乏燃料后處理工程關(guān)鍵技術(shù)元素識別方法研究

徐東林，姚守忠，王生吉

（中核龍安有限公司，臺州 318000）

建設(shè)乏燃料后處理商業(yè)大廠（簡稱商業(yè)大廠）是實(shí)現(xiàn)國家核能發(fā)展“三步走”戰(zhàn)略的關(guān)鍵工程，是實(shí)現(xiàn)核能安全可持續(xù)發(fā)展的必由之路。號稱“核工業(yè)的超級工程”的商業(yè)大廠，具有技術(shù)創(chuàng)新程度高、技術(shù)體系復(fù)雜、資金投入大、建設(shè)周期長的特點(diǎn)。為確保將商業(yè)大廠建設(shè)成為一個(gè)技術(shù)先進(jìn)、安全可靠、經(jīng)濟(jì)良好的工廠，借鑒其他行業(yè)的做法［1-3］，開展技術(shù)成熟度評價(jià)，將問題暴露在工程技術(shù)路線選擇和工程初步設(shè)計(jì)階段，并加以解決，對工程項(xiàng)目的安全可靠性管理和技術(shù)經(jīng)濟(jì)性管理都非常有意義。

目前，國內(nèi)外乏燃料后處理行業(yè)還沒有技術(shù)成熟度評價(jià)方法或評價(jià)體系可供參考。針對這一空白，研究團(tuán)隊(duì)開展了大量調(diào)研、分析和研究工作，其中，關(guān)鍵技術(shù)元素（Critical Technology Element，CTE）的識別方法是技術(shù)成熟度評價(jià)體系的重要組成部分，也是技術(shù)成熟度評價(jià)體系重點(diǎn)研究內(nèi)容。

判定一項(xiàng)技術(shù)是否關(guān)鍵，通常的做法是憑借技術(shù)專家的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行主觀判斷。但是，在面對多種專業(yè)和學(xué)科交叉的復(fù)雜系統(tǒng)時(shí)，單一領(lǐng)域?qū)＜业恼J(rèn)知往往存在一定局限性。本研究嘗試通過數(shù)學(xué)建模的方式，探索一種將主觀經(jīng)驗(yàn)與客觀指標(biāo)相結(jié)合的判定體系，進(jìn)而提高關(guān)鍵技術(shù)識別的準(zhǔn)確度。

技術(shù)關(guān)鍵程度識別需要從技術(shù)重要性和技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)性兩個(gè)方面進(jìn)行分析，分別建立指標(biāo)體系和判定標(biāo)準(zhǔn)。

1 技術(shù)重要性指標(biāo)體系

建立技術(shù)重要性指標(biāo)體系分三個(gè)步驟：確定技術(shù)重要性指標(biāo)；確定技術(shù)重要性指標(biāo)權(quán)重；確定技術(shù)重要性判定標(biāo)準(zhǔn)。

1.1 技術(shù)重要性指標(biāo)及其定義

乏燃料后處理技術(shù)涉及化學(xué)工程、放射性化學(xué)、物理、核物理、輻射和測控等多個(gè)學(xué)科或技術(shù)領(lǐng)域。但其核心是以核安全為前提的化學(xué)工藝過程。因此，技術(shù)重要性要求統(tǒng)籌考慮技術(shù)元素的核安全功能和工藝功能。

根據(jù)乏燃料后處理設(shè)施安全［4，5］有關(guān)要求，把核安全功能分解為核臨界控制、放射性物質(zhì)包容、化學(xué)爆炸預(yù)防、釋熱導(dǎo)出以及電離輻射防護(hù)五個(gè)方面。根據(jù)后處理工藝目標(biāo)和工藝特點(diǎn)，將工藝功能分解為工藝指標(biāo)實(shí)現(xiàn)（簡稱工藝實(shí)現(xiàn)）、產(chǎn)能保證、產(chǎn)品指標(biāo)實(shí)現(xiàn)（簡稱產(chǎn)品指標(biāo)）、產(chǎn)品損失預(yù)防（簡稱產(chǎn)品損失）和放射性廢物最小化（簡稱廢物最小化）五個(gè)方面。將上述十個(gè)因素作為技術(shù)重要性判定的指標(biāo)。各指標(biāo)因素釋義見表1。

表1 核安全功能指標(biāo)釋義Tabel 1 Interpretation of nuclear safety indicators

續(xù)表

表3 輻射分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Radiation zoning standard

1.2 技術(shù)重要性指標(biāo)權(quán)重賦值

指標(biāo)權(quán)重賦值通常有經(jīng)驗(yàn)加權(quán)法和數(shù)學(xué)加權(quán)法。經(jīng)驗(yàn)加權(quán)法，即定性加權(quán)法，其優(yōu)點(diǎn)是專家直接評估，簡單易行；數(shù)學(xué)加權(quán)法，即定量加權(quán)法，以經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，以數(shù)學(xué)原理為背景，間接生產(chǎn)，具有較強(qiáng)的科學(xué)性。

本研究采用數(shù)學(xué)加權(quán)法進(jìn)行嘗試。本方法數(shù)學(xué)建模和數(shù)學(xué)計(jì)算采用運(yùn)籌學(xué)中的層次分析方法（AHP）［7］的原理完成。

1.2.1 構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)模型

將十項(xiàng)指標(biāo)與重要性評價(jià)之間的關(guān)系轉(zhuǎn)化為各指標(biāo)相對于重要性程度相對權(quán)值的確定問題，模型如圖1所示。

圖1 重要性層次結(jié)構(gòu)模型Fig.1 Importance hierarchy model

1.2.2 標(biāo)度

當(dāng)眾多指標(biāo)一起比較時(shí)，很難一次性得出重要性排序。但兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行比較總能很容易判斷出重要性。因此采用兩兩比較的方式，引入1-9標(biāo)度方法（見表4），并將不同情況的評比給出數(shù)量標(biāo)度。這樣就將十項(xiàng)指標(biāo)相對于重要性程度的權(quán)重排序簡化為一系列成對指標(biāo)的判斷比較。

表4 重要性標(biāo)度表Table 4 Importance scale

1.2.3 特征向量計(jì)算及一致性檢驗(yàn)

分別邀請后處理工藝科研、設(shè)計(jì)、調(diào)試和運(yùn)行等方面的專家及核與輻射安全管理和后處理技術(shù)管理等領(lǐng)域的若干專家對十個(gè)指標(biāo)進(jìn)行兩兩比較。將比較結(jié)果通過表2標(biāo)度值進(jìn)行量化，并求解十個(gè)重要性指標(biāo)的期望值。

表2 包容分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)Tabel 2 Containment class

將十個(gè)期望值進(jìn)行十階矩陣排列（矩陣略），通過式（1）、式（2）和式（3）計(jì)算十個(gè)指標(biāo)歸一化特征向量值。通過式（4）計(jì)算矩陣最大特征向量值λmax。通過式（5）和式（6）對矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。一般來說，只要CI≤0.10，判斷矩陣的一致性是可以接受的，此時(shí)的Wi值即可作為第i個(gè)指標(biāo)的權(quán)重值。如果CR明顯大于0.1，需要把專家兩兩比較結(jié)果中偏離較大的剔除，然后再進(jìn)行檢驗(yàn)，直到通過一致性檢驗(yàn)。

1.2.4 權(quán)重賦值

通過組織專家對十個(gè)指標(biāo)進(jìn)行兩兩比較，經(jīng)矩陣運(yùn)算和一致性檢驗(yàn)，求得十個(gè)指標(biāo)的特征向量Wi=（0.12，0.11，0.07，0.07，0.09，0.15，0.10，0.12，0.11，0.06），按此特征向量給十個(gè)指標(biāo)賦值，見表5。

表5 指標(biāo)權(quán)重Table 5 Index weight

1.3 重要性評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

參考科學(xué)實(shí)驗(yàn)中常用的0.618法，即優(yōu)選法，將技術(shù)的重要性分為三類：Ⅰ類（很重要）、Ⅱ類（重要）、Ⅲ（一般重要）。表6給出了技術(shù)的重要性分類邊界。

表6 技術(shù)重要性評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Table 6 Evaluation criteria of technical importance

此外，在重要性指標(biāo)使用過程中，也可根據(jù)實(shí)際情況將權(quán)重和標(biāo)準(zhǔn)適當(dāng)簡化。

2 技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)性指標(biāo)體系

技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)性指標(biāo)包括技術(shù)新穎程度、技術(shù)應(yīng)用環(huán)境和技術(shù)驗(yàn)證難度。參照核電領(lǐng)域技術(shù)成熟度規(guī)范［8］，提出簡化的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)分類及判定標(biāo)準(zhǔn)，見表7。

表7 技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)性評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Table 7 Evaluation criteria of technical risk

續(xù)表

3 關(guān)鍵技術(shù)元素判定

3.1 關(guān)鍵程度判定矩陣

借鑒核電領(lǐng)域技術(shù)成熟度評價(jià)規(guī)范［8］，采用矩陣評價(jià)法對技術(shù)關(guān)鍵程度進(jìn)行判定，并將關(guān)鍵程度描述為A（重大）類、B（重點(diǎn)）類、C1（重點(diǎn)）類、C2（一般）類及C3（其他）類。評價(jià)矩陣見表8。

表8 技術(shù)關(guān)鍵程度綜合評價(jià)矩陣Table 8 Evaluation matrix of technical criticality

根據(jù)矩陣判定結(jié)果，將A類、B類和C1類強(qiáng)制判定為關(guān)鍵技術(shù)元素，C3類強(qiáng)制判定為非關(guān)鍵技術(shù)元素，C2類為一般技術(shù)元素暫定為關(guān)鍵技術(shù)元素，獲得保守型初始清單。

通過專家評議或?qū)＜覍彶榉椒ǎ瑢﹃P(guān)鍵技術(shù)元素初始清單中的C2類技術(shù)元素進(jìn)行再次判定，確定是否作為關(guān)鍵技術(shù)元素。同時(shí)，對未進(jìn)入初始清單的關(guān)鍵技術(shù)或值得關(guān)注的技術(shù)元素進(jìn)行補(bǔ)充，獲得關(guān)鍵技術(shù)元素最終清單，并實(shí)施清單化管理。

3.2 方法檢驗(yàn)

選取后處理首端設(shè)施中乏燃料溶解器和鈾尾端設(shè)施硝酸鈾酰濃縮蒸發(fā)器兩項(xiàng)技術(shù)元素進(jìn)行判定檢驗(yàn)。關(guān)鍵程度識別過程見表9。

表9 關(guān)鍵程度識別表Table 9 Identification of key degree

續(xù)表

根據(jù)關(guān)鍵程度判定矩陣可知，連續(xù)溶解器是A類（重大）關(guān)鍵技術(shù)元素，硝酸鈾酰濃縮蒸發(fā)器是C3類（非關(guān)鍵技術(shù)元素）。

4 結(jié)束語

技術(shù)成熟度評價(jià)方法是加強(qiáng)技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)管理，提高乏燃料循環(huán)設(shè)施安全可靠性和技術(shù)經(jīng)濟(jì)性的重要工具。針對乏燃料后處理領(lǐng)域技術(shù)成熟度評價(jià)體系的空白，研究團(tuán)隊(duì)開展了大量調(diào)研、分析和研究工作，其中，關(guān)鍵技術(shù)元素識別作為技術(shù)成熟度評價(jià)體系的重要組成部分，是研究的重點(diǎn)內(nèi)容。

研究中，采用層次分析法對關(guān)鍵程度指標(biāo)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，調(diào)查分析，運(yùn)行矩陣運(yùn)算方法進(jìn)行指標(biāo)賦值，并對指標(biāo)賦值進(jìn)行了一致性檢驗(yàn)，得出了重要性指標(biāo)科學(xué)賦值，賦值結(jié)果為核臨界控制功能0.12、放射性物質(zhì)包容功能0.11、化學(xué)爆炸預(yù)防功能0.07、釋熱導(dǎo)出功能0.07、電離輻射防護(hù)功能0.09、工藝指標(biāo)實(shí)現(xiàn)功能0.15、產(chǎn)能保證0.10、產(chǎn)品指標(biāo)實(shí)現(xiàn)0.12、產(chǎn)品損失預(yù)防0.11、廢物最小化功能0.06。

研究中，引入了核動力/核電領(lǐng)域技術(shù)成熟度評價(jià)規(guī)范中的綜合矩陣判定法，將技術(shù)元素區(qū)分為A類、B類、C1類、C2類和C3類。

通過選取乏燃料連續(xù)溶解器和硝酸鈾酰濃縮蒸發(fā)器兩個(gè)代表性技術(shù)元素對方法進(jìn)行了檢驗(yàn)，結(jié)果表明方法可行，結(jié)果可靠。