О нумерации поколений ядерных реакторов
Дата: 31/01/2017
Тема: Безопасность и чрезвычайные ситуации


Б.Г.Гордон, профессор

В статье /1/ было высказано очевидное соображение, что в каждой сфере человеческой деятельности постепенно устанавливаются общепринятые понятия, признанные принципы, всем известные авторитеты. Устанавливаются ненадолго, по мере накопления нового опыта, но в период действия их нарушение или неприятие воспринимается, как посягательство на основы и категорически пресекается.



Отзывы и комментарии на эту статью были решительны и разнообразны, что явно свидетельствовало о попадании в болевую точку  дискуссии специалистов о перспективах атомной энергетики. Именно они побудили автора попытаться конкретизировать свои представления  о её будущем развитии.

К общепринятым понятиям относится деление однородных объектов техносферы на поколения – естественный и простейший способ их классификации. Такое подразделение может проводиться разными способами, по разным признакам и с разными целями. При этом последовательность поколений обычно вытекает из исторического развития технологии создания объектов.

Хорошо известным примером служит классификация компьютеров /2/. К нулевому поколению относят электромеханические вычислители. К первому – компьютеры на электронных лампах. Ко второму – на транзисторах, к третьему – на интегральных схемах, к четвёртому – на «больших» интегральных схемах. В настоящее время характеристики  пятого поколения являются  предметом дискуссий. Это естественно, так как эти характеристики – предмет не научных исследований, а договорённости компьютерщиков разных специальностей, знаний и стран. И чем ближе к сегодняшнему времени, тем труднее достичь согласия.  Но деление на первые четыре поколения вполне устоялось, так как существуют простые технологические отличия компьютеров разных типов, марок и происхождения между собой.

Долгое время производство компьютеров развивалось под покровом строгой секретности для военных целей. В 1940-е – 1970-е годы СССР добился  впечатляющих успехов в этой области, создав оригинальные конструкции, не уступавшие американским образцам. К сожалению, по разным причинам в нашей стране не смогли осуществить конверсию отечественных компьютеров и приспособить их для гражданского назначения. Поэтому в России поныне повсеместно используются конверсионные компьютеры зарубежного производства.

В атомной энергетике ситуация иная. Хотя практически все эксплуатируемые атомные станции (АС) состоят из энергоблоков с конверсионными реакторами, выросшими из военных прототипов, Россия сохранила статус одной из ведущих стран, развивающих ядерные реакторы собственных конструкций и разных типов (ВВЭР, РБМК, БН). В своё время, даже опережая другие страны, СССР успешно осуществил конверсию военных реакторов, которые, тем не менее, до сих пор несут на себе печать своего происхождения.

Исторически сложилось и общепризнано в мире деление ядерных реакторов на три поколения, и в настоящее время активно обсуждаются условия отнесения  их к четвёртому поколению. Данная статья написана для участия в этом обсуждении.

В отличие от классификации компьютеров, где ключевым признаком классификации являются их технические характеристики, реакторные установки (РУ) подразделяются в зависимости от их основного свойства – ядерная и радиационная безопасность. То есть, деление ядерных реакторов на поколения в отечественной практике  принято связывать с принципиальными изменениями в концепциях безопасности, положенных в основу проектов АС.

В оригинальной работе /3/ прослеживаются изменения концепции ядерной и радиационной безопасности советских (российских) АС, вызванные как накоплением собственного опыта сооружения и эксплуатации военных и гражданских реакторов, так и анализом произошедших  тяжёлых аварий. Эта концепция содержалась в Общих положениях обеспечения безопасности (ОПБ), современная редакция которых представлена в /4/. Разумеется, этот подход также есть предмет договорённости специалистов, но такое согласие обосновано практикой.

Хотя крупные аварии на АС происходили сравнительно редко и в разных странах, но они заметно воздействовали на развитие всей мировой энергетики. Тому есть несколько причин, главные из которых – страх перед атомной бомбой и глобальное воздействие последствий ядерных аварий  на человечество. Каждая из произошедших аварий приводила к изменению понимания безопасности АС мировым сообществом, отражавшемуся в концепциях безопасности АС. В таблице 1 приведены некоторые характеристики наиболее тяжёлых аварий.

Однако такое понимание не было синхронным, прежде всего, оно изменялось в стране, где произошла авария, тогда как другие страны стремились отстроиться, откреститься от случившегося. Жизненный опыт свидетельствует об ограниченности человеческих способностей к обучению: обычные люди учатся, преимущественно, на своих ошибках, и целые страны мало чему учат чужие аварии. Эту сентенцию подтверждает содержание таблицы 2. Здесь во втором столбце приведены широко распространённые мнения  учёных, общественности и СМИ в нашей стране при зарубежных авариях и за рубежом – после Чернобыля. И следом описаны основные послеаварийные мероприятия, проведённые в нашей стране.

Таблица 1. Краткая характеристика тяжёлых аварий на АС

Tаблица 2. Анализ произошедших аварий на АС

В 60-х годах ответственность за развитие атомной энергетики СССР была передана от Министерства среднего машиностроения (МСМ), которое сооружало первые коммерческие АС, Министерству энергетики и электрификации.  Накопленный в МСМ опыт нуждался в обобщении и вербализации для понимания, анализа и распространения среди возрастающего контингента специалистов, вовлекавшихся в мирную атомную энергетику. Его следовало сопоставить с зарубежным для создания отечественной нормативной базы. В /3/ убедительно показано, что разработка первой открытой редакции /4/, названной ОПБ-73, осуществлялась, прежде всего, на базе собственного опыта сооружения и эксплуатации атомных и других электрических станций. Но наряду с ним учитывалось содержание документов американского регулирующего органа (NRC) и международной организации МАГАТЭ. Так, в СССР произошло первое деление поколений: АС, построенные до вступления в силу ОПБ-73, отнесли к первому поколению, а последующие – ко второму.

Авария на Три-Майл-Айленд не особенно повлияла на советскую концепцию безопасности в следующей редакции (ОПБ-82), хотя стимулировала целый пласт научных исследований тех процессов, которые наглядно проявились: аварии с малой течью, аварийный залив активной зоны, процессы в разнообразных системах безопасности и т.п. На совершенствование представлений о безопасности в СССР в этот период большее влияние оказало сооружение АЭС «Ловииза» по советскому проекту и обоснование его перед регулирующим органом Финляндии. Это время удачно совпало с взрывным ростом компьютерной техники в мире, что обусловило системное развитие и у нас в стране детерминистских и вероятностных методов расчёта.

Зато авария в Чернобыле стала первой катастрофой огромного масштаба в атомной энергетике. Именно она  продемонстрировала своё глобальное воздействие на всю планету и оказала сильное влияние на понимание проблем безопасности во всех странах. После неё концепция безопасности советских АС существенно изменилась в ОПБ-88, хотя разные зарубежные специалисты много сделали для того, чтобы отстраниться от советских АС, превознести собственные успехи в реакторостроении и приписать причины аварии на ЧАЭС особенностям конструкции РБМК и недостаткам культуры безопасности советских атомщиков.  Последний термин был специально придуман для этих целей. Его обсуждению посвящён отдельный раздел в /1/.

Так что все проекты АС, выполнявшиеся после Чернобыля и в соответствии с ОПБ-88, стали относить к третьему поколению. Впоследствии,  после вступления в силу закона /5/ появилась редакция ОПБ-88/97, в которой содержались косметические изменения предыдущего текста.

Маятник неприятия чужих аварий качнулся настолько, что после аварий на Фукусиме уже некоторые из российских специалистов публично заявляли о том, что аварии произошли вследствие недостатков конструкции BWR и как раз из-за не учёта японцами уроков Чернобыля. И из этого делалось заключение о ненужности пересмотра «базовых принципов безопасности», хотя впервые в истории на АС Фукусима последовательно произошли три ядерные аварии, разрушившие четыре энергоблока.

Разумеется, как это часто бывает, многое зависит от содержания терминов, в частности, от того, что вкладывается в закавыченноё словосочетание. Концепция безопасности АС после Фукусимы всё же была усовершенствована в том разделе /4/, который назван «Основные критерии и принципы обеспечения безопасности». Тем не менее, оснований для провозглашения перехода к следующему поколению эти изменения не дали.

В литературе последних лет часто можно найти упоминания о поколениях 3+, а то и 3 ++, которые связываются с требованием исключения эвакуации населения при любых, самых тяжёлых авариях. Для этого в современных проектах АС предусмотрен целый ряд инноваций: модульное исполнение важнейших элементов РУ, высокий уровень стандартизации, способность выдержать падение тяжёлого самолёта, наличие разных пассивных систем безопасности, которых не было  в проектах предыдущих десятилетий, например, так называемых «ловушек» расплава, разнообразных систем аварийного охлаждения реактора, устройств охлаждения корпуса реактора и т.п.

Именно потому, что классификация поколений – предмет договора, возникают разные предложения по его пересмотру. Тут многое зависит от вкуса и резвости претензий. Одни относят реакторы, спроектированные для АСТ в 1980-х годах, к четвёртому поколению. Другие считают так называемый «электрояд» (сочетание ядерного реактора с ускорителем) уже пятым поколением. В рамках подхода, предложенного в /3/, такие новации представляются преждевременными.

Хотя и этот подход нельзя признать всеобщим и общепринятым. Среди сравнительно недавних  зарубежных работ встречаются такие, которые связывают деление на поколения с хронологическими периодами развития мировой, а не только атомной энергетики. Так, например, в /6/ к первому поколению отнесены реакторы, спроектированные до 1973 года – наступление глобального нефтяного кризиса. Совпадение по времени с ОПБ-73 представляется совершенно случайным.

Вообще говоря, не так много стран самостоятельно развивали свои  собственные типы ядерных реакторов, и в разных странах может быть установлена своя классификация их поколений. Разделение между первыми двумя поколениями в западных странах вряд ли можно признать синхронным. Великобритания и Канада развивали собственные типы реакторов по национальным программам. Франция, Япония, ФРГ и ряд других стран вначале сооружали АС по американским проектам. Ко второму поколению в них можно отнести те АС, которые уже были адаптированы к национальным энергетическим системам.

 Но следует помнить, что исходные концепции безопасности американских (западных) и советских реакторов сильно разнились. В США с самого начала сооружали защитные оболочки, локализующие последствия тяжёлых аварий. На одних типах реакторов требовались оболочки, способные выдержать полное давление после разрыва главного циркуляционного трубопровода. На других – допускались оболочки пониженного давления с разными системами безопасности. 

У нас же на энергоблоках первого поколения размер аварийной течи из контура охлаждения реактора считался ограниченным условным диаметром 32 мм. И герметичное ограждение оборудования реакторной установки рассчитывалось на давление, возможное при таких условиях. После ОПБ-73 стали рассматривать так называемые максимальные проектные аварии с разуплотнением трубопроводов больших диаметров.

Водораздел между вторыми и третьими поколениями уже, практически, всеми отечественными и зарубежными специалистами связывается с чернобыльской аварией /7/. Она, действительно, оказала существенное влияние на понимание безопасности и совершенствование её концепций разными странами. Так что 1986 год – общепринятая веха, от которой начинается отсчёт развития требований по безопасности энергоблоков третьего поколения. МАГАТЭ вполне может обобщить, сформировать и зафиксировать разделение между первыми тремя поколениями: сейчас это уже не более, чем феномен истории, так же как деление компьютеров на первые поколения.

А вот определение четвёртого поколения РУ – актуальная задача, способная воздействовать на будущее атомной энергетики. Для её решения, по нашему мнению, целесообразно сохранить использование идеологии /3/: к четвёртому поколению правомочно отнести только те типы ядерных реакторов, чья концепция безопасности будет существенно отлична от действующих.

Но концепция безопасности не появляется подобно Афине от головных упражнений.  Как и любое нормативное правило, она должна вытекать из опыта обеспечения, обоснования и регулирования безопасности при использовании атомной энергии, применяя терминологию закона /5/. Собственно, предложения по возможному развитию вариантов концепции безопасности и являются целью данной статьи. По нашему мнению, впервые такой опыт был обобщён в /8/, где предложена концепция безопасности реактора с «естественной» безопасностью.

Закавыченный термин не нашёл понимания и поддержки в широких кругах атомного сообщества, но смысл его представляется точно тем же, который содержится в понятии «внутренняя самозащищенность РУсвойство обеспечивать безопасность на основе естественных обратных связей, процессов и характеристик» /4/. На Западе его переводят, как inherent safety. Именно после Чернобыльской аварии независимо друг от друга ряд передовых российских учёных задумался о создании такого реактора, у которого ядерные аварии были бы исключены за счёт его собственных, присущих именно ему свойств самозащищённости /8 -10/.

В книге /11/ весь этот опыт был проанализирован, и было показано, что опыт произошедших аварий свидетельствует о недостаточности мер и барьеров глубоко эшелонированной защиты для предотвращения ядерных аварий на действующих поныне РУ конверсионного происхождения. Напротив, внутренняя самозащищённость в /4/ представлена всего лишь как одно из условий первого уровня технических мероприятий. Этот вопрос также рассмотрен в /1,11/.

Действительно, в обычной энергетике или промышленности всегда можно выделить один или два барьера, служащие для удержания опасных веществ, один или два уровня технических и организационных мер, обеспечивающих промышленную безопасность. Но потенциальная энергия ядерного топлива в сотни тысяч и миллионы раз выше, чем всё то, с чем сталкивалось человечество ранее. И наивно рассчитывать, что два-три дополнительных барьера способны противостоять такой концентрации энергии и предотвратить возможные аварии.

Из этого следует, что будущее атомной энергетики следует связывать не с сооружением конверсионных реакторов, приспособленных для мирного использования, а с  принципиально другими типами реакторов, некоторые свойства которых также приведены в /11/. Там из анализа опыта произошедших аварий и первых ростков новых типов реакторов сформулированы рекомендации для конструирования реакторов, изначально предназначенных для энергетики.

То есть, безопасность таких АС должна обеспечиваться не «за счет последовательной реализации глубокоэшелонированной защиты, основанной на применении системы физических барьеров на пути распространения ионизирующего излучения и радиоактивных веществ в окружающую среду, и системы технических и организационных мер по защите барьеров и сохранению их эффективности, а также по защите персонала, населения и окружающей среды», как установлено в /4/, а на другой основе.

В качестве предложения можно рассмотреть такую формулировку: безопасность АС должна обеспечиваться за счёт последовательной реализации свойства внутренней самозащищённости РУ. Это не гипотеза, не предположение, а один из возможных вариантов изменения концепции безопасности, предложенный для последующего обсуждения и определяющий отнесение АС к четвёртому поколению. Трудно сказать, когда и в какой форме сообщество специалистов придёт к новой концепции безопасности. Жизнь коротка, люди нетерпеливы, всем хочется поскорее перейти в следующий класс, но аварии непредсказуемы.

Предложенный вариант полезен тем, что определяет вектор нынешних усилий и стремлений в реакторостроении. Он не подразумевает, что следует отказаться от всей концепции глубоко эшелонированной защиты, какие-то характеристики её уровней, несомненно, сохранятся. Все вместе они войдут в состав той концепции безопасности, на базе которой будут создаваться реакторы следующего поколения, как показано на   рис. 1.

Рис. 1. Схема развития ядерных реакторов АС

Следует подчеркнуть, принципиальное отличие российских подходов /8-10/ от возникшего в 2000 году международного проекта «Поколение  IV» или GIV. Его рождение определялось не столько  научными, сколько политическими целями, желанием США вовлечь некоторые страны в сферу влияния собственных намечаемых технологий.

Российские авторы стремились создать такие реакторы, у которых тяжёлые аварии были бы исключены за счёт «естественных обратных связей, процессов и характеристик» /4/, а в проект GIV были включены разные типы реакторов, концептуальные идеи которых наличествовали и просто ещё не были реализованы к моменту возникновения проекта, табл. 3. Первоначально стремление к достижению цитированных свойств РУ не было основной целью GIV, где главное значение придавалось экономическим характеристикам. По мере развития проекта формулировались и требования по безопасности. Современное состояние этого проекта подробно описано в целом ряде публикаций, например, в /12/.

Во всяком случае, в настоящее время к реакторам, отнесённым к GIV, предъявляются такие требования к их безопасности, которые трудно назвать конкретными /13/: высокий уровень безопасности и надёжности, низкая вероятность повреждения активной зоны, исключение мероприятий аварийного реагирования за пределами площадки АС. Последнее требование по существу такое же, как для поколения 3+.

Таблица 3. Перечень РУ в проекте GIV

Никто не возьмётся предсказать, как пойдёт последующее развитие атомной энергетики. Окажется ли техническая мысль человечества способной создать ядерные реакторы для широкого использования в энергетике? Упомянутые концепты /8-10/ являются результатом эволюционного развития реакторов первых трёх поколений. Это естественно для прикладной науки, но нельзя сбрасывать со счетов возможные революционные открытия фундаментальной науки.

Может быть, энергетика будущего будет строиться совсем на других, неизвестных нам принципах, среди которых особенно заманчивым кажется прямое преобразование энергии деления в электричество. Речь идёт не о термоэлектрических, термоэмиссионных и тому подобных процессах, а о поисковых исследованиях  фундаментальной наукой  новых физических явлений трансформации энергии управляемой цепной реакции в электрическую.

Во всяком случае, за недолгий срок своего существования атомная энергетика убедительно продемонстрировала приоритет ядерной безопасности атомных станций перед любыми иными их характеристиками. Принадлежность к следующему поколению должна стать наградой только тем типам будущих реакторов, чья ядерная безопасность будет доказана практикой.

 

 

 

 

Литература

1.      Гордон Б.Г. Священные коровы безопасности, Атомная стратегия, №11, 2016.

2.      Ревич  Ю. В. , Малиновский  Б.Н. Информационные технологии в СССР. Создатели советской вычислительной техники — СПб.,  БХВ-Петербург,  2014.

3.      Букринский А.М. Развитие концепции безопасности АС в России, Атомная энергия, т. 76, вып. 4, 1994.

4.      Общие положения обеспечения безопасности атомных станций. ОПБ АС, НП-001-15, М.: НТЦ ЯРБ, 2016.

5.      Федеральный закон «Об использовании  атомной энергии» от 21.11.1995 г. № 170-ФЗ.

6.      Cognet G. The different generations of nuclear reactors, From Generation-1 to Generation-4, Generation 3 Nuclear Reactors, French- Slovak summer school. Slovakia, September, 2010.

7.      Comsan M.N.H.  Status of Nuclear Power  Reactor Development, 6th Conference on Nuclear and Particle Physics, 17-21 Nov. 2007, Luxor, Egypt.

8.      Орлов В.В., Аврорин Е.Н., Адамов Е.О. и др. Нетрадиционные концепции АЭС с естественной безопасностью//Атомная энергия. Т. 72. Вып. 4. 1992.

9.     Денискин В.П., Дмитриев А.М., Наливнов В.И. и др. Некоторые результаты исследования и перспективы развития высокотемпературного реактора с твёрдым теплоносителем. Атомная энергия, т. 99,  вып. 5, 2005.

10.  Бурлаков Е.В., Гольцев А.О., Степанов Н.В. и др. От РБМК к реактору РЕКОРТ через МКЭР. МНТК-2010, Безопасность, эффективность и экономика атомной энергетики. Тезисы докладов, май, 2010.

11.  Гордон Б.Г.  Безопасность ядерных объектов, изд. НИЯУ «МИФИ», М. 2014.

12.  Патаракин О.О., Рачков В.И., Ашурко Ю.М. Развитие инновационных реакторных технологий четвёртого поколения в рамках международного форума «Поколение IV», IV МНТК  АО «НИКИЭТ» М. 2016.

13.  Timothy J. Leahy, Gian-Luigi Fiorini   An Integrated Safety Assessment Methodology for Generation IV Nuclear Systems, PSAM-10, June 2010.







Это статья PRoAtom
http://www.proatom.ru

URL этой статьи:
http://www.proatom.ru/modules.php?name=News&file=article&sid=7293