Благодаря достижениям в области материаловедения и технологий преимущества АЭС как поставщика экологически чистой энергии становятся еще весомее

Последние достижения в области материаловедения и технологий помогают продлить срок службы атомных электростанций, благодаря чему страны могут и далее пользоваться их преимуществами в плане получения экологически чистой энергии.

«Стоимость модернизации АЭС для обеспечения ее долгосрочной эксплуатации намного ниже, чем стоимость строительства новой станции, — говорит Эд Брэдли, руководитель группы по вопросам эксплуатации и инженерно-технической поддержки АЭС в МАГАТЭ. — Долгосрочная эксплуатация АЭС — это отличный вариант повышения устойчивости существующего парка ядерных генерирующих мощностей, который является одним из наиболее экономически выгодных источников низкоуглеродной электроэнергии. По сравнению с тем, что мы имели в прошлом, благодаря современным материалам и технологиям этот вариант становится более привлекательным и конкурентоспособным для многих стран, которые стремятся ограничить выбросы углекислого газа». 

Большинство ядерных энергетических реакторов изначально создавались в расчете на срок эксплуатации порядка 30–40 лет. Продление срока службы АЭС предполагает оценку текущего состояния станции и вынесение заключения по поводу того, может ли ее работа быть продолжена безопасным, надежным и экономичным образом сверх ее предполагаемого срока вывода из эксплуатации. Когда срок службы станции продлен, ее эксплуатация, как правило, может продолжаться еще в течение 20–40 лет.

«Учитывая, какая масштабная и тщательная работа проводится на этапах выбора и начальной подготовки площадки, проектирования и сооружения АЭС, а также в процессе управления старением на протяжении всего срока эксплуатации, когда предпринимаются определенные шаги по модернизации и переоборудованию, многие АЭС способны безопасно функционировать еще долгое время после того, как закончится изначально установленный для них срок эксплуатации», — поясняет старший сотрудник МАГАТЭ по вопросам ядерной безопасности Роберт Кршиванек. Тем не менее, по его словам, на некоторых АЭС присутствуют определенные элементы и проектные решения, которые не могут быть модернизированы достаточно легко или без лишних затрат, что подразумевает их непригодность для долгосрочной эксплуатации.

Одной из основных проблем, связанных со старением ядерного энергетического реактора, является ухудшение характеристик. В процессе эксплуатации станции ее конструкции и элементы должны выдерживать воздействие высоких температур, неблагоприятных условий и непрерывного режима работы, что со временем может приводить к их износу.

«Частично устранить последствия ухудшения характеристик помогает регулярная оценка состояния и замена деталей, однако со временем этот подход может оказаться экономически нецелесообразным, особенно в случае долгосрочной эксплуатации», — говорит г‑н Брэдли.

Новые методы и материалы

Развитие новых методов, таких как лазерная сварка и сварка трением с перемешиванием, а также применение таких материалов, как дуплексная нержавеющая сталь, которая обладает большей устойчивостью к коррозии, допускает возможность безопасного использования некоторых элементов в течение более долгого времени, тем самым повышается экономическая целесообразность продления срока эксплуатации АЭС.

Кроме того, у исследователей появляется более полное предоставление о том, как разные условия эксплуатации на АЭС могут влиять на состояние тех или иных элементов и конструкций. Например, в случае расположенных в Онтарио, Канада, реакторов CANDU, которые вводились в строй в период с 1970 под 1993 год, благодаря материаловедческим исследованиям и обследованию элементов станции удалось обеспечить безопасную эксплуатацию некоторых из них в течение еще 10 лет после окончания их расчетного срока службы в 30 лет. Реализация программы восстановительного ремонта с бюджетом 18,5 млрд долларов США позволит дополнительно продлить срок эксплуатации еще на один цикл продолжительностью до 40 лет. Это значит, что некоторые станции, которые были сооружены еще в 1980‑х годах, будут безопасно эксплуатироваться вплоть до 2060-х годов.

«Наши реакторные установки создавались в то время, когда у нас еще не было большого опыта работы с АЭС, и изначально закладываемый в наши проекты срок службы был рассчитан исходя из консервативных оценок и составлял 30 лет, — рассказывает Фред Дермаркар, президент и генеральный директор Группы владельцев реакторов CANDU, отраслевого объединения операторов АЭС из семи стран, где используются реакторы CANDU. — По мере нашей работы с этими установками мы получали представление об их особенностях и понимали, как идет их процесс старения, и теперь мы можем в полной мере оценить выгоду от продолжения их эксплуатации в долгосрочной перспективе».

Г‑н Дермаркар также объяснил, как благодаря последним достижениям в области материаловедения можно предсказывать изменение свойств материалов через много лет в будущем. «В реакторах CANDU для охлаждения топлива используются технологические каналы, представляющие собой трубы высокого давления. С учетом условий, которые формируются внутри реактора, под воздействием сильного нейтронного потока, высокой температуры и давления свойства труб высокого давления со временем меняются. Для предсказания изменений, например вызываемых коррозией, мы начали изучать облученные трубы высокого давления, которые были извлечены из действующих реакторов. Мы применили способы для искусственного ускорения коррозионных процессов и провели всесторонние испытания для определения свойств материалов, из которых эти искусственно состаренные элементы были изготовлены. Таким образом, мы можем установить, насколько большим ресурсом обладают эти элементы. Выполняя исследования в лаборатории с прицелом на перспективу, мы обеспечиваем себе уверенность в том, что эти элементы продолжат безопасно и надежно работать вплоть до момента их планового ремонта», — добавил он.

Ядерная энергетика и анализ больших данных

Сегодня исследователи изучают также варианты использования технологий «больших данных» для того, чтобы оценить и обосновать целесообразность долгосрочной эксплуатации АЭС. Термин «большие данные» используется сегодня для обозначения анализа чрезвычайно сложных и обширных массивов данных, накапливаемых с большой скоростью, а часто и в режиме реального времени, в целях выявления определенных тенденций и закономерностей и прогнозирования тех или иных результатов и характера изменений.

В течение длительного срока эксплуатации АЭС собираются миллионы элементов данных по измеряемым параметрам эксплуатации станции, в числе которых данные журналов эксплуатации, реакторных измерений и отчетов о событиях. Выполняя глубинный анализ этих данных с помощью программного обеспечения для работы с ядерными большими данными, исследователи могут предсказывать, используя инструменты моделирования, как именно будет происходить старение конструкций, систем и элементов при различных условиях, и определять, какие именно из них нуждаются в замене и когда эта замена должна быть произведена.

«Большие данные — это не какие-то технологии будущего, это применяется уже сегодня и получает все большее распространение, — говорит г‑н Дермаркар. — Наши станции проходят модернизацию и оснащаются все большим количеством измерительных приборов, которые имеют портативное исполнение и могут легко быть установлены, где необходимо, позволяя нам собирать данные и заранее просчитывать возможные проблемы, чтобы заблаговременно предпринять корректирующие меры. Мы уже видим ощутимые выгоды: сегодня показатели работы наших станций лучше, чем когда-либо за всю их историю».

Одно из направлений деятельности МАГАТЭ — это ориентирование стран в вопросах долгосрочной эксплуатации АЭС. МАГАТЭ разрабатывает признаваемые на международном уровне нормы безопасности, выпускает руководящие указания в форме своих технических публикаций, таких как «Ageing Management for Nuclear Power Plants: International Generic Ageing Lessons Learned (IGALL)» («Управление старением атомных электростанций: Международная программа по общим урокам, связанным со старением (ИГАЛЛ)») и поддерживает обмен опытом в рамках независимых экспертных миссий по рассмотрению аспектов безопасности долгосрочной эксплуатации (САЛТО). Кроме того, МАГАТЭ координирует деятельность рабочей группы, состоящей из представителей операторов, регулирующих и директивных органов со всего мира, которые обсуждают примеры из своего опыта и обмениваются положительной практикой.

«Главная сложность в связи с долгосрочной эксплуатацией заключается в том, что нужно поддерживать соответствие самым строгим нормам безопасности и причем делать это экономно, — считает Гарри Г. Янг, руководитель службы продления лицензий в компании «Энтерджи Ньюклеар» и председатель рабочей группы МАГАТЭ по вопросам долгосрочной эксплуатации. — Наша рабочая группа постоянно изучает возможности, касающиеся обеспечения эффективности и безопасности, а также распространения информации о результатах и достижениях в этой области. Это делается для того, чтобы соответствующие исследования и разработки могли принести всем сторонам наибольшую выгоду».