактора и вагоны, а ракеты-носители использовались для коммуникаций и связи. История учит, что конверсионные объекты по целому ряду показателей качества, удобства, экономичности уступают объектам, специализированным для гражданского назначения. В настоящее время мы находимся в том периоде разви-

49

тия ядерной энергетики, когда уже произошедшие тяжёлые аварии явно продемонстрировали недостаточность средств глубокоэшелонированной защиты для предупреждения аварий. Можно сказать так, что физики нашли новые источники энергии и физики же должны разработать физические средства защиты от аварий на ядерных объектах, а не довольствоваться теми, что применяются на химических и общепромышленных производствах. Это ещё один довод в пользу тех идей, которые будут развиты в главе 6.

Легко видеть, что глубоко эшелонированная защита направлена на противодействие техническим причинам аварий, перечисленным на рис. 3.6. Люди являются непременными участниками производства электроэнергии на АС, и их ошибочные действия могут также привести к аварии. Человеческий фактор играет важную роль в сценариях самых разных аварий, причём психофизиологические особенности поведения людей многообразны и непредсказуемы. Именно потому что мы не можем его ни устранить, ни нормировать, вводится понятие культуры ядерной безопасности как своеобразный барьер, канал, в котором должна протекать человеческая деятельность на ядерных объектах.

В главе 1 упомянута история возникновения этого словосочетания. По мнению ряда западных специалистов, первоначально возникновение этого термина в 1986 г. имело чисто политическое значение. Культура безопасности тесно связана с общей культурой страны, народа, обусловлена ею. А так как в годы противостояния политических систем на Западе внедрялась уверенность в преимуществах западной культуры над советской, то Чернобыльская авария подтверждала эту концепцию: авария произошла на советских реакторах, у нас подобное невозможно. МАГАТЭ охотно подхватило эту идею для предотвращения антиядерных выступлений и сохранения в общественном мнении Запада понимания о важности развития атомной энергетики.

Именно для анализа причин и последствий Чернобыльской аварии была создана международная группа INSAG, которая в первом же докладе ввела понятие культуры безопасности, низкий уровень которой в СССР был назван одной из основных причин аварии. И с нынешней точки зрения с этим следует согласиться. Закрытость, секретность, партийная дисциплина, тоталитарное мышление пре-

50