Пожарная безопасность атомных станций Пуцев, Дмитрий Игоревич

Введение к работе

Актуальность работы

Современный период развития науки и техники характеризуется нарастающими противоречиями между высоким промышленным потенциалом и возможностями его безопасного и эффективного использования. В связи с этим все большее значение приобретает практическое решение задач по снижению опасности возникновения аварий, в том числе и на объектах атомной энергетики.

Относительно высокая вероятность возникновения и развития пожара обусловлена технологическими особенностями процесса производства электроэнергии на атомных станциях (АС). С одной стороны на основных производствах используется большое количество горючих веществ и материалов. Так, удельная пожарная нагрузка в кабельных помещениях реакторов ВВЭР-1000 серии В-320 (Ростовская, Балаковская и Калининская АС) может иметь порядок 20 000 МДж/м², в одной системе смазки может находиться до 13 тонн горючего масла в реакторном отделении (система смазки подшипников главных циркуляционных насосов) и до 120 тонн в машинном зале (главный маслобак систем смазки и подъема ротора турбины). С другой стороны чрезвычайно высокая энергонасыщенность производства обуславливает наличие большого числа высокоэнергетических источников зажигания. На реакторах типа БН при работе энергоблока на мощности используется до 180 тонн горючего натриевого теплоносителя (в 1-м контуре радиоактивного), разогретого до температуры выше, чем температура самовозгорания. В этих условиях пролив натрия при разгерметизации оборудования автоматически приводит к пожару.

Оценки пожарной опасности технологических процессов на АС свидетельствуют 0 том, что пожары могут реально угрожать радиационной и ядерной безопасности. Из выполненных работ по вероятностному анализу безопасности АС следует, что доля риска в общем значении частоты повреждения активной зоны реактора, приходящаяся на пожары, может достигать 50 %. Таким образом, вклад пожаров в частоту повреждения активной зоны может быть на уровне вклада от всех других внутренних причин, вместе взятых.

Развившиеся пожары на АС сопровождаются одновременным
возникновением множества отказов по общей причине
(самопроизвольных включений, отказов автоматики,

электромеханического оборудования, в том числе систем безопасности), возможные последствия которых с большим трудом поддаются экспертным прогнозам и оценкам. Известны тяжелые пожары и вызванные ими технологические аварии на атомных станциях: "Browns

Ferry" (США - 1975 г.), Greifswald - 1 (ГДР - 1975г.), Белоярская АЭС (блок №2 - 1978 г.), Three Mile Island (США, 1979 г.), Армянская АЭС (блок №1 - 1982 г.), Игналинская АЭС (блок №2 - 1988 г.), Чернобыльская АЭС (блок №2 - 1991 г.) и др.

В ряде случаев из-за пожара были полностью потеряны контроль и управление реакторной установкой. Таким образом, в случае пожара на атомной станции ущерб от вторичных опасных факторов пожара (радиационного заражения) может достигать уровня экологической катастрофы и на порядки превышать непосредственный материальный ущерб от воздействия первичных опасных факторов.

Требования о необходимости проведения оценок и анализов пожарной опасности АС включены в российские и международные стандарты, а работы по обеспечению пожарной безопасности АС признаны важными и приоритетными. В то же время Федеральным законом №123 не определены критерии и подходы к обеспечению безопасности ядерной энергетической установки при пожаре. Разработке научно обоснованных критериев, методов обеспечения ядерной и радиационной безопасности атомных станций при пожаре посвящена настоящая работа.

Цель дссертационной работы - обеспечение пожарной безопасности атомных станций.

Основные задачи работы:

1. Определить критерии пожарной безопасности АС с учетом надежности, степени резервирования элементов системы безопасного останова, расхолаживании, локализации и контроля радиоактивных выбросов.

2. Разработать алгоритм анализа влияния пожара на ядерную и радиационную безопасность объекта.

3. В рамках методологии влияния пожара на ядерную и радиационную безопасность предложить:

методы моделирования динамики пожара с учетом специфики пожарной опасности, компоновочных, объемно-планировочных и технологических решений объектов;

методы оценки воздействия опасных факторов пожара (ОФП) на несущие и ограждающие конструкции зданий и сооружений;

методы оценки воздействия ОФП на различные типы оборудования, важного для безопасности атомной станции.

методы оценки воздействия ОФП на оперативный персонал, выполняющий задачи безопасного останова, расхолаживания и контроля реакторной установки при пожаре.

4. На основе результатов исследований разработать и реализовать систему гибкого нормирования противопожарной защиты атомных станций, в том числе:

предложить критерии, позволяющие различать сценарии развития пожара по степени влияния на безопасность атомной станции;

определить последовательность выделения пожарных зон атомной станции;

предложить методы моделирования динамики развития пожара и распространения опасных факторов пожара;

определить критерии определения работоспособности оборудования АС при пожаре;

предложить методы обеспечения безопасности оперативного персонала, выполняющего свои функции в процессе и после пожара;

разработать модель динамики пожара, предназначенную для расчета локальных параметров пожара на атомной станции;

на основе результатов экспериментальных исследований определить параметры расчетной модели горения кабельных трасс;

выполнить научное обоснование комплекса противопожарных и технологический мероприятий, позволяющих обеспечить требования пожарной безопасности и условий обеспечения ядерной и радиационной безопасности объекта при пожаре;

провести расчетные исследования пожарной опасности и разработать комплекс противопожарных мероприятий по защите типичных и специфичных зданий, сооружений и помещений атомных станций.

Объект исследования — пожарная безопасность атомных станций. Методы исследования.

В работе использовались: теоретический и практический анализ обеспечения безопасности систем и элементов АС при пожаре; проведение работ с использованием системного анализа, расчетно-аналитических методов, теории планирования эксперимента.

Научная новизна работы заключается в следующем.

4. Установлены критерии обеспечения ядерной и радиационной безопасности атомной станции при пожаре.

5. Разработана методология проведения комплексного пожарного и технологического анализа влияния пожара на ядерную и радиационную безопасность АС.

3. Предложены критерии, позволяющие выполнить классификацию пожарных зон по степени влияния на безопасность атомной электростанции.

4. Разработан алгоритм выделения пожарных зон на энергоблоке.

5. Определены область назначения и оптимальные параметры для использования различных категорий методов моделирования динамики развития пожара и распространения опасных факторов пожара.

6. На основе систематизации и анализа экспериментальных данных определены критерии оценки работоспособности оборудования АС при воздействии опасных факторов пожара.

7. Разработаны методические подходы к обеспечению безопасности оперативного персонала, выполняющего свои функции в процессе и после пожара.

8. Создана и апробирована полевая модель динамики пожара, предназначенная для проведения расчетов с учетом функциональной пожарной опасности и технологических особенностей атомной электростанции.

9. Выполнен анализ методов решения системы уравнений газодинамики и теплообмена при пожаре на атомной станции. Предложены методы численного решения смешанной системы нелинейных уравнений гиперболического-параболического-зллиптического в приближении существенно-дозвуковых течений. Определены параметры применяемой явной конечно-разностной схемы, позволяющие обеспечить условия аппроксимации, сходимости, точности и устойчивости численного решения.

10. Проведена серия полномасштабных экспериментов с целью уточнения параметров расчетной модели горения кабельных трасс, изготовленных с применением современных изоляционных материалов

11. Разработано научное обоснование системы нормирования пожарной безопасности атомных электростанций.

Практическая значимость работы заключается в разработке и внедрении системы обеспечения безопасности АС при пожаре.

В результате реализации указанной системы предложен и реализован комплекс противопожарных и технологических мероприятий, необходимый для достижения безопасности российских и ряда зарубежных АС при пожаре. Проведено обоснование требований к огнестойкости противопожарных преград, выделение пожарных зон для атомных электростанций.

Внедрены в практику анализа пожарной безопасности атомных станций методы интегрального и полевого моделирования.

Создана и апробирована полевая модель динамики пожара, оптимизированной для использования с учетом специфики АС, оствлена ее реализация в рамках комплекса программного обеспечения «Fire Dynamics».

Разработаны мероприятия для обеспечения безопасности и работоспособности оперативного персонала атомных станций.

Выполнено исследование пожарной опасности, разработка, реализация общих подходов и конкретных противопожарных мероприятий для защиты типичных зданий, сооружений и помещений действующих и строящихся станций:

блочного щита управления энергоблоком (БЩУ);

кабельной шахты и коридора с максимальной пожарной нагрузкой;

подщитового помещения, в котором расположены кабели нескольких каналов системы безопасности реакторной установки;

помещения с маслонаполненным оборудованием;

резервной дизель-генераторной электростанции;

помещения систем управления защитой реактора;

машинного зала;

внешнего трансформатора.

Выполнены исследования пожарной опасности, разработка и реализация противопожарных мероприятий по защите специфичных для определенных типов энергоблоков сооружений и помещений:

гермозоны ректоров ВВЭР;

межоболочного пространства ректоров ВВЭР 4-го поколения;

помещений I и II контуров охлаждения реакторов БН с натриевым теплоносителем.

Результаты работы использовались при разработке норм пожарной безопасности НПБ 113-99: «Пожарная безопасность атомных станций. Общие требования».

Разработанная система обеспечения пожарной безопасности АС легла в основу документа, определяющего специфические требования пожарной безопасности свода правил СП 13.13130.2009: «Атомные станции. Требования пожарной безопасности».

Результаты работы использованы при составлении «Рекомендации по планированию, организации и ведению боевых действий подразделениями ГПС при тушении пожаров на АЭС в условиях радиационной аварии».

На основе выполненных научно-технических разработок были предложены и внедрены мероприятия по обеспечению пожарной безопасности действующих АЭС России: Балаковской, Белоярской,

Билибинской, Волгодонской, Калининской, Кольской, Курской, Ленинградской, Ростовской, Нововоронежской и Смоленской; строящихся: Балтийской, Ленинградской АЭС-2, Новорворонежской АЭС-2; новых блоков на действующих атомных станциях; Тяньваньской АЭС в Китае и АЭС «Кудан-кулам» в Индии.

На защиту выносятся следующие результаты диссертации:

1. Исследования области применения общепромышленного и специального подхода к системе обеспечения пожарной безопасности АС.

2. Классификации пожарных зон на основе критериев оценки обеспечения ядерной и радиационной безопасности атомных электростанций при пожаре.

3. Методология анализа влияния пожара на системы безопасного останова, локализации и контроля радиоактивных выбросов.

4. Алгоритм выделения пожарных зон для энергоблока.

5. Исследования назначения и области применения различных методов моделирования динамики развития пожара и распространения опасных факторов пожара при анализе пожарной безопасности объекта.

6. Полевая модель динамики пожара, предназначенная для проведения расчетов с учетом функциональной пожарной опасности и технологических особенностей атомной электростанции.

7. Результаты полномасштабных экспериментов, проведенных с целью уточнения параметров горения кабельных трасс.

8. Методы численного решения системы нелинейных уравнений газодинамики и теплообмена при пожаре в приближении существенно-дозвуковых течений.

9. Исследования пожарной опасности и комплекс противопожарных мероприятий для защиты типичных и специфичных зданий, сооружений и помещений атомных станций.

10. Система гибкого нормирования пожарной безопасности атомных станций.

Достоверность полученных результатов.

Достоверность полученных результатов подтверждается применением современных расчетно-аналитических методов; анализом большого количества экспериментальных данных о протекании пожара как на АС, так и других промышленных и хозяйственных объектах; применением общенаучных методов исследования.

Обоснованность научных положений подтверждается положительными результатами их апробации.

Публикация и апробация работы.

По результатам диссертации опубликовано 22 работы в научно-технической литературе.

Результаты работ докладывались на:

Межотраслевой конференции «Теплофизика-91». Обнинск, Физико-энергетический институт, 1993;

XII научно-практической конференции: «Научно-техническое обеспечение противопожарных и аварийно-спасательных работ» -Москва, ВНИИПО, 1993;

XV научно-практической конференции. Проблемы горения и тушения на рубеже веков. Москва, ВНИИПО 1999;

Международном семинаре: «Методы пожарной опасности российских АЭС», Москва, ВНИИАЭС, 2000;

Научно-практической конференции по теме «Состояние и перспективы развития противопожарной защиты АЭС», г. Сосновый Бор, 2000 г.;

XVIII-ой Научно-технической конференции по теме: «Снижение риска гибели людей при пожарах», ВНИИПО МЧС РФ, 2003 г.;

8-ой Всероссийской научно-практической конференции «Технические средства противодействия терроризму», С-Петербург, 2005 г.;

4-ой Международной конференции «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР», Подольск, 2005 г.;

XXI международной научно-практической конференции: «Актуальные проблемы пожарной безопасности». Москва, 2009 г.;

XXII международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы пожарной безопасности». М., ВНИИПО, 2010 г.;

Седьмой Международной научно-технической конференции «Безопасность, эффективность и экономика атомной энергетики», МНТК-2010, Москва, «Концерн Росэнергоатом», 2010 г.

Объем и структура диссертации.

Диссертации состоит из введения, 6-ти глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на 356 страницах машинописного текста, содержит 248 рисунков и 23 таблицы, 170 библиографических наименований.