Поиск исходных событий для оценки безопасности операций по перегрузке ядерного топлива на АЭС

Мальцева Надежда Константиновна кандидат технических наук доцент, Университет ИТМО 197101, Россия, г. Санкт-Петербург, Кронверкский проспект, 49 Maltseva Nadezhda Konstantinovna PhD in Technical Science associate professor of the Department of Technogenic Security Systems and Technologies at ITMO University (Saint Petersburg National Research University of Information Technologies, Mechanics and Optics) 197101, Russia, St. Petersburg, str. Kronverkski Prospect, 49 nkmaltseva@hotmail.com Другие публикации этого автора     Попова Валерия Олеговна магистр, кафедра Систем и технологий техногенной безопасности, Университет ИТМО 197701, Россия, г. Г санкт-Петербург, ул. Кронверкский Проспект,, 49 Popova Valeriya Olegovna Master's Degree, the department of Systems and Technologies of Techtogenic Safety, ITMO University; Engineer "Diakont" Ltd 197701, Russia, g. G sankt-Peterburg, ul. Kronverkskii Prospekt,, 49 lerapopova236@gmail.com

Сыров Александр Александрович инженер, АО "Диаконт" 197101, Россия, г. Г санкт-Петербург, ул. Учительская, 2 Syrov Aleksandr Aleksandrovich Engineer, "Diakont" Ltd 197101, Russia, g. G sankt-Peterburg, ul. Uchitel'skaya, 2 stts@diakont.com

         В настоящее время в нашей стране, в основном, эксплуатируется два типа реакторных установок: водо-водяные энергетические реакторы (ВВЭР) и канальные реакторы большой мощности (РБМК). Два типа реакторов имеют принципиальные отличия с точки зрения основных принципов работы ^{[1, 7]}.

         Актуальность выбранного вопроса, а именно, безопасность операций по перегрузке ядерного топлива (РБМК), связана с особенностями эксплуатации блоков РБМК. Одним из самых опасных, с точки зрения аварийности на современных АЭС, является процесс перегрузки ядерного топлива. Во время проведения операций по перестановке топливных кассет существует риск повреждения топлива, и, как следствие, вероятность выхода радиоактивных веществ за допустимые пределы.

         Перегрузка топлива на реакторах типа РБМК происходит, в том числе, во время нахождения реактора на мощности (в среднем происходит замена 2-3 кассет в сутки), в отличие от ВВЭР, где для этого реактор останавливают, что делает процесс перестановки кассет на РБМК еще более опасным. Процесс перегрузки РБМК при нахождении реактора на мощности состоит из очень большого количества сложных операций, характеризующихся множеством параметров. Несоблюдение критериев выполнения операций, выход значений параметров за допустимые диапазоны с большой вероятностью может привести к аварии.

         Для повышения безопасности и уменьшения вероятности повреждения топлива существуют защиты. В настоящее время в практике эксплуатации АЭС защиты формируются на основе экспертного мнения ^{[2, 3, 5]}.

         В настоящей статье рассматривается возможность применения формализованного подхода для выявления исходных событий, которые могут привести к возникновению аварий, с целью формирования необходимого и достаточного набора защит. Формальный подход позволит определить избыточность в наборах защит на действующих блоках, а так же поможет выявить аварийные ситуации, защиты для которых не предусмотрены.  

         Для достижения поставленных целей, необходим системный подход, позволяющий полноценно оценить аварийность структурно-сложных систем.

         Большинство методов анализа безопасности технически сложных систем основано на том, что возможные виды отказов оборудования или опасные отклонения формируются на основе знаний и опыта исследователя. В некоторых случаях такой подход вносит существенный субъективизм в результаты выполнения анализа безопасности.

         Для уменьшения субъективизма при выполнении анализа безопасности и формализации процедуры определения исходных событий предлагается использовать метод HAZOP.

         Метод HAZOP ^[8] был разработан в 60-ые годы прошлого века и представляет собой систематический поиск опасных состояний оборудования. В основу метода HAZOP положено понятие «путь изменения» и «наводящее слово». Под путем изменения понимается физическое перемещение механизмов оборудования от точки А к точке В или переход от одного состояния к другому (см. рисунок 1).

Рисунок 1 - Понятия о пути изменения

         Наводящее слово – слово или группа слов позволяющие стимулировать поиск возможных отклонений параметров технологического процесса на каком-либо конкретном пути изменения. Примеры наводящих слов и их значений приведены в таблице 1 ^[1].

Таблица 1. Пример наводящих слов и их значения

         Сочетание наводящих слов с конкретными параметрами оборудования, характерными для рассматриваемого пути изменения, позволяют генерировать возможные отклонения в состоянии оборудования (см. таблица 2).

Таблица 2. Наводящие слова, примененные к параметрам процесса

 и позволяющие описать реальные отклонения ^{[4, 8]}

         Была осуществлена адаптация метода HAZOP применительно к РЗМ. Разгрузочно-загрузочная машина (РЗМ) (см рис. 2) предназначена для перегрузки работающего или остановленного реактора РБМК.

Рисунок 2 - Разгрузочно-загрузочная машина

         Горизонтальное наведение РЗМ осуществляется с помощью моста и тележки. Мост передвигается вдоль центрального зала по подкрановым путям, размещенным на высоте 11 метров от пола зала. Тележка крана передвигается по мостовым путям поперек центрального зала. Сочетание взаимного перемещения моста и тележки позволяет выводить РЗМ в любую точку зала. На тележке установлена неподвижная биологическая защита, выполненная в виде контейнера, в котором установлен скафандр РЗМ. В нижней части контейнера смонтирована подвижная биологическая защита, перекрывающая зазор между контейнером и полом центрального зала.

         Выполнение перегрузки с использованием РЗМ можно представить следующим образом. РЗМ с загруженной кассетой для постановки в ТК наводится на канал, стыкуется с ним. Затем  в скафандре с помощью насоса поднимается давление. Далее выполняется разгерметизация канала и извлечение кассеты из ТК в свободный пенал магазина. С помощью механизма поворота магазина над каналом устанавливается пенал с загружаемой кассетой в ТК. После постановки кассеты в канал выполняется герметизация ТК пробкой.

         По завершении проверки качества герметизации РЗМ расстыковывается с каналом и переводится к бассейну выдержки топлива, куда выгружается извлеченная из реактора кассета.

         Анализ HAZOP применительно к РЗМ включает решение следующих задач.

         Задача 1. Анализ технологических операций, выполняемых с использованием РЗМ, определение состояние РЗМ  и возможных путей изменения .

         При определении состояний РЗМ  необходимо придерживаться следующих правил:

- неизменность физических параметров системы (давление, температура и т.д.);

- неизменность состояния механизмов в части наличия движения;

- неизменность состояния системы в части заданных оператором параметров и режимов управления.

         При изменении текущего состояния система переходит в следующее состояние, характеризующееся путем изменения.

         При определении возможных путей изменения  необходимо придерживаться следующих правил.

         Переход РЗМ из одного состояния в другое характеризуется плавным или скачкообразным изменение одного или нескольких параметров. В рамках анализа HAZOP нужно стремится к тому, чтобы рассматривать как можно более короткие пути изменения. В общем случае рекомендуется рассматривать пути изменения, связывающие соседние в порядке выполнения технологического процесса состояния. Пример возможных путей изменения состояния РЗМ:

 - перемещение моста, тележки на гнездо тренажерного стенда (ТС);

 - стыковка с гнездом ТС;

 - поворот пустого магазина;

 - перемещение пустого захвата вниз;

- отвинчивание пробки;

 - перемещение захвата со свежим топливом вверх

 - расстыковка с каналом.

- перемещение пустого захвата вниз и захватывание кассеты

 - отвинчивание пробки (разгерметизация ТК)

 - перемещение захвата с отработавшим топливом вверх и т.д.

         Задача 2. Анализ путей изменения и формирование возможных отклонений.

         Для решения этой задачи предлагается сгруппировать параметры и определить характерные отклонения для них. В общем случае набор параметров РЗМ должен быть разбит на группы. Например, группа «Давление» включает давление в скафандре, барабан-сепараторах и в канале реактора. Анализ условий работы РЗМ позволил выделить для каждой группы параметров характерные и наиболее опасные отклонения (см. таблицу 4).

Таблица 3.

Задача 3.  Результаты должны быть оформлены в виде таблицы 4.

Таблица 4.

         На современных блоках РБМК в системах автоматического управления РЗМ предусмотрено порядка 63 технологических операций, которые позволяют осуществить процесс перегрузки. Такие операции состоят из множества действий с большим количеством параметров. Адаптация метода применительно к РЗМ позволила систематизировать поиск исходных событий, приводящих к нежелательным событиям и, как следствие, позволяет оптимизировать количество защит, что приведет к повышению надежности работы системы, а также упрощает процесс эксплуатации и может уменьшить время рабочего цикла контроллера на обработку защит.