Postęp w dziedzinie bezpieczeństwa reaktorów jądrowych

S. Michael Modro, Michael W. Jankowski

Międzynarodowa Agencja Energii Atomowej

Wagramer Strasse 5, P.O. Box 100

A-1400 Wiedeń, Austria

WSTĘP

W dniu 8 grudnia 1953 roku prezydent Stanów Zjednoczonych Dwight D. Eisenhower

wygłosił przed Zgromadzeniem Ogólnym Organizacji Narodów Zjednoczonych

przemówienie „Atom dla pokoju”. Przemówienie to wywołało na całym świecie zmiany,

które doprowadziły do rozwoju energetyki jądrowej oraz do ustanowienia Międzynarodowej

Agencji Energii Atomowej (MAEA). Dziś, ponad pięćdziesiąt dwa lata po tym

przemówieniu, w skali całego świata działają 443 reaktory jądrowe o całkowitej mocy

zainstalowanej równej 369 GWe. Cywilna energetyka jądrowa to ponad 12 000 reaktoro-lat

doświadczeń i zaspokajanie 16% globalnych potrzeb w 30 państwach. Elektrownie te działają

bezpiecznie i niezawodnie, dostarczając energię elektryczną po konkurencyjnych kosztach.

Chociaż obiekty te mają imponującą historię bezpiecznej pracy, to wysokiego poziomu

bezpieczeństwa nie można traktować jako oczywistość ani jako coś stałego; poziom ten

podlega ustawicznym zmianom na skutek czynników takich jak: starzenie się urządzeń i

elementów, wykorzystanie doświadczeń eksploatacyjnych, czynniki organizacyjne, wiedza

techniczna i naukowa, a także coraz lepsze zrozumienie zagrożeń powodowanych przez

elektrownie oraz dotyczących elektrowni, a pochodzących z różnych źródeł wewnętrznych i

zewnętrznych. Wszystkie te czynniki przyczyniają się do nieustannych wyzwań, jakim musi

sprostać bezpieczna eksploatacja. Czynniki te muszą być rozpoznawane przez użytkowników

obiektów i urzędy dozoru jądrowego oraz uwzględniane w zarządzaniu bezpieczeństwem

obiektu i w utrzymywaniu kultury bezpieczeństwa. Kompleksowe omówienie aktualnego

stanu bezpieczeństwa energetycznych reaktorów jądrowych w jednym referacie jest

niemożliwe. Zatem tutaj skupiamy się jedynie na pewnych kluczowych zagadnieniach i

wyzwaniach z punktu widzenia bieżących doświadczeń eksploatacyjnych, a także na zasadach

bezpieczeństwa stanowiących podstawę nowej generacji reaktorów jądrowych.

AKTUALNE ZAGADNIENIA BEZPIECZEŃSTWA

Bezpieczeństwo i niezawodność elektrowni jądrowych można wykazać rozważając niektóre

wskaźniki opisujące ich funkcjonowanie. Na przykład współczynnik dyspozycyjności bloku,

określony jako procent maksymalnej ilości energii jaką elektrownia może dostarczać do sieci

elektroenergetycznej, ograniczany jedynie przez czynniki pozostające pod kontrolą

kierownictwa obiektu. Wysoka wartość tego współczynnika wskazuje na stosowanie w

elektrowni efektywnych programów i praktyk służących do minimalizowania

nieplanowanych strat energii i do optymalizacji planowych wyłączeń. Inaczej mówiąc, dla

osiągnięcia wysokiej wartości współczynnika dyspozycyjności bloku elektrownia musi być

eksploatowana w sposób bezpieczny i niezawodny. Obecnie średnie światowe wartości tego

współczynnika są bliskie 90%. Na rys.1 przedstawiono współczynniki dyspozycyjności

bloków w okresie od 1990 do 2004 roku, a do 2002 roku widać systematyczny jego wzrost.

5-1

Rysunek 1. Współczynnik dyspozycyjności bloku (wg WANO)

Należy również zauważyć, że od 1990 do 2004 roku moc zainstalowana w elektrowniach

jądrowych na świecie zwiększyła się o 39 GWe (12% za sprawą zarówno uruchamiania

nowych elektrowni jak i modernizacji niektórych już istniejących), a produkcja energii

elektrycznej wzrosła o 718 TWh (38%). Na wzrost ten złożyły się następujące przyczynki

względne: budowa nowych obiektów - 36%, modernizacje - 7% i zwiększenie

dyspozycyjności - 57%. Ten niesłychany wzrost dyspozycyjności świadczy o dojrzałości i

bezpieczeństwie systemów energetyki jądrowej.

Innym wskaźnikiem pracy elektrowni, ilustrującym bezpieczeństwo i niezawodność obiektu,

jest liczba nieplanowanych automatycznych wyłączeń awaryjnych reaktora. Na rys.2 widać,

że od roku 1990 również ten wskaźnik uległ znaczącej poprawie. Jednak, podobnie jak w

przypadku każdej złożonej technologii, droga do osiągnięcia dojrzałości nie była łatwa,

zwłaszcza w odniesieniu do bezpieczeństwa i ekonomii. Cieniem na doskonałych skądinąd

wynikach w zakresie bezpieczeństwa położyły się dwie istotne awarie: w Three Mile Island

(TMI) i w Czarnobylu. Obie awarie wywarły znaczący wpływ na opinię publiczną,

licencjonowanie i rozwój technologii bezpieczeństwa reaktorowego.

Rysunek 2. Nieplanowane automatyczne awaryjne wyłączenia reaktora w przeliczeniu na

7000 godzin krytyczności (wg WANO)

5-2

W dniu 28 marca 1979 roku, na skutek awarii w bloku nr 2 elektrowni Three Mile Island w

Pensylwanii (USA) doszło do stopienia około połowy rdzenia reaktora. Sytuacja kryzysowa

zakończyła się bez spowodowania dużego uwolnienia substancji promieniotwórczych czy

konieczności zarządzenia powszechnej ewakuacji, ale wykazała, że niezbędne jest nowe

podejście do kwestii wymagań dozoru jądrowego. W następstwie awarii urzędy dozoru

zaczęły kłaść znacznie większy nacisk na szkolenie operatorów i „czynniki ludzkie” w

działaniu obiektu, na poważne awarie do których może dojść na skutek niewielkich usterek

urządzeń (jak w przypadku TMI), na planowanie kryzysowe, na historię eksploatacji obiektu

oraz na inne drobniejsze sprawy.

Awaria w elektrowni Three Mile Island miała duży wpływ na opinię publiczną w odniesieniu

do bezpieczeństwa elektrowni jądrowych, mimo że nie spowodowała żadnych skutków dla

społeczeństwa. Z drugiej strony - wnioski wyciągnięte z awarii w TMI doprowadziły do

dużych ulepszeń w zakresie projektowania oraz powiązań na styku człowiek-maszyna, w

szczególności dzięki lepszemu szkoleniu operatorów. Z tego punktu widzenia skutki awarii w

TMI można uznać za korzystne dla bezpieczeństwa jądrowego.

W dniu 26 kwietnia 1986 roku doszło do dużej awarii w elektrowni jądrowej w Czarnobylu

na Ukrainie, w byłym Związku Radzieckim [1]. Awaria była skutkiem nieprawidłowości

projektowych w reaktorze eksploatowanym przez niewystarczająco przeszkolony personel i

bez właściwego poszanowania bezpieczeństwa. Awaria spowodowała zniszczenie reaktora i

uwolnienie do środowiska ogromnej ilości substancji promieniotwórczych. Awarię

zapoczątkował test turbiny/generatora przy niskim poziomie mocy. Podobne testy

prowadzono w Czarnobylu i innych reaktorach typu RBMK już wcześniej, chociaż

wiedziano, że reaktory te przy małej mocy są niestabilne. Test zapoczątkowało kilka

czynności operatora, w tym odłączenie układów automatycznego wyłączania reaktora. W

miarę zmniejszania wydatku wody chłodzącej moc reaktora rosła. Gdy operator zdecydował

się na wyłączenie reaktora w warunkach niestabilności wynikającej z wcześniejszych błędów,

szczególna cecha projektowa tego reaktora spowodowała gwałtowny wzrost jego mocy.

Spowodował on pękanie elementów paliwowych, a ciśnienie będące skutkiem odparowania

wody rozerwało kanały paliwowe, a para uniosła pokrywę zbiornika reaktora, uwalniając

produkty rozszczepienia do atmosfery. Drugi wybuch wyrzucił z rdzenia reaktora fragmenty

płonącego paliwa i grafitu i umożliwił wdarcie się powietrza, co spowodowało zapalenie się

moderatora grafitowego.

Awaria spowodowała zniszczenie bloku nr 4 elektrowni w Czarnobylu oraz śmierć 30 osób,

w tym – 28 na skutek narażenia na promieniowanie. Kolejne 209 osób przebywających na

terenie elektrowni i uczestniczących w usuwaniu awarii poddano leczeniu w związku z

ostrymi skutkami popromiennymi, z czego 134 przypadków potwierdzono (jak się wydaje,

wszystkie te osoby wyzdrowiały). Jednak 19 z tych osób zmarło później na skutek przyczyn,

które można było przypisać awarii. Żadna z osób spoza terenu elektrowni nie ucierpiała z

powodu ostrych skutków popromiennych. Jednak doszło do skażenia (w różnym stopniu)

dużych obszarów Białorusi, Ukrainy i Rosji, a także innych krajów. Katastrofa w Czarnobylu

była zdarzeniem jedynym w swoim rodzaju i jedyną awarią w historii przemysłowej

energetyki jądrowej, w której doszło do zgonów związanych z promieniowaniem. Na skutek

tej awarii w większości państw zmieniono i zaktualizowano przepisy dotyczące poważnych

awarii, szkolenia i planowania kryzysowego.

Obie awarie wywarły silny wpływ na dalszy rozwój energetyki jądrowej. Ilustruje to rys.3, na

którym pokazano ilość energii elektrycznej wytwarzanej w elektrowniach jądrowych oraz

udział energetyki jądrowej w całkowitej produkcji energii elektrycznej w okresie od

wczesnych lat 1970. do 2002 roku. Pomimo opisanych zdarzeń całkowita ilość elektryczności

wytwarzanej w elektrowniach jądrowych ciągle rosła (rys.4), głównie dzięki czynnikom

5-3

wymienionym wyżej. Wykorzystanie energetyki jądrowej na świecie wzrosło, ale wzrost ten

nie był tak szybki, jak uprzednio przewidywano. W niektórych państwach programy

energetyki jądrowej były kontynuowane, w kilku innych zostały całkowicie wstrzymane, zaś

nowe moce produkcyjne, w razie potrzeby, instalowano przede wszystkim w elektrowniach

na paliwa kopalne.

Rysunek 3. Produkcja energii elektrycznej w elektrowniach jądrowych i udział sektora

jądrowego w całkowitej produkcji elektryczności (wg WNA).

Rysunek 4. Skumulowany czas eksploatacji energetyki jądrowej w latach.

Jak powiedziano wyżej, wszystkie wskaźniki opisujące funkcjonowanie elektrowni

jądrowych pokazują, że elektrownie te stają się coraz bezpieczniejsze, chociaż w ostatnim

czasie wskaźniki te utrzymują się na stałym poziomie. Udoskonalenia te można przypisać

zwiększonej uwadze, jaką kierownictwo obiektów poświęca eksploatacji, konserwacji i

szkoleniom, a także bardziej zaawansowanym technikom diagnostycznym i modernizacjom

wyposażenia. Osiągnięcia energetyki jądrowej w zakresie bezpieczeństwa i eksploatacji

można generalnie ocenić jako doskonałe. Jednak, jak zauważa Międzynarodowa Grupa

Doradcza ds. Bezpieczeństwa Jądrowego (INSAG, International Nuclear Safety Advisory

5-4

Group), istnieją również wyzwania, którymi koniecznie trzeba się zająć [2]. W szczególności

w elektrowniach jądrowych na całym świecie dochodzi do zdarzeń istotnych, dzieje się tak

również w państwach o rozległych doświadczeniach eksploatacyjnych i z silną infrastrukturą

dozorową.

Zdarzenia te, które nie doprowadziły do żadnych znaczących uwolnień substancji

promieniotwórczych poza teren elektrowni, pokazują, że sprawy bezpieczeństwa muszą być

wbudowane w praktykę kultury technicznej użytkowników obiektów i inspektorów

jądrowych jako zobowiązanie, o którym koniecznie trzeba nieustannie pamiętać.

Eksploatacja liczona w tysiącach reaktoro-lat dostarcza doświadczeń i spostrzeżeń, które wraz

z wynikami programów badawczych w zakresie bezpieczeństwa uwzględniono przepisach,

procedurach eksploatacyjnych, szkoleniach, systemach zapewnienie jakości, planowaniu

kryzysowych i regulacjach prawnych. Doprowadziło to do zwiększenia bezpieczeństwa

operacyjnego, co jest oczywiste w świetle publikowanych wskaźników opisujących pracę

obiektów. Z drugiej strony - doświadczenia eksploatacyjne i nowe informacje prowadzą do

pojawienia się nowych zagadnień bezpieczeństwa i pytań dotyczących modernizacji

zwiększających bezpieczeństwo [3].

Na przykład na podstawie doświadczeń państw należących do Organizacji Współpracy

Gospodarczej i Rozwoju (OECD) rozważmy następujące aktualne zagadnienia dotyczące

bezpieczeństwa reaktorów lekkowodnych (LWR), tzn. wodnych reaktorów ciśnieniowych

typu PWR i WWER (rosyjskich) oraz reaktorów wrzących typu BWR:

• scenariusze podstawowych awarii projektowych,

• zagadnienie poważnych awarii (integralność zbiornika reaktora, powstawanie wodoru,

integralność obudowy bezpieczeństwa, postępowanie w razie awarii),

• całkowita utrata zasilania elektrycznego obiektu,

• wysoki stopień wypalenia paliwa,

• modernizacje zwiększające moc obiektu,

• zatykanie kratek odpływowych awaryjnego układu chłodzenia rdzenia,

• zmniejszenie się stężenia kwasu borowego.

Zagadnieniami tymi zajmują się krajowe urzędy dozoru jądrowego i zalecenia są wdrażane,

precyzowane lub prowadzone są badania dodatkowe. Zagadnienia te, jako wspólne dla

wszystkich reaktorów typu LWR, są również rozpatrywane podczas konsultacji roboczych i

spotkań, których celem jest dzielenie się wiedzą i działanie na rzecz zwiększania wydajności,

efektywności i spójności wprowadzanych rozwiązań.

W ciągu ostatnich 40 lat urzędy dozoru jądrowego często żądały przeprowadzenia

modernizacji zwiększających bezpieczeństwo, przede wszystkim z następujących przyczyn:

• utrzymanie wymaganego poziomu bezpieczeństwa obiektu lub obiektów,

• zapewnienie przestrzegania istniejących przepisów,

• wprowadzenie istotnych ulepszeń w zakresie bezpieczeństwa w sytuacji, gdy na

podstawie nowych informacji lub analiz wykazano, że ulepszenia takie są konieczne i

praktycznie możliwe do wprowadzenia.

Wielu użytkowników elektrowni przyjęło politykę ustawicznego doskonalenia, obejmującą

inicjowane przez użytkownika modernizacje zwiększające bezpieczeństwo. Uważa się, że

duża liczba takich modernizacji przeprowadzonych w minionych latach (a także większa

uwaga poświęcana sprawom bezpieczeństwa przez użytkowników obiektów) znacząco

przyczyniła się w tym okresie do poprawy wskaźników w zakresie bezpieczeństwa w

obiektach należących do krajów OECD. Jednak zarówno użytkownicy jak i dozór jądrowy nie

mogą pozwolić na to, by te lepsze wyniki w zakresie bezpieczeństwa doprowadziły do

5-5

Postęp w dziedzinie bezpieczeństwa reaktorów jądrowych - Jankowski.pdf

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: