核電廠維修規(guī)則分析與探討

王 盟，楊 銘，王江國，王 靜，高 巍，趙 玲

(1.核電運行研究(上海)有限公司，上海 200120；2.海南核電有限公司，海南 昌江 572733)

隨著我國“雙碳”戰(zhàn)略的不斷深化，能源結(jié)構(gòu)已經(jīng)出現(xiàn)了明顯的變化，可再生能源裝機比例隨年不斷增加。大量新能源基地相繼投產(chǎn)給未來核電參與能源競爭帶來了新的研究課題，面對未來能源結(jié)構(gòu)和電力供應(yīng)的新局面，須進一步提高發(fā)展的全局意識、增強對發(fā)展問題的系統(tǒng)思考，深刻認(rèn)識和理解現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)體系發(fā)展新格局，給出核電廠安全、經(jīng)濟、高效發(fā)展的新舉措，以進一步鞏固和提升核電在未來能源競爭中的優(yōu)勢地位。

安全性和經(jīng)濟性是核電發(fā)展的重要課題，為了統(tǒng)籌核電安全性和經(jīng)濟性的協(xié)調(diào)發(fā)展，近年來，國家核安全局(NNSA)積極探索從以確定論為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)監(jiān)管模式向風(fēng)險指引的先進監(jiān)管模式的轉(zhuǎn)變。NNSA通過發(fā)布技術(shù)政策、編譯相關(guān)技術(shù)文獻、開展風(fēng)險指引型技術(shù)試點項目、建立核電廠可靠性數(shù)據(jù)庫平臺、開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)PSA監(jiān)管模型以及建立核電廠配置風(fēng)險管理體系和維修有效性評價和管理體系等，逐步建立健全風(fēng)險指引型的核安全監(jiān)管體系。

作為核電廠風(fēng)險指引型應(yīng)用的一塊基石，NNSA于2017年8月發(fā)布了《改進核電廠維修有效性的技術(shù)政策(試行)》，即維修規(guī)則(MR)，鼓勵核電廠逐步開展相關(guān)維修活動的優(yōu)化研究，建立維修有效性和風(fēng)險管理體系[1～4]，發(fā)布了核電廠維修規(guī)則實施大綱編制指南[5]、核電廠維修大綱的格式和內(nèi)容[6]等文件來指導(dǎo)MR的開發(fā)和落實。2022年6月，NNSA新版HAF103已經(jīng)正式發(fā)布，在新版HAF103中增加了配置風(fēng)險管理、風(fēng)險指引型綜合決策技術(shù)、維修有效性、經(jīng)驗反饋體系有效性評價等內(nèi)容[7]。

1 技術(shù)理念實踐與發(fā)展

1.1 核電安全性與經(jīng)濟性的平衡

放射性是核電廠相比其他能源動力系統(tǒng)最突出的一個特征，無論其處于相對靜止?fàn)顟B(tài)還是運行狀態(tài)，都存在該狀態(tài)所對應(yīng)的狀態(tài)風(fēng)險，因此狀態(tài)風(fēng)險是伴隨核電廠全生命周期的永恒課題，識別狀態(tài)、識別狀態(tài)風(fēng)險、管控狀態(tài)風(fēng)險是確保核電廠持久安全的核心支撐理念。就核電廠運行狀態(tài)而言，按照其執(zhí)行設(shè)計功能和內(nèi)外部潛在變化，按照層級和要素可細(xì)分為：機組狀態(tài)、系統(tǒng)狀態(tài)、結(jié)構(gòu)狀態(tài)、設(shè)備狀態(tài)、人員狀態(tài)、環(huán)境狀態(tài)等。

維修活動是維持設(shè)備健康狀態(tài)、確保核電廠機組安全性和經(jīng)濟性的具體措施，然而核電廠所采取的維修活動可能存在維修不足、過度維修以及維修不當(dāng)?shù)葷撛趩栴}，會對設(shè)備產(chǎn)生不利的影響，從而降低核電廠的實際運行安全水平。將風(fēng)險指引技術(shù)引入維修活動，所提出的MR體系可以促使核電廠將資源更有效地投入到對安全運行有重要貢獻的設(shè)備，同時更加強了對維修活動所引起的潛在風(fēng)險的關(guān)注，強化了核電廠對維修活動風(fēng)險的整體性和系統(tǒng)性管控，實現(xiàn)設(shè)備可靠性與可用性的平衡如圖1所示，科學(xué)解決核電發(fā)展中安全性與經(jīng)濟性之間的矛盾問題。

圖1 MR的作用Fig.1 The role of MR

1988年美國NRC發(fā)布“核電維修政策聲明”，宣布打算修改其法規(guī)，要求許可證持有者監(jiān)督核電廠安全重要設(shè)備維修活動的有效性，從而使因缺乏有效維修而導(dǎo)致故障和事件發(fā)生的可能性降到最低。1991年7月，NRC發(fā)布了一份基于性能的維修規(guī)則-10 CFR 50.65《核電廠維修有效性監(jiān)測要求》，并于1993年通過RG 1.160《監(jiān)測核電廠維修的有效性》對NUMARC 93-01《核電廠維修有效性監(jiān)測行業(yè)指導(dǎo)》進行認(rèn)可。1994—1995年，美國9個核電廠進行了MR的行業(yè)試應(yīng)用。1999年，NRC基于MR試應(yīng)用的經(jīng)驗反饋進行了修訂，增加了對維修活動引起的風(fēng)險進行評價和管理的條款，NUMARC 93-01也同步進行了修訂，以滿足NRC相關(guān)法規(guī)的要求。

圖2給出了美國核電廠1992年至2017年平均堆芯損傷頻率(CDF)的變化趨勢，通過IPE、MR以及AP-913等體系的逐步實施，在20年左右的時間內(nèi)美國核電廠的平均CDF降低了90%，近10多年來則CDF一直保持在平穩(wěn)且較低的水平。

圖2 美國核電廠平均CDF變化趨勢Fig.2 The average CDF trend of US nuclear power plants

圖3給出了美國核電廠運行績效發(fā)展趨勢[16]。數(shù)據(jù)表明，MR對美國核電廠安全性和運行績效提升起到了非常顯著的支撐作用，其與風(fēng)險指引型相關(guān)應(yīng)用共同形成了可持續(xù)優(yōu)化的核電廠先進運維體系。

圖3 美國核電廠平均運行績效趨勢Fig.3 The trend of the average operational performance of US nuclear power plants

1.2 MR的發(fā)展

EPRI在20世紀(jì)90年代中期和后期分別成立了配置風(fēng)險管理論壇和維修規(guī)則用戶組。配置風(fēng)險管理論壇將業(yè)界的配置風(fēng)險專家聚集在一起，以改進流程，并將風(fēng)險信息應(yīng)用程序的使用擴展到停堆和在線風(fēng)險評價之外(例如，擴展到靈活的技術(shù)規(guī)格書等領(lǐng)域)。MR用戶組在關(guān)鍵技術(shù)問題上與美國NRC和其他行業(yè)組織進行溝通，該小組還制定了指導(dǎo)方針、評價和白皮書，以幫助成員處理在應(yīng)用維修規(guī)則和在線維修中可能出現(xiàn)的細(xì)節(jié)問題，并發(fā)布了一系列支撐MR的技術(shù)文件[8～10]。

作為一項成功的行業(yè)實踐經(jīng)驗，日本、韓國等國家[11，12]相繼引進了美國的MR技術(shù)理念，在本國核電廠推廣應(yīng)用。在國內(nèi)，NNSA通過試點項目，積極推進風(fēng)險指引技術(shù)在核安全審評監(jiān)管中的應(yīng)用。中國核電積極響應(yīng)NNSA的監(jiān)管要求，秦山核電30萬千瓦機組[13]、田灣核電1～4號機組[14]和三門核電1/2號機組[15]的MR體系已經(jīng)建立并投入運行。目前核電運行研究(上海)有限公司正在集中開展方家山核電1、2號機組、海南核電1、2機組、福清核電1～4號機組、田灣核電5、6號機組、秦山二期1～4號機組的MR開發(fā)工作。

2 MR與現(xiàn)有體系之間的關(guān)系

2.1 MR與運維策略優(yōu)化

圖4給出了MR與核電廠運維策略之間的關(guān)系，基于技術(shù)規(guī)格書和運行經(jīng)驗反饋，運行階段PSA模型、配置風(fēng)險管理、維修規(guī)則和在線維修共同支撐了核電廠運維策略的持續(xù)優(yōu)化。基于技術(shù)規(guī)格書和運行經(jīng)驗反饋，運行階段PSA模型、配置風(fēng)險管理、MR和在線維修共同支撐了核電廠運維策略的持續(xù)優(yōu)化內(nèi)循環(huán)。通過實施風(fēng)險指引型定期試驗周期優(yōu)化和后撤時間延長等，從而形成風(fēng)險管理型技術(shù)規(guī)格書，可在確保安全的前提下，進一步提升核電廠的運維靈活性，推動運維策略更深層次的優(yōu)化；通過降低維修頻率分析和消除不必要項目論證，進行預(yù)防性維修(PM)優(yōu)化，并在MR的支撐下開展更大范圍在線維修工作。運維策略的持續(xù)優(yōu)化可有效降低換料大修期間的工作復(fù)雜度和工作負(fù)荷，為大修排程和工期縮短爭取更多空間，以進一步提升核電廠的能力因子。同時，伴隨大修工期的縮短和大修項目的減少，將有助于減少大修期間的人員劑量水平，實現(xiàn)更卓越的大修績效。

圖4 MR與運維策略之間的關(guān)系Fig.4 The relationship between MR andthe operation and maintenance strategy

2.2 MR與核電廠全面運維優(yōu)化

直到20世紀(jì)90年代初，特別少的維護是在功率運行模式下實施，技術(shù)規(guī)范行動聲明通常僅在發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障時輸入。MR對于在線維修的推行具有非常重要的意義，在MR發(fā)布之前，雖然，不禁止主動進入運行限制條件聲明，但由于在線維修缺乏正確使用的指導(dǎo)原則，其判斷依據(jù)引起了諸多質(zhì)疑。MR奠定了風(fēng)險指引型技術(shù)在核電廠推廣應(yīng)用的基礎(chǔ)，美國核電廠通過MR向行業(yè)引入風(fēng)險指引型方法后，在線維修開始規(guī)?；茝V應(yīng)用，圖5和圖6分別給出了美國核電廠在線維修的演進和在線維修活動的情況匯總。

圖5 美國核電廠在線維修的演進Fig.5 The evolution of online maintenance of US nuclear power plants

圖6 美國核電廠在線維修情況Fig.6 The situation of online maintenance of US nuclear power plants

通過將選擇性維護從停堆期間轉(zhuǎn)移到功率運行狀態(tài)，這樣可以減少停堆維修的范圍和復(fù)雜性，從而縮短停堆時間。其挑戰(zhàn)在于證明在線維護是可行的，由此所引入的風(fēng)險是可控的，早期的風(fēng)險監(jiān)視器促進了這一轉(zhuǎn)變。美國核電廠通過降低頻率和消除不必要的項目進行了PM優(yōu)化，同時在MR的支撐下開展了更大范圍在線維修工作。這種運維策略的改變大大降低了停堆大修期間的復(fù)雜度和工作負(fù)荷，為大修時間的縮短爭取更多空間。

在線維修為美國核電帶來的巨大經(jīng)濟效益引起了國際同行的高度關(guān)注，并在比利時、法國、西班牙、巴西、加拿大、瑞士等國家成功應(yīng)用，其他一些國家的核電業(yè)主和電力行業(yè)的其他部門也對在線維修表示了極大的興趣。國內(nèi)核電廠運行階段PSA模型開發(fā)日臻完善，為在線維修等風(fēng)險指引型應(yīng)用提供了堅實的基礎(chǔ)。目前國內(nèi)核電廠也陸續(xù)開展了在線維修的研究，比如田灣核電廠早在2015年就開始了在線維修的試點應(yīng)用，大亞灣核電廠也在2018年向NNSA提交了在線維修的試點應(yīng)用申請。

全面運維優(yōu)化是實現(xiàn)核電廠能力因子卓越發(fā)展目標(biāo)的一個重要支撐，通過優(yōu)化現(xiàn)有技術(shù)規(guī)格書，減少不必要的約束，提高運行靈活性，可進一步減少非停和非計劃降功率事件的發(fā)生；通過定期試驗周期延長和有針對性的技術(shù)改造，可進一步優(yōu)化在線維修項目的計劃安排；更現(xiàn)代化的大修指揮中心、更先進的運維裝備、更高素質(zhì)的維修人員可在更多層面支撐大修工期的縮短。全局視角、系統(tǒng)思維，圖7給出了核電廠全面運維優(yōu)化的技術(shù)路線圖。

圖7 核電廠全面運維優(yōu)化技術(shù)路線圖Fig.7 The technical roadmap for comprehensive operation and maintenance optimization of nuclear power plant

3 總結(jié)

國內(nèi)的MR開發(fā)和風(fēng)險指引型應(yīng)用尚處于起步階段，因此不能孤立看待當(dāng)前MR的開發(fā)工作，需要放置在核電廠整個運維體系中來評估MR的支撐性，在體系中發(fā)揮MR的作用。針對運維策略全面優(yōu)化，應(yīng)進一步提高全局觀和系統(tǒng)觀，在MR體系建設(shè)的同時進一步推動如下工作：

1)為更好地支撐MR開發(fā)和長期維護，應(yīng)考慮按照機型積極推動PSA模型的標(biāo)準(zhǔn)化工作，確保MR的開發(fā)質(zhì)量和維護效率。

2)在確保安全的前提下，MR體系釋放了核電廠的運維靈活性，為更好地發(fā)揮MR的實際效用，國內(nèi)以法系技術(shù)規(guī)格書為主的M310機組應(yīng)盡快啟動技術(shù)規(guī)格書的轉(zhuǎn)換工作，實現(xiàn)對MR體系的承接性和適應(yīng)性。

3)為更好地支撐定期試驗周期優(yōu)化等相關(guān)風(fēng)險指引型應(yīng)用項目的落地，以進一步靈活安排預(yù)防性維修活動，國內(nèi)行業(yè)界應(yīng)考慮預(yù)防性維修數(shù)據(jù)庫的開發(fā)和建設(shè)工作，給出以實際運行數(shù)據(jù)和運行經(jīng)驗反饋為基礎(chǔ)的確定論風(fēng)險見解。

本文初步分析了MR與核電廠運維策略以及MR與核電廠設(shè)備可靠性管理之間的關(guān)系，討論了MR與在線維修和大修優(yōu)化之間的關(guān)聯(lián)，相關(guān)內(nèi)容可為MR的開發(fā)以及MR與現(xiàn)有體系的融合提供參考。