Для обеспечения нормальной жизнедеятельности людей помимо положительных социально-политических условий необходимо иметь в первую очередь высокоразвитую экономику и чистую экологию. Однако без соответствующей энергетики невозможно поддержание и развитие экономики и обеспечение нормальной (безопасной) экологии. В настоящее время в Украине энергетика и экология находятся в относительно тяжелом состоянии. Кризис в экономике и энергетике приобрел наибольшую остроту в связи с распадом в 1991 году СССР, потерей экономических взаимосвязей Украины с другими регионами и разъединением единой энергосистемы Советского Союза.
Структура, состояние и возможности энергетики Украины характеризуются такими данными: по основным фондам и располагаемой мощности тепловые электростанции (ТЭС) составляют 75 %, а АЭС - около 25 %. Однако АЭС вырабатывают примерно 45 % всей электроэнергии Украины.
Сравнительный анализ ТЭС и АЭС показывает, что по основным характеристикам (технико-экономическим, стоимостным, экологическим и т.д.) углеводородная (органическая) энергетика существенно уступает ядерной. Примерно 50 % ТЭС уже выработали свой срок службы (граничный ресурс), а остальные 50 % - значительно более половины (до 75 %).
Кроме того, запасы органического топлива в Украине ограничены: разведанных запасов нефти и газа очень мало, а разработка угля связана с глубоким его залеганием, узкими пластами, изношенным шахтным оборудованием и большими затратами на добычу и перевозки его по железным дорогам. Поэтому стоимость вырабатываемой на ТЭС электроэнергии на 15...20 % дороже по сравнению с электроэнергией АЭС.
При этом Украина имеет значительные запасы урановой руды с развитой производственной структурой по разработке ее. При сжигании угля на ТЭС расходуется кислород, а в атмосферу выбрасываются значительные количества оксидов и диоксидов углерода, азота и серы, и могут образовываться кислотные дожди, негативно воздействующие на окружающую среду. В выбрасываемой саже и золе в районе ТЭС находится в сотни раз больше тяжелых радиоактивных нуклидов (U238, Pu239, Th232, Cs1’7, Sr129, Rd222), чем в районе АЭС.
В настоящее время в Украине имеется 13 действующих энергоблоков (ЭБ) АЭС с ВВЭР и их граничный ресурс еще не выработан (считая проектный срок службы 30 лет, а в перспективе - до 40...50 лет), а также достраиваются 4-й блок на РАЭС и 2-й блок на ХАЭС.
На АЭС проектный срок перегрузки ядерного топлива соответствует трехгодичному циклу (21 000 ч). Количество однократно загружаемого топлива, например в ВВЭР-1000, составляет около 80 тонн (UO2), а делящегося U235 - более трех тонн).
Ядерная энергетика (АЭС) позволяет снять угрозу органической топливной недостаточности в Украине и гарантировать развитие энергетики в требуемых объемах. Однако, несмотря на существенные преимущества ядерной энергетики, АЭС являются источником потенциального риска для людей и окружающей среды.
Риск этот связан с ядерно-топливным технологическим циклом производства электроэнергии на АЭС, который несет в себе ряд трудно решаемых противоречий. Это, с одной стороны, реализация новейших научно-технических достижений в ядерной энергетике, а с другой - вероятность возникновения опасности облучения персонала АЭС, населения и радиоактивного загрязнения окружающей среды при ядерных и радиоактивных авариях.
Примером аварий, связанных с выбросом РАВ и ионизирующими излучениями, являются известные аварии: в 1957 году на спец, предприятии в СССР (Южный Урал); в 1979 году на АЭС "ΤΜΙ" в США; в 1986 году на ЧАЭС в Украине (СССР).
Трагические последствия этих аварий выдвинули на первый план основную проблему АЭС - обеспечение надежности и безопасности АЭС. Эта противоречивая проблема характеризуется, с одной стороны, объективной необходимостью применения ядерной электроэнергетики для обеспечения жизнедеятельности людей, а с другой, - возможностью возникновения ядерных катаклизмов (авария на ЧАЭС), несущих тяжелые последствия для людей и окружающей среды.
Последнее объясняется следующим образом. Как известно, АЭС представляет собой сложную теплоэнергетическую (и человеко- машинную) систему. Эта система состоит из множества (десятков тысяч) различных по конструкции, принципу действий, назначению и выполняемым функциям механизмов, устройств, аппаратов, систем, арматуры приборов и т.п. Все эти элементы взаимосвязаны и взаимодействуют между собой в едином теплоэнергетическом и ядерно-физическом комплексе, обеспечивая производство тепловой и электрической энергии.
Характерным признаком такой системы является не только большое число составляющих элементов, но также значительное число различных ее состояний, а также воздействие высоких градиентов температур, давлений, знакопеременных динамических нагрузок, ионизирующих излучений на материалы.
В таких системах могут возникать различные комбинации случайных событий: нарушений, неисправностей, повреждений, отказов элементов в работе, ошибок персонала. Если конструкция АЭС и элементы не обладают необходимыми качествами - надежностью и устойчивостью к этим воздействиям, а квалификация и подготовка персонала недостаточны и не обеспечивают надежную и безопасную эксплуатацию АЭС, то это может привести к различным аварийным ситуациям, в том числе к ядерным и радиационным авариям.
Кроме того, при использовании ядерной энергии проблема надежности, безопасности и потенциального риска от АЭС может проявляться и обостряться из-за ряда ядерно-физических особенностей, присущих процессу деления ядер тяжелых элементов на АЭС. Они могут при определенных условиях способствовать возникновению ядерных аварий.
К этим особенностям относятся:
- мощные радиоактивные излучения в процессе самоподдерживающейся цепной реакции деления (альфа, бета, гамма и нейтронов) в активной зоне реактора;
- накопление радиоактивных веществ (РАВ) в активной зоне, то есть радиоактивных продуктов деления ядер U235, представляющих собой смесь различных радиоактивных элементов;
- образование радиоактивных (твердых, жидких и газообразных) отходов (РАО), которые могут быть выброшены за пределы физических (защитных) барьеров при ядерных авариях;
- высокое и неравномерное по объему аз реактора удельное энерговыделение (например, в ВВЭР более 100000 кВт/м3), и теоретически нет предела увеличению удельного энерговыделения, что объясняется физической сущностью процесса получения ядерной энергии;
- наличие остаточного тепловыделения в остановленном реакторе за счет радиоактивного распада накопившихся продуктов деления, что требует длительного охлаждения активной зоны;
- неполное "сжигание" ядерного топлива, которое после отработки и выгрузки из активной зоны перед отправкой на переработку длительное время (3-5 лет) выдерживается в специальных бассейнах на АЭС;
- сложность и опасность технического обслуживания и ремонта радиоактивного оборудования и систем АЭС;
- сложность и опасность вывода из действия и снятия с эксплуатации АЭС, что связано с разборкой, дезактивацией, демонтажем, захоронением и хранением радиоактивного оборудования и РАО, включая высокофоновые долгоживущие трансурановые элементы (Pu242, Am243, Cm242, Νρ237).
Рассмотренные особенности подтверждают, что АЭС имеют потенциальную ядерную опасность, которая создает определенную степень риска возникновения аварий. Таким образом, для АЭС первейшей задачей является не только достижение высокой экономической эффективности, но и обеспечение требуемой надежности и безопасности. И только при наличии высоконадежного оборудования, высококвалифицированного и хорошо подготовленного персонала АЭС можно решать проблемы безопасности, нейтрализовывать ядерно-физические особенности с точки зрения безопасности и выполнять свои функции генерирования электроэнергии.
Однако, несмотря на наличие ядерной и радиационной опасности на АЭС, в настоящее время нет альтернативы ядерной энергетике для производства электрической энергии в требуемых количествах. Следует отметить, что современное развитие науки, техники и технологий позволяют создавать новые надежные и безопасные энергоблоки для АЭС и модернизировать действующие, повышая их уровень безопасности в соответствии с современными требованиями. Но также необходимо учитывать влияние человеческого фактора на безопасность АЭС, обеспечивая существенное повышение научно-технической и практической подготовки персонала и правильную организацию обслуживания и управления АЭС в нормальных и аварийных условиях.
Учет человеческого фактора предусматривает для персонала развитие высокой культуры безопасности на АЭС. При этом персонал должен иметь осознанное мышление о важности и высшей приоритетности проблемы обеспечения безопасности АЭС и понимание, что это необходимое и обязательное условие для практического использования ядерной энергии на АЭС; персонал должен руководствоваться этим принципом в своей практической деятельности.
Последствия ненадежной работы как оборудования АЭС, так и персонала, могут приводить к тяжелым ядерным авариям. Поэтому выявление и количественная оценка надежности оборудования и систем АЭС, опасных по ядерной аварии, знание принципов и особенностей обеспечения безопасности являются актуальной задачей при подготовке специалистов для АЭС.
Книга написана как учебное пособие и основной целью ее являются ознакомление с современной "философией" безопасности АЭС; формирование высококвалифицированных эксплуатационных кадров, являющихся наиболее важным компонентом в стратегии глубоко-эшелонированной защиты, обеспечивающей высокую надежность, экономическую эффективность и экологическую безопасность АЭС и, главное, защиту населения от радиоактивных веществ и ионизирующих излучений; развитие осознанного научного мышления, понимания необходимости бескомпромиссного обеспечения надежной и безопасной эксплуатации АЭС.
Объем и содержание пособия полностью соответствуют программе дисциплины "Надежность и безопасность АЭС", читаемой для студентов СНИЯЭиП по специальности 7.090502 "Атомная энергетика". Ввиду ограниченного объема пособия ряд вопросов изложен схематично, а некоторые вообще не рассматриваются, так как в настоящее время имеется ряд книг по надежности и безопасности АЭС [1, 12, 15], в которых они рассматриваются подробно и которые могут быть использованы для дополнительного изучения этих вопросов. Однако эти книги не отвечают структуре и программе вышеназванной дисциплины, а число подобных учебных изданий весьма ограничено и не обеспечивает потребности института.
В процессе написания пособия авторы использовали материалы известных работ - в разделе "Надежность" [1-11], а в разделе "Безопасность" [12 - 20] - и различные действующие нормативные и технические документы, о чем имеются соответствующие ссылки.
Авторы благодарны доктору технических наук А. К. Сухову, сделавшему ряд важных замечаний по содержанию рукописи.
