Анализ и оценка подверженности атомных электростанций природно-техногенным чрезвычайным ситуациям

Автор: Булыгин Юрий Игоревич, Богданова Ирина Виссарионовна, Губа Татьяна Сергеевна, Аспидова Светлана Юрьевна

Журнал: Вестник Донского государственного технического университета @vestnik-donstu

Статья в выпуске: 4 (65) т.12, 2012 года.

Бесплатный доступ

На основе собранной статистики аварий на АЭС и землетрясений в мире выявлена корреляционная связь между рисками аварий на АЭС и рисками возникновения природно-техногенных ЧС, оказывающих влияние на устойчивость и безопасность функционирования таких особо опасных объектов. Осуществлен прогностический расчет во времени рисковых событий по закону Пуассона. Установлено, что сила корреляционной связи между землетрясениями и авариями на АЭС средняя, а значит повторение таких событий в будущем вероятно.

Чрезвычайная ситуация, авария, риск, вероятность, аэс, землетрясение, цунами, природно-техногенная чс

Короткий адрес: https://sciup.org/14249860

IDR: 14249860

Текст научной статьи Анализ и оценка подверженности атомных электростанций природно-техногенным чрезвычайным ситуациям

Введение. В настоящее время безопасность и устойчивость работы техногенных объектов являются одной из базовых проблем человечества на пути к устойчивому развитию. Чрезвычайные ситуации, катастрофы, аварии на гидротехнических, химических и военных производствах, газо- и нефтепроводах, АЭС становятся частым и обычным явлением. Анализ развития природных опасностей сегодня позволяет сделать вывод о том, что, несмотря на научно-технический прогресс, защищенность людей и материальной сферы от грозных явлений и процессов природы не повышается.

Как любая крупномасштабная техногенная деятельность человека и энергетический объект, атомные электростанции влияют на состояние экосистемы (рис. 1). Радиационный фактор является барьером в общественном сознании для атомной энергетики при выборе вида энергоисточника, поскольку сформировалось неадекватное восприятие техногенных рисков различной природы (радиофобия). Поэтому существует опасность принятия правительствами потенциально опасных решений, связанных фактически с большим суммарным риском, чем опасность самих АЭС.

По данным Международного Агентства по атомной энергетике, в 2010 году в мире действуют 443 атомных реакторов и около тридцати из них находятся в стадии строительства или модернизации. Динамика роста количества реакторов АЭС представлена на рис. 2.

Количество реакторов

Рис. 2. Увеличение числа работающих реакторов в мире за последние 60 лет

Большинство ядерных реакторов находятся в США (104), Франции (59), Японии (53), Великобритании (35) и России (32) (рис. 3).

Рис. 3. Количество реакторов АЭС в странах, где приоритетно используется атомная энергия

Степень защищенности человечества, а также среды обитания и жизнедеятельности от нарастающих опасностей природно-техногенных катастроф, несмотря на предпринимаемые усилия во всем мире, пока не повышается. Весьма важным является возможность достоверно оценить рискообразующие факторы воздействия, которые случайным образом генерируются самой природно-техногенной средой.

Анализ и оценка рискообразующих факторов подверженности АЭС природнотехногенным ЧС. Анализ и оценки рискообразующих факторов подверженности АЭС природнотехногенным чрезвычайным ситуациям осуществлялись в несколько этапов.

На первом этапе были собраны и проанализированы статистические данные по авариям и инцидентам на АЭС за 60 лет и проведено их распределение по шкале МАГАТЭ (табл. 1).

Таблица 1

Аварии и инциденты на АЭС и их распределение в соответствии со шкалой «INES»

Дата	Место события	Балл по шкале INES (МАГАТЭ)
1	2	3
12.12.1952	Канада, штат Онтарио, АЭС NRX	4-5
5.10.1966	США, г. Ньюпорт, АЭС «Энрико Ферми»	3
17.10.1969	Франция, АЭС «Сант-Лаурен»	4

Окончание табл. 1

1	2	3
20.03.1975	США, г. Декатур, АЭС «Брауне Ферри»	2
30.11.1975	СССР, г. Сосновый Бор, Ленинградская АЭС	4-5
5.01.1976	Чехословакия, г. Ясловске-Богунице, АЭС «Богунице»	2-3
22.02.1977	Там же	2-3
31.12.1978	СССР, Свердловская область, Белоярская АЭС	2
28.03.1979	США, г. Харрисбург, АЭС «Три-Майл Айленд»	6
8.03.1981	Япония, г. Цугура, АЭС «Цугура»	2-3
15.10.1982	СССР, г. Медзамор, Армянская АЭС	2-3
27.01.1984	СССР, г. Энергодар, Запорожская АЭС	2-3
27.06.1985	СССР, Балаковская АЭС	2-3
26.04.1986	СССР, Украина, г. Припять, Чернобыльская АЭС	7
19.08.1986	Там же	3
9.12.1986	США, штат Вирджиния, г. Сарри, АЭС «Сарри»	2-3
21.01.1987	СССР, г. Сосновый Бор, Ленинградская АЭС	3-4
19.10.1989	Испания, г. Ванделлос, АЭС «Ванделлос»	3
9.02.1991	Япония, о. Хонсю, АЭС «Михама»	2-3
11.10.1991	Украина, г. Припять, Чернобыльская АЭС	3
22.12.1992	Россия, Свердловская область, Белоярская АЭС	3
2.02.1993	Россия, Мурманская обл., пос. Полярные Зори, Кольская АЭС	2
25.07.1996	Украина, г. Нетешин, Хмельницкая АЭС	3
10.04.2003	Венгрия, Paks, АЭС «Paks»	3
4.07.2003	Япония, префектура Фукуи, Ядерный комплекс «Фуген»	1-2
20.05.2004	Россия, г. Сосновый Бор, Ленинградская АЭС	3
9.08.2004	Япония, о. Хонсю, префектура Фукуи, АЭС «Михама»	2-3
25.08.2004	Испания, г. Ванделлос, АЭС «Ванделлос»	3
11.03.2011	Япония, АЭС «Фукусима»	7

* Классификация аварий по шкале INES: 1-ый уровень - незначительное происшествие, 2-ой уровень - происшествие средней тяжести, 3-ий уровень - серьезное происшествие, 4-ый уровень - авария в пределах АЭС, 5-ый уровень - авария с риском для окружающей среды, 6-ой уровень - серьезная авария, 7-ой уровень - крупная авария, 8-ой уровень - глобальная авария.

Количество ядерных аварий высоких уровней за более чем 60 лет атомной истории в мире исчисляется единицами. Аварий 7-го уровня было две - Чернобыльская (1986 г.) и авария в Японии 2011 г. За последние 10 лет в российской ядерной отрасли не произошло ни одного события уровня 4 и выше по международной восьмибалльной шкале INES. Событий третьего уровня за это время было шесть, причем ни одно из них не имело последствий для населения (рис. 4).

Рис. 4. Количество аварий и происшествий на АЭС за последние 60 лет в мире

35-40 АЭС находятся в весьма опасных зонах сейсмоактивности, что составляет более трети всех станций мира (рис. 5). Что касается их распределения по странам мира, то на Японию приходится примерно 15-18 АЭС, которые в любой момент времени могут быть подвержены не только землетрясениям, но с определенной вероятностью, воздействиям последующих цунами (табл. 2). До событий на Фукусиме (11 марта 2011 г.) правительственная программа Японии была ориентирована на строительство еще 40 АЭС, однако уже в ближайшее время она будет пересмотрена. В число стран, которые с риском для всего человечества расположили свои АЭС в сейсмоопасных зонах входят США, Аргентина, Иран, Корея, Армения и др. (рис. 5).

Рис. 5. Совмещение мест расположения АЭС с сейсмоопасными зонами мира

Таблица 2

Статистика землетрясений в мире за 60 лет с силой более 6 баллов по шкале Рихтера

Дата	Страна	Балл
4.11.1952	СССР	7
12.08.1953	Греция	7
27.06.1957	СССР	6
6.11.1958	СССР	6
29.10.1959	Мексика	6
29.02.1960	Марокко	6
24.04.1960	Иран	6
21.05.1960	Чили	8
22.05.1960	Чили	8
1.09.1962	Иран	8
16.07.1963	Югославия	9
26.07.1963	Югославия	8
27.03.1964	Аляска	8
28.03.1964	США	6
16.06.1964	Япония	7
25.04.1966	Узбекистан	6
26.04.1966	Узбекистан	8
8.02.1969	Португалия	6
27.10.1969	Югославия	7
28.03.1970	Турция	8
14.05.1970	Дагестан	6
31.05.1970	Перу	7
10.12.1970	Перу	6
9.02.1971	США	6
6.09.1971	СССР	7
4.02.1972	Гватемала	7
02.12.1972	Никарагуа	6
29.11.1975	США	6
4.02.1976	Гватемала	7

8.04.1976	Узбекистан	9
28.07.1976	Китай	8
4.03.1977	Румыния	7
16.09.1978	Иран	7
10.10.1980	Алжир	6
23.11.1980	Италия	6
19.09.1985	Мексика	8
6.11.1988	Китай	7
7.12.1988	Армения	7
21.06.1990	Иран	7
30.09.1993	Индия	6
27.05.1995	Россия	9
7.12.1997	Россия	7
30.05.1998	Афганистан	7
25.01.1999	Колумбия	6
17.08.1999	Турция	7
21.09.1999	Тайвань	7
17.06.2000	Исландия	6
5.08.2000	Россия	8
6.12.2000	СНГ	8
26.01.2001	Индия	6
26.12.2003	Иран	6
26.12.2004	Индия	9
8.10.2005	Индия, Пакистан	7
12.05.2008	Китай	8
12.01.2010	Гаити	7
27.02.2010	Чили	8
11.03.2011	Япония	9

* Статистика землетрясений собрана по материалам «ИТАР-ТАСС»,

По данным табл. 2, можно сделать вывод, что из 57 землетрясений 10 вызывали цунами, что составляет 18 %, так как землетрясение 7 и выше баллов, эпицентр которых находится под дном океана, с большой вероятностью вызывают цунами.

Число землетрясений

Рис. 6. Распределение крупных землетрясений (свыше 6 баллов) по странам мира (табл. 2)

Следующим этапом анализа было определение вероятности события и количественная оценка связи между вероятностями аварий на АЭС и землетрясениями.

Риск - количественная величина опасности, т. е. вероятность возникновения или частота неблагоприятных последствий воздействия источника аварий на людей и территорию.

Вероятность появления N-ro количества аварий или инцидентов на АЭС в течение определенного времени, в зависимости от частоты их возникновения в единицу времени, можно определить, используя распределение Пуассона.

Расчет вероятности события по закону Пуассона. Распределение Пуассона моделирует случайную величину, представляющую собой число событий N, произошедших за фиксированное время t, при условии, что данные события происходят с некоторой фиксированной средней интенсивностью и независимо друг от друга:

P(N,t) = (Xt)N e-Xtfm,(1)

Если определяется вероятность того, что за данный период не произойдет ни одного инцидента или аварии, т. е. N = 0, то формула приобретает иной, более упрощенный вид:

то^^Л(2)

X = п/Т,(3)

где п - среднее число событий в интервале; Т - время; X - интенсивность; t - текущее время.

Модель Пуассона используется для редких событий и при наличии большого количества статистических данных, что применимо для нашего исследования.

Расчет вероятности того, что произойдет авария или происшествие (инцидент) в промежуток времени t. Проанализируем риск:

R = 1-^(0, Г) = 1-еЛ (4)

при п = 23 инцидента, Т = 60 лет, X = 23/60 = 0,38; п = 6 аварии, X = 6/60 = 0,1.

Результаты расчетов вероятности аварии на АЭС представлены на рис. 7.

Рис. 7. График вероятности возникновения аварии или инцидента на АЭС

График наглядно иллюстрирует результаты расчетов вероятностей и зависимости:

- с увеличением срока эксплуатации АЭС вероятность безаварийной работы резко увеличивается;
- вероятность того, что произойдет инцидент на АЭС значительно выше, чем вероятность аварии на АЭС.

Расчет вероятности землетрясения выше б баллов в промежуток времени t. На основании ранее приведенной статистики (табл. 2) проведем расчет риска крупного (выше 6 баллов) землетрясения по модели Пуассона:

R = 1-Р(0, tV 1-еЛ при п = 57 землетрясений, Т = 60 лет; X = 57/60 =0,95

п = 37 землетрясений, Т = 60 лет; X = 37/60 =0,617

п = 18 землетрясений, Т = 60 лет; X = 18/60 =0,3.

Результаты расчетов сведены в табл. 3 и рис. 8.

Расчет риска возникновения землетрясения в промежуток времени t

Рис. 8. График вероятности возникновения землетрясения

Таблица 3

Вероятность, Р	2012, 1-е^	2013, \-е^А	2014,	2015,	2016, \-е^	2021, 1-е-	2026,
Землетрясения выше 6 баллов	61%	85%	94%	97%	99%	99,9%	100%
Землетрясения выше 7 баллов	45%	69%	83%	90%	95%	99%	100%
Землетрясения выше 8 баллов	25%	45%	59%	69%	77%	96%	100%

Связь между вероятностями аварий на АЭС и землетрясениями. Описание анализа по критерию Пирсона. Важнейшей целью статистики является изучение объективно существующих связей между явлениями. В ходе статистического исследования этих связей необходимо выявить причинно-следственные зависимости между показателями, т. е. насколько изменение одних показателей зависит от изменения других показателей (табл. 4).

Корреляционная связь - это связь, при которой воздействие отдельных факторов проявляется только как тенденция (в среднем) при массовом наблюдении фактических данных. Для определения степени тесноты парной линейной зависимости определим линейный коэффициент корреляции г

Г*хт Г/хт / (Qx Ох). (5)

Линейный коэффициент корреляции может принимать значения в пределах от -1 до + 1 или по модулю от 0 до 1. Чем ближе он по абсолютной величине к единице, тем теснее связь. Знак указывает направление связи: «плюс» - прямая зависимость, «минус» имеет место при обратной зависимости.

Сила корреляционной связи: сильная ±0,7 до ±1; средняя ±0,3 до ±0,699; слабая 0 до ±0,299.

Расчет критерия Пирсона для землетрясения выше 8 баллов.

Рассчитаем среднее количество аварий и инцидентов (П.) и землетрясений (И):

Mx = nlN, Ny = n/M,

где М_х - среднее количество аварий и инцидентов; п - количество событий; N - число распределений; М_у - среднее количество землетрясений.

Таблица 4

Система распределения количества аварий на АЭС и землетрясений выше 8 баллов

Годы	События
Годы	Аварии и инциденты, х	Землетрясения, у
1951-53	1	0
1953-55	0	0
1955-57	1	0
1957-59	0	0
1959-61	1	2
1961-63	0	1
1963-65	0	3
1965-67	0	1
1967-69	0	0
1969-71	0	1
1971-73	0	0
1973-75	0	0
1975-77	3	2
1977-79	2	0
1979-81	1	0

1981-83	2	0
1983-85	1	0
1985-87	4	1
1987-89	1	0
1989-91	1	0
1991-93	3	0
1993-95	1	0
1995-97	1	1
1997-99	0	0
1999-2001	0	1
2001-03	0	0
2003-05	5	1
2005-07	0	0
2007-09	0	1
2009-11	1	2
Среднее <х>, <у>	0,967	0,567
Сумма	29	18

К = 29/30 = 0,96, М_у = 18/30 = 0,567, О _х = ^ ) / И - <х> , о²_х=77/30-0,967²=2,567-0,935=1,632, О²^(1.УГ>-<У>², o²_v=29/3 0-0,567²=0,967-0,321=0,646, C^^yiW-^^, 0^=19/30-0,567-0,967=0,633-0,548=0,85. 77 7

(Ю)

Отсюда определяем коэфициент корреляции: r„= Сху (ох оД г„=0,85/(1,277-0,804)=0,83 Если jr^,]Vw-l > 0,7, то связь между землетрясениями и авариями АЭС достаточно вероятна, при г Ми-1 = 0 447сила корреляционной связи средняя (рис. 9)

Рис. 9. Сила корреляционной связи между землетрясениями и авариями на АЭС в зависимости от интенсивности землетрясений, вызывающих шлейф - эффект (землетрясение - цунами)

Заключение. Собрана полная статистика по авариям и инцидентам на АЭС во всем мире. Все события ранжированы в соответствии с требованиями шкалы МАГАТЭ. Предложен количественный метод анализа риска аварии на АЭС и сильного землетрясения на основе закона Пуассона, который позволяет осуществить прогностический расчет во времени. Выявлена корреляционная связь (по критерию Пирсона) между рисками аварий на АЭС и рисками возникновения природнотехногенных ЧС. В результате произведенных расчетов установлено, что связь между такими событиями, как землетрясение и авария на АЭС, достаточно вероятна.

Анализ показывает, что многие АЭС в настоящее время находятся в состоянии чрезвычайной ситуации, некоторые из них не имеет надежной упреждающей защиты. Это тем более актуально, что по разным экспертным оценкам, опасность «техногенных взрывов» в общей структуре рисков и угроз национальной безопасности России составляет от 15 до 45 %.

Ослабление технологического, информационного контроля со стороны общества, государства области современных опасных производств и технологий может привести к необратимым последствиям, после которых все усилия будут сконцентрированы только на устранении последствий возникшей аварии, взрыва, а все остальные функции государственного регулирования окажутся ненужными в силу разрушения главного субъекта управления - человека, прежде всего страдающего в таких техногенных катастрофах.

Список литературы Анализ и оценка подверженности атомных электростанций природно-техногенным чрезвычайным ситуациям

Акимов В.А. Основы анализа и управления риском в природной и техногенной сферах/В.А. Акимов, В.В. Лесных, Н.Н. Радаев. -М.: Деловой Экспресс, 2004.
Аварии и катастрофы. Предупреждение и оценка последствий. В 4-х т./под ред. К.Е. Кочеткова, В.А. Котляровского. -М.: Ассоциация строительных вузов, 1995-1997.
Соложенцев Е.Д. Сценарное логико-вероятностное управление риском в бизнесе и технике/Е.Д. Соложенцев. -СПб.: Бизнес-пресса, 2004.
Управление риском: Риск. Устойчивое развитие. Синергетика. Серия «Кибернетика: неограниченные возможности и возможные ограничения». -М.: Наука, 2000.
Печенин Н.К. Концепция управляемого риска на исторических примерах/Н.К. Печенин//Альтернативная энергетика и экология. -2000. -№ 1.
Антонова А.М. Экологические проблемы АЭС и их решения/А.М. Антонова//Промышленные ведомости. -2010. -№ 10-12.
Некоторые итоги обеспечения сейсмостойкости в России/Е.Г. Бугаев, В.Г. Бедняков, И.М. Лавров [и др.]//Вестн. Госатомнадзора России. -2004. -№ 2.

Статья научная