Как энергоснабжение способствует безопасности и надежности атомных электростанций

Атомные электростанции являются одними из самых сложных и критически важных для безопасности промышленных объектов, когда-либо построенных. Их безопасная эксплуатация зависит от бесчисленных взаимосвязанных систем, но ни одна из них не является более фундаментальной, чем инфраструктура электроснабжения. Электричество является источником жизненной силы атомной станции - оно питает системы управления реакторами, насосы охлаждающей жидкости, системы аварийного охлаждения ядра, клапаны изоляции сдерживания, контрольные приборы и все оборудование, связанное с безопасностью. Любое прерывание, даже на несколько секунд, может поставить под угрозу барьеры, предназначенные для предотвращения выброса радиоактивного материала. По этой причине системы электроснабжения на атомных станциях спроектированы с чрезвычайной степенью надежности, с несколькими уровнями избыточности, строгим нормативным надзором и строгими режимами испытаний. В этой статье исследуется, как эти энергетические системы спроектированы, поддерживаются и способствуют общей безопасности и надежности производства ядерной энергии.

Классификация безопасности энергоснабжения

В атомных электростанциях электрические системы классифицируются по их значению для безопасности. Первичная система классификации, используемая в США и многих других странах, основана на правилах IEEE 308 и NRC. Поставки электроэнергии и связанные с ними компоненты обозначаются как класс 1E, если они необходимы для безопасного отключения, аварийного охлаждения или сдерживания радиоактивного материала. Эти системы должны соответствовать самым высоким стандартам качества, избыточности, независимости и квалификации, чтобы противостоять предполагаемым авариям, включая сейсмические события, наводнения, пожары и экстремальные условия окружающей среды.

Класс 1E Системы

Системы питания класса 1Е включают аварийные дизель-генераторы, стационарные батареи, источники бесперебойного питания (ИБП) и их распределительные панели, которые питают нагрузки, связанные с безопасностью. Они должны быть спроектированы с физическим и электрическим разделением от систем, не связанных с безопасностью, чтобы предотвратить сбои общего характера. Например, два избыточных поезда класса 1Е часто расположены в отдельных зданиях или пожарных зонах, каждый со своим дизель-генератором, аккумулятором и ИБП. Это гарантирует, что одно событие, такое как пожар, ракета турбины или разрыв трубы, не может отключить оба поезда. Сами электрические цепи маршрутизируются в защищенных трубопроводах или гоночных трассах, и их кабели квалифицированы для огнестойкости и суровых условий.

Системы, не обеспечивающие безопасность и баланс растений

Системы энергоснабжения, не связанные с безопасностью, обслуживают обычные нагрузки на установки, такие как освещение, вентиляция (за исключением HVAC, связанных с безопасностью), охлаждающие вышки и насосы для циркулирующей воды. Хотя они не требуются для удовлетворения строгой квалификации класса 1E, они все же должны быть надежными для экономической эксплуатации. Потеря мощности, не отвечающей требованиям безопасности, может привести к поездкам на установки, но не к проблемам безопасности. Однако зависимость систем безопасности от поддержки безопасности (например, служебная вода для охлаждения дизель-генератора) тщательно проверяется, чтобы гарантировать, что ни один отказ не распространяется.

Основная мощность: внешние и локальные источники

Основным источником энергии для работы атомной станции является сеть передачи за пределами площадки. Как правило, две или более независимых автономных цепей подключены к распределительной станции станции, каждая из которых способна обеспечить полную загрузку станции. Эти схемы маршрутизируются по различным правам пути, чтобы уменьшить вероятность одновременной потери от общего погодного события или возмущения сети. NRC требует, чтобы в нормальных условиях станция могла полагаться на внешнюю мощность для всех функций безопасности, и что авария с потерей охлаждающей жидкости (LOCA) может быть смягчена резервной мощностью, если сеть выходит из строя.

Несмотря на эти меры, мощность за пределами площадки может быть потеряна из-за разломов линий, штормов, нестабильности сети или преднамеренного сброса нагрузки. В редких случаях, таких как авария на Фукусиме в 2011 году, сильное землетрясение и цунами уничтожили несколько за пределами площадки одновременно. Вот почему резервная мощность на месте является абсолютной необходимостью.

Системы аварийного резервного питания

Атомные станции используют многоуровневый подход к аварийной мощности, начиная с высокоскоростных дизель-генераторов и заканчивая батареями и ИБП для управления переходом. Философия проектирования заключается в том, что ни один отказ, ни одно одновременное снижение мощности за пределами станции не должны препятствовать достижению и поддержанию безопасного отключения.

Аварийные дизельные генераторы

Каждый ядерный блок обычно имеет от двух до четырех аварийных дизель-генераторов (ЭДГ), каждый размер которых предназначен для подачи всех связанных с безопасностью нагрузок (например, аварийные охладительные насосы, спрей для сдерживания, необходимая охлаждающая вода и вентиляция диспетчерской). Общие конфигурации включают в себя два ЭДГ емкостью 100% или четыре блока емкостью 50%, обеспечивающие избыточность N + 1 или N + 2. Генераторы запускаются отдельными системами запуска воздуха или батареями и должны быть в состоянии достичь номинальной скорости и напряжения в течение нескольких секунд после события потери мощности на месте. Топливное масло хранится на месте в выделенных, сейсмически квалифицированных резервуарах, как правило, достаточно для по крайней мере семи дней непрерывной работы (более в новых конструкциях). ЭДГ тестируются под нагрузкой ежемесячно, а также периодически проходят испытания полной нагрузки и моделируемые события отключения.

Некоторые передовые установки также включают газотурбинные генераторы или установки с двойным топливом (дизель / природный газ) в качестве различных альтернатив. Разнообразие снижает риск сбоев в обычном режиме, например, если проблема качества топлива влияет на дизельное топливо, турбина все еще может работать.

Батареи станции

Сразу после потери мощности за пределами установки и в течение времени, необходимого для запуска и синхронизации дизель-генераторов (обычно 10-30 секунд), электрические нагрузки переносятся стационарными батареями. Эти батареи также поставляют критические нагрузки, требующие мощности постоянного тока, такие как защитные реле, катушки с автоматическим выключателем и контроллеры системы безопасности. Большинство атомных станций используют большие свинцово-кислотные батареи вентилируемого или регулируемого клапаном типа (VRLA), предназначенные для номинального периода разряда от 2 до 8 часов в зависимости от конструкции установки. Никель-кадмиевые батареи обеспечивают более длительный срок службы и лучшие характеристики при холодной температуре и были приняты на некоторых новых установках. Емкость батареи контролируется с помощью периодических испытаний разряда, специальных измерений силы тяжести и расширенного отслеживания импеданса. Адекватное состояние батареи имеет важное значение, потому что даже короткая потеря мощности постоянного тока может вызвать неправильное функционирование оборудования безопасности.

Бесперебойные источники питания (UPS)

Для нагрузок, чувствительных к переходным напряжениям, отклонениям частоты или даже кратковременным перебоям в подаче электроэнергии — таких как цифровые системы управления, системы защиты реакторов и приборы отображения безопасности — системы ИБП станции преодолевают разрыв между питанием от батареи и мощностью генератора. Типичные ядерные ИБП используют двухконверсионную онлайн-топологию: вход переменного тока корректируется до постоянного тока, который заряжает батарею и поставляет инвертор; инвертор непрерывно восстанавливает чистый выход переменного тока. Это изолирует критические нагрузки от любых возмущений сетки. Системы ИБП включают статический шунтирующий переключатель для обслуживания и электромеханический шунт для безопасности. Они требуют тщательного тестирования и часто избыточны отдельными блоками ИБП для каждого подразделения безопасности.

Принципы проектирования для непревзойденной надежности

Помимо выбора оборудования, философия проектирования источников питания на атомных станциях регулируется несколькими фундаментальными принципами:

Нормативно-правовые и отраслевые стандарты

Надежность ядерного энергоснабжения не оставлена только проектировщикам установок; она предписана строгими стандартами и соблюдается национальными регулирующими органами. В Соединенных Штатах NRC требует, чтобы установки соответствовали общему критерию проектирования (GDC) 17, который предписывает на месте электрическую систему с достаточной независимостью, мощностью и надежностью. Специфика прописана в стандарте IEEE 308 (Силовые системы класса 1E) и руководствах по регулированию (например, Руководство по регулированию 1.9 для EDGs). На международном уровне стандарты безопасности МАГАТЭ (SSG-34) и IEC 61226 обеспечивают аналогичное руководство. Заводы проходят периодические вероятностные оценки риска (PRA), чтобы гарантировать, что потеря вне площадки плюс вся аварийная мощность (так называемое отключение станции) имеет частоту ниже 1×10 5 в год реактора. Это стимулирует значительные инвестиции в устойчивость энергетической системы.

Внешние ресурсы, обеспечивающие дальнейшую глубину, включают:
NRC 10 CFR 50.63: Требования к отключению станции
IAEA SSG-34: Проектирование электрических энергетических систем для атомных электростанций
IEEE 308-2019: Стандарт для энергетических систем класса 1E

Тестирование, техническое обслуживание и постоянное улучшение

Система электроснабжения так же надежна, как и ее последнее испытание. Атомные станции проводят обширную программу наблюдения, чтобы подтвердить, что каждый резервный компонент будет выполняться при вызове. Для аварийных дизель-генераторов это включает в себя:

Станционные батареи подвергаются ежеквартальным замерам удельных сил тяжести, ежегодным испытаниям на разрядку до заданного напряжения (при этом все еще подают жизненно важные нагрузки) и периодическим проверкам емкости. Системы ИБП имеют испытания на нагрузку и автоматические испытания на передачу. Любой сбой исследуется, корректируется и может привести к изменениям конструкции или процедурным изменениям. Все испытания документируются и пересматриваются СРН и независимыми надзорными органами.

Кроме того, опыт эксплуатации заводов по всему миру передается через отраслевые группы, такие как INPO и WANO. Уроки, извлеченные из таких событий, как пожар на пароме Браунс, который повредил кабельные лотки, или отключение станции Фукусима, включены в обновленные требования к физическому разделению, защите от тяжелых внешних событий и добавлению портативного аварийного оборудования (например, переносные дизельные насосы и генераторы, хранящиеся на более высокой земле).

Уроки, извлеченные из опыта работы

Авария на Фукусиме в 2011 году стала переломным моментом для надежности ядерного энергоснабжения. Потеря мощности за пределами площадки из-за землетрясения, а затем цунами, которое затопило и отключило EDG и батареи на месте, привела к длительному отключению станции, что привело к расплавлению ядра. В ответ регулирующие органы во всем мире санкционировали дополнительные разнообразные и гибкие стратегии (например, FLEX в США), которые включают постоянно установленное резервное оборудование, а также портативные насосы и генераторы, которые могут быть развернуты, даже если все стационарные системы потеряны. Заводы теперь также хранят дополнительные батареи, обеспечивают закаленные вентиляционные отверстия для сдерживания и защищают оборудование безопасности от затопления за пределами проектной основы.

Другие события также привели к улучшениям. В 1975 году пожар на Браунс-Ферри выбил силовые кабели, связанные с безопасностью, для нескольких систем, продемонстрировав уязвимость общих кабельных лоток. Это привело к строгим требованиям разделения огня. В 1986 году отказ дизель-генератора на заводе Дэвис-Бессе из-за дефектного регулятора напряжения подчеркнул необходимость тщательной квалификации компонентов и регулярных испытаний. Каждый инцидент усиливает то, что системы электроснабжения должны постоянно переоцениваться против новых угроз.

Новые технологии и будущие тенденции

По мере развития ядерной промышленности с усовершенствованными легкими реакторами и малыми модульными реакторами (SMRs) также развивается конструкция источника питания. SMRs часто включают пассивные функции безопасности, которые уменьшают зависимость от активных энергетических систем - например, естественное охлаждение циркуляции устраняет необходимость в больших аварийных насосах. Однако они по-прежнему полагаются на батареи, ИБП и часто дизельные генераторы для защиты и управления реакторами. Некоторые конструкции SMR используют интегрированные электрические системы с меньшим количеством, но очень надежных компонентов. Кроме того, использование цифровых приборов и систем управления требует высококачественной мощности с очень низкой гармоникой и быстрым переходным откликом, стимулируя спрос на современные ИБП с функциями качества мощности, такими как активная фильтрация.

Растет также интерес к альтернативным источникам энергии для резервного копирования, таким как водородные топливные элементы, которые могут обеспечить длительное резервное копирование без логистики ископаемого топлива, или микросетям, которые могут вывести станцию из аварийной сети. Некоторые объекты изучают гибридные аккумуляторные системы (литий-ион для высокой мощности, свинцово-кислотная энергия) для улучшения цикла и срока службы. Однако любая новая технология, входящая в приложение ядерной безопасности, должна пройти строгую квалификацию, чтобы соответствовать тем же стандартам надежности, что и существующие компоненты.

Заключение

Поставки электроэнергии являются невоспетой основой безопасности каждой атомной электростанции. От массивных аварийных дизель-генераторов, которые могут питать небольшой город, до точных ИБП, которые поддерживают цифровые системы защиты, работающие на чистой энергии во время неисправности, каждый элемент спроектирован, испытан и регулируется, чтобы обеспечить потоки электроэнергии к оборудованию безопасности, когда это необходимо больше всего. Приверженность ядерной промышленности к защите в глубине, избыточности, разнообразию и непрерывному обучению из опыта эксплуатации гарантирует, что системы электроснабжения вносят позитивный вклад в общую безопасность и надежность ядерной энергетики. По мере появления новых конструкций реакторов и изменения ландшафта угроз фундаментальный принцип остается: безопасная ядерная энергия требует надежной энергии.

Для дальнейшего чтения, обратитесь к следующим авторитетным источникам:
Руководства по регулированию NRC для энергетических систем
Программа ядерной энергетики EPRI - Электрические системы