高溫氣冷堆設計分析管理體系研究

中核能源科技有限公司 何 磊

建設一套完整的設計分析管理體系并施行有效的管理措施，是施行核電安全和質量管理的重要措施，是設計過程標準化的重要保障。

1 設計分析管理體系的目的和重要性

設計分析是獲得設計成果過程中產生的一系列設計活動，包括計算、試驗、分析、論證等，通過這些設計活動形成設計成果的支持性材料[1]。由于核電廠對安全要求的嚴格性和特殊性，尤其是對于核安全相關的建構物、系統、設備、部件等，其形成的設計文件都須論證其安全性、可靠性、準確性是否滿足核安全法規、導則和標準規范的要求；同時由于核電廠設計過程的階段性，設計支持性文件的深度、范圍等都需對應不同階段有不同的要求，因此核電廠的設計分析工作要比一般工程項目的要求高，工作量大，覆蓋面廣，尤其要涉及到所有與安全相關的物項。

高溫氣冷堆核電技術是具有第四代先進核反應堆技術特征的堆型，其示范工程已在榮成石島灣開工建設。該項目屬于科研轉化項目，形成的設計支持性文件也較多，涉及理論研究、試驗驗證、前期論證以及工程設計等方面。相對于國內成熟的壓水堆核電技術已具有較完整和成熟的設計分析管理體系，高溫氣冷堆核電技術在設計分析管理方法以及管理程序方面尚未形成標準化，為使高溫氣冷堆的技術底蘊更加充實，固有安全的特性更加具有說服力，須加強設計分析管理體系的建設。

2 高溫堆設計分析文件管理體系框架

設計分析文件體系是對形成設計成果文件過程中產生的計算說明書、論證報告、試驗報告等技術文件進行統籌管理的體系，其框架建設的合理性是設計過程有序、層次、完整地開展的保證。壓水堆根據自己設計分析文件的用途和技術領域建立了體系框架。某核電設計院壓水堆設計分析文件管理體系大體的框架如下：事故分析和安全評價、運行特征分析、核設計、熱工水力設計、源項與屏蔽設計分析、系統設計分析、系統和設備的力學分析、廠房的結構設計分析、人因工程分析、廠址條件設計分析。高溫氣冷堆核電技術作為中國自主研發堆型具有獨特的設計特點，從研發到工程應用形成的設計分析文件更完善、更具有層次性。因此高溫氣冷堆設計分析文件管理體系框架與壓水堆有以下不同：

由于高溫氣冷堆已有運行的原型堆（HTR-10），核相關專業設計分析文件可按照理論研究、試驗驗證、應用驗證、工程設計等方面從時間序列上進行歸類；球狀燃料是高溫氣冷堆設計特點之一，從燃料設計、試驗驗證到制作加工等方面形成的設計分析文件較多，因此單獨作為一個版塊進行歸類；高溫氣冷堆主要設備，尤其是核蒸汽供應系統主要設備（球床式反應堆、螺旋管式蒸汽發生器、陶瓷堆內構件等）均是經自主研發設計、制造方案分析、試驗驗證、工程應用等階段的技術積累，形成豐富的設計分析文件，因此單獨作為一個版塊進行歸類；建立“綜合性設計分析”版塊，涵蓋工程前期編制的設計分析文件，如廠址選擇分析、工程方案分析、取排水工程經濟分析、電力平衡計算分析等。

結合高溫氣冷堆技術特點，在壓水堆設計分析文件管理體系框架的基礎上構建高溫氣冷堆設計分析文件管理體系框架：綜合性設計分析（工程前期文件、設計階段文件）、核設計、熱工水力設計、燃料設計、核設備設計分析、運行特征分析、事故分析和安全評價、源項與屏蔽設計分析、建筑結構設計、系統設計分析（電氣專業、儀控專業、水工專業、暖通專業、力學專業、核島工藝、常規島工藝等）。

為滿足不同設計階段的設計要求，設計分析文件可按照各設計階段深度要求的不同采用技術成熟度分類法進行說明。對一些需根據設計階段的遞進而不斷細化的設計分析文件，可根據不同階段的要求制定技術成熟度的層次范圍，以滿足對技術文件的層次性管理要求。

技術成熟度等級參照歐美的TRL劃定方法[2-3]：TRL1闡述基本原理，科學研究發展到應用研究；TRL2確定技術方案，提出實際應用設想，尚無證明和詳細分析來支持；TRL3分析方案特性，驗證關鍵功能，通過分析和研究對方案或應用設想進行驗證；TRL4進行進一步分析或試驗性測評，性能達到實現方案所需水平，但與最終系統相比保真度較低；TRL5模擬實際使用環境，對系統或部件進行有效確認，系統模型或部件的保真度顯著提高；TRL6模擬實際使用環境，驗證系統模型或原型機有效，系統模型或原型機保真度遠超TRL5的水平，充分驗證實際系統應用的工程可行性；TRL7～9系統原型在實際運行環境下得到試驗驗證。根據體系框架、研發設計階段、技術成熟度三個要素，構建出設計分析文件管理體系。

3 核電設計分析管理體系的管理措施

設計分析文件作為設計成果的重要組成部分，可根據與委托方簽署的設計合同向委托方或安全評審中心提供必要的計算表或報告等。為確保設計成果文件是建立在充分的設計分析基礎上，核電設計分析管理體系的管理措施如下：

應在設計合同中明確設計單位應完成的設計分析工作，設計策劃階段在設計分析管理體系框架基礎上建立文件清單，明確工作范圍和內容；設計分析應涵蓋所有核安全級系統和設備的重要設計問題。在設計策劃中確定關于核安全級系統和設備的設計分析的成熟度范圍，應用于不同設計階段的評審要求；在設計過程控制的各個環節應針對設計分析的各類型活動提出相關的控制要求，例如設計輸入過程，針對設計要求中的基本設計參數進行可達性分析，針對項目采用的標準規范進行適應性分析，以保證設計輸入資料的準確性和完整性。

為便于設計分析工作的查閱、審查、應用和修訂，須將設計分析工作文檔化，并通過以下措施加強設計分析文件的控制：在設計分析管理體系框架基礎上作好設計分析文件的分類工作，便于各種用途的檢索；設計分析文件要具有可追溯性和順序性。按照實際執行的次序編排文檔，便于設計分析文件的追溯。設計分析成果在工程實踐應用中會出現偏差，通過文檔的可追溯性和順序性，可根據之前的文件記錄分析出現問題的原因。例如對事故分析過程中所形成的文件應按以下次序進行文檔編排：始發事件分析、事件樹分析、系統分析(故障樹分析、事故序列定量化分析、不確定性分析和敏感性度分析；統一制定各類設計分析文件的格式和編碼，經過審查與確認后歸檔保存。

組織專家對設計分析文件進行評審。根據文件的重要程度對設計分析文件進行分類，一類是設計單位內部專家評審，二類是外部專家專業評審，三類是外部專家綜合評審，有的評審可和核安全、專篇和專題評審結合起來；建立設計分析過程接口協調機制，例如建立定期設計協調會制度，組織各設計接口相關方以專題等形式解決和協調接口問題，制訂計劃和方案；定期進行檢查、及時跟蹤，以落實設計分析策劃書中的任務，保證設計分析任務按期完成；制定質量保證大綱以及實施細則等文件監控設計分析活動。

綜上，設計分析管理體系的建立保證了設計分析文件的完整性、有序性和層次性，同時使設計文件具有了可追溯性。采用技術成熟度的說明，規定了各類設計分析文件的深度，同時也滿足了國外核電設計文件評審體系的要求。設計分析管理體系的建立是實現高溫氣冷堆設計過程標準化的重要措施，是核安全理念貫徹于整個設計過程的重要保障。