Инновационные технологии для обеспечения промышленной и
экологической безопасности эксплуатации гидротехнических
сооружений атомных электростанций
СА. Бахарев
Москва
Аннотация
Обсуждается проблема обеспечения промышленной и экологической безопасности эксплуатации гидротехнических сооружений (ГТС) атомных электростанций (АЭС). Показано, что в условиях большой изменчивости гидролого-акустических и погодно-климатических условий, многообразия специфических для каждой АЭС России внутренних и внешних факторов обеспечение промышленной и экологической безопас-ности эксплуатации ГТС АЭС России представляет собой сложнейшую научно-техническую проблему.
Предлагается, с точки зрения критерия: «эффективность-стоимость-риск», комплексное – за счет одновременного решения нескольких научно-технических задач, решение данной проблемы при помощи гидроакустических средств специального назначения (ГАС СН), разработанных автором на принципах линейной и нелинейной гидроакустики.
Приводятся конкретные результаты промышленного использования ГАС СН при гидроакустическом вытеснении рыб, а также при очистке больших объемов воды от механических и биологических примесей.
Ключевые слова: атомная электростанция, гидротехническое сооружение, промышленная и экологическая безопасность, защита водозаборов от рыб, очистка воды от различных примесей, защита от биообрастания, акустика, нелинейная гидроакустика.
Известно [1-3], что проблема энергетической безопасности (ЭБ), являющаяся одной из важнейших составляющих экономической безопас-ности любого государства, была реально осознана в промышленно развитых странах еще в 70-х годах прошлого века, когда началось сокращение экспорта нефти из стран Ближнего Востока.
В работе [1] сформулированы, в виде совокупности внешнеполи-тических, внешнеэкономических, внутрисистемных, природных, социально-политических, техногенных, управленческо-правовых и экономических факторов, угрозы ЭБ. При этом техногенные угрозы – предмет данной работы, обусловлены состоянием производственных систем энергетического сектора экономики и хозяйственной деятельностью людей в этом секторе, проявляющиеся в крупномасштабных авариях; быстром увеличении доли физически и морально изношенного оборудования; несвоевременном (некачественном) проведении ремонта, модернизации и монтажа оборудо-вания; недостаточной квалификации, трудовой и технологической дисципли-ны персонала, порождающих его ошибочные действия [1].
В работе [1] также показано, что за последние годы частота крупных аварий существенно увеличилась. При этом аварийные ситуации распростра-няялись на территорию нескольких регионов и даже государств с числом жителей до 50 миллионов человек.
После техногенных катастроф на атомных электростанциях (АЭС): Чернобыль, 1986 г.; Фукусима, 2011 г., отдельные регионы и даже страны рассматривают возможность перехода на другие (например, углеводородные) энергетические ресурсы. Однако последствиями аварий на гидротехнических сооружениях (ГТС) гидроэлектростанций (ГЭС) могут стать не только (и не столько) разрушения плотин, но и затопление примыкающих к ним сооружений и территорий.
При этом потери населения, оказавшегося в зоне действия волны прорыва, могут достигать: ночью 90%, днем – 60%, а из общей численности пострадавших количество погибших может составлять: ночью 75%, днем 40% [1]. Именно по этой причине, учитывая наличие в РФ около 100 ГТС ГЭС с водохранилищами большого объёма, после аварии на Саяно-Шушенской ГЭС возникли серьезные сомнения в безопасности и надежности ГТС ГЭС. Ведь изношенность основного оборудования многих российских ГЭС достигает 70–80%. При этом у 17% этих объектов уровень безопасности неудовлетворительный, у 58% – опасный [1].
В работах [1-3], на примере Франции, рассматриваются вероятностные зависимости возникновения аварий и числа возможных жертв. Вероятность от 1 до 3 аварий ГТС в год оценивается от 0,37 до 0,06, а годовой риск гибели людей от 1,4·10-7 до 5,1·10-8. Произошедшие уже в XXI веке крупнейшие аварии только на ГЭС показывают необходимость детального анализа возможных последствий и разработки мероприятий по их предотвращению.
В условиях многообразия, сложности и ответственности стоящих перед персоналом ГТС АЭС научно-технических задач по обеспечению промыш-ленной и экологической безопасности их эксплуатации, когда (например, борьба с биообрастанием, очистка воды от пуха или перегрев водоемов-охладителей в летние месяца) даже не просматриваются векторы возможного движения по пути решения этих проблем, классические подходы: «по оста-точному принципу», или «обязательное внедрение на других ГТС» - в использовании достижений конверсионной акустики в гражданской морской технике становятся не оправданными и даже вредным [4-8].
Дело в том, что в настоящее время большой научно-технический потенциал России сосредоточен не только в государственных (в том числе закрытых) и частных организациях внутри страны, но и за рубежом. Одно-временно с этим, ученые и инженеры, занятые в закрытых секторах эконо-мики государства, не могут, по различным (например, дефицит времени, не признанные широким научным сообществом страны идеи и т. д.) причинам, полностью раскрыть свой высокий научный и технический потенциал. В свою очередь консерватизм в принятии решений не позволяет внедрять инновационные технологии, эффективность которых продемонстрирована только в других областях промышленности, или (тем более) за рубежом.
С другой стороны, площадки АЭС и ГЭС просто окутаны сетью коммерческих структур с некомпетентными специалистами. Ярчайшим при-мером стала вскрывшаяся в процессе следствия ситуация на Саяно-Шушенской ГЭС. При этом коррупционные схемы между коммерческими структурами и сотрудниками АЭС (ГЭС) создают непреодолимые препят-ствия для инновационных технологий, разработанных в «чужих» организа-циях, а сами коммерческие структуры, пользуясь либерализмом российского законодательства, присваивают (не останавливаясь даже при наличии патентов РФ) чужие научно-технические идеи.
В настоящее время можно выделить целый спектр научно-технических задач, которые детально будут рассмотрены в виде последующих отдельных публикаций, которые уже в самое ближайшее время можно решить для ГТС АЭС с использованием достижений конверсионной акустики и нелинейной гидроакустики, в частности [4-8]:
- акустическая и комбинированная (акустико-механическая, акустико-пузырьковая, акустико-электрическая и т. д.) защита водозаборов от попада-ния рыб (преимущественно, молоди рыб), захватываемых потоками воды подводящего канала;
- акустическое вытеснение рыб (преимущественно, половозрелых рыб) из отводящих каналов с перегретой (выше 350С – при которой начинает разру-шаться белок) водой, привлекаемых (благодаря природным инстинктам) гидродинамическими потоками;
- акустическое обездвиживание, нелетальное и летальное поражение биообрастателей в водозаборных окнах;
- акустическая интенсификация процессов теплоотдачи в отводящих каналах, башенных градирнях и брызгальных бассейнах;
- силовое нанесение защитных покрытий на конструкции из стали, бетона и композитных материалов в воздухе, зоне переменного смачивания и непосредственно под водой;
- акустико-пузырьковая очистка воды от биологических примесей (от пуха деревьев, кустарников и т. д.) в водоподводящих каналах в летний период;
- акустическая очистка воды от механических примесей в водоподводящих каналах, в том числе, в период проведения дноуглубительных работ;
-акустическая очистка оборотной воды в шламоотстойниках во время выполнения планово-регламентных работ на АЭС;
- акустическая очистка воды от взвешенных веществ в баках-отстойниках перед ее закачкой в полигон глубинного захоронения;
- акустико-гидродинамическая очистка поверхности от радионуклеидов и др.
Говоря об экологическом аспекте проблемы, следует отметить, что экологические показатели промышленной деятельности по РФ на сегод-няшний день обуславливают кризисное состояние окружающей природной среды (ОПС) и, как следствие, нестабильное социально-экономическое развитие страны [7,9,10]. Очевидно, что переход РФ к устойчивому развитию находится в прямой зависимости от решения важнейших экологических проблем, разумного сочетания экологической и экономической составляю-щих государственной политики. Указанное приобретает транснациональное значение, если учесть ключевую роль РФ в поддержании глобальных функций биосферы ввиду обширности ее территорий, занятых различными природными экосистемами, представляющими значительную часть био-разнообразия Земли [9,10].
По мнению отечественных и зарубежных специалистов, масштабы природно-ресурсного, интеллектуального и экономического потенциала РФ обуславливают ее важную и ответственную роль в решении глобальных экологических проблем.
В этих условиях разработанная методология обеспечения промышлен-ной и экологической безопасности эксплуатации ГТС базируется на следую-щих принципах [5,8]:
- широкое использование в гидроакустических средствах (ГАС) специаль-ного назначения (СН) достижений конверсионной акустики, в том числе, нелинейной гидроакустики;
- комплексное использование различных физических механизмов при решении конкретной научно-технической задачи, когда недостатков одного элемента компенсируются достоинствами другого элемента ГАС СН;
- экологическая безопасность ГАС СН, за счет исключения использования каких-либо химических веществ или реагентов;
- обеспечение высокой эффективности решения поставленной задачи за счет рубежного построения ГАС СН;
- одновременное решение нескольких (не менее двух) научно-технических задач с помощью одного ГАС СН и т. д.
Ниже, на примере акустико-пузырькового модуля, кратко анализи-руется пример комплексного решения трех научно-технических задач для подводящего канала АЭС: защита водозабора от попадания рыб (преиму-щественно, молоди рыб), очистка воды от биообрастателей и очистка воды от пуха (деревьев, кустарников и т. д.). При этом физическая защита водозабора от подводных пловцов, по понятным причинам, в данной открытой публикации рассматриваться не будет.
В общем случае необходимость оборудования водозаборов рыбо-защитными сооружениями, регламентировано руководящими экологи-ческими документами. Используемые ранее механические рыбозащитные устройства (РЗУ): рыбозащитный барабан, гидродинамический оголовок, конусная сетка с рыбоотводом и др., на большие (свыше 10 м3/с) расходы воды крайне сложны в эксплуатации [5-8]. В связи с этим наиболее перспективными считаются физиологические РЗУ: электрические, пузырьковые, акустические и др.
Сущность разработанной в 1999 г. (в первую очередь, для рыболовства и рыбоводства) технологии акустического управления поведением рыб (технология «АИСТ») базируется на комплексном воздействии на рыб энергетических (вызывающих дискомфортное состояние), информационных (звуки хищника), высокоградиентных (вызывающих болевые ощущения) и биорезонансных (оказывающих воздействие на клеточном уровне) акустических сигналов [5-8].
На рис. 1 (фото), для примера, иллюстрируется внешний вид элементов разработанного мною акустического РЗУ «АИСТ-1», установлен-ных (без привязки к местности) в водоподводящих каналах Калининской АЭС параллельно с боновыми заграждениями.
а) вид № 1 б) вид № 2 в) вид № 3
Рис. 1 (фото) - Внешний вид элементов акустического
рыбозащитного устройства АИСТ
Однако как показала многолетняя практика [5] эффективность акусти-ческих РЗУ, в первую очередь, для молоди рыб, не превышает 60-70%, что недостаточно, исходя из требования природоохранного законодательства. По этой причине в работах [5-8] рекомендовано использование комби-нированных (акустико-механическая, акустико-пузырьковая, акустико-элек-трическая и т. д.) РЗУ, обеспечивающих одновременное воздействие на несколько каналов восприятия информации у рыб об окружающей обстановке (слуховые, зрительные, тактильные и др. рецепторы). Приме-нительно в подводящим каналам АЭС в [5,7,8] рекомендовано использовать акустико-пузырьковые РЗУ, эффективность которых составляет 90-95%.
При возрастании масштабов гидротехнического строительства увеличились масштабы биопомех, вызванных организмами-обрастателями и прежде всего двустворчатым моллюском Dreissena polymoprha, как в бывшем СССР и России, так и за рубежом. Это явление обусловлено тем, что условия, формируемые при строительстве и пуске в действие электростанции (ГЭС, АЭС) и соответствующей трансформации исходного водоема в водоем-охладитель, полностью отвечают экологическим требованиям дрейссены. При этом самыми «дорогими», в смысле защиты от вызванных ею биопомех, оказываются АЭСЮ, а наиболее уязвимыми, с точки зрения биообрастания, являются: защитные механические решетки, погруженные водоводы, шлюзы, заслонки, инструменты и т. д.
На рис. 2 (заимствовано из Интернет) иллюстрируется внешний вид Dreissena polymoprha (рис. 2а), а также последствия биообрастания защитных решеток (рис.2б) и подводного трубопровода (рис. 2в).
а) моллюск (дрейссена) б) защитная решетка в) трубопровод
Рис. 2 (фото) - Внешний вид Dreissena polymoprha и последствия
биообрастания защитной решетки и трубопровода
В настоящее время наиболее распространенными являются химические методы борьбы с биообрастанием, которые сводятся к обработке забираемой на охлаждение оборудования воды, вызывающей гибель моллюсков и их личинок в технологической системе охлаждения. Однако в последние годы в мире резко (вплоть до запрета) повысились требования к экологической безопасности применяемых методов и средств борьбы с биообрастателями.
Сущность разработанной технологии борьбы с биообрастанием подводных конструкций и оборудования:
- заблаговременная (на входе в подводящий канал) акустико-пузырьковая очистка воды от биообрастателей;
- равномерное и прочное нанесение защитных покрытий в акустическом поле на подводные (решетки и т. д.) и внутренние (трубы и т. д.) поверхности, исключающее или затрудняющее прикрепление биообрастателей к ним;
- акустическое обездвиживание основной массы биообрастателей, а также их нелетальное и летальное поражение в районе водозаборных окон и т. д.
Преимущества разработанной технологии [5,7,8]:
- высокая (90-95%) эффективность защиты от биообрастания;
- экологическая безопасность для остальных водных обитателей (рыб, беспозвоночных и др.) и окружающей природной среды, в целом;
- медицинская безопасность для персонала защищаемого объекта и т. д.
Известно, что в процессе работы ГТС АЭС высокие требования предъявляются к качеству используемой оборотной воды, которая может содержать различные примеси, в том числе, пух растительного проис-хождения, речные водоросли и т. д. В настоящее время водозаборные окна ГТС оборудованы только механическими средствами защиты: стальными решетками с крупной и мелкой ячеей, которые предназначены, в первую очередь, для защиты от плавающего мусора. Распределенный по всей толще воды пух забивает решетки с мелкой ячеей, уменьшает их фильтрационные свойства и существенно снижает расход воды, подаваемой потребителям.
Сущность разработанной технологии очистки воды от механических и биологических примесей [5,7,8]:
- придание поверхностям пузырьков воздуха различного диаметра колебаний монопольного типа (в интересах повышения их сорбционных свойств) акустическими волнами различных диапазонов частот;
- дробление биологических примесей и их плотных скоплений (например, пуха) крупными пузырьками воздуха и низкочастотными импульсными акустическими сигналами;
- подъем примесей на поверхность и их удержание мелкими пузырьками воздуха, а также непрерывными высокочастотными акустическими сигна-лами;
- сбор примесей в виде грязной пены в районе бонового заграждения с последующим ее удалением в очистительный модуль и т. д.
Для примера на рис. 3 иллюстрируется принцип работы акустико-пузырькового модуля, который (как уже было отмечено ранее) одновременно решает три научно-технические задачи.
а) вид сбоку б) вид сверху
Рис. 3 - Структурная схема подводящего канала с акустико-
пузырьковым модулем и боновым заграждением
Преимущества разработанной технологии акустико-пузырьковой очистки воды от механических и биологических примесей являются:
- мобильность акустико-пузырьковых модулей, позволяющая относительно быстро их установить на любом рубеже и в определенном порядке;
- максимальное соответствие критерию эффективность-стоимость;
- высокое качество очистки воды от примесей, распределенных по все ее толще и т. д.
Таким образом, с точки зрения критерия: «эффективность-стоимость-риск», предлагается комплексное – за счет одновременного решения нес-кольких научно-технических задач, решение проблемы обеспечения промышленной и экологической безопасности эксплуатации ГТС АЭС при помощи ГАС СН, разработанных автором на принципах линейной и нелинейной гидроакустики.
При этом ярким примером не правильных действий в отношений разработчика технологий является сложившаяся ситуация на Калининской АЭС, когда автор технологий акустической рыбозащиты [5-8] и акустико-пузырьковой очистки воды от механических и биологических (включая, пух деревьев и т. д.) примесей [5-8] – проф. , благодаря стараниям коррумпированных сотрудников Калининской АЭС и коммерческих структур, оказался в стороне, как от опытно-промышленной эксплуатации акустического рыбозащитного устройства, так и от гидравлических изысканий по акустико-пузырьковой очистки воды от механических и биологических примесей.
Проводя аналогии с Саяно-Шушенской ГЭС, также хотелось бы обратить внимание на высокую аварийность на Калининской АЭС, и, как следствие этого, на неоднократную смену главных специалистов на ней в последние годы.
В заключение хотелось бы призвать общественность, из числа ветеранов атомной энергетики страны, внимательно проанализировать, исходя из критерия «эффективность-стоимость», результаты инновационной деятельности традиционных подрядчиков ГТС АЭС.
Литература:
1. Папков безопасности государства – электроэнергетика // «Инженерный вестник Дона», 2013, №4. URL: *****/magazine/archive/n4y2013/2023.
2. Makarov Y. V., Reshetov V. I., Stroev V. A., Voropai N. I. Blackout prevention in the United States, Europe, and Russia // Proceedings of the IEEE. Institute of Electrical and Electronics Engineers, 2005. – V. 93(11). – P. .
3. Voropai N. I., Kolosok I. N., Kurbatsky V. G. Intelligent coordinated operation and emergency control in electric power systems // IFAC proceedings volumes (IFAC-papersonline). IFAC conference on control methodologies and technology for energy efficiency, CMTEE, 2010. – P. 198-203.
4. , Рогожников развития гидроакустических средств гражданского назначения, в том числе с использованием методов нелинейной акустики. // Труды Всероссийской конференции «Прикладные технологии гидроакустики и гидро-физики». С-Петербург, 2012, с. 30-33.
5. Бахарев объектов энергетического комплекса. Германия, Изд-во: Lambert, 2012, 375 с
6. , , К вопросу использования акустических рыбозащитных устройств на атомных электростанциях. // Морская радиоэлектроника, № 2 (44), 2013, с. 51-57.
7. , Бахарев северных и арктических территорий. Германия, Изд-во: Lambert, 2013, 300 с.
8. Бахарев и экологическая безопасность объектов энергетического комплекса, расположенных на северных и арктических территориях. // Морская радиоэлектроника», № 4, 2013, с. 44-47.
9. , , Борисова эффективности и надежности очистки сточных вод на разных стадиях эксплуатации очистных сооружений // «Инженерный вестник Дона», 2013, №4 URL: http://ivdon.ru/magazine/archive/n2y2013/1602.
10. , , Тайвер сточных вод бассейнов для содержания ластоногих до норм оборотного водоснабжения // «Инженерный вестник Дона», 2011, №1 URL: http://*****/magazine/ archive/n1y2011/380.
References
1. Papkov B. V. Inženernyj vestnik Dona (Rus), 2013, №4. URL: *****/magazine/archive/n4y2013/2023.
2. Makarov Y. V., Reshetov V. I., Stroev V. A., Voropai N. I. Blackout prevention in the United States, Europe, and Russia // Proceedings of the IEEE. Institute of Electrical and Electronics Engineers, 2005. – V. 93(11). – P. .
3. Voropai N. I., Kolosok I. N., Kurbatsky V. G. Intelligent coordinated operation and emergency control in electric power systems // IFAC proceedings volumes (IFAC-papersonline). IFAC conference on control methodologies and technology for energy efficiency, CMTEE, 2010. – P. 198-203.
4. Baharev S. A., Rogozhnikov A. V. Perspektivy razvitija gidroakusticheskih sredstv grazhdanskogo naznachenija, v tom chisle s ispol'zovaniem metodov nelinejnoj akustiki[Development prospects sonar civil purposes, including using the methods of nonlinear acoustics]. // Trudy Vserossijskoj konferencii «Prikladnye tehnologii gidroakustiki i gidro-fiziki». S-Peterburg, 2012, рр. 30-33.
5. Baharev S. A. Bezopasnost' ob#ektov jenergeticheskogo kompleksa [Security of energy complex]. Germanija, Izd-vo: Lambert, 2012, 375 р
6. Baharev S. A., Kljachko L. M., Novikov S. E., Rogozhnikov A. V. Morskaja radiojelektronika, № 2 (44), 2013, рр. 51-57.
7. Baharev S. A., Baharev A. S. Osvoenie severnyh i arkticheskih territorij[Mastering the northern and Arctic areas]. Germanija, Izd-vo: Lambert, 2013, 300 р.
8. Baharev S. A. Morskaja radiojelektronika», № 4, 2013, рр. 44-47.
9. Serpokrylov N. S., Petrenko S. E., Borisova V. Ju. Inženernyj vestnik Dona (Rus), 2013, №4 URL: http://*****/magazine/archive/n2y2013/1602.
10. Serpokrylov N. S., Kozhin S. V., Tajver E. A. Inženernyj vestnik Dona (Rus), 2011, №1 URL: http://*****/magazine/ archive/n1y2011/380.
