А.Н.Румянцев, д.т.н., зам. директора по научной работе НТК "Электроника" НИЦ "Курчатовский институт" На недавно состоявшемся Саммите по ядерной безопасности Президент России Д.А.Медведев заявил ”… считаю, что наша ядерная энергетика, безусловно, самая передовая в мире, почему мы её активно предлагаем нашим партнёрам”. Годом раньше глава Росатома С.В. Кириенко, обсуждая очередную ФЦП с 2016 г., заявил, что “…в ней надо ставить задачу не просто устранения рисков аварий с учетом накопленных проблем, а полную ликвидацию.” Очевидно, что Президент не сам пришел к ”безусловному” выводу, что наша ядерная энергетика “самая передовая”. Так же как глава Росатома не сам решил поставить задачу “полной ликвидации” рисков от ядерной энергетики.
Эти формулировки принадлежат специалистам в ядерной энергетике, имеющим возможность доводить свои выводы и рекомендации до государственных лиц, принимающих решения.
Изложенное далее предлагается вниманию именно таких специалистов. На чем базируется их уверенность в том, что российская атомная энергетика самая передовая и риски от ядерной энергетики могут быть устранены? На знаниях, или вере, или на чем-то ином?
Атомная энергетика является одной из немногих областей человеческой деятельности, в которой прогнозирование последствий принимаемых проектных, конструкторских и технологических решений, а также последствий действий обслуживающего персонала, возможно лишь средствами математического моделирования физического эксперимента. Прямые физические “эксперименты” типа аварий на АЭС в Три-Майл-Айленд (1979), в Чернобыле (1986), на Фукусиме (2011) с оцененным ущербом свыше 800 млрд. долл. США вновь и вновь подтверждают ограниченность наших знаний о природе возникновения и протекания тяжелых аварий, и несовершенство применяемых методов математического моделирования результатов таких физических “экспериментов”.
В сложных человеко-машинных системах аварии неизбежны. Самолеты и ракеты падают, плотины ГЭС разрушаются, активные зоны реакторов либо плавятся, либо взлетают вследствие неуправляемых разгонов. Так было, так есть, так будет.
Что делать? Видимо, единственный ответ на этот вопрос – снижать вероятности (частоты) таких событий и связанные с ними риски нанесения ущерба населению и окружающей среде.
Как это сделать? Видимо, единственный ответ на этот вопрос – создавать и применять такие математические модели, которые могут явно учитывать как ограниченность наших знаний о природе возникновения и протекания тяжелых аварий, так и несовершенство применяемых методов математического моделирования физических экспериментов. Другими словами, пора в этой инженерной области перейти от ”физической математики” к ”математической физике”, т.е к математике, в которой явно учитывается физический характер наблюдаемых и измеряемых объектов (времени, массы, давления, температуры, нейтронных сечений, ошибок персонала, и т.п.) и неизбежные погрешности измерений параметров этих объектов. К такой математике, которая позволит дополнить и даже заменить физический эксперимент.
Совершенствование методов математического моделирования физических процессов в объектах ядерной энергетики позволяет уменьшить погрешности самих моделей и, в некоем будущем, посчитать эти погрешности устраненными. Однако погрешности измерений параметров этих объектов, используемых в качестве исходных данных в математических моделях, были и остаются неустранимыми.
Вывод из вышеизложенного прост: любые математические модели, призванные заменить или дополнить физический эксперимент, обязаны анализировать погрешности исходных данных и включать в результаты моделирования оцененные дисперсии (погрешности) этих результатов.
Если оценка дисперсии отсутствует, то количество новой информации, привносимой такой математической моделью, равно нулю. Это доказал еще Норберт Винер [1]. Это популярно разъяснил еще Леон Бриллюэн [2]. К этому выводу пришел еще первый глава Минатома В.Н.Михайлов, заявив: “…Оказалось, что небольшая неточность в теории приводила к большой погрешности в конечном результате атомного взрыва…” [3, стр. 15] и добавив, что “сколь бы не была точна теория, а вернее математическая модель, реалии всегда отличаются и всегда существует неопределенность за счет диагностики и теоретической модели на любом уровне эксперимента” [там же, стр. 38].
Простейшим примером неполноценности существующих подходов к анализу безопасности объектов атомной энергетики является пример Макса Борна, приведенный в книге Л. Бриллюэна ([4], стр. 142-144), показывающий значение анализа ошибок в исходной информации даже для строго детерминированных задач классической механики, по сути, “точных” математических моделей:
“Рассмотрим шар с массой M, движущийся в направлении X между двумя жесткими стенками, находящимися на расстоянии X=±L. Движение кажется совершенно детерминированным, но мы хотим учесть неизбежные ошибки при измерении начальных условий: когда мы бросаем шар, мы знаем начальную точку X=0 только с погрешностью dX и можем определить начальный импульс P с погрешностью dP. Эта простая проблема рассматривалась М. Борном. Он подчеркивал, что по истечении некоторого времени Т положение шара нам известно с погрешностью (dX+(T/M) dP)), причем эта погрешность вскоре может превысить расстояние 2L между стенками. В дальнейшем мы можно только сказать, что шар находится где-то между этими стенками – вывод, который едва ли можно назвать “детерминизмом”.
Этому суждению уже более 50 лет. Оно имеет прямое отношение к моделированию ненаблюдаемых процессов возникновения и развития аварий с потерей контроля со стороны персонала АЭС, происходящих, например, при нарушении отвода тепла от активной зоны. Пока самый свежий пример – авария на АЭС Фукусима в 2011 г. Ее проектная безопасность не подвергалась сомнениям. При ее проектировании знали о возможных цунами. Должны были бы знать о цунами 1923 г. с оцененной высотой волны в диапазоне 17-25 метров. Должны были бы поставить АЭС подальше от берега. Или принять решение о размещении всех АЭС Японии на ее западных берегах. Однако вновь сработало ”инженерное” решение, в основе которого лежат принципы ”авось” и сиюминутной ”экономии”. Так что ответ на вопрос ”что будет, если…” применительно к оценке безопасности объектов ядерной энергетики пока один и тот же: “поживем - увидим”.
Как обстоят дела с прогнозированием безопасности объектов ядерной энергетики в России сегодня? Впереди ли мы всей планеты? Ответ прост – почти также, как и 20-25 лет назад. Тогда на “гребне” после-Чернобыльской озабоченности “вспомнили” о ВАБ, бросились совершенствовать расчетные коды, оснащать АЭС дополнительной измерительной и диагностической аппаратурой, совершенствовать существовавшие и создавать новые системы обеспечения безопасности. Появились тренажеры для обучения персонала. Появились проекты после-Чернобыльских АЭС с реакторами ВВЭР и РБМК.
Тогда же появилось понимание важности анализа неопределенностей в прогнозных оценках безопасности. Это послужило основой создания приближенного аналитического метода анализа неопределенностей, впервые примененного в 1989-90 г.г. для ВАБ после-чернобыльских АЭС с реакторами ВВЭР-1000 [4, 5, 6]. Была доказана эффективность перехода с 3-х на 4-х канальную структуру систем безопасности и установки пассивных систем отвода тепла из 2-го контура с учетом неизбежных неопределенностей новых конструкторско-технологических решений. Но уже тогда выяснилось, что основа ВАБ – данные по частотам отказов оборудования АЭС в СССР, - практически отсутствует. Данные по отказам пришлось брать из базы данных МАГАТЭ, обобщившей доступные к тому времени мировые данные. К этому можно добавить, что в России до сих пор, 20 лет спустя, все еще существует проблема “создания достоверных, основанных на опыте эксплуатации действующих АЭС и данных разработчиков оборудования, баз данных по показателям надежности оборудования и элементов, важных для безопасности” [7, стр. 330]. За время, прошедшее с момента этой публикации, ситуация лишь ухудшилась. Судя по доступной информации, АЭС в России оснащаются оборудованием, качество которого едва ли соответствует требуемым показателям надежности. ВАБ российских АЭС уже не основывается на “достоверных, основанных на опыте” данных. Скоротечность стресс-тестов, которыми увлеклись после аварии на АЭС Фукусима, новой информации практически не принесла. “Все хорошо, прелестная маркиза…”.
ВАБ лишь часть дела. Что изменилось с тех пор в обоснованиях безопасности объектов ядерной энергетики путем моделирования возможных ”проектных” и “запроектных” аварий? По сути, ничего. Как показал анализ доступной информации, даже наиболее совершенные коды ”улучшенной оценки” стационарных и динамических процессов в объектах ядерной энергетики (реакторы, хранилища ОЯТ и т.п.) не обладают сколь-нибудь обоснованными возможностями анализа дисперсий результатов моделирования процессов, важных для безопасности. Эти коды способны прогнозировать ”положение шара в желобе” не более как ”возможно, шар еще где-то желобе”. Первопричина такого положения дел проста: действующие нормативные документы пока этого не требуют.
Лишь относительно недавно (март 2012 г.) НТЦ ЯРБ Ростехнадзора провел семинар “Научно – технические вопросы безопасности и регулирующая деятельность” на тему “Что надо менять в ОПБ АС 88/97”. На нем обсуждались вопросы обязательности анализа неопределенностей в обоснованиях безопасности объектов ядерной энергетики, включая ВАБ. Остается надеяться, что совершенствование нормативной базы вынудит изменить сложившуюся “инженерную” практику обоснования безопасности. И чем скорее, тем лучше.
Приведенное выше высказывание В.Н.Михайлова о значимости “небольшой неточности в теории“ относится к тому периоду времени, когда эти неточности могли быть выявлены и устранены в сотнях взрывных экспериментов. Экспериментальная база для обоснования безопасности ядерной энергетики пока ограничена тремя наиболее значимыми ”экспериментами”. В связи с запретом на проведение испытаний ядерного оружия, обоснование эффективности новейших поколений такого оружия могут быть выполнены только математическим моделированием. При этом анализ погрешностей в таком моделировании едва ли имеет практическое значение. Вряд ли кого будут волновать несовпадения данных расчетов с реальностью при применении новейших поколений такого оружия. Просто не останется наблюдателей. Но для ядерной энергетики это не так. Действующие и сооружаемые АЭС со сроками эксплуатации 50-70 лет вполне могут пережить их создателей. С кого потомки будут спрашивать о недомыслии?
Так что уверенность специалистов, сообщающих свои оценки лицам, принимающим решения, в том, что российская атомная энергетика самая “передовая” и риски от ядерной энергетики могут быть “устранены”, основаны не более чем на вере, если не делаются с другим умыслом.
Список литературы.
1. Винер Н. Кибернетика или управление и связь в животном и машине. -М: Советское радио, 1968. (Norbert Wiener. Cybernetics or Control and Communication in the Animal and the Machine. Second Edition. – New York-London, 1961). - 326 p
2. Бриллюэн Л. Научная неопределенность и информация. – М., Из-во МИР, 1966 (Brillouin L. Scientific Uncertainty and Information. – Academic Press, New York and London, 1964). – 272 с.
3. В.Н.Михайлов. Я – ”Ястреб”. – Москва, Крон-Пресс, 1993.
4. Сравнительный вероятностный анализ проектной безопасности атомных станций с реакторами ВВЭР-1000. Проекты В320 и ВВЭР-92. – Отчет ИАЭ им.И.В.Курчатова, инв. 28.06-11/57, 1989.
5. Румянцев А.Н., Остроумов Ю.А. Метод квантильных оценок неопределенностей в анализе частот, процессов развития и последствий редких и маловероятных событий аварий. – М. Отчет РНЦ ”Курчатовский институт” инв. No. 210.06-04/1 от 29.10.1993 (воспроизведен в препринте под тем же названием No. ИАЭ-6295/15, Москва, 2003. - 64 с.)
6. Румянцев А.Н. Метод квантильных оценок неопределенностей. Атомная энергия, 2007, т. 102, вып. 4, с.208-215.
7. В.А.Острейковский, Ю.В.Швыряев. Безопасность атомных станций. Вероятностный анализ. – Москва, ФИЗМАТЛИТ, 2008, 349 с.