Важную роль в обеспечении длительного функционирования реакторной установки, защиты обслуживающего персонала, в предотвращении возможных утечек радиоактивности в окружающую среду играет барьер безопасности - границы давления контура циркуляции теплоносителя. При этом под «границей давления» следует понимать все элементы оборудования и трубопроводов, разрушение которых может привести к выходу теплоносителя в окружающие помещения. Но даже при полном соответствии «границ давления» требованиям нормативной документации концепция безопасности объектов атомной энергетики исходит из предпосылки вероятной течи теплоносителя из контура циркуляции. Поэтому все строительные конструкции АЭУ проектируются и рассчитываются исходя из условия возможного наличия избыточного давления в локализующих помещениях или под защитной оболочкой. Методы расчета строительных конструкций известны и не являются предметом рассмотрения данного раздела.
Специфические особенности объектов атомной энергетики побудили ведущие страны мира разработать специальные нормативные требования, методы обоснования и обеспечения целостности конструкций этих объектов. К таким особенностям следует отнести прежде всего: масштаб возможного ядерного ущерба; диапазон рабочих параметров по температуре и давлению; продолжительность срока службы 30 и более лет; радиационное охрупчивание конструкционных материалов; воздействие различных теплоносителей (водных, жидкометаллических, газовых).
Соответствующие комплекты нормативной документации имеются в США (ASME Code), Франции (RCC-M), Германии (KTA) и России (ПН АЭ Г). Другие страны, на территории которых расположены объекты использования атомной энергии, применяют какой-либо из перечисленных кодов с некоторыми дополнениями, отражающими национальные особенности промышленности, законодательства и надзора за ядерной безопасностью, а также географическое положение.
Первый комплект нормативной документации в СССР был сформирован в 1973 г. и к настоящему времени содержит множество документов Федерального уровня и нормативных документов низшего уровня, обязательных для применения. Общая нормативная база отрасли атомного машиностроения содержит более 15000 документов, включая ГОСТы, ОСТы, OTT и ТУ. Более 70 % этих документов в той или иной степени касаются вопросов обеспечения целостности конструкций, так как регламентируют требования к обеспечению качества проектирования, изготовления, монтажа, неразрушающего контроля, в том числе в процессе эксплуатации, обоснования прочности и долговечности.
В последние годы проведено несколько международных экспертиз АС, построенных по проектам российских организаций. Одним из основных результатов стало признание российских подходов к обеспечению безопасности и, в частности, к обеспечению прочности конструкций. Этот факт находит отражение и в заключаемых Россией контрактах, которыми предусматривается использование российской нормативной базы.
Обеспечение прочности и долговечности оборудования и трубопроводов РУ АЭС является одной из главных задач при проектировании. Расчетное обоснование выполняется в соответствии с требованиями прочности и долговечности РУ [2, 3, 8 - 10]. Полная номенклатура расчетов прочности в зависимости от конфигурации и количества систем в составе РУ насчитывает порядка 200 наименований. Наряду с расчетами выполняется значительный объем экспериментальных работ по исследованию нагруженности, напряженно-деформированного состояния и обоснованию прочности РУ.
Основой для выполнения расчетного обоснования прочности являются «Нормы расчета на прочность» [2]. На практике основные положения «Норм» используются и за пределами распространения их официального действия (например, при выполнении расчетов опорных конструкций, внутренних конструкций корпусного оборудования и т.д.). Расчет на прочность оборудования и трубопроводов выполняется в два этапа. На первом этапе, который реализуется на стадии разработки чертежей, выполняются расчеты по выбору основных размеров, позволяющие избежать грубых ошибок в конструкции и определиться с целым рядом важнейших составных частей и характеристик, таких, например, как материалы и значения допускаемых напряжений, давление гидравлических испытаний, усилия затяжки крепежных деталей разъемных соединений, толщины стенок границ давления контуров, необходимость и параметры укрепления локальных зон конструкций. Выполнение требований «Норм...» на этой стадии позволяет в значительной мере гарантировать выполнение критериев статической прочности, проверяемых на втором этапе - выполнение поверочных расчетов, которые гораздо более обширны и трудоемки. В поверочных расчетах находят отражение обоснования по таким направлениям, как статическая и циклическая прочность, устойчивость, сопротивление хрупкому разрушению, вибропрочность, сейсмостойкость. Оценка прочности проводится по допускаемым напряжениям, деформациям, по накопленной повреждаемости, по коэффициентам интенсивности напряжений. Учитываются все действующие нагрузки и рассматриваются все проектные режимы эксплуатации.
В последние годы активно развиваются новые направления обоснования долговечности оборудования и трубопроводов, не нашедшие отражения в «Нормах» [2], но занимающие важное место при оценке качества проекта с позиций безопасности и надежности. К таким направлениям можно отнести: обоснование применимости концепции безопасности «течь перед разрушением» (ТПР) к трубопроводам АЭУ, по которой уже разработаны методические и руководящие документы [4, 7]; вероятностные анализы разрушения оборудования и трубопроводов; анализы возможных последствий различных аварий.
Перечисленные направления примыкают к обоснованию прочности, дополняя и углубляя его со своих позиций, и в настоящее время уже играют заметную роль в общем объеме работ, а также оказывают существенное влияние на облик проекта.
Экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния, прочности и долговечности конструкций находят широкое применение, несмотря на то что являются наиболее дорогостоящим способом обоснования. Основной причиной применения экспериментальных методов является возможность получения объективной информации, когда: расчетные модели, методики и вычислительные программы недостаточно верифицированы; отсутствует исчерпывающее представление о влиянии различных эксплуатационных факторов; требуется прямая проверка ресурса; необходимо выявить несущую способность и возможность функционирования оборудования в нештатных ситуациях.
Для решения сложных комплексных проблем выполняются расчетно-экспериментальные исследования, включающие как разработку теоретической модели, так и исследования на масштабных моделях с последующей проверкой на натурном макете или непосредственно на АС.