Оценка надежности барьеров экологической безопасности хранилищ с высокорадиоактивными источниками с помощью риск-ориентированных методов

Под объектами с высокорадиоактивными источниками излучений в данной работе подразумеваются ядерные энергоустановки (ЯЭУ); включая бассейн перегрузки ядерного топлива, хранилища высокоактивных отходов (ВАО); а защитными барьерами их безопасности – оболочки тепловыделяющих элементов, корпус реактора, система гермооболочки (контаймент) ЯЭУ, конструкции хранилищ ВАО и др.

Последние события, связанные с тяжелой аварией на АЭС Фукусима (Япония), определили целый ряд актуальных вопросов перед мировыми ядерными державами. Одним из них является переоценка безопасности АЭС при внешних и внутренних экстремальных событий (ВВЭС – землетрясения, затопления, ураганы, катастрофические динамические воздействия и т.п.).

В разработанных ГП НАЭК «Энергоатом» согласованных с регулирующим органом Отчетах по анализу безопасности (ОАБ) энергоблоков АЭС Украины с ВВЭР вопросы безопасности АЭС при ВВЭС изучены недостаточно по следующим основным причинам:

1). Основное внимание в ОАБ и при разработке инструкций/руководств по управлению запроектными авариями (РУЗА) уделяется наиболее доминантным для безопасности проектов ВВЭР группам исходных аварийных событий (ИСА) с течами теплоносителя (в т.ч. межконтурные течи).

2). Отсутствует до настоящего времени расчетно-методическое и экспериментальное обеспечение инструкций/руководств по управлению тяжелыми авариями (РУТА), в т.ч. при ИСА с ВВЭС. Более того, используемые в ОАБ подходы исключают из рассмотрения относительно маловероятные события и аварийные последовательности запроектных аварий (см., например, [1]), которые фактически имели место на АЭС Фукусима.

3). В качестве основного внешнего экстремального события (как наиболее вероятного для АЭС Украины) определены сейсмические воздействия. При этом, оборудование систем важных для безопасности (СВБ) по проекту ВВЭР квалифицировано на проектное землетрясение (ПЗ) в 5 баллов по шкале MSK (вероятность возникновения 1 раз в 100 лет)      и на максимальное расчетное землетрясение (МРЗ) – 6 баллов по шкале MSK (вероятность возникновения 1 раз в 10 тыс. лет). Последние исследования по сейсмичности площадок АЭС Украины показали (в частности, для Запорожской АЭС), что вероятность МРЗ составляет 10-31/(реактор.год), а вероятность землетрясения в 7 баллов – 1 раз в 5000 лет (см, например, [2]).

4). В методических обеспечениях ОАБ АЭС Украины вероятность отказа/разрушения защитных барьеров безопасности (оболочки тепловыделяющих элементов, корпуса реактора, гермооболочки реакторной установки) определяются на основе детерминистского анализа достижения критических значений соответствующих температур и давлений. При этом, фактически не учитывается вероятность разрушения/нарушения герметичности защитных барьеров безопасности (ЗББ) по причине остаточной дефетктности материалов, вызванная качеством изготовления и условиями эксплуатации.

Таким образом, необходимо дальнейшее развитие и совершенствование риск-ориентированных методов анализа надежности и безопасности ЗББ как для вероятностных оценок ИСА, так и для оценок вероятности разрушения защитных барьеров безопасности.

Основные положения. Перспективным направлением совершенствования вероятностных оценок разрушения ЗББ являются применение риск-ориентированных подходов, основанных на вероятностных методах теории надежности по остаточной дефектности (см., например,[3]).

Основные положения этого подхода заключаются в следующем:
1). В процессе изготовления и эксплуатации под действием внешних воздействий и различных механизмов деградации в материале возникают и развиваются дефекты.

В зависимости от размера несплошности (дефекты) можно разделить на три группы: субмикроскопические (сравнимые с размерами атомов), микроскопические (сравнимые с размерами зерен в металле) и макроскопические (сравнимые с размерами элементов конструкций).

В общем случае число дефектов в концентрации N уменьшается с увеличением характерного размера дефектов a [3]:

N = A a-n                                                                                  (1)

где А, n – коэффициенты, зависящие от свойств материала, технологии и качества изготовления и технического обслуживания.

2). С позиции механики разрушения комплексной характеристикой сопротивления усталости металлов и сплавов является кинетическая диаграмма усталостного разрушения (рис. 1).

На диаграмме можно выделить три участка, каждый из которых характеризуется своими феноменологическими и физическими закономерностям развития трещин:

I – стадия припорогового роста усталостной трещины (РУТ) (0 < da/dN < 5·10-5 мм/цикл);
II – стадия стабильного РУТ (5·10-5 < da/dN < 10-3);
III – стадия ускоренного (нестабильного) РУТ (da/dN >10-3 мм/цикл).


Рис. 1. Кинетическая диаграмма усталостного разрушения

Основными характеристиками циклической трещиностойкости материалов, вытекающими из рассматриваемой диаграммы, явля­ются следующие:   пороговое значение коэффициента интенсивности напряжений Kth, ниже которого усталостная трещина не распространяется и критическое значение коэффициента интенсивности напряжений Kfc, при котором происходит усталостное разрушение.

Критические внутренние напряжения Кfc и эксплуатационные внешние нагрузки σ связаны с соответствующими размерами дефектов (трещин) акр известным соотношением [3]:

акр = ()2 n1 ,                                                                                (2)
где n1 – коэффициент, зависящий от формы трещины и ее расположения в конструкции.

3). В рамках рассматриваемого риск-ориентированного подхода основным показателем риска является условная вероятность хрупкого разрушения Рp конструкции при достижении условий aакр (критерий риска).

В общем случае вероятность разрушения в момент времени t определяется решением:
Рр =   Ра(а>aкр)ddKfcd,                               (3)

где  ρkf и ρδ – функции плотности вероятностей соответственно критических коэффициентов напряжений и эксплуатационного напряжения, Ра- интегральная функция вероятностей существования трещин (дефектов) размером не менее а.

Функция ρkf и ρδ могут быть описаны уравнениями нормального распределения закона Гаусса. При стремлении к нулю дисперсии нормальное распределение соответствует  -функции. Так, в случае пренебрежения разбросам Кfc и σ или принятии консервативно осредненных значений, уравнения (3) имеет вид:

Рр() = Ра(аакр) = ,                                                 (4)

где N0 – число дефектов размером аmin (соответствующих Кth); N1 – число дефектов размером акр (соответствующих Кfc); N2 – число дефектов с максимально возможными дефектами аmax (соответствующие Кmax).

На рис. 2 графически изо­бражена схема решения уравнения (3). На схеме показаны вероятности существования в конструкции дефектов а ≥ [a], т.е. вероятность ремонта при использовании норм дефектности при эксплуатации, и вероятность а ≥ [a]изг, т.е. вероятность ремонта при использовании норм дефектности при изготовлении.


Рис. 2. Вероятность существования дефектов различных размеров

При необходимости учета двух размеров несплошности можно использовать соответствующую функцию Ра,с(а, с) (рис. 3).
С учетом (1), (4) при сосредоточенных нагрузках упрощенная оценка условной вероятности разрушения конструкции в момент t имеет вид:
Рр(t) = ,                                                           (5)
где аmin=;     amax= - максимально допустимое напряжение в конструкции; σ – удельные эксплуатационные нагрузки.
Тогда, с учетом (2) вероятностные оценки (5) имеют вид:
Рр(t) = ,                                                                           (6)

где параметры П1 = ; П2 =   - определяются конструкционно-техническими характеристиками конструкции, качеством и условиями изготовления, эксплуатации, контроля, технического обслуживания и ремонта, а также суммарным воздействием эксплуатационных нагрузок  (в т.ч. при нормальных условиях эксплуатации, нарушениях и аварийных режимах).

Соотношения для оценки параметров, входящих в (6), определяются в зависимости от рассматриваемой системы и постановки задач, а также области применимости расчетных соотношений.

Рассмотренный риск-ориентированный метод позволяет развивать альтернативный подход оценки вероятностных показателей безопасности  энергоблоков АЭС. В частности, нормируемый вероятностный показатель частоты предельного аварийного выброса (ЧПАВ) можно определить как совокупность произведений частоты возникновения исходных аварийный событий и вероятностей разрушения ЗББ.


Рис. 3. Результаты расчета вероятности разрушения хранилища ВАО при землетрясениях

В отличии от традиционной методологии вероятностного анализа безопасности (ВАБ) такой подход более корректно и обоснованно учитывает:

– возможность разрушения ЗББ до достижения условий предельных детерминистских параметров в процессе аварии (температур оболочек тепловыделяющих элементов и корпуса реактора, давления в гермообъеме и других);

– предысторию влияния (до момента аварии) на надежность ЗББ различных эксплуатационных режимов (в нормальных условиях, при нарушении нормальных условий эксплуатации и в аварийных ситуациях.

Список литературы
1. Основы управления запроектными авариями на АЭС с ВВЭР// Скалозубов В.И., Ключников А.А.,

Колыханов В.Н. – НАН Украины, Ин-т проблем безопасности АЭС. – Чернобыль. –2010. – 400с.
2. Научно-технические основы мероприятий повышения безопасности АЭС с ВВЭР//Скалозубов В.И., Ключников А.А., Комаров Ю.А., Шавлаков А.В.-НАН Украины, Ин-т проблем безопасности АЭС. –Чернобыль. –2010. – 200с.
3. Оптимизация плановых ремонтов энергоблоков АЭС с ВВЭР//Скалозубов В.И., Коврижкин Ю.Л.,

Колыханов В.Н., Кочнева В.Ю. – НАН Украины, Ин-т проблем безопасности АЭС. – Чернобыль.–2008г. – 496с.
4. Экспертный анализ состояния безопасности// Отчет №35/05. – Одесский филиал ГНТЦ ЯРБ/ОГМСК. –
Одесса. – 2005 г.
5. ПНАЭ Г-7-002-86. Нормы расчета на прочность.

УДК 621.039
Скалозубов В.И. Оценка надежности барьеров экологической безопасности хранилищ с высокорадиоактивными источниками с помощью риск-ориентированных методов [Електронний ресурс]  / [Скалозубов В.И., Скалозубов К.В., Ващенко В.Н. и др.] // Збірник наукових статей “ІІІ-го Всеукраїнського з’їзду екологів з міжнародною участю”. – Вінниця, 2011. – Том.1. – С.88–90. Режим доступу: http://eco.com.ua/

Скачати в форматі pdf:

Оцінка: 
0
No votes yet