Инженерия, лежащая в основе конструкций Фукусимы и их эффективность

Инженерия, лежащая в основе конструкций Фукусимы и их эффективность

11 марта 2011 года землетрясение магнитудой 9,0 и сильное цунами обрушились на японскую АЭС Фукусима Дайичи, вызвав расплавление ядра на трех реакторах и самый значительный выброс радиоактивного материала со времен Чернобыля. Системы аварийного охлаждения и топливо получили серьезные повреждения, но защитные конструкции, окружающие каждый блок, стояли в качестве окончательного инженерного барьера против неконтролируемого рассеивания продуктов деления. Понимание того, как были разработаны эти сдерживающие устройства, крайние требования, предъявляемые к ним в результате аварии, и тяжелые уроки, извлеченные из их частичных отказов, обеспечивают основу для укрепления ядерной безопасности во всем мире. В этой статье рассматривается философия проектирования сдерживания General Electric Mark I, его производительность во время аварии на Фукусиме и глобальные изменения в стратегии сдерживания, которые последовали.

Роль содержания в реакторах кипящей воды

Каждый коммерческий ядерный реактор полагается на несколько слоев защиты для защиты населения и окружающей среды от радиоактивного выброса. В реакторах с кипящей водой (BWR), таких как реакторы на энергоблоках 1-4 Фукусимы, существуют три фундаментальных барьера: облицовка топлива, сосуд под давлением реактора и первичная оболочка. Первичная оболочка представляет собой самый внешний инженерный барьер, предназначенный для выдерживания экстремальных нагрузок при сохранении герметичной целостности. Она должна содержать радиоактивные материалы во время любой аварии на проектной основе, выдерживать внутреннее давление и температурные переходы без разрыва и противостоять внешним опасностям, таким как землетрясения и ракетные удары.

Контейнер GE Mark I, развернутый на Фукусиме, был одним из самых ранних стандартизированных конструкций сдерживания для BWR, впервые использованных в 1960-х годах. В нем использовалась концепция подавления давления: пар, выделяемый из реакторного сосуда, направлен в заполненный водой бассейн подавления, где он конденсируется и снижает давление. Эта конструкция была компактной и экономически эффективной, позволяя меньшему строительному следу по сравнению с большими сухими герметичными герметиками, используемыми в реакторах с водой под давлением. Однако компактный объем означал, что во время тяжелой аварии без удаления тепла давление могло быстро расти, бросая вызов прочности границы. Марк I стал наиболее широко построенным типом сдерживания для BWR, с более чем 30 единицами, установленными во всем мире.

Философия дизайна и структурные принципы

Содержащая установка Mark I была спроектирована вокруг трёх основных целей: содержать радиоактивные материалы во время любой аварии на проектной базе, выдерживать внутренние перепады давления и температуры без разрыва и защищать от внешних опасностей. Инженеры объединили железобетонные и углеродисто-стальные компоненты, расположенные в вложенных оболочках для достижения этих целей.

Сила и сопротивление нагрузки

Скорлупа удержания представляет собой стальной сосуд давления в форме перевернутой лампочки — цилиндрический сухой колодец, увенчанный полусферической головкой и соединенный через вентиляционные трубы с торсообразной камерой подавления. Толщина стенки в сухом колодце колеблется от примерно 25 до 30 миллиметров высокопрочного углеродистого проката, рассчитанного на выдерживание внутреннего давления от примерно 4,0 до 4,5 бар (58–65 фунтов на квадратный дюйм) и температуры примерно 170°C (338°F). Это проектное давление было основано на крупнейшем разрыве трубы, который может испытать система — разрыве гильотины с двойным контуром рециркуляции — с консервативными запасами прочности. Окружающий железобетонный биологический щит обеспечивает дополнительную структурную поддержку и радиационное экранирование. Стальная оболочка была разработана, чтобы позволить ограниченной пластической деформации во время экстремальных землетрясений поглощать энергию без разрыва, концепция, подтвержденная более поздними анализами конечных элементов.

Сейсмическое сопротивление было неотъемлемой частью с самого начала. Весь сдерживающий материал опирается на массивный железобетонный базовый коврик, закрепленный на фундаменте. Динамический анализ смоделировал движение грунта от исторических землетрясений, но землетрясение Тохоку 2011 года произвело уровни ускорения, превышающие исходную проектную основу на некоторых единицах - демонстрируя, что более старые сейсмические стандарты были недостаточны для редких, но вероятных экстремальных событий. Оценки после аварии показали, что сами сдерживающие структуры не пострадали от катастрофического сейсмического сбоя, хотя некоторые вспомогательное оборудование и трубопроводы были повреждены.

Подавление давления и утечка плотности

Прочная уплотнение достигается через сварные стальные пластины, проникновения с двойными прокладками механических уплотнений и специально спроектированных дверей шлюза. Более 200 проникновений — для трубопроводов, электрических кабелей и приборов — должны быть индивидуально запечатаны и испытаны. Контейнерция постоянно контролируется на скорость утечки во время работы; конструкционная утечка обычно указывается на уровне менее 0,5% от содержащегося объема в день при проектном давлении. Камера подавления (торус) содержит около 2500 кубических метров воды на единицу. Когда пар из предохранительных клапанов или аварийных условий поступает в тор через кольца спаргера, вода конденсирует пар, резко снижая пиковое давление и температуру. Тор также служит резервуаром для аварийного охлаждения воды. Система зависит от поддержания прохладной воды в торе; как только бассейн нагревается до насыщения, его емкость конденсации быстро снижается.

Слои избыточности

Помимо первичной стальной оболочки, конструкция Фукусимы включала в себя вторичную защиту: само здание реактора, железобетонную конструкцию с контролируемой вентиляцией и фильтрацией. Хотя она не была спроектирована как граница давления, она обеспечивала дополнительный барьер против рассеивания любой утечки. Эта многослойная концепция - облицовка топлива, корпус реактора, первичная оболочка, вторичное здание - сформировала глубину защиты, которая, как ожидали операторы, предотвратит любое радиоактивное высвобождение, даже если один слой был скомпрометирован. Однако уязвимость вторичного здания к накоплению водорода не была полностью оценена до аварии.

Структурные компоненты контейнеров марки «Фукусима I»

Физическое расположение ограждения на Фукусиме состояло из нескольких взаимосвязанных компонентов, каждый из которых выполнял определенную функцию:

Что произошло во время аварии на Фукусиме: пошаговая проблема с содержанием

Землетрясение спровоцировало автоматическое отключение реакторов на блоках 1, 2 и 3 (Unit 4 находился в отключке дозаправки). Вне площадки была потеряна мощность, и начались аварийные дизель-генераторы, но цунами затопило здания генератора и распределительные устройства, вызвав длительное отключение станции. Без активного охлаждения тепло распада в ядрах реактора повысило температуру топлива, что в конечном итоге привело к облицовке окисления, выработке водорода и таянию топлива. Контейнерные структуры столкнулись с условиями, выходящими далеко за рамки их проектной основы. Последовательность загрузки сдерживания разворачивалась поэтапно:

  1. Начальный выброс пара в сухой колодец : По мере падения уровня воды в сердцевине, предохранительные клапаны неоднократно поднимались, выгружая пар и водород в сухой колодец. Давление неуклонно росло. На блоке 1, давление в сухом колодце достигло почти 0,7 МПа (около 100 пси) в течение нескольких часов, что намного выше расчетного давления 0,4 МПа.
  2. Операция подавления давления: Пар конденсировался в торе изначально, но без циркуляции охлаждающей воды, температура бассейна подавления увеличивалась. На блоке 1, бассейн достиг кипения в течение нескольких часов. Как только бассейн кипел, его способность конденсировать пар уменьшилась, и давление сдерживания росло быстрее.
  3. Перенасыщение контейнеров: К утру 12 марта на блоке 1, давление в сухом колодце превысило предельные значения конструкции, достигнув почти вдвое максимально допустимого давления. Стальная оболочка начала деформироваться, а фланцевые уплотнения вокруг пробоин стали протекать. Давление в контейнерах на блоках 2 и 3 также превысило конструкцию к 14-15 марта.
  4. Умышленные попытки вентиляции: Операторы пытались вентилировать удержание в атмосферу через затвердевшие вентиляционные линии для снижения давления и предотвращения катастрофического разрыва. Однако вентиляционные клапаны требовали ручной работы и надежной мощности; на блоке 1, вентиляционный клапан не был успешно открыт до тех пор, пока давление не повредило уплотнения. Когда вентиляция действительно произошла, он выпустил радиоактивные газы и водород в здание реактора.
  5. Взрывы водорода: Водород, образующийся в результате реакций циркония-пара, накапливался в верхних частях реакторных зданий (вторичная оболочка).На блоках 1, 3 и 4 этот водород воспламенялся, вызывая массивные взрывы, которые разрушали надстройки реакторного здания.Эти взрывы не разорвали непосредственно первичные ограждения, но они сильно отключили охлаждающее оборудование и распространили радиоактивный мусор.
  6. Утечка и нарушение содержания : На блоке 2, вероятно, произошел структурный сбой во время события избыточного давления 15 марта, что привело к большому прямому выбросу радиоактивных материалов. На блоках 1 и 3 первичная целостность сдерживания была нарушена утечкой уплотнений и возможным расплавлением проникновений на полу в сухой колодце, поскольку корий взаимодействовал с бетоном. Исследования после аварии показали, что область пьедестала в блоке 1 испытала бетонную абляцию до нескольких десятков сантиметров, но оболочка из удерживающей стали оставалась в значительной степени неповрежденной.

Эффективность содержания Mark I в тяжелых условиях

Сдерживания Фукусимы не показали идеальной работы, но они продемонстрировали значительную устойчивость. Несмотря на огромное давление, температуру выше 300 ° C в некоторых точках и многочисленные проблемы, первичные сдержки на блоках 1, 2 и 3 предотвратили катастрофический мгновенный выброс, который мог бы вызвать выход из строя только сосуда под давлением реактора. Стальные оболочки остались в значительной степени неповрежденными, ограничив большинство продуктов кория и летучих продуктов деления. Согласно официальным сообщениям после аварии, структуры сдерживания на блоках 1 и 3 сохранили свою пограничную функцию давления даже после того, как взрывы водорода повредили окружающие здания.

Однако функция сдерживания была подорвана факторами, которые проектирование не полностью предвидело:

Несмотря на эти недостатки, сдерживание Mark I ограничило примерно 99,9% основного запаса менее летучих радионуклидов, таких как цезий и стронций, в подвалах реакторных зданий, согласно анализу после аварии. Выпуск цезия-137 за пределами площадки оценивался примерно в 10% основного запаса - значительная сумма, но гораздо меньше, чем выпуск из Чернобыля, в котором не было надежного сдерживания. В докладе МАГАТЭ о аварии на Фукусиме Дайичи сделан вывод о том, что сдерживание «существенно выполнило» их фундаментальную функцию безопасности предотвращения катастрофического разрыва судна и неконтролируемого крупномасштабного высвобождения. Комиссия по ядерному регулированию США также задокументировала, что системы сдерживания предотвратили еще более крупные радиологические последствия.

Уроки, извлеченные из опыта и подкрепление после Фукусимы

После этого ядерная промышленность провела исчерпывающую переоценку инженерных возможностей. Правительства и операторы внедрили широкие усовершенствования для обеспечения надежности системы сдерживания, уделяя особое внимание событиям, не связанным с проектированием. Уроки можно сгруппировать в несколько ключевых областей:

Надежная защита от избыточного давления

Сложность вентиляции подчеркнула необходимость пассивного или легко активированного вентиляции, которая работает даже во время полной потери мощности. Новые требования предусматривают установку закаленных фильтрованных систем вентиляции (FCVS) на многих заводах BWR по всему миру. Эти системы включают фильтры высокой емкости - обычно с использованием влажных скрубберов в сочетании с мелкими капельными сепараторами - для удаления радиоактивных частиц и йода перед разрядкой. В Японии регуляторы требовали фильтрованных вентиляционных отверстий для всех реакторов кипящей воды, модернизированных к 2020 году. Аналогичные изменения произошли в Соединенных Штатах, где NRC Order EA-13-109 требовал установки FCVS на герметиках Mark I и Mark II. Системы предназначены для работы без внешней мощности, с использованием клапанов с батарейным питанием или местной ручной работы.

Управление водородом

Взрывы стимулировали интенсивную работу по контролю горючего газа. Пассивные автокаталитические рекомбинаторы (ПАР) теперь широко установлены внутри контейнеров и в зданиях реакторов для преобразования водорода в водяной пар без необходимости электричества. Эти устройства используют катализатор - обычно палладий или платину - для инициирования рекомбинации в условиях окружающей среды. Кроме того, инертирование контейнеров с азотом (уже стандарт для конструкций Mark I и II) было проверено на более прочность, и были улучшены процедуры для поддержания инертных условий во время аварий. Некоторые заводы также установили водородные воспламенители в качестве резервной системы, предназначенной для сжигания водорода контролируемым образом, прежде чем он достигнет взрывных концентраций.

Сейсмические и наводнения модернизируются

Переоценка сейсмических и цунамиопасностей привела к значительному усилению конструкций. Многие заводы добавили бетонные опорные пункты для укрепления баз сдерживания, более надежно поставили якорное оборудование и установили заградительные барьеры, такие как морские стены, превышающие первоначальные оценки высоты цунами. Документы Всемирной ядерной ассоциации, включающие меры безопасности после Фукусимы, включали поднятие аварийных дизель-генераторов и размещение их в водонепроницаемых бункерах. На некоторых заводах вся территория вокруг сдерживания была реградирована до прямой паводковой воды от критических систем безопасности. Независимые испытания сейсмического коктейль-таблицы проводились на критическом оборудовании, чтобы квалифицировать его для более высоких уровней ускорения.

Руководящие принципы управления несчастными случаями и оборудование

Операторы разработали подробные стратегии поддержания целостности сдерживания во время расширенных отключений станций. Это включает в себя предварительно поставленные портативные насосы, генераторы и шланги для подачи воды непосредственно в сухой колодец и тор. Подключение спрея Drywell, которое может подаваться пожарными машинами, было усилено. Индикации диспетчерской для температуры, давления и уровня воды были улучшены с помощью избыточных датчиков, закаленных от несчастных случаев - некоторые из них используют беспроводную связь для обеспечения передачи данных, даже если кабели повреждены. В Японии «серьезные руководящие принципы управления несчастными случаями» теперь включают положения для использования пожарных машин и мобильных источников питания способами, которые ранее не практиковались.

Лучшее проникновение и печать производительность

Исследования материалов привели к принятию высокотемпературных металлических уплотнений и улучшенных эластомеров, которые могут поддерживать целостность при температурах выше 250°C. Концепции утечки до разрыва были пересмотрены, а количество проникновений было сведено к минимуму в новых конструкциях. Там, где это возможно, проникновение трубопроводов было перенесено в зоны с более низким риском. Некоторые заводы установили многоступенчатые уплотнения и увеличили частоту тестирования скорости утечки до ежеквартального (ранее один раз за топливный цикл) для некоторых клапанов изоляции утечек. Действия NRC США после Фукусимы также потребовали от операторов проверки того, что все клапаны изоляции утечек поддерживают герметичность при авариях с высоким уровнем радиации и температурой.

Глобальные сдвиги в философии дизайна контейнеров

Авария на Фукусиме ускорила переход к пассивной безопасности в новых конструкциях реакторов. Сдерживания нового поколения, такие как в AP1000, экономико-упрощенном BWR (ESBWR) и VVER-1200, полагаются на большие запасы воды внутри сдерживания, гравитационное охлаждение и естественную циркуляцию для удаления тепла распада в течение по крайней мере 72 часов без действия оператора или мощности переменного тока. Эти сдерживания обычно намного больше по объему, чем Mark I, что дает давление более медленное повышение и больше времени для вмешательства.

Например, в состав ESBWR входит пассивная система охлаждения (PCCS), которая использует внешний бассейн, расположенный на крыше здания, где находится контейнер. Во время аварии пар внутри контейнера поднимается к куполу, конденсируется на внутренней поверхности контейнера для хранения стали и передает тепло в бассейн, который затем испаряется в атмосферу. Это устраняет необходимость в активных распылениях или охлаждении бассейна. Европейский реактор для воды под давлением (EPR) включает в себя основной улавливающий элемент, который распространяется и охлаждает корий в специальном отсеке, выложенном жертвенным бетоном, плюс двойная структура удержания с системой вентиляции и фильтрации, предназначенная для обработки тяжелых аварий. Внутренняя стальная утечка EPR предназначена для проектного давления 6,5 бар, что значительно выше, чем Марк I.

На существующих установках в настоящее время проводятся комплексные испытания на целостность систем сдерживания в более широких сценариях аварий. Пробабилистические оценки рисков были усовершенствованы с целью учета событий, которые бросают вызов сдерживанию способами, не рассмотренными ранее, включая отключение станций, аварии на нескольких объектах и сейсмические наводнения оборудования безопасности. Агентство по ядерной энергии ОЭСР опубликовало обширные отчеты о производительности систем сдерживания в тяжелых аварийных условиях, которые служат справочным материалом для обновлений национальных правил.

Заглядывая вперед: будущее ядерных систем сдерживания

Фукусима не дискредитировала концепцию сдерживания; она продемонстрировала свою необходимость и осветила пробелы в проектных предположениях, которые когда-то считались экстремальными. Инженерное сообщество теперь понимает, что сдерживание должно не только выдерживать нагрузки на проектную основу, но и сохранять функциональную эффективность во время событий, которые превышают эти нагрузки с большим отрывом. Продолжаются исследования сверхнадежных сдерживающих устройств для передовых реакторов, включая высокотемпературные реакторы с газовым охлаждением и конструкции расплавленной соли, которые включают в себя топливные формы, которые сопротивляются плавлению. Даже в реакторах с легкой водой модульные методы строительства позволяют использовать двухстальные бетонные композиционные стены, которые поглощают удар и избыточное давление при сохранении герметичного барьера. Мониторинг в режиме реального времени с использованием волоконно-оптических датчиков, встроенных в защитные стены, становится стандартным, позволяя обнаруживать напряжение или растрескивание, прежде чем оно станет критическим.

Регулирующие органы во всем мире приняли принцип, что сдерживание должно быть «практически устранено» как режим большого раннего выпуска. Обновленная политика NRC США теперь требует от лицензиатов продемонстрировать, что даже во время серьезной аварии отказ сдерживания не приведет к неустранимому, крупному выпуску. Это привело к модернизации и изменениям конструкции во всем флоте. Например, многие заводы BWR в Соединенных Штатах модернизировали свои системы сдерживания для удовлетворения нового правила 10 CFR 50.44 (c) (3) (ii), требуя фильтрованных вентиляционных отверстий, способных работать в течение по крайней мере 24 часов без питания за пределами площадки.

Наследие Фукусимы - более комплексный подход к проектированию системы сдерживания, проверке и готовности к чрезвычайным ситуациям. Отчет об аварии Фукусимы (FLT:0) МАГАТЭ остается ключевым техническим справочником, и фонер NRC (FLT:1) документирует последующие нормативные изменения. Хотя ни один барьер не может быть совершенно неуязвимым, технический прогресс с 2011 года значительно снизил вероятность катастрофического высвобождения и продлил время, доступное для ответа. Поскольку мировое ядерное сообщество рассматривает новую волну строительства реактора, с трудом заработанные уроки Фукусимы гарантируют, что структуры сдерживания будут сильнее, умнее и лучше интегрированы в многоуровневую философию безопасности, чем когда-либо прежде.