Читать статью 'Поиск исходных событий для оценки безопасности операций по перегрузке ядерного топлива на АЭС' в журнале Программные системы и вычислительные методы на сайте nbpublish.com
Рус Eng За 365 дней одобрено статей: 1628,   статей на доработке: 220 отклонено статей: 300 
Библиотека
ваш профиль

Вернуться к содержанию

Программные системы и вычислительные методы
Правильная ссылка на статью:

Поиск исходных событий для оценки безопасности операций по перегрузке ядерного топлива на АЭС

Мальцева Надежда Константиновна

кандидат технических наук

доцент, Университет ИТМО

197101, Россия, г. Санкт-Петербург, Кронверкский проспект, 49

Maltseva Nadezhda Konstantinovna

PhD in Technical Science

associate professor of the Department of Technogenic Security Systems and Technologies at ITMO University (Saint Petersburg National Research University of Information Technologies, Mechanics and Optics)

197101, Russia, St. Petersburg, str. Kronverkski Prospect, 49

nkmaltseva@hotmail.com
Другие публикации этого автора
 

 
Попова Валерия Олеговна

магистр, кафедра Систем и технологий техногенной безопасности, Университет ИТМО

197701, Россия, г. Г санкт-Петербург, ул. Кронверкский Проспект,, 49

Popova Valeriya Olegovna

Master's Degree, the department of Systems and Technologies of Techtogenic Safety, ITMO University; Engineer "Diakont" Ltd

197701, Russia, g. G sankt-Peterburg, ul. Kronverkskii Prospekt,, 49

lerapopova236@gmail.com
Сыров Александр Александрович

инженер, АО "Диаконт"

197101, Россия, г. Г санкт-Петербург, ул. Учительская, 2

Syrov Aleksandr Aleksandrovich

Engineer, "Diakont" Ltd

197101, Russia, g. G sankt-Peterburg, ul. Uchitel'skaya, 2

stts@diakont.com

DOI:

10.7256/2454-0714.2022.1.19323

Дата направления статьи в редакцию:

29-05-2016


Дата публикации:

05-01-2022


Аннотация: Актуальность выбранного вопроса, а именно, безопасность операций по перегрузке ядерного топлива (РБМК), связана с особенностями эксплуатации блоков РБМК. Одним из самых опасных, с точки зрения аварийности на современных АЭС, является процесс перегрузки ядерного топлива. Во время проведения операций по перестановке топливных кассет существует риск повреждения топлива, и, как следствие, вероятность выхода радиоактивных веществ за допустимые пределы. Процесс перегрузки РБМК при нахождении реактора на мощности состоит из очень большого количества сложных операций, характеризующихся множеством параметров. Несоблюдение критериев выполнения операций, выход значений параметров за допустимые диапазоны с большой вероятностью может привести к аварии. В настоящей статье рассматривается возможность применения формализованного подхода для выявления исходных событий, которые могут привести к возникновению аварий, с целью формирования необходимого и достаточного набора защит. Формальный подход позволит определить избыточность в наборах защит на действующих блоках, а так же поможет выявить аварийные ситуации, защиты для которых не предусмотрены. Разработан системный подход, позволяющий полноценно оценить аварийность структурно-сложных систем. Адаптация метода применительно к РЗМ позволила систематизировать поиск исходных событий, приводящих к нежелательным событиям и, как следствие, позволяет оптимизировать количество защит, что приведет к повышению надежности работы системы, а также упрощает процесс эксплуатации и может уменьшить время рабочего цикла контроллера на обработку защит.


Ключевые слова: перегрузка ядерного топлива, эксплуатация блока, водо-водяной энергетический реактор, канальный реактор, исходное событие, экспертное мнение, Атомная электростанция, формальный подход, анализ безопасности, метод HAZOP

УДК:

621.039.566

Abstract: The relevance of the topic of the safety of nuclear refueling operations is associated with the specificity of exploitation of RBMK units. One of the most hazardous, from the perspective of accidents at modern nuclear power plants, is the process of nuclear fuel reloading. The operations on rearrangement of fuel cartridges entail the risk of fuel damage, and thus, the likelihood of the release of radioactive substances exceeding the permissible limits. The process of reloading RBMK, if the reactor is at full capacity, consists of the vast number of complex operations characterized by a range parameters. Non-observance of the criteria for carrying out operations, or if the parameter values exceed permissible limits, with high probability leads to an accident. This article explores the possibility of application of formalized approach towards determination of the baseline events that may cause accidents for the purpose of the development of essential protection instruments. The formal approach would allow detecting the excessiveness in protection instruments on the existing blocks, as well as revealing the accident situations that cannot be prevented using these protection instruments. The author formulated systemic approach towards comprehensive assessment of the accident rate of structurally complex systems. Adaptation of this method relative to REM allows systematizing the search for baseline vents that entail uncontrolled situations, as well as optimizing the protection instruments that would ultimately enhance reliability of the system, simplify the exploitation process, and reduce the time of operating cycle of the controller for processing of the protection.



Keywords:

expert commentary, initiator, High Power Channel-type Reactor, Water-Water Energetic Reactor, unit operation, refueling, Atomic Power Station, token approach, plant safety analysis, HAZOP method

         В настоящее время в нашей стране, в основном, эксплуатируется два типа реакторных установок: водо-водяные энергетические реакторы (ВВЭР) и канальные реакторы большой мощности (РБМК). Два типа реакторов имеют принципиальные отличия с точки зрения основных принципов работы [1, 7].

         Актуальность выбранного вопроса, а именно, безопасность операций по перегрузке ядерного топлива (РБМК), связана с особенностями эксплуатации блоков РБМК. Одним из самых опасных, с точки зрения аварийности на современных АЭС, является процесс перегрузки ядерного топлива. Во время проведения операций по перестановке топливных кассет существует риск повреждения топлива, и, как следствие, вероятность выхода радиоактивных веществ за допустимые пределы.

         Перегрузка топлива на реакторах типа РБМК происходит, в том числе, во время нахождения реактора на мощности (в среднем происходит замена 2-3 кассет в сутки), в отличие от ВВЭР, где для этого реактор останавливают, что делает процесс перестановки кассет на РБМК еще более опасным. Процесс перегрузки РБМК при нахождении реактора на мощности состоит из очень большого количества сложных операций, характеризующихся множеством параметров. Несоблюдение критериев выполнения операций, выход значений параметров за допустимые диапазоны с большой вероятностью может привести к аварии.

         Для повышения безопасности и уменьшения вероятности повреждения топлива существуют защиты. В настоящее время в практике эксплуатации АЭС защиты формируются на основе экспертного мнения [2, 3, 5].

         В настоящей статье рассматривается возможность применения формализованного подхода для выявления исходных событий, которые могут привести к возникновению аварий, с целью формирования необходимого и достаточного набора защит. Формальный подход позволит определить избыточность в наборах защит на действующих блоках, а так же поможет выявить аварийные ситуации, защиты для которых не предусмотрены.  

         Для достижения поставленных целей, необходим системный подход, позволяющий полноценно оценить аварийность структурно-сложных систем.

         Большинство методов анализа безопасности технически сложных систем основано на том, что возможные виды отказов оборудования или опасные отклонения формируются на основе знаний и опыта исследователя. В некоторых случаях такой подход вносит существенный субъективизм в результаты выполнения анализа безопасности.

         Для уменьшения субъективизма при выполнении анализа безопасности и формализации процедуры определения исходных событий предлагается использовать метод HAZOP.

         Метод HAZOP [8] был разработан в 60-ые годы прошлого века и представляет собой систематический поиск опасных состояний оборудования. В основу метода HAZOP положено понятие «путь изменения» и «наводящее слово». Под путем изменения понимается физическое перемещение механизмов оборудования от точки А к точке В или переход от одного состояния к другому (см. рисунок 1).

Рисунок 1 - Понятия о пути изменения

         Наводящее слово – слово или группа слов позволяющие стимулировать поиск возможных отклонений параметров технологического процесса на каком-либо конкретном пути изменения. Примеры наводящих слов и их значений приведены в таблице 1 [1].

Таблица 1. Пример наводящих слов и их значения

Наводящее слово

Значение

НЕТ (или НИЧТО)

Ни одна из целей проекта не достигнута

БОЛЬШЕ (более, выше)

Количественное увеличение

МЕНЬШЕ

Количественное уменьшение

ТАКЖЕ КАК (более чем)

Происходит качественное изменение или дополнительная работа

ЧАСТЬ (чего-либо)

Только некоторые из целей проекта достигнуты

ВОЗВРАТ

Логически противоречит целям проекта

ИНОЕ

Полная замена – имеет место другая работа

ГДЕ ЕЩЕ

Относится к потокам, переходам, источникам, местам назначения

ДО / ПОСЛЕ

Относится к порядку последовательности

РАНО / ПОЗДНО

Временные оценки, отличающиеся от ожидаемых

БЫСТРЕЕ / МЕДЛЕННЕЕ

Шаг выполнен быстрее или медленнее, чем было намечено

         Сочетание наводящих слов с конкретными параметрами оборудования, характерными для рассматриваемого пути изменения, позволяют генерировать возможные отклонения в состоянии оборудования (см. таблица 2).

Таблица 2. Наводящие слова, примененные к параметрам процесса

 и позволяющие описать реальные отклонения [4, 8]

Параметр оборудования

Наводящие слова, способные дать имеющую смысл комбинацию

Расход (поток)

Не больше, чем; меньше, чем; возврат; где-то; также, как.

Температура

Выше, ниже

Давление

Выше, ниже, вакуум

Уровень

Нет, выше, ниже

Смещение

Меньше, больше, никакого

Реакция

Выше (скорость), ниже (скорость), отсутствует, обратная; такая же, как

Фаза

Другая, обратная; такая же, как.

Состав

Часть; такой же, как.

Передача информации

Нет, часть, больше, меньше, иная; такая же, как.

         Была осуществлена адаптация метода HAZOP применительно к РЗМ. Разгрузочно-загрузочная машина (РЗМ) (см рис. 2) предназначена для перегрузки работающего или остановленного реактора РБМК.

Рисунок 2 - Разгрузочно-загрузочная машина

         Горизонтальное наведение РЗМ осуществляется с помощью моста и тележки. Мост передвигается вдоль центрального зала по подкрановым путям, размещенным на высоте 11 метров от пола зала. Тележка крана передвигается по мостовым путям поперек центрального зала. Сочетание взаимного перемещения моста и тележки позволяет выводить РЗМ в любую точку зала. На тележке установлена неподвижная биологическая защита, выполненная в виде контейнера, в котором установлен скафандр РЗМ. В нижней части контейнера смонтирована подвижная биологическая защита, перекрывающая зазор между контейнером и полом центрального зала.

         Выполнение перегрузки с использованием РЗМ можно представить следующим образом. РЗМ с загруженной кассетой для постановки в ТК наводится на канал, стыкуется с ним. Затем  в скафандре с помощью насоса поднимается давление. Далее выполняется разгерметизация канала и извлечение кассеты из ТК в свободный пенал магазина. С помощью механизма поворота магазина над каналом устанавливается пенал с загружаемой кассетой в ТК. После постановки кассеты в канал выполняется герметизация ТК пробкой.

         По завершении проверки качества герметизации РЗМ расстыковывается с каналом и переводится к бассейну выдержки топлива, куда выгружается извлеченная из реактора кассета.

         Анализ HAZOP применительно к РЗМ включает решение следующих задач.

         Задача 1. Анализ технологических операций, выполняемых с использованием РЗМ, определение состояние РЗМ  и возможных путей изменения .

         При определении состояний РЗМ  необходимо придерживаться следующих правил:

- неизменность физических параметров системы (давление, температура и т.д.);

- неизменность состояния механизмов в части наличия движения;

- неизменность состояния системы в части заданных оператором параметров и режимов управления.

         При изменении текущего состояния система переходит в следующее состояние, характеризующееся путем изменения.

         При определении возможных путей изменения  необходимо придерживаться следующих правил.

         Переход РЗМ из одного состояния в другое характеризуется плавным или скачкообразным изменение одного или нескольких параметров. В рамках анализа HAZOP нужно стремится к тому, чтобы рассматривать как можно более короткие пути изменения. В общем случае рекомендуется рассматривать пути изменения, связывающие соседние в порядке выполнения технологического процесса состояния. Пример возможных путей изменения состояния РЗМ:

 - перемещение моста, тележки на гнездо тренажерного стенда (ТС);

 - стыковка с гнездом ТС;

 - поворот пустого магазина;

 - перемещение пустого захвата вниз;

- отвинчивание пробки;

 - перемещение захвата со свежим топливом вверх

 - расстыковка с каналом.

- перемещение пустого захвата вниз и захватывание кассеты

 - отвинчивание пробки (разгерметизация ТК)

 - перемещение захвата с отработавшим топливом вверх и т.д.

         Задача 2. Анализ путей изменения и формирование возможных отклонений.

         Для решения этой задачи предлагается сгруппировать параметры и определить характерные отклонения для них. В общем случае набор параметров РЗМ должен быть разбит на группы. Например, группа «Давление» включает давление в скафандре, барабан-сепараторах и в канале реактора. Анализ условий работы РЗМ позволил выделить для каждой группы параметров характерные и наиболее опасные отклонения (см. таблицу 4).

Таблица 3.

Группа параметров

Возможные отклонения

Давление

Превышение допустимого значения, отсутствие изменения, отклонение от заданного

Усилие

Несоответствие заданному состоянию захвата, превышение допустимого значения

….

...

Задача 3.  Результаты должны быть оформлены в виде таблицы 4.

Таблица 4.

Путь изменения

Возможные отклонения

Последствия отклонений

Отвинчивание пробки (разгерметизация ТК)»

Несанкционированное опорожнение стыковочного патрубка (падение давления в стыковочном патрубке)

Нарушение баланса давления в канале и стыковочном патрубке может привести к повреждению кассеты и РЗМ

Перемещение захвата с отработавшим топливом вверх

Несанкционированное увеличения усилия на захвате

Повреждение кассеты в результате «затирания» в канале

….

         На современных блоках РБМК в системах автоматического управления РЗМ предусмотрено порядка 63 технологических операций, которые позволяют осуществить процесс перегрузки. Такие операции состоят из множества действий с большим количеством параметров. Адаптация метода применительно к РЗМ позволила систематизировать поиск исходных событий, приводящих к нежелательным событиям и, как следствие, позволяет оптимизировать количество защит, что приведет к повышению надежности работы системы, а также упрощает процесс эксплуатации и может уменьшить время рабочего цикла контроллера на обработку защит.

Библиография
1.
Аветисян А.Р., ‎Пащенко А.Ф., Пащенко Ф.Ф., Пикина Г., ‎Филиппов Г. Теплогидравлические модели оборудования электрических станций. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2013. 448 с.
2.
Гуменюк В.И., Сыров А.А., Федосовский М.Е., Фокин Г.А. Вероятностный анализ безопасности транспортно-технологического оборудования перегрузки ядерного топлива // Научно-технические ведомости СПбГПУ. 2009. № 2(78). C. 98–102.
3.
Гуменюк В.И., Сыров А.А., Федосовский М.Е., Фокин Г.А. Оценка уязвимости транспортно-технологического оборудования перегрузки ядерного топлива // Информация и космос. 2009. № 4. С. 94-100
4.
Дейв Макдональд. Промышленная безопасность, оценивание риска и системы аварийного останова / Д. Макдональд, Л. Хвилевицкий, А. Серебрянский. М.: Группа ИДТ, 2007. 416 с.
5.
Дунаев В.И., Копьев Ю.В., Первушин Л.А., Федосовский М.Е., Шерстобитов А.Е. Способ управления опасным технологическим процессом с нестационарными объектами. Патент РФ № 2335025. G21D3/00. 30.05.2007. Опубл. 27.09.2008, Бюл. № 27. 33 с.
6.
Махутов Н.А., Резников Д.О. Оценка уязвимости технических систем и ее место в процедуре анализа риска // Проблемы анализа риска. 2008. Т. 5. № 3. С. 72-85.
7.
Родионов В.Г. Энергетика: проблемы настоящего и возможности будущего. М.: ЭНАС, 2010. 352 с.
8.
Trvor Kletz. HAZOP and HAZAN.-Rugby: IChemE, 2006. 256 p. http://printed.e-notabene.ru/img/save.pn
References
1.
Avetisyan A.R., ‎Pashchenko A.F., Pashchenko F.F., Pikina G., ‎Filippov G. Teplogidravlicheskie modeli oborudovaniya elektricheskikh stantsii. M.: FIZMATLIT, 2013. 448 s.
2.
Gumenyuk V.I., Syrov A.A., Fedosovskii M.E., Fokin G.A. Veroyatnostnyi analiz bezopasnosti transportno-tekhnologicheskogo oborudovaniya peregruzki yadernogo topliva // Nauchno-tekhnicheskie vedomosti SPbGPU. 2009. № 2(78). C. 98–102.
3.
Gumenyuk V.I., Syrov A.A., Fedosovskii M.E., Fokin G.A. Otsenka uyazvimosti transportno-tekhnologicheskogo oborudovaniya peregruzki yadernogo topliva // Informatsiya i kosmos. 2009. № 4. S. 94-100
4.
Deiv Makdonal'd. Promyshlennaya bezopasnost', otsenivanie riska i sistemy avariinogo ostanova / D. Makdonal'd, L. Khvilevitskii, A. Serebryanskii. M.: Gruppa IDT, 2007. 416 s.
5.
Dunaev V.I., Kop'ev Yu.V., Pervushin L.A., Fedosovskii M.E., Sherstobitov A.E. Sposob upravleniya opasnym tekhnologicheskim protsessom s nestatsionarnymi ob''ektami. Patent RF № 2335025. G21D3/00. 30.05.2007. Opubl. 27.09.2008, Byul. № 27. 33 s.
6.
Makhutov N.A., Reznikov D.O. Otsenka uyazvimosti tekhnicheskikh sistem i ee mesto v protsedure analiza riska // Problemy analiza riska. 2008. T. 5. № 3. S. 72-85.
7.
Rodionov V.G. Energetika: problemy nastoyashchego i vozmozhnosti budushchego. M.: ENAS, 2010. 352 s.
8.
Trvor Kletz. HAZOP and HAZAN.-Rugby: IChemE, 2006. 256 p. http://printed.e-notabene.ru/img/save.pn

Результаты процедуры рецензирования статьи

Рецензия скрыта по просьбе автора