автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.03, диссертация на тему: Пожарная безопасность атомных станций

Специальность 05.26.03 Пожарная и промышленная безопасность, технические науки, отрасль - электроэнергетика.

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном учреждении «Всероссийский ордена «Знак Почета» научно-исследовательском институт противопожарной обороны Министерства Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий» (ФГБУ ВНИИПО МЧС России).

Научный консультант: доктор технических наук, старший

научный сотрудник И.Р.Хасанов

Официальные оппоненты: доктор технических наук

доктор технических наук, профессор Н.И.Акинин

доктор технических наук Б.А.Бенецкий

Ведущая организация: «Санкт-Петербургский научно-

исследовательский и проектно-конструкторский институт

Защита диссертации состоится «31» января 2012 г. в "10" час "00" мин. на заседании диссертационного совета ДС 203.003.01 в ФГБУ ВНИИПО МЧС России: 143903, Московская обл., г. Балашиха, мкр. ВНИИПО, д. 12. Автореферат разослан,//. исх.

Отзыв на автореферат с заверенной подписью и печатью просим направлять в ФГБУ ВНИИПО МЧС России по указанному адресу.

Телефон для справок: 521-29-00.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, с.н.с.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы

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

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

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

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

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

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

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

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

Цель дссертационной работы - обеспечение пожарной безопасности атомных станций.

Основные задачи работы:

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

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

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

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

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

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

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

4. На основе результатов исследований разработать и реализовать

систему гибкого нормирования противопожарной защиты атомных

станций, в том числе:

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

- определить последовательность выделения пожарных зон атомной станции;

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

- определить критерии определения работоспособности оборудования АС при пожаре;

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

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

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

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

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

Объект исследования — пожарная безопасность атомных станций.

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

Научная новизна работы заключается в следующем.

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

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

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

4. Разработан алгоритм выделения пожарных зон на энергоблоке.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

- блочного щита управления энергоблоком (БЩУ);

- кабельной шахты и коридора с максимальной пожарной нагрузкой;

- подщитового помещения, в котором расположены кабели

нескольких каналов системы безопасности реакторной установки;

- помещения с маслонаполненным оборудованием;

- резервной дизель-генераторной электростанции;

- помещения систем управления защитой реактора;

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

- гермозоны ректоров ВВЭР;

- межоболочного пространства ректоров ВВЭР 4-го поколения;

- помещений I и II контуров охлаждения реакторов БН с натриевым

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

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

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

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

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

На защиту выносятся следующие результаты диссертации:

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

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

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

4. Алгоритм выделения пожарных зон для энергоблока.

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

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

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

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

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

10. Система гибкого нормирования пожарной безопасности атомных станций.

Достоверность полученных результатов.

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

Обоснованность научных положений подтверждается положительными результатами их апробации.

Публикация и апробация работы.

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

Результаты работ докладывались на:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Объем и структура диссертации.

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

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации на основании данных о наличие высокой пожарной нагрузки в зданиях и помещениях основного производственного цикла, наличии высокоэнергетических источников зажигания, пожароуязвимости

элементов систем безопасности атомных станций. С учетом имеющихся данных о пожарах на АС, анализа аварий, вследствие которых были нарушены условия ядерной и радиационной безопасности реакторной установки, определяется практическая значимость работы.

Первая глава: «Обзор современных методов обеспечения пожарной безопасности и методов обеспечения безопасного функционирования АС».

При рассмотрении методов анализа безопасности АС при пожаре отмечено, что для АС, в рамках проектных работ и в процессе эксплуатации проводится общий анализ ядерной и радиационной безопасности, т.е. анализ работоспособности и надежности важных для безопасности станции технологических систем. Разработаны общие критерии и подходы к оценке уровня безопасности энергоблока при выходе из строя различного оборудовании, в том числе элементов системы безопасности (СБ) (А.П.Александров, В.А.Легасов, Н.С.Бабаев, В.А.Сидороенко, Н.Расмуссен, Дж. Гэррик, Д.Вудс). Концепция безопасности основана на создании нескольких независимых каналов системы безопасности. При этом каждый из каналов выполняет, в предусмотренном проектом объеме, все функции безопасности системы. Для обеспечения независимости каналов предусмотрено использование нескольких комплектов технологического оборудования, раздельных систем питания, управления и контроля. В то же время, технологически независимые системы безопасности могут быть выведены из строя вследствие развития одного пожара.

В нормативных документах по безопасности ядерных энергетических объектов не содержатся исчерпывающей методологии, которая бы позволяла корректно определять, какие из систем могут быть повреждены при различных сценариях развития реального пожара.

В старых нормативных документах ядерной энергетики пожарная опасность технологических помещений оценивается по количеству пожарной нагрузки. Требования к пределам огнестойкости конструкций: либо жестко нормированы, либо назначаются на основе «стандартной» температурной зависимости для динамики развития пожара. В реальности параметры пожаров могут в значительной степени не соответствовать упомянутым грубым оценкам пожарной опасности, причем уровень пожарной опасности при таких оценках может быть значительно занижен. Методы оценки пожарозащищенности оборудования, в том числе разных каналов СБ, при размещении в пределах одного помещения не определены в принципе

В связи с этим, в первой главе рассмотрены характеристики различных классов разработанных в настоящее время методов

моделирования развития пожара и оценки его последствий (А.К.Микеев, Н.П.Копылов, И.А.Болодьян, А.Н.Баратов, И.С.Молчадский, Г.И.Смелков). Исходя из характеристик и особенностей указанных методов проводится определение области их применения, значение для анализа безопасности объектов ядерной энергетики.

Важнейшим направлением исследования тепломассообмена при пожаре был и остается физический эксперимент. По характеру основных решаемых задач экспериментальные методы исследований, условно, разделяются на три группы:

- лабораторные методы исследования проводятся на различных установках с целью изучения закономерностей изменения различных параметров с использованием методов частичного моделирования. Эти методы исследования должны обладать высокой степенью точности измерений и повторяемостью процессов исследования. Используя методы частичного подобия, сходимость которых должна быть проверена на лабораторных и полигонных испытаниях, на лабораторных установках получают значения различных величин (скорость выгорания, коэффициент недожога, коэффициент теплообмена и т. д.), которые используются для последующего численного эксперимента;

- полигонные испытания проводятся на различных, специально оборудованных фрагментах, имеющих размеры, близкие к реальным. Эти испытания позволяют производить полное и частичное моделирование процессов тепломассообмена при пожарах. Они главным образом должны использоваться для отработки различных моделей, получения функциональных зависимостей для химических и термогазодинамических параметров;

- натурные испытания производятся на реальных объектах. Учитывая большую трудоемкость и высокую стоимость натурных испытаний, основной задачей при их выполнении должны быть проверка уже отработанных моделей и получение экспериментальных данных для дальнейшего развития моделирования.

Таким образом, в работе сделан вывод о том, что применение экспериментальных методов анализа динамики пожаров в помещениях АС является целесообразным. В то же время, поскольку эмпирические зависимости часто не отражают физической сути описываемых явлений, а являются приближенными, аппроксимирующими эксперимент, такие зависимости следует использовать строго в пределах их достоверности, т.е. в определенных пределах размеров помещений, степени их негерметичности, расположения, величин и физико-химических характеристик пожарной нагрузки.

В тех же случаях, когда эмпирические зависимости (А.И. Яковлев, И.С.Молчадский, С.В.Зотов) обеспечивают необходимую точность и достаточный объем информации о пожаре, их применение является предпочтительным по сравнению с аналитическими методами. В то же время, поскольку имеющийся объем экспериментальных данных по горению различных материалов при различной геометрии помещений, распределении пожарной нагрузки, различных режимов газообмена не является исчерпывающим, для анализа развития пожара необходимо использование различных классов расчетных методов. Применение расчетных методов особенно актуально для исследования пожаров в помещениях АС, поскольку экспериментальные исследования режимов пожаров в больших помещениях с высоким локальным уровнем пожарной нагрузки, характерных для атомных станций, практически не проводились.

Для математического моделирования динамики пожара на АС решающее значение имеют расчетные методы (А.М.Рыжов, И.С.Молчадский, В.Н.Гутов). В то же время, указанная ранее специфика объектов ядерной энергетики, предъявляет высокие требования к достоверности результатов, получаемых методами численного моделирования, и, следовательно, к необходимости анализа большого объема экспериментальных данных для задания используемых в моделях эмпирических параметров и для проверки результатов численных расчетов.

Моделирование пожара в помещениях основано на представлении пожара как физического явления выделения, передачи тепла и массы в соответствующих условиях его развития. Условия развития пожара характеризуются видом пожарной нагрузки и конструктивно-планировочными характеристиками здания (помещения). В зависимости от того, каким образом описывается изменение параметров состояния при пожаре в помещениях, различаются основные принципа математического моделирования пожаров.

Интегральные (среднеобъемные) расчетные методы используют моделирование на уровне усредненных характеристик или интегральное моделирование применяется при описании пожара среднеобъемными параметрами состояния (важнейшими из которых являются плотность среды, давление, температура и концентрация компонентов газовой среды).

Практически важные результаты моделирования пожаров на уровне усредненных характеристик можно дать в том случае, когда газовую среду с достаточной степенью достоверности можно считать однородной и, следовательно, отсутствуют значительные градиенты

определяющих параметров, что дает основание описать их среднеобъемными характеристиками (т. е. среднеобъемные и локальные значения параметров мало отличаются между собой). Практически приведенные условия, ограничивающие применение интегрального метода моделирования, означают, что этот метод можно использовать, когда при пожаре в помещении существует хорошее перемешивание продуктов горения и поступающего воздуха, а горение происходит во всем объеме помещения. Такое состояние среды характерно для объемных пожаров в развивающейся, развитой и затухающей стадиях пожара при горении распределенной пожарной нагрузки.

Таким образом, использование сравнительно простого среднеобъемного метода моделирования ограничивается, в основном, степенью достоверности описания газовой среды едиными усредненными параметрами. Поэтому, в случае АС, можно рекомендовать его применение, если на основании экспериментальных данных или расчетов, выполненных с применением более полного описания пожара, например, полевого, можно гарантировать корректность интегральной модели.

Зонные модели основаны на том, что исследуемый объем разбивается на отдельные зоны, для каждой из которых можно использовать интегральные модели. Зоны выбираются таким образом, чтобы в пределах каждой из них газовую среду в очаге пожара можно было с достаточной точностью описать усредненными параметрами.

Поскольку разбиение на зоны является условным и динамика процесса горения может приводить к изменению характера пожара, возникают значительные трудности при определении границ зон внутри помещения. Возможность применения конкретной зонной модели, как и в случае использования интегральных моделей, следует обосновывать на основании экспериментов, оценок возможных режимов пожара или расчетов, выполненных с применением более полного описания пожара. При использовании относительно простых (двухзонных) моделей возникают трудности при попытках адаптации к реальной геометрии помещений. Увеличение числа зон в многозонных моделях, помогает описывать реальные характеристики пожара, но приводит к значительному усложнению таких моделей и приближает их по сложности к полевым. В то же время, поскольку разбиение на зоны является условным и не получается, непосредственно, в процессе решения задачи, проблема определения границ зон является сложной для многих зонных моделей.

Наиболее подробно развитие пожара описывается с помощью полевого моделирования.

Основой этого метода являются фундаментальные законы сохранения количества движения, энергии и массы, записанные для элементарных объемов, на которые разбивается рассматриваемая область пространства.

Совместно с условиями однозначности (начальными и граничными условиями) и зависимостями (или моделями) для расчета коэффициентов переноса, метод позволяет наиболее полно описать динамику пожара. В общем случае решение системы уравнения сопряжено с рядом трудностей, главными из которых являются:

- учет сжимаемости среды, что ведет к большим затратам машинного времени, развитию неустойчивых решений для ряда численных методов;

- решение задачи для практических значений линейных размеров и промежутков времени ставит вопросы, связанные с явлениями турбулентного, радиационного переноса и, как следствие, с необходимостью подключения дополнительных уравнений для замыкания усредненных уравнений теплопередачи;

- определение условий однозначности для реальных процессов сопряжено с большими научными трудностями.

Полевое моделирование позволяет, в принципе, получать наиболее исчерпывающую информацию о величинах скоростей, температур, концентраций окислителя и продуктов горения, тепловых потоков в каждой точке пространства и времени. Однако чрезвычайная сложность его практической реализации данного метода не позволяет в настоящее время полностью использовать потенциальные возможности, заложенные в самом методе. Указанная сложность связана с трудностями организации самого численного эксперимента, включающей в себя технические и научные проблемы, а также вопросы моделирования горения, турбулентности и радиационного переноса. Основной отличительной чертой полевого метода моделирования является то, что он позволяет получать локальные значения термодинамических параметров пожара. Следовательно, основной областью практического его применения должны быть задачи, решаемые на основе данных о локальных значениях определяющих параметров в условиях, когда интегральные характеристики не позволяют получать необходимые данные. Это, прежде всего, задачи: оценки безопасного расстояния между взаиморезервирующим оборудованием; моделирование начальной стадии пожара и локального пожара.

Таким образом, в диссертации определена постановка основной задачи об обеспечении безопасности АС при пожаре - разработки методов оценки влияния пожара на ядерную, радиационную

безопасность и подходов к разработке мероприятий для обеспечения безопасности АС при пожаре. В рамках основной задачи определяется область применения, необходимость верификации, адаптации и доработки количественных методов для оценки опасности пожаров на АС.

Вторая глава: «Теоретические основы обеспечения безопасности объектов атомной энергетики при пожарах».

В главе приведена классификация методов обеспечения пожарной безопасности АС, которые, несмотря на специфические критерии и требования к уровню защищенности объекта, в большинстве случаев принципиально не отличается от методов, применяемых в других отраслях промышленности и хозяйства.

Рассмотрены нормативный и аналитический методы обоснования пожарной безопасности АС. Оценена их роль в системе обеспечения безопасности. На основе выполненных оценок сделан вывод о необходимости применения, как нормативного метода, прежде всего для обоснования мероприятий по ограничению прямого материального ущерба, так и аналитического - в том случае, когда выполняется обоснование системы обеспечения ядерной и радиационной безопасности при пожаре.

В качестве основы обоснования системы ядерной и радиационной безопасности предложена комплексная методика анализа влияния пожара на безопасность АС, основанная на выделении пожарных зон на объекте.

Методика регламентирует основные расчетные зависимости оценки пожарной опасности помещений АС, алгоритм анализа размещения систем (элементов) безопасности по пожарным зонам и оценки опасности пожаров для безопасности энергоблока.

Под пожарной зоной понимается помещение (участок помещения), группа помещений, участок промплощадки АС, в пределах которых постоянно или периодически, в том числе при нарушении технологического процесса, находятся (обращаются) горючие вещества и материалы, отделенный от других помещений (участков помещения), групп помещений, участков промплощадки безопасными (предельными) расстояниями или противопожарными преградами (строительными конструкциями), противопожарными дверями, люками, огнезадерживающими клапанами, а также кабельными, трубопроводными и вентиляционными проходками с регламентированными пределами огнестойкости. Полагается, что помещение представляет опасность для ядерной безопасности энергоблока, если пожар в пожарной зоне не позволяет выполнить

остановку и расхолаживание реактора или приводит к нарушению конструктивной целостности барьеров безопасности, предназначенных для удержания радиоактивных веществ и материалов в проектных пределах.

Алгоритм разбиения энергоблока на пожарные зоны представлен на Рис. 1.

С целью проведения анализа пожарной опасности вводится следующая классификация пожарных зон по степени вляния пожара на ядерную и радиационную безопасность АС:

- в данной пожарной зоне находятся элементы всех независимых каналов системы безопасности, она имеет тип 1;

- сугцествует только один канал системы безопасности, все элементы которой расположены за пределами данной пожарной зоны, зона имеет тип 2;

- имеется, как минимум, два канала системы безопасности, все элементы которых расположены за пределами данной пожарной зоны, она имеет тип 3;

- если в зоне отсутствуют элементы системы безопасного останова и расхолаживания энергоблока, но имеются (обращаются) радиоактивные вещества и материалы, зона имеет тип 4.

Исходные данные по АЭС

Начальное определение зон (предварительное зонирование)

Определение типа пожарной зоны

Противопожарный анализ внутренних связей (типы 1 -7) для помещений типа 1,2 Расчет безопасных

технологического оборудования разных каналов системы

Полевая модель динамики дожара,

Противопожарный анализ внешних связей (типы 1 -7) Расчет требований к огнестойкости границ пожарной зоны_

эквивалентной продолжительности пожара (интегральная, зонная, полевая модель)

Соседняя зона № 1

Соседняя зона №2

Заключение об обеспечении пожарной безопасности зоны и исключение из дальнейшего рассмотрения

Рис. 1. Блок-схема алгоритма зонирования.

Для оценки пожарной опасности энергоблока: Производится предварительное определение пожарных зон для энергоблока.

Предварительное разбиение на пожарные зоны выполняется на основе экспертных оценок с использованием исходной информации об энергоблоке. На этой стадии расчеты не производятся. Возможно разбиение с использованием неполной исходной информации. В этом случае недостающая информация учитывается на следующей, расчетной стадии анализа.

Определяется тип каждой пожарной зоны (помещения) по степени влияния на ядерную и радиационную безопасность.

Производится анализ пожарной опасности для зон типа 1 и 2. Для анализа требуются данные о распределении пожарной нагрузки внутри зоны.

Производится анализ пожарной опасности для помещений типа 1 и 2 внутри зоны (при их наличии).

Для этой цели применяются расчетные методы определения параметров пожара в помещении.

Вычисления (расчет локальных значений опасных фактров пожара) для оценки наличия безопасного расстояния между взаимно резервирующим оборудование различных каналов системы безопасности реакторной установки производятся с использованием полевой математической модели динамики пожара в помещении. Расчетные варианты возникновения и развития пожара выбирается в соответствии с двумя схемами:

- если имеются горючие материалы в конструкции одной из систем безопасности, пожар возникает на сегменте расположения данной системы (данного элемента);

- пожар возникает на сегменте, представляющем самую большую пожарную опасность для элементов систем безопасности.

По результатам расчетов принимается, что пожар представляет опасность для систем (элементов) безопасности в том случае, если величины значений опасных факторов пожара превышают максимально допустимые значения для соответствующих видов оборудования или конструкций системы безопасности реакторной установки.

Производится анализ пожарной опасности внутренних (внутри данной зоны) связей типов 1-7.

Для анализа пожарной опасности связей типа 1 -7 применяются те же методы, как и при анализе опасности внешних связей, описанных в следующем параграфе.

В случае обеспечения пожарной безопасности всех внутренних связей данной зоны проводится, как и в случае зоны типа 3, анализ безопасности внешних связей.

Для зон типа 3 строится схема взаимосвязей зон с другими пожарными зонами.

Для этого связи пожарных зон маркируются по типам связей:

1 тип связи - через общие строительные конструкции;

2 тип связи - пространственное разделение;

3 тип связи - через различные проемы (двери, люки, ворота);

4 тип связи - по кабельным линиям;

5 тип связи - по вентиляционным коммуникациям;

6 тип связи - по трубопроводным коммуникациям;

7 тип связи - через соседние помещения с большой пожарной нагрузкой.

Для каждой пожарной зоны определяются вид пожара, по среднеобъемной методике, температурный режим пожара и эквивалентную продолжительность пожара для конкретного вида конструкций. В необходимых случаях применяют более сложные (зонные, полевые) расчетные модели.

В случае, если анализируемая связь не удовлетворяет требованиям по обеспечению пожарной безопасности (нераспространению пожара по этой связи):

- зоны, между которыми возможно распространение пожара объединяются и анализ повторяется, либо;

- разрабатываются рекомендации по обеспечению безопасности данной связи (повышение пределов огнестойкости, создание дополнительных противопожарных барьеров и оснащение системами пожаротушения, уменьшение пожарной нагрузки и т.д.).

Сочетание подходов технологического анализа безопасного останова и расхолаживания РУ, локализации и контроля радиоактивных выбросов с методами пожарного анализа при определении пожарных зон позволяет формализовать и однозначно определить критерии ядерной и радиационной безопасности АС при пожаре. Пожары в зонах типа 1, а, с учетом принятого в ядерной энергетике принципа единичного отказа (необходимости учета единичного дополнительного отказа) в системах станции и в пожарных зонах 2-го типа могут привести к нарушению условий ядерной и радиационной безопасности.

Таким образом, по результатам пожарного анализа создается список пожарных зон, пожар в которых представляет опасность для безопасности энергоблока, т.е. имеющих типы 1 и 2. Для обеспечения безопасности энергоблока разрабатываются комплекс технологических и

противопожарных мероприятий, которые обеспечивают безопасность АС при пожаре.

Анализ безопасности для помещений, содержащих радиоактивные отходы, предполагает анализ возможности распространения опасных факторов пожара за пределы помещений и АС (и вместе с ними - радиоактивных веществ) и полностью эквивалентен анализу пожарной зоны 3-го типа.

Для осуществления приведенного выше алгоритма анализа пожара в помещениях АС необходимо использовать различные методы прогнозирования динамики пожара. Данному вопросу посвящена следующая глава диссертации.

Третья глава: «Методы математического моделирования пожаров на АС»

Эмпирические методики оценки режима динамики пожара в помещении и определения требований к огнестойкости конструкций

На основе многолетнего комплекса работ по исследованию динамики пожара в помещении во ВНИИПО были созданы методики, позволяющие определить вид возможного пожара в помещении, определить температурный режим пожара и выработать требования к необходимому пределу огнестойкости конструкций помещения на основе методов расчета эквивалентной продолжительности пожара.

В зависимости от величины пожарной нагрузки, ее размещения по площади и параметров помещения определяется вид возможного пожара:

- объемный, регулируемый пожарной нагрузкой;

- объемный, регулируемый вентиляцией.

Получаемая в результате расчета эквивалентная продолжительность пожара ?экв. характеризует продолжительность стандартного пожара, последствия от воздействия которого эквивалентны воздействию реального пожара на строительную конструкцию. Эквивалентная продолжительность пожара определяется на основании данных о фактических характеристиках помещения по результатам расчетов с учетом вида пожара и типа ограждающих конструкций, например, зависимость эквивалентной продолжительности пожара от времени пожара для железобетонных и огнезащищенных металлических конструкций покрытия в условиях локальных пожаров приведена на Рис. 2.

Рис. 2. Зависимость эквивалентной продолжительности пожара от времени пожара для железобетонных и огнезащищенных металлических конструкций покрытия в условиях локальных пожаров для: 1 - Н/луР <1,2; 2-1,5; 3-1,8; 4 - 2,2; 5 - 2,4; 6 - 3,6.

В диссертации отмечено, что описанные методы определения эквивалентной продолжительности пожара для несущих и ограждающих конструкций не нуждаются в доработке для использования на АС и могут быть использованы для определения требований к границам пожарных зон. В работе, также, отмечено, что приведенные методы расчета динамики пожара и требований к огнестойкости строительных конструкций являются достаточно достоверными, отличаются относительно невысокой трудоемкостью при использовании, но имеют ограниченную область применения. Поскольку данные расчетные методы построены на основе результатов экспериментальных исследований, область применимости приведенных зависимостей определяется интервалом варьирования различных параметров в ходе соответствующих экспериментов. Область применения конкретных зависимостей описана в оригинальных работах по исследованию динамики пожара в помещениях.

Метод расчета среднеобъемных параметров пожара в помещении.

Моделирование на уровне усредненных характеристик или интегральное моделирование применяется при описании пожара среднеобъемными параметрами состояния (важнейшими из которых являются плотность среды, давление, температура и концентрация компонентов газовой среды). Уравнения развития пожара описывают

изменение среднеобъемных параметров состояния во времени. Эти уравнения получены из основных законов физики — закона сохранения массы и первого закона термодинамики. Система дифференциальных уравнений, описывающая развитие пожара, состоит из: уравнений материального баланса (газовоздушной смеси и ее компонент, продуктов горения). Следует отметить, что в коэффициенты данных уравнений включают описание многих физико-химических явлений, протекающих при пожаре: процессы выделения тепла и продуктов горения, конвективный и излучательный теплообмен с конструкциями, оборудованием в помещении, газообмен с окружающей средой или соседними помещениями. Для корректного описания эти процессов в ходе развития пожара необходимо использовать результаты экспериментальных и аналитических работ по исследованию пожара.

Наиболее эффективно интегральный метод моделирования используется для прогнозирования поведения строительных конструкций в условиях пожара, поскольку прогрев конструкций в большинстве случаев наиболее интенсивен в развитой стадии пожара. Проведенные исследования локальных пожаров и начальной стадии пожара позволили определить границы применения интегрального моделирования для решения практических задач пожарной безопасности и, в частности, для исследования устойчивости строительных конструкций в условиях пожара.

Таким образом, методы расчета среднеобъемных параметров пожара рекомендованы в качестве аналитических методов определения требований к границам пожарных зон для АС в тех случаях, когда полуэмпирические расчетные методы не могут быть использованы из-за ограничений их области применения.

Расчет локальных параметров пожара (полевое моделирование)

Для полевого моделирования динамики пожара в работе предложена система уравнений газодинамики и теплообмена в так называемом приближении существенно-дозвуковых течений (СДТ).

Система уравнений имеет следующий вид: уравнение неразрывности газовой смеси др | Э (ри) | д (ру) | д (рм>) _ 0

уравнения движения газовой смеси в проекции на оси координат (записаны для Декартовой системы)