Отказы в работе ядерной реакторной установки

Приводятся причины и последствия возникновения отказов ядерной реакторной установки на АЭС. Виды отказов реактора и его составляющих элементов.

В отличие от тепловых электростанций, где генератором теплоты является паровой котел с огневым подогревом, на АЭС теплоту генерирует ядерная реакторная установка (ЯРУ), включающая в себя ядерный реактор с системой управления, контур циркуляции теплоносителя, который отводит выделяющуюся в активной зоне реактора теплоту, и специальные системы, обеспечивающие радиационно безопасную эксплуатацию ЯРУ. К последним относится система аварийной защиты реактора, системы безопасности (система аварийного охлаждения активной зоны и системы локализации последствий аварий), система спецочистки отрадиоактивных продуктов теплоносителя контура циркуляции реактора.

Различают полные и частичные отказы ЯРУ:

Полный отказ – это полная потеря работоспособности ЯРУ, когда ее располагаемая мощность становится ниже минимального уровня, при котором еще допустима передача энергии потребителю, либо параметр радиационной обстановки превышает допустимое значение.

Частичным отказом ЯРУ называется такое нарушение ее работоспособности, при котором располагаемая мощность становится меньше требуемой, но выше минимального уровня. Такое состояние ЯРУ также называется состоянием частичной работоспособности в отличие от полностью работоспособного состояния.

Следует заметить, что для ЯРУ, находящейся в состоянии отказа по условиям безопасности технически способной обеспечить располагаемую мощность, в исключительных случаях (невозможность оставить потребителя без энергии) компетентными органами может быть принято решение о кратковременном продолжении работы на минимально допустимом уровне мощности.

Как показывает опыт эксплуатации, основным составляющим элементом ЯРУ, изменение надежности которого приводит к изменению параметра радиационной безопасностив условиях нормальной эксплуатации, является активная зона реактора, а точнее, совокупность входящих в нее тепловыделяющих сборок (ТВС) и составляющих их тепловыделяющих элементов – ТВЭЛов. В процессе работы ТВЭЛов у части из них может разгерметизироваться наружная защитная оболочка, предотвращающая выход в теплоноситель контура циркуляции реактора продуктов деления.

Частичные отказы ЯРУ обычно не приводят к радиационноопасным последствиям и поэтому не требуют срабатывания систем безопасности.

В отличие от частичных полные отказы ЯРУ имеют более широкий спектр причин и могут приводить к значительно более тяжелым последствиям.

К основным типам причин, вызывающих полные отказы ЯРУ, относятся:

- разгерметизация ТВЭЛов в количестве и степени, превышающих критический уровень;

- разгерметизация трубопроводов первого контура ЯРУ;

- ложные срабатывания аварийной защиты реактора;

- ошибки персонала (оперативного и ремонтного);

Подавляющая часть этих причин может привести к авариям с радиационно опасными последствиями. Наиболее тяжелая по экономическому, социальному и экологическому ущербу авария может произойти в результате такого полного отказа, при котором происходит разрушение трех основных последовательных барьеров безопасности ЯРУ:

1) герметичных оболочек ТВЭЛов;

2) герметичного циркуляционного контура реактора;

3) герметичных помещений и защитной оболочки.

Такая авария с выходом радиоактивных продуктов за пределы АЭС может реализоваться только при наложении нескольких отказов, в том числе оборудования систем нормальной эксплуатации, систем безопасности и ошибок персонала. При проектировании ЯРУ, изготовлении и в условиях их эксплуатации должны быть предприняты все необходимые меры, исключающие подобные аварии.

Отказы по общей причине – это совместные отказы нескольких элементов одной или разных систем ЯРУ, возникающие в результате общего исходного события или ошибки в процессе создания и эксплуатации систем. Общим может быть как внешнее событие, связанное с землетрясением, наводнением, бурей, падением самолета и т. п., так и внутреннее событие, связанное, например, с пожаром в помещениях ЯРУ, разрывом крупного сосуда высокого давления, при котором существенно повреждается рядом расположенное либо связанное с ним оборудование (т. е. когда имеет место цепочка зависимых отказов). Основные отказы по общей причине могут происходить и вследствие сочетания нарушений внешних условий работы отказов, управляющих и обеспечивающих систем, общности конструкции, технологии изготовления, материалов, способов технического обслуживания, проверок, ремонтов и т. д.

Мероприятия по исключению ошибок персонала: организационные и технические. Первые должны быть направлены на повышение квалификации персонала, соблюдение им технологической дисциплины, на постоянное приобретение навыков, в том числе с использованием специальных тренажеров для оперативного персонала. Вторые должны быть ориентированы на разработку специальных технических решений и устройств, улучшающих психофизические и эргономические условия работы персонала на ЯРУ, снижающих вероятность его ошибок, а также исключающих возможность технической реализации неправильных действий персонала (за счет создания специальных блокировок, защит).

Резкая аварийная остановка блока АЭС приводит к ряду нежелательных последствий, не только связанных с недовыработкой энергии, но, что принципиально, связанных с явлениями, постепенно сокращающими срок службы ЯРУ и снижающими ее безопасность. Так, при аварийном отключении турбин энергоблока с реактором РБМК. возможны подъем давления в контуре теплоносителя, подрыв предохранительных клапанов и вследствие этого потеря теплоносителя из контура с выбросом радиоактивных веществ в атмосферу. При всех аварийных остановках, даже тех, которые не приводят к срабатыва нию предохранительных клапанов, возникают термические напряжения в оборудовании.

Быстрое снижение мощности ЯРУ с реакторами ВВЭР даже в пределах 10–50% номинального уровня оказывают циклические температурные воздействия на парогенераторы. Механизм этого воздействия можно показать на примере часто встречающейся частичной разгрузки ЯРУ из-за кратковременного самопроизвольного отключения одного из главных циркуляционных насосов (ГЦН). В этот момент в результате возникающей разницы давлений теплоносителя между данной циркуляционной петлей и петлями, где ГЦН продолжают работать, в ней устанавливается режим обратной циркуляции. При этом горячий коллектор парогенератора данной петли подвергается резкому охлаждению на 25–30°С, что приводит к малоцикловой усталости корпусов парогенераторов и их внутрикорпусных устройств. Эта проблема существует и для корпусов реакторов ВВЭР, которые при быстрых изменениях мощности подвержены водородному охрупчиванию, ведущему к трещинообразованию.

Если аварийная остановка происходит при малом запасе реактивности реактора, то возможно попадание ЯРУ в так называемую «йодную яму», при которой последующий пуск реактора может быть осуществлен не сразу, а лишь по истечении определенного времени, необходимого для радиоактивного распада, накопившегося в топливе изотопа ксенона-135.

Отказы ТВЭЛов ядерного реактора чаще всего бывают двух типов: 1) прогорание, расплавление; 2) локальная разгерметизация оболочки ТВЭЛа.

Прогорания и расплавления ТВЭЛов возникают главным образом по двум причинам. Во-первых, из-за нарушения охлаждения твэлов – снижения расхода теплоносителя через тепловыделяющую сборку, что может быть вызвано засорением сборки, недопустимым сокращением ее сечения из-за отложений, накипи и т. д. Во-вторых, такие отказы возможны из-за возникновения явления кризиса теплоотдачи при кипении в тепловыделяющей сборке (который сопровождается резким скачком температуры оболочки ТВЭЛов) в условиях недостаточности соответствующего запаса до кризиса в данном канале, закладываемого на этапе проектирования реактора. Они возможны также из-за недостаточности запасов по Другим определяющим теплотехническую надежность параметрам активной зоны (например, по температурам плавления оболочки и топлива).

Отказы корпусного оборудования, внутрикорпускных устройств и трубопроводов первого контура типа трещин недопустимого размера или разгерметизации (течи) возникают, как правило, на сварных швах и разъемах из-за комплексного влияния группы факторов в той или иной комбинации. Основными из них являются:

1) пропущенные на этапах выходного и входного контроля изделий дефекты сварных швов или уплотнений разъемов;

2) локальные пульсации давления из-за возникновения локальных крупномасштабных вихрей теплоносителя в силу недостаточной культуры выполнения гидравлического тракта (резкие повороты, неудачно ориентированные перегородки и т. д.);

3) термоциклические нагрузки;

4) циклические механические нагрузки из-за резких сбросов давления;

5) нарушения химического состава воды;

6) коррозия;

7) вибрация, возбуждаемая гидродинамическим воздействием теплоносителя.

Основными факторами, влияющими на надежность корпусов реакторов, являются дефекты изготовления, циклические нагрузки, химия воды, нейтронное облучение.