Безопасность за счет конструкции

В 1942 году под трибунами спортивной площадки Чикагского университета впервые была осуществлена самоподдерживающаяся ядерная цепная реакция. Графитовые блоки со вставками урана были уложены в деревянном каркасе в «поленницу» — ядерный реактор. Сверху на веревке был подвешен стрежень аварийной защиты, а рядом стоял человек в защитной одежде, готовый перерубить веревку топором в случае непредвиденных обстоятельств. Тогда стержни бы упали в активную зону реактора, тем самым остановив цепную реакцию. Этот человек был воплощением первой в мире системы обеспечения ядерной безопасности.

В последующие десятилетия безопасность оказывала влияние на эволюционные усовершенствования реакторов — от прототипов в 1950-е годы и коммерческих энергетических реакторов 1960-х годов до усовершенствованных конструкций, появившихся в 1990-е годы. Современные реакторы имеют конструкции и системы, обеспечивающие высокий уровень безопасности, а человек с топором остался далеко в истории.

В новое поколение ядерных реакторов входят как некоторые уже находящиеся в эксплуатации реакторы, так и конструкции реакторов, которые еще только предстоит воплотить в жизнь. МАГАТЭ подразделяет усовершенствованные ядерные реакторы на эволюционные и инновационные, при этом в обоих типах учитываются уроки, извлеченные из ядерной аварии на АЭС «Фукусима-дайити» в 2011 году. Эволюционные реакторы основаны на совершенствовании существующих конструкций с сохранением проверенных конструктивных особенностей, в то время как в инновационных реакторах используются новые технологии.

Большинство эволюционных реакторов являются работающими и уже подключенными к сетям. Основополагающий подход к безопасности этих реакторов по сравнению с обычными реакторами основывается на применении расширенной стратегии глубокоэшелонированной защиты с большим упором на присущие этим реакторам внутренние характеристики безопасности и пассивные функции при уменьшении зависимости от действий оператора в целях минимизации риска возникновения аварий.

Инновационным реакторам присущи радикальные изменения с точки зрения использования теплоносителей, топлива, эксплуатационных условий и конфигураций систем. Предполагается, что некоторые инновационные концепции будут внедрены в ближайшие 10–20 лет.

«С технологической точки зрения [инновационные реакторы] сильно отличаются, потому что, как правило, они не используют в качестве теплоносителя воду», — рассказывает начальник Секции развития ядерно-энергетических технологий МАГАТЭ Стефано Монти. Он также добавляет, что с физической точки зрения другие теплоносители в свою очередь меняют способ отбора тепла и способ создания и поддержания реакции деления ядра.

Например, усовершенствованные реакторы на быстрых нейтронах с натриевым, свинцовым или свинцово-висмутовым теплоносителем, а также газоохлаждаемые быстрые реакторы используют нейтроны с гораздо более высокой энергией, чтобы вызвать деление. Реакторы на быстрых нейтронах предназначены для повышения эффективности использования топлива и, следовательно, сокращения количества радиоактивных отходов высокого уровня активности. «С точки зрения безопасности риски, связанные с их эксплуатацией, находятся на очень низком уровне в результате сокращения как самой вероятности аварий, так и их радиологических последствий», — говорит начальник Секции оценки безопасности МАГАТЭ Веселина Рангелова. В информационной системе МАГАТЭ по усовершенствованным реакторам представлены подробные технические сведения и информация о безопасности для всех этих типов усовершенствованных реакторов.

Первые в мире усовершенствованные малые модульные реакторы (ММР) были введены в эксплуатацию в прошлом году в России, и многие инновационные ММР находятся в процессе разработки с планами внедрения в краткосрочной перспективе. Во всем мире есть около 70 концепций и проектов ММР, их них две — в Аргентине и Китае — находятся на продвинутых стадиях сооружения реакторов.

Системы безопасности

Уроки, извлеченные из фукусимской аварии, привели к значительному ужесточению международных требований безопасности, которые следует учитывать в конструкции усовершенствованных реакторов, чтобы вероятность возникновения аварии с серьезными радиологическими последствиями была крайне низкой, а если авария все же произошла, то радиологические последствия можно было практически устранить. 

В рамках проверки концепции ММР требуется провести демонстрацию эффективности фундаментальных функций безопасности (управление реактором, охлаждение активной зоны и локализация реактивности) на основе разработки и оценки стратегий глубокоэшелонированной защиты.

Например, американская компания «НьюСкейл Пауэр» спроектировала ожидаемый к вводу в 2027 году модульный легководный реактор, в котором в единый блок объединены парогенератор и теплообменник. «Основная проблема с точки зрения безопасности, существующая у действующих ядерных ректоров, связана главным образом со способностью отводить остаточное тепло (радиоактивного распада) и поддерживать реактор в охлажденном состоянии, — делится директор по вопросам регулирования в компании «НьюСкейл Пауэр» Кэрри Фосааен. — Конструкция станции компании «НьюСкейл Пауэр» включает в себя более простые системы, что исключает необходимость использования сложных конфигураций, которые в настоящее время требуются на действующих ядерных установках».

Учитывая характер инноваций, внедрение пассивных и других инновационных функций безопасности создает трудности с точки зрения регулирования. Регулирующим органам поручено проверять заявления проектировщиков о безопасности, а для оценки новых проектов могут быть необходимы дополнительные исследования и анализ.

«Для демонстрации безопасности конструкции требуется всесторонняя оценка всех состояний установки — нормальная эксплуатация, ожидаемые при эксплуатации события и аварийные условия. На этой основе можно установить способность конструкции выдерживать внутренние и внешние события и продемонстрировать эффективность функций характеристик безопасности, включая аварийное планирование, — объясняет Рангелова. — Несмотря на то, что инновационные конструкции являются многообещающими, они должны пройти дополнительную строгую оценку безопасности со стороны регулирующего органа и процесс лицензирования, что окажет поддержку их использованию и внедрению».

Технологически нейтральная основа обеспечения безопасности

МАГАТЭ оценивает степень, в которой существующие нормы безопасности МАГАТЭ могут быть применены к инновационным технологиям. «Наши нормы безопасности являются технологически нейтральными. При этом в основном они были разработаны с использованием опыта эксплуатации реакторов, большинство из которых являются водоохлаждаемыми реакторами», — добавляет Рангелова. Хотя нормы по сути являются нейтральными, их осуществление применительно к некоторым или всем типам ММР может различаться.

«Есть пробелы, для заполнения которых нам потребуется разработать дополнительные руководящие материалы или вспомогательные документы, которые позволят применять эти нормы к инновационным технологиям», — говорит Рангелова. МАГАТЭ планирует опубликовать Доклад по безопасности в отношении применимости норм безопасности МАГАТЭ к технологиям ММР в 2022 году.