技術成熟度的應用對我國核電研發的啟示

樊　勝，李　彬，張　華，周少鵬，李　達，馬　寬，劉　颯，廉旭姣

（1. 國家核電技術公司科研部（重大辦），北京　100029；2. 國核（北京）科學技術研究院，北京　100029；3. 中國航天系統科學與工程研究院，北京　100048；4. 環境保護部核與輻射安全中心，北京　100082）

技術成熟度的應用對我國核電研發的啟示

樊勝1，李彬1，張華2，周少鵬3，李達3，馬寬3，劉颯2，廉旭姣4

（1. 國家核電技術公司科研部（重大辦），北京100029；2. 國核（北京）科學技術研究院，北京100029；3. 中國航天系統科學與工程研究院，北京100048；4. 環境保護部核與輻射安全中心，北京100082）

針對核電工程技術難度大、研制周期長、經費投入大等特點，調研了技術成熟度在國外核電工程領域的應用情況。在介紹應用背景的基礎上，文章分析了技術成熟度應用的五類典型案例及在案例中發揮的主要作用。最后，通過總結國外應用經驗，提出了在我國核電領域開展技術成熟度應用研究的啟示。

核電工程；技術成熟度；國外經驗；啟示

核電工程具有研制周期長、新技術多、技術難度大、經費投入大、研制風險高等特點。技術成熟度作為一種規范、量化、系統的技術管理工具，已經在國外核電領域得到廣泛應用，被證明能夠有效提升核電工程的科研管理能力。

技術成熟度，起源于20世紀70年代美國航空航天局（NASA），是指技術相對于項目或系統預期目標的成熟程度［1］。它分階段描述了一項技術從萌芽狀態到成功應用于一個系統的成熟歷程，劃分為4個階段9個級別：原理和技術概念驗證（T R L1-3）、技術攻關和演示驗證（TRL4-6）、產品開發和驗證（TRL7-8）、產品應用（TRL9）。鑒于技術成熟度在技術研發和科研管理方面顯示的各種作用，被越來越多的國家和機構接受和使用，并形成了一系列開展技術成熟度的評價準則、使用指南和應用要求。例如，美國能源部、美國國防部、美國航空航天局、歐空局等機構，都有專門的技術成熟度評價指南，用于指導重大項目開展技術成熟度評價。

技術成熟度方法符合核電行業的技術特點，能夠輔助識別工程中的核心關鍵技術，評價技術研發的成熟水平，強化科研規劃和計劃管理，該方法已經在國外相關機構、國家級實驗室和大型核電企業等得到應用。文章在調研國外核電領域的技術成熟度應用情況基礎上，介紹了技術成熟度在國外核電領域的應用背景，闡述了技術成熟度在核電工程科研管理過程中能夠發揮的主要作用及其典型案例。最后，總結了對我國核電領域開展技術成熟度方法應用的啟示。

1　技術成熟度在國外核電領域的應用背景

技術成熟度在核電領域中的應用，最早是在“全球核能合作伙伴發展計劃”中使用［2］。但其快速推廣，則與美國問責局、美國能源部等相關政府機構的要求有關。

2007年3月，美國問責局在審查了能源部的12個重大項目后發現，其中8個項目出現了成本超支，9個項目出現了工期滯后現象。經分析，采用一些不成熟的技術是導致這一現象的重要原因。問責局建議能源部使用美國航空航天局和國防部所采用的技術成熟度評價方法對項目進行管理。2008年4月，美國能源部的《合同、項目管理低效率原因分析報告》［3］指出，關鍵新技術在最后的設計階段，難以按預期完成演示驗證，從而導致項目的成本超支和工期滯后，是項目低效率的主要根源。針對該分析報告，能源部給出了相應的行動計劃，要求采用美國國防部廣泛使用的技術成熟度方法，對包含許多新技術的項目進行評價。2008年，美國能源部環境管理辦公室首先試用了該方法，發現了應用技術成熟度的各種優點，并發布了《技術成熟度評價/技術成熟計劃指南》［4］。該指南介紹了技術成熟度評價方法，制定了技術成熟度等級劃分及定義，如表1所示。

此后，技術成熟度方法在美國能源部獲得了大力推廣，其核能辦公室、化石能源辦公室等開始大量使用該方法，并形成了一系列的應用計劃和評價指南。鑒于技術成熟度在使用中取得的良好效果，該方法逐漸在國外核電領域相關機構和企業得到了認可和廣泛的應用。當前，技術成熟度在美國核安全局、國際原子能機構、日本原子能機構等相關機構，在美國愛達荷、橡樹嶺、英國國家核能實驗室等國家級實驗室，在西屋、阿海琺等大型核電企業等都得到了應用，并取得了較好的效果。

2　技術成熟度在國外核電領域的典型案例分析

除采用技術成熟度開展關鍵技術評價，確定技術成熟狀態外，不同的機構、企業、組織，對技術成熟度的應用方式并不完全相同，進而也使技術成熟度發揮的作用更加多樣。

作為一種技術成熟程度的量化評價方法，在日本原子能協會的應用。日本原子能協會在對分離-嬗變（P&T）技術［5］進行第二次技術審查過程中，認為技術成熟度方法可以有效量化分離-嬗變技術的成熟程度，并指導實施分離-嬗變技術的研究和開發。日本原子能協會制定了次錒系核素轉化系統（含次錒系核素的快堆系統、加速器驅動的次臨界系統）和次錒系核素循環技術（次錒系核素分離工藝、次錒系核素燃料）等關鍵技術的技術成熟度評價細則。在該技術評審過程中，技術成熟度提供了一種科學、量化的評估標準，能夠對關鍵技術的發展狀態進行統一度量，在技術研發過程中作為一把尺子，衡量關鍵技術當前的成熟程度，使管理機構掌握技術攻關進展情況，了解技術距離預期目標的差距，并且為梳理技術發展瓶頸、提出進一步發展建議提供參考。

表1　美國能源部環境管理辦公室技術成熟度等級劃分及定義Table 1　The department of energy's environmental management office technology maturity level division and definition

作為一種工程研制的轉階段把關手段——在美國核安全局的應用。美國能源部《技術成熟度評價指南》要求在項目采辦的三大關鍵決策點（CD-1，CD-2，CD-3）進行技術成熟度評價，并把技術成熟度6級作為第三決策點的（CD-2）技術成熟要求，如圖1所示。美國核安全局在實施“橡樹嶺國家實驗室鈾處理設施項目”時，也將技術成熟度6級作為項目完成初步設計、進行項目立項和啟動建造/制造之前，關鍵技術需要達到的成熟等級［6］。在該項目中，美國核安全局開發了10項新技術，采用了技術成熟度方法度量關鍵技術的成熟程度，并對部分技術制定了技術成熟計劃。

在工程關鍵里程碑節點對技術進行成熟度評價，分析技術成熟狀態及其與節點成熟目標等級的差距，從而確定工程是否進入下一階段，避免不夠成熟的技術提前轉段，防止由此造成的不良后果，降低成本和進度風險。

作為一種技術發展路線圖的制定依據——在西屋公司等核電企業的應用。2005年，美國能源法案（EPAct，2005）正式立項，確定開發下一代核電站，由工業界、美國能源部國家級實驗室、美國大學等眾多機構聯合執行。在該項目執行過程中，美國能源部、美國愛達荷國家實驗室要求美國西屋公司、法國阿海琺能源公司和美國通用原子能公司等三家供應商分別對“下一代核電計劃”的關鍵技術進行技術成熟度評價并繪制基于技術成熟度的技術路線發展圖［7］。

通過關鍵技術識別，三大供應商分別篩選了14～16項關鍵核心技術，開展了技術成熟度評價。以技術成熟度等級作為標尺，梳理了“下一代核電計劃”關鍵核心技術的成熟過程、各等級的性能特征、集成情況和驗證要求等成熟基線，并形成了基于技術成熟度的技術開發路線圖。

圖1　美國能源部采辦項目研制階段與TRL等級要求Fig.1　The U.S. department of energy acquisition project development stages and TRL level requirements

作為一種規劃試驗方案的工具——在美國通用原子能公司的應用。美國通用原子能公司制定了《反應堆控制設備試驗計劃報告》［8］。報告首先根據前期工作成果，確定了該技術的初始成熟度等級為TRL4級。根據技術成熟度各等級的技術狀態、驗證環境等屬性特征要求，報告規劃了從TRL4級到TRL8級的成熟過程，技術在達到各相應的成熟度等級時，需開展的測試驗證工作和試驗環境要求。此外，該報告還詳細說明了達到成熟度各等級階段的試驗安排，所需的測試設備、地點、工期及費用。由此，形成了一份完整的試驗驗證規劃方案。

作為一種風險評估方法——在美國愛達荷國家實驗室的應用。美國愛達荷國家實驗室對“下一代核電計劃”中的核島、常規島及輔助系統中五大技術領域的16項關鍵系統、組件、部件進行了技術成熟度評價。在完成對關鍵的系統、結構、部件的技術成熟度評估后，愛達荷國家實驗室繪制了技術成熟度與技術風險的關系圖（見圖2），用于關鍵設備的設計、制造和使用性能的風險評估。

3　對我國開展核電技術成熟度研究應用的啟示

通過分析國外的應用情況可知，技術成熟度方法適用于整個核電技術研發管理，已經在國外，尤其是在美國的大型先進核電項目研發中，得到了較為廣泛的應用。通過開展技術成熟度在核電領域的應用研究，建立核電技術成熟度評估標準規范，制定針對核電技術的技術成熟度評價準則、細則，能夠為我國核電領域提供一套系統、規范、量化的技術管理工具，實現科研管理創新，提高管理能力。

3.1技術成熟度方法適用于核電工程項目與技術管理

核電技術品牌研制周期長，采用新技術多，技術難度大，且需巨額經費投入，研制風險比較高，比較適合采用技術成熟度方法進行管理。經過國際原子能機構、美國核安全局等多年廣泛應用實踐，表明技術成熟度方法完全適用于核電工程項目與技術管理，并有效提高了核電技術研發管理的水平，切實降低了重大工程項目的風險。在我國，技術成熟度方法已經在國務院和三部委委托中國工程院牽頭組織的國家科技重大專項中期評估工作中初步應用，其對核電專項的適用性已經得到了中期評估專家組、核電專項總體組的認可，對中期評估績效評價工作起到了重要的支撐作用。

3.2在研究應用時需形成符合核電特點的評價準則

技術成熟度方法目前在我國國防領域中已得到有效應用，形成了我國軍標及評價細則等規范，但是由于我國核電技術研發和管理有自身的特點，不能直接沿用。同時，核電領域涉及的技術面廣，復雜且多樣化，單一的技術成熟度評價定義也很難適應各項技術的成熟特點。依照國外各機構和相關企業在開展技術成熟度工作的經驗，主要是參考現有的技術成熟度定義和準則，結合本專業領域技術本身的成熟過程，重新制定符合自身特點的技術成熟度等級定義，并針對各類典型關鍵技術形成更具針對性的技術成熟評價準則、細則。因此，在開展技術成熟度在我國核電領域的研究和應用時，首先需在參考國內外技術成熟度等級定義和評價準則基礎上，尤其是美國能源部相關的指南和準則，結合我國核電技術研發和工程項目管理自身的特點，形成適用于我國核電的技術成熟度評價定義和準則。

圖2　技術成熟度各級特征與技術風險的關系Fig.2　Technical maturity characteristics at various levels and the relationship between the technology risk

3.3在實際使用時應根據需要采用合適的應用模式

從國際經驗來看，技術成熟度方法主要能夠發揮以下作用：宏觀管理層面，一是幫助高層管理機構在項目立項、過程監控和項目結題時，對項目中的關鍵技術進行技術成熟度評價，作為管理機關考慮項目是否予以立項、掌控項目中關鍵技術進展情況的依據，有利于提高管理機關在重大工程轉段審評論證等方面決策的科學性，控制整個項目的風險；二是為制定型號技術發展路線圖、技術規劃和安排經費投資等提供重要支撐。微觀管理層面，一是根據技術成熟度各級特點和要求，面向各個關鍵技術的成熟目標，策劃各關鍵技術達到目標成熟度級別需開展的工作，按照“事前策劃、事中檢查、事后評估”的方式，對項目進行全周期的監控和檢查，及時發現問題，規避風險，有利于提高管理的精細化水平；二是利用技術成熟度工具可對不同的技術路線和方案進行評價和比較，篩選出技術成熟度較高的技術方案，從立項源頭上降低技術風險。在我國核電領域開展技術成熟度研究應用和實際使用時，需根據自身的工程特點和管理需要，選擇恰當的應用模式。并且通過研究核電技術成熟度評價方法與規范，可為核電領域提供一套系統的、量化的技術管理工具，有效提高管理能力，切實促進重大型號或專項工程的順利實施。

3.4在實施推廣時需通過試點應用逐步形成規范標準

根據國內外的應用經驗，技術成熟度一般采用先試點，再推廣的發展模式。在我國核電領域實施、推廣技術成熟度方法，可以按照三步走的模式開展工作：一是開展理論方法研究，結合壓水堆核電重大專項中實施的經驗，建立符合我國核電技術特點的技術成熟度等級劃分與定義，形成各類典型技術的評價準則；二是進行試點評價，選取核電工程中部分典型的關鍵技術，開展成熟度應用的試點工作，對制定的技術成熟度評價準則進行修改完善，并形成相應的典型案例；三是逐步推廣形成規范、標準，即在理論方法研究和試點應用的基礎上，先易后難，逐步推廣，形成適用我國核電工程的技術成熟度評價規范，并研究制定我國核電行業的技術成熟度評價標準。同時，出臺相應的管理辦法，使技術成熟度真正融入核電工程項目技術管理之中，為優化我國核電工程項目技術管理水平，形成更加系統、規范、量化的核電領域關鍵技術管理手段，促進我國核電技術水平提升，發揮關鍵作用。

本工作得到國家能源局核電司軟課題經費支持；國家核電技術公司專家委沈文權研究員、上海核工程研究設計院朱鑫官研高、中國原子能科學研究院張東輝研究員、王明正研究員對本工作提出了很好的意見和建議，在此一并致謝。

［1］ 吳燕生. 技術成熟度及其評價方法［M］. 北京：國防工業出版社，2012.（WU Yan-sheng. Technical Maturity and Its Assessment Method［M］. Beijing：Defense Industry Press， 2012.）

［2］ Global Nuclear Energy Partnership， Technical Integration Office. Global Nuclear Energy Partnership Technology Development Plan［R］. 2007，7.

［3］ United States Department of Energy. Root Cause Analysis， Contract and Project Management［R］. 2008，4.

［2］ United States Department of Energy，Office of Environmental Management. Technology Readiness Assessment/Technology Maturation Plant Process Guide［R］. 2008，3.

［5］ K. Minato， Y. Morita， K. Tsujimoto， S. Koyama. Technology Readiness Levels for Partitioning and Transmutation of Minor Actinides in Japan［R］. 2010，11.

［6］ National Nuclear Security Administration. Plans for Its Uranium Processing Facility Should Better Reflect Funding Estimates and Technology Readiness［R］. 2010，10.

［7］ Westinghouse. Report on Technology Readiness Levels for NGNP Steam Production at 750-800℃［R］. 2009，4.

［8］ General Atomics. Engineering Services for the Next Generation Nuclear Plant with Hydrogen Production， Test Plan for Reactor Control Equipment［R］. 2008，12.

［9］ Idaho National Laboratory. NGNPRiskManag ementthroughAssessing Technology Readiness Status［R］. 2010，8.

The Application of Technology Readiness Level on Lessons for Research of ChinaNuclear Power

FAN Sheng1，LI Bin1，ZHANG Hua2，ZHOU Shao-peng3，LI Da3，MA Kuan3，LIU Sa2，LIAN Xu-jiao4
（1. State Nuclear Power Technology Corporation，Beijing100029，China；2.State Nuclear Power Research Institute，Beijing100029，China；3. China Academy of Aerospace Systems Science and Eingineering，Beijing100048，China；4. China Academy of Aerospace Systems Science and Engineering，Beijing100048，China）

To cope with the characteristics of nuclear power engineering， which are technological difficulties， long research cycle and high financial requirements， application status of technology readiness on nuclear power engineering in foreign countries is investigated in this paper. Apart from the introduction of technology readiness application background， five typical cases for technology readiness application are analyzed， as well as its potential usefulness in nuclear power research management. At the end of the paper， based on a summary of foreign application experiences， suggestions and inspirations for domestic nuclear power technology readiness researches are proposed.

nuclear power engineering；TRL； foreign experiences；suggestions

TM623Article character：A Article ID：1674-1617（2015）02-0168-06

TM623

A

1674-1617（2015）02-0168-06

2015-03-16

樊勝（1968—），男，湖南常德人，研究員級高工，博士，從事核能和科研管理工作。