Озорство Аида. 2 часть
Наибольшую проблему сейсмический фактор представляет в Японии, с учетом, во первых, масштабов атомной энергетики страны, во вторых, того, что значительная часть территории Японии и дна океана в прибрежных районах относится к сейсмически наиболее активным участкам Земли. Не случайно Япония -единственная страна в мире, в которой землетрясения и их последствия нанесли существенный ущерб атомным станциям. На протяжении последних ста лет в стране произошло свыше 40 разрушительных землетрясений магнитудой от 6,0 до 9,0. Практически на всей территории Японии, за небольшими исключениями (север острова Хоккайдо, где как раз нет АЭС, и ряд других районов), примерно раз в <500 лет вероятны землетрясения с ускорением грунта 0,4 g и выше. Таким образом, вся Япония представляет собой регион, подобные которому во многих других странах считаются неприемлемыми для строительства атомных станций.
Тушение пожара в ходе аварии на АЭС «Фукусима-1», возникшей из-за землетрясения и последовавшего за ним цунами.
Высокая сейсмическая активность является одним из препятствий для создания атомной энергетики в ряде стран. К ним относятся такие сейсмически экстремальные государства, как Филиппины, где была построена, но не запущена АЭС «Батаан», Чили, Индонезия. К странам с высокой или значимой сейсмической активностью, всерьез планирующим создать ядерную энергетику, относятся Турция, Бангладеш, Иордания, Объединенные Арабские Эмираты.
На территории современной Турции за последнее столетие произошли десятки сильных землетрясений магнитудой до 7,8. В предшествующие несколько сотен лет имели место еще более мощные катаклизмы - магнитудой порядка 8,0. Наибольшее число сейсмических событий наблюдается вдоль границ Анатолийской плиты и затрагивает прежде всего север, запад и восток Турции. Площадка первой планируемой в Турции атомной станции, АЭС «Аккую», которую собираются построить по российскому проекту на средиземноморском побережье Анатолии, удалена от зон максимальной новейшей сейсмической активности на сотни километров и находится в наиболее спокойной, по турецким меркам, части страны. Однако с повторяемостью <500 лет тут возможны трясения с ускорением грунта свыше 0,15g, а раз в 1-10 тыс. лет - более серьезные события. Вторую и третью атомные станции предполагается разместить в более активных регионах на побережье Черного моря, однако и они будут находиться на удалении не меньше 150 км от Северо-Анатолийской зоны разломов и более чем в 200-300 км от эпицентров сильных землетрясений, произошедших в новейшее время. Тем не менее раз в <500 лет в этих районах не исключены землетрясения с максимальным ускорением порядка 0,25 g.
В Бангладеш, где планируется строительство первой в стране АЭС «Руппур» с реакторами ВВЭР, за последнее столетие наблюдались землетрясения магнитудой до 7,6. Наиболее серьезные сейсмические события характерны для северных и восточных районов Бангладеш. Примерно раз в <500 лет тут вероятны землетрясения с ускорением грунта до 0,4g. Меньшие сотрясения (порядка 1,5 - 2,0g) с такой же вероятностью возможны в центральных и юго-западных областях, включая район, намеченный для площадки атомной станции.
В Иордании самое сильное землетрясение за последние сто лет, произошедшее в районе Мертвого моря в 2004 году, имело магнитуду 5,3. Эпицентры большинства землетрясений в этом регионе находились в соседних государствах, но отголоски некоторых ощущались в Иордании. Предполагаемые площадки расположены в западных районах страны - где сейсмическая активность выше, чем на востоке, где, однако, больший дефицит воды. На западе раз в <500 лет вероятны колебания грунта с ускорением до 0,25 g, но в районах локализации АЭС она может не превышать 0,2 g.
В ряде государств имеются сейсмически высокоактивные регионы, но есть и сравнительно спокойные в этом отношении, и именно в них размещаются почти все атомные станции. Среди таких стран со значительной атомной энергетикой - Россия, Канада, Индия, Аргентина, отчасти США. То есть, как правило, речь идет о крупнейших государствах, которые могут себе позволить такое размещение в силу масштабов территории и, соответственно, разнообразия геодинамических условий. Однако есть аналогичные примеры и в небольших странах. Допустим, весьма контрастна ситуация в отношении сейсмической активности в Объединенных Арабских Эмиратах. В новейшее время отдельные землетрясения магнитудой до 6,0 были зафиксированы на востоке страны, где в окрестностях Ормузского пролива раз в < 500 лет возможны землетрясения с ускорением порядка 0,4 g. В то же время запад ОАЭ (Западный регион эмирата Абу-Даби, включая район расположения строящейся АЭС «Барака») - сейсмически спокойная зона, где серьезных землетрясений с названной вероятностью не ожидается.
Ряд стран, имеющих атомную энергетику, практически целиком расположены в относительно спокойных в геодинамическом плане зонах, что упрощает задачу размещения АЭС. К ним можно причислить большинство государств Северной Европы, Бразилию, Южную Корею (исключение среди стран своего региона; однако для ряда корейских АЭС могут представлять опасность цунами, возникающие из-за землетрясений в районе Японского моря). С точки зрения сейсмики близки к идеалу для размещения атомных станций, например, Швеция и многие районы Финляндии, в которых практическое отсутствие тектонических движений сочетается с наиболее стабильными грунтами для размещения станций (выходы мощных скальных пород докембрийского щита).
РАЗВИТИЕ НОРМ И ТРЕБОВАНИЙ ПО СЕЙСМИКЕ
Сейсмоустойчивость любой АЭС задается на базе оценки возможных для этой станции землетрясений. В первые десятилетия развития ядерной энергетики многие АЭС строились вообще без учета возможности землетрясений, поскольку районы их размещения рассматривались как сейсмически безопасные (особенно с интенсивностью ниже 5 баллов по MSK-64). Лишь на территориях, считавшихся сейсмически активными, строились особые сейсмостойкие АЭС, однако они нередко проектировались без каких-либо стандартов, по индивидуально установленным для каждого случая критериям либо на основе стандартов для неядерной инфраструктуры.
Таблица 1. Сейсмостойкость ядерных энергоблоков в стандартном исполнении.
Тенденцией последних десятилетий стало ужесточение требований к сейсмостойкости, основанное как на опыте фактически произошедших землетрясений (которые подчас превосходили параметры, заложенные в проекты АЭС), так и на повышении прогнозов возможной силы землетрясений в ряде районов размещения станций. В итоге сформировались некоторые общие принципы оценки сейсмической опасности, размещения АЭС и обеспечения их сейсмостойкости, которые получили распространение в мире, хотя и различаются по странам. Эти требования относятся как к действующим станциям, так и к строящимся: практически все энергоблоки поколений III-III+ в минимальном стандартном исполнении являются сейсмостойкими (см. табл. 1) - на уровне, который раньше предусматривался лишь для некоторых проектов в сейсмически активных регионах.
Авария на АЭС «Фукусима-1» не дала явного повода для радикального пересмотра установленных уровней сейсмостойкости, поскольку эти уровни были повышены еще до события 2011 года, а непосредственной причиной аварии стало не колебание грунта в ходе землетрясения. Однако Фукусима стимулировала в большинстве стран анализ всей системы подходов к безопасности и прогнозирования стихийных угроз. В рамках такого анализа начались выявление недостатков в обеспечении сейсмоустойчивости АЭС, а также переоценка рисков землетрясений, которая в ряде случаев (далеко не во всех) ведет к повышению требований к сейсмике.
Рекомендации МАГАТЭ, принятые еще до Фукусимы, заключаются, в частности, в том, что станция должна размещаться на цельном блоке земной коры, не ближе пяти километров от проявлений активных разломов; ее проектные основы обязаны исходить из двух упомянутых уровней (SL-1, SL-2), наибольший из которых должен соответствовать землетрясению с максимальным ускорением грунта по меньшей мере 0,1 g (для станций в сейсмически спокойных районах); необходимо выделять категории элементов АЭС в зависимости от важности для функций безопасности. Эти и другие принципы приняты за основу во многих, но не во всех государствах. Например, до недавнего времени минимальная планка в 0,1 g не была установлена в Германии и Нидерландах. В других странах ЕС этот минимум фактически соблюдался. Для вновь строящихся ядерных энергоблоков в ЕС стандартом EUR установлена минимальная планка в 0,25 g, и она применима ко всем реакторам поколений III - III+, предлагаемым сегодня для европейских проектов. В большинстве государств Евросоюза уровень SL-2 соответствует землетрясению с повторяемостью 10 в степени -4 лет. Однако в ряде стран ЕС, таких, как Франция и Германия, вероятностный анализ сейсмических угроз до недавнего времени применялся выборочно, лишь для некоторых атомных станций (четырех в Германии и трех во Франции). При этом требования сейсмостойкости устанавливались достаточно произвольно, например, во Франции был принят принцип устойчивости к землетрясению, вдвое превосходящему сейсмические события с повторяемостью 10 в степени -3 лет.
Еще один пример отклонения от международных стандартов в европейских странах - Румыния, где фактически не был установлен уровень, соответствующий SL-1, при этом проектная сейсмостойкость АЭС «Чернавода» (0,2 g) могла быть превышена при землетрясениях с повторяемостью 1 тыс. лет. Впрочем, анализ устойчивости к запроектным землетрясениям показал, что станция (системы первой категории безопасности) способна выдержать максимальное ускорение на грунта в 0,33 g, а после модернизации этот уровень может быть повышен до 0,4 g. Кстати, до последнего времени подобная оценка устойчивости к запроектным сейсмическим событиям проводилась лишь на некоторых станциях Европы. Более того, до «Фукусимы» сейсмические риски во многих регионах этого континента считались настолько ничтожными, что на ряде европейских АЭС отсутствовало оборудование сейсмического мониторинга (в частности, на атомных станциях «Брюнсбютель», «Брокдорф», «Крюмель», «Эмсланд», «Гренде», «Унтервезер» в Германии, «Оскарсхамн» в Швеции, «Дукованы» в Чехии, а также на украинских АЭС). После «Фукусимы» во всех странах ЕС были проведены стресс-тесты и партнерские проверки безопасности, по итогам которых Еврокомиссия призвала государства сообщества устранить названные и другие недостатки, включая отклонения от общепринятых подходов к обеспечению сейсмостойкости.
Таблица 2. Сейсмостойкость ряда атомных станций.
В США в первые десятилетия развития ядерной энергетики требования к сейсмостойкости были весьма либеральными. Например, за основу оценки сейсмичности площадки принимались землетрясения с повторяемостью 100-200 лет. В сочетании с несовершенством существовавших тогда методов определения и оценки сейсмической опасности это приводило к тому, что, например, для самой сейсмически рискованной из ныне действующих площадок - АЭС «Дьябло-Каньон» - первоначальные проектные требования были установлены на уровне 0,2g, что, как отмечалось выше, гораздо ниже уровня колебаний для весьма вероятных землетрясений в этом районе.
Систематизация подходов к сейсмоустойчивости АЭС началась в середине 1990-х годов. С 1995 года Комиссия по ядерному регулированию (NRC) ввела стандартизированный анализ всевозможных рисков для безопасности атомных станций, который мог включать оценку сейсмических угроз в случаях, когда они признавались значимыми. Анализ рисков был проведен на всех АЭС страны, но вплоть до Фукусимы лишь пятая часть отчетов (для 19 блоков на 16 АЭС) включала оценку рисков землетрясений. Новая система лицензирования АЭС, введенная в 1997 году, установила единые подходы к обеспечению сейсмостойкости, включавшие среди прочего ограничения на размещение и требования к параметрам ядерных энергоблоков, исходившие из всестороннего анализа геологии и сейсмичности района и площадки, основанного на вероятностном анализе геодинамики. Однако с тех пор в США было проведено лицензирование лишь нескольких энергоблоков, включая достраиваемые.
Между тем NRC решила распространить подобный подход и на действующие станции. В 2005 году комиссия инициировала переоценку сейсмических угроз для действующих блоков, основанную на новом вероятностном анализе сейсмической обстановки в восточных и центральных штатах страны, где размещается подавляющее большинство (около 100) ядерных энергоблоков. Итоговое исследование, выполненное под эгидой NRC, Минэнерго США и Исследовательского института электроэнергетики (EPRI), было представлено в 2012 году. NRC предписала энергокомпаниям использовать новые данные и методологию для переоценки сейсмических угроз, которая к этому времени проводилась в свете аварии в Фукусиме. В рамках этого процесса NRC потребовала от компаний представить анализ устойчивости к землетрясениям с повторяемостью 25 тыс. лет. К весне 2014 года комиссия получила отчеты с такими оценками по всем 60 атомным станциям восточной части США. Эксплуатирующим компаниям трех действующих АЭС Запада («Дьябло-Каньон», «Пало-Верде», «Коламбия») дана отсрочка для предоставления подобных отчетов до следующей весны - из-за необходимости проведения дополнительных исследований. По результатам анализа полученных отчетов NRC потребовала провести дополнительный анализ по трети АЭС. В то же время, исходя из имеющейся информации, регулирующий орган сделал предварительный вывод, что большинство АЭС страны готовы к наименее вероятным землетрясениям в силу наличия запаса устойчивости к запроектным колебаниям, анализ которой в США проводился для действующих блоков, наряду с определением уровня, соответствующего SL-2.
Что касается уровня сейсмостойкости SL-2 для новых ядерных энергоблоков, то рекомендуемая EPRI минимальная планка, установленная стандартами URD, которым следуют американские поставщики, составляет 0,3g, что примерно соответствует землетрясению магнитудой 6,6 с эпицентром вблизи станции. Оценки устойчивости к запроектным колебаниям грунта для реакторов поколений III-III+ также проводились и показали существенное превышение уровня безопасного останова. Согласно таким тестам, например, стандартный энергоблок AP1000 (его системы первой категории сейсмостойкости) может выдержать с вероятностью 95% колебания с ускорением 0,5g.
В СССР/России первые атомные станции проектировались по стандартам для других видов инфраструктуры. Первой построенной атомной станцией, специально рассчитанной на сильные землетрясения (9 баллов по шкале MSK-64), стала двухблочная Армянская АЭС, сооружение которой началось в конце 1960-х годов. В 1988 году эта станция успешно выдержала экзамен землетрясением магнитудой 6,8 с эпицентром примерно в 70 км от площадки.
Впоследствии сейсмостойкие российские блоки (до 9 баллов по MSK-64) проектировались для ряда других регионов, в частности Крыма, Кубы, Ливии. Систематизация подходов к обеспечению сейсмостойкости началась во второй половине 1970-х годов с использованием зарубежного и советского опыта, наработанного прежде всего при строительстве АЭС в Армении. В 1978 году были приняты временные нормы проектирования АЭС для сейсмоактивных районов, а в 1987 году - нормы проектирования сейсмостойких атомных станций. В 2002 году вступили в силу новые нормы проектирования таких АЭС, которые действуют до сих пор и задают стандарты для проектов, утвержденных со времени принятия норм, а также отчасти для ранее построенных блоков.
Российские нормы сейсмостойкости в целом соотносятся с рекомендациями МАГАТЭ и мировой практикой. Так, проектные основы энергоблоков исходят из двух уровней: максимального расчетного землетрясения (МРЗ) с периодом повторяемости 10 тыс. лет и проектного землетрясения (ПЗ) с повторяемостью 1 тыс. лет. При МРЗ проект обеспечивает безопасность станции, при ПЗ - возможность продолжить работу без серьезных ремонтов после землетрясения. Установлена и минимальная сейсмостойкость АЭС российской конструкции: даже если она построена в геодинамически стабильном районе, должна быть обеспечена гарантированная безопасность при МРЗ с ускорением грунта до 0,1g и сохранение работоспособности после ПЗ с ускорением 0,05g.
Стресс-тесты, проведенные на российских станциях после Фукусимы, показали, что они обладают запасом прочности сверх проектной, например, контайнменты реакторных установок ВВЭР-1000 способны выдержать землетрясения, превосходящие МРЗ в среднем примерно на 1 балл по шкале MSK-64. Наиболее сейсмостойкие станции российских проектов предназначены для зарубежных площадок. Большинство из них рассчитано на землетрясения интенсивностью 8-9 баллов по MSK-64. К ним относятся, помимо упомянутой Армянской АЭС с блоками ВВЭР-440, ряд станций с блоками ВВЭР-1000 (прежде всего АЭС «Бушер», способная выдержать землетрясение магнитудой до 8,0 в районе площадки; оставшаяся в проекте АЭС «Белене», рассчитанная на 0,33g при МРЗ; действующая первая и строящаяся вторая очереди Тяньваньской АЭС), а также планируемые блоки на АЭС «Аккую», которые, очевидно, будут построены в усиленном исполнении по сравнению со стандартными для ВВЭР-1200 параметрами ~0,25g. Повышенная сейсмостойкость будет предусмотрена для второй очереди АЭС «Бушер», а также, вероятно, для станций в Бангладеш и Иордании. Для площадок в России характерна, как правило, меньшая сейсмичность, хотя в регионах размещения ряда АЭС (например, Белоярской, Кольской, Билибинской) примерно раз в 10 тыс. лет вероятны землетрясения интенсивностью 7 - 8 баллов.
В Японии до Фукусимы на протяжении нескольких десятилетий неоднократно ужесточались требования к сейсмостойкости. Их переоценка регулятором осуществлялась в начале 1980-х; во второй половине 1990 х; в конце 2000-х годов; наконец, после 2011 года. В большинстве случаев импульсами к пересмотру служили землетрясения, затрагивавшие работу атомных станций, хотя и не вызвавшие (до случая Фукусимы) фатального ущерба.
На протяжении 2000-х годов в Японии произошло 30 сильнейших землетрясений магнитудой от 5,9 до 8,3 - больше, чем за все предыдущее столетие. Некоторые из них приводили к остановке и относительно небольшим повреждениям на АЭС (прежде всего на «Касивадзаки-Кариве»), другие не затрагивали непосредственно атомных станций, но тем не менее давали повод для беспокойства, поскольку происходили в местах, где не было известных активных разломов. Все это не могло не навести на мысль о необходимости пересмотра требований к сейсмостойкости объектов японской атомной отрасли, включая АЭС.
Таблица 3. Пересмотр значений максимального ускорения грунта при землетрясении безопасного останова для отдельных энергоблоков АЭС Японии в период 2007-2011 годов.
К концу 2000-х годов в Японии сформировался комплексный подход к оценке очагов землетрясений в районе атомной станции, который предусматривал анализ всевозможных источников их зарождения: активных разломов в континентальной земной коре; очагов вблизи АЭС, не ассоциируемых с известными разломами; землетрясений, возникающих от взаимного движения плит; землетрясений с очагами в пределах цельных блоков океанической земной коры и других. Ряд подходов, принятых в Японии, стимулировал доработку рекомендаций МАГАТЭ по оценке сейсмичности площадки, которая была осуществлена к 2010 году. В Японии же расширение круга рассматриваемых факторов сейсмической активности потребовало существенного повышения уровнятребований к сейсмостойкости ядерных блоков, которое произошло в основном в 2007 - 2009 годах. Максимальные ускорения грунта для землетрясения безопасного останова, которые до этого для большинства блоков находились в пределах 0,3 - 0,6 g (редкие значения для других стран), были повышены в среднем примерно в полтора раза, а в ряде случаев и в несколько раз (для первых блоков АЭС «Касивадзаки-Карива» - в пять раз, см. табл. 3). При этом регулирующие органы устанавливали критерии оценки сейсмичности площадки, исходя из которых затем переоценивалась геодинамическая обстановка и пересчитывались параметры сейсмоустойчивости, включая максимальное ускорение.
Повышение сейсмоустойчивости энергоблоков до новых требований было весьма накладным для энергокомпаний, а в ряде случаев оказалось экономически нецелесообразным, как для первых двух блоков АЭС «Хамаока», которые по этой причине были закрыты. Ко времени Фукусимы для большинства реакторов успели установить новые нормативы по сейсмике и на многих провели необходимую модернизацию. Примечательно, что новая планка максимального ускорения для АЭС «Фукусима-1» (0,61 g) не была превышена в ходе землетрясения в марте 2011 года (максимальный показатель для колебаний грунта составил 0,56g).
Тем не менее Фукусима открыла новую главу ревизии требований безопасности, включая и сейсмостойкость. В частности, по инициативе регулирующего органа из 16 площадок действующих АЭС на восьми начался анализ возможности смыкания активных разломов в районе площадки (что усиливает сейсмическую опасность), а для шести - вероятности землетрясений магнитудой, сравнимой с Фукусимой. В итоге был инициирован новый пересмотр максимальных ускорений для некоторых блоков (действующих атомных станций «Томари», «Цуруга», «Михама», «Ои», «Такахама», «Хамаока», «Токай» и планируемой «Хигасидори»).
УРОКИ ИЗ НЕДР
На заре ядерной энергетики сейсмические риски для АЭС учитывались в гораздо меньшей степени, чем сегодня. Такая беспечность объяснялась прежде всего меньшими знаниями - как геодинамики конкретных районов, так и наук о Земле в целом. Примерно до 1960-х годов даже самые общие, теоретические представления о механизмах геодинамики были неполными, что ограничивало возможность адекватной оценки сейсмической опасности. В частности, характерным недостатком того периода была недооценка горизонтальных перемещений литосферных плит и, соответственно, непонимание механизмов развития разломов, без чего был невозможен адекватный анализ геодинамической обстановки (ряд идей высказывался еще в начале XX века, но не был воспринят в научном сообществе). Последующие успехи в теории позволили в конце концов выработать методологию оценки вероятных сейсмических событий.
Другим фактором, обусловившим повышение требований к сейсмике, стал опыт землетрясений, накопленный за десятилетия. Некоторые из них превзошли параметры SL-1, а иногда и прежние SL-2, заложенные в проектных основах станций, что наводило на вполне очевидные выводы. К событиям такого рода относятся землетрясение в Армении 1988 года и ряд других, произошедших в 1990-е годы; упомянутая беспрецедентная череда из 30 землетрясений в Японии, которые произошли в 2000-х и увенчались историческим катаклизмом 2011 года в Фукусиме.
Накопленные знания и опыт постепенно приводили к полному осознанию сейсмической угрозы, пониманию того, что сейсмостойкость - не лучшая статья для экономии при строительстве АЭС. В итоге ко времени Фукусимы уровень сейсмостойкости ряда атомных станций приблизился к показателям деревянного сруба. В Японии, наиболее продвинутой стране в данной области, этого хватило для того, чтобы несколько АЭС, включая уже «немолодые», выстояли при землетрясении, входящем в пятерку наиболее мощных в новейшей истории человечества. Но, как выяснилось, сеймостойкость и «защищенность от землетрясений» - не одно и то же. Чрезмерно сосредоточившись на устойчивости к колебаниям грунта и обеспечив фантастический ее уровень (некоторые японские блоки технически способны работать при землетрясении магнитудой до 6,6 - 6,7 с эпицентром под реактором, в то время как АЭС где- нибудь в Северной Германии лежала бы в руинах), японцы упустили из вида возможные производные землетрясений, такие, как цунами, а также совпадение нескольких, по отдельности не фатальных последствий, которое может оказаться опаснее самого землетрясения. В итоге, устояв при рекордном землетрясении и даже не получив фатальных разрушений от цунами, «Фукусима-1» «рухнула» по сути от мелочи - из-за того, что системы аварийного энергоснабжения залило водой. Учет невероятных событий и их взаимного наложения, неприемлемость экономии на таких «мелочах» стали главным уроком сильнейшего в истории землетрясения в районе АЭС, для стран с ядерной энергетикой.
Ингард ШУЛЬГА
http://atomicexpert.com/content/ozorstvo-aida