Безопасность атомных электрических станций при экстремальных внешних воздействиях

Бирбраер А.Н.; Роледер А.Ю.

г л

УДК 621.039.58

БЕЗОПАСНОСТЬ АТОМНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СТАНЦИЙ ПРИ ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ ВНЕШНИХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ

А.Н. Бирбраер, А.Ю. Роледер

ОАО «Санкт-Петербургский институт Атомэнергопроект» (ОАО «СПбАЭП»),

Санкт-Петербург, Россия

Эл. почта: a birbraer@so2.spbaep.ru, a roleder@so2.spbaep.ru Статья поступила в редакцию 20.04.2010, принята к печати 26.05.2010

Рассматриваются принципы учета природных и техногенных внешних воздействий на сооружения и оборудование атомных электростанций (АЭС). Особое внимание уделено четырем экстремальным воздействиям, создающим наибольшие нагрузки, а именно: землетрясениям, ураганам и торнадо, взрывам и падению на АЭС летательного аппарата. Ключевые слова: атомные электростанции, безопасность, техногенные катастрофы, природные катастрофы.

NUCLEAR POWER PLANT SAFETY UPON EXTREME IMPACTS

A.N. Birbraer and A.Yu. Roleder

Saint-Petersburg Institute "Atomenergoproekt" (OAO "SPbAEP"), Saint-Petersburg, Russia E-mail: a_birbraer@so2.spbaep.ru, a_roleder@so2.spbaep.ru

The principle of accounting of anthropogenic and environmental impacts on constructions and machinery of nuclear power plants are considered with special emphasis on the most severe conditions including earthquakes, tornadoes, explosions and aircraft wrecks.

Keywords: nuclear power plants, safety, anthropogenic catastrophe, environmental catastrophe.

Список сокращений

АЭС - атомная электрическая станция

БР - безопасное расстояние

ВВ - взрывчатое вещество

ВВЭР - водо-водяной энергетический реактор

ВДО - величина дистанции отбора (безопасное расстояние)

ВУВ - воздушная ударная волна

ГПВС - газо-паро-воздушная смесь

ИКАО - Международная организация гражданской авиации

МАГАТЭ - Международное агентство по атомной энергии

МРЗ - максимальное расчетное землетрясение (с повторяемостью 1 раз в 10 000 лет)

ПА - поэтажная акселерограмма

ПЗ - проектное землетрясение (с повторяемостью 1 раз в 1000 лет)

ПС - поэтажный спектр отклика

ТВЭЛ - тепловыделяющий элемент

УОВ - уровень отбора событий по вероятности

ЯЭУ - ядерная энергетическая установка

IAEA - International Atomic Energy Agency

ICAO - International Civil Aviation Organization

MSK-64 - сейсмическая шкала Медведева - Спонхойера - Карника, версия 1964 г.

PWR - Pressure Water Reactor

SDL - Screening Distance Value

SPL - Screening Probability Level

1. Природные и техногенные воздействия, учитываемые в проекте АЭС

Непременным требованием к атомной электростанции (АЭС) является гарантия сохранения ядерной и радиационной безопасности. Это означает, что при любых нормальных и аварийных режимах работы, любых внутренних и внешних воздействиях должен быть предотвращен выход радиоактивных продуктов за установленные пределы.

В нашей стране учет внешних воздействий на АЭС регламентируется нормами [8-10, 15]. Международный опыт отражен в документах Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ) [16, 18-20, 24]. При проектировании отечественных АЭС иногда (в случае недостаточно подробной регламентации отечественными нормами) используются также соответствующие нормы других стран (США, Франции, Германии).

Согласно нормам [15], при проектировании АЭС должна быть проанализирована опасность всех возможных природных и техногенных внешних воздействий. На основе этого анализа принимается решение об их учете в проекте.

К природным явлениям относятся гидрометеорологические процессы и явления: наводнения, цунами, сейши; приливы и отливы, штормовое волнение, сгон и нагоны воды в прибрежной зоне морей; изменение водных ресурсов (экстремально низкий сток, аномальное снижение уровня воды); ледовые явления на водотоках (зажоры, заторы); смерч (торнадо); ураган, тропический циклон; экстремальные осадки и снегопады; гололед; снежная лавина; удары молнии.

Кроме того, рассматриваются геологические и инженерно-геологические процессы и явления: сейсмотектонические разрывные смещения, поднятия и опускания блоков земной коры; тектонический крип; остаточные сейсмодеформации земной коры; землетрясения; извержения вулканов; грязевой вулканизм; оползни, обвалы, сели, лавины; размывы берегов, склонов, русел; оседания и провалы территории, подземные размывы, карст; деформации специфических грунтов (вечная мерзлота, термокарст, разжижение и пр.).

Внешними факторами техногенного происхождения являются: удар летательного аппарата и других летящих тел; пожары по внешним причинам; взрывы, в том числе дрейфующих облаков; выбросы в атмосферу взрывоопасных и воспламеняющихся газов, токсичных паров, газов и аэрозолей; коррозионные жидкие сбросы в поверхностные и грунтовые воды; электромагнитные импульсы и излучения; разлив масел и нефтепродуктов на прибрежных поверхностях рек, морей и океанов; прорыв естественных и искусственных водохранилищ.

2. Требования по безопасности к элементам АЭС 2.1. Классификация элементов АЭС по назначению

Прежде чем перейти к изложению методов обеспечения безопасности АЭС, отметим, что не все ее части («элементы») в равной степени важны для этой цели. В соответствии с нормами [11], их по этому признаку подразделяют на категории. Элементы, входящие в разные категории, различаются по назначению, по влиянию на безопасность и по характеру выполняемых ими функций безопасности.

По назначению они разделяются на системы и элементы нормальной эксплуатации (необходимые при нормальной работе станции) и элементы безопасности. К последним относятся системы, предназначенные для выполнения действий по предотвращению аварий или ограничению их последствий.

По влиянию на безопасность различают системы и элементы, важные для безопасности, и остальные, не влияющие на безопасность.

По характеру выполняемых функций элементы АЭС разделяются на защитные, локализующие, обеспечивающие и управляющие.

К защитным относятся технические системы, предназначенные для предотвращения или ограничения повреждений ядерного топлива, оболочек тепловыделяющих элементов реактора (ТВЭЛов), оборудования и трубопроводов, содержащих радиоактивные вещества.

Локализующие системы должны исключить возможность попадания радио активных веществ в окружающую среду в случае возникновения аварии. Для АЭС с во-до-водяными энергетическими реакторами (ВВЭР, или Pressure Water Reactor, PWR) это авария, сопровождающаяся разгерметизацией первого контура ядерной энергетической установки (ЯЭУ) и потерей теплоносителя.

Особое место среди локализующих систем занимает герметичная внутренняя защитная оболочка, а также оборудование и системы, обеспечивающие определенное расчетное давление внутри нее, т.е. предохраняющие ее от разрушения при аварии. Назначение оболочки - удержать внутри радиоактивные продукты в случае аварии с потерей теплоносителя (рис. 1). Она проектируется как сосуд под давлением, так как во время аварии избыточное давление внутри нее доходит до 0,39 МПа, а температура поднимается до 150 °С. В некоторых странах герметичная оболочка выполняется из стали. В нашей стране, а также в ряде других стран, например, во Франции, она представляет собой предварительно напряженную железобетонную конструкцию. Предварительное напряжение обеспечивается системой тросов, проложенных в каналах в толще бетона (рис. 2), а плотность - путем облицовки оболочки изнутри стальным листом.

Герметичная оболочка располагается внутри другой, наружной оболочки, защищающей здание от внешних воздействий. Обе оболочки относятся к I категории сейсмостойкости.

Перед началом работы АЭС (до загрузки в реактор ядерного топлива), а также периодически в процессе эксплуатации производятся испытания внутренней оболочки на герметичность. Для этого под нее закачивается воздух под давлением, на 15% превышающим максимальное расчетное давление при проектной аварии (ее определение дано далее). Допускается суточная утечка не более 0,2% от объема под оболочкой.

Для того чтобы при аварии не допустить выхода радиоактивности за пределы внешней оболочки, в процессе эксплуатации между оболочками поддерживается пониженное давление. Просочившийся воздух собирается и выпускается в атмосферу после очистки.

Назначение обеспечивающих систем - снабжение систем безопасности энергией, рабочей средой и создание условий для их функционирования.

Наконец, управляющие системы предназначены для инициирования действий систем безопасности, осуществления контроля и управления ими в процессе работы.

Рис. 1. Пример компоновки реакторного отделения АЭС.

Рис. 2. Расположение канатов системы предварительного напряжения защитной оболочки.

2.2. Аварии, учитываемые в проекте

Требования, предъявляемые к различным системам, зависят от их функционирования при технологических авариях. Рассматриваются аварии двух видов.

Первый вид - проектная авария. Для нее проектом определены исходные события и конечные состояния и предусмотрены системы безопасности, которые должны гарантировать, что последствия аварии будут ограничены пределами, установленными для проектных аварий. При этом предполагается, что одновременно с аварией произойдет отказ одного элемента систем безопасности («принцип единичного отказа») или будет допущена одна, независимая от исходного события, ошибка персонала.

Второй вид - запроектная авария, вызванная исходными событиями, не предполагаемыми для проектных аварий, или сопровождающаяся отказами систем безо-

пасности сверх единичного отказа, а также многократными ошибками персонала. 2.3. Классы элементов АЭС по безопасности

В зависимости от влияния элементов АЭС на возможность реализации рассмотренных видов аварий, устанавливаются четыре класса по безопасности.

К классу безопасности 1 относятся ТВЭЛы, а также элементы АЭС, которые могут привести к запро-ектным авариям, приводящим, при нормальном функционировании систем безопасности, к повреждению ТВЭЛов с превышением пределов, установленных для проектных аварий.

Класс безопасности 2 включает элементы, отказы которых являются исходными событиями, приводящими к повреждению ТВЭЛов в пределах, установленных для проектных аварий, при проектном функционировании систем безопасности с учетом нормируемого для проектных аварий количества отказов в них. Сюда же входят элементы систем безопасности, единичные отказы которых приводят к невыполнению своих функций соответствующими системами.

В класс безопасности 3 входят элементы систем, важных для безопасности, не вошедшие в классы 1 и 2; элементы, отказ которых приведет к выходу в окружающую среду (включая производственные помещения АС) радиоактивных веществ в количествах, превышающих значения, установленные нормами радиационной безопасности; элементы, выполняющие контрольные функции радиационной защиты персонала и населения.

Наконец, класс безопасности 4 включает элементы нормальной эксплуатации, не влияющие на безопасность и не вошедшие в классы безопасности 1, 2, 3; элементы, используемые для управления аварией, не вошедшие в классы безопасности 1, 2 или 3.

Элемент, который одновременно содержит признаки разных классов безопасности, а также участки, разделяющие элементы разных классов безопасности, относят к более высокому классу.

Требования, которые предъявляют к элементам различных классов по безопасности (в том числе - в части учета экстремальных воздействий), неодинаковы: наиболее строгие - для 1 класса, наименее - для 3-го. К элементам 4 класса предъявляются требования общепромышленных нормативных документов.

Рассмотрим подробнее обеспечение безопасности АЭС при четырех экстремальных воздействиях, создающих наиболее интенсивные механические нагрузки, а именно: при землетрясениях, ураганах и торнадо (смерчах), взрывах, падении летательного аппарата. Отметим, что эти воздействия учитывают только для систем, оборудования и строительных конструкций, относящихся к 1 и 2 классам безопасности.

3. Безопасность АЭС при землетрясениях 3.1. Особенности задания сейсмического воздействия на АЭС

В конкретной географической точке могут происходить землетрясения различной интенсивности, вплоть до какой-то максимальной. Однако чем сильнее землетрясение, тем реже оно может реализоваться. Таким образом, интенсивность землетрясения, которого можно ожидать в течение фиксированного интервала времени, является случайной величиной и зависит от длительности этого интервала.

Для учета этого обстоятельства при проектировании обычных промышленных и гражданских сооружений, не связанных с радиоактивными продуктами, в отечественных нормах [14] приведены карты сейсмического районирования территории России, на которых указаны интенсивности землетрясений с повторяемостью 1 раз в 50, 500 и 5000 лет. В нашей стране интенсивность измеряется в баллах по сейсмической шкале М8К-64 (Медведева-Спонхойера-Карника, версия 1964 г.). Расчетная интенсивность, принимаемая для конкретного объекта, зависит от его ответственности: материальных и людских потерь в случае разрушения, его необходимости для ликвидации последствий землетрясения и т.д.

Подход к обеспечению сейсмостойкости АЭС отличается существенной спецификой по сравнению с иными объектами [8]. Это обусловлено двумя обстоятельствами.

Во-первых, для АЭС само понятие «сейсмостойкость» имеет более широкий смысл, чем для иных сооружений. Если для последних под сейсмостойкостью подразумевается, прежде всего, отсутствие недопустимых повреждений строительных конструкций, то для АЭС это означает сохранение ядерной и радиационной безопасности. Очевидно, что это более жесткое требование, так как необходимо обеспечить не только целостность строительных конструкций, но и безотказную работу оборудования, ответственного за безопасность. Для обоснования этого требуется значительный объем проектных работ, обоснований и расчетов, иногда - усиление оборудования и введение дополнительных устройств. Кроме того, это влечет за собой существенное увеличение объема изысканий для получения требуемой исходной сейсмогеологической информации.

Вторая причина использования особых методов обеспечения сейсмостойкости АЭС заключается в том, что последние являются объектами исключительно высокой социальной ответственности, к безопасности которых предъявляются особо жесткие требования. Поэтому при их проектировании предполагается возможность реализации значительно более редких (а значит, и более сильных) землетрясений, чем для обычных промышленных и гражданских объектов.

Согласно нормам [8], проектирование АЭС производится с учетом двух уровней сейсмичности (а не одного, как для обычных сооружений), а именно:

- проектное землетрясение (ПЗ) с повторяемостью 1 раз в 1000 лет;

- максимальное расчетное землетрясение (МРЗ) с повторяемостью 1 раз в 10 000 лет.

Интенсивность колебаний грунта при этих землетрясениях определяется не по картам сейсмического районирования [14], как для обычных сооружений, а на основе детальных сейсмогеологических исследований. При этом, согласно нормам [8], даже при сколь угодно малой действительной сейсмичности площадки строительства АЭС она должна быть спроектирована на воздействие МРЗ с пиковым ускорением грунта не ниже 0,1 g (7 баллов по шкале М8К 64).

В качестве характеристики сейсмических колебаний грунта используется спектр отклика, представляющий собой зависимость абсолютных значений максимальных ускорений линейного осциллятора при его вынужденных сейсмических колебаниях от его собственной

частоты и относительного затухания. На рис. 3 приведен спектр отклика, заданный в нормах [8]. Он построен для единичного ускорения основания и должен быть умножен на максимальное ускорение колебаний грунта (например, при 7-балльном землетрясении -на 0,1 g = 0,98 м/с2). Этот спектр отличается от заданного в общестроительных нормах [14].

Отметим два обстоятельства.

Во-первых, спектр на рис. 3 является обобщенным и, в принципе, должен уточняться для каждой конкретной площадки строительства на основе сейсмогеоло-гических изысканий и статистической обработки записей реальных сейсмических колебаний.

Во-вторых, описанные выше характеристики сейсмических колебаний грунта заданы как детерминистические (не вероятностные) параметры. Но в действительности землетрясение - это случайный процесс, и, соответственно этому, спектр отклика - случайная функция частоты, а максимальное ускорение грунта - случайная величина (считают, что она распределена по логнормальному закону). Принято строить спектр отклика для конкретной площадки как «математическое ожидание + 1 стандартное отклонение», а максимальное отклонение грунта - как математическое ожидание.

Кроме спектра отклика должен быть задан набор совместимых с ним «исходных» законов сейсмических колебаний основания (чаще всего - акселерограмм, т.е. зависимостей ускорения от времени). Их совместимость со спектром означает, что их спектры отклика близко огибают спектр на рис. 3.

При учете сейсмического воздействия на АЭС необходимо выполнить те же проверки, что и для обычного сооружения, а именно: прочности строительных конструкций и устойчивости основания. Но в дополнение к этому необходимо, в отличие от обычных сооружений, рассчитать вынужденные сейсмические колебания зданий АЭС, чтобы определить сейсмические нагрузки на расположенное внутри оборудование. При этом расчете в качестве возмущающего воздействия служат исходные акселерограммы. 3.2. Категории сейсмостойкости

Не все элементы АЭС (системы, оборудование, сооружения) в равной мере важны для ее безопасности. Поэтому методы обеспечения сейсмостойкости АЭС направлены на то, чтобы, с одной стороны, гарантиро-

: Н С Угносителы затухание -0.005 —-0.02 —0.04 |— 0.05 но — е -

-- Э. 1 э. 0" 1С 2(

1 1

0 5 10 15 20 25 30 35 Частота, Гц

Рис. 3. Спектр отклика на грунте.

Рис. 4. Последовательность расчета ПС.

вать ее безопасность, а с другой - избежать неоправданного повышения связанных с этим затрат. С этой целью элементы, в зависимости от ответственности за безопасность, разделяют на три категории сейсмостойкости.

К категории I сейсмостойкости относят элементы АЭС, выход из строя которых может привести к выходу радиоактивных продуктов в количествах, приводящих к дозовым нагрузкам на население, превосходящим допустимые при проектной аварии [8]. Элементы этой категории сейсмостойкости практически совпадают с элементами категории безопасности 1. Сюда входит сама ядерная паропроизводящая установка, хранилища радиоактивных отходов, отработавшего топлива, а также ряд других элементов. Кроме того, в эту категорию включаются системы, обеспечивающие безопасную остановку реактора и поддержание его в остановленном состоянии. Сюда же входят сооружения, где эти системы располагаются.

В категорию II сейсмостойкости входят элементы АЭС, не включенные в категорию I, отказ которых может привести к выходу радиоактивных продуктов в количествах, приводящих к дозовым нагрузкам на население больше допустимых годовых значений при нормальной эксплуатации АЭС. Сюда входят элементы с «малой» радиоактивностью (спецмастерские, спецпрачечные и пр.). Кроме того, согласно российским нормам [8] к категории II относят элементы, отказ которых может привести к перерыву в выработке электроэнергии (турбогенератор и связанные с ним устройства, турбинный зал и пр.).

Все прочие элементы АЭС относят к категории III сейсмостойкости.

К различным категориям предъявляются следующие требования по сейсмостойкости.

Элементы категории I должны сохранять полную работоспособность во время и после ПЗ. Во время и после МРЗ они должны выполнять свои функции по обеспечению безопасности АЭС.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Элементы категории II должны сохранять работоспособность во время и после ПЗ. При МРЗ требования к ним не предъявляются.

Элементы категории III проектируются в соответствии с обычными нормами по сейсмостойкости для строительных конструкций и оборудования.

АЭС оснащается системой антисейсмической защиты - комплексом приборов, выдающих сигнал на остановку реактора при ускорении основания, соответствующем ПЗ.

3.3. Методы обеспечения сейсмостойкости сооружений и оборудования АЭС

Проверку прочности строительных конструкций АЭС выполняют общепринятыми методами с использованием исходной сейсмологической информации, заданной для уровня подошвы фундамента сооружения. Чаще всего производится расчет по спектрам отклика [1] (в нашей стране этот метод называют «линейно-спектральной теорией сейсмостойкости»). Отличием АЭС от обычных объектов является только более высокий уровень сейсмических ускорений. Современные программные комплексы (например, MSC/NASTRAN [21]) позволяют использовать подробные конечно-элементные модели зданий, с помощью которых можно достаточно точно вычислить распределение внутренних усилий в строительных конструкциях как при динамических воздействиях, так и при обычных нагрузках. Пример такой конечно-элементной модели приведен на рис. 4.

Как было сказано ранее, помимо прочности строительных конструкций необходимо обеспечить прочность и работоспособность ответственного оборудования АЭС. Однако выполнить такие расчеты при использовании только сейсмологической информации на уровне грунта невозможно, так как из-за колебаний здания изменяются величины и частотный состав ускорений на его отметках. Иными словами, «землетрясение» в точке закрепления оборудования внутри здания - это совсем не то же самое, что под фундаментом. В связи с этим приходится выполнять комплекс дополнительных расчетов с целью определить параметры сейсмических колебаний мест установки оборудования в здании. Процедура такого расчета схематически изображена на рис. 4.

Рис. 5. Поэтажный спектр отклика (ПС) на опорах реактора при МРЗ.

Здание схематизируется как упругая система. В случае если оно опирается на крепкую скалу (скорость сейсмической волны сдвига в основании У5 > 1100 м/с), его можно считать жестко закрепленным по подошве фундаментной плиты. В противном случае, поскольку здания АЭС обычно имеют большую массу и жесткость, в их расчетных моделях обязательно должна учитываться податливость основания и потери энергии в нем. Это можно сделать различными методами. Часто используют так называемые «импедансные функции» - систему присоединенных к фундаменту пружин и демпферов, имитирующих податливость основания и потери энергии в нем [1, 2].

В качестве исходной сейсмологической информации задается акселерограмма колебаний основания (исходная акселерограмма), которая считается законом колебаний подстилающей скалы. Дальнейший расчет включает три шага (рис. 4).

Первый шаг - расчет вынужденных колебаний здания при возмущении, заданном исходной акселерограммой. В результате определяют законы колебаний требуемых точек или отметок здания, где закреплено оборудование (поэтажные акселерограммы, или ПА). Отметим, что вследствие податливости здания ПА может сильно отличаться от исходной акселерограммы как по частотному составу, так и по максимальному значению ускорения.

Второй шаг - расчет вынужденных колебаний линейных осцилляторов с различными собственными частотами и коэффициентами демпфирования.

Наконец, третий шаг - расчет поэтажных спектров отклика (ПС), при построении которых в качестве возмущающего воздействия служат ПА. При вычислении ПС используется, как правило, не одна акселерограмма, а набор исходных акселерограмм, и варьируются значения жесткости основания. Результирующие ПС получаются как огибающие или осредненные значения частных ПС.

На рис. 5 в качестве примера приведен ПС, вычисленный на опорах реактора. Сравнение с исходным спектром на рис. 3 показывает, что колебания внутренних точек здания сильно отличаются от колебаний основания как по величине ускорений, так и по частотному составу.

ПА и ПС являются исходной сейсмологической информацией для проверки прочности и работоспособности оборудования и трубопроводов, расположенных внутри зданий [9]. Эта проверка может производиться как расчетным путем, так и посредством испытаний на вибростенде. Последний способ обычно применяют для электротехнического оборудования, контрольно-измерительных приборов и автоматики, которые плохо поддаются расчету.

Допускается конкретизировать понятие сейсмостойкости для каждой единицы оборудования в зависимости от выполняемых ею функций. Наиболее жесткое требование - оборудование должно функционировать в процессе и после землетрясения. Возможно, что во время землетрясения оборудование работать не должно, но его требуется включить после него (сразу или после ревизии). Для части оборудования (например, баков и резервуаров) сейсмостойкость означает сохранение прочности и плотности. Наконец, от некоторых единиц оборудования требуется только, чтобы они не развалились при землетрясении и не повредили ответственные элементы АЭС, находящиеся рядом. Такая дифференциация требований позволяет упростить обеспечение сейсмостойкости оборудования.

На основе описанных проверок выполняется проектирование и, если необходимо, усиление трубопроводов, оборудования и иных систем. Часто это сводится к введению дополнительных опор. Определенную сложность представляют трубопроводы и оборудование, температура и давление в которых изменяются в процессе эксплуатации. Во избежание температурных напряжений опоры такого оборудования проектируются так, чтобы оно могло перемещаться (например, парогенераторы подвешивают или устанавливают на катках; трубопроводы подвешивают на пружинных опорах). Однако закрепленное таким образом оборудование будет иметь недопустимо большие перемещения под действием сейсмических инерционных нагрузок, что приведет к разрыву примыкающих трубопроводов. Для предотвращения этого используют специальные опорные устройства, которые при медленных (температурных) пе-

ремещениях практически не оказывают сопротивления, а при быстрых (сейсмических) колебаниях ведут себя, как жесткая связь.

При разработке мер по обеспечению безопасности АЭС при землетрясении используются параметры сейсмического воздействия, заданные для площадки строительства: максимальные значения ускорения основания и спектры отклика. Однако в последнее время выдвигается требование обосновать невозможность мгновенного отказа всех систем станции в случае небольшого превышения этих параметров (cliff edge effect). Для этого рекомендуется выполнить вероятностный анализ запасов сейсмостойкости [22].

4. Ураганы и торнадо

4.1. Защита АЭС от ураганного ветра

В каждой местности скорость ветра изменяется по времени, направлению и высоте, т.е. является случайной величиной. Согласно строительным нормам [5], при проектировании обычных сооружений ветровые нагрузки определяют через так называемую нормативную скорость ветра, соответствующую высоте 10 м над поверхностью земли, 10-минутному интервалу осреднения, открытой местности и частоте реализации 1 раз в 50 лет. В приложении к [5] приведена карта районирования территории России по скоростям ветра. Ураганом считают ветер со скоростью более 33 м/с. В России ураганы возможны на побережьях Дальнего Востока и арктических районов.

В соответствии с нормами [10], для АЭС должен быть учтен гораздо более сильный ветер, возможный 1 раз в 10 000 лет. Нормы разрешают принимать его скорость по карте [5] с повышающим коэффициентом 2,5. В результате этого АЭС на побережье Балтийского моря должна проектироваться на такой же ветер, как обычное сооружение на Курильских островах.

Методы расчета сооружений на ураганный ветер не отличаются от обычных, не считая большей величины нагрузки. Необходимо только более внимательно подходить к проверке возможности возникновения аэроупругих колебаний конструкций [2, 17]. При обычных скоростях ветра такая опасность существует только для гибких низкочастотных сооружений (например, для металлических вентиляционных труб). При урагане могут происходить аэроупругие колебания и гораздо более жестких строительных конструкций.

4.2. Торнадо

4.2.1. Общая характеристика явления и его последствия. Торнадо (другие наименования - «смерч», «тромб») представляет собой стремительно вращающийся и поступательно перемещающийся вертикальный воронкообразный вихрь, спускающийся от нижней границы облаков (рис. 6). Много сведений об этом явлении можно найти в [6, 7]. Чаще всего торнадо образуется во время сильной грозы. Иногда при своем движении оно не соприкасается с землей постоянно, а периодически отрывается от нее, а затем через несколько километров пути вновь спускается («скачущее торнадо»).

Скорость ветра в вихре может достигать огромной величины, предположительно - вплоть до скорости звука. Потому торнадо - наиболее разрушительное из всех метеорологических явлений.

Для классификации торнадо по интенсивности используется F-шкала, предложенная Фуджитой. Согласно ей, торнадо разделены на 12 классов, которые

Рис. 6. Торнадо.

Рис. 7. Разрушения, вызванные торнадо.

Рис. 8. Водяной смерч.

качественно характеризуются степенью разрушений и иными внешними проявлениями, а количественно - диапазоном максимальных скоростей ветра Уш. Наиболее слабое торнадо (класс Р0) имеет скорость ветра Уш ^ 33 м/с, т.е. меньше ураганной, и вызывает относительно слабые последствия (повреждены некоторые трубы и телевизионные антенны; сломаны ветки деревьев; повалены деревья с неглубоко залегающими корнями). Но, например, классу Р5 (117 < Уш < 140 м/с) соответствует следующая качественная характеристика: каркасы домов полностью сорваны с фундаментов; железобетонные конструкции сильно повреждены; в воздухе летают предметы размером с автомобиль; могут возникать чрезвычайные явления.

Рис. 9. Схематическая карта районирования территории бывшего СССР по смерчеопасности [12].

На рис. 7 показаны последствия торнадо. Груда обломков на переднем плане - это все, что осталось от домов. Но в то же время на заднем плане видны совершенно целые здания, в которых сохранилось даже остекление окон. Это показывает, что торнадо проходит узкой полосой и за пределами вихря совершенно не ощущается. Этим оно отличается от обычного «плоского» ветра.

Похожее на торнадо, но пока малоизученное явление - водяные смерчи (рис. 8). Они образуются над водными просторами, но иногда заходят до нескольких километров в глубь суши и также могут обладать большой разрушительной силой.

В разных странах и частях света (США, Австралия, Западная Европа, Индия, Япония) торнадо возникают с разной частотой, имеют неодинаковые размеры и интенсивность. Так, например, в США диаметр вихря обычно составляет порядка 300 м, скорость перемещения относительно земли - от 30 до 100 км/ч, длина траектории примерно 15 км. Максимальная скорость ветра, зафиксированная в США, составляла около 100 м/с, хотя не исключено, что она может быть и выше. В Японии торнадо (по-японски «татсумаки») обычно слабее: диаметр около 50 м, скорость поступательного движения 40^50 км/ч, средняя длина траектории около 3 км, максимальная скорость ветра около 55 м/с.

В России смерчи возникают в теплое время года, чаще всего днем, и обычно перемещаются с юго-запада на северо-восток. Скорость их движения относительно земли и длина траектории примерно такие же, как в США, но диаметр вихря меньше - в среднем 160 м. Скорость ветра чаще всего не превышала 50 м/с, хотя имеются наблюдения, что в центральных областях России она достигала 100 м/с, а может быть, и больше.

Учет торнадо в проектах российских АЭС регламентируется документами [10, 12]. В [12] приведена схема районирования территории бывшего СССР по смерче-

опасности (рис. 9), которая составлена на основе наблюдений за период с 1844 по 2001 г., в течение которого было зарегистрировано 367 смерчей (их каталог приведен в [12]). На рис. 9 видно, что половина территории страны относится к малоизученным районам. Однако это не говорит о том, что опасность торнадо в этих регионах мала: недостаток наблюдений объясняется, по-видимому, не только редкостью самого явления, но и малой плотностью населения.

Согласно нормам [15], должно учитываться торнадо с вероятностью реализации 1 раз в 10 000 лет. В [12] приведены соответствующие вероятности для всех зон, отмеченных на карте. Согласно этим данным, учет торнадо обязателен практически для любой АЭС на территории нашей страны.

4.2.2. Воздействия торнадо на сооружения. При прохождении торнадо на сооружение действует, во-первых, ветровое давление. Если размер сооружения в плане соизмерим с диаметром вихря, то при определении этой нагрузки надо учесть, что скорость ветра в разных частях наветренной поверхности неодинакова (в этом отличие торнадо от обычного «плоского» ветра). Расчет небольших элементов сооружения (например, стеновых панелей) производится на максимальную скорость ветра, а для проверки устойчивости всего сооружения (каркаса здания) ветровая нагрузка усредняется по его длине.

Благодаря силам инерции частицы воздуха отбрасываются от оси вихря, в результате чего давление воздуха в его середине меньше атмосферного. Поэтому вторая нагрузка, создаваемая торнадо, - падение атмосферного давления. Из-за этого наружные поверхности сооружения оказываются под действием избыточного давления.

Наконец, при торнадо поднимаются в воздух различные предметы, и должен учитываться их удар о строительные конструкции. Обычно рассматривают летящие тела трех видов:

а) массивные тела, обладающие большой кинетической энергией, которые при соударении с конструкцией вызывают ее общую деформацию;

б) тяжелые жесткие тела, приводящие к локальному пробиванию защитных конструкций;

в) небольшие жесткие тела, которые могут залететь через вентиляционные и иные отверстия внутрь здания АЭС и вывести из строя оборудование.

В отечественных нормах [12] в качестве таких тел предлагается принимать:

а) автомобиль массой 1800 кг;

б) монолитную болванку диаметром 200 мм и массой 125 кг;

в) стальную сферу 02,5 см.

Эти же летящие тела указаны в рекомендациях МАГАТЭ [19], а также в нормах США. Удар наносится по нормали к поверхности, скорость тела составляет 0,35% от максимальной скорости ветра Vm. На рис. 10 показана нагрузка при ударах автомобиля ГАЗ-24 «Волга» с различными скоростями.

Иногда рассматривают также удары иных тел (деревянных брусьев, труб, арматурных стержней и пр.). Следует отметить, что вследствие большой скорости удара даже достаточно легкое и непрочное тело (например деревянный брус) способно повредить кирпичную или железобетонную стену. Для примера, на рис. 11 показаны куски коры и щепки, пробитые соломинками и стеблями растений [7].

Рис. 10. Нагрузка на строительную конструкцию при ударе автомобиля ГАЗ-24 «Волга».

Рис. 11. Куски коры и щепки, пробитые при торнадо соломинками и стеблями растений [6].

5. Воздействие взрыва

5.1. Постановка задачи

Согласно требованиям отечественных норм [10, 15] и мировой проектной практики [19, 20], при проектировании АЭС обязательно должна приниматься во внимание возможность аварийного внешнего взрыва (защита АЭС от террористических актов и военных действий представляет особую проблему и здесь не рассматривается). Такую же задачу приходится решать для различных взрывоопасных производств, а также для сооружений гражданской обороны.

Взрывом называется процесс выделения энергии при внезапном изменении состояния вещества (например, в результате быстропротекающей химической реакции) или его параметров (при разрушении паровых котлов, баллонов со сжатым газом и т.п.). Он порождает целый комплекс нагрузок и воздействий. Прежде всего, это механические воздействия: воздушная ударная волна (ВУВ), разлетающиеся осколки, сотрясение грунта (сейсмовзрывное воздействие). Их опасность состоит в возможности повреждения строительных конструкций и систем АЭС. Кроме того, при взрыве происходит выделение тепла, которое может вызвать пожары. Наконец, взрыв сопровождается образованием пыли, ядовитых и токсичных газов, которые, попав внутрь станции, могут привести к поражению персонала или помешать его нормальной работе.

Далее будут изложены только вопросы, связанные с действием ВУВ. Сейсмовзрывное воздействие при проектировании АЭС, как правило, не принимают во внимание, так как оно обычно достаточно слабо по сравнению с обязательно учитываемым природным землетрясением. Методы расчета разлета осколков приведены в [2]. Защита от теплового воздействия, пыли и газов осуществляется посредством конструктивных и компоновочных мероприятий и в настоящей статье не затрагивается.

5.2. Типы взрывов и характер нагрузок

Различают два основных типа взрыва - детонационный и дефлаграционный (для последнего используются также наименования вспышка и мгновенное возгорание).

Детонационный взрыв характерен, прежде всего, для концентрированных взрывчатых веществ (ВВ) - тротила, гексогена и т.п. В облаках газо- и паровоздушных смесей (ГПВС) может происходить как детонация, так и дефлаграция. Всегда детонируют смеси воздуха с водородом и ацетиленом. Характер взрыва смесей воздуха с газообразными углеводородами зависит от типа вещества, от загроможденности места взрыва и от других условий [2, 4].

В процессе детонации горение распространяется по веществу или по облаку ГПВС со сверхзвуковой скоростью. При этом внутри облака образуется детонационная волна, создающая огромное давление. По окончании детонации от места взрыва концентрированного ВВ или границы облака распространяется ВУВ, скорость которой также больше звуковой. Ее типичный профиль (избыточное давление, т.е. его превышение над атмосферным) показан на рис. 12а. В момент времени, когда фронт волны проходит через какую-либо точку на местности, давление мгновенно возрастает до величины Дрф («давление на фронте волны»). Затем в течение интервала времени т+ оно снижается до нуля («фаза сжатия»), после чего следует «фаза разрежения» т_, в которой избыточное давление отрицательно (при расчетах строи-

го 50 щ- 40-

s

I 30 ш го ч ф о т

т

ф

* го

Q.

20

ю-

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Время t, с

Взрыв х на площадке

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Время t, с

Рис. 12. Изменение избыточного давления в ВУВ при взрывах: а - при детонации; б - при дефлаграции; в - по российским нормам [10, 15].

тельных конструкций этой фазой обычно пренебрегают). Значение Дрф, а также продолжительность фаз сжатия и разрежения зависят от количества ВВ и расстояния до центра взрыва или границы облака.

В целом для детонационного взрыва характерны возможность возникновения значительного давления на фронте ВУВ и кратковременность действия (десятые и даже сотые доли секунды). Давление на фронте увеличивается с увеличением количества взрывчатого вещества и с уменьшением расстояния от места взрыва до сооружения. При взрыве облака ГПВС обязательно должен быть учтен его дрейф, в результате которого уменьшается расстояние до сооружения.

На практике строительные конструкции при детонационном взрыве облака ГПВС рассчитывают на нагрузку от действия ВУВ, т.е. за пределами облака. Если же конструкция находится внутри него, то на нее действует давление детонационной волны, которое настолько велико, что обычные сооружения его выдержать не могут.

Давление ВУВ, показанное на рис. 12а, создается в проходящей волне, т.е. оно было бы зафиксировано прибором «в чистом поле», без учета влияния сооружения. При взаимодействии ВУВ с сооружением происходит его обтекание волной, и характер давления сильно изменяется. Если ВУВ падает по нормали к фронтальной стене сооружения, то на последней происходит отражение волны, в результате чего давление удваивается (точнее, с учетом ветрового давления воздуха коэффициент отражения немного больше 2). На боковых поверхностях и крыше здания давление такое же, как в падающей волне. На тыльной стене давление появляется только после того, как до нее дойдет фронт волны, и нарастает не мгновенно.

При детонационном взрыве нагрузка прикладывается мгновенно и является кратковременной, т.е. имеет ярко выраженный динамический характер. Поэтому создаваемые ею внутренние усилия в строительной конструкции зависят от соотношения ее собственных частот и длительности фазы сжатия.

Дефлаграционные взрывы наблюдаются в облаках ГПВС. При таком взрыве пламя распространяется по облаку с дозвуковой скоростью, которая зависит от вида вещества и может изменяться в широких пределах. Анализ аварийных промышленных взрывов показал, что обычно эта скорость составляет от 120 до 250 м/с, но может быть и больше. Характер изменения избыточного давления при дефлаграции иной, чем при

детонации: давление нарастает медленнее, но длительность его действия может измеряться секундами. В качестве примера на рис. 12б представлен закон изменения отраженного давления при дефлаграционном взрыве, приведенный в документе МАГАТЭ [19]. Пик при t = 0,1 с объясняется отражением от фронтальной стены. Как видно, коэффициент отражения составляет 1,5, т.е. меньше, чем для детонационной ВУВ.

Другое принципиальное отличие дефлаграционного взрыва состоит в том, что избыточное давление зависит только от скорости горения вещества, но не от его количества - последнее определяет длительность действия давления. После окончания горения облака от его границы распространяется ВУВ, давление на фронте которой значительно меньше, чем при детонации. Поэтому, как правило, дефлаграционный взрыв представляет опасность для сооружения только в том случае, если оно целиком или частично находится внутри облака. Действие нагрузки при дефлаграционном взрыве ближе к статическому.

Какой из взрывов, детонационный или дефлаграционный, окажется опаснее для конкретной конструкции, зависит от ее динамических характеристик, и априори предсказать это трудно. Поэтому при проектировании АЭС часто предполагают, что может реализоваться любой характер взрыва облака ГПВС (особенно принимая во внимание достаточно размытые критерии определения типа взрыва), и рассчитывают конструкцию на худший из вариантов.

5.3. Включение взрыва в проектные основы АЭС

Источники взрывов, потенциально опасных для АЭС, могут быть стационарными и мобильными. Примерами первых являются объекты оборонного комплекса, хранилища ВВ, взрывоопасные производства, трубопроводы для перекачки взрывоопасных сред (нефти и нефтепродуктов, газа и пр.). Опасность представляют также емкости, содержащие среды под высоким давлением (паровые котлы, баллоны со сжатым газом и т.п.). Мобильными источниками являются наземные, водные и воздушные транспортные средства, перевозящие или содержащие различные ВВ.

Согласно российским нормам [10, 15], в проекте любой АЭС, независимо от наличия реальных источников взрыва, следует учитывать воздействие взрыва на про-мплощадке АЭС с давлением на фронте ВУВ Дрф = 10 кПа и продолжительностью фазы сжатия 1 с (рис. 12в). Для оценки необходимости учета более интенсивного взрыва должно быть установлено расположение взрывоопасных объектов на территории самой станции и в

Рис. 13. Поэтажный спектр отклика (ПС) на опорах реактора при действии ВУВ.

ее ближайших окрестностях, а также характер и возможное количество ВВ на них. По требованиям норм [4], для ядерных установок, радиационных источников и пунктов хранения радиоактивных веществ, находящихся в федеральной собственности или имеющих федеральное, межрегиональное или региональное значение, рекомендуется исследовать территорию на расстоянии не менее 5 км от периметра ограды. Для менее ответственных радиационно-опасных объектов местного значения это расстояние можно принимать равным 2 км.

Процедура оценки необходимости учета каждого из источников взрыва начинается со сравнения расстояния до него с «величиной дистанции отбора» (ВДО), т.е. с расстоянием, за пределами которого взрыв можно не учитывать (в Рекомендациях МАГАТЭ [20] это расстояние именуется Screening Distance Value, SDL). По российским нормам [15], должны быть проанализированы все взрывоопасные объекты на расстоянии до 10 км от ограды АЭС. При выборе площадок для вновь строящихся АЭС рекомендуется обеспечивать удаление не менее 10 км от объектов, где возможны взрывы большой интенсивности. При взрывах облаков ГПВС расстояние между АЭС и местом взрыва должно определяться с учетом дрейфа облака.

По нормам [10, 15], разрешается в качестве альтернативы не производить анализ источников взрыва за пределами площадки АЭС. Однако в этом случае в проектных основах АЭС должен быть предусмотрен взрыв с давлением на фронте ВУВ Дрф = 30 кПа и продолжительностью фазы сжатия 1 с (рис. 12в). 5.4. Проблемы защиты АЭС от взрыва

Защита АЭС от взрыва требует решения тех же задач, что и при сейсмическом воздействии, а именно: проверка прочности строительных конструкций и прочности основания здания, расчет колебаний и построение ПА и ПС. Первые две задачи решаются обычными методами строительной механики и механики грунтов. При проверке прочности строительных конструкций используется тот факт, что при быстром нагружении прочностные

характеристики материалов выше, чем при статической нагрузке [3]. Внутренние усилия в конструкциях определяются либо путем расчета на изменяющуюся во времени нагрузку, либо квазистатическим методом с использованием коэффициентов динамичности.

В этой связи необходимо отметить следующее обстоятельство. Как видно из рис. 12в, в нормы [10] заложен профиль ВУВ, являющийся комбинацией детонационного и дефлаграционного взрывов: давление на фронте ВУВ возрастает мгновенно, как при детонации, а продолжительность фазы сжатия равна 1 с, как при дефлаграции. Поскольку строительные конструкции сооружений АЭС обычно являются достаточно жесткими и высокочастотными, при таком профиле ВУВ нагрузка на них оказывается сильно завышенной. Действительно, пусть собственная частота конструкции составляет, скажем, 5 Гц; при детонации обычная продолжительность фазы сжатия ВУВ - порядка 0,1 с. В этих условиях коэффициент динамичности будет равен примерно 1, т.е. эквивалентное статическое давление на конструкцию равно Дрф. При заданном же в нормах профиле ВУВ и такой частоте конструкции нагрузка мало отличается от мгновенного приложения постоянной нагрузки, и коэффициент динамичности будет близок к 2, т.е. вдвое больше.

Процедура нахождения ПА и ПС в целом такая же, как на рис. 3. Отличие только в том, что при расчете вынужденных колебаний здания в качестве возмущающего воздействия используется закон давления в ВУВ (трансформированный с учетом обтекания здания). На рис. 13 в качестве примера приведен ПС, вычисленный на опорах реактора, т.е. в той же точке реакторного отделения, что при землетрясении (рис. 4). При сравнении этих двух ПС видим, что при ВУВ максимальные ускорения достигаются на гораздо более высоких частотах (соответственно 25 Гц и 5 Гц), но значения этих ускорений гораздо меньше (0,53 м/с2 и 80 м/с2). Понятно, что при ВУВ спектр отклика целиком лежит ниже сейсмического, и, следовательно, оборудование, рассчитанное на сейсмическое воздействие, дополнительного усиления не требует.

6. Падение самолета на АЭС 6.1. Определение самолета, включаемого в проектные основы АЭС

Вопрос о защите АЭС от падения самолета впервые возник в 60-е гг. XX в. Это техногенное воздействие является одним из самых опасных. Его обязательный учет предусмотрен российскими нормами проектирования АЭС [10, 15], а также зарубежными нормами, отраженными в рекомендациях МАГАТЭ [19, 20].

Падение самолета создает очень тяжелые динамические нагрузки на строительные конструкции и оборудование АЭС, но в то же время вероятность его реализации чрезвычайно мала. В связи с этим решение о включении этого события в проектные основы конкретной АЭС должно приниматься на основе анализа воздушной обстановки в ее окрестностях. Однако, согласно российским нормам [10, 15], независимо от реального воздушного движения в окрестностях АЭС, в проекте должен быть учтен удар легкого самолета массой до 5000 кг, используемого на внутренних авиалиниях. Это же требование содержится в нормах некоторых других стран (например, Франции). Учет такого удара позволяет одновременно обеспечить защиту от летящих тел другой природы с близкими массами и скоростями (например, поднятых в воздух ураганом или торнадо; образовавшихся при обрушении вышерасположенных строительных конструкций; при злонамеренных действиях людей и т.п.).

Анализ необходимости учета в проекте более тяжелого самолета основан на использовании понятия «величина дистанции отбора» (ВДО), уже упоминавшегося в п. 5.3, и «уровень отбора событий по вероятности» (УОВ).

В [20] для падения самолета приведены следующие значения ВДО:

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

- воздушные коридоры или трассы захода на посадку расположены ближе 4 км;

- имеются любые аэропорты в пределах 10 км;

- в пределах 16 км имеются аэропорты с числом взлетов и посадок более 500 d2 в год, а за пределами 16 км

- более 1000 d2 в год (размерность параметра d - км);

- в пределах 30 км имеются военные объекты или воздушные зоны, представляющие опасность для АЭС (например, полигоны практического бомбометания, стрельбища и т.п.).

«Уровень отбора событий по вероятности» (в документах МАГАТЭ он именуется Screening Probability Level

- SPL) - это наименьшая вероятность реализации события (1/год), приводящего к серьезным радиологическим последствиям, начиная с которой оно должно включаться в проектные основы. Согласно российским нормам [15], при учете техногенных факторов УОВ = 10-6 1/год, т.е. одно событие за 1 млн лет. Для сравнения: Троянская война произошла примерно 3300 лет тому назад. Отметим также, что обычные эксплуатационные нагрузки имеют вероятность реализации порядка 10-1 1/год, а особые нагрузки - 10-2 1/год. Например, обычные промышленные и гражданские сооружения проектируются на землетрясение с интервалом повторяемости один раз в 50 лет, т.е. с вероятностью реализации 2-10-2 1/год.

Процедура анализа воздушной обстановки вокруг АЭС изложена в [2, 20]. Анализ начинается с установления вероятности падения самолета на АЭС за счет общего воздушного движения в регионе. Если она меньше УОВ, то в проект включается падение малого самолета по нормам [15].

В противном случае необходимо определить все потенциально опасные места («источники»), откуда может упасть самолет, и сравнить расстояние до них с ВДО. Если площадка АЭС расположена за пределами ВДО, то падение самолета из данного источника можно не учитывать.

Если же площадка расположена в пределах ВДО, то следует вычислить вероятность падения самолета из этого источника. Если полученная вероятность меньше УОВ, то событие не учитывается.

Наконец, если вероятность падения самолета больше УОВ, то это воздействие должно быть учтено в проекте. Для этого необходимо установить типы и характеристики всех самолетов, падение которых возможно из данного опасного места.

Описанный анализ опасности падения самолета на АЭС основан на предположении, что оно является аварийным, т.е. непреднамеренным. Однако после совершенной 11 сентября 2OO1 г. террористической атаки с применением самолетов на Всемирный торговый центр в Нью-Йорке уже нельзя исключить преднамеренный удар самолета в здание АЭС. В настоящее время разрабатываются подходы к защите АЭС от подобного террористического акта, но этот вопрос лежит за пределами тематики настоящей статьи.

6.2. Виды самолетов и создаваемые ими воздействия

При ударе самолета в здание АЭС учитывают, во-первых, механические нагрузки на строительные конструкции. При этом разделяют нагрузку от разрушения фюзеляжа и от удара твердого обломка (за который часто принимают турбину двигателя). Во-вторых, необходимо обеспечить защиту от воздействий, связанных с авиационным топливом.

Нагрузку на преграду от разрушения фюзеляжа впервые рассчитал Дж. Риера (J.D. Riera) [2З], который рассматривал фюзеляж как жесткопластический стержень с переменной по длине массой и прочностью, постепенно сминающийся со стороны преграды. Нагрузка на преграду вычисляется по формуле

R(t )=mit ] ыт (l)

где Ç(t) - длина разрушенной части фюзеляжа; P[^(t)] - зависимость его прочности от длины; - скорость неразрушенной части фюзеляжа. Первый член в правой части представляет собой статическую, а второй - динамическую составляющую нагрузки.

Обычно рассматривают самолеты трех видов, отличающиеся массой и скоростью.

Первый вид самолетов - малые самолеты (или самолеты авиации общего назначения). По классификации ICAO, к ним относятся самолеты максимальной взлетной массой до S7OO кг (такой самолет может пилотировать один человек). В качестве типичных самолетов этого вида в [2O] рекомендованы Lear Jet-23 и Cessna-210. Масса первого S67O кг, скорость в момент удара 1OO м/с. Масса второго самолета 172S кг, скорость 8S -1OO м/с. Нагрузки на строительную конструкцию за счет разрушения их фюзеляжей приведены на рис. 14а. Площади приложения нагрузки: от самолета Lear Jet-2З - 12 м2, от Cessna-21O - 4 м2.

Второй вид - скоростные военные самолеты, имеющие относительно небольшую массу, но большую скорость. В качестве образца такого самолета рассматривают истребитель-бомбардировщик Phantom RF-4E массой

20 ООО кг и скоростью 200 м/с. Нагрузка при его ударе показана на рис. 14б. Площадь ее приложения У м2.

Наконец, третий вид - самолеты коммерческой авиации, масса которых больше, чем у военных самолетов, но скорость меньше. В качестве такого самолета до недавнего времени принимали дальнемагистральный пассажирский лайнер Boeing У0У-320 массой 90 ООО кг и скоростью 100 м/с. Нагрузка при его ударе также показана на рис. 14б. Считается, что она распределена по площади до 40 м2.

Отметим две особенности нагрузок при ударах самолетов Phantom RF-4E и Boeing У0У-320, показанных на рис. 14б. Во-первых, их максимальные значения очень велики, но длительность мала и составляет десятые доли секунды. Во-вторых, несмотря на то что масса самолета Phantom RF-4E меньше, чем у Boeing У0У-320, нагрузка при его ударе больше. Это объясняется более высокой скоростью удара, поскольку, как видно из формулы (1), нагрузка пропорциональна массе фюзеляжа в первой степени, а скорости - во второй.

Кроме того, расчеты показали, что при ударе самолета основной вклад в нагрузку дает динамическая составляющая, т.е. второе слагаемое в правой части (1), а даже значительное изменение прочности фюзеляжа (первого слагаемого) влияет на нагрузку мало. Вследствие этого можно полагать, что при ударах самолетов с близкими массами и скоростями, независимо от их конструктивных особенностей, нагрузки окажутся достаточно близкими. Отметим, что сказанное справедливо только при большой скорости удара разрушающегося тела. В противном случае, скажем, при падении груза, нагрузка, напротив, зависит главным образом от прочности.

В последнее время появилась тенденция учитывать при проектировании новых АЭС возможность падения наибольшего из летающих сегодня самолетов. В качестве образца часто принимают Boeing У4У-400 Jumbo Jet массой 390 000 кг и скоростью 100 м/с. Нагрузка при его ударе приведена на рис. 14б. Как видно, она в 2,5 раза больше рассматривавшихся прежде нагрузок. Площадь ее приложения от S0 до 100 м2. Такой удар рассматривают как «расширенное проектное воздействие», при котором допускаются нестандартные методы безопасной остановки АЭС, но при условии гарантированного обеспечения радиационной и ядерной безопасности.

В момент удара самолеты имеют огромную кинетическую энергию. Для сравнения: кинетическая энергия самолета Phantom RF-4E равна энергии товарного состава из

а

X

s

ttf

О.

L_

пз X

20 вагонов массой по 60 т, идущего со скоростью 100 км/ч. Энергия самолета Boeing 747-400 Jumbo Jet эквивалентна такому же составу из 85 вагонов. Однако натурный эксперимент с самолетом Phantom RF-4E показал, что при ударе 94% энергии было затрачено на его собственное разрушение, и только 6% - на деформацию преграды.

Как сказано выше, помимо нагрузок от разрушения фюзеляжа самолета должны быть учтены нагрузки от удара его обломка. Часто за такой обломок принимают турбину двигателя, рассматриваемую как абсолютно твердое тело. Например, самолет Phantom RF-4E имеет два двигателя массой по 1665 кг; у самолета Boeing 747-400 Jumbo Jet четыре двигателя массой по 4300 кг.

Наконец, еще одно воздействие, которое должно быть учтено при падении самолета, - пожар и/ или взрыв авиационного топлива. Например, самолет Boeing 747-400 Jumbo Jet несет 75 000 кг авиакеросина. 6.3. Обеспечение безопасности АЭС при падении самолета

АЭС имеет три (в новейших проектах - даже четыре) дублированные системы безопасности, любой из которых достаточно, чтобы остановить реактор и поддерживать его в остановленном состоянии. Для защиты от удара самолета эти системы обычно размещают в отдельных зданиях, которые располагают на генплане станции таким образом, чтобы они не могли быть одновременно выведены из строя.

Тем не менее, отдельные системы, важные для безопасности, расположены в одном здании. Прежде всего, это находящаяся в реакторном отделении ЯППУ, хранилище отработавшего топлива и др. При их защите от падения самолета приходится решать те же три задачи, что и при других рассмотренных ранее воздействиях, а именно: во-первых, обеспечение прочности строительных конструкций и фундамента здания; во-вторых, работоспособность оборудования при колебаниях здания, вызванных ударом; в третьих, безопасность АЭС при воздействиях, создаваемых авиационным топливом. Далее кратко описаны способы решения этих задач.

6.3.1. Прочность строительных конструкций при нагрузке за счет разрушения фюзеляжа самолета

Проверка прочности производится посредством динамического расчета конструкций по методу конечных элементов. Такой расчет при ударе самолета Boeing 747-400 Jumbo Jet (нагрузка для него приведена на рис. 14б) был выполнен для железобетонной наружной за-

б

15

10—

-.-. Lear Jet \ " Cessna

\

i ¡

! \ !

W

T ¡

Г ^ [J

1 í \ \

1 !

/I Iii -1-1-1- —1—1—1—i—

0.05 Время f, с

0.1

Рис. 14. Нагрузки на строительные конструкции при ударах самолетов различных типов: а - самолеты общего назначения; б - скоростной военный самолет и самолеты коммерческой авиации.

Рис. 15. Анализ прочности наружной защитной оболочки при ударе самолета: а - конечно-элементная модель и схема приложения нагрузки; б - изгибающий момент в кольцевом направлении при максимальном

прогибе внутрь; в - то же при максимальной «упругой отдаче».

щитной оболочки реакторного отделения, разрез которого показан на рис. 1.

На рис. 15а изображена конечно-элементная модель оболочки и схема приложения нагрузки, а на рис. 15б и 15в в качестве примера приведены поля изгибающих моментов в кольцевом направлении, совмещенные с деформированным состоянием оболочки (для наглядности масштаб перемещений сильно увеличен).

Изгибающие моменты и перемещения построены для двух моментов времени. Первый из них соответствует максимальному прогибу оболочки внутрь (рис. 15б): в месте удара образовалась «вмятина», а бока оболочки раздались. При этом растянута внутренняя поверхность оболочки, и, соответственно, подбирается армирование на этой грани.

Оболочка спроектирована таким образом, чтобы ее деформации оставалась в пределах упругости. Поэтому после прекращения действия нагрузки происходит «упругая отдача» конструкции, максимальной величине которой соответствует рис. 15в. В месте, где была приложена нагрузка, оболочка выпучивается, а ее бока втягиваются. Наружная поверхность оболочки оказывается растянутой, и требуется усиление ее армирования. Вследствие этого получается парадоксальный на первый взгляд результат: процент армирования, требуемый у наружной поверхности, оказывается больше, чем у внутренней. Отметим, однако, что величина «отдачи» при ударе в разные места оболочки неодинакова.

При проверке прочности строительных конструкций учитывается повышение прочностных характеристик материалов согласно нормам [3, 10]. Кроме того, по нормам [10] допускается появление в конструкциях необратимых деформаций, не ограничивается ширина раскрытия трещин в бетоне и т.п., при условии, что это не приведет к нарушению условий безопасности АЭС. Для рассмотренной наружной защитной оболочки толщина, необходимая с точки зрения предотвращения разрушения при данной нагрузке, составила 2,3 м, но в бетоне появятся сквозные трещины. Поскольку не допускается проникание через оболочку авиационного топлива, то придется либо утолстить оболочку, либо

принять специальные конструктивные меры (например, облицевать ее изнутри стальным листом).

6.3.2. Прочность строительных конструкций при ударе обломка самолета

Как было сказано выше, обломок самолета, в качестве которого часто принимают турбину двигателя, считают абсолютно твердым телом.

Степень повреждения бетонной преграды при ударе твердого тела зависит от многих факторов. Во-первых, от параметров снаряда: веса, размеров, формы, деформируемости. Во-вторых, от характеристик мишени: толщины, пролета между опорами, свойств бетона, армирования. Наконец, решающее влияние оказывают условия удара: линейная и угловая скорости снаряда, его ориентация, угол между направлением удара и нормалью к мишени. В зависимости от скорости снаряда он следующим образом взаимодействует с бетонной преградой (рис. 16).

Если скорость мала, то снаряд отскакивает от преграды, не повредив ее. При увеличении скорости происходит проникание снаряда в преграду и разрушение бетона со стороны удара - выкрашивание с поверхности (рис. 16а). В зарубежной литературе это повреждение именуется spalling. По мере повышения скорости глубина проникания увеличивается. При этом образуется кратер, сначала превосходящий снаряд по диаметру, а затем - почти равный ему. Эта глубина проникания соответствует условиям так называемого пластического удара.

Если скорость еще больше, то напротив места удара происходит растрескивание преграды изнутри (scabbing), которое может сопровождаться разлетом кусков бетона (рис. 16б). Зона растрескивания обычно превосходит по размеру кратер с лицевой стороны, но мельче его. При дальнейшем увеличении скорости глубина проникания снаряда в преграду быстро возрастает, и могут разлетаться достаточно крупные куски со значительной скоростью.

Наконец, при еще большей скорости происходит сквозное пробивание преграды (perforation), после чего снаряд еще может сохранять остаточную скорость (рис. 16в).

й >/ Q

А

б

Г'

Q

А

/

•t

t

С" *

о-// % <

ь

/ £7

Л

\

б

Рис. 16. Степени повреждения бетонной преграды при ударе твердого тела: а - выкрашивание с лицевой поверхности (spoiling); б - растрескивание изнутри (scabbing);

в - пробивание (perforation).

Характер повреждения конструкции определяется по эмпирическим формулам. При заданной скорости и характеристиках снаряда повреждение тем меньше, чем выше прочность бетона и больше толщина преграды. Допускаемая степень повреждений зависит от назначения конструкции. Например, если удар нанесен в стену, за которой располагается ответственное оборудование, то при разлете обломков бетона изнутри оно может быть выведено из строя. Для предотвращения этого придется либо увеличить толщину стены, либо принять конструктивные меры (облицевать стену изнутри листовой сталью или сеткой для удержания обломков бетона, защитить оборудование экранами и рефлекторами, и т.п.).

6.3.3. Колебания здания и нагрузки на расположенное внутри оборудование. При ударе самолета в здание, даже такое тяжелое, как реакторное отделение, происходят его интенсивные, хотя и кратковременные колебания. При этом на установленное в нем оборудование передаются инерционные нагрузки, при которых оно должно выполнять свои функции.

Для уменьшения этих колебаний применяют специальную компоновку здания, показанную на рис. 1. Наружная защитная оболочка, воспринимающая удар самолета, соединяется с внутренними конструкциями здания, на которых расположена ЯППУ, только на уровне фундаментной плиты. Благодаря этому ускорения конструкций от удара уменьшаются за счет взаимодействия здания с грунтом, особенно если оно опирается на скалу.

Тем не менее, ускорения, передающиеся на оборудование внутри здания, оказываются достаточно интенсивными. Их задают посредством ПС, процедура расчета которых в целом такая же, как при землетрясении (рис. 4). Отличие заключается в том, что на 1-м шаге расчета (при вычислении ПА) возмущающим воздействием служит нагрузка от удара самолета.

На рис. 17а изображены ПС ускорений при землетрясении («сейсмический») и ударе самолета («самолетный»), вычисленные в одной и той же точке здания. Их сравнение показывает, что сейсмический ПС достигает максимальных значений на частоте около 8 Гц, где ускорения самолетного ПС малы. Максимум же самолетного ПС - на частоте около 50 Гц, где мал сейсмический ПС. Поэтому, если находящееся в здании оборудование требуется защитить от обоих этих воздействий, то такая разница ПС вызывает сложности, так как при повышении собственных частот оборудования с целью снижения сейсмических инерционных нагрузок возрастают такие нагрузки при ударе самолета. Однако часто производят «отсечку» высокочастотной части самолетного ПС на основе следующих соображений.

Первое из них заключается в том, что ускорение упругой системы пропорционально ее перемещению, умноженному на квадрат частоты. Поэтому на высоких частотах большим ускорениям соответствуют малые перемещения, которые не представляют опасности для оборудования. Чтобы учесть это обстоятельство, вместе с ПС ускорений вычисляют ПС перемещений, т.е. зависимость от частоты абсолютных значений максимальных перемещений при вынужденных колебаниях осциллятора (рис. 17б). Далее задаются минимальной величиной перемещения, неопасной для оборудования, и определяют частоту, начиная с которой значения ПС перемещений меньше этого значения (на рис. 17б

Рис. 17. Отсечка высокочастотной части ПС: а - ПС ускорений при землетрясении и ударе самолета; б - ПС перемещений при ударе самолета.

такое перемещение составляет 10-3 м, а соответствующая частота равна 18 Гц). На этой частоте производят «отсечку» высокочастотной части ПС ускорений, как показано точечной линией на рис. 17а.

Другое соображение состоит в том, что при высокочастотных колебаниях существенную роль играют нелинейности в оборудовании (например, малые зазоры в опорах), повышается рассеяние энергии. Все это способствует снижению инерционных нагрузок. Поэтому в некоторых странах производят «отсечку» высокочастотной части самолетных ПС на частотах выше 30 Гц [9].

Еще одно отличие колебаний здания при ударе самолета и землетрясении заключается в следующем. При землетрясении ускорения точек здания в пределах одного этажа отличаются несущественно. При ударе же самолета ускорения вблизи места удара могут быть очень большими, но по мере удаления от него быстро убывают. Поэтому следует разместить дублирующие системы в разных частях одного здания. В этом случае, если даже инерционные нагрузки на одну их них окажутся очень большими, то для других они будут существенно меньше.

6.3.4. Воздействия, связанные с авиационным топливом.

Самолет может нести значительное количество топлива (например, как сказано выше, Boeing 474-400 Jumbo Jet несет 75 000 кг), в связи с чем необходимо учитывать возможность его взрыва или пожара. Защита от пожара производится обычными противопожарными мерами.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Относительно возможности взрыва авиакеросина у специалистов нет единого мнения. Некоторые считают, что может происходить только его горение, а взрыв

невозможен, так как для его реализации необходимо образование взрывной газо-воздушной или капельно-воздушной смеси с достаточно равномерным распределением капель. При больших количествах топлива это является сложной технической задачей, даже если используются специальные средства распыления, применяемые для проведения объемных взрывов. По этой причине авиакеросин, имеющий прочные связи между атомами в молекулах, для объемных взрывов не применяют.

По мнению других специалистов, взрыв авиакеросина все-таки возможен, и он будет иметь дефлаграцион-ный характер. Однако для этого необходимо образование паровоздушной смеси, на что потребуется от 0,5 с до 40 мин. Поскольку длительность ударной нагрузки не превосходит 0,4 с, удар самолета и взрыв не совпадают по времени, т.е. прочность оболочки на эти два воздействия можно проверять независимо.

7. Заключение

При защите АЭС от экстремальных внешних воздействий, отличающихся большой интенсивностью, но малой вероятностью реализации, производят классификацию элементов АЭС по их роли в обеспечении радиационной и ядерной безопасности, и экстремальные воздействия рассматривают только для наиболее ответственных из них. Это позволяет гарантировать безопасность АЭС, но избежать ее неоправданного удорожания. В статье описаны методы обеспечения безопасности при наиболее тяжелых экстремальных воздействиях: землетрясениях, ураганах и торнадо, взрывах, падении на АЭС самолета.

Литература

1. Бирбраер А.Н. Расчет конструкций на сейсмостойкость. - СПб.: Наука, 1998.

2. Бирбраер А.Н., Роледер А.Ю. Экстремальные воздействия на сооружения. - СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2009.

3. Защитные сооружения гражданской обороны: СНиП 11-11-77* / Госстрой России; ГУП ЦПП. - М., 2002.

4. Методика оценки последствий аварийных взрывов топливовоздушных смесей: РД 03 409-01 / Госгортехнадзор России. - М., 2001.

5. Нагрузки и воздействия: СНиП 2.01.0785* / Минстрой РФ. - М., 1996.

6. Наливкин Д.В. Ураганы, бури и смерчи. - Л.: Наука, 1969.

7. Наливкин Д.В. Смерчи. - Л.: Наука, 1984.

8. Нормы проектирования сейсмостойких атомных станций: НП-031-01 / Госатомнадзор России. - 2001.

9. Нормы расчета на прочность оборудования и трубопроводов атомных энергетичес-

ких установок: ПНАЭ Г-7-002-86 / Госатомнадзор СССР. - М.: Энергоатомиздат, 1989.

10. Нормы строительного проектирования атомных станций с реакторами различного типа: ПиН АЭ-5.5-86 / Минатомэнер-го РФ. - 1986.

11. Общие положения обеспечения безопасности атомных станций. ОПБ-88/97: ПНАЭ Г 01-011-97 / Госатомнадзор России. - 1997.

12. Рекомендации по оценке характеристик смерча для объектов использования атомной энергии / Госатомнадзор России. - М., 2001.

13. Санитарные правила проектирования и эксплуатации атомных электростанций: СП АЭС-88-93 / Минздрав РФ. - 1993.

14. Строительство в сейсмических районах. СНиП 11-7-81* / Госстрой СССР - М.: ЦИТП Госстроя СССР, 2000.

15. Учет внешних воздействий природно-

го и техногенного происхождения на объекты использования атомной энергии: НП-064-05 / Федеральная служба по экологическому, технологическому и атомному надзору. - 2006.

16. Учет экстремальных метеорологических явлений при выборе площадок АЭС. (Без учета тропических циклонов). Руководство по безопасности № 50-SG-S11A / МАГАТЭ. - Вена, 1983.

17. EUROCODE 1: Actions on structures. Pt. 1-4: General actions - Wind actions. BS EN 1991-1-4: 2005. Brussels: CEN / European Committee for Standardization. April 2005.

18. Evaluation of Seismic Hazards for Nuclear Power Plants. IAEA Safety Standards Series. Safety Guide No. NS-G-3.3 / IAEA. Vienna, 2002.

19. External Events Excluding Earthquakes in the Design of Nuclear Power Plant. IAEA Safety Standards Series. Safety Guide No. NS-G-1.5 / IAEA. Vienna, 2003.

20. External Human-Induced Events in Site Evaluation for Nuclear Power Plants. IAEA Safety Standards Series. Safety Guide No. NS-G-3.1 / IAEA. Vienna, 2002.

21. MSC/NASTRAN Basic Dynamic Analysis. Users Guide, Version 69+ / The McNeal-Schwendler Corporation. Los Angeles, California. July 1997.

22. Probabilistic Safety Assessment for Seismic Events. IAEA-Techdoc-724 / IAEA. Vienna, 1993.

23. Riera J.D. On the Stress Analysis of Structures Subjected to Aircraft Impact Forces // Nucl. Engng. and Des. - 1968. - Vol. 8. - P. 415-426.

24. Seismic Design and Qualification for Nuclear Power Plants. IAEA Safety Standards Series. Safety Guide No. NS-G-1.6 / IAEA. Vienna, 2003.го и техногенного происхожде-

ния на объекты использования атомной энергии: НП-064-05 / Федеральная служба по экологическому, технологическому и атомному надзору. - 2006.