автореферат диссертации по энергетике, 05.14.16, диссертация на тему:Вероятностный анализ безопасности АЭС с учетом сейсмического фактора

_ _ Ив npetex рукппш ы

РГ6 од

ВУТОРИН CT.PI ЕП ЛЕОПИДОВИЧ

ВЕРОЯТНОСТНЫЙ ЛПАЛИ'1 ЬЕЮПАСНОСТИ А )СС

УЧЕТОМ СЕЙСМИЧЕСКОГО ФАКТОРА ( ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕА.Ш 1АЦИЯ СИСТЕМНОГО ПОДХОДА )

Специальность 95.14. К - Тпннчккм с|кшм к «ктоли нпшты

окружившей среди (промышленность )

АВТОРЕФЕРАТ лиегер танин на соискание ученой степени доктора технических наук

(анкт-Петервург IW7

Paóom »uiiu.imchu а АО Вссрасснйскнй научна - исследовательский HHCiHiyit ni i|iuirxHUKH ни. К.Е. Всдсиееаа и icccowiawM проектном и научио-нсслс.тоаакльскам uiii'iiii)ic коьшлексиой тмергегачаской технологии ЯШШМ')Т ( Голоаиойинс1М1)1 )

Официальные MuiuucMibi:

Дикюр технических наук, профессор Гвмжн Л.Ф.

Доктор тшпспи наук, лауреат иргииа ^аантальегаа РФ Судш.чш А. А

Доктор фшнко-матемагачеосих наук, ufificcnp IIIхин*», К Н.

■едуима upúmnaua: Рмса1»«А научный шеигр " Курчатовский HUClHiyi"

{»шик cucieuic« " ■1И1 г. час. на межданим

шнирпщмошюго coacta Д. МЗ.М.О* арм CI14 1Т> но адресу

1*3251, ( аш.1-Петер6ур|, Полятехническаа ул., д. I*. пристройка к тдрокарлусу, ауд. 411.

Oiu.uu на aanptftpar ■ даух мпемнларах, маеренные ikhiiuq, просим напраалать на нма учен«* секретаре Соасга па укатанному ищи адресу.

Лиюрсфсраг ратосми '-Sí.

Ученый секре|арь

дисссрiauHouMoiв ( sacia К.Т.Н., проф.

R.T. Орлоа

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Повышение безопасности эксплуатации атомных станций в последнее десятилетие приобрело первостепенное значение и решение этой важном народнохозяйственной задачи во многом определяет дальнейшие пути развития атомной энергетики.

В настоящее время общепризнанно, что атомные станции относятся к наиболее ответственным с экономической, экологической и социальной точек эриния объектам и обеспечению их надежности и безопасности должно быть уделено первостепенное внимание. Безопасность станции (в частности ядерная и радиационная) рассматривается как ее самостоятельное свойство, которой обеспечивается своими особыми средствами не только в условиях нормальной эксплуатации, а главное - в аварийных ситуациях и при чрезвычайных событиях природного типа или - технологического характера: землетрясениях, падениях самолета, пожарах и тому подобное.

Радиационная безопасность АЭС и, в конечном итоге, защита окружающей среды от распространения в ней радионуклидов, накопленных в процессе работы реактора, . обеспечивается соответствующими конструктивными решениями энергетической установки и станции, а так же комплексом технических и организационных мероприятий. Важнейшим, этапом этих мероприятий является оценка прочности и надежности конструкций АЭС, образующих инженерный комплекс средств защиты окружающей среды (барьеров безопасности и обслуживающих их систем) с учетом возможных землетрясений - задачи, методы решения которой во многом отличаются от традиционных способов, применяемы* для промышленных и гражданских объектов.

Актуальность и сложность учета сейсмических воздействий применительно к АЭС связана прежде всего со следующими основными обстоятельствами:

- особая ответственность объекта;

- особое значение оборудования для обеспечения условий безопасной эксплуатации и охраны окружающей среды;

- существенная роль случайных и неопределенных факторов;

- возможность возникновения отказов по общим причинам (комплексных последствий землетрясений), и как результат - неэффективность традиционных способов и средств защиты, ориентированных главным образом на внутренние

аварии;

- о необходимости детального изучения проблемы свидетельствуют также кйыстрофические последствия ряда сильных землетрясений за последнее десятилетие-как у нас, так и за рубежом

Все вышеперечисленное подтверждает важность разработки подобной комплексной методологии и для других сложных и ответственных инженерных обьектов.

Цель диссертационной работы - разработка системного подхода и методов его практической реализации для вероятностного анализа безопасности атомных станций с учетом сейсмического фактора.

Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи

• разработана методология вероятностного анализа безопасности АЭС с учетом сейсмических воздействий,, основанная на анализе выполнения техническими средствами защиты окружающей среды во время и после прохождения землетрясений требуемых функций по обеспечению безопасности,

- выполнен анализ роли и места сейсмического фактора при выполнении ьеротностных оценок безопасности АЭС , предложены способы учета сшхастических зависимостей между элементами ( системами) и выбора моделей сейсмических воздействий на сооружения АЭС;

- предложены прикладные методики оценки надежности грунтовых оснований, строительных конструкций и технологического оборудования сооружений в составе атомных станций с учетом эксплуатационных и сейсмических нагрузок,

- выполнен комплекс расчетно-теоретических исследований по получению количественных оценок надежности отдельных . систем и характерных сооружений ( элементов барьеров безопасности и обслуживающих их систем ) с учетом сейсмического "фактора,

; выполнен вероятностный анализ влияния землетрясений на безопасность двух типов АЭС с водным теплоносителем первого контура

Научная новизн» исследований заключается • решении важной

народнохозяйственной задачи - разработке общей методологии и практических

*

методов . прогнозирования влияния землетрясений на безопасность аюмны» станций. Научный вклад автора заключается в следующем

1) разработаны методические основы для вероятностного анализа безопасности АЭС с учетом всех возможных за срок ее эксплуатации на конкретно^ площадке строительства землетрясений,

2) решен ряд задач, описывающих динамическое взаимодействие сооружения с грунтовым основанием при наличии случайных факторов с использованием апробированных моделей сейсмического процесса и системы сооружение - основание;

3) разработаны методики оценки надежности грунтовых оснований строительных конструкций и оборудования при сейсмических воздействиях, основанные на развитии линейно-спектрального ( нормативного ) подкола и предложена методика оценки степени повреждаемости конструкций в ряэулыято землетрясений с использованием метода предельного равновесия.

4) применительно к АЭС РБМК получены количественные оценки , надежности трубопроводов первого контура ( второго барьера безопасности ) с:

учетом сейсмических воздействий,

5) выполнена оценка надежности некоторых характерных систем технического водоснабжения атомных ст?нций при возможных землетрясениях,

6) для двух типов АЭС ( с канальным реактором РБМК - 1500 и корпусным реактором ВВЭР - 1000 ) с использованием конкретной сейсмологической и геологической информации, разработанного подхода и методик оценен возможный вклад землетрясений в интегральные показатели безопасности

Практическая ценность диссертации заключается в следующем

- на основе системного подхода разработана общая методология получения вероятностных оценок безопасности атомных станций с учетом сейсмического фактора ,

полученные решения уравнений, описывающих динамическое взаимодействие сооружения с основанием с учетом случайных факторов позволяют получать сравнительные оценки надежности в условиях существенной неполноты исходной информации,

- разработаны методики оценки надежности основных подсистем сооружений с учетом сейсмических воздействий, (соторые могут быть использованы совместно с

распространенными вычислительными комплексами ( МИРАЖ, ДРАКОН, COSMOS. ANSVS и др ),

- разработана методика вероятностного анализа влияния как сейсмического, гак и иных возможных динамических факторов на множественное повреждение каналов уран-графитовых реакторов,

- оценено влияние землетрясений на надежность основных трубопроводов контура многократной принудительной циркуляции РБМК - 1500.

• получены количественные оценки надежности двух систем. TBC АЭС позволяющие проанализировать преимущества того или иного технического усовершенствования с точки зрения повышения безопасности станции,

- получены количественные вероятностные оценки безопасности с учетом сейсмических воздействий для двух блоков АЭС ралпичного типа, позволяющие научно обосновано выбрать пути, методы, инженерные и организационные мероприятия для снижения негативного влияния землетрясений на безопасность АЭС. риск для населения и окружающей среды

Основные результаты тучных исследований были использованы при разработке проектов, исследовании и планировании мероприятий по повышению безопасности таких станций как Ленинградская. Смоленская, Игналинская АЭС с реакторами РБМК, Запорожская АЭС с реактором ВВЭР-1000 и ряде других объектов атомной энергетики и промышленности Отдельные результаты теоретических и расчетных исследований были также использованы при выполнении ряда международных проектов по Внебюджетной программе МАГАТЭ." Безопасность проектных решений РБМК " Комиссии Европейского сообщества на третьей фазе проекта " БАРСЕЛИНА " по вероятностному анализу безопасности Игналинской АЭС и при расширенном анализе безопасности той же станции, выполненному в 1995-96 гг '

В коллективе соавторов - сотрудников ГИ ВНИПИЭТ опубликованы техническое пособив РД 8 14-84 " Обобщенные спектры ускорений реакторного отделения атомной станции с реактором РБМК-1500 " ( Препринт ВНИПИЭТ, Л 1984 ) и Руководство по безопасности для термоядерного (омплекса ИТЭР Requirements for asseismemt of seismic impact for ITER complex ( Safety guide )" ( VNIPIET. S-Pb , 1995)

Апробация работы Основные результаты диссертационной работы неоднократно обсуждены и одобрены на ряде Всесоюзных, российских, отраслевых и международных конференциях и совещаниях "Динамика оснований фундаментов и подземных сооружений " ( Нарва. 1985). " Повышение надежности энергетических сооружений при динамических воздействиях" ( ДЭС-87, Москва. 1987 и ДЭС-95, С • Петербург. 1995). " Сейсмостойкость энергетических сооружений " ( Усть-Нарва 1988), " Химическая технология и вопросы надежности эксплуатации "( Ленинград, 1988) " Dynamik of structures -89 " ( Карловы Bapp. Чехословакия 1989 ), SMiRT • 11 ( Токио Япония ). советско - английском семинаре " Применение теории риска в оценке сейсмостойкости АЭС " ( Балаковская АЭС. 1991). научно-технической конференции Ядерного общее iBa в 1993 г ( H Новгород ). Международных консультативных совещаниях по Внебюджетной программе МАГАТЭ ( Десногорск Смоленская АЭС. 1992 Москва январь и октябрь 1994. Сосновый Бор Ленинградская АЭС, 1995 ) Совещании руководителей рабочих , групп МП " Безопасность проектных решений и эксплуатации АЭС с реакторами РБМК " ( Москва. 1992 ) и совещаниях рабочих групп по этому проекту ( Снечкус, Литва Игмалинская АЭС. 1993. Рим. Италия, 1993, Хельсинки. Финляндия, 1994, Мссква.1995. Сосновый Бор, Ленинградская АЭС, 1995),Международном семинаре " Уроки Чернобыля Технические аспекты "( Десногорск, Смоленская АЭС) и ряде других

Публикации По теме диссертации автором опубликовано свыше 35 научных

работ

Объем работы Диссертация состоит из введения, восьми глав . выводов 195 использованных источника Работа содержит страниц текста, включая таблицы и 21 рисунок

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении определены актуальность темы, цели и задачи исследования, а также дана краткая характеристика работы и основных полученных результатов Порвая глава посвящена анализу литературы по проблеме исследования

Анализ безопасности атомных станций и обеспечение охраны окружающей срнды населения и персонала АЭС от неконтролируемых недопустимых выбросов радиоактивных веществ' является одной из самых важных задач атомной .)Н1*рге1ики, решение которой во.многом определяет ее дальнейшее существование Мдпрмон и радиационная безопасность станции, рассматриваемая как ее самостоятельное свойство, обеспечивается заложенными ' в ядерную зм(.-|)1 ыическую установку концепциями, конструктивными решениями сооружений в , остаае АЭС и комплексом соответствующих технических и организационных мероприятии

В настоящее время анализ надежности и безопасности АЭС • молодой, с ложный и недостаточно разработанный раздел теории надежности, которому посвящена обширная быстро растущая литература Основы теории надежности AMC (оставляет синтез представлений и методов теории надежности конструкции и к;ории надежности сложных систем, т.е. объединение традиционных методов ци-чыа сооружении ( статических, динамических, температурных и т д. ) с методами теории вероятностей Различным аспектам проблемы анализа надежности -инструкций и сооружений посвящены работы Н.Ф Хоциалова, Н С Стрелецкого, и II Ьологима Б.И . Беляева. А Р.Ржаницына, Н.Н.Ермолаева. В В Михеева IIД Раизера. А.С.Пронникова, Г.Аугусти, А Баратта и других авторов Хорошо изучены системы, имеющие сетевую структуру. Этим вопросам посвящены работы К 1'аиншке И А Ушакова, А Д Епифанова, К.Капура, Л.Ламберсона. Э Хенли и др Различные подходы для учета стохастических связей между элементами при построении и реализации схем оценки надежности сложных конструкций предложены, например, А А.Кузнецовым, Л И. Волковым. А П.Кудзисом

Вероятностная методология прогнозирования безопасности АЭС предложенная в работах А И Клемина и Дж. Расмусена получила свое дальнейшее ра-шитие применительно к отечественным АЭС в исследованиях О Ь Самойлова В А Острейковското Л В Константинова, Р Т Исламова. Ю В Швырнева Эта методология включает в себя следующие основные этапы

- определение вероятностей исходных'событий ( аварий ), .

- анализ надежности систем безопасности,

- анализ состояния и степени повреждения источников радиоактивных

продуктов,

« /

- анализ распространения продуктов деления по помещениям станции и оценку их выхода в окружающую среду;

- исследование распространения радионуклидов по биосферным каналам и . в конечном итоге, оценку индивидуального и коллективного риска для населения на основе концепции предельно допустимого облучения.

■ Подобного рода поход для получения вероятностных оценок безопасности АЭС сейчас широко применяется в той или иной мере практически для всех типов эксплуатируемых или проектируемых станций как в России, так и за рубежом, сложившись а определенную схему выполнения вероятностных анализов безопасности различных уровней. При этом считается, что процедура количественной оценки выхода радионуклидов за пределы АЭС- является достаточно хорошо отработанной, если известна степень повреждения барьеров безопасности. Основы теории миграции радионуклидов по биосферным каналам были предложены в работах С.Ф.Азерьянова, Ф.Н.Бочевера, . Я.Бера, В.А.Мироненко, И.И.Крышевз, А.Е.Шейдингера и др. В работах, например,. Н.С.Бабаева и Р.М.Алексахина описаны также модели анализа миграции радиоактивных рзществ по биологическим и пищевым цэпочкам, ведущим к человеку. '

Одним из ответственных этапов а мероприятиях по анализу и обеспечению безопасности АЭС является оценка прочности и надежности конструкций станции с учетом возможных землетрясений Результаты этой оценки, выполняемой главным образом расчетно-теоретическими методами, позволяют прогнозировать степень повреждения комплекса инженерных средств защиты окружающей среды АЭС и обслуживающих его систем при основных и особых сочетаниях нагрузок и воздействий. Они являются необходимой исходной информацией для анализа возможного распространения радионуклидов за пределы станции и получения достоверной оценки общего риска. .

Методы теории вероятностей широко используются в инженерной сейсмологии для описания параметров движения грунта, сейсмических режимов и т.п. Различные подходы для этого были предложены в работах М.Ф.Барштейна, В.В, Болотина, Ф.Ф.Аптикаева, Я.М.Айэенберга, Ш.Г.Напетваридзе, М.Хаузнерч, К.Канаи, Ц. Ломница, Н.Ньюмарка, Э.Розенблюта и других.

За последние два десятилетия сформировался достаточно традиционный подход к анализу и обеспечению сейсм зстойкости атомных станций, который нашел свое отражение как в ныне действующей в РФ системе нормативных документов, так и в рекомендациях МАГАТЭ. В нем присутствует ряд вероятностных элементов, например, при выборе сочетаний нагрузок и воздействий, но анализ прочности, устойчивости и т.п. конструкций с учетом сейсмических нагрузок как правило выполняется детерминистическими методами. В то же время ряд подходов к оценке надежности и безопасности АЭС и сооружений в ее составе и их компонент (грунтовых - оснований, свайных фундаментов, строитепьных конструкций, оборудования и т.д.) получил свое развитие в работах С.Г.Шульмана, А.Н.Бирбраера, Р.Кеннеди, К.Корнелла, Р.Батниза и других авторов. Известен также ряд исследований по количественной оценке вклада возможных землетрясений определенной интенсивности в частоту возникновения проектных аварий для некоторых конкретных эксплуатируемых станций. Однако, как показывает анализ литературы, учет сейсмического фактора при выполнении вероятностных анализов безопасности уникальных сложных природно-технических объектов типа АЭС недостаточен и носит весьма ограниченный характер. Решения этой проблемы Требует системного подхода и развития соответствующих методологических и методических аспектов.

Во второй глава рассмотрена предлагаемая методология вероятностной оценки безопасности АЭС с учетом сейсмических воздействий, основанная на концепции приемлемого риска

Интегральными показателями надежности и безопасности таких сложных объектов как АЭС является вероятность выполнения ряда требуемых функции за весь срок эксплуатации с учетом всех возможных за этот^ериод времени событий и воздействий. Вероятностный анапиз безопасности АЭС с учетом землетрясений необходимо проводить, исходя из реальных ( прогнозируемых ) сейсмических и инженерно-герлогических особенностей площадки строительства, принимая во внимание как характерные технологические особенности самой реакторной установки и обслуживающих ее систем, так и примтые конструктивные решения для различных сооружений в составе АЭС, т.е. рассматривая . все элементы, образующие систему многобарьерной защиты окружающей среды Для решения

этой задачи может быть предложена следующая единая последовательность исследований: . '

• • построение деревьев событий для АЭС при сейсмических воздействиях;

- построение блок-схем надежности для станций в целом (или вероятностной модели безопасности) на основе предъявления требования выполнения в полном или частном объем«* ряда функций, { например, безопасности ) с учетом возможных причинно-следственных связей между ними;

- определение на базе имеющейся информации вероятностных характеристик воздействия, материалов сооружений, оснований, оборудования и т.п.; '

- определение надежностей (или вероятностей отказов) все;, элементов входящих в блок-схему в целом;

- определение интегральных вероятностных показателей безопасности станции с учетом сейсмических воздействий (как вероятностей выполнения ряда требуемых функций); в зависимости от срока службы сооружений, оборудования и т.д., а также интенсивностей и периодов повторяемости землетрясений возможных на площадке строительства за этот срок.

Так как в выполнении требуемых функций участвует целый ряд систем, расположенных в различных сооружениях на фунтовых основаниях (или свайных фундаментах), связанных в свою очередь между собой инженерными коммуникациями (трубопроводы различного назначения, кабельные системы и т.п.), надежность каждого из сооружений в свою очередь определяется тг емя основными величинами:

- вероятностью выполнения условий прочности для фунтовых оснований (свайных фундаментов); »

- вероятностного выполнения условий прочности и герметичности ,(в требуемом объеме) строительных конструкций;

вероятностного сохранения работоспособности, устойчивости, герметичности и т.д. расположенного в сооружениях оборудования, . обеспечивающего выполнение требуемых функций.

Отправной точкой для анализа сейсмостойкости станции служит предположение о возможной вероятности того или иного вида аварии- либо

отклонения в работе, например, оборудования вследствие сейсмического фактора. Надежность АЭС Н^з,. определятся как

• HLc=1-¿P(A,)P(H¡uc/Aj) , (1) '

где Р(А,) - вероятность события А| (j=1,2,...,n); PtHijo/А() -вероятность отказа АЭС при событии А(; Н^ - надежность станции при событии А(; •

Если все рассматриваемые события А| являются следствием действия. сейсмического фактора, то величина Н^ в ( 1 ) определяется надежности АЭС при землетрясениях интенсивностью I, баллов. Соответственно, для потока из к землетрясений интегральная вероятностная оценка сейсмостойкости определяется по формуле полной вероятности. Необходимо обра* чть внимание, что в- случае рассмотрения последствий сейсмических воздействий, события A¡ имеют более широкий физический .смысл, чем рассматриваемые при традиционных вероятностных оценках безопасности исходные события.

При воздействии на сооружение станции землетрясения изменяется напряженно-деформированное состояние всех его подсистем- грунтовых оснований, строительных конструкций, технологических- элементов, коммуникаций между зданиями и т.д. С одной стороны, расширяется спектр исходных событий-последствий землетрясений, которые необходимо учитывать при корректной вероятностной оценки их сейсмостойкости. С другой - возникает целый ряд новых источников зависимых отказов, обусловленных возможными отказами оснований, -падением частей строительных конструкций и оборудования, колебаниями сооружения. Наряду с этим нельзя исключать из рассмотрения возможность возникновения' дополнительных экстремальных исходных событий, таких как пожары или затопления в помещениях (или на площадке строительства), которые могут являться следствием отказов оборудования, строительных конструкций, гидротехнических сооружений. Дополнительным источником отказов может быть нарушения в инженерных коммуникациях. Характерно, что данный тип отказов может привести как к практически немедленной потере требуемых функций (ранний

отказ), так и к той же потере спустя какое-то определенно время после прохождения

i

землетрясения (отказ с запаздыванием). Приведенные выше рассуждения иллюстрирует укрупненное дерево отказов для сооружения на рис. 1.

Coo/)ywe/ir¿/9 £ со cm ¿7fe

£

//>yumo£¿/f oc/sofcA'c/p

C/v^oi/^e/fifi/e

Технологическое

1

Рис. /. Дере ¿o о/п*озо£ л/а землеггрвсеки&х â/jp caú/iy^reMi/j? fcoc/nofe ¿99C. о

При построении вероятностных моделей безопасности ( ВМБ ) АЭС все последствия сейсмических воздействий, которые могут повлиять на безопасность эксплуатации, можно разделить на следующие пять основных.классов:

1 класс последствий - запроектные (тяжелые) аварии, связанные с непосредственным повреждением активной зоны, приводящие к плавлению топлива, повреждению других источников радиоактивных продуктов, ведущие к выходу последних в биосферные каналы и т.д.;

2 класс последствий - запроектные (тяжелые) аварии вызванные отказами (повреждениями) систем важных для безопасности, (включая возможное сочетание с другими событиями) в размерах, не предусмотренных техническими проектом энергоустановки;

3 класс последствий* - проектные авариГ тые ситуации (вплоть до максимальной проектной), рассматриваемые при разработке технического обоснования безопасности энергоустановки; '

4 класс последствий - повреждение или отказ элементов систем безопасности, ведущие к потере одного или нескольких каналов безопасности или к потере какой либо функции безопасности (повреждение или отказы элементйв технических средств защиты);

5 класс последствий - нарушение нормальных условий эксплуатации АЭС.

Такая классификация исходных событий позволяет на этапе качественного

анализа учета возможного влияния сейсмического фактора на безопасность АЭС

выполнять анализ последствий землетрясений для каждого из сооружений в <

отдельности, определять характерные исходные события, а затем проводить группирование этих событий и их возможных сочетаний для всего энергоблока в целом.

Анализ роли и места учета сейсмического фактора при выполнении вероятностных оценок безопасности различных уровней показывает, что такой учет приводит к расширению границ подобных исследований и фактически неизменным по своему составу будет являться анализ внестанционного риска, основанный на исследовании распространения радионуклидов по биосферным каналам. В связи с этим для каждого этапа жизненного цикла АЭС был определен требуемый объем вероятностного анализа возможного влияния землетрясений. Выполнение подобных оценок в сочетании с проведением традиционных процедур

вероятностного ' анализа безопасности различных уровней позволяет как исследовать относительную опасность сейсмического фактора для рассматриваемой площадки строительства и данного типа АЭС, так и, в конечном итоге - проанализировать влияние сейсмических воздействий на общий риск для природно-технической системы АЭС-окружающая среда.

Ввиду того что сейсмические воздействия могут являться одной из центральных причин множественных отказов, в рамках выполненной работы предложены возможные способы учета' статистической зависимости между элементами механических систем, обусловленной воздействием землетрясений на все сооружения на площадке строительства АЭС; проанализирована возможность применения некоторых наиболее распространенных параметрических моделей для количественной оценки вероятностей отказов по общей причине элементов и систем

Этап выбора моделей сейсмических воздействий на сооружения АЭС является одним из основных первых шагов в процессе анализа влияния землетрясений на безопасность атомных станций. Определение вероятностных моделей таких воздействий на сооружения предлагается проводить на основе набора (наборов ) исходных акселерограмм для площадки строительства и полной по вероятности кривой сейсмического риска для описания на ней сейсмических режимов. При этом вероятностные характеристики кинематических параметров движения фунта во время землетрясений определяются в соответствии с имеющейся исходной сейсмологической информацией ( территориальной, региональной или детальной).

В третьей главе рассмотрен ряд задач динамического взаимодействия сооружения с основанием с учетом случайного характера параметров как самого сейсмического воздействия, так и рассматриваемой системы.

Наиболее общие предлагаемые схемы оценки надежности сооружений при сейсмических воздействиях обычно основываются на представлении этих воздействий в виде случайного процесса, решении соответствующих задач статистической динамики и определении функции надежности как вероятности пребывания системы в допустимой области в" течении заданного интервала времени. Практическая реализация такого подхода связана с определенными трудностями из. - за неполноты информации о параметрах воздействия,

л

сооружения и основания, громоздкости вычислений и т п В тоже время, необходимость прогнозирования надежности сооружений АЭС с учетом сейсмического фактора возникает уже на начальных этапах проектирования станции, т.е в условиях, с одной стороны, существенной неполноты исходной информации о параметрах воздействия, с другой - при наличии достаточно общих критериев надежности ( например, максимально допустимые крены реакторного отделения, максимально возможные ускорения передающиеся на оборудование, максимально допускаемые перемещения отдельных сооружений и т.п. ). При определении сейсмически* нагрузок для массивных и жестких сооружений типа зданий ядерных энергетических установок необходимо учитывать взаимодействие сооружения с основанием. Численное решение частных динамических задач, позволяющих , честь сложную геометрию сооружений и основания на данном этапе ерчд ли целесообразно,- а зачастую и практически не возможно Одним из путей преодоления возникающих трудностей является применение, с одной стороны, простейших стохастических моделей сейсмического воздействия (белый шум. экспотенциально-коррелированный процесс, модели огибающей сейсмического процесса, предложенные В В Болотиным и М Ф Барштейном и др ), с другой - применение а качестве расчетных достаточно простых моделей, которые описывают основные особенности динамического взаимодействия сооружения с основанием. ( жесткий штамп, линейный неконсервативный осциллятор, многомассовая система на одномерной линейно-улругои однородной или двухслойной полуплоскости) случайные параметры которых можно считать, например, распределенными по нормальному закону

Характер стохастического взаимодействия сооружения с основанием может быть изучен, если известны моментные характеристики случайного процесса Х(1), описывающего движение системы основание - сооружение под действием случайного кинематического воздействия ц (I), моделирующего сейсмическое воздействие Для их определения необходим^) решить задачу об интегральном преобразовании ц (I) со случайной весовой функцией Ь зависящей от айда дифференциальных уравнений, описывающих движение системы.

С использованием аналитических решений о распространении аолн напряжений ( продольных или поперечных ) в одномерной полубесконечной

полуплоскости, было выполнено построение моментных характеристик процесса X (Ц для выбранных моделей сооружения и основания >и ряда известных моделей воздействия. На основе полученных решений и применения элементов теории выбросов была предложена общая схема оценки надежности системы сооружение - основание.

Подобный подход может быть использован при выполнении сравнительных вероятностных оценок (. выбор площадки строительства, выбор типа сооружения, варианты размещения на площадке и т.д. ) в условиях существенной неполноты исходной информации как о воздействии, так и о системе сооружение - основание. В ряде случаев, полученные аналитические выражения позволяют получить и полезные вероятностные оценки сейсмостойкости технологического оборудования, позволяющие выполнить на качественно новом уровне сравнение вариантов компоновки внутри сооружения, предварительный выбор типа оборудования и так далее. Кроме того, применение подобного рода моделей сейсмического воздействия, • сооружения и основания позволяет изучить основные особенности стохастического взаимодействия, например, массивных и жестких сооружений с основанием, оценить влияние разброса основных параметров на характер этого взаимодействия и уточнить нагрузки, передающиеся на основание от Сооружения при сейсмическом воздействии.

Четвертая гоаяа работы посвящена методикам оценки надежности фунтовых оснований и строительных конструкций сооружений- с учетом сейсмического фактора.

Для фунтовых оснований, свайных фундаментов, строительных конструкций и т.п. выводы об их сейсмостойкости делаются, как правило, на основе линейно-спектральных методик, положенных в основу ныне действующей системы Строительных- норм и правил. Поэтому определенный интерес представляет разработка методик вероятностной оценки сейсмостойкости подобных подсистем сооружений, основанных на развитии кваз1*статического подхода, т.е. рандомизации известных нормативных условий.

Задача оценки надежности, например, фунтовых оснований зданий й сооружений сводится к построению функций надежности Р и вычислению вероятности отказа как некоторой функции от параметров воздействия и

\

основания Проектирование грунтовых оснований с учетом сейсмического фактора выполняется на основе расчета по несущей способности , исходя из условия

' ВиШсФ-Кк = РгО, ( 2 )

где М0 - вертикальная составляющая нагрузки, (?н д коэффициент запаса, шс - коэффициент условий работы, зависящий от грунтов основания и регламентируемый нормами, Р имеет смысл резерва прочности.

Решение задачи об определении вероятности выполнения условий по несущей способности для основания распадается на три части:

- определение нагрузок, действующих на основание и их вероятностных характеристик;

- определение несущей способности осн<эвания и ее характеристик как случайного параметра;

- определение вероятности выполнения условий прочности в зависимости от типа основания, характеристик грунтов и т.п.

При оценке несущей способности нескальных оснований сооружений, эпюра предельного давления на грунт принимается в виде трапеции, ординату которой Ро и р определяются согласно СНиП, а для эксцентриситета расчетной нагрузки и эксцентриситета эпюры предельного давления справедливы выражения:

М 1 р. - р. . „.

в„ = - —, , х (3)

N. Ь р. + ро *

где М - изгибающий момент, ( в дальнейшем индекс при N1, опускается ), ер - эксцентриситет расчетной нагрузки, Ь и I - ширина и длина фундамента соответственно.

В зависимости от соотношения между величинами ер ,и •„ несущая способность основания принимается равной:

Ф, » 1 Ь М р. ♦ р.) , ( в, < в„)

■ "7 . («„>•„). (4)

1+6ь

Таким ' образом, вероятность наступления лредель"ого состояния определяется как:

Р (ф) =. Р (ф,) Р ( ер < е„) + Р (Ф,) Р ( ер > в„). ( 5 )

Аналогичным образом была рассмотрена задача о вероятностной оценке несущей способности скального основания, а также рассмотрены задачи определения вероятностей отказов грунтовых оснований по другим предельным состояниям.

Таким же образом было осуществлено построение функций надежности и для железобетонных и стальных элементов строительных конструкций

Для достаточно полной ( в смысле рассмотрения всех последствий, их возможных сочетаний и вероятностей ) оценки безопасности с учетом сейсмического фактора необходимо проведение статистического анализа степени разрушения или повреждения строительных конструкций, который может быть выполнен с использованием метода предельного равновесия

• Особенно важным это представляется при рассмотрении задач оценки риска возможного выхода радиоактивных веществ в обслуживаемые помещения станции и биосферные каналы, т.е. при анализе, который включает в себя вероятностную оценку степени сохранения герметичности строительных конструкций, образующих третий барьер безопасности.

Общую схему оценки герметичности (или степени повреждения) железобетонных конструкций с применением, как правило, численных методов можно представить следующим образом, считая что вероятностные характеристики параметров прочности материалов известны:

- определейие вероятностных характеристик нагрузок на строительные

• конструкции при действии статических и сейсмических сил;

- формирование расчетных моделей строительных конструкции для проверки выполнения условий предельного равновесия ( включая анализ возможных схем разрушения);

- определение условий достижения предельного равновесия, т.е. соответствующих критериев потери герметичности или разрушения;

- построение функций отказа для каждого перекрытия или стены сооружения и выполнение вероятностной оценки разгерметизации (или степени повреждения) сооружения.

В качестве примера в таблице 1 приведены результаты численного вероятностного анализа нарушения нормативных услрвий прочности и условий предельного равновесия для строительных конструкций обстройки реакторного отделения учифицированного блока АЭС ВВЭР-1000 при сейсмических воздействиях . различной интенсивности, полученные с применением разработанных методик.

Таблиц« 1 Вероятностная оценка степени ¡повреждения строительных конструкций обстройки РО ВВЭР-1МЮ при землетрясениях и возможных последствий, влияющих на безопасность эксплуатации.

Условная вероятность I

Интенсив- Наруше- Нарушен- Повреж- Отказ Повреж- Повреж-|

ность ние ие дение одного дение дение

воздейс- условий условий загрязн- канала БЩУ более

твия (в трещино- предель- енных безопас- чем

баллах) стойкости ного рав- помеще- ности одного

(СНиП) новесия ний БРУ-А

8 5.0-10' 7» 10"* ю-' 6*10'3 104 10'3

7 9-103 7*10° 7-10"' 6'10"5 10'' 10"5

В пятой главе описывается одна из возможных методик определения вероятностных характеристик сейсмических нагрузок на оборудование, расположенное в сооружениях атомных станций.

В практике проектирования сейсмостойких АЭС получил распространение прием определения сейсмических нагрузок на оборудование и трубопроводы, основанный на раздельном рассмотрении уравнений колебаний здания и оборудования( построение поэтажных акселерограмм (ПА) и поэтажных спёктров ответа (ПС) ). В силу неизбежного разброса параметров воздействия, основания и сооружения сейсмические нагрузки также являются случайными и определение их

вероятностных характеристик ( первых моментов, закона распределения и т.п.), является необходимым шагом при вероятностной оценке сейсмостойкости оборудования и трубопроводов.

Для реальных сооружений АЭС задача определения ПА и ПС осуществляется численными методами, как правило, с использованием линейно-упругих расчетных моделей сооружения. Для таких моделей величина, например, поэтажного спектра Щ^м), гдэ е| - собственные частота и затухание осциллятора, предстааима в виде

\«№,е,)= ДУГ (», .5,, ,5],... б.), (6 )

где УМ* - спектр при единичном сейсмическом воздействии; 5, - параметры

расчетной модели; А - пиковое ускорение грунта. Если величины А и ( для каждой ^ ) распределены по нормальному закону, то в первом прибпижении, линеаризуя ( 6 ) в окрестностях точки { т(А), т(\АП), получим

УУ = А т(\Л/*) ♦ УУ* т(А> • т(А) т(\ЛГ) • (7)

Если принять, что по нормальному закону распределены параметры 5„ то функция \Л/* в "свою очередь может быть линеаризована по параметрам при фиксированном значении частот: I, и так же можно получить что величина распределена по нормальному закону. Гипотезу о нормальности параметров й,. и величины пикового ускорения грунта необходимо рассматривать, в качестве первого приближения, восполняющего недостаток эмпирических данных о реапьных распределениях.

Традиционным путем для решения подобных задач считается применение метода Монте-Карло. В настоящее время сущест ;ует ряд модификаций этого метода (стратифицированные выборки, гиперкубическое моделирование и т.п.) о той или иной мере ускоряющих процедуры выполнения численных экспериментов и обработки их результатов. С точки зрения практических приложений вполне бывает достаточно определить первые моментные характеристики некоторой случайной величины, в свою очередь являющейся линейной комбинацией нескольких случайных величин, и на основе анализа этих характеристик принять гипотезу о законе ее распределения. Исходя из этих соображений, была разработана прикладная мртодика оценки вероятностных характеристик параметров

Л

сейсмических поэтажных нагрузок, основанная на применении метода статистической линеаризации, суть которой сводится к следующему.

При фиксированном модуле деформации грунта Е величина поэтажного спектра, например, на частоте ft представима в виде

W, = AW,*(E) , (8)

где Wi* значение ПС при воздействии с единичной интенсивностью, являющееся функцией Е.

Если параметры А и Е случайны (например, нормальны), то разлагая ( 8 ) в ряд в окрестностях точки [т(А), т(Е)], получим в первом приближении, что Wi так же нормальная случайная величина с параметрами m(Wi) = m(A) Wi [m(E)J,

0№) = 0(А)Ц1т(Е)*0(Е)12(|п(А)1, (9)

где Li и L2 - неслучайные функции, числено определяемые на основе решения соответствующей системы уравнений, описывающих движение сооружения.

Аналогичные уравнения ¡хвязи могут быть получены и при принятии ины>Р гипотез о функциях распределения А и Е.

В качестве характеристики исходного сейсмического воздействия используется набор акселерограмм и алгоритм построения статистических характеристик Wi следующий. Для фиксированного значения Е и фиксированной акселерограммы проводится численное определение соответствующих ПС и полученное значение W> считается единичной реализацией случайной величины W,. Совокупность этих реализаций по всем акселерограмм обрабатывается и проводится (с использованием.известных соотношений) построение состоятельных и несмещенных оценок математического ожидания и первых моментов.

Описанный алгоритм реализован в вычислительной программе ПАИС .Блок статистической обработки результатов расчетов может работать как самостоятельная, программа и имеет программный интерфейс с комплексами COSMOS и ANSYS, что дает возможность использовать другие расчетные модели сооружений. ■

С применением разработанной методики, были проанализированы ряд вопросов статистического обоснования вёличин ПС, используемых в нормативных

(детерминистических ) расчетах сейсмостойкости оборудования и трубопроводов Результаты исследований показали, что традиционный прием использования детерминистических обобщенных ПС достаточно приемлем (статистически обоснован) в случаях, если сейсмические нагрузки на оборудование не являются определяющими при принятии компоновочных и конструкторских решений, либо расчетная модель воздействия характеризуется малым разбросом параметров Дополнительно предложены способы вероятностного учета влияния сейсмического фактора на усталость материалов и оценки надежности элементов, прошедших испытания на вибростендах. Эти способы учитывают конкретную информацию о свойствах площадки строительства и основываются на прогнозе отклика того или иного сооружения на сейсмическое воздействие.

В шестой главе рассматриваются вопросы возможного влияния сейсмического фактора на возникновение и развитие аварий, обусповленных течами теплоносителя первого контура! Анализ подобных аварий занимает одно из центральных мест при разработке технических средств и методов обеспечения безопасной эксплуатации АЭС и защиты окружающей среды. Для эксплуатируемых в настоящее время АЭС с водным, например, теплоносителем он во многом определил принятые решения по построению барьеров безопасности и обспуживающих их систем.

Комплексный вероятностный анализ нагрузок, воздействий и их возможных последствий при разрывах трубопроводов АЭС, ( в том числе, если разгерметизация трубопровода вызвана землетрясением ), - это обшфная тема целого ряда исследований. Очевидно, что подобного рода анализы должны выполняться исходя из к принятых инженерных решений для конкретной станции. В рамках выполненной работы затрагивались только некоторые из основных аспектов этой проблемы применительно к АЭС РБМК:

- оценка влияния сейсмического фактора на надежность технологических каналов;

оценка возможного вклада сейсмических воздействий в вероятность разгерметизации трубопроводов первого контура;

- систематизация последствий, влияющих на безопасность эксппуатации (прежде всего, с точки зрения возможного выхода продуктов деления в биосферные каналы) при авариях с разуплотнением трубопроводов первого контура.

Опыт анализа безопасности и эксплуатации реакторов канального типа показывает, что одно из самых тяжелых последствий для окружающей среды и населения может быть обусловлено множественным разрывом технологических каналов. Поэтому вопросу прогнозирования единичного или множественного повреждения (течь) или разрушения (разрыв) технологических каналов с учетом всего возможного за срок службы станции комплекса нагрузок и воздействий должно уделяться повышенное внимание. Рассмотрение же двух других задач и полученные

а последние годы результаты углубленного анализа безопасности АЭС РБМК

/

третьего г.околения позволяют оценить вклад сейсмического фактора в вероятность совместного отказа второго и третьего барьеров безопасности, т.е. вероятность выхода продуктов деления а том или ином размере в биосферные каналы, например, для Игналинской АЭС.

Известный прогресс в изучении механизма появления дефектов и развития трещин в циркониевых технологических каналах ( ТК )позвопяет использовать модели, основанные на математическом моделировании механизма разрушения, - для прогнозирования надежности подобного рода элементов. В данною исследовании вероятностная оценка степени повреждения ТК при эксплуатационных и сейсмических нагрузках выполнялась с использованием имитационной модели, разработанной Е.А. Шиверским. Численный анализ напряженно-деформированного состояния ТК выполнялся с использованием линейно-спектрального подхода, разработанных методик и данных по микросейсморайонированию площадки Ленинградской АЭС.

Было получено, что учет возможных сейсмических воздействий не вносит какой либо существенной поправки в оценку среднегодовой частоты вероятности течи ТК, что обусловлено достаточно малым ( менее 20% при 6 баллах ) вкладом сейсмических нагрузок в изменении напряженно-деформированного состояния канала. В тоже,-время' учет сейсмических воздействий существенным образом определяет воличину ■ вероятностной оценки совместного повреждения или разрушения двух ТК, что свидетельствует о необходимости учета этого фактора даже для площадок строительства с низкой сейсмичностью.

В рамках исследования был выполнен анализ влияния сейсмического фактора на надежность трубопроводов .контура многократной принудительной циркуляции (КМПЦ) Игналинской АЭС. Считалось, что срок службы трубопроводов

2к

составляет 20 лет В' качестве оценки среднегодовой частоты разгерметизации рассмотренных трубопроводов при нормальных условиях эксплуатации принимались средние известные из литературы значения Полученные реэультаты показывают, что учет сейсмического фактора для ппощадки строительства, которая согласно ныне принятой сейсмической карте районирования территории СССР относится к несейсмоопасной, существенным образом ( на 15-50 % ) влияет на вероятностный прогноз разгерметизации трубопроводов КМПЦ

Анализ последствий при авариях с разуплотнением первых контуров АЭС с водным теплоносителем, (в том числе- вызванных наложением на нагрузки нормальной эксплуатации сейсмических ) должен являться неотъемлемой частью технического обоснования безопасности АЭС. Известно,, что целый ряд возникающих при таких авариях нагрузок, воздействий и явлений динамического характера (и их возможных последствий) практически не исследован применительно к конкретным АЭС как в детерминистической, так и вероятностной постановках. Особое значение при этом приобретает анализ возможных зависимых отказов строительных конструкций системы локализации аварий, так как они образуют последний барьер безогУасности, а сохранение работоспособности самой системы определяет выход продуктов депения из топливной матрицы в поврежденный контур и далее в окружающую среду

В рамках диссертационной работы был выполнен системный анализ основных задач по исследованию последствий аварий с разгерметизацией первого контура и обобщение ряда результатов расширенной анализа безопасности Игналинской АЭС Было получено, что применительно к реакторным* отделениям АЭС РБМК НДС строительных конструкций аварийных помещений в первую очередь будет опредепяться ударными нагрузками от хпыстов трубопроводов или летящих тел на начальной стадии развития аварии ( десятые доли секунды ) и ростом давления в помещениях до срабатывания конденсирующих систем Уровень сейсмических нагрузок по сравнению с вышеперечисленными на порядок ниже Поэтому, несмотря на значительное влияние сейсмического фактора на надежность ■ысоконапорных трубопроводов, статистический анализ герметичности помещений ■ первом приближении может проводиться только с учетом аварийных нагрузок Очевидно, что подобного рода допущение при рассмотрении какой-либо конкретной станции нуждается 6 тщательном вероятностном обосновании

\

В седьмой главе работы рассмотрены примеры анализа влияния землетрясений на такие практически самостоятельные инженерные объекты в составе АЭС как системы технического водоснабжения.

Одним из результатов выполненных вероятностных анализов безопасности для АЭС с различными типами реакторов является тот факт, что значительный относительный вклад в вероятности повреждения или разрушения вшивной зоны-»месят аварии, связанные с нарушением отвода тепла от реакторной установки при сохранении 1ерметичносТи первого контура. Такая значимость обеспечивающих технических систем объясняется по всей видимости тем, что в процессе их проектирования к ним предъявлялись не столь высокие требования по безоУказности/надежности, регламенту обслуживания и ремонта, как, например, к системам безопасности. В силу этого, повышение надежности систем, обеспечивающих отвод тепла от реакторной установкой к конечному поглотителю (и, прежде всего- систем технического водоснабжения), можно выделить как один из приоритетных путей повышения общего для АЭС уровня безопасности и * обеспечения необходимой защищенности биосферных каналов. Анализ надёжноспо таких систем с учетом сейсмического фактора является одним из необходимых шагов в выявлении возможности возникновения зависимых и комплексных отказов, изучения преимуществ (с точки зрения повышения безопасности и снижения общего -риска) того или иного технического усовершенствования и т.п.

В. работе были получены оценки надежности системы .технического водоснабжения с естественным водоемом и системы TBC ответственных потребителей с брызгальными бассейнами унифицированной АЭС ВВЭР-ЮОО.•

. Задача о вероятностной оцекхе сейсмостойкости СТВС решается в следующем порядке:

- построение деревьев событий для системы с учетом особенностей принятых компоновочных решений для ее подсистем и особенностей функционирования ответственных потребителей; (

- построение блок'- схемы надежности для системы в целом на основе требования выполнения определенных функций в полном или частичном объеме с учетом возможных стохастических связей между элементами системы;

- опредепенио с учетом имеющейся информации надежности элементов, входящих ь блок - схему,

: определение вероятности выполнения СТВС требуемых функций с учетом срока службы и возможных ( учитываемых ) за этот срок воздействий.

Была рассмотрена одна из известных схем системы TBC АЭС с естественным водоемом. Для бесперебойной подачи воды СТВС секционируется по числу каналов ответственных потребителей ( обычно три ). Считалась, что насосная камера и камера переключений системы располагаются в одном сооружении, выбор площадки строительства и расположение сооружений на ней проведен таким образом, чтобы исключить резкие колебания уровня воды в охладительном водоеме и затопление главного корпуса или иных ответственных сооружений при разрушении отводящего канала. Энергоснабжение НС осуществляется по трем независимым каналам : от внешней энергосети, от АЭС и резервной дизель-генераторной станции. Дизели расположены, в отдельном сооружении.. Блок - схема надежности подобной СТВС показана на рис. 2. При ее построении принималось в запас надежности, что сейсмическое воздействие приводит с вероятностью единица к полному обесточиванию собственных нужд АЭС.

При оценке надежности системы TBC с учетом сейсмических воздействий было принято, что на площадке строительства АЭС возможны сейсмические воздействия с интенсивностями I, и периодами'повторяемости т,; I» = в баллов, т» = 10000 лет , l7= 7 баллов, т? » 100 лет; l(= 6 баллов, т( < 100 лат, максимальное ускорение грунта а. в пределах одного балла нормальная случайная величина с математическими ожиданиями т(а» )= 0.2 g; m(a7 )= Q.i g ; m(at )= 0.05g; а ее коэффициент вариации равен 0.3. Рассматривалась трехкомпонентное воздействие, величина вертикальной составляющей принималась равной половине от одной из горизонтальных составляющих; сооружения станции расположены на скальных грунтах с модулем деформации 100 МПа

С учетом срока службы то = 30 лет и периодов повторяемости землетрясений, возможных на площадке строительства, среднегодовая вероятность отказа СТВС составляет 5.0 10"* 1/год. Следует добавить что замена двукратного резервирования подземных трубопроводов' на трехкратное снижает вероятность отказа системы почти на порядок.

Система технического водоснабжения ( СТВС ) ответственных потребителей для унифицированного блока АЭС с реактором ВВЭР - 1000 функционально полностью самостоятельна, замкнута и не зависит' от системы технического водоснабжения потребителей нормальной эксплуатации. Характерной ее особенностью является размещение насосов в здании дизель - генераторной станции, наличие брызгальных бассейнов как самостоятельных охладителей, связь с реакторным отделением подземными трубопроводами, физическое разделение на три самостоятельных канала безопасности ( Рассматривалась система TBC пятого энергоблока Запорожской АЭС ).

Учитывалось, что при повреждении или разрушении строительных конструкций, зависимые отказы оборудования и трубопроводов приводят к одновременной потере и технической воды и надежного энергоснабжения по одному или нескольким каналам.. Результаты полученных численных оценок приведены в таблице 2. Считалось, что срок службы сооружений составляет 30 лет; для площадки строительства рассматривались землетрясенйя со следующими периодами повторяемости( индекс соответствует балльности по шкале MSK-64 ) та = 10* лет, т7= 104 лет, т, = 102 лет, те < 100 лет

Результаты исследований показали, что учет сейсмического фактора играет важную роль как при оценке надежности системы технического водбснабжения ответственных потребителей, так и при оценке общей безопасности АЭС данного типа, что подтверждают полученные вероятностные оценки отказов одного и более каналов безопасности по выполнению функций отвода тепла к конечному поглотитепю и надежного энергоснабжения.

В восьмой глава работы приводятся результаты вероятностных оценок безопасности некоторых типов действующих АЭС с учетом сейсмического фактора

Были получены вероятностные оценки влияния возможных землетрясений на уровень безопасности для первого энергоблока Игналинской АЭС ( реактор РБМК - 1500 ) и пятого энергоблока'Запорожской АЭС ( реактор ВВЭР - 1000 ). Выбор агих объектов обусловлен с одной стороны наличием большого объема необходимой исходной информации ( сейсмологической, геологической, проектно -конструкторской и т.д.), с другой - возможностью выполнения сравнительных сценок влияния исходных ( проектных ) событий и сейсмического фактора, например, на частоту повреждения активной зоны.

гч ■

Таблица 2. Вероятностная оценка отказов системы TBC ответственных потребителей при землетрясениях.

Характеристика отказа слоеная вероятность отказа при интенсивности !, в баллах Среднегодовая частота, 1/год

6 7 8

Повреждение или технологический отказ оборудования и трубопроводов в пределах РДС (один канал, независимый отказ) 3-Ю"4 . 0.15 . ~1 1.8-10*

Повреждение подземного трубопровода - ю-* 10' менее 10*

Течь брызгального бассейна * 10"4 и-10'1 0.95 6.8 • 10*

Разрушение (осушение) ' брызгального бассейна - 10* 0.5 1.5; 10'

Технологический отказ одного канала подачи воды 4-Ю"4 0.21 ~1 2.5-10' N

Технологический отказ двух и более каналов подачи воды 1.6-10'7 5.4-1 о;' -1. 6.4-10*

Отказ одного канала Т8С с одновременным или длительным отказом канала надежного энергоснабжения (с учетом отказов с/к) 5 •10* 0.26 Г ~1 3.1-Ю*

То же для двух и болре каналов 2.1-10-' 6.4-10"2 ~1 7.4-10*

ЬО

Вероятностная оценка сейсмостойкости первого энергоблока ИАЭС выполнялась по следующей схеме :

- выбор вероятностных моделей сейсмических воздействий дпя сооружений ИАЭС( в соответствии с результатами микросейсморайонирования ); ;

- построение вероятностных характеристик поэтажных акселерограмм и поэтажных спектров ответа для основных сооружений станции;

построение блок - схемы надежности блока, исходя из требований выполнения функций ядерной безопасности и обычно принимаемой при выполнении вероятностного анализа безопасности канальных реакторов категоризации повреждения активной зоны;

1 - расчетная и экспертная оценка вероятностей отказов отдельных элементов

и систем, входящих в блок - схему надежности;

- оценка среднегодовой частоты повреждения активной зоны вследствии возможного возникновенйя землетрясений за срок службы т0 3 10 лет (предполагаемый на сегодня срок службы станции до капитального ремонта или снятия с эксплуатации).

По имеющимся данным для внутренних исходных событий точечные оценки среднегодовых вероятностей возникновения обычно рассматриваемых категорий аварий лежат в пределах ^последствия средней тяжести - 10"* - 4 • 10* 1/год; тяжелые последствия - в • 10* - в • 10'71/год.

. В качестве гипотетических событий, которые могут произойти вследствие сейсмического воздействия и повлечь за собой нарушен1'е условий обеспечения ядерной безопасности рассматривались: потеря установкой питания (режим обесточивания), выход из строя двух и более главных циркуляционных насосов (ГЦН) на одну половину реактора, разрыв контура многократной принудительной циркуляции ( КМПЦ ) теплоносителя с Ду гЗОО и разрыв технологического канала Рассмотрение подобного набора исходных событий охватывает те основные из них, которые исходя из технологии канальных реакторов могут наиболее вероятно привести к повреждению активной зоны. Надежность (вероятность бгзопасной работы) Н"„, опредепяется соотношением:

• Н'.„» 1 • (1-Нм) Рое* (1-Н»т) Р»т ♦ П-Нгцн) Ргцн + (1-Нтк) Р.. , ( 10 )

ч

где Ров. Рбт, Рщи. Ртк - вероятности возникновения обесточивания, разрыва КМПЦ,, выхода из строя ГЦН и течи ТК соответственно; Ное . НБт, НГцИ, НТк -надежность установки при соответствующих аварийных ситуациях.

Системы хранения радиоактивных веществ находятся в главном блоке, баллонная системы аварийного охлаждения реактора ( САОР ) расположена в отдельном здании и соединена с реакторным .отделением (также как и насосная станция технического водоснабжения) трубопроводами. .Тогда:

Н „„= Нро НЛЯ> Нта Нбал . (11)

где Нро - надежность реакторного отделения; Нл„ - надежность дизель-генераторной станции, НТв - , надежность насосной станции технического водоснабжения; Нвлл - надежность баллонной САОР. Последние две величины в выражении (11) определяются с учетом надежности трубопроводов связывающих зти сооружения с реакторным отделением.

Результаты исследований показали, среднегодовая вероятность последствий средней тяжести и тяжелых последствий в-ледствие сейсмических воздействий оценивается величиной -5.8-Ю4 1/год. Выполненные оценки длА* вероятности реализации тяжелого повреждения зоны, ( а т. ч. при событиях считающихся гипотетическими, типа повреждения / разрушение каркасных конструкций, опор барабан - сепараторов и т. п. ) показывают, что среднегодовая частота таких аварий для возможных на площадке сейсмических воздействий составляет величину. порядка 10"' и по ныне принятым условиям ядерной безопасности риск от эксплуатации станции можно считать приемлемым]. Если исходить из требований обеспечения приемлемого риска по условиям радиационной безопасности ( например, в соответствии с действующей российской нормативной документацией ), то при принятии решения о проведении реконструкции и капитального ремонта должна быть разработала система технических и организационных мероприятий по обоснованию и повышению безопасности станции рассмотренного типа при землетрясениях.

Аналогичным образом были получены вероятностные оценки безопасности с учетом' сейсмических воздействий для пятого энергоблока Запорожской АЭС с реактором ВВЭР-1000 При этом вероятностная модель сейсмических воздействий выбиралась на основе сейсмологических и инженерно-геологических данных,.

полученных лосле окончания его проектирования Все вероятностные оценки

выполнялись, исходя из срока службы станции 30 лет

В соответствии с предложенной в работе методологией, на основе изучения

принятых проектных решений, был выполнен предваритепьный анализ возможных

последствий землетрясений применительно к рассматриваемому блоку,

классификация и группированние исходных событий по пяти основным категориям (

На данной стадии исследований рассматривался режим работы блока на

номинальной мощности ).

Далее, для каждого из ответственных (с точки зрения , обеспечения

6е.)опасмости эксплуатации) сооружений были построены деревья отказов при

сейсмических воздействиях. Среди групп последствий, которые могут привести к

попреждению активной зоны были выделены для расчетного анализа аварии

непосредственно ведущие к таким повреждениям (например, падение крана на

реактор), нарушение отвода тепла по второму контуру более чем по одной петле, и

от>аз трех каналов безопасности совместно с обесточиванием собственных нужд, а

так же те события, которые обусловлены отказами грунтовых оснований

Суммирование полученных численных оценок по формуле полкой

вероятности показывает, что с учетом возможных на площади строительства

землетрясений среднегодовая частота повреждения' активной зоны вспедствие

действия сейсмического фактора оценивается величиной порядка 3 101 1'юд и

учет землетрясении вносит 30% поправку в известные из литературы интегральные

показатели безопасности блока Сейсмический фактор следует признать весьма

значимым и сравнимым с такими внутренними исходными событиями как

разгерметизация первого контура или нарушение отвода тепла по второму контуру

вследствие отказов оборудования

Полученные вероятностные оценки для отдельных систем и сооружении

позволяют выделить те из них. сейсмостойкость которых наиболее существенным

к

образом влияет на безопасность эксплуатации АЭС ВВЭР К ним прежде всего относятся: трубопроводные системы важные для безопасности, в т ч вне пределов гермообъема, каркасные строительные конструкции основных сооружений, транспортно-технологическое оборудование, брызгальные бассейны Обеспечение требуемой сейсмостойкости этих конструкций (в смысле малой вероятности их

отказа при землетрясениях) является одним из приоритетных путей повышения

«

безопасности и снижения общего риска для окружающей среды и населения ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

Полученные в исследовании научные и практические результаты можно сформулировать следующим образом

1. Разработана методология вероятностной оценки безопасности атомных станций с учетом возможных землетрясений, основанная на системном анализе обеспечения техническими средствами защиты окружающей среды (барьерами безопасности и обслуживающими их системами) АЭС за срок ее эксплуатации требуемых функций ядерной и радиационной безопасности

2. Для практической реализации системного подхода предложены способы построения вероятностных моделей безопасности АЭС с учетом землетрясений, классификация возможных последствий, способы учета зависимых отказов и отказов по общим причинам, модели сейсмического воздействия на сооружения^ ДОС, основанные на имеющейся исходной сейсмологической информации о площадке строительства

3. С ■ использованием апробированных практикой сейсмостойкого строительства моделей сооружения , основания и сейсмического процесса рассмотрен ряд задач моделирования динамики подобных систем с учетом случайного характера параметров воздействия, сооружения и основания. На основании применения элементоа теории выбросов предложена схема количественной оценки надежности таких систем, которая может быть использована при выполнении различного рода сравнительных вероятностных оценок в условиях существенной неполноты исходной информации.

4 В рамках развития нормативного линейно- спектрального подхода разработаны методики оценки надежности грунтовых оснований и строительных конструкций с учетом сейсмического фактора, а также предложена методика оценки степени повреждаемости и герметичности строитепьных конструкций при землетрясениях, основанная на применении метода предельного равновесия

■>Ц

5. Разработана методика определения вероятностных характеристик сейсмических нагрузок на оборудование АЭС. Предложены способы учета влияния сейсмического фактора на усталость Материалов и методика оценки надежности элементов, прошедших испытания на вибростендах, основанные на конкретной сейсмологической информации о площадке строительства и прогнозируемом отхлике того или иного сооружения на сейсмическое воздействие.

6 Выполнен ряд исследований влияния сейсмического фактора на надежность технологических каналов I поколения реакторов РБМК. В результате отработана методика вероятностного анализа влияния как сейсмического, так и иных возможных динамических факторов на множественное повреждение ТК

7 Разработана общая схема' анапиза последствий аварий, обусловленных разгерметизацией трубопроводов первого контура АЭС с водным теплоносителем, в том числе, если эти исходные аварийные ситуации вызваны землетрясением Выполнена оценка надежности трубопроводов контура многократной принудительной циркуляции АЭС РБМК - 1§00. Полученные результаты показывают что учет сейсмического фактора вносит значимые поправки в вероятностные оценки частоты разгерметизации контура, но влиянием сейсмических нагрузок на прочность и герметичность аварийных помещений практически можно пренебречь' по сравнению с ударно-динамическими нагрузками и ростом давления

8. С применением изложенной методологии и разработанных методик для некоторых характерных схем технического водоснабжения АЭС получены оценки их

•л

надежности Выявлено, что наиболее существенны" вклад сейсмические воздействия могут внести в редкие по вероятности при нормальных условиях эксплуатации комплексные события (отказ нескольких каналов безопасности, потеря искусственного конечного погпотителя тепла, полная или частичная потеря нескольких функций безопасности).

9 Выполнены вероятностные оценки безопасности АЭС РБМК-1500 ( I блок ' Игналинской АЭС ) и АЭС ВВЭР-1000 ( V блок Запорожской АЭС ) с учетом сейсмических воздействий' на основе имеющейся исходной информации (сейсмологической, геологической и т.п.) по конкретной площадке строительства Полученные предварительные количественные результаты свидетельствуют, что относительный вклад возможных на площадках строительства землетрясений • интегральные показатели безопасности станций достаточно значим и сравним,

например, с окладом таких внутренних исходных событию, как разгерметизация трубопроводов первого контура.

10 Выполненные исследования показывают, что применение системного подхода и вероятностных методов для анализа возможного влияния землетрясении на технические средства защиты окружающей ср еды атомных станций- является,-одним из приоритетных способов научно - обоснованного выбора путей повышения их безопасности и обеспечения приемлемого уровня общего риска для окружающей сроды , .

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих печатных работах:

1 Курносое В А., Никольский М А ; Михайличенко О А , Буторин С Л , Монэхенко Д В . Балахонова Л А Обобщенные спектры ускорений реакторного отделения атомной электростанции с реактором РБМК - 1500 ( Техническое пособие ) -Препринт ВНИПИЭТ, РД 8.14-84, Л.: 1984. - 34с

2 Буторин С.Л., Шульман С.Г. Исследования динамического взаимодействия сооружения с основанием в вероятностной постановке. 11В, сб. "Динамика оснований, фундаментов и подземных сооружений": Тезисы 6-й Всесоюзной конференции,- Л/. Изд. ВНИИГ, 1985,- С. 14-15.

3 Буторин С Л., Шульман С.Г. К оценке надежности фунтовых оснований ' сооружений при сейсмических воздействиях в рамках нормативной методики II Известия ВНИИГ им. Б.Е.Веденеева: Сб. научн. трудов,-.1986 -Т. 193,-С. 5-7

4. Буторин С.Л., Шульман С.Г. Стохастическое моделирование динамики систем сооружение-основание. //Изв. ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева: Сб. научн. трудов - 1987 -Т 202 -С. 13-17.

5 Буторин С Л. К определению количественной надежности грунтовых оснований сооружений АЭС при сейсмическом воздействии. // В сб. "Химическая технология и вопросом надежности эксплуатации".: Сб. научн. трудов,- Л.: иэд ВНИПИЭТ. 1988-С. 54-62.

6 Бирбраер А Н , Буторин С. Л . Шульман С.Г. Оценка надежности основании сооружений при сейсмических воздействиях в рамках нормативной методики. II

Бюллетень по инженерной сейсмологии Na12 / Ереван.: Изд. АН Армянской ССР,-1988 -С. 96-103.

7 Буторин С Л., Монахенко Д.В., Шульман С.Г. Оценка сейсмостойкости АЭС на основе теории риска II Иза. ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева: Сб. научн. трудов,- 1989 - Т 214 - С.18-23.

8 Буторин С Л. Оценка надежности защитных железобетонных конструкций при сейсмических воздействиях в рамках линейно-спектральной теории. II Там - же - С 107-110.

9 Буторин С Л , Шульман С Г К оценке надежности системы сооружение -основание/ Мат конф ДЭС - 87 - Л : Энергоатомиздат, Лен отд 1989 ,-С 206-210

10 Буторин С Л , Монахенко Д В , Шульман С Г Вероятностные методы оценки сейсмостойкости АЭС / В сб "Сейсмостойкость энергетических сооружений" - Изд ВНИИГ.Л 1990 -С 203-205

11 Бирбраер А Н., Буторин С Л., Монахенко Д.В., Шульман С Г Вероятностная оценка безопасности АЭС при земпетрясениях.//Мат. конф "Dynamik of structures - '89 " - Карповы Вары, Чехословакия, 1989.

12 Буюрин С Л , Велитченко В.И , Шиверский Е.А , Шульман С Г Вероятностное прогнозирование разрывов технологических каналов РБМК при эксплуатационных и сейсмических воздействиях. //Изв. ВНИИГ им. Б Е. Веденеева Сб. научн трудов -1991 - Т. 225-С 84-92

13 Бирбраер А Н., Буторин С Л., Караковский M В Роледер А Ю. Оценка сейсмического риска для грунтовых оснований и свайных фундаментов (на русск и анг. яз ). II Сб. док. сов.- англ: сем. "Применение теории риска в оценке сейсмостойкости АЭС"- Изд. ГАН РФ: Балаково, Россия, январь 1991 - 12с.

14 Бирбраер А H , Буторин С.Л., Шульман С Г. Системный подход к изучению сейсмостойкости атомных станций, основанный на теории риска (на руск. и англ. яз ). //Там же.-9с.

15. Буторин С.Л., Попов А И., Фирсов В H . Количественная вероятностная оценка прочности конструкций АЭС при землетрясениях в рамках линейно- спектральной теории (на русск и анг. яз ) // Там же - 6с

16. Буторин С.Л Комплексная вероятностная оценка сейсмостойкости ЯЭУ //Препринт ВО ВНИПИЭТ, Л.: 1991 - 19с

M -

17. Буторин С Л. Внешние события. II В сб. докладов совещаний руководителей рабочих групп МП " Безопасность проектных решений и эксплуатации АЭС с реакторами РБМК".-М.:- 1992.-Ч. 1.-С 19-23. у

18. Буторин С.Л., Тананаев A.B., Шульман С,Г. Вероятностная оценка безопасности АЭС с учетом катострофических динамических воздействий. // В сб тезисов ежегодной научн,- техн. конф. Ядерного общества. Нижний Новгород, 1993,-С.

19. Буторин С.Л., Шульман С.Г. Вероятностная оценка сейсмостойкости систем техводоснабжения АЭС. //Изв. ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева: Сб. научн. трудов" -1993 - Т. 227 - С 20-25.

20. Бугаенко С.Е., Аржаев А.И., Баранов И.М. Буторин С.Л , Малов M Ю Анализ обоснования целостности компонентов контура многократной принудительной циркуляции, важных для' безопасности реакторной установки РБМК. II Мат. конф. внебюджетной программы МАГАТЭ по безопасности АЭС с реакторами РБМК. " Оценка предлагаемых мероприятий по повышению безопасности Игналинской АЭС" - М.: октябрь 1994, SAPMI-19 - 19с.

21 Аржаев А И., Буторин С.Л , Головлев Ю В Анализ развития аварий, обусловленных разрывом трубопроводов ИАЭС ( I блок ) - M изд НИКИЭТ -

1995 - 137 с

22. Буторин С.Л., Аржаев А.И , Бугаенко С.Е. Анализ сейсмостойкости барабан-сепараторов АЭС с реакторами РБМК- 1000. //Мат. межд. сем. "Уроки Чернобыля. Технические аспекты ".- Десногорск, Смоленская АЭС, Россия, ahpenb

1996 - Т.2.- С. 355-364.

23 Буторин С Л Анализ динамических явлений при разрывах трубопроводов АЭС с РБМК // Электрические станции - 1996 N 12. - С. 42- 44 , /

24 Буторин С Л Вероятностная оценка сейсмостойкости АЭС ВВЭР - 1000 //Изв 8НИИГ им Б Е Веденеева Сб науч трудов - 1997 - Т. 233 - С 95 - 98.

25 Boutorin S L. Shiversky E.A Multiple reactor pressure tubes rupture probabilistic analysis under operation and sesmic loads for RBMK-type reactor. //Trans. SMiRT 11,- V, MO 5 - 1991,- Tokyo. Japan.

26 Ooutorin S L , Popov A.I., Shiversky E.A. Probabilistic analysis of RBMK-type reactor pressure tubes.'under operation and possible dynamic loads ( independetn

and dependant event» ) //In Mat Topical Meeting on MPTR Analy»!» in Channel Type Reactor (MPTR-10) - Mo»co\*. 1084,- Cp.

27 Boutonn S.L .Popov A.I, Monahenko D V , Smimov« S A Summarized information on lanmolody of RBMKtype unit utaa and »tructure re»ponae» at probabra earthquake« /RBMK/TQ4 /TR1. Uiiui 1,-VNIPIET, S.-Pb , Ru»»ia, June 1993 • 70p. 26 Boutonn 8 L .Malov M Yu, Monahenko D V , Stnrtun E N Detailed Information on RBMK Earthquake Raalatant Deaign. //RBMK/ TO 4/ TR 2 USSUE 1. • VNIPIET, S-Pb , Ru»»ia. June 1993 • S4p.

29. Boutonn S . Shiveraky E.. Shulman O. Analyaia of dynamic affacta cauted by piping rupture» in primary ciccuit of the Ignalina NPP and preliminary a»«e»»ment of possible dependant failure» of operating component». //BPR(95) 4-2 09 -ENTEC, M , Russia, Augu»t 1990 - 37p.

30 Boutorin S L. On qe»tion ol ITER'» eqepment load determination during external dinamic event» with u»e of RSA method«. //Plazma diviae» -199«.- V 5 - Na 2 (in pre»» )

31 Petrov Yu. I, Popov A I, Boutorin S.L. Requirement» (of a»»e»ment of »ei»mic impact for ITER complex (Safety guide). II VNIPIET, St- Petenburg • 1995 - 31p.

JImmkum W HOttJW OT107 W

n«gacuo a nnm IS Ci. Si, 06mm a uj i,5 .

Tufas 1/(0 hw H ¡/St ■

Oigntiuo a Huituknw CIW ITy

193231, OuncT-ilmpOypr, llaainwirwcna ya., 29