Безопасность в кубе

Как ученые работают над дальнейшим повышением надежности работы АЭС

ВНИИАЭС занимается научным сопровождением работ по усовершенствованию действующих блоков и улучшению проектов новых. О том, что делает институт для улучшения энергоблоков с ВВЭР, «Вестнику атомпрома» рассказал главный эксперт института Александр Михальчук, который всю жизнь, работая на атомных станциях, а затем во ВНИИАЭС, занимается вопросами надежной эксплуатации.

Моделирование процессов в виртуальной среде

Во ВНИИАЭС получило развитие моделирование с помощью цифровых решений. Мы создали полноценный цифровой двойник атомной станции — виртуально-цифровую АЭС с ВВЭР (ВЦ АЭС). Расчеты для него выполняет суперЭВМ. В ВЦ АЭС хорошо видно, как на работе блока отражаются изменения расходов воды и пара, так можно проверить нормальные и аварийные режимы эксплуатации, управление с помощью АСУ ТП. В нашу ВЦ АЭС заложены всевозможные защиты, блокировки, уставки, характеристики органов регулирования активной зоны. Можно провести аналогию с тренажером для самолета, где моделируются все атмосферные воздействия на подкрылки, закрылки и прочие системы. ВЦ АЭС используют проектанты, чтобы посмотреть, насколько удачен их проект, и эксплуатирующие организации, которые хотят проверить, насколько эффективен тот или иной режим.

В частности, была задача от концерна «Росэнергоатом» проверить для Нововоронежской АЭС эффективность процедур и инструкций в руководстве по управлению запроектными авариями. Такие руководства существуют для всех блоков, в них обозначены критерии безопасности, при нарушении которых операторам предлагается принимать те или иные управляющие действия, чтобы авария не становилась более тяжелой. Критерии и методы руководства по управлению авариями рекомендованы МАГАТЭ, в настоящее время концерн решил их проверить расчетным путем, и эта работа продолжается.

Кроме того, наша ВЦ АЭС применяется для отладки тренажеров, которые мы делаем для действующих и строящихся за рубежом АЭС. С разработкой ВЦ АЭС эта задача упростилась. Проще стало доказать, что модель отображает реальные процессы, и потому тренажер качественный. Также наша модель помогает аттестовывать в Ростехнадзоре тренажеры для аварийных режимов.

Пусконаладочные работы

Еще одно важное направление работ, которым занимается ВНИИАЭС, — это пусконаладка блоков АЭС при их вводе в эксплуатацию. Наши специалисты сопровождают пуски, составляют программы пусконаладочных работ — на мощности, на минимально контролируемом уровне мощности реактора, пишут методики проведения испытаний. Например, по отключению основного оборудования — когда отключают главный циркуляционный насос или питательные насосы первого и второго контуров и проверяют, в какой мере наблюдаемые параметры соответствуют обоснованиям, заложенным в проекте.

Испытания для разных станций отличаются, потому что проекты и оборудование разные. Например, на шестом и седьмом блоках Нововоронежской АЭС с ВВЭР-1200 система пассивного отвода тепла отличается от блоков с такими реакторами на Ленинградской АЭС. На Нововоронежской АЭС реализовано пассивное воздушное охлаждение, охладители подняты на крышу блока. А на Ленинградской АЭС — водяное, для отвода тепла установлены специальные баки. На НВАЭС и ЛАЭС отличаются насосы охлаждения активной зоны. На НВАЭС они эжекторные, а на ЛАЭС — типичные насосы с крыльчаткой. Поэтому и испытания отличаются. Но даже если проекты системы одинаковые, оборудование в них, а значит, и характеристики, могут чуть-чуть отличаться (из-за возможных отличий в изготовлении различными поставщиками оборудования). Чтобы гарантировать, что все системы реагируют должным образом при ручном или автоматическом управлении, нужно проводить испытания, это предусмотрено нормами и правилами по безопасности эксплуатации АЭС. В этой работе кроме нас участвуют Курчатовский институт, «Атомтехэнерго», ОКБ «Гидропресс».

Недостаток больших блоков с ВВЭР — перенасыщение активными системами безопасности, зависящими от электричества, сжатого воздуха, воды. На ВВЭР-1200 есть 30 систем формирования сигналов аварийной защиты, и все это в двух и более комплектах. Это просто огромное количество всевозможных средств контроля и автоматики. Поэтому идет тенденция перехода к малым АЭС со значительным сокращением систем безопасности и защит, такие уже разрабатываются и у нас, и на Западе.

Водородный код

Большой объем работ мы выполняем по обоснованию и анализу обоснования водородной безопасности. В прошлом году мы аттестовали программу STAR-CCM. Это расчетные коды класса CFD (методов вычислительной гидродинамики, Computational Fluid Dynamics. — Прим. ред.), они позволяют нам рассчитывать поведение парогазовой среды в герметичном объеме (ГО) при запроектных авариях. Расчетный код изначально американский, но мы его аттестовали для целей математического моделирования аварийных процессов в ГО, и это заняло года четыре. Особенность нашего кода в том, что мы ведем расчеты по 4 млн расчетных ячеек, а раньше их считали всего по 60–100 расчетных объемов. Что это значит: объем гермооболочки делится на 60 «кубиков» или на 4 млн. И по каждому «кубику» идет расчет: как перемешиваются газы, как меняется атмосфера. Очевидно, что чем меньше ячейка, тем результат точнее. Внутренний объем герметичной оболочки составляет 65 тыс. м³. Если разделить его на 60, получается, грубо, «кубик» со стороной 10 м. А если на 4 млн — то 25 см.

В настоящее время мы усовершенствуем действующие руководства по управлению запроектными авариями. Для действующих блоков ЛАЭС заново рассчитываем расстановку рекомбинаторов. Также наши коды позволяют считать кризис теплообмена в активной зоне на оболочках твэлов. Мы сделали экспертизу проекта БН-1200, обратили внимание проектировщиков на водородную безопасность, теперь этому уделяют больше внимания.

Кроме того, мы занимаемся дополнительным анализом аварийных расчетов, которые были выполнены ранее для АЭС, но уже с большей расчетной точностью. Наши коды позволяют получать более точные данные (где-то это может нас успокоить, а где-то наоборот, дать знать, что надо что-то улучшить). Например, мы с помощью наших кодов рассчитывали аварийные процессы с распространением водорода в ГО на одном из блоков Калининской АЭС. И оказалось, что важно не только количество пассивных рекомбинаторов водорода в помещениях ГО, но и наличие или отсутствие перегородок. Для водородной безопасности нужно, чтобы водород не концентрировался в одном месте, а быстро распределялся по всему объему. Тогда меньше опасность взрыва и горения, как это случилось на АЭС «Фукусима». И если точно посчитать, то, во-первых, можно правильно расставлять рекомбинаторы, а во-вторых, потребуется убрать лишние перегородки.

Еще один интересный момент обнаружился: казалось бы, разрыв большого трубопровода диаметром 850 мм — это очень плохо. Но водорода при таком разрыве выделится в два-три раза меньше по сравнению с тем, если бы разорвался трубопровод диаметром, скажем, 40 мм. Водород образуется в результате пароциркониевой реакции, и, чтобы она шла, надо, чтобы потеря теплоносителя происходила медленно. А на большом трубопроводе через 15 минут в реакторе уже воды не будет. Но и водорода тоже выделится максимум 500 кг. При малых же течах, если ничего не делать, образуется до 1,5 тонн водорода. А 1 тонна водорода — это 30 тонн тротила. Для понимания — полвагона.

Мы ведем системную работу по водородной безопасности после аварии на АЭС «Фукусима», до нее водородной безопасностью в мире почти не занимались. До этого, конечно, ставили рекомбинаторы водорода, системы контроля водорода в герметичной оболочке, делали первые расчеты для проектных аварий. Но многое было неизвестно. Теперь разрабатываем перечень запроектных аварий, совершенствуем инструкции с помощью выполненных расчетов, благо, инструмент есть. Правда, расчеты сложные, их скорость зависит от наличия суперкомпьютера. Пока мы арендуем мощности в Саровском ядерном центре, но планируется поставка более мощной ЭВМ.

При оценке водородной безопасности мы учитываем радиолиз воды: под воздействием радиации вода в первом контуре и в бассейне выдержки может разлагаться. Поэтому российская наука занялась изучением поведения водорода, и ВНИИАЭС здесь на передней линии. Мы определяем, что испытывать, что исследовать.

Есть еще способ улучшить водородную безопасность — форточки в боксах для оборудования внутри гермооболочки. Стены в боксах защищают ГО от летящих элементов оборудования, если произойдет авария. А форточки позволят водороду выйти в основной объем гермооболочки. Сделать их несложно: есть плазменная резка и другие прогрессивные и современные методы реконструкции. Это, например, просто дырки в потолке, метр на метр, их надо штуки четыре. Герметичность оболочки не нарушится, ведь основная гермооболочка останется целой.

Американцы, кстати, вообще поступили проще: они стали устанавливать платиновые пластины — катализаторы, и, когда датчики фиксируют определенную концентрацию водорода, они подают искру и сжигают водород на этих рекомбинаторах. Наши правила тоже допускают поджиг, но не взрыв. А водорода в одном месте может быть меньше, в другом больше, пламя может дотянуться до большого объема, и все взорвется. Поэтому в России была принята проектная стратегия не допускать горения. А для этого надо, чтобы водород нигде не скапливался и хорошо перемешивался.

Контроль металлов

Также мы предлагаем перейти на восьми- или десятилетние циклы контроля металла энергетического оборудования. Практика контроля металла раз в год перешла в атомную энергетику из тепловой. Почему у них так, понятно: зимой нужно отапливать, и энергии требуется много, а летом можно не отапливать и половину мощностей вывести в ремонт, это удобно. В атомной энергетике ежегодный ремонт тоже был удобен, пока действовали 12-месячные топливные циклы: перегрузка топлива происходила одновременно с ремонтом. Но затем стали переходить на более экономичный 18-месячный топливный цикл, в рамках которого топливо работает в активной зоне не 3 года, как раньше, а уже 4,5 года, а контроль металла остался ежегодным. На Западе же давно многие перешли на восьми- или десятилетний цикл контроля металла. Это значит, что все «железо» контролируется с определенной периодичностью. Все оборудование делится на четыре группы: в один год проверяется одно, в другой — другое, через восемь-десять лет все проверили, пошли на следующий круг. Чем длиннее цикл, тем меньше надо проверять за один ремонт, тем быстрее его проводишь. Если раньше на той же Балаковской АЭС длительность ремонта составляла 65 суток, то теперь — не больше 45 суток. На восьмилетнем цикле этот срок сократился бы еще больше, вырос бы КИУМ.

Мы начали продвигать идею длинных циклов контроля металла, когда стали участвовать в проектировании ВВЭР-ТОИ. Нас привлекли в проект, чтобы выявлять слабые места, которые мы видим благодаря богатому опыту эксплуатации. Сначала идею не одобрили, но в конце концов с ней согласились и нам отдали часть работы по второму контуру, а «Гидропрессу» — по первому. Эта задача наконец-то решается.

Участие в проектировании

Благодаря нашим знаниям в химии, в частности в водно-химическом регулировании, наши специалисты участвуют в расчетах для ВВЭР со спектральным регулированием. Они, например, анализируют объем жидких радиоактивных отходов для реакторов ВВЭР-С. Предполагается, что ЖРО там будут образовываться вдвое меньше, чем на ныне действующих, поскольку борное регулирование будет применяться только на этапах пуска и останова, а в процессе регулирования в течение всей кампании борного регулирования не будет.

У нас работают хорошие экономисты, которые оценивают целесообразность того или иного решения по бетону или комплектации оборудованием. ВВЭР-С, конечно, будет гораздо более прогрессивным реактором по сравнению с классическим ВВЭР.