Атомна енергетика

Старение атомных станций и безопасность. Опасности продления срока службы бельгийских реакторов

В 2003 в результате продолжительных дебатов федеральное правительство решило закрыть семь бельгийских ядерных реакторов по истечении запланированного срока их эксплуатации, то есть 40 лет (с 2015 г. по 2025 г.). Такой срок службы кажется слишком долгим, зная, что на мировом уровне, в общей сложности, остановлены уже 107 реакторов, и их средний срок службы во время закрытия составлял 21 год. На сегодняшний день мы имеем очень небольшой опыт в вопросе эксплуатации коммерческих реакторов большой мощности, срок службы которых около 40 лет или превышает этот срок. Несмотря ни на что, «атомное» лобби продолжает сражаться до конца против решения о закрытии, а некоторые даже требуют продления срока службы реакторов до…60 лет! В этом документе речь пойдёт о безопасности бельгийских ядерных установок, на которую, по мнению специалистов, оказывает огромное влияние эффект старения материалов, а также об опасностях, которые могло бы повлечь за собой продление срока службы этих установок.

Последствия старения атомных станций имеют две стороны. С одной стороны, увеличивается количество нарушений, таких как незначительные утечки, трещины или короткие замыкания. Это характерно для бельгийских станций, исходя из отчётов независимой контролирующей организации Association Vincotte Nucleaire.

С другой стороны, наиболее опасным является постепенное уменьшение прочности материалов реакторов. На крышке бака реактора могут появиться трещины. Это явление в реакторах имело место во Франции, в Швеции и в Швейцарии; одним из примеров, является реактор Davis Besse, в США, где трещины были обнаружены только через десять лет, несмотря на визуальные осмотры. Разрыв последней защиты, оболочки из нержавеющей стали, привёл бы к очень серьезным последствиям, таким, как потеря воды в реакторе, выброс части управляющих стержней или их приход в негодное состояние. Не трудно представить, что появление трещин может привести к опасным радиоактивным выбросам. Например, такие выбросы на АЭС Тианж, расположенной вблизи таких населённых пунктов как Льеж, Намюр, Шарлеруа и Брюссель, имели бы катастрофический характер.

Главным выводом этого документа является то, что возникновение любого нарушения на ядерной установке является потенциальной опасностью для окружающей среды и населения. При эксплуатации реакторов более двадцати лет риск аварии с радиоактивными выбросами значительно увеличивается каждый год. Если продление срока службы реакторов для энергетических компаний является финансовой перспективой, то из-за риска опасности для всего населения этот решение остаётся неприемлемым для общества.

Старение атомных станций

Как в любой промышленной установке, материалы, из которых состоит атомная станция, стареют, и их свойства ухудшаются по мере эксплуатации станции, вследствие многократных нагрузок, которым они подвергаются. К факторам, которые оказывают особое влияние на процессы старения на атомной станции, можно отнести радиоактивное излучение, термические или механические усилия, коррозионные, абразивные и эрозивные процессы, а также сочетания вышеперечисленных процессов (Мейер, 1998).

Обычно, самый большой процент нарушений наблюдается сразу после пуска станции, когда конструктивные и дизайнерские ошибки оказываются очевидными. В этот период основные усилия направлены на то, чтобы исправить причины нарушений. Из-за экономических аспектов руководители стараются как можно быстрее восстановить качественную работу станции. Число нарушений снижают до минимума. Когда эффект старения становится заметным, процент нарушений увеличивается по экспоненциальному закону (рис. 1).

figure_1
Рисунок 1 – Зависимость количества нарушений в процентах от времени (Мейер, 1998)

Первые признаки процессов старения выявить трудно, так как они обычно возникают на микроскопическом уровне структуры материалов. Часто они становятся очевидными только после повреждения материалов (например, трубопровод).

Независимо от типа реактора после двадцатилетнего срока эксплуатации начинают оценивать опасность, которая вызвана процессами старения. Риск такой опасности растет с каждым годом (Мейер, 1998). Речь идет о тенденции, которая прослеживается во всей отрасли, но проявляется по-разному. Действительно процесс старения может проявиться раньше или позже.

Любое продление срока службы реактора влечёт за собой увеличение процессов старения, влекущих в свою очередь к значительному увеличению количества аварий.

Особое влияние на различные компоненты

В основе ядерной энергии лежит цепная реакция. В качестве топлива используется уран-235. Эта реакция сопровождается выделением тепла. Тепло передается из ядерного котла (первый контур, расположенный в герметичном баке) при помощи парогенераторов, расположенных внутри реактора, во второй контур, в котором расположена турбина (рис. 2). Турбина приводит в движение генератор переменного тока, который вырабатывает электроэнергию, с КПД приблизительно 33 %.

Семь действующих реакторов в Бельгии – это реакторы «с водой под давлением» (перевод с англ. – Pressurized Water Reactor или PWR). Одним из их слабых мест является то, что теплоноситель, циркулирующий в первом контуре, имеет высокую температуру и находится под высоким давлением, что в сочетании с радиоактивностью ускоряет коррозию и старение некоторых деталей.

В середине 90-х гг., на реакторах Doel 3 и Tihange 2 одно время применялось топливо MOX. MOX (сокращение от mixed oxide) это ядерное топливо, изготовленное из плутония и обеднённого урана. Использование этого топлива ускоряет процесс старения реакторов, из-за излучения большего, чем при использовании классического ядерного топлива.

На крышках бака реактора также могут появиться трещины. Эта крышка, расположенная сверху бака реактора, содержит трубы, которые позволяют вводить управляющие стержни в сердце реактора, для контроля цепной реакции. С этой проблемой столкнулись при эксплуатации реакторов во Франции, Швеции и Швейцарии; в качестве примера также можно привести реактор Davis Besse, в США, где, несмотря на регулярный контроль, трещины были обнаружены только через десять лет.

На многих реакторах парогенераторы требуют замены из-за повреждений, таких как износ стенок труб, вызванных коррозией и эрозией. Полная замена парогенератора является серьёзной операцией, которая требует остановки реактора в течение продолженного периода. В 2004 г., Electrabel был вынужден заменить два парогенератора на станции Doel 2. Общий размер капиталовложений составил 82 миллиона евро. Electrabel также сообщил о будущей замене двух парогенераторов на Doel 1.

В результате старения реакторов могут быть повреждены и другие составляющие станции: трубопроводы (коррозия, вызванная усилиями и эрозией, утончение стенок, износ материалов); главные циркулирующие насосы (трещины вследствие процессов термического износа и вибраций, усиленных коррозией); турбины (явления старения, вызванные коррозией, эрозией и термодинамическим износом); электрические кабели (растрескивание изолирующих слоев) и электронная аппаратура (повреждения, вызванные температурным воздействием и излучениями, а также из-за химически агрессивной среды и влияния влажности).

Структуры из бетона, такие как бетонные части защитной оболочки, внешние защитные корпуса зданий, биологические щиты, фундамент и охлаждающие башни подвергаются термомеханическим нагрузкам. Их состояние зависит также от климатических условий, химической среды и от доз излучения. Влияние коррозии на стальные каркасы (внутренние) отследить трудно. Снижение их прочности может остаться незамеченным. С сейсмической точки зрения старение также может повлиять на динамические свойства и прочность всей конструкции.

В результате старения ухудшаются также свойства всех составных частей атомной станции, что снижает их функциональность. Риск, который со временем увеличивается, обостряется сочетанием всех отрицательных изменений, которые трудно предусмотреть при моделировании и количественной оценке. Опыт показывает, что даже если эксплуатирующие организации при повреждениях будут качественно восстанавливать и заменять конструктивные части, всегда будет иметь место ущерб, связанный со старением станций. Предусмотреть этот ущерб нельзя.

Старение является особо острой проблемой для “пассивных” составляющих, то есть для составляющих без подвижных частей. Трудно не только обнаружить процессы, связанные со старением, но заменить выше упомянутые компоненты, если это не предусмотрено во время строительства. Для “активных” составляющих, таких как насосы и задвижки, повреждение обычно легко обнаружить и замена их может быть осуществлена во время регулярных текущих ремонтов. Тем не менее старение активных составляющих нельзя считать неопасным. Главные циркулирующие насосы и турбины могут быть катастрофически ослаблены. Что касается электронной и электрической аппаратуры, то нарушения, вызванные старением, также могут оставаться не обнаруженными до тех пор, пока не произойдёт серьезное повреждение.

figure_2
Рисунок 2 – Принципиальная схема АЭС

Последствия процесов старения

Последствия старения могут проявиться двумя способами. С одной стороны, растёт число происшествий и нарушений – незначительные утечки, трещины, короткие замыкания вследствие повреждений кабелей и т.д. В Германии, например, на десяти наиболее старых ядерных реакторах (из девятнадцати эксплуатируемых), за период 1993-2003, 64 % всех нарушений, являются результатом старения (BMU, 1999-2003).

Уже в течение несколько лет годовые отчеты Association Vincotte Nucleaire (AVN), частной организации, на которую возложена проверка уровней безопасности бельгийских станций, дают подробный обзор проверочной деятельности. Каждый годовой отчет содержит несколько страниц описывающих технические проблемы. Наиболее тревожным является то, что с каждым годом увеличивается число нарушений. В 2005 г., инспекция, под руководством AVN, обнаружила семнадцать отклонений и одну неисправность, что вдвое больше чем в 2004 (AVN, 2005 г.). В 2005 г., впервые за долгие годы в Бельгии было зарегистрировано нарушение уровня «2» по шкале INES(2).

В начале 2006 г., было выявлено уже четырнадцать отклонений, более того, ещё одно нарушение уровня «2». Таким образом это два нарушения уровня «2» за два года, в то время как с 1996 г. и до этого момента было зарегистрировано только одно нарушение уровня «2».

С другой стороны, из-за старения постепенно ухудшаются свойства материалов, что в лучшем случае останется без последствий до закрытия реактора. Однако это также может быть причиной серьёзных повреждений, что может повлечь за собой опасные выбросы радиации.

Среди этих возможных повреждений, следует отметить охрупчивание крышки реактора, которое увеличивает риск её взрыва. Это повреждение может привести к серьёзной аварии. Системы безопасности не предусмотрены для защиты от такой аварии. На сегодняшний день защиты от такого повреждения нет. Кроме того, повреждение крышки может привести к мгновенной разгерметизации, например по причине резкого повышения давления после взрыва крышки. Это повлечет за собой катастрофические выбросы радиации во внешнею среду. Другой пример: процессы коррозии, которые могут оставаться незамеченными долгие годы, как это показывает анализ недавнего происшествия на североамериканской станции Davis Besse.

Все эти примеры ясно указывают на то, что, когда начинает появляться эффект старения, риск аварии постоянно растёт с каждым прошедшим годом. Повышенная бдительность и улучшение качества обслуживания и ремонта могут частично компенсировать эту тенденцию. Но в контексте рыночной экономики и экономического давления сохраняется тенденция скорее понижения уровня безопасности в целях сокращения срока окупаемости…

Несколько приемров происшествий, связанных со старением реакторов

Рассмотрим примеры нарушений, связанных со старением, которые произошли на станциях, где установлены реакторы «с водой под давлением» (реакторы того же типа, что установлены в Бельгии). Все ниже рассмотренные нарушения привели к окончательному закрытию реактора или к остановке на длительный период. Реактор Yankee Rowe (США) был окончательно закрыт в 1992 г., после 31 года функционирования. Yankee Rowe это первый североамериканский реактор, для которого был введён запрос на продление срока службы (с 40 до 60 лет). Парадоксально, но именно в процессе переоформления документов на продление срока службы при осмотре было выявлено, что сварочный шов крышки реактора уже достиг критического состояния охрупчивания.

Прошло более чем два года, с 2002 до 2004 г., прежде чем реактор Davis Besse (США) было решено остановить вследствие неожиданного открытия. Во время осмотра обшивочной части бака, были обнаружены трещины 15 см глубиной и 17 см шириной. Только 3 мм внешней оболочки бака из нержавеющей стали поддерживали рабочее состояние реактора. По мнению компании FirstEnergy, компании эксплуатирующей реактор, осевая трещина развилась в адаптере с 1990 г. FirstEnergy оценило скорость расширения трещины – приблизительно в 50 мм/год. При визуальном осмотре в 1998 г. и в 2000 г., повреждений крышки выявлено не было. Разрыв последней защиты, оболочки из нержавеющей стали привёл бы к катастрофе, вызванной потерей воды в реакторе, выбросом части управляющих стержней или приход их в неработоспособное состояние. Общие затраты, связанные с остановкой станции, в том числе затраты, связанные с перемещением производства электроэнергии, оценены приблизительно в 600 миллионов долларов. Несмотря на эти нарушения и тот факт, что потребовалось двенадцать лет для их обнаружения, Правительственная ревизионная комиссия США (NRC) разрешила работу станции Davis Besse до 2017.

Трещины того же типа обнаружены и в других американских реакторах, а также в Швейцарии, Швеции и Франции. Французские энергоблоки (в основном реакторы с водой под давлением такие же, что и в Бельгии, и на станции Davis Besse (США)) также испытали на себе эффект старения (90-е годы). В 1991, EDF публично заявил об обнаружении первой трещины на крышке бака реактора Bugey. В мае 1996, EDF зарегистрировал растрескивание крышки реактора № 2 на станции Fesseinheim. С 1991 по 1996 гг., трещины были обнаружены на 41 адаптере из 2800 осмотренных.

Станция Stade в Германии окончательно была остановлена в ноябре 2003 г. после менее чем 32 лет функционирования. Как в Yankee Rowe, сварочные швы бака реактора были подвержены охрупчиванию по причине высокого процентного содержания примесей меди. Но TUV, немецкая организация технической поддержки заявила, что существовал достаточный запас прочности для работы станции в течение 40 лет. Речь идет о единственной немецкой станции на сегодняшний день, которая была остановлена по решению правительства и это вопреки факту, что запланированное немецким законом об атомной энергии 2001 г. количество электроэнергии на эту станцию не было достигнуто. Эксплуатирующая организация утверждает, что станция закрыла свои двери по чисто экономическим причинам. По ее мнению, мощность станции была слишком маленькая. Однако, станция Obrigheim более старая и имеющая половинную мощность станции Stade всё ещё функционирует. Таким образом, можно предположить, что Stade была закрыта по причинам, связанным со старением.

По причинам старения были закрыты (или остановлены на продолжительный срок) также станции, на которых установлены реакторы других типов. Кипящий реактор на станции Wurgassen в Германии, например, был окончательно остановлен в мае 1995, после менее чем 24 лет функционирования по причине серьезных трещин в оболочке сердца реактора. Ремонт и модернизация в то время стоили бы около 350-400 миллионов немецких марок (приблизительно 175-200 миллионов евро) и эксплуатирующая организация PreussenElektra решила закрыть станцию.

Если вышеупомянутые примеры доказывают ясно существование значительных проблем, связанных со старением “западных” ядерных реакторов, то также можно констатировать, что такие же серьезные проблемы старения испытывали и реакторы восточных стран. Из-за других типов реакторов эта ситуация оказалась ещё более сложной. Старению особенно подвержены конструктивные и дизайнерские материалы. Кроме того, реакторы восточных стран закрывали свои двери под давлением западных стран. Как было сказано, охрупчивание бака реактора представляет собой наиболее опасную угрозу в вопросе безопасности. По этой причине были закрыты реакторы на станции Greifswald вследствие объединения Германии. Это также один из ключевых элементов, заставлявший Европейский союз требовать остановки реакторов болгарской станции Kozloduy на основании присоединения этой страны к Евросоюзу.

Заключение

Исследования для продления срока службы атомных станций могут быть интересны для эксплуатирующих организаций с экономической точки зрения, но с другой стороны, это обостряет опасность старения и увеличивает риск ядерной катастрофы со значительными выбросами радиоактивности.

В настоящее время именно строго финансовые аспекты способствуют распространению программ продления срока службы станций по всему миру, несмотря на угрозу безопасности. Такие программы обычно имеют смысл с экономической точки зрения только, если станция будет работать на 10-20 лет дольше.

Эксплуатирующие организации идут на продление срока службы атомных станций, чтобы как можно дольше поддерживать связь с сетью и получить максимальную окупаемость.

Параллельно, экономическая обстановка на энергорынке, характерная переходом в частный сектор, влечёт за собой увеличение конкуренции и соответственно требует снижения цен. Это приводит к снижению уровня надёжности и сокращению обслуживающего персонала. В то время как неумолимое старение реакторов требует прямо противоположных действий.

После двадцатилетнего срока службы станции риск ядерной аварии значительно увеличивается каждый год. Если продление срока службы реакторов является финансовой перспективой эксплуатирующих организаций, то для всего населения риск становится таким, что эта перспектива не приемлема для общества.

© ДонНТУ Соколов В.И. 2008