Б. Г. Гордон, профессор, д.т.н.
Практически все действующие в мире ядерные энергетические реакторы имеют прототипами реакторные установки, изначально предназначавшиеся для военных целей. Существует легенда, что первый официальный документ, представленный главе Соединенных Штатов о возможности использования ядерной реакции деления, составил экономист А. Сакс на основе записок А.Эйнштейна и Л. Сциларда. В 1939 г. он передал его своему другу Франклину Рузвельту, перечислив сферы использования ядерной энергии в следующем приоритетном порядке: мирное применение в энергетике, производство радиоактивных веществ для медицины и создание атомной бомбы.
Неважно, какие соображения руководили А.Саксом, главное, – что человечество в тех условиях начало осваивать энергию деления с конца этого списка, создав ядерное оружие и подчинив милитаристской цели свой научно – технический потенциал. А так как мощь ядерной энергии впервые была продемонстрирована в виде взрывов небывалой разрушительной силы, то это наложило необратимый отпечаток на отношение к ней всего человечества. Эволюция ядерных реакторов Вначале ядерные отрасли в США и СССР создавались и развивались для решения 
военных задач: создание атомной бомбы, наработка плутония, разработка корабельных реакторов и т.п. Производство электроэнергии на реакторных установках ядерно-оружейного комплекса в мирных целях оказалось сопутствующим. Использование некоторых военных технологий в гражданских отраслях сопровождает всю историю человечества и называется конверсией. Однако атомная отрасль отличается от всех остальных двумя особенностями: высокой концентрацией энергии и длительностью существования продуктов распада, которые могут оказывать глобальное воздействие в случае ядерных аварий. Это накладывает специальные требования к ядерной безопасности реакторных установок. В 1960-70-е годы в Советском Союзе существовала серьёзная оппозиция внедрению реакторов РБМК в электроэнергетику. Основываясь на опыте эксплуатации тепловых электростанций и научных проработках Всесоюзного теплотехнического института (ВТИ), Минэнерго активно противилось сооружению этого типа реакторов. В числе его недостатков указывалось на сложность управления реактором и контроля целостности контура циркуляции, разветвлённость системы трубопроводов с радиоактивной средой, недостаточность знаний о поведении реактора в различных режимах, отсутствие достоверных сведений об опыте эксплуатации его прототипов и т.п.
Принимавшиеся решения и рекомендации базировались не на доказательствах безопасности РБМК, а на потребностях страны в электроэнергии и ограниченности машиностроительных мощностей. Государственная политика тех лет основывалась не на приоритете безопасности, и совершенствование ядерных реакторов для энергетики осуществлялось по остаточному принципу. Взаимоотношения ведомств, секретность технических характеристик, сокрытие отрицательных черт опыта эксплуатации РБМК, в конечном счёте, обусловили аварию в Чернобыле. Однако уголовную ответственность за аварию понесли только работники Минэнерго и атомного надзора.
Исключение возможности ядерной аварии на АЭС никогда не ставилось государством перед учёными и конструкторами в качестве первоочередной задачи. Создатели первых реакторов имели совсем другие приоритеты и работали в весьма специфических условиях оборонного заказа. При сопоставлении вариантов предпочтение отдавалось тем конструкциям, оборудованию и материалам, которые были уже освоены промышленностью и быстрее приводили к цели, поставленной оборонным ведомством.
Ставилась конкретная практическая задача, на которую выделялись ограниченный лимит времени и все необходимые наличные средства. Под принятые решения создавалась инфраструктура ядерной промышленности, предназначенная для эффективного и быстрого удовлетворения военных заказов. Разумеется, проблемы безопасности рассматривались, но не были приоритетными.
Нет ничего удивительного, что США и СССР, а за ними и другие страны создали очень похожие конструкции твэлов и реакторов, отличавшиеся лишь в деталях. Целый ряд свойств и конструктивных особенностей военных прототипов сохраняется, практически, у всех эксплуатируемых, сооружаемых и проектируемых ныне реакторов, называемых «энергетическими». Однако представляется более точным определить их как приспособленные для энергетики, конверсионные, чтобы отличать от двух других типов: реакторов, предназначенных для ядерного оружейного комплекса, и реакторов, изначально создающихся для мирного использования в энергетике, которые в последние годы только начинают разрабатываться.
Такая классификация по принципу предназначения охватывает все наличные конструкции ядерных реакторов и строго разделяет их типы. Разумеется, каждое назначение диктует свои требования к проекту, конструкции, условиям эксплуатации, а приспособление одного типа реакторов для других целей, как показала практика, приводит к непредсказуемым последствиям.
Общепринято конверсионные реакторы подразделять на поколения в соответствии с исторически сложившимися концепциями их безопасности. Так, у нас в стране к первому поколению ядерных энергетических реакторов относят энергоблоки АЭС, проекты которых выполнялись задолго до 1973 г. – введения в действие документа «Общие правила безопасности» ОПБ-73. В те годы предполагалось, что надёжность оборудования столь высока, что ни корпуса ВВЭРов, ни их главные циркуляционные трубопроводы не смогут разуплотниться, и максимальный разрыв первого контура, если произойдёт, то на трубопроводах, специально снабжённых ограничителем расхода диаметром 32 мм. Соответствующим образом, исходя из этого условия, проектировались системы безопасности, в том числе, системы герметичного ограждения, чтобы радиационное воздействие на персонал и население не превышало критериев, установленных санитарными нормами.
В документе ОПБ-73 сконцентрировали отечественный и зарубежный опыт эксплуатации конверсионных реакторов первого поколения. На их основе создавалось второе поколение ВВЭРов, которые должны были уже выдержать разрыв главных циркуляционных трубопроводов с условными диаметрами 500 и 850 мм для ВВЭР-440 и 1000, соответственно. Чтобы удовлетворить критериям радиационной безопасности человека, ВВЭР-440 снабжались барботажно-вакуумной системой безопасности, а ВВЭР-1000 размещались в защитной оболочке, выдерживающей избыточное давление до 0,5 Мпа. Ко второму поколению относится большая часть эксплуатируемых в настоящее время ВВЭРов, а также вторые очереди энергоблоков с РБМК.
Отличительной чертой третьего поколения ВВЭРов, проекты которых разрабатывались после чернобыльской аварии и введения в действие ОПБ-88, является то, что их концепция глубоко эшелонированной защиты предусматривает управление запроектными авариями. То есть возможность тяжёлых аварий признаётся и требуется умение ими управлять. К конструктивным особенностям этих ВВЭРов относятся двухслойная защитная оболочка, пассивные системы аварийного охлаждения активной зоны, ловушка для удержания расплава и т.п. Наличие последней некоторые авторы связывают с поколением 3 , для определения которого пока нет нормативных оснований. ОПБ-88 были преобразованы в 1996 году в ОПБ-88/96 без существенных изменений концепции безопасности.
Совершенствование систем обеспечения ядерной безопасности вытекало из накопленных научных знаний о протекании возможных аварий, проведения экспериментов на крупномасштабных установках, моделировавших АЭС и её элементы, обобщения опыта эксплуатации энергоблоков и совершенствования норм радиационной безопасности человека. Опыт проектирования, сооружения и эксплуатации реакторов третьего поколения ляжет в основу последующего пересмотра правил. И если концепцию безопасности удастся серьёзно усовершенствовать, то могут возникнуть проекты конверсионных реакторов четвёртого поколения, к которым пока без достаточных оснований относят некоторые виды давно известных реакторов на быстрых нейтронах.
Надо отметить, что нормативные документы не содержат строгих критериев отнесения конкретных энергоблоков к тому или иному поколению, что вызывает дискуссии, особенно после проведённых масштабных модернизаций. Но цель статьи – не принять участие в этих спорах, а продемонстрировать тот очевидный факт, что развитие конверсионных реакторов представляло собой постепенное повышение ядерной безопасности, эволюцию конструкций и систем безопасности тех реакторов, которые изначально не предназначались для мирного использования.
Оценки вероятности ядерной аварии Проблема обеспечения безопасности справедливо рассматривается как комплексная, включающая детерминистские и вероятностные аспекты. Радиационная безопасность человека – состояние защищённости от радиационного воздействия – обеспечивается, в том числе, ядерной безопасностью АЭС – её свойством с определённой вероятностью предотвращать ядерные аварии. Расчёты этой вероятности проводятся методами вероятностного анализа безопасности (ВАБ), которые имеют известные ограничения в применении. Так называемый ВАБ-1 энергоблока АЭС позволяет рассчитывать частоту повреждения активной зоны, которая является причиной тяжёлых радиационных аварий. В настоящее время общепринято, что допущения и возможности ВАБ-1 не позволяют доверять оценкам частоты повреждения, меньшим, чем 10-5 (реактор.год)-1.
Это связано с рядом особенностей методов вероятностного анализа безопасности, прежде всего, с невозможностью экспериментального подтверждения расчётных величин, а также с трудностью количественной оценки вклада человеческого фактора, который составляет порядка 20 – 60%. Здесь нет противоречия. ВАБ – единственный имеющийся инструмент для измерения ядерной безопасности, но инструмент ограниченный, имеющий свою «цену деления». Так нельзя измерять линейкой размеры, меньшие 1мм.
Другой трудностью в количественной оценке ядерной безопасности является установление связи между частотой повреждения активной зоны и вероятностью ядерной аварии, которой измеряется ядерная безопасность АЭС. Строгое математическое решение задачи об установлении связи между частотой и вероятностью столь редких событий, к которым относится тяжёлая ядерная авария, неизвестно. К таким событиям нельзя даже применить понятие «поток», а уж тем более назвать его простейшим, однородным, так как после наступления события объект, по сути, перестаёт существовать.
Если программа сооружения АЭС выглядит, как показано в верхней части диаграммы, то надо иметь в виду, что вероятность ядерной аварии будет расти примерно так, как показано в нижней части графика. Этот вывод также вполне согласуется со здравым смыслом, так как чем больше количество объектов, тем вероятнее, что хоть на одном из них произойдёт авария.
С учётом всего вышесказанного ясно, что представленная картинка лишь иллюстрирует тенденцию изменения вероятности аварий при развитии атомной энергетики. Выводы из этой тенденции, разумеется, могут быть сделаны разные. В частности, очевидна необходимость повышения эффективности государственного регулирования безопасности, адекватного ужесточения контроля эксплуатирующих организаций за собственной деятельностью по обеспечению безопасности, за культурой безопасности и т.п. При обсуждении планов строительства АЭС малой мощности, «ядерных батареек», плавучих АЭС, при сопоставлении перспектив крупномасштабной и малой энергетики и т. п. полезно иметь в виду приведенную диаграмму. Если вместо одной АЭС мощностью 1 Гвт построить 100 АЭС мощностью 10 Мвт и оба типа станций будут иметь одинаковую частоту повреждения активной зоны, то вероятность аварии в системе малых АЭС окажется на два порядка выше, хотя, возможно, что частота повреждения активной зоны модульных, изготовленных на заводах АЭС, станет много меньше. Такова оценка только ядерной безопасности. Как повысится уязвимость сотни АЭС, насколько придётся усилить их физическую защиту, — предмет для особых исследований.
Перспективы развития атомной энергетики Чернобыльская авария повлияла на последующее развитие атомной энергетики во всех странах. Из неё вынесен целый ряд уроков по совершенствованию конструкций реакторов, культуры безопасности, нормативных документов, обоснований безопасности и т.д. Тем не менее, на один из них следует указать особо. Рассматривая Чернобыль в ряду с авариями на АЭС Три-майл-айленд и Фукусима, помня об авариях в Уиндскейле, Кыштыме, Чажме, следует признать как общую черту всех крупнейших ядерных аварий – невероятность, непредставимость сочетания их исходных событий и последовательности этапов их развития.
Аварии состояли из такой совокупности отказов, развивались по таким сценариям, которые представлялись невозможными не только лицам, принимавшим решения, но и подавляющему числу учёных-специалистов в области ядерной безопасности. В научной литературе существуют свидетельства, что учёные США за несколько лет до аварии на Три-майл-айленд предсказали её параметры. Специалисты Курчатовского института и НИКИЭТа рассматривали ещё в начале 1980-х годов сценарий, подобный тому, что произошёл в Чернобыле. Но те, кто принимали решения, не могли поверить, что такое может случиться на практике.
Думается, что и японским учёным до аварии на Фукусима-1 казалось невероятным, что все аварийные источники энергопитания могут выйти из строя. И вот уже появилась информация, что недостатки систем противоаварийного реагирования АЭС Фукусима отмечены специалистами и известны эксплуатирующей организации.
Можно с удовлетворением признать, что на российских станциях за годы после Чернобыля сделано очень много для обеспечения ядерной безопасности АЭС и радиационной безопасности человека. Объём проведённых модернизаций, результаты совершенствования систем безопасности, имеющаяся база научных данных позволяют ряду известных учёных утверждать, что на наших АЭС аварии, подобные Фукусиме, невозможны. К сожалению, подобные заявления очень напоминают высказывания зарубежных специалистов о своих АЭС после Чернобыля. Дело в том, что «генералы всегда готовятся к предыдущей войне».
Понятно, что вскоре начнётся системный пересмотр самых разных аспектов атомной энергетики. Предстоят дополнительные проверки объектов использования атомной энергии, усилятся требования к анализам и руководствам по управлению запроектными авариями, к самым разным аспектам аварийной готовности, будет уточняться стратегия развития атомной энергетики. Начнётся более подробное изучение идеологических оснований принципа единичного отказа, проблем наложения отказов, отказов по общей причине, вопросов сейсмостойкости, целостности бассейнов выдержки и хранилищ ОЯТ, работоспособности средств долговременного охлаждения активной зоны и т.п.
Конечно, всё это весьма важно, полезно и необходимо, но где гарантии, что следующая серьёзная авария опять не произойдёт самым невероятным образом? Ведь гарантии даются вероятностными анализами, которые, как инструмент оценки ядерной безопасности, практически достигли предела своих возможностей.
Если что-то может произойти, то оно произойдёт рано или поздно, только никто не может сказать, когда: через год или 25 лет. В этом-то и состоит детерминированность вероятных событий, которые случайны для индивидуального объекта, но закономерны для группы объектов на достаточном периоде времени.
К сожалению, нам зачастую только кажется, что мы знаем истинную картину мира. На самом деле, у нас всегда есть лишь сегодняшнее приближение в её понимании. Таким приближением является углубление представлений о содержании понятия безопасность и ужесточение требований к её обеспечению. В докладе WENRA, так же как в статьях некоторых наших специалистов, формируются требования к будущим реакторам по исключению радиационных последствий любых аварий за пределами площадки АЭС или даже за границами реакторного здания энергоблока. То есть при гипотетических авариях сверхнормативное радиационное воздействие должно быть локализовано внутри барьеров глубоко эшелонированной защиты АЭС. Возможность выполнения такого требования должна стать предметом отдельного рассмотрения для проектируемых ныне конверсионных реакторов.
Наряду с этим, в конце прошлого века возникло понимание, что перспективы атомной энергетики связаны не с дальнейшим развитием конверсионных реакторов, а с системным переходом к разработке третьего типа ядерных реакторов – энергетических, предназначенных сугубо для мирного использования. То есть, сделан следующий шаг в понимании проблем безопасности: попытка разработать такие конструкции, в которых ядерные аварии были бы предотвращены за счёт собственных свойств реакторов.
Это отнюдь не значит, что всё сделанное ранее надо забыть и начать работу с чистого листа. Напротив, все существующие наработки, варианты конструкций твэлов, активных зон, реакторов, видов теплоносителей, замедлителей и т.п. необходимо проинвентаризировать с позиций ядерной безопасности, внутренней самозащищённости, способности предотвращать ядерные аварии.
Этой совместной работе могла бы предшествовать подготовка, обобщение имеющегося опыта реакторостроения. Предлагаемые далее мероприятия – это первые этапы длительных системных усилий. Например, было бы весьма полезно создать каталог-классификатор всех уже разработанных в прежние годы проектов конверсионных реакторов. Это нужно делать скорее, так как продолжают уходить из жизни авторы и участники этих проектов. Сами проекты, зачастую секретные или полузакрытые, пылятся в архивах разнообразных НИИ и КБ, а у молодёжи формируется представление, что множество вариантов конструкций уже рассмотрено и отвергнуто практикой. Думается, что проектов таких не так уж много, и все они должны быть пересмотрены с точки зрения приоритета ядерной безопасности — требования к ним, критерии оценки их реализации, условия их назначения, соотношения между затратами и выгодами сейчас должны стать иными.
Было бы целесообразно разработать некий шаблон — формат описания реактора, пригодный для сопоставления по внутренней самозащищённости, и распространить его по ещё существующим организациям, где прежде занимались поисками различных типов реакторов. Эта работа организационная, недорогая и весьма плодотворная.
Отрывочные сведения о разнообразных конструкциях, параметрах, характеристиках разбросаны по многим книгам и статьям, что не позволяет толком сопоставить ядерную безопасность этих вариантов между собой. Такая деятельность была бы особенно полезна для сокращения очевидного разрыва между старыми носителями знаний и молодыми разработчиками новых технологий. Организатором работы и создателем шаблона мог бы выступить любой из институтов — РНЦ КИ, ФЭИ, НИКИЭТ, НИИАР, а к заполнению шаблона «Росатом» и «Росэнергоатом» смогли бы привлечь все заинтересованные подведомственные организации.
Результат этой работы позволил бы развеять витающие представления, что где-то существуют разработанные во времена С. М. Фейнберга и А. И. Лейпунского проекты реакторов, для внедрения которых стоит лишь сдуть с них пыль. В начале 1990-х при поддержке Минатома Ядерное общество организовало конкурс проектов АЭС малой мощности: АСММ – 91. На него было подано 22 заявки, которые были распределены по диапазонам тепловой мощности: до 10, 10 – 50 и свыше 50 Мвт. Участники конкурса для реализации своих проектов рассчитывали получить финансирование, но за истекшие годы из четырёх проектов, выбранных жюри, только КЛТ-40 оказался востребован для плавучих АЭС, а остальные так и остались недоработанными.
Стремление современных учёных создать реакторную установку, в которой ядерные аварии были бы в принципе невозможны, возникло из их собственного, внутреннего понимания логики развития атомной энергетики. Государство, повторюсь, такую задачу никогда не ставило перед наукой. Кто знает, сколько тяжёлых аварий ещё должно произойти, пока эта идея не начнёт системно воплощаться в жизнь? Пока что возможность её осуществления как раз является предметом нынешних дискуссий.
Существует общепринятое утверждение, что абсолютной безопасности не бывает. Оно постулируется и не является предметом доказательств так же, как ни в научной, ни в нормативной документации не определено понятие «абсолютной безопасности», которое, по существу, представляет собой метафору. Но речь идёт не об абсолютной безопасности, а о ядерной – свойстве реакторной установки с определённой вероятностью предотвращать возникновение ядерной аварии. Так что вероятность аварии является важнейшей, принципиальной, неотъемлемой характеристикой понятия «ядерная безопасность».
Для описания реальности математические модели содержат допущения и гипотезы, которые идеализируют физические явления. Справедливость допущений проверяется результатами экспериментов, которые определяют области, где математические модели совпадают с опытными данными. Вероятность, равная единице, означает достоверность реализации события одного из множества возможных. Вероятность, равная нулю, свидетельствовала бы о невозможности события, запрете на его реализацию в результате причинно-следственных связей, внутренних свойств и качеств ядерного объекта. А так как возможных ситуаций можно придумать множество, то отсюда-то и проистекает представление обыденного сознания, что абсолютной безопасности не бывает — вероятность аварии асимптотически стремится к нулю, но его не достигает.
Уместно напомнить, что любые асимптоты – результат умозрительного моделирования, и именно на границах диапазона гипотезы и допущения, как правило, не работают.
Человеку только кажется, что он может придумать такие модели, которые сделают возможной реализацию любого события. Под реактором внезапно может разверзнуться бездна или извергнуться гейзер, но это свидетельствует лишь о резвости нашего ума, тогда как реальность весьма консервативна. Так что задача практического предотвращения ядерной аварии, по сути, состоит в разработке таких объектов, срок службы которых много меньше времени вероятного наступления аварии.
В дискуссиях на эту тему позиция сторонников недостижимости абсолютной безопасности, безусловно, выигрышнее. На их стороне бесконечное многообразие мира и безграничность человеческой фантазии. Но речь идёт не о достижении абсолютной безопасности, а о постановке задачи практического предотвращения ядерных аварий, и здесь уже многообразие мира и безграничность фантазии на стороне тех, кто возьмётся её решать. Научные цели всегда должны быть завышены. Возможности технологий, оборудования, аппаратуры приземлят цели и явятся граничными условиями поиска конструкций, в которых ядерные аварии, практически, были бы исключены.
Целый ряд свойств таких реакторов может быть уже сейчас сформулирован из имеющегося опыта. Например, если нет давления в зоне ядерных реакций, нет причин для её разгерметизации; отрицательные обратные связи препятствуют разгону реактора; инертный теплоноситель не вступает в химические реакции и т.д.
Анализ событий на Фукусиме позволяет рекомендовать, что хранилища ОЯТ должны иметь столько же барьеров глубоко эшелонированной защиты, что и реакторные установки. А требования, чтобы количество ОЯТ на площадке АЭС было бы минимально необходимым для безопасного производства электроэнергии, должны неукоснительно исполняться.
Имеющиеся сегодня предложения по конструкции реакторных установок, изначально предназначенных для мирного применения в энергетике, разумеется, несут в себе некоторые черты конверсионных реакторов. Дальнейшее их развитие, по-видимому, будет направлено на разработку иных технологий использования ядерной энергии, принципиально новых конструкций твэлов и активных зон в сочетании с такими теплоносителями и топливом, которые, в первую очередь, обеспечат исключение ядерных аварий.
Заключение Сказанное выше позволяет сформулировать три основных направления дальнейшего развития атомной энергетики.
1.При повышении эффективности регулирования безопасности и управления действующими АЭС необходимо особо тщательно проводить и проверять обоснования их безопасности при продлении сроков службы, повышении мощности и реализации других экономических мероприятий.
2.Продолжение совершенствования конверсионных реакторов следующих поколений должно сопровождаться с предельной осторожностью размещения их исключительно в странах с достаточным уровнем культуры безопасности и в местах, не подверженных экстремальным внешним воздействиям.
3. Создание специализированных реакторов для мирного использования в энергетике следует осуществлять с привлечением, в том числе, и международных участников. Именно государственная постановка такой задачи вполне может быть названа «вторым атомным проектом».
Подведение итогов периода освоения гражданской энергетикой ядерных технологий остаётся вполне актуальной задачей. Оно полезно для сохранения и упорядочения знаний, наведения мостов между поколениями и т. п. Но самое главное – необходимо сфокусировать имеющуюся информацию, чтобы направить усилия будущих разработчиков на создание проектов реакторов, основным приоритетом которых была бы ядерная безопасность. Думается, что сотой доли средств, уже тратящихся на ликвидацию последствий произошедших тяжёлых аварий, вполне б хватило на проведение НИОКР по разработке реакторов, в которых ядерные аварии были бы исключены.
Росэнергоатом, АЭС, повышение безопасности АЭС
