中國綿陽研究堆運行模式探索研究

張少華 錢達志 劉耀光 唐彬 楊宇川 孫光愛

摘 要：本課題通過對比分析國內外類似研究堆的運行模式與狀態，結合中國綿陽研究堆的特點以及建設目標，辨識研究堆高效運行涉及的主要因素，充分解析本單位任務性質，以"堅持原則底線"為生存之本，以"靈活策劃"為發展之道，優化研究堆的運行模式以達到解決當前主要矛盾、從容面對沖擊、提升運行績效的目的。

關鍵詞：中國綿陽研究堆；運行模式；矛盾；沖擊；績效

一、前言

大型中子源主要是指研究堆中子源和散裂中子源。研究堆可以分為以束流應用為首要任務的研究堆（中子散射、中子成像等）、以輻照生產為首要任務的研究堆（材料輻照、同位素研制等）以及同時具備兩種功能的綜合應用型的研究堆，而散裂中子源主要用途是中子束流應用。

目前，國內三大中子源分別是中國綿陽研究堆 （CMRR）、中國先進研究堆（CARR）和中國散裂源（CSNS）。其中，CMRR堆已與2012年通過驗收，2013年～2016年為試運行期，狀態平穩；CARR堆于2017年底完成竣工驗收；CSNS預計2018年完成建設（2017年8月CSNS靶站引出第一束中子束，但其一期的三臺譜儀還在建設中）。CMRR堆是當前國內唯一正常運行的大型中子源。

統計顯示，2013年CMRR堆運行44天，2014年運行79天，2015年運行105天，2016年運行123天，2017年運行182天。從近幾年的運行情況來看，CMRR堆運行時間日趨飽滿，運行效率逐漸提升，標志著CMRR堆已經進入較為穩定的運行階段。

僅從數據統計來看，CMRR堆已進入穩定期，但是CMRR堆仍面臨著以下幾個問題急需解決：第一，中子束流供求不匹配；第二，反應堆運行績效不顯著；第三，CARR堆、東莞散裂源逐步完成建設投入運行，如何面對上述兩個中子源對CMRR堆產生的沖擊。

針對上述幾個問題，研究團隊開展了CMRR堆運行模式探索研究。

二、CMRR堆當前運行狀態及應用情況

（一）運行周期

2013年運行44天，2014年運行79天，2015年運行105天，2016運行123天，2017年運行182天。CMRR堆的運行時間見圖1。（運行天數，指反應堆從計劃運行當天到完全停堆之間天數總和，包括啟動前檢查、反應堆達臨界、反應堆提升功率、預定功率運行、停堆后余熱排除，以及若干低功率運行天數。）

（二）運行模式

當前CMRR采用高功率長周期運行與低功率短周期運行結合的模式。高功率長周期一般以18～20MW的功率連續運行10天，低功率短周期一般以6MW的功率運行40小時。累積40個滿功率日（FPD）后進行換料操作，每次更換5～10根燃料，換料操作（含實驗）需要2周時間。

（三）CMRR運行維護團隊現狀

CMRR堆運行維護人員共47人，其中反應堆操作員12人，反應堆設備維護工程師30人，冷源維護工程師5人。

每次運行采用4班3倒模式。根據HAF202要求，操縱人員必須帶照運行。正常情況下，取得操縱員執照，需要2年時間，從操縱員到高級操縱員需要3年。當前持證操作員共12人，每次運行按照法規設置3名操作員。

（四）成果

CMRR堆年平均用戶申請達七十余份，已發表SCI論文數十篇（最高IF 19.8），近五年獲國家科技進步二等獎1項，軍隊科技進步一等獎兩項，二等獎3項，三等獎7項。

三、國內外研究堆運維與應用水平

（一） 運行周期

紅色表示數據來源非官方尚存疑。

（二）運行管理模式

1.運行計劃制定與執行

反應堆運行部門多為獨立部門，每個財政年初，其上級部門會根據該財年實驗任務制定并下達運行計劃，這些計劃多在網絡上對外公布。運行部門負責按照計劃進行運行，通常在每個運行周期（一般30天左右）結束后，會進行必要的檢修與換料工作。運行計劃與實際運行情況符合的很好。

2.運行隊伍構成與職責劃分

運行維護隊伍一般由操作員、維護工程師、管理人員三種組成。一般有30～50人。核心工作為堆運行操作、堆本體的儀器控制系統維護、堆本體的機械回路系統維護、冷源設備維護（如有）、堆芯燃料組件操作、堆安全相關審查文件工作。有些機構研究堆運行部門還包括了輻射劑量監督、輻照樣品出入堆、輻照小回路運行等。更多的工作意味著更大的運維人員隊伍，例如NSBR運維隊伍只負責前述4項核心任務，整個隊伍只有25人；493堆運維隊伍負責了除冷源外幾乎所有工作，運維隊伍達到上百人。

此外，國外運維人員中大多數都有操作員執照（70%～100%），維護工程師很多也有操作證。這可能與國外研究堆操作員取證難易程度有關，國外甚至允許有學生操作員。

3.非預期意外停堆與設備維保

即使對于運行非常成熟的研究堆，每年非預期的停堆也有5次左右，其中外電網、設備本身故障、人因誤操作3種因素引起的非預期停堆比例基本相同。

除日常維保外，一般研究堆每年都會有一次集中檢修，每個運行周期結束后會有2周左右的保養檢修或換料時間。出現設備故障后，多采用本部門維護工程自行修復為主的方式。

（三）堆應用管理

研究堆作為平臺為各類應用提供服務

1.束流應用中子學中心

國外依托研究堆或散裂源這樣大型核設施建立了中子學研究中心。中子源的高效運行為中子學應用提供基礎條件，同時中子學應用又對源技術本身提出更高要求，促進源技術發展。例如：NIST建立了NCNR中子學中心，依托NSBR堆，每年約有2400多名用戶，發表學術論文350篇以上，NSBR每年運行任務飽滿。桑迪亞國家實驗室運行了ACRR研究堆與LANSCE散裂源，同時滿足美國核武器研究和基礎科學研究生產的需求，同時這些應用也使桑迪亞實驗室的中子源技術達到世界一流。

2.材料輻照聯盟

目前中子材料考驗完全依賴研究堆。在歐洲、美國都建立了局域性的材料輻照堆聯盟，歐洲中心聯合了LVR15、R2、HFR、BR2、OSIRIS、JHR等研究堆，美國中心包括了MURR、ATR、HFIR、MITR等研究堆，JAEA希望建立亞洲聯盟，并進一步形成全球范圍的MTR合作，如圖 2所示。

3.同位素生產

同位素生產是一項商業性非常強的活動，研究堆多只進行輻照，輻照完成后需要在熱室使用相關設備進行復雜的后處理，通常的做法是將樣品出售給專門的公司進行，這樣只需要使用有防護的運輸方式將輻照后樣品運出研究堆廠區即可，更后端的制藥、銷售則有專業的制藥與銷售公司進行。很多研究堆僅依靠單晶硅摻雜（NTD）即可維持堆的運行維護費用。

（四）成果

以美國NIST研究堆為例，每年約有2400多名用戶，發表學術論文350篇以上，培養博士生40多名，如圖3，其他中子源，如FRM-II、ILL、SINQ、ISIS，每年用戶數均在1000～1500人。ILL每年產出560篇論文（2007年），48%的論文IF>2，41篇是Nature、Science、PNAS、PRL、JACS這樣的高影響因子文章。

小結：

不考慮設備穩定性、任務需求飽滿程度、管理水平，研究堆的運行周期從技術上來看，取決于堆的用途、燃料富集度、單次運行時間。

此外，所有高性能運行的研究堆，其單次運行周期都在3～5周，一方面是燃料需要更換、設備需要檢修，更重要的原因應該是堆內樣品需要更換。

四、當前CMRR對面臨的主要問題

通過上述比較，可以看出CMRR堆與國外高性能研究堆存在較大差距，除了各機構對研究堆的定位存在差異外，CMRR堆還面臨以下幾個問題。

（一）運行頻率高、單次效率低，運行不規律、主線不明確

根據目前CMRR堆承擔的任務性質可見：內部需求有限（主體任務不飽滿），隨機性較大，但很重要，必須保證完成；外部需求強烈，但堆運行不規律，束流供給不穩定，造成對外提供束流的不穩定性，進而造成用戶的轉向，最終造成堆的影響力逐漸下降。

（二）運行績效不明顯

對內，主體任務不飽滿，重要程度有限，是否能解決或部分解決核武器面臨的主要問題尚存疑，當前未能在此領域發揮更重要的作用。

對外，在前沿基礎科學研究領域的發展中，CMRR做出的貢獻無論數量還是質量與國外高性能研究堆存在明顯差距。

（三）面臨來自CARR和散裂源的沖擊

三大中子源與應用平臺特征如表 2所示。相對于其他兩大中子源，CMRR創新性地采用有靶堆芯和無靶堆芯兩種布置方式，較好地兼顧了中子束流應用和堆內輻照生產要求，能提供高注量率的冷、熱、快中子輻照場。輻照空間大、重水箱16個輻照孔道，可用輻照空間為83升，且堆芯布置靈活，輻照生產無需頻繁啟停，綜合輻照能力遠高于CARR。

國內CMRR堆、CARR堆和中國散裂中子源三大中子科研平臺從地理位置、定位、平臺能力方面各具特色又相互補充，CARR堆和散裂源的正式運行勢必會對CMRR堆帶來沖擊。

近期只有CMRR堆能夠提供高產額高品質的中子束流并開展相關研究工作，應抓住機遇，通過提升平臺能力、加強合作交流，與國內高水平用戶建立長期、良好的合作研究團隊，培養忠實用戶，形成在國家科技發展方面的長效影響力。

上述矛盾、問題是表象；績效的提升是根本。

通過運行模式的優化調整可以基本解決表象問題以及“根本”問題中的發展模塊部分；“根本”問題中的核心還需要高層的運籌帷幄。

五、優化運行模式的指導思想

以原則底線為生存之本；以靈活策劃為發展之道。

主體任務在首位是原則，保質保量按時完成是底線，涉及堆的存活問題，不能突破。首位、確保不是毫無原則不守規矩的借口，規矩不是兒戲，既然知道重要，更應提前策劃。

前沿基礎科學研究是發展是未來，兼顧堆中子束的品質和各類任務的實際需求，統籌策劃各類任務的實施計劃，靈活安排束流供應窗口，制定運行計劃。

六、影響運行模式的因素

CMRR堆包含54個子系統，是一個復雜的大型核設施，它的正常運行主要涉及以下幾個因素：運行維護團隊、堆本體（含設備）、燃料組件、動力供應及相關規程。為了解決CMRR堆面臨的問題，提高運行績效，從容應對CARR堆和散裂源的沖擊，在已有的條件下必須對現有運行模式進行優化。主要涉及：運行維護團隊的容量、堆本體（主要是設備）的穩定性、燃料組件的壽命周期、電力供應的保障能力、任務性質對中子束流的特殊需求。

七、意見建議

在優化CMRR堆運行模式方面主要有以下幾點：

（一）在現有運行維護團隊的基礎上對現行排班進行最優化處理，培養運行操作人員，提高維護人員的能力；同時針對運行維護類人才管理開展創新管理研究，保障團隊的穩定；

（二）對堆本體的主要設備進行精細化管理，全流程跟蹤其狀態和固有壽命，提前策劃，提高本體的穩定性；

（三）在設置運行模式的指導思想下，根據中子束流的品質，劃分運行周期，明確運行主線；

（四）根據任務性質以及對中子束流的品質要求，精細化區分各項任務。

CMRR堆是提供中子束流的一個平臺，在其正常高校效運行的情況下，其績效的最終體現是應用能力和水平，在這方面有以下幾點建議：

（一）大力推進中子學應用以應用促運行

依托已有中子物理學實驗室等對外平臺，大力加強開放與協作，在滿足我所束流實驗需求前提下，盡可能為外單位用戶提供便利。飽滿的應用任務可有效促進CMRR堆高效運行。

（二）加強與外部優勢單位的深度合作，提升現有中子應用平臺的水平

可采用與外部單位（高校）合作共建譜儀的模式，加速中子應用平臺建設，建立長期、穩定、利益共享的深度捆綁聯盟，提升譜儀建設與應用水平（目前已經開始嘗試，建議加大力度）。

（三）大力推進同位素生產的規律化、常態化

（四）完善體制機制建設

以中子物理學重點實驗室為依托優化管理與評價模式，逐步升級為國家級重點實驗室，提高中子科學平臺的層次，集智聚慧，吸引高端人才，推動中子科學技術的發展。