Надежность и безопасность АЭС - Повышение надежности оборудования и систем АЭС в процессе проектирования

Повышение надежности любого объекта - это сложная научно- техническая и экономическая проблема, предусматривающая использование всех современных достижений науки, техники и технологий.
Повышение надежности оборудования и систем ЯЭУ АЭС - это весьма актуальная проблема, связанная с возрастающими требованиями к безопасности АЭС, которая должна решаться на всех этапах жизненного цикла АЭС.
Надо помнить, что АЭС состоит из множества самых разнообразных по конструкции и принципу действия элементов, между которыми существует определенная взаимозависимость. В процессе работы в элементах могут возникать неисправности, повреждения, отказы, которые могут привести к авариям. Например, в реакторных установках АЭС аварии могут привести к разрушению активной зоны ЯР, к выделению радиоактивных веществ (РАВ) в окружающую среду и радиологическому воздействию на персонал, население. Поэтому оборудование и системы АЭС должны иметь высокий уровень надежности.
Только в этом случае может быть обеспечена необходимая безопасность АЭС.
Проблема повышения надежности ЯЭУ АЭС практически определяется из соображений экономической эффективности и радиационной безопасности на основе комплексного анализа эффективности, надежности и безопасности АЭС.
Следует отметить, что взаимосвязь понятий надежности и экономической эффективности, надежности и радиационной безопасности будет рассмотрена в последующих главах. При этом данная проблема заключается не просто в повышении надежности любыми средствами (например, за счет увеличения запасов (коэффициентов) прочности в конструкциях, низкой энергонапряженности элементов, применения высококачественных материалов и др.), так как беспредельное повышение надежности технически нерационально. Эта проблема в общем случае состоит в повышении требований к обеспечению всех свойств, составляющих надежность: безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости.
Кроме того, она предполагает установление необходимого уровня надежности и определение соответствующих количественных значений показателей надежности, то есть нормирование надежности. При этом уровни надежности обычно устанавливаются на основе статистических данных об отказах и расчетно-теоретических исследованиях. Чаще всего уровни надежности задают в виде вероятности безотказной работы в течение определенной наработки или интенсивности (потока) отказов элементов.
В общем случае методы повышения надежности оборудования и систем ЯЭУ АЭС можно разделить на три группы: конструктивные, схемные (структурные) и эксплуатационные. Конструктивные и схемные методы реализуются при проектировании, конструировании и изготовлении объектов, а также в процессе модернизации, а эксплуатационные - в период эксплуатации объекта.

Конструктивный метод повышения надежности

К конструктивному методу повышения надежности относятся, в первую очередь, создание и использование надежных элементов, составляющих данную систему или оборудование АЭС и имеющих малую величину интенсивности отказов для заданных условий эксплуатации. Иногда этот метод называют конструктивно-элементным, поскольку надежность элемента зависит в основном от его конструкции, способа (технологии) изготовления и условий эксплуатации.
Таким образом, основной идеей конструктивно-элементного метода повышения надежности ЯЭУ АЭС являются проектирование и создание высоконадежных конструкций элементов, составляющих оборудование и системы АЭС. Этот метод характеризуется повышением безотказности, долговечности и конструктивной ремонтопригодности, а следовательно, улучшением основных показателей надежности: уменьшением интенсивности отказов λ(е) и увеличением среднего времени и вероятности безотказной работы Т и P(t).
Данный метод закладывается при проектировании, конструировании, изготовлении и сборке элементов, оборудования и систем АЭС. Разработка и создание наиболее надежных элементов предусматривает следующие основные конструктивные мероприятия:

1. повышение безотказности элементов путем совершенствования конструкции, технологий изготовления, монтажа и оптимизации функционально-технологических условий работы (процессов);
2. применение высококачественных материалов, полностью отвечающих специфическим условиям эксплуатации, устойчивым к тепловым, радиационным, коррозийным воздействиям;
3. использование современных (оптимизационных) методов расчета (конструктивных, теплофизических, гидравлических и др.);
4. применение совершенных технологий при изготовлении элементов с использованием современных (оптимальных) методов контроля качества;
5. расчетно-теоретическое (или экспериментальное) обоснование и выбор оптимальных рабочих параметров и благоприятных режимов работы элементов. При этом оптимизация рабочих параметров и обеспечение благоприятных режимов работы (например, облегчение режимов) способствует повышению конструктивной надежности и практически означает, что в систему (оборудование) вводятся элементы, имеющие запасы по основным параметрам (мощности, производительности, температуре и т.п.);
6. обеспечение эксплуатационной технологичности конструкции: применение встроенных контрольных диагностических устройств, автоматизация контроля и индексация неисправностей, удобство или приспособленность для обслуживания и ремонта;
7. создание ремонтопригодной конструкции элементов (оборудования). Повышение требований к ремонтопригодности (в особенности к оборудованию, связанному с радиоактивным теплоносителем) не должно идти только за счет, повышения численности ремонтного персонала (в настоящее время численность ремонтного персонала на АЭС превышает численность оперативного эксплуатационного персонала), а необходимы новые конструктивные решения;
8. защита элементов и систем от вибраций и ударов;
9. разработка и создание типоразмерных рядов оборудования, использующих стандартные и унифицированные образцы, так как стандартизация и унификация элементов обеспечивают совершенствование и автоматизацию технологии производства и способствуют улучшению однородности, то есть надежности выпускаемой продукции;
10. осуществление блочно-узловых (легкосъемных) конструкций, связанное с унификацией элементов и деталей (применяется чаще всего в системах контроля, управления, защиты, безопасности и др.); при этом повышается надежность, снижается стоимость, упрощается изготовление.

Вышеназванные основные конструктивные и технологические мероприятия могут применяться в совокупности с учетом влияния каждого из них на надежность элементов, оборудования или систем.

Схемный метод повышения надежности

В сложных технических системах, к которым относятся энергоблоки АЭС, возможна и повышения надежности объектов только за счет конструктивных методов относительно ограничены. Поэтому для обеспечения необходимой надежности оборудования и систем АЭС широко используются схемные методы, которые объединяют мероприятия по повышению надежности, направленные на совершенствование конструктивных схем (систем) АЭС (оптимизация структуры, состава и компоновки).
Такой подход к повышению надежности АЭС называется также структурным.
В настоящее время можно выделить следующие направления совершенствования схемных методов повышения надежности:

1. применение наиболее простых схем и конструкций с минимально необходимым числом надежных элементов;
2. разработка схем, не допускающих или ограничивающих опасные последствия отказов их элементов;
3. применение структурного резервирования (избыточности) элементов и систем;
4. создание схем с широкими допусками изменения параметров сверх номинальных в процессе эксплуатации;
5. включение в состав схем дополнительных специальных систем (кроме обычных штатных, обеспечивающих нормальное функционирование) диагностирования состояния, контроля работоспособности элементов, а также защитных систем и устройств с временным и функциональным резервированием.

Создание возможно простых схем и конструкций с минимально необходимым числом элементов при условии полного обеспечения всех технологических процессов (работа схемы должна обеспечивать ее функциональное назначение) относится к числу важнейших и наиболее трудных вопросов при их проектировании. Чем проще схема и меньше в ней составных элементов, тем она надежнее. Однако создать простую схему, выполняющую все возложенные на нее функции, значительно труднее, чем создать для этой цели более сложную систему.
Второе направление схемных методов повышения надежности состоит в создании конструктивных схем и систем, не допускающих, по возможности, отказов или с ограниченными последствиями отказов.
Так, например, при падении давления масла в системе смазки турбогенераторов необходимо предусмотреть останов турбин, чтобы не произошли расплавление подшипников турбины и выход из строя всего энергоблока. Или при резком повышении реактивности реактора (мощности) необходимо предусматривать сброс аварийной защиты, чтобы не возникла тяжелая ядерная авария.
Третьим направлением схемных методов повышения надежности является применение структурного резервирования (избыточности) элементов и систем. Это один из наиболее эффективных и широко применяемых на АЭС методов повышения надежности любых объектов. Он связан с применением дополнительных средств (элементов и систем) и возможностей в целях поддержания (сохранения) работоспособного состояния системы при возникновении отказов ее элементов.
При резервировании в конструкции объекта заранее предусматривается применение резервных (избыточных) элементов, устройств и систем. Это позволяет в процессе работы заменять отказавший элемент (систему) резервным и таким образом обеспечивать нормальное функционирование объекта.
Применение резервных (дополнительных) элементов или каналов в структуре схемы позволяет, как показывают статистические данные, значительно повысить надежность ее. Так, для элементов с вероятностью отказа в пределах q = 10-1...10-2 введение дополнительного (резервного) элемента повышает надежность системы примерно на один-два порядка.
Однако применение структурного резервирования связано с увеличением массы и габаритов схемы. Кроме структурного резервирования предусматривается также параметрическое, временное и функциональное резервирование.
Параметрическое резервирование предусматривает проектирование и создание элементов (устройств, механизмов) с резервированием по параметрам: по мощности, по производительности, по подаче и т.д. Параметрическое резервирование позволяет обеспечивать нормальное функционирование объекта при возникновении частичных отказов, которые приводят лишь к снижению номинальных характеристик объекта.
Временное резервирование обычно применяется в специальных системах (например, в СБ) за счет инерционности процессов в ЯЭУ АЭС, связанных с наличием (принципом) внутренней безопасности. При этом свойство внутренней безопасности ЯЭУ обеспечивает более медленный характер достижения предельных (экстремальных) значений параметров в аварийных ситуациях при отказе СБ и создает резерв времени для дублирования управляющих систем действиями персонала. Так, например, наличие временного резервирования позволяет обеспечить дублирование управляющих систем действиями персонала дистанционно или с местного поста по включению систем безопасности, а также восстановление отказавших систем.
Временное резервирование позволяет также допускать ограниченные по времени задержки с включением в работу (задержки с запуском) или перерывы в функционировании специальных систем (например, система аварийного расхолаживания реакторной установки АСТ-500), что обеспечивает (резервирует) необходимую надежность или безопасность в течение некоторого времени при возникновении нарушений (отказов).
Реализация временного резервирования управляющей системы подтверждается, например, аккумулирующей способностью реакторной установки АСТ-500, обеспечивающей поддержание остановленного реактора в безопасном состоянии в течение часа.
Расчетные исследования показывают, что временное резервирование позволяет при правильных действиях персонала существенно повысить надежность важных для обеспечения безопасности систем.
Функциональное резервирование характеризуется способностью отдельных элементов и систем выполнять кроме своих основных (штатных) функций еще ряд дополнительных, связанных с обеспечением надежности и безопасности. В качестве примеров функционального резервирования можно назвать предохранительные клапаны на втором контуре ЯЭУ с ВВЭР, которые выполняют роль защиты от превышения давления второго контура (основная функция), а также способны отводить тепло от реактора в аварийном режиме в течение определенного времени (дополнительная функция).
Следует отметить, что в схемах ЯЭУ АЭС широко применяется принцип разделения (или дробления) основных элементов и систем на несколько (например, парогенераторы, главный циркуляционный контур) с меньшей производительностью, подачей, мощностью и т.п. На номинальном (расчетном) режиме все элементы работают как основные, обеспечивая функционирование схемы. При работе на режимах частичной мощности отдельные элементы становятся резервными.
В табл. 19 дана классификация способов (принципов) соединения элементов и методов резервирования оборудования и систем АЭС.

Таблица 19

Продолжение табл. 19

Окончание табл. 19