Вопросы управления
жизненным циклом АЭС

Мохаммед АЛЬШРАЙДЕХ
Аспирант кафедры
СОТАЭ НИУ «МГСУ»
e-mail: Msh.19894@yahoo.com

Игорь ЕНГОВАТОВ
Профессор кафедры
СОТАЭ НИУ «МГСУ», д. т. н.
e-mail: eng46@mail.ru

Андрей МОРОЗЕНКО
Зав. кафедрой СОТАЭ НИУ МГСУ,
профессор, д. т. н.
e-mail: morozenkoaa@vgsu.ru

Введение

В настоящее время на долю атомной энергетики приходится примерно 10 % мирового производства электроэнергии. Ее доля будет увеличиваться в связи с резким повышением стоимости энергоресурсов промышленно развитых и развивающих странах [1]. Тем не менее существуют различные взгляды на ее эффективность и безопасность [2] с учетом всего жизненного цикла таких сложных объектов как энергоблоки АЭС.
Жизненный цикл АЭС последовательно включает следующие стадии:

1. Размещения и оценка площадки(“Sitting”),
2. Проектирование (“Designing”),
3. Сооружение (“Construction”),
4. Эксплуатация (Сommissioning),
5. Вывод из эксплуатации (“Decommi­ssioning”).

Каждая стадия жизненного цикла может включать этапы, подэтапы (фазы) и т. д., которые в свою очередь должны иметь «веху» (признак), свидетельствующий о начале и завершении указанной деятельности. Обычно это получение и прекращение действия лицензии (разрешения) на соответствующий вид деятельности [2].

Имеющийся российский и зарубежный опыт в области сооружения и эксплуатации энергоблоков АЭС позволяет утверждать о неотъемлемой связи всех стадий жизненного цикла с точки зрения влияния на безопасность населения и окружающей среды этих сложных объектов энергетики и экономическую эффективность. Таким образом, можно утверждать, что стратегическая цель развития и существования атомной энергетики (целевая функция) состоит в достижении высокой технико-­экономической и социальной эффективности производства энергии при минимизации ущерба для общества и окружающей среды на всех стадиях жизненного цикла [7].
Достижение указанной цели возможно на основе многофакторного анализа отражающего радиационно-­экологические, научно-­технические, законодательные, социальные, экономические и другие аспекты обосновывающих организационно-­технологическую систему принятия решений и управления на всех стадиях жизненного цикла с учетом современных подходов, включающих методы анализа затрат – выгода, выявления, оценки и управления рисками, управления старением составляющих и всего комплекса в целом, информационных технологий, рассмотрения различных сценариев, которые характеризуют строительство и эксплуатацию энергоблоков, различные варианты вывода из эксплуатации и использования площадки и т. д. Следует отметить чрезвычайную сложность создания и реализации программы Проекта АЭС, как организационной структуры, имеющей в своем составе в зависимости от уровня декомпозиции от сотен до миллионов элементов и их системных связей, которые меняются в течение жизненного цикла по детерминированным разработчиком законам и из-за случайных событий.
Учитывая серьезные потенциальные негативные последствия сегодняшнего выбора энергии для будущих поколений, исследование роли атомной энергетики в достижении Целей устойчивого развития ООН требует дальнейшего изучения с точки зрения эффективности и экологической жизнеспособности. Уже на этапе принятия решения о начале строительства АЭС, необходимо понять, каков ее жизненный цикл и как он влияет на будущее энергетики с точки зрения экономики и эффективности. А также необходимо принимать во внимание экономические и политические факторы, которые оказывают значительное влияние на будущее энергетики в ближайшие годы[7].

Проблемы управления жизненным циклом АЭС

На настоящий момент в мире было построено более 400 атомных электростанций в разных странах [1,7]. С накоплением мирового опыта, возникли новые проблемы, которые не были предусмотрены проектировщиками ранее. Они требуют проведения системных научных исследований для нахождения эффективных решений.
Одной из таких проблем, возникших после начала эксплуатации атомных электростанций, являются потенциальные риски, которые могут возникнуть из-за нехватки человеческих знаний и отсутствия комплексной интеграции для управления жизненным циклом атомных электростанций.
Прежде всего необходимо дать определение понятию «управление жизненным циклом АЭС». МАГАТЭ описывает управление жизненным циклом как комплексную работу, охватывающую эксплуатацию, техническое обслуживание, деятельность по нормативному, экологическому и экономическому планированию, а также инжиниринг [‎2] или другими словами, это интеграция решений для управления безопасностью, старением и работой в течение всего срока службы АЭС.
Ниже будут рассмотрены некоторые организационно-­технологические аспекты и подходы к управлению на стадиях и этапах жизненны цикла энергоблока АЭС.

Стадия размещения

Данная стадия начинается проектно‑изыскательскими и проектно-­конструкторскими работами до начала строительно- монтажных работ. Основой проектирования для структурной системы и компонентов (ССК) является заданные параметры, которые должны выполняться, а также ключевые параметры проектирования и диапазон значений для них. При проектировании должны быть учтены государственные задачи, основные требования безопасности, ожидаемые сценарии аварий и отказов, экологические требования, отраслевые нормы и стандарты [‎3, 6, 9].
Утвержденные чертежи проекта АЭС используются не только на стадии сооружения, но и в дальнейшем, на стадиях эксплуатации и вывода из работы персоналом станции и регулирующим органом.
С этой целью эксплуатирующая организация должна создать и начать эксплуатацию информационной системы жизненного цикла энергоблока блока АЭС, примерная блок-схема которой представлена на рис. 1.

Информационная система жизненного цикла АЭС

На протяжении всего жизненного цикла АЭС приходится иметь дело с огромным количеством информации и документации, которая должна быть сохранена, систематизирована и доступна на заключительном этапе.
Для этих целей каждый блок АЭС должен иметь собственную информационную систему жизненного цикла блока АС (ИСАС).
Цель ИСАС состоит в обеспечении пользователя способами, методами и инструментами, которые помогут оперативно найти обоснованный ответ на любые специфические вопросы в общей проблеме вывода из эксплуатации, а также предоставить надежную оценку ключевых параметров: коллективной дозы облучения, объемов и уровней радиоактивных отходов, стоимости работ (в том числе при продлении срока службы, реконструкции).
ИСАС включает информацию и инструменты, которые дают возможность пользователю анализировать результаты решения следующих основных задач:
Оценка технического и радиационного состояния площадки, зданий и сооружений блока АС.
Расчет и прогноз коллективной эквивалентной дозы с учетом временного фактора, уровней активности, объемов и видов радиоактивных отходов, продолжительности процесса вывода из эксплуатации или продления срока службы или реконструкции, а также стоимости работ.
Изучение и сравнение различных вариантов вывода из эксплуатации или продления срока службы или реконструкции АС.
Определение характеристик, источников образования и истории различных типов радиоактивных отходов, а также контроль за их движением в процессе обработки, упаковки и транспортировки к местам хранения и захоронения.
Анализ экспериментальных данных с целью экстраполяции информации для одного блока на другие однотипные, а также в пределах однотипных систем конкретного блока.
ИСАС должна состоять из двух укрупненных блоков: блока АЭС и «блока-­процесс», которые в свою очередь могут состоять из самостоятельных и функционально связанных между собой баз данных.
Блок АЭС описывает площадку, здания и сооружения, боксы и помещения, системы и оборудование.
Блок-процесс описывает работы, персоналии и организации, обеспечивающие деятельность по выводу из эксплуатации или продлению срока службы или реконструкцию атомной станции.
Блок АЭС содержит следующие частные блоки (базы данных):
реакторная установка: информация о площадке, зданиях сооружениях, боксах и помещениях, оборудовании и системах АС;
материалы АЭС: информация о физико-­химических характеристиках конструкционных и защитных материалов на станции;
РАО АЭС: информация о радиоактивных материалах на станции, образующихся на этапе эксплуатации и вывода из эксплуатации;
документация АЭС: содержит документальную часть ИСАС – полную информацию об истории станции, включая все необходимые материалы по проектированию, строительству и эксплуатации, а также их каталоги.

• Блок-процесс содержит следующие частные блоки (базы данных):
• комплексное инженерное и радиационное обследование: методы и средства получения специфической информации по остаточной радиоактивности и инженерном состоянии блока, зданий и сооружений, боксов и помещений, оборудования и систем, площадки АЭС;
• останов реактора: остаточная радиоактивность конструкционных и защитных материалов, оборудования, зданий и сооружений, боксов и помещений, площадки атомной станции, остаточный ресурс основного оборудования, зданий и сооружений;
• вывод из эксплуатации: весь спектр проблем по планированию, продолжительности и осуществлению конкретных работ по выводу из эксплуатации, включая контроль качества и стоимостные оценки;
• программное обеспечение: все составляющие разрабатываются в едином стандарте программного продукта, при максимальном использовании достижений и существующих разработок.

Большинство специалистов, которые проработали на атомных электростанциях более 30–40 лет, были отправлены на пенсию, что затрудняет процесс передачи знаний и опыта. Так как подготовка узкоспециализированных кадров, полностью осведомленных обо всех деталях работы, это длительный и сложный процесс. В связи с уходом с работы прежних опытных кадров теряется существенный объем значимой информации. Зачастую важные сведения, данные, записи не оцифрованы и хранятся на бумажных носителях в столах отдельных ключевых специалистов в цехах и могут быть потеряны или повреждены. Существовавшая ранее советская налаженная система бумажного организационно-­технического документооборота между эксплуатирующей организацией и проектно-­конструкторскими институтами в настоящее время в полной мере не работает. Наблюдается расхождение между реальным состоянием действующего блока АЭС и содержимым проектно- конструкторской документации. На действующих АЭС внедряются разнообразные ИТ-системы поддержки эксплуатации, и в каждой из них, зачастую, применяются не вполне совместимые перечни оборудования. Эти проблемы вызваны отсутствием согласованности между всеми подразделениями, работающими в управлении жизненным циклом АЭС на всех этапах, например, отсутствует информационный сервер, содержащий всю накопленную информацию с начала проектирования до вывода АЭС из эксплуатации. Такая база данных необходима в случае, если команде управления требуется замена электрических кабелей в определенном помещении станции. Для этого необходимо найти утвержденные исполнительные планы с характеристиками существующих кабелей, такие как диаметр, тип и т. д. Пример информационной модели приведен на рис. 2.

Для преодоления трудностей работы с огромным объемом несогласованной информации и объединения утвержденных инженерных чертежей, модификации которых были сделаны на различных стадиях проекта, используются специально разработанные инженерные программы такие, как Oracle Aconex. Повысить эффективность координации проектирования и строительства, управление проектам и затратами, документооборота и надзора на стройплощадках с помощью программного решения. Например, Intergraph SmartPlant Enterprise (Основа для создания 3D модели), теперь могут обеспечить не только автоматизацию разработки проекта и построение трехмерной проектной модели объекта, но и позволяют создать действенное единое информационное пространство сопровождения жизненного цикла, объединив в нем научные, проектные, конструкторские, строительно-­монтажные организации, поставщиков оборудования и, собственно, эксплуатирующую организацию. Объединение всех участников происходит вокруг постоянно актуализируемой трехмерной информационной модели блока АЭС. Однако, обладая большими возможностями как САПР, данная система не интегрирована в комплексную систему управления жизненным циклом АЭС, что не позволяет считать ее универсальной программной базой в системе управления на всем протяжении жизненного цикла АЭС.

Стадия сооружения

Строительно-­монтажные и пуско-­наладочные работы до энергопуска блока длятся 3–4 года [3,4,7]. Строительство может длится до 8 лет. Атомные электростанции представляют собой сложные строительные проекты, поскольку они требуют больших трудозатрат. Строительство зависит в основном от наличия квалифицированных рабочих, обеспечения доставки всех материалов и качества выполняемых работ, необходимых для завершения строительства в сроки, определенные сетевым графиком и контрактом (см. рис. 3). Компании, занимающиеся строительством атомных электростанций, сталкиваются с проблемами в логистике и доступности материалов. Проблема была особенно актуальна в 2020 г., когда началась пандемия, которая повлияла на поставки материалов, а также на мировое производство.

В 2022 г. международные компании пострадали от закрытия воздушных пространств для авиаперевозок и мировых санкций на торговлю и обмен технологиями между Россией и западными странами. Все эти факторы оказывают влияние на строительство АЭС в части стоимости и сроков, установленных в контрактах.
Строительство атомных электростанций связано с большим объемом сложных работ и требует большого количества рабочих на стройплощадке, в дополнение к тому, требуются большие площади для хранения строительных материалов. Следует принять во внимание, что важно оборудовать большие наземные площадки для транспортировки большого количества строительных материалов рядом со строительной площадкой, чтобы сэкономить время, усилия и финансы, потраченные на доставку этих элементов. Иногда некоторые элементы считаются нетранспортабельными, из-за отсутствия инфраструктуры для надлежащего осуществления транспортных операций. Считается нормальным, что субподрядчик перевозит оборудование и установки на строительную площадку АЭС, чтобы гарантировать отсутствие задержек в доставке инженерных элементов, необходимых для завершения строительных работ атомной электростанции. Перед началом строительных работ следует изучить факторы, влияющие на строительство атомных электростанций с точки зрения площадки, а именно: инфраструктура района (железные дороги или улицы и водные пути), климат, ограничения и технологии, которые будут использоваться при строительстве.
Из опыта строительства атомных электростанций или любого сложного объекта известно, что во время строительства вносится множество изменений в первоначальный проект. Причиной является обнаружение технических ошибок или замечаний от подрядных организаций во время реализации проекта. Основными причинами задержек в строительстве АЭС является задержки в закупке и доставке материалов и оборудования на проект, а также сдвиги сроков в завершение некоторых строительных работ. Поэтому чтобы исключить риски срыва графика строительных работ, при проведении тендеров решающую роль играет не низкая цена, а опыт и репутация подрядной компании. Иногда приходится вносить изменения в проект, производя замены определенного в проекте оборудования и комплектующих на другие типы в связи с задержками в поставках, невыполнения поставщиками обязательств и пр.
В последние годы появились новые технологии, которые помогают специалистам выполнять строительные работы быстрее и точнее. Трехмерная информационная проектная модель блока АЭС, применяемая совместно с другими современными технологиями, такими, как лазерное сканирование, ГЛОНАСС/GPS-навигация, мобильные вычислительные устройства, может осуществить переворот в подготовке исполнительной документации «как построено», создавая модель точно соответствующую фактическому сооружению блока АЭС–СОМОКС® (Система оперативного мониторинга объектов капитального строительства) [7].

Стадия эксплуатации

Проектный срок эксплуатации может длится 30–60 лет. Этап «ввод в эксплуатацию» и «эксплуатация» заключается в обеспечении бесперебойной работы станции, обслуживании по техническому состоянию и, в конечном счете, к снижению издержек эксплуатирующей организации по владению основными фондами и к получению максимальной прибыли. Чтобы проиллюстрировать важность этапа управления эксплуатацией АЭС, проведем сравнение этапов финансирования жизненного цикла АЭС. На рис. 3 приведены показатели эффективности с точки зрения доходов и затрат для стадий эксплуатации и вывода из эксплуатации.
На диаграмме видно, что финансовые затраты на строительство АЭС, и затраты на вывод АЭС из эксплуатации, почти одинаковы и считаются наиболее дорогостоящими этапами жизненного цикла АЭС [2]. Оценки показывают, что финансовые затраты могут быть снижены до 15 % при оптимизации управления ЖЦ АЭС.

Платформа управления жизненным циклом АЭС

Принятие обоснованных решений с самого начала строительства атомной электростанции оказывает влияние на все стадии жизненного цикла. Например, при проектировании атомных электростанций необходимо учитывать поиск проектных решений, которые помогают специалистам в демонтаже АЭС в будущем.
Ниже приведена схема (рис. 4), которая содержит 16 важных элементов влияющих на жизненный цикл АЭС.

Управление старением существенно влияет на продление срока службы электростанции и безопасности, поскольку это влияет на затраты и на повышение эффективности производства электрической энергии [2].
Управление старением. Управление старением (Aging management) является обязательным для обеспечения безопасности и надежной эксплуатации АЭС, а также, как следствие, может повысить эксплуатационную готовность и экономичность станции. Понимание механизма старения имеет основополагающее значение для вышеуказанных проблем, а проверка и анализ потенциальной деградации необходимы для профилактических мер, прогнозирования и управления старением. Для продления срока службы АЭС и принятия комплекса превентивных мер следует учитывать, с одной стороны, факторы, способствующие долговечности атомных электростанций: долговечность материалов и оборудования, используемых при эксплуатации АЭС, эффективность оборудования и ожидаемый срок службы, применение мер для уменьшения последствий старения и поддержания работоспособности оборудования в хорошем состоянии производительности и эксплуатации [5].
С другой стороны, следует принимать в расчет основные факторы старения АЭС: срок службы несменяемых деталей и частей, ухудшение состояния сменных деталей и частей, устаревание оборудования или компонентов, способность объекта соответствовать изменениям требований безопасности [2, 5].
Однако следует отметить, что эти решения не должны увеличивать затраты на управление жизненным циклом АЭС и не должны снижать безопасность атомных электростанций.
Управление активом [2, 6, 7]. Подход с учетом всех стадий жизненного цикла может быть применен для снижения затрат на эксплуатацию и техническое обслуживание, повышения надежности оборудования, управления конфигурацией и минимизации рисков. Модели управления (Стандартная модель ядерной производительности), процесс (Надежность оборудования) и рекомендации специалистов для новых проектов атомных станций (Проектирование и Закупки). Эти модели постепенно внедряются на действующих АЭС, а также распространяются на строящиеся АЭС в других странах мира. Программы управления состоят из регистрации активов (список активов, структура, спецификация и т. д.), классификации активов (класс оборудования, функциональная важность, анализ и т. д.), а также стратегий и планов технического обслуживания. Следовательно, продавцы и поставщики активов будут обязаны предоставлять, в соответствии с условиями контракта, все данные и информацию, относящиеся к программам управление для физического актива, который они предлагают. Технические и финансовые риски также можно контролировать в рамках долгосрочных планов управления надежностью оборудования [2].
Управление рисками [2, 7, 8]. Риски и управление ими являются одной из важнейших задач в решении общей проблемы управления жизненным циклом. Это процессы включают максимизацию положительных и минимизацию отрицательных последствий наступления рисковых событий. Риски нужно не только идентифицировать, но и управлять ими.
Основной целью работ по изучению рисков является оценка последствий их влияния на сроки, безопасность и стоимость выполнения работ. Методика оценки рисков, возникающих на всех стадиях жизненного цикла АЭС должна включать:
– идентификацию рисков;
– классификацию рисков;
– анализ, оценку и ранжирования рисков;
– разработку контрмер.
Иными словами, управление рисками в общей системе управления жизненным циклом можно представить следующим образом. Есть целевая функция управления на всех стадиях жизненного цикла. Достижение ее показателей на всех этапах жизненного цикла является основной задачей с точки зрения повышения безопасности и снижения финансовых затрат. Для достижения целей необходима разработка пакета методик и математического аппарата, которые позволят осуществлять планомерную работу по достижению указанных выше целей.
Управление безопасностью [2, 5, 9]. Безопасность персонала, населения и окружающей среды является важнейшим показателем на всех этапах жизненного цикла энергоблока АЭС. Он связан с процессом управления рисками. Управление безопасностью является неотъемлемым компонентом управления всей организацией и описывается в рамках системы менеджмента качества. Есть много данных, которые не имеют достаточного обоснования и объяснения, таких как профилактическое техническое обслуживание, менеджмент качества, управление использованием зданий и площадкой энергоблока, руководство подготовкой и распределением кадров, переработка, хранение и удаление отходов, управление лицензиями, периодическая оценка безопасности и так далее. Все эти факторы рассматриваются как факторы, которые прямо или косвенно влияют на работу станции и требуют оценки и управления на всех стадиях жизненного цикла АЭС.

Стадия «Вывод из эксплуатации»

Вывод из эксплуатации длится более 60 лет и является одной их самых длительных и может даже более продолжительной, чем стадия эксплуатации.
Подготовка к выводу из эксплуатации и вывод из эксплуатации (ВЭ) энергоблока АЭС – комплексный процесс, включающий несколько этапов, на которых осуществляется разработка объектовой концепции и программы вывода из эксплуатации, проведение комплексного инженерного и радиационного обследования, разработка проекта вывода из эксплуатации, дезактивация и демонтаж оборудования, обращение с радиоактивными отходами и т. д.
Осуществление полного цикла работ по выводу из эксплуатации блока АЭС является масштабным организационным и техническим мероприятием, во многом сопоставимым со строительством блока.
Основной проблемой при выводе из эксплуатации блока АЭС является проблема переработки и удаления для последующего захоронения радиоактивных отходов. Факторы обращения с радиоактивными отходами и обеспечения радиационной безопасности играют наиболее значимую роль в стоимости практической реализации вывода из эксплуатации, поэтому представляется необходимым и возможным осуществлять предварительное моделирование данного процесса на имитационных многомерных интерактивных моделях блока АЭС, в рамках создания баз данных по выводу из эксплуатации в общей Информационной системе жизненного цикла АЭС. Управление выводом из эксплуатации предполагает оптимизацию и конкретные объекты оптимизации, представленные на рис. 5.

Процесс вывода блоков атомной стации из эксплуатации является затратным, так как продукция на остановленном блоке уже не производится и не реализуется, а затраты на проведение мероприятий по подготовке и выводу блоков из эксплуатации очень значительны и направлены в основном на скорейшее удаление радиоактивных отходов с блока и площадки, демонтаж оборудования, зданий и сооружений, возврат площадки АЭС в повторное ограниченное или неограниченное использование, в том числе для нужд атомной энергетики[2,3,4].
Из вышесказанного можно сделать вывод, что этапы жизненного цикла атомной электростанции взаимосвязаны и влияют друг на друга. Взаимосвязь стадий жизненного цикла схематически представлена на рис. 6.

Стадия эксплуатации является основной, на которой происходит выработка энергии и получение прибыли. Эффективная работа на всех предыдущих стадиях приводит к повышению эффективности производства и значительному снижению затрат.
Вывод из эксплуатации АЭС – дорогостоящий этап, который необходимо учитывать еще на стадии проектирования, поскольку это позволяет заранее разработать безопасные конструктивные решения, которые дают возможность избежать сложностей при демонтаже и сократить финансовые расходы.

Заключение и выводы

Успешная реализация задач управления жизненным циклом АЭС возможна на основе представления о проекте, как о большой динамической системе, состоящей из множества элементов, связанных логико-­целевой функцией проекта, являющейся многоуровневой организационной структурой, изменяющей свое строение в соответствии с программой жизненного цикла и воздействием факторов внутренней и внешней среды.
Масштаб, сложность проекта, большое количество участников делают программу проекта неуправляемой в классическом смысле. Новые методы проектирования, внедрение прогрессивных информационных технологий не всегда удовлетворяют требованиям снижения себестоимости на всех этапах жизненного цикла АЭС: наглядности разработанной документации, полного контроля выполнения программы проекта, своевременного принятия решений по возникающим обстоятельствам. В этой связи необходимо отметить недостаточную информативность языка общения участников проекта. Альтернативой этому может служить разработка и внедрение цифро-­графического языка проекта, способного интегрировать базовую и текущую информацию о проекте, его состоянии, создание системы управления на его основе. Такой язык может быть разработан на основе представления о жизненном цикле АЭС, как совокупности ключевых событий различного уровня программы проекта.
Особенности реализации программы проекта требует внедрения передовых организационных структур и систем управления жизненным циклом АЭС. Данную возможность представляют многоуровневые адаптивные организационные структуры и их системы управления. Развитие данных систем создают новые качества эффективности в управлении большими системами, которыми являются проекты жизненного цикла АЭС и, в первую очередь, комплексность в управлении ими.