Вопрос 1. Почему Кибернетика возникла в 20 веке, а практическое её применение началось только в 21 веке?

В настоящее время, в зависимости от области применения, различают техническую кибернетику, т.е. кибернетику в технических приложениях, биокибернетику, медицинскую кибернетику, экономическую кибернетику и др.

Однако с 1948г до настоящего времени она практически не развивалась в этих направлениях, а основывалась лишь на применении теории автоматического регулирования (ТАР), которая изучала анализ и синтез автоматических регуляторов, а не занималась повышением качества продукции автоматизируемых объектов управления.

Причина этого заключалась в том, что для автоматизации сложных объектов управления необходимо использовать компьютеры высокой надёжности. Возможность практической реализации методов технической кибернетики появилась только с 1975г в США и с 1980г в России в виде микропроцессорных систем управления.

Однако применение микропроцессорных систем ограничено их слабым математическим обеспечением и для автоматизации сложных технологических процессов потребовалось создание сети микро-ЭВМ. Так родилась наука Системотехника с теорией Больших Управляемых Систем (БУС), проектирование и эксплуатация которых оказалась невозможной без Системного Подхода (СП ), с которым Вы познакомились в Теме №2.

Первый опыт применения Кибернетических методов в химической промышленности показал, что проектирование, внедрение и эксплуатация этих методов требуют взаимодействия специалистов различных профилей:

• технологов, т.е. специалистов, знающих особенности управляемых процессов и технические требования, предъявляемые к объекту управления ;

• специалистов по автоматическому управлению, обеспечивающих разработку САУ (алгоритмов управления и контроля);

• специалистов по вычислительной технике для разработки математического обеспечения, проектирования САУ, средств автоматизации программирования, организации вычислений и комплектации технических средств.

Поэтому лишь в 1990г МАГАТЭ настойчиво стало рекомендовать внедрять эти методы при проектировании новых АЭС четвертого поколения в первую очередь для повышения их ядерной безопасности.

Цель данной лекции заключается в знакомстве с новыми терминами и понятиями технической кибернетики. Для достижения этой цели сначала выясним принципиальное отличие того, что Вы изучали в курсе ТАУ от фундаментальных проблем технической Кибернетики с её новыми терминами и понятиями.

2.1. Причины перехода к кибернетическим методам проектирования скуз яр аэс.

В первой теме Вы узнали, что мы сейчас живём в период бурного развития ядерной энергетики и кибернетики. Поэтому возникает естественный вопрос – почему развитию производительных сил в мире перестали удовлетворять обычные системы автоматического регулирования ( САР ) и на смену им в 21 веке пришли какие то новые кибернетические системы управления ?

Краткий ответ на причины перехода к новым технологиям проектирования и эксплуатации СКУЗ ЯР заключается в следующем:

1. Необходимо переходить от торговли сырьем на международном рынке к торговле новыми технологиями, к которым относятся современные АЭС 4 поколения с кибернетическими СКУЗ АЭС,

2. Для решения этой задачи необходимо повышать ядерную безопасность и экономичность отечественных АЭС до международных требований.

История развития системы автоматического регулирования ЯР АЭС,

В 1954 г, когда создавалась Первая в мире АЭС с одним энергоблоком, на АЭС было всего три автоматических регулятора ( реактора, парогенератора и турбины ), которые работали автономно друг от друга. Целями этих регуляторов были поддержание заданного уровня мощности ЯР, уровня воды в парогенераторе и скорости вращения турбины.

Автоматический регулятор ( АР ) ЯР был ламповым с электромашинным усилителем для привода регулирующего стержня АР, который управлял нейтронной мощностью ЯР.

Стержень представлял собой трубу из нержавеющей стали, заполненную карбидом бора ( поглотителем нейтронов). Этот стержень висел на стальном тросе, который наматывался на барабан с электромагнитной муфтой. При превышении мощности ЯР выше 120% от номинального значения эта муфта автоматически обесточивалась и стержень падал в активную зону ЯР, прекращая цепную реакцию.

Так одновременно обеспечивались процессы регулирования и аварийной защиты ЯР в 1954г.

Как видно из этого описания, САР ЯР совмещала в себе две функции – управления и защиты и она кратко называлась СУЗ ЯР.

Поскольку тепловая мощность ЯР была в 200 раз меньше современных ЯР АЭС, то остаточное тепло после остановки ЯР отводилось за счёт естественной циркуляции теплоносителя и сложная система безопасности отсутствовала. Подход к ядерной безопасности был примитивным и основывался на лозунге физиков – « ЯР не атомная бомба и он никогда не взорвется ! «.

Однако уже в 1956г в США произошел первый ядерный взрыв реактора типа ВВЭР-100, который

создавался для военных целей и считался абсолютно безопасным ( об этом можно рассказать отдельно устно !). После этой ядерной аварии появились первые законы - принципы ядерной безопасности, основанные на опыте эксплуатации, которые никому нельзя нарушать!

Выводы из этой аварии были такими :

1.. Поглотительная способность стержня АР не должна превышать 0,6 , поскольку при 1,0 возможен разгон ЯР на мгновенных нейтронах, от которого нет защиты ( аварии 1956г в США и 1986г в СССР ).

2.Систему автоматического регулирования ( “белая система” ) нельзя совмещать с системой аварийной защиты ( “чёрная система” ).Так впервые появилась идея структурного метода разделения технических средств по их выполняемым функциям – идея распределительного управления с двумя связанными между собой автоматическими регуляторами.

3. Для защиты от аварий мощных АЭС начала создаваться Система ядерной безопасности (СБ), которая должна была состоять из следующих автоматических подсистем:

а) Аварийной защиты ( АЗ),

б) Системы Аварийного Охлаждения ЯР ( САОХР ),

в) Системы Локализации последствий аварий и

г) Системы аварийного электрического питания повышенной надёжности.

4. Все эти подсистемы должны были работать при возникновении любых видов отказов.

Так потребовался второй метод отказоустойчивости. Резко повысились требования к

надёжности систем, важных для безопасности.

5.Для защиты от последствий ядерных аварий ( выхода РПР из под оболочки твэлов ) появился

метод «Технической многобарьерной защиты от ядерных аварий «. Его идея

заключалась в том, что между источником ядерной опасности ( твэлом с РПР активностью

около 10¹⁴ Кюри, что соответствует выбросам РПР после взрыва водородной бомбы! ) и

населением поселка сотрудников АЭС должны быть созданы технические барьеры в виде:

а) оболочки твэла, б) первого контура теплоносителя, в) защитного колпака над ЯР и г) зоной

отчуждения населения от АЭС порядка 25 км.

Система управления ЯР и энергоблоком стала многоцелевой - Большой Управляемой Системой (БУС), которая относится к сложным кибернетическим системам и её проектирование должно подчиняться особым принципам и методам, на основе которых создаются технические средства этих систем.

Результаты последствий каждой аварии тщательно изучались экспертами МАГАТЭ и публиковались в международных изданиях МАГАТЭ в качестве рекомендаций всем странам для разработки методов и технических средств согласно этим принципам.

Окончательно эти принципы, методы и рекомендации для проектирования таких систем были сформулированы МАГАТЭ только в 1990г и они описаны в начале Темы №2.

Рассмотрим вначале принципы или законы, которые никому в мире нельзя нарушать, а затем методы или способы их достижения.

Принципы или законы:

1. При проектировании СКУЗ ЯР приоритет должен отдаваться защите от ядерной опасности,

2. Вопросы экономичности должны решаться одновременно с безопасностью.

Первым принципом нового подхода было решено выделить из всех 7 видов опасностей на АЭС в первую очередь Ядерную Опасность (ЯО) и на ней сосредоточить главное внимание!

Ядерная опасность может быть двух видов: 1) ядерная авария и 2) аварийная ситуация.

Здесь нужно сначала сформулировать понятие ядерной аварии, которое изложено в Правилах ядерной безопасности реакторных установок атомных станций. ПБЯ РУ АЭС-89 ПНАЭГ 1-024-90. М.1990:

Под ядерной аварией (ЯА) понимают аварии, связанные с повреждением твэлов, которые превышают установленные пределы безопасной эксплуатации и / или облучением персонала выше норм, допустимых для нормальной эксплуатации. Однако первичным в такой аварии является повреждение герметичности оболочки твэла ( ядерная авария ), а её следствием является облучение персонала ( радиационная авария ).