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    先進(jìn)堆評(píng)估方法研究

    2020-09-07 07:49:20霍建明霍小東楊海峰郭治鵬張浩然鄭保軍孫燕宇鄭平輝趙秋娟范雯雯郭韶華
    核科學(xué)與工程 2020年3期
    關(guān)鍵詞:堆型核能廢物

    霍建明,霍小東,楊海峰,郭治鵬,張浩然,鄭保軍,孫燕宇,鄭平輝,申 騰,趙秋娟,范雯雯,郭韶華

    (中國(guó)核電工程有限公司,北京 100840)

    從21世紀(jì)開(kāi)始,世界各國(guó)都致力于核能可持續(xù)發(fā)展研究。2000年,國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)(IAEA)啟動(dòng)了創(chuàng)新型核反應(yīng)堆和燃料循環(huán)國(guó)際項(xiàng)目(INPRO)[1],美、法、日、英等國(guó)組建了第四代核能系統(tǒng)國(guó)際論壇(GIF),并于2002年推薦了六種四代堆型[2]。目前,國(guó)內(nèi)在四代堆研發(fā)方面,有鈉冷快堆、鉛(鉍)冷快堆、高溫氣冷堆、超臨界水堆、熔鹽堆等。堆型的綜合性能和發(fā)展?jié)摿υu(píng)估,是堆型性能提升和堆型選擇決策的一個(gè)基礎(chǔ)和前提,是一個(gè)頗具挑戰(zhàn)的工作。挑戰(zhàn)源于涉及的領(lǐng)域多、專業(yè)面廣,兼之研發(fā)深度不夠?qū)е碌募夹g(shù)信息缺乏、應(yīng)用創(chuàng)新技術(shù)伴隨的技術(shù)發(fā)展預(yù)期等,特別是不同評(píng)價(jià)維度的權(quán)重考慮以及他們之間的平衡與側(cè)重。

    鑒于綜合評(píng)估對(duì)堆型技術(shù)研發(fā)的積極推動(dòng)作用,其成為四代堆技術(shù)研發(fā)的一個(gè)重要分支。INPRO項(xiàng)目的一個(gè)重要成果是INPRO評(píng)估方法,GIF在經(jīng)濟(jì)、安全、防擴(kuò)散與實(shí)物保護(hù)等領(lǐng)域推出了評(píng)估方法,并開(kāi)展了相應(yīng)的案例應(yīng)用研究[3-14]。美國(guó)能源部對(duì)先進(jìn)反應(yīng)堆開(kāi)展了技術(shù)審查實(shí)踐,對(duì)核燃料循環(huán)開(kāi)展了評(píng)估和篩選[15-17]。另外,還有針對(duì)先進(jìn)堆或四代堆的經(jīng)濟(jì)、安全等領(lǐng)域的專項(xiàng)研究工作。國(guó)內(nèi)部分單位參與了一些INPRO項(xiàng)目組、GIF組織的研究項(xiàng)目,在堆型評(píng)估方面有一些工作,但尚未在評(píng)估方法方面開(kāi)展深入的研究工作。

    本文詳細(xì)研究了INPRO方法、GIF方法、美國(guó)能源部(DOE)的評(píng)估實(shí)踐等,分析了這些方法的特點(diǎn)、共通與差異之處。在此基礎(chǔ)上,針對(duì)中國(guó)先進(jìn)堆型研究發(fā)展的具體情況,提出了一套適用于我國(guó)現(xiàn)狀的先進(jìn)堆型評(píng)估方法,為我國(guó)先進(jìn)堆型的綜合評(píng)估提供體系與手段,可以使堆型研發(fā)單位不斷改善弱項(xiàng)、改進(jìn)設(shè)計(jì)方案,更可作為堆型對(duì)比篩選提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)和科學(xué)工具。

    1 現(xiàn)有方法簡(jiǎn)介

    1.1 INPRO方法

    INPRO方法是INPRO項(xiàng)目的一個(gè)重要成果[1],作為一種自上而下的方法體系,將核能可持續(xù)發(fā)展的總目標(biāo),從經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、社會(huì)、制度等四個(gè)維度分解到經(jīng)濟(jì)、基礎(chǔ)、廢物管理、防擴(kuò)散、實(shí)物保護(hù)、環(huán)境、安全等領(lǐng)域。在每個(gè)領(lǐng)域內(nèi)定義了基本原則(BP)、用戶要求(UR)和準(zhǔn)則(CR),其體系如圖1所示,匯總?cè)绫?所示。領(lǐng)域內(nèi)頂層的基本原則,描述了核能系統(tǒng)在該領(lǐng)域內(nèi)的總體目標(biāo),為核能系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)提供廣泛的指導(dǎo)。中間的用戶要求,給出了核能系統(tǒng)為獲得用戶接受所必須滿足的條件。底層的準(zhǔn)則由指標(biāo)和接受限值組成。在針對(duì)具體堆型開(kāi)展評(píng)估時(shí),采用自下而上的方法,將該堆型的指標(biāo)值與接受限值比較,判斷其是否滿足特定準(zhǔn)則或是否有滿足特定準(zhǔn)則的潛力。針對(duì)用戶要求的所有準(zhǔn)則逐一開(kāi)展評(píng)估,針對(duì)基本原則的所有用戶要求逐一開(kāi)展評(píng)估,針對(duì)評(píng)估領(lǐng)域內(nèi)的所有基本原則逐一開(kāi)展評(píng)估,針對(duì)所有評(píng)估領(lǐng)域逐一開(kāi)展評(píng)估。

    圖1 INPRO體系框架示意圖Fig.1 Schematic diagram ofINPRO system framework

    表1 IAEA INPRO各領(lǐng)域基本原則、用戶要求、準(zhǔn)則統(tǒng)計(jì)表Table 1 Summary of BP,UR,CR ineach area of IAEA INPRO

    INPRO方法聚焦于評(píng)估核能系統(tǒng)是否滿足相應(yīng)領(lǐng)域的要求,要求評(píng)估者應(yīng)是INPRO某一評(píng)估領(lǐng)域的專家、對(duì)被評(píng)估的核能系統(tǒng)有足夠的了解,不需要評(píng)估者親自完成相應(yīng)指標(biāo)值的計(jì)算分析,但要能判斷相應(yīng)指標(biāo)是否滿足接受準(zhǔn)則、指標(biāo)值計(jì)算過(guò)程是否合理性。

    基于INPRO方法,結(jié)合多目標(biāo)、多屬性值理論,開(kāi)發(fā)出針對(duì)多個(gè)創(chuàng)新型核能系統(tǒng)的現(xiàn)狀、前景、優(yōu)勢(shì)和風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行綜合比較評(píng)估的關(guān)鍵指標(biāo)(KIND)評(píng)估方法,并提出了關(guān)鍵指標(biāo)。通過(guò)權(quán)重因子將不同維度/領(lǐng)域(如經(jīng)濟(jì)、風(fēng)險(xiǎn)、收益等)的指標(biāo)組合起來(lái),實(shí)現(xiàn)定量對(duì)比分析,如公式(1)、公式(2)所示。

    (1)

    (2)

    式中:Wi——指標(biāo)i的權(quán)重因子;

    Vi——指標(biāo)i的(無(wú)量綱)值。

    公式(1)中的指標(biāo)應(yīng)是相互獨(dú)立的,但在實(shí)際的操作過(guò)程中,可采用直接加權(quán)求和的方式將基本上相互獨(dú)立的指標(biāo)綜合起來(lái)。不同單位(量綱)的指標(biāo)是無(wú)法直接相加的,需先基于指標(biāo)的打分規(guī)則,將原始的、帶單位的指標(biāo)值轉(zhuǎn)化成一個(gè)無(wú)量綱的數(shù)值,方可加權(quán)求和。常用的打分規(guī)則有兩類,線性變化的或指數(shù)變化的,分別反映了指標(biāo)值變化對(duì)于結(jié)果的影響。權(quán)重因子體現(xiàn)了不同評(píng)估準(zhǔn)則、評(píng)估指標(biāo)的相對(duì)重要程度。

    KIND方法從經(jīng)濟(jì)性、廢物管理、防擴(kuò)散、安全、技術(shù)成熟度等五個(gè)領(lǐng)域,共提出了15個(gè)關(guān)鍵指標(biāo),如表2所示,和15個(gè)次要指標(biāo)。

    表2 INPRO KIND、GIF、DOE ES方法的關(guān)鍵指標(biāo)的匯總對(duì)比表Table 2 Summary of key indicator ofINPRO KIND,GIF and DOE ES

    1.2 GIF評(píng)估方法

    GIF旨在解決核能可持續(xù)發(fā)展所面臨的鈾資源短缺和核廢料處理兩大難題,將可持續(xù)發(fā)展的宗旨分解到可持續(xù)性、安全性與可靠性、經(jīng)濟(jì)性、防擴(kuò)散與實(shí)物保護(hù)四大領(lǐng)域,并提出了八個(gè)技術(shù)目標(biāo),如圖2所示[2]。為了推進(jìn)反應(yīng)堆評(píng)估工作,成立了經(jīng)濟(jì)模型工作組(EMWG)、風(fēng)險(xiǎn)和安全工作組(RSWG)、防擴(kuò)散和實(shí)物保護(hù)工作組(PR&PP)。EMWG開(kāi)發(fā)了自上而下和自下而上的成本估算方法,詳細(xì)規(guī)劃了帳戶體系規(guī)則,發(fā)布了G4-ECONS軟件。RSWG基于現(xiàn)有的安全分析工具,開(kāi)發(fā)出一體化安全評(píng)估方法(ISAM),將多種不同的安全分析方法應(yīng)用到堆型的不同研發(fā)階段,示意如圖3所示[18]。RP&PP給出了評(píng)估方法與評(píng)估流程。八個(gè)技術(shù)目標(biāo)進(jìn)一步細(xì)化為15個(gè)準(zhǔn)則[2],如表2所示,和24個(gè)具體指標(biāo)。

    圖2 GIF評(píng)估方法的領(lǐng)域劃分與技術(shù)目標(biāo)Fig.2 Areas and objects of GIF assessment method

    圖3 一體化安全評(píng)估方法ISAM示意圖Fig.3 Schematic diagram of ISAM

    1.3 DOE評(píng)估實(shí)踐

    美國(guó)能源部核能辦公室贊助與先進(jìn)堆概念相關(guān)的研發(fā)和示范計(jì)劃。為此,DOE發(fā)出信息需求表,由各研發(fā)單位將所研發(fā)堆型的方案信息填表提交。DOE組建了技術(shù)評(píng)審委員會(huì),從安全、安保、鈾資源利用與廢物最小化、運(yùn)行能力、概念成熟度、燃料和基礎(chǔ)設(shè)施、市場(chǎng)吸引力、經(jīng)濟(jì)、監(jiān)管許可環(huán)境、防擴(kuò)散、研發(fā)需求等11個(gè)方面,依專家經(jīng)驗(yàn)對(duì)先進(jìn)反應(yīng)堆概念提案進(jìn)行定性評(píng)估,據(jù)此確定研發(fā)需求和資助對(duì)象[15-16]。

    2011年年底,美國(guó)能源部核能辦公室發(fā)起了核燃料循環(huán)方案評(píng)估和篩選研究項(xiàng)目(ES),以篩選與美國(guó)現(xiàn)有核燃料循環(huán)相比取得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)步、有潛力的燃料循環(huán)。研究工作盡可能涵蓋幾乎所有可能的燃料循環(huán)方案,基于核燃料循環(huán)的基本功能而非具體的實(shí)施技術(shù)[17]。

    在ES項(xiàng)目的評(píng)估和篩選方法中,頂層是應(yīng)用場(chǎng)景,中間是評(píng)估準(zhǔn)則,底層是評(píng)估指標(biāo),如圖4所示。不同的應(yīng)用場(chǎng)景,通過(guò)對(duì)評(píng)估準(zhǔn)則的權(quán)重設(shè)置,體現(xiàn)評(píng)估者對(duì)不同準(zhǔn)則的重視程度。評(píng)估準(zhǔn)則細(xì)化到評(píng)估指標(biāo),評(píng)估指標(biāo)由形狀函數(shù)和權(quán)重因子組成,形狀函數(shù)反映了單一指標(biāo)值變化引起評(píng)估結(jié)果的變化(即打分規(guī)則),權(quán)重因子則反映了同一評(píng)估準(zhǔn)則下不同評(píng)估指標(biāo)的相對(duì)重要程度。ES項(xiàng)目通過(guò)合作、會(huì)議、評(píng)審的方式,整合了來(lái)自美國(guó)DOE、行業(yè)、大學(xué)、和其他渠道的輸入,建立評(píng)估指標(biāo)的如表2所示。

    圖4 美國(guó)DOE的核燃料循環(huán)評(píng)估和篩選方法體系Fig.4 The framework and hierarchy of ES project of US DOESNF—乏燃料;HLW—高放廢物;DU—貧鈾;RU—回收鈾;RTh—回收釷;LLW—低放廢物;擴(kuò)散風(fēng)險(xiǎn)準(zhǔn)則,核材料安保風(fēng)險(xiǎn)準(zhǔn)則,財(cái)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)與經(jīng)濟(jì)性準(zhǔn)則在研究中被單獨(dú)分離開(kāi)來(lái)處理,這里并不包括在準(zhǔn)則組分析方案中

    2 方法對(duì)比及討論

    IAEA INPRO及KIND方法、GIF方法、美國(guó)DOE評(píng)估實(shí)踐是目前國(guó)際上核能系統(tǒng)或核燃料循環(huán)評(píng)估的幾個(gè)主要方法,其體系框架基本相同,均分成若干領(lǐng)域或方面,每個(gè)領(lǐng)域或方面內(nèi)設(shè)置一組評(píng)價(jià)指標(biāo)及其準(zhǔn)則,使用不同層級(jí)的權(quán)重因子考慮相對(duì)重要程度。

    INPRO、GIF、DOE的評(píng)估工作,其宗旨都是實(shí)現(xiàn)核能在21世紀(jì)的可持續(xù)發(fā)展,因此,雖然評(píng)估領(lǐng)域的劃分有所不同,但沒(méi)有本質(zhì)的差別。INPRO分為經(jīng)濟(jì)、安全、基礎(chǔ)、廢物管理、防擴(kuò)散、實(shí)物保護(hù)、環(huán)境等領(lǐng)域;GIF分為經(jīng)濟(jì)、安全性與可靠性、防擴(kuò)散與實(shí)物保護(hù)、可持續(xù)性四大領(lǐng)域,其中經(jīng)濟(jì)、安全、防擴(kuò)散、實(shí)物保護(hù)與INPRO的相應(yīng)領(lǐng)域直接對(duì)應(yīng),GIF的可持續(xù)性包含資源利用與環(huán)境壓力,與INPRO的環(huán)境、廢物管理領(lǐng)域的部分要求和準(zhǔn)則相對(duì)應(yīng)。DOE針對(duì)先進(jìn)堆概念的技術(shù)審查實(shí)踐所考慮的11個(gè)準(zhǔn)則,經(jīng)濟(jì)、安全、安保、非增殖,分別與INPRO的經(jīng)濟(jì)、安全、實(shí)物保護(hù)、防擴(kuò)散直接對(duì)應(yīng),鈾資源利用及廢物最小化則與INPRO的環(huán)境、廢物管理領(lǐng)域的部分要求和準(zhǔn)則相對(duì)應(yīng)。DOE的核燃料循環(huán)評(píng)估和篩選研究中,核廢物管理、擴(kuò)散風(fēng)險(xiǎn)、核材料安保風(fēng)險(xiǎn)、環(huán)境影響、資源利用,分別與INPRO方法中的廢物管理、防擴(kuò)散、實(shí)物保護(hù)、環(huán)境領(lǐng)域相對(duì)應(yīng)。開(kāi)發(fā)部署風(fēng)險(xiǎn)、機(jī)構(gòu)問(wèn)題、財(cái)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)與經(jīng)濟(jì)學(xué),則分別與基礎(chǔ)、經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域相對(duì)應(yīng)。INPRO方法的領(lǐng)域,與GIF方法的方面、DOE方法的準(zhǔn)則的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖5所示。

    圖5 INPRO、GIF、DOE方法的領(lǐng)域?qū)Ρ葓DFig.5 The diagram ofthe areas of INPRO,GIF,DOE

    在評(píng)估指標(biāo)層面上,各方法的關(guān)鍵指標(biāo),基本上也是一致的,如表2所示。從方法、指標(biāo)對(duì)比可知,3種方法在各個(gè)評(píng)估領(lǐng)域所考慮的因素、體現(xiàn)出來(lái)的關(guān)鍵指標(biāo)基本是一致的,不同的方法側(cè)重點(diǎn)略有不同。

    但是,各方法具有各自鮮明特點(diǎn)。IAEA INPRO評(píng)估方法,是一個(gè)全面詳盡、成體系的方法。在適用范圍方面,幾乎適用于IAEA所有成員國(guó),涵蓋核能發(fā)達(dá)國(guó)家、發(fā)展中國(guó)家及尚未利用核能的國(guó)家。在應(yīng)用對(duì)象方面,INPRO方法覆蓋了一個(gè)核能系統(tǒng)的方方面面,從核燃料循環(huán)前端、核電站,到核燃料循環(huán)后端。在具體的應(yīng)用中,既可用于整個(gè)核能系統(tǒng),也可用于核能系統(tǒng)的某個(gè)組成部分,如核電站等,既可對(duì)所有的領(lǐng)域開(kāi)展評(píng)估,也可對(duì)部分領(lǐng)域開(kāi)展有限范圍的評(píng)估。

    INPRO方法更多依賴于具體的定量指標(biāo)和接受準(zhǔn)則,也有部分定性判斷的指標(biāo)。采用自下而上的方式,依次判斷是否滿足評(píng)估準(zhǔn)則、用戶要求、基本原則,從而判斷該核能系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的潛力。因此,需要堆型的研發(fā)工作進(jìn)行到足夠的深度。如果沒(méi)有足夠的信息可用,則相應(yīng)的評(píng)估結(jié)論不確定度會(huì)較大、能起到的作用相對(duì)有限。INPRO方法體系集中于評(píng)估工作,即指標(biāo)是否滿足接受準(zhǔn)則,因此給出了詳細(xì)的指標(biāo)描述,但對(duì)指標(biāo)的計(jì)算流程沒(méi)有明確要求,只在部分領(lǐng)域給出具體的指導(dǎo)。

    總體而言,INPRO評(píng)估方法,提供了一個(gè)基礎(chǔ)的體系框架。在具體的案例應(yīng)用中,需要評(píng)估者基于評(píng)估目標(biāo)和實(shí)際情況,設(shè)計(jì)出一個(gè)有針對(duì)性的評(píng)估方案,例如:可以對(duì)部分準(zhǔn)則或指標(biāo)進(jìn)行修改甚至引進(jìn)新的準(zhǔn)則或指標(biāo),選定關(guān)鍵指標(biāo),確定各指標(biāo)的權(quán)重等。

    KIND方法,則是對(duì)INPRO方法的一個(gè)精簡(jiǎn),首先提出了15個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)、15個(gè)次要指標(biāo),并使用了打分規(guī)則和權(quán)重因子,從而基于多屬性目標(biāo)理論實(shí)現(xiàn)多個(gè)系統(tǒng)的對(duì)比評(píng)估,使得INPRO方法的對(duì)比評(píng)估功能更加實(shí)用。

    與INPRO方法不同,GIF評(píng)估方法更適用于經(jīng)合組織(OECD)成員國(guó),專注于反應(yīng)堆的評(píng)估。隨著堆型研發(fā)工作的深入,不斷迭代,深入、細(xì)化評(píng)估工作,減小評(píng)估工作的不確定度。在概念甚至初步概念設(shè)計(jì)階段,技術(shù)細(xì)節(jié)信息有限或者設(shè)計(jì)尚未完善,可依賴于定性的描述與專家判斷,進(jìn)行定性的評(píng)估。GIF評(píng)估方法中,經(jīng)濟(jì)、風(fēng)險(xiǎn)與安全、防擴(kuò)散和實(shí)物保護(hù)的評(píng)估方法,既有評(píng)估的要求和準(zhǔn)則,又有指標(biāo)的計(jì)算方法,其可操作性強(qiáng)于INPRO方法。GIF方法要求評(píng)估專家應(yīng)是被評(píng)估堆型方面的專家,基本能夠完成相應(yīng)領(lǐng)域的指標(biāo)計(jì)算與評(píng)估,對(duì)被評(píng)估堆型的熟悉程度要高于INPRO方法對(duì)評(píng)估專家的要求。由于先進(jìn)堆型大多都使用一些創(chuàng)新的、尚未成熟的技術(shù),涉及技術(shù)發(fā)展的預(yù)期,因此GIF評(píng)估方法在處理這些問(wèn)題方面的經(jīng)驗(yàn)值得借鑒。

    美國(guó)DOE對(duì)先進(jìn)堆概念的技術(shù)審查實(shí)踐(TRP),是基于先進(jìn)堆(初步)概念設(shè)計(jì),根據(jù)各堆型的描述信息,依據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行的定性評(píng)估,其對(duì)專家以及專家經(jīng)驗(yàn)的要求就比較高。

    美國(guó)DOE對(duì)核燃料循環(huán)的評(píng)估與篩選研究工作,針對(duì)整個(gè)核燃料循環(huán),基于相應(yīng)組成部分的功能、而不是具體的實(shí)現(xiàn)技術(shù),因此其結(jié)果更加抽象。

    在方法層面上與INPRO(KIND)、GIF方法基本一致,基于打分規(guī)則、權(quán)重因子的方法體系。所使用的評(píng)估指標(biāo),大部分為數(shù)值型的,也有邏輯判斷型的。結(jié)合打分規(guī)則,把一個(gè)定性的評(píng)估轉(zhuǎn)化成一個(gè)定量的評(píng)估。其打分規(guī)則是將指標(biāo)值劃分為若干個(gè)區(qū)間,每個(gè)區(qū)間賦予相同的分值,而KIND的打分規(guī)則是根據(jù)指標(biāo)值連續(xù)變化。兩者略有不同。

    DOE的評(píng)估與篩選研究工作中,在指標(biāo)層面和應(yīng)用場(chǎng)景層面,均采用多套不同側(cè)重的權(quán)重因子,以研究評(píng)估結(jié)果對(duì)場(chǎng)景的敏感程度。因此,該方法,更側(cè)重于針對(duì)核燃料循環(huán)評(píng)估與篩選所專門開(kāi)發(fā)的,屬于相應(yīng)研究項(xiàng)目的一個(gè)成果,有借鑒之處,但并不宜直接套用。

    幾個(gè)方法的差異之處如表3所示。

    表3 幾個(gè)方法的不同之處Table 3 Difference of INPRO,GIF,DOE method

    3 自主化評(píng)估方法研究

    根據(jù)國(guó)內(nèi)先進(jìn)堆的研發(fā)現(xiàn)狀,大多處于研發(fā)或設(shè)計(jì)階段,考慮其設(shè)計(jì)深度及客觀條件,充分借鑒INRPO、KIND、GIF等方法和美國(guó)DOE的評(píng)估實(shí)踐的優(yōu)點(diǎn),經(jīng)過(guò)系統(tǒng)地對(duì)各領(lǐng)域指標(biāo)進(jìn)行選取,開(kāi)發(fā)了一個(gè)適用于我國(guó)先進(jìn)堆研發(fā)現(xiàn)狀、具有較強(qiáng)可操作性、評(píng)估結(jié)果量化直觀的中國(guó)先進(jìn)堆型評(píng)估方法。

    評(píng)估方法由領(lǐng)域和指標(biāo)、權(quán)重因子、打分標(biāo)準(zhǔn)等組成,如圖6所示。根據(jù)核能可持續(xù)發(fā)展的要求,先進(jìn)堆型評(píng)估方法分經(jīng)濟(jì)、安全、可持續(xù)性、防擴(kuò)散與實(shí)物保護(hù)四個(gè)領(lǐng)域。安全領(lǐng)域包含核反應(yīng)堆安全、輻射安全、廢物管理安全三個(gè)子領(lǐng)域,每個(gè)子領(lǐng)域內(nèi)有相互獨(dú)立的評(píng)價(jià)指標(biāo)??沙掷m(xù)性領(lǐng)域?yàn)楠M義的可持續(xù)性,主要考慮資源消耗和環(huán)境壓力兩個(gè)子領(lǐng)域,每個(gè)子領(lǐng)域有相應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)。經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域、防擴(kuò)散與實(shí)物保護(hù)領(lǐng)域,直接由相互獨(dú)立的評(píng)價(jià)指標(biāo)組成。在具體的評(píng)價(jià)實(shí)踐中,可以對(duì)所有的四個(gè)領(lǐng)域都開(kāi)展評(píng)價(jià),也可僅針對(duì)關(guān)注的領(lǐng)域如經(jīng)濟(jì)、安全等開(kāi)展評(píng)價(jià)工作。

    圖6 評(píng)估方法體系Fig.6 The diagram of the assessment method

    指標(biāo)有定性的和定量的兩類??紤]到有一些評(píng)價(jià)指標(biāo)包含有多個(gè)方面,例如:防擴(kuò)散與實(shí)物保護(hù)領(lǐng)域的評(píng)價(jià)指標(biāo)“材料吸引力”將包含“材料類型”“同位素成分”“物理化學(xué)形態(tài)”等,這些不同方面形成相互獨(dú)立的評(píng)價(jià)子指標(biāo)。

    為了實(shí)現(xiàn)不同堆型/方案對(duì)比評(píng)估的功能,基于多目標(biāo)、多準(zhǔn)則評(píng)價(jià)方法,采用權(quán)重的方式將多個(gè)指標(biāo)的評(píng)價(jià)結(jié)果整合起來(lái),形成綜合的評(píng)價(jià)結(jié)果,用于不同堆型/方案的對(duì)比評(píng)估。因此,首先需要將每個(gè)指標(biāo)原始的評(píng)價(jià)結(jié)果,根據(jù)指標(biāo)相應(yīng)的打分規(guī)則,轉(zhuǎn)換成一個(gè)無(wú)量綱的指標(biāo)值。例如:經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域的指標(biāo)“平準(zhǔn)化發(fā)電成本(LCOE)”,由原始的評(píng)價(jià)結(jié)果××(元/度電),根據(jù)指標(biāo)平準(zhǔn)化發(fā)電成本的打分規(guī)則,轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的分值,如1~10分。

    考慮到本評(píng)價(jià)方法體系由領(lǐng)域、指標(biāo)(子指標(biāo))組成,相應(yīng)的也就有領(lǐng)域的權(quán)重因子,指標(biāo)(子指標(biāo))的權(quán)重因子。領(lǐng)域的權(quán)重因子反映了不同領(lǐng)域的相對(duì)重要程度,由用戶根據(jù)自己對(duì)不同領(lǐng)域的重視程度和評(píng)價(jià)目的及需求來(lái)指定。指標(biāo)(子指標(biāo))的權(quán)重因子,反映了同一領(lǐng)域內(nèi)不同指標(biāo)(子指標(biāo))的重要程度。

    經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域的三個(gè)指標(biāo)平準(zhǔn)化發(fā)電成本、單位建設(shè)成本、投資風(fēng)險(xiǎn),以平準(zhǔn)化成本為核心,相輔相承。平準(zhǔn)化發(fā)電成本,可規(guī)避一些特殊處理(比如:政府稅費(fèi),電力管制模式)對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響,使得計(jì)算結(jié)果更加合理和準(zhǔn)確,與效益分析的內(nèi)部邏輯更加接近,成本計(jì)算高低值與效益高低有直接的反向關(guān)系。單位建設(shè)成本,可作為投資人衡量項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性的依據(jù),簡(jiǎn)單明了,但僅代表建設(shè)期的支出,與經(jīng)營(yíng)期的實(shí)際經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力并不存在必然的一致性。同時(shí),與機(jī)組功率一起,直接影響投資總額度,進(jìn)而影響項(xiàng)目資金籌措能力和項(xiàng)目的可行性。投資風(fēng)險(xiǎn)的高低是經(jīng)濟(jì)性和經(jīng)濟(jì)效益的補(bǔ)充衡量指標(biāo)。投資風(fēng)險(xiǎn)往往與效益是正相關(guān),單純的計(jì)算效益難以完整說(shuō)明經(jīng)濟(jì)性水平。衡量風(fēng)險(xiǎn),比如:堆型設(shè)計(jì)安審的可通過(guò)性和安審周期的不確定性、工程項(xiàng)目的工期不確定性、工程總投資的不確定性等,主要通過(guò)兩方面實(shí)現(xiàn):一是風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的可能性、二是風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生后對(duì)效益或成本產(chǎn)生的影響程度。

    反應(yīng)堆安全領(lǐng)域六個(gè)指標(biāo),分別為運(yùn)行、不干預(yù)時(shí)間(包含預(yù)期運(yùn)行事件的不干預(yù)時(shí)間、設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故的不干預(yù)事件和設(shè)計(jì)擴(kuò)展工況的不干預(yù)時(shí)間)、大量釋放到安全殼的頻率、大量釋放到環(huán)境的頻率、比例實(shí)驗(yàn)以及定性評(píng)價(jià)。運(yùn)行與電廠可用性直接關(guān)系,關(guān)聯(lián)到核電廠的經(jīng)濟(jì)性。不干預(yù)時(shí)間反映了核能系統(tǒng)的固有安全性、自動(dòng)操作及非能動(dòng)安全系統(tǒng)的表現(xiàn)。第四代核能系統(tǒng)的重要風(fēng)險(xiǎn)包括臨界風(fēng)險(xiǎn)、衰變熱風(fēng)險(xiǎn)、輻射風(fēng)險(xiǎn),分別對(duì)應(yīng)核能系統(tǒng)的三個(gè)基本安全功能:反應(yīng)性控制、衰變熱導(dǎo)出、放射性包容。放射性大量釋放到安全殼的概率(CDF)和大量釋放到環(huán)境的概率(LRF),綜合反映了反應(yīng)堆堆芯損壞概率、損壞程度、縱深防御的有效程度,因此作為安全領(lǐng)域兩個(gè)核心的指標(biāo)。概率安全分析方法是核電廠設(shè)計(jì)中廣泛應(yīng)用的方法,由設(shè)計(jì)者采用概率安全分析的方法給出這兩個(gè)核心指標(biāo)的值供評(píng)估者使用。由于第四代核能系統(tǒng)的特殊性,很多設(shè)計(jì)處于研發(fā)階段,其設(shè)備成熟性各不相同,安全分析方法的可驗(yàn)證性是其重要的評(píng)價(jià)方面,體現(xiàn)在指標(biāo)“比例試驗(yàn)”中。INPRO方法和GIF方法都對(duì)縱深防御進(jìn)行了重點(diǎn)關(guān)注;DOE方法提出臨界、輻射、化學(xué)等風(fēng)險(xiǎn)是循環(huán)設(shè)施面臨的主要挑戰(zhàn);INPRO方法關(guān)注計(jì)算程序和分析方法的驗(yàn)證,GIF方法認(rèn)為應(yīng)該采用廣泛接受的工具;這些評(píng)估內(nèi)容極其依賴專家的經(jīng)驗(yàn)。借鑒上述方法,并結(jié)合國(guó)內(nèi)豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),本評(píng)估方法要求對(duì)以下內(nèi)容給出定性的評(píng)價(jià),由設(shè)計(jì)者給出相關(guān)設(shè)計(jì)的描述和考慮,由評(píng)估專家給出定性的評(píng)價(jià)結(jié)論:縱深防御的獨(dú)立性;臨界安全、輻射安全、化學(xué)安全的防護(hù)措施完整性;事故分析方法及模型選用的合理性和可靠性。

    輻射安全領(lǐng)域的評(píng)估指標(biāo)為職業(yè)照射劑量,分為個(gè)人劑量和集體劑量?jī)蓚€(gè)子指標(biāo)。要求先進(jìn)核能系統(tǒng)確保通過(guò)自動(dòng)化、遠(yuǎn)程維護(hù)、現(xiàn)有設(shè)計(jì)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)等,有效地貫徹了輻射防護(hù)最優(yōu)化的概念,以保護(hù)工作人員。并且該先進(jìn)核能系統(tǒng)應(yīng)能確保在建造、調(diào)試、運(yùn)行和退役期間,工作人員受到的輻照風(fēng)險(xiǎn)與其他同類型工業(yè)設(shè)施風(fēng)險(xiǎn)相當(dāng)。

    廢物管理領(lǐng)域,選取了5個(gè)指標(biāo):廢物最小化、廢物最終狀態(tài)、廢物管理的處理、廢液和廢氣排放指標(biāo)、廢物管理成本。這5個(gè)指標(biāo),涵蓋了核電廠壽期內(nèi),從廢物源頭、廢物處理、向環(huán)境排放以及廢物處置等廢物管理所涉及的氣、液、固體廢物的方方面面。重點(diǎn)關(guān)注:廢物處理技術(shù)的選取、處理效率和安全可靠性,向環(huán)境排放的活度濃度、體積、數(shù)量。廢物管理成本關(guān)注處理工藝選取的經(jīng)濟(jì)性和固體廢物運(yùn)輸、貯存、處置方面的經(jīng)濟(jì)性。

    防擴(kuò)散和實(shí)物保護(hù)領(lǐng)域,考慮到目前先進(jìn)堆基本處于研發(fā)和設(shè)計(jì)階段,指標(biāo)以反應(yīng)堆的固有特性為主,暫不考慮尚無(wú)法評(píng)價(jià)的核電廠管理措施。防擴(kuò)散方面選取了3個(gè)指標(biāo),材料吸引力、核技術(shù)吸引力和轉(zhuǎn)移探測(cè)的難度。從材料類型、同位素成分、輻射水平、衰變熱、自發(fā)中子率、材料重量和物理化學(xué)形態(tài)等方面對(duì)材料吸引力進(jìn)行綜合評(píng)估;核技術(shù)吸引力包含燃料富集、乏燃料能否提取易裂變材料、未申報(bào)的可增殖材料的輻照能力;轉(zhuǎn)移探測(cè)的難度包含核材料衡算、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性、核材料探測(cè)能力、修改工藝的難度、修改核設(shè)施設(shè)計(jì)的難度、對(duì)技術(shù)或設(shè)施誤用的探測(cè)能力等。實(shí)物保護(hù)方面,選取了4個(gè)指標(biāo),堆型組件的布置與設(shè)計(jì)、敵手成功的概率、后果和實(shí)物保護(hù)資源。其中,堆型組件的布置與設(shè)計(jì)又包含了2個(gè)子指標(biāo),分別是堆型組件的設(shè)計(jì)和堆型組件的布置。

    可持續(xù)性領(lǐng)域,主要分為環(huán)境影響和資源消耗兩個(gè)方面。環(huán)境影響的選?。篒NPRO和GIF評(píng)估方法中均含有環(huán)境影響方面的評(píng)估指標(biāo),兩者在一些指標(biāo)上具有重復(fù)性,考慮到INPRO指標(biāo)涵蓋范圍更廣,而GIF指標(biāo)更具體而涉及的評(píng)價(jià)指標(biāo)范圍較窄,因此參考INPRO方法選取環(huán)境影響方面的五個(gè)評(píng)估指標(biāo)。資源消耗選取的指標(biāo):INPRO在資源貧化方面的指標(biāo)較為廣泛,涉及易裂變可裂變材料和不可再生材料的評(píng)估,考慮到當(dāng)前鈾資源在核能領(lǐng)域的獨(dú)一性地位,核能系統(tǒng)產(chǎn)生的裂變能均是由鈾資源提供,且主要使用天然鈾中僅占1%的U-235,具備提升資源利用率的潛能(例如,通過(guò)快堆增殖轉(zhuǎn)化U-238),因此選擇鈾資源的利用效率作為資源貧化方面的評(píng)估指標(biāo)。從整個(gè)核電系統(tǒng)考慮,凈能量輸出是核能系統(tǒng)的最終目的,因此選擇能量輸出與輸入達(dá)到平衡的攤銷時(shí)間(核能系統(tǒng)的輸出能量達(dá)到系統(tǒng)所需輸入總能量的時(shí)間)作為另一個(gè)評(píng)估指標(biāo),攤銷時(shí)間短,則表明核能系統(tǒng)能量的收益率越高。

    4 結(jié)論

    堆型評(píng)估方法是四代堆研發(fā)的一個(gè)重要分支。本文簡(jiǎn)單介紹了國(guó)際上主要的INPRO方法、GIF方法、美國(guó)DOE的評(píng)估實(shí)踐等,并從各方法的宗旨、目標(biāo)、體系、關(guān)注領(lǐng)域、關(guān)鍵指標(biāo)、適用范圍、方法特點(diǎn)、評(píng)估專家要求、評(píng)估對(duì)象及深度要求等方面,對(duì)以上方法和評(píng)估實(shí)踐進(jìn)行簡(jiǎn)明的對(duì)比研究。最后,以INPRO體系為藍(lán)本,借鑒GIF方法和DOE評(píng)估實(shí)踐,提出適用于國(guó)內(nèi)先進(jìn)堆現(xiàn)狀的中國(guó)先進(jìn)堆評(píng)估方法(CARA),并對(duì)中國(guó)先進(jìn)堆評(píng)估方法進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明。中國(guó)先進(jìn)堆評(píng)估方法,充分借鑒了INPRO、GIF、DOE等國(guó)際已有成果的優(yōu)點(diǎn),并緊密結(jié)合國(guó)內(nèi)先進(jìn)堆的研發(fā)現(xiàn)狀,系統(tǒng)地研究、確定了領(lǐng)域劃分和適用的指標(biāo)集,提出評(píng)估結(jié)果量化的規(guī)則以便于評(píng)估對(duì)象間的比較,從而使得中國(guó)先進(jìn)堆評(píng)估方法具有較好的可操性。中國(guó)先進(jìn)堆評(píng)估方法的提出,可用于我國(guó)先進(jìn)堆型的綜合潛力評(píng)估,為國(guó)家先進(jìn)堆型研發(fā)的技術(shù)路線選擇、堆型設(shè)計(jì)方案的性能改進(jìn)提供科學(xué)的工具和手段,促進(jìn)我國(guó)先進(jìn)堆型的研發(fā)工作。

    致謝

    本論文的研究工作得到了中核集團(tuán)科技委程慧平主任及各領(lǐng)域?qū)<业膸椭c指導(dǎo),同時(shí)得到了中國(guó)核能行業(yè)協(xié)會(huì)和中核集團(tuán)核信息院的協(xié)助,在此一并表示感謝。

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