Potresna varnost jedrskih elektrarn
Potresna varnost jedrskih elektrarn je zagotovljena s kombinacijo strogih standardov za projektiranje, rednih varnostnih pregledov in ocen ter upoštevanja mednarodnih smernic.
Ključni ukrepi vključujejo:
Predpisi, standardi in zahteve za projektiranje, gradnjo in obratovanje: jedrske elektrarne so zasnovane tako, da prenesejo potresne dogodke in potresne obtežbe, ki so določene za dano lokacijo na podlagi verjetnostnih ocen z upoštevanjem ustreznih varnostnih rezerv in negotovosti. Pri tem se mora upoštevati tako predpise kot tudi standarde in smernice mednarodnih agencij, združenj in institucij.
- Predpisi: Slovenska zakonodaja – Zakon o varstvu pred ionizirajočimi sevanji in jedrski varnosti (ZVISJV-1), Pravilnik o dejavnikih sevalne in jedrske varnosti …
- Standardi in smernice mednarodnih agencij in evropskih združenj: Dokumenti in smernice Mednarodne agencije za jedrsko energije (IAEA), dokumenti European Utility Requirements (EUR), dokumenti Združenja zahodnoevropskih jedrskih regulatorjev (WENRA),
- Tuji predpisi, standardi in smernice: Predpisi ameriške jedrske regulatorne komisije (US NRC), ameriški standardi ASCE in ASME.
Neodvisni nadzor, varnostni pregledi in ocene: Izvajajo se redni pregledi jedrskih elektrarn in posodabljajo se ocene potresnih nevarnosti na lokaciji kot tudi potresnega tveganja in ranljivosti jedrskih elektrarn, tako da se ves čas zagotavlja ustrezna varnost
Stresni testi: Po nesreči v Fukushimi na Japonskem leta 2011 so bili na ravni EU za jedrske elektrarne predlagani stresni testi, z glavnim namenom preverjanja odpornosti in identifikacije področja za izboljšave. V primeru NEK so bili izvedeni stresni testi decembra 2011 in rezultati javno objavljeni na strani URSJV [13].
Operativna pripravljenost: jedrske elektrarne imajo vzpostavljene načrte za odzivanje na izredne razmere in postopke za obvladovanje morebitnih potresnih dogodkov.
Jedrske elektrarne po svetu na potresno aktivnih območjih
Jedrske elektrarne so zasnovane tako, da potresi in druge zunanje nevarnosti ne ogrozijo njihove varnosti. Ocena je, da po vsem svetu 20 % jedrskih reaktorjev deluje na območjih z znatno (ang. significant) potresno aktivnostjo. Leta 2023 je bilo na svetu delujočih 420 jedrskih reaktorjev, kar pomeni da jih približno 85 deluje na območjih z zmernimi in visoko ocenjenimi potresnimi nevarnostmi.
V nadaljevanju je podana karta potresne nevarnosti Evrope iz projekta SHARE (ang. Seismic Hazard Harmonization in Europe). Na karti so prikazane lokacije jedrskih elektrarn na območjih zmerne do visoke potresne nevarnosti (zato niso prikazane delujoče elektrarne npr. v Franciji, Skandinaviji, Angliji…), in sicer NEK v Sloveniji, dveh JE v Švici, dveh JE v Italiji, ki so ju zaprli v 80. letih, JE v Romuniji in v Bolgariji (Slika 1). Jedrska elektrarna Akkuyu v Turčiji pa je v zaključnih fazah gradnje. Razvidno je, da v Evropi kar nekaj jedrskih elektrarn varno obratuje na potresno aktivnih območjih.
Na desni je prikaz ocen potresne nevarnosti za Japonsko, ki je vsa na območju zmernih do zelo visokih ocenjenih potresnih nevarnostih s številnimi jedrskimi elektrarnami (Slika 2). Najbolj znana je velika jedrska nesreča v Fukushimi leta 2011, kjer pa je pomembno poudariti, da sam potres ni neposredno povzročil nesreče, temveč uničujoč cunami. Posledica nesreče v Fukushimi je bila bistvena sprememba v smeri strožjih varnostnih standardov in boljših varnostnih ukrepov po vsem svetu. Nekatere ključne spremembe vključujejo izboljšanje pripravljenosti na ekstremne naravne dogodke, uvedba načela »obramba v globino«, izboljšanje pasivnih varnostnih sistemov, mednarodno sodelovanje in standardizacija ter izboljšanje načrtov za odzivanje na nesreče.
Karta potresne nevarnosti za ZDA pokaže, da je potresno aktivno območje ob zahodni obali, predvsem v Kaliforniji. Potresno aktivno območje je še v centralnem delu ZDA in ob vzhodni obali. Zanimivo je dejstvo, da več kot tretjina prebivalstva ZDA živi ali dela v radiju 80 km (50 milj) od jedrske elektrarne. V ZDA trenutno deluje 94 jedrskih reaktorjev. Vzorec lokacij jedrskih reaktorjev po ZDA kaže, da je na srednjem zahodu relativno majhno število JE v primerjavi z vzhodno obalo, velikimi jezeri in ob reki Mississippi, kjer je potresna nevarnost manjša. Pogostejše prekrivanje jedrskih elektrarn in območij manjših ali srednjih potresnih nevarnosti je opazno na jugovzhodu, saj se zdi, da je potresna nevarnost minimalna, vendar ni nezanemarljiva (Slika 3). Jedrske elektrarne v Kaliforniji so na območjih visokih ocenjenih potresnih nevarnosti, pri čemer lahko ena elektrarna v južni Kaliforniji vpliva na več kot 5 milijonov prebivalcev.
Podrobnejši opis projektnih potresnih obtežb
Projektne potresne obtežbe so v primerjavi z objekti običajne pomembnosti (stavbe, inženirske konstrukcije) za jedrske elektrarne precej višje, kar je predvsem zaradi zelo strogih mednarodnih zahtev za zagotavljanje varnosti.
Poleg tega standardi IAEA definirajo tudi situacijo »potres ob obratovanju« (ang. Operating Basis Earthquake – OBE), kjer je ta opisan kot potres, ki ga je možno pričakovati v življenjski dobi elektrarne, pri tem pa sistemi elektrarne prenesejo posledice za takšne potresne obtežbe brez prekinitve obratovanja in brez ogrožanja varnosti. V standardih IAEA dopuščajo definicijo OBE za povratne dobe med 100 in 1000 leti (torej, da se lahko tak potres zgodi med 100 oziroma 1000 let).
V skladu z IAEA in EUR je za povratno dobo 10.000 let poleg projektne potresne obtežbe definiran »potres ob varni zaustavitvi« (ang. Safe Shutdown Earthquake – SSE), ki je v IAEA opisan kot največji možni potres, ki se določi ob upoštevanju regionalne in lokalne geologije, seizmologije in specifičnih karakteristik na lokaciji. Pri tem morajo biti določene strukture, sistemi in komponente (SSK) jedrske elektrarne projektirani tako, da ostanejo funkcionalni pri gibanju tal, povzročenih s tako potresno obtežbo in je z njimi možno elektrarno pripeljati v stanje varne zaustavitve.
Poleg projektnih potresnih obtežb so v skladu z mednarodnimi standardi definirane potresne obtežbe in potresni dogodki, ki presegajo projektne nesreče. Tako je v skladu z IAEA definiran Beyond Desing Basis Earthquake (BDBE), to je potres, ki presega projektne osnove, ki se mora definirati na podlagi ocen potresne nevarnosti na lokaciji. Za to raven velja, da je treba zagotoviti ustrezne potresne varnostne rezerve za tiste SSK, ki so potrebni za preprečevanje poškodbe sredice in preprečevanje zgodnjega radioaktivnega izpusta ali velikega radioaktivnega izpusta.
Opis ukrepov, s katerimi se bo izboljšala potresna varnost standardnih zasnov
Glavni ukrepi so projektiranje, izvedba in obratovanje v skladu s slovenskimi predpisi (zakoni in pravilniki), standardi in dokumenti mednarodnih agencij (npr. IAEA) in evropskih združenj (npr. EUR in WENRA) ter tujimi dokumenti in standardi (npr. US NRC, ASCE). V sklopu teh so podane zelo natančne zahteve, tako za določitev projektnih potresnih obtežb kot tudi zahtev za odzive SSK – struktur, sistemov in komponent v primeru OBE – potresa ob obratovanju, SSE – potresa ob varni zaustavitve in BDBE – potresa, ki presega projektne osnove.
Standardne potresne obtežbe, kot npr. v zahtevah EUR in tudi dokumentacija za standardne dizajne, ki so na voljo s strani dobaviteljev, kot so EDF, KHNP in Westinghouse, so standardni dizajni, ki jih trenutno ponujajo projektirani na projektne potresne obtežbe, definirane s spektri pospeškov za največji pospešek tal – PGA 0,25 g ali 0,30 g (g – gravitacijski pospešek). Glede na verjetnostne analize potresne nevarnosti PSHA, ki so bile že izvedene za lokacijo NEK in so trenutno v teku za JEK2 so projektne potresne obtežbe višje, kot so predvidene za standardni dizajn. To pomeni, da bodo potrebne dodatne analize in morebitne spremembe zasnove, s čimer se bo zagotovilo zelo visoke zahteve tako za potresno kot tudi jedrsko varnost.
Dodatno potresno varnost standardnih zasnov jedrskih elektrarn se lahko v splošnem izboljša na več načinov:
- Program nadgradnje varnosti – PNV NEK vključuje naknadne dodatne varnostne sisteme za povečanje odpornosti elektrarne na izredne dogodke.
- Jedrske elektrarne, zasnovane za višje potresne zahteve, kot je primer jedrske elektrarne AP1000 podjetja Westinghouse. Ta zasnova je poimenovana kot Specialized Seismic Option of the certified AP1000® Standard Plant. Elektrarna je zasnovana z višjo potresno odpornostjo in je tako primerna za območja z večjo potresno aktivnostjo.
- Potresni izolatorji lahko bistveno povečajo potresno varnost jedrskih elektrarn z zmanjšanjem vpliva potresnih sil na strukture, sisteme in komponente. Pri tem je zelo pomembna disipacija energije. Disipacija energije pri potresnih dogodkih se nanaša na to, kako strukture, sistemi in komponente absorbirajo, pretvorijo in razpršijo energijo, ki je posledica gibanja tal. Ustrezno disipiranje energije je ključno pri odzivu na potresne dogodke.
Opis potresnih študij za NEK in JEK2
Potresni dogodki in potresne obtežbe za jedrske elektrarne se določajo z obsežnimi in kompleksnimi verjetnostnimi analizami potresne nevarnosti (ang. probabilistic seismic hazard analysis – PSHA), kjer se upošteva vse potresne izvore v širšem radiju (približno 200 km) in analizira njihov prispevek k potresni nevarnosti na lokaciji. Gre za obsežne geološke, geomehanske in seizmološke študije, kjer se poleg širokega nabora strokovnjakov izvajajo tudi neodvisne recenzije. Za obstoječo Nuklearno elektrarno Krško (NEK) so bile izvedene PSHA v letu 1994, PSHA v letu 2004, trenutno je v zaključnih fazah PSHA za JEK2 in NEK.
Poleg študij PSHA so bile za predvideno lokacijo JEK2 v Krškem izvedene tudi verjetnostne analize nevarnosti površinskih pretrgov (ang. probabilistic fault displacement hazard analysis – PFDHA). Glavne ugotovitve analize verjetnosti površinskih pretrgov za lokacijo NEK in predvideno lokacijo JEK2, kažejo, da je verjetnost preseganja površinskega pretrga (diferenčnega premika), pomembnega za inženirsko načrtovanje, zelo majhna. Ugotovitve študije so potrdili tudi trije ugledni neodvisni mednarodni strokovnjaki.
Poleg vseh prej opisanih analiz lahko dodamo, da so bile izvedene številne dodatne študije in terenske preiskave predvidene lokacije JEK2. Tako so bile izvedene številne paleoseizmološke, geotehnične, geološke, seizmološke analize, terenske preiskave kot tudi verjetnostne in deterministične analize za lokacijo delujoče NEK in predvideno lokacijo JEK2 v Krškem.
Glede na številne analize, preiskave in študije v Krški kotlini in v bližnji okolici je to najbolj raziskano območje v Sloveniji in širše.
Kakšen vpliv imajo potresne obtežbe v Krškem na ekonomske parametre investicije?
Zaradi specifičnosti lokacije lahko pri gradnji jedrskih elektrarn nastanejo dodatni stroški. Pri tem obravnavamo samo oceno dodatnih stroškov, ki izhajajo zaradi višjih ocen potresne nevarnosti za predvideno lokacijo JEK2. Ti stroški izhajajo predvsem s področja ocen potresnih nevarnosti lokacije, se nanašajo na razliko v višini stroškov za standardno zasnovo jedrske elektrarne in stroškov jedrske elektrarne, ki je nadgrajena z modifikacijami za višje potresne obremenitve. Kot je bilo že navedeno, ponudniki KHNP, Westinghouse in EDF ponujajo standardne zasnove jedrskih elektrarn, ki prenesejo potresne obremenitve na območjih nižjih ocenjenih potresnih nevarnosti in so ocenjene pri največjem pospešku tal PGA 0,25 do 0,30 g. Za lokacije, kjer so potresne obremenitve nad standardnimi, se tako pojavi dodaten strošek, ki je potreben za zagotovitev ustrezne odpornosti in varnosti jedrske elektrarne.
V skladu z raziskavami lahko ocenimo dodatne stroške zaradi specifičnih potresnih obtežb za lokacijo JEK2 v Krškem. Podrobne analize dodatnih stroškov, ki so posledica potrebnih nadgradenj zaradi višjih projektnih potresnih zahtev so bile izvedene v raziskovalni sferi (Lal et al., 2022; Stevenson 2003). Raziskovalci so upoštevali skupne stroške jedrskih elektrarn v ZDA, pri čemer so uporabljene analize, odobrene s strani ameriškega regulatornega organa (US NRC) in postopki testiranja na potresnih mizah. Ugotovljeno je bilo, da če so potrebne nadgradnje zaradi povišanja projektnih potresnih obtežb v smislu največjih pospeškov tal (ang. Peak Ground Acceleration – PGA) za potrese ob varni zaustavitvi (ang. Safety Shutdown Earthquake– SSE) do 0.30 g, znašajo dodatni stroški nadgradenj manj kot 10 % v primerjavi s cenami standardnih zasnov.