Технические науки / 5. Энергетика

Анахов П. В.

ФОП, Україна

Біологічні засмічення систем водяного охолодження АЕС

Вступ. При проектуванні та оцінці безпеки вузлів наземних стаціонарних АЕС з водоохолоджуваними реакторами, розглядаються питання шкідливої дії біологічних об’єктів [1]. Так, отвори систем водяного охолодження атомних електростанцій засмічуються колоніями перифітона – сукупністю організмів, які живуть у воді і заселяють щільні субстрати: бактерії, найпростіші, гриби, водорості, черви, ракоподібні, двостулкові молюски тощо [2].

Аналіз останніх досліджень і публікацій. Особливо серйозні утруднення викликають неочікувані, "раптові", засмічення систем охолодження електростанцій медузами, які можуть призводити до простою устаткування, частих ремонтів, аварійних відключень АЕС (таблиця 1).

Таблиця 1

Опубліковані повідомлення про засмічення медузами систем охолодження електростанцій світу за період 1960-2006 рр. [3]

Рік	Місцеположення електростанції	Результат засмічення
1960-67	Осацька затока, Внутрішнє Японське море (Японія)	Зниження потужності, аварійна зупинка
1962-66	Токійська затока (Японія)	Зниження потужності, ушкодження системи охолодження
1964-68	Осацька затока (Японія)	-"-
1971-73	Префектура Айті (Японія)	-"-
1971-75	Префектура Фукуй (Японія)	-"-
1972	Токійська затока (Японія)	Аварійне відключення енергосистеми в Токіо
1997-2000	Префектура Фукуй (Японія)	Зниження потужності
1998-2000	Префектура Ніїґата (Японія)	-"-
1998-2002	Префектура Ехіме (Японія)	-"-
1999	Філіппіни	Аварійне відключення половини енергосистеми країни
Часто	Південна Корея	Засмічення сміттєзатримуючих ґрат системи охолодження АЕС Uljin
1973	Японія	Зниження потужності
1983-84	Внутрішнє Японське море (Японія)	-"-
1997-2000	Префектура Фукуй (Японія)	-"-
Немає даних	Балтійське море	Засмічення системи охолодження
1988	Індія	Засмічення системи охолодження і аварійна зупинка АЕС Мадрас (Madras, м. Калпаккам)
2002	Оманська затока, Перська затока	Ушкодження систем опріснення морської води і енергоблоків
2006	Перська затока	Засмічення системи охолодження
1960-і; 2006	Чесапікська затока (США)	Засмічення системи охолодження АЕС Калверт Кліфс (Calvert Cliffs, м. Ласбі)

Результатом "атак медуз" на АЕС протягом лише 2011 року стали наступні події: 1) 23 червня блоковано систему охолодження реактора на АЕС в м. Shimane (Японія), що призвело до зниження потужності станції на 6% [4]; 2) 28 червня блоковано систему охолодження морською водою обох реакторів на АЕС Torness в м. Данбар (Шотландія), що призвело до аварійної зупинки станції [5]; 3) 22 серпня блоковано систему охолодження АЕС St. Lucie поблизу м. Форт-Пірс (США), що призвело до аварійної зупинки станції на 2 доби [6].

Формулювання цілей статті. Станом на 01 червня 2013 року, згідно даних МАГАТЕ, налічувалося N_NPP=435 діючих АЕС, з яких 4 – в Україні [7]. Засмічення систем охолодження обумовлюють порушення нормальної експлуатації електростанцій. Метою роботи є оцінка імовірності біологічного засмічення в рамках лінійної моделі, для подальшої розробки методів попередження можливих порушень при проектуванні та оцінці безпеки АЕС.

Виклад основного матеріалу. Комфортні умови, які складаються в зоні впливу АЕС, приваблюють колонії перифітона. Згідно [3], заселенню і росту популяцій сприяють обумовлені роботою гребель і інших гідротехнічних споруд зміни гідрологічного режиму, підвищення температури води внаслідок потоків тепла від електростанцій, збагачення водойми біогенними елементами.

Залежність потоку у створі водозабору системи охолодження Q_in від площі живого перерізу потоку S_f можна розрахувати за формулою [8]:

,

(1)

де – середня швидкість течії у поперечному перерізі.

Пропускна здатність водоводів C розраховується за формулою [9]:

,

(2)

де S_p – площа поперечного до течії перерізу отвору; K – коефіцієнт, що враховує втрати за рахунок зменшення отворів стержнями ґрат або сіток, засмічення отворів [9]; також втрати можуть обумовлюватися шорсткістю поверхні водоводу, місцевими опорами (повороти, компенсатори, підйоми і спуски, зміни діаметрів тощо) [10, 11].

Припустимо, що площа перерізу потоку S_f співпадає з площею отвору S_p, і швидкості u у випадкових точках перерізу (x,y) відповідають швидкості потоку :

.

(3)

Результатом засмічення водопропускної системи є зменшення площі перерізу S_p її отворів в межах від до . Наприклад, швидкість засмічення нитчастими водоростями заздалегідь очищених конусних сіток системи технічного водопостачання Чорнобильської АЕС складала 6-7% їх поверхні на добу [12], звідки випливає, що отвір забивається повністю за t_l=100/(6¸7)=14¸17 діб.

Якщо описані, передбачувані, засмічення вирізняються вираженою детерміновано-накопичувальною природою, то неочікувані – уявляють випадкове зіткнення водопропускного отвору із об’єктом-сміттям. У деяких випадках раптова швидкість засмічення u_l водопропускних отворів може бути порівняною зі швидкістю течії в отворі водопропускної системи (), і повністю блокуватиме потік (; ). Виходячи з повідомлень про три випадки біологічного засмічення на протязі одного тільки календарного 2011 року [4-6], припускаємо, що частота біозасмічень системи охолодження АЕС становитиме F_NPP=N₂₀₁₁/N_NPP=3/435»6,9´10^-3. Всі інші можливі засмічення системи – топляком [9, 13], водоростями [9, 12], захоплення течією косяків риб [9, 14, 15], викидання на водозабір крупних морських тварин не враховуються, оскільки в районах АЕС вказані події не відмічені.

У ядерній енергетиці прийнято чотири категорії імовірності вихідних подій (таблиця 2), до яких віднесено такі, що призводять до відхилення від нормального робочого стану об'єкту і потребують заходів безпеки.

Таблиця 2

Категорії вихідних подій (згідно [16])

Найменування	Частота f, рік^-1	Вірогідність настання
1. Очікувані	³10^–2	Передбачається, що стануться один або кілька разів за весь термін експлуатації об’єкту
2. Можливі	10^–4<f<10^–2	Не очікуються, але їх передбачувана частота за час життєвого циклу об’єкту перевищує рівень 1%
3. Маловірогідні	≤10^–4	Розглядаються в проекті об’єкту; менш вірогідні, чим попередні
4. Запроектні	-	Дуже малої частоти; як правило, не включаються в звичайний аналіз безпеки. У випадках, коли вводяться системи захисту від таких вихідних подій, вони не обов'язково повинні мати той же рівень резервування або неоднаковості, як заходи захисту від проектних вихідних подій

Отже, згідно отриманих даних, засмічення водопропуску АЕС відносяться до можливих подій з частотою 10^–4<f<10^–4 за рік.

Висновки. Розглянуто випадки біологічних засмічень систем водяного охолодження АЕС світу і зроблено припущення щодо їх закономірності. Можливі випадки засмічення розбито за критерієм швидкості процесу. Досліджено статистику випадків засмічень, зроблено припущення про їх закономірність і отримано відповідну оцінку імовірності.

Література:

1. Учет внешних событий, исключая землетрясения, при проектировании атомных электростанций. Рук-ство № NS-G-1.5. – Вена: IAEA. – 2008. – 127 с.

2. Попов А. В. Биомелиорация водоема-охладителя с целью предотвращения чрезвычайных ситуаций в работе системы водоснабжения атомной станции: дис. … канд. биол. наук. – М., 2002. – 187 с.

3. Purcell J. E., Uye S., Lo W.-T. Anthropogenic causes of jellyfish blooms and their direct consequences for humans: a review // Marine Ecology Progress Series. – 2007. – Vol. 350. – Pp. 153-174.

4. Tsukimori O., Macfie N., Richardson A. Jellyfish back off at Japan nuclear power plant [Електронний ресурс]. – Режим доступу: http://www.reuters.com/article/2011/06/24.

5. Miller D. Jellyfish force Torness nuclear reactor shutdown [Електронний ресурс]. – Режим доступу: http://www.bbc.co.uk/news.

6. Stapleton C. Jellyfish swarm shuts down St. Lucie nuclear power plant [Електронний ресурс]. – Режим доступу: http://www.palmbeachpost.com/news.

7. IAEA Power Reactor Information System [Електронний ресурс]. – Режим доступу: www.iaea.org/programmes/a2/.

8. Горбачова Л. О. Гідрологія. – К.: Вид-во НПУ, 2010. – 125 с.

9. Проектирование сооружений для забора поверхностных вод. Справочное пособие к СНиП 2.04.02-84 "Водоснабжение. Наружные сети и сооружения" / ВНИИ ВОДГЕО ГОССТРОЯ СССР. – М.: Стройиздат, 1990.

10. ОСТ 36-68-82. Тепловые сети. Режимная наладка систем централизованного теплоснабжения.

11. СНИП 2.04.03-85. Канализация. Наружные сети и сооружения.

12. Афанасьев С. А. Биологические помехи в водоснабжении тепловых и атомных электростанций // Гидробиологический журнал. – 1995. – Т. 31, №2. – С. 3-9.

13. Wallerstein N., Thorne C. R., Abt S. R. Debris Control at Hydraulic Structures in Selected Areas of the United States and Europe. Report CHL-97-4. – London, 1997. – 109 p.

14. Кобеньок Г. В., Закорко О. П., Марушевський Г. Б. Збереження біорізноманіття, створення екомережі та інтегроване управління річковими басейнами. – К.: Wetlands International Black Sea Programme, 2008. – 200 c.

15. Дехтярьов П. А., Євтушенко М. Ю., Шерман І. М. Фізіологія риб. – К.: Аграрна освіта, 2008. – 341 с.

16. ИНЕС. Руководство для пользователей международной шкалы ядерных и радиологических событий. – Вена: IAEA, 2010. – 235 с.