Вопрос о поддержке или замене этих ядерных мощностей сложен из-за трудностей по строительству новых электростанций, т.к. новые станции потребуют нескольких миллиардов долларов инвестиций.
Проблематично убедить рынки капитала выделить такие суммы под разумные проценты. Генерирующие мощности, которые вводили в эксплуатацию в США в последние годы, были представлены установками на природном газе и ветроэнергии, которые меньше по объему и для которых проще найти финансирование. С увеличением числа ограничений по углекислому газу и растущим спросом на электроэнергию, надежная безуглеродная выработка электричества важна для США, как никогда раньше.
Ядерная энергия, которая в настоящее время составляет 20% электроэнергии страны, является единственным источником энергии, который может справиться с этой задачей. Для удовлетворения потребностей в энергии и, учитывая продолжительный период ввода объектов в эксплуатацию, следует заблаговременно обратить внимание на существующий парк станций, который безопасно поставляет энергию в течение многих десятилетий, и одновременно поразмыслить, как дополнительные ядерные станции укрепят запасы энергии в будущем.
С приближением срока истечения 40-летних лицензий большинство владельцев коммерческих ядерных станций запросили или собираются запросить продление эксплуатационных разрешений еще на двадцать лет. Семьдесят три станции уже обновили свои лицензии. Но, если смотреть в более отдаленное будущее, становится ясно, что продление лицензий на 20 лет является недостаточным.
Для того чтобы сохранить ядерную энергетику в качестве ведущей составляющей в доле производимой электроэнергии, участники атомной отрасли США должны начать принимать меры по обеспечению работоспособности станций в горизонте 80 лет, т.е. длительной эксплуатации.
Некоторые из уроков, извлеченных атомной промышленностью США в подготовке станций к работе до 80 лет, могут быть применены к другим заводам по всему миру.
Для продления лицензий еще на 20 лет ядерные электростанции должны ответить на ряд вызовов. В особенности проработать вопросы изменения свойств материалов в процессе старения конструкций в сложных условиях. Эти вопросы включают аспекты «усталости металла», эффекты борированной воды на деталях из нержавеющей стали, целостности сварных швов, особенно на корпусе ядерного реактора, и потенциальную коррозию в защитных покрытиях.
К счастью, ядерная промышленность начала работать над нерешённым вопросами, связанными с продлением лицензий, очень заблаговременно. Действительно, в то время как первое продление лицензии было утверждено в 2000 году, первоначальная общая оценка возможности продления жизнеспособности объектов была проведена Исследовательским институтом электроэнергетики (EPRI) в 1979 году, а первый пилотный проект по продлению жизненного срока объекта - для завода Dominion Generation’s Surry в Вирджинии - был завершен EPRI в 1986 г. После того, как эта работа была завершена, первоначальное требование для обоснования возобновления лицензии (до 60 лет) было выпущено NCR в 1991 году. Еще через четыре года обсуждений внутри отрасли «Правило продления лицензий» было дополнено существенными изменениями в 1995 году.
В то время, когда изменения в Правило еще обсуждалось, началась работа по разработке первой заявки по продлению лицензии. Это было сделано на примере двух реакторов на атомной электростанции Constellation's Calvert Cliffs. Она стала первым объектом, который получил обновленную лицензию. В дополнение ко всем этим шагам раздел XI Кодов по котлам и сосудам высокого давления (Boiler and Pressure Vessel Code), выпускаемых Американским обществом инженеров-механиков (ASME), был изменен для поддержки продления срока действия лицензии. Сходные шаги, а также разработка новых решений для возникающих проблем старения, должны будут применяться и для второго этапа продления лицензий, расширяя срок эксплуатации реакторов до 80 лет. В последние годы инженеры, ученые, проверяющие и другие участники отрасли начали изучать проблемы, которые могут возникнуть при такой длительной эксплуатации. Какие шаги следует предпринять, чтобы ядерные электростанции, которые были построены в 1970-е, могли бы безопасно эксплуатироваться вплоть до 2050-х гг?
Мы должны развивать программы управления старением станций для ответа на существующие и возникающие проблемы старения. Некоторые технические области, которые требуют более пристального внимания, уже очевидны.
Даже сейчас, за 20 лет до начала долгосрочных операций, можно определить некоторые из основных вопросов, стоящих перед стареющими АЭС.
• Какие новые технологии необходимы для осмотра, ремонта или замены первичных компонентов?
Целостность корпуса реактора, внутренних частей реактора и основного трубопровода является важной технической областью для долгосрочных операций. Эти компоненты подвергаются воздействию высоких температур и радиации. Они проверяются и управляются в рамках существующих программ. Дальнейшие сферы исследования включают разработку передовых методов ремонта и использования новых материалов. В конечном счете необходимо определить, будут ли повторяющиеся инспекции и потенциальный ремонт достаточными.
• Как продемонстрировать надежность бетона при длительной эксплуатации?
Сооружения, содержащие бетон в качестве герметизатора, подвергаются воздействию окружающей среды, которое может привести к химическим реакциям и вызвать деформацию. Внутренние опорные элементы подвергаются длительному воздействию высоких температур и излучения, которые могут повлиять на прочность. Уроки, извлеченные из недавней эксплуатации бетонных конструкций, продемонстрировали неспособность АЭС нормально функционировать при повреждении опорных конструкций. Более глубокие исследования с прицелом на долгосрочные операции необходимы для демонстрации силы бетона и возможности проведения осмотров через бетонные и арматурные конструкции. Осмотр и ремонт в сравнении с заменой бетонных конструкций являются достоинством в рамках длительной эксплуатации.
• Каковы наиболее эффективные способы для проверки и ремонта или замены зарытого оборудования?
Крайне важно чтобы подземные системы трубопроводов, которые, как правило, используются для транспортировки охлаждающей воды, можно было проинспектировать. В настоящее время подтверждено, что повреждение в коррозионностойком покрытии трубопроводов может вызвать небольшие протечки. Возможно, такие утечки и не создают угрозы безопасности (так как потенциал охлаждения еще достаточен), но они могут быть причиной утечки радиации, даже несмотря на то что уровни ее настолько малы, что находятся ниже нормативного лимита. Обнаружение этих утечек привело к пересмотру вопроса по находящемуся под землей оборудованию, его проектированию, техническому обслуживанию и осмотру подземных трубопроводов. Кроме того, компании разрабатывают технологии по мониторингу коррозии на нижней стороне трубопровода, соприкасающейся с землей, и установке катодной защиты для предотвращения коррозии трубопроводов и конструкций. Проблема, скорее всего, приобретет более важное значение в течение длительной эксплуатации объектов.
• Как улучшить производительность АЭС и ее экономику?
Дополнительный вызов в виде экономических вопросов и производительности станции предполагает модернизацию приборов и систем управления. Передовые технологии в долгосрочной перспективе будут способствовать повышению производительности рабочих за счет оптимизации взаимодействия человека и системы контроля, упрощения рутинной работы по техническому обслуживанию и предотвращению перебоев в работе станции. Операционная эффективность важна и при определении приоритетности модернизации. АЭС отдают предпочтения тем нововведениям, которые напрямую связаны с безопасностью, во вторую очередь, рассматривая те, которые повышают производительность.
Точно также, как атомная отрасль начала решать вопросы, лежащие в основе продления лицензий с запасом в десятилетия, сегодня отрасль уже активно обращается к техническим аспектам длительной эксплуатации.
Не потребуется еще 20 лет для второго обновления операционной лицензии, поскольку нормативная база, по большей части, уже существует, а владельцы станций понимают требования, которые предъявляются к управлению стареющей АЭС. Ядерная регуляторная комиссия США ожидает, что первое заявление на продление лицензии от 60 до 80 лет эксплуатации, будет выдано в 2018 году. Ядерная регуляторная комиссия и промышленные группы должны удостовериться в том, что они выявили ключевые аспекты в вопросах старения и определили или разработали методы для управления ожидаемым старением в 60-летней и более продолжительной временной перспективе.
Промышленность должна продемонстрировать необходимое понимание любых существенных изменений в вопросе старения более чем на 60 лет.
Кроме того, Ядерная регуляторная комиссия США должна соотнести свои руководства с соблюдением нормативных требований для учета выводов любой отрасли, касающихся управления старением более чем на 60 лет. Поэтому важно, чтобы органы промышленности, такие, как Научно-исследовательский институт электроэнергетики, группы владельцев энергетических компаний и поставщики, наряду с индивидуальными владельцами энергетических компаний, которые являются основными кандидатами на эксплуатацию более 60 лет, совместно с Ядерной регуляторной комиссией США убедились в том, что вопросы старения сформулированы, и соответствующие методы управления старением определены или созданы. Важно также, чтобы энергетические компании поддерживали диалог с Ядерной регуляторной комиссией для демонстрации того, что станции могут безопасно работать еще более 60 лет. Ассоциированные государственные агентства также играют свою роль. Инициатива Департамента энергетики по поддержанию реакторов с «легкой водой» имеет многолетнюю программу с тремя основными пунктами: старение материалов и деградация, передовые измерительные приборы, информация и контроль, а также характеристика запаса прочности с учетом рисков. Департамент энергетики также сотрудничает с другими отраслевыми программами, например, долгосрочной программой Научно-исследовательского института электроэнергии и Комиссией по ядерному регулированию США.
У ASME имеется большой опыт поддержки безопасной эксплуатации атомных станций. Общество и его добровольцы работают над тем, чтобы сделать долгосрочную эксплуатацию станций жизнеспособным вариантом. Одной из областей, которая была принята во внимание при первом продлении лицензий, были ссылки на сроки в ASME BPV код, Раздел XI, касающиеся АЭС. Эти требования были введены в работу прежде, чем потребность в продлении жизни реакторов, не говоря уже о долгосрочной эксплуатации, которая получила широкое признание.
Но многое еще предстояло сделать помимо распространения этих ссылок на 40-летний период. Раздел XI ASME BPV кода (Специальная рабочая группа по управлению старением АЭС) был сформирован в 1990-е годы, чтобы изучить технические, экономические и нормативные аспекты продления срока эксплуатации атомных электростанций. Группе также была поручено определить, какие именно изменения были необходимы в Разделе XI правил по управлению старением систем, структур и компонентов АЭС.
Аналогичным образом, новые или измененные стандарты или кейсы должны быть рассмотрены для включения в них проверок, тестов и ремонта компонентов на АЭС. Несколько важных вопросов старения уже были рассмотрены в рамках изменений к ASME Boiler Code Standards. Некоторые примеры включают в себя код кейс N-638: Комнатная температура сглаживает эффект от шовной сварки и код кейс N-722-1 Требования к визуальному осмотру подверженных сварочных швов, которые обеспечивает визуальные экзаменационные требования для локаций Alloy 600/182/82, требующих удаление изоляции. Код кейса N-770: Требования к инспекции стыковых сварочных швов и код кейс N-754: Оптимизированные покрытия адресуют методики ремонта трещин. Для того, чтобы поддержать работу АЭС в долгосрочной перспективе, рабочая группа ASME имеет устав, согласно которому рекомендует добавления или изменения в текущий Код, Раздел XI.
Когда создавался текущий парк АЭС, предполагалось, что однажды он будет заменен. Тот факт, что мы говорим о продолжении эксплуатации этих объектов до 2050-х годов говорит о высоком мастерстве строительства этих объектов. Они действительно строились на века.
Для достижения долгосрочной эксплуатации за имеющимися реакторами следует ухаживать, а программы по нормативам, стандартам, которые управляют им теперь, нужно продолжать развиваться. К счастью, эта работа уже делается, и мы ожидаем, что эти реакторы будут предоставлять нам безопасное, не создающее углекислого газа электричества на десятилетия вперед.
BARBARA R. SNYDER, P.E., ведущий инженер в Westinghouse Electric Company в Cranberry Township, Pa., и секретарь Американского общества инженеров-механиков (ASME), участник специальной группы, занимающейся вопросами управления старением АЭС.
THEODORE A. MEYER – ведущий инженер в Westinghouse Electric Company в Cranberry Township, Pa., и председатель специальной группы, занимающейся вопросами управления старением АЭС.
KENNETH R. BALKEY, P.E., инженер-консультант в Westinghouse Electric
Company в Cranberry Township, Pa., и старший вице-президент ASME Standards and Certification. Он также читает лекции в Университете Питтсбурга в рамках программы по ядерной энергетике.
Совместные усилия мирового сообщества
Вопрос продления срока службы объектов не ограничивается только США с их нормативными и коммерческими условиями. Усилия предпринимаются и в Европе и в других странах.
Международное агентство по атомной энергии и Агентство по ядерной энергии Организации экономического сотрудничества и развития создали рабочие группы, которые объединяют представителей ядерной области разных стран, чтобы сделать выводы, касающиеся длительной эксплуатации и управления старением.
Международное агентство по атомной энергии предоставляет последовательные и надежные средства обеспечения эффективного выполнения обязательств по безопасности. Эти стандарты применяются различными регулирующими органами и компаниями по всему миру в целях повышения безопасности в атомной энергетике.
При рассмотрении длительной эксплуатации обычно применяются два стандарта МАГАТЭ: Периодический Обзор безопасности АЭС, Руководства по безопасности и Серия Докладов МАГАТЭ по безопасности, No. 57. Каждый из них имеет несколько разделов, посвященных оценке продолжения эксплуатации АЭС. Длительная история совместной работы в сфере характеристики материалов и исследования старения существует в Европе в рамках технологической площадки NUGENIA-The Nuclear Generation II & III Association. Деятельность NUGENIA поддерживается Европейским Союзом и включает все основные заинтересованные стороны европейского ядерного бизнеса. Исследование старения материалов реактора, кабелей, полимеров и бетона станут основой для решения вопроса длительной эксплуатации.
2020
