HFETR的老化管理研究與實踐

鄧云李，韓良文，李子彥，蔡文超，劉 鵬，趙 鵬，高業棟，賴立斯

（中國核動力研究設計院，四川成都 610213）

高通量工程試驗堆（High Flux Engineering Test Reactor，簡稱HFETR）是我國自主設計建造的壓力容器式多用途研究堆，其設計功率125 MW，最高熱中子注量率6.2×1014n/cm2·s，最高快中子注量率1.7×1015n/cm2·s。HFETR于1968年5月15日批準設計建造，1971年3月破土動工，1979年12月達臨界，設計壽命20年。

由于缺乏技術、經驗和監管要求［1］，在達到設計壽期后，還未對HFETR的構筑物、系統和設備（Structures Systems and Components，簡稱SSCs）開展系統性的老化管理研究工作，直到在2001年7月的國家核安全局（The National Nuclear Safety Administration，簡稱NNSA）與中國核動力研究設計院（Nuclear Power Institute of China，簡稱NPIC）的對話會上，確定對HFETR進行定期安全審查［2］，并將老化管理作為定期安全審查的關鍵要素之一。通過調研國內外核動力廠及研究堆相關法規、導則、標準及老化管理相關的文獻資料［3，4］，NPIC開始進行SSCs的老化認知及機理研究，完成老化管理對象篩選，編制了老化管理計劃即HFETR老化管理大綱，并按照老化管理計劃積極開展定期試驗、預防性維修、監督檢查等老化管理活動。

通過系統性的老化管理研究，HFETR的老化管理得到了NNSA的認可，滿足定期安全審查的要求。通過NNSA組織的三次定期安全審查，HFETR已延壽至40年，HFETR的安全運行歷史和當前設備的實際狀態表明，HFETR的老化管理研究與實踐是有效的，有望延壽至50年。

1 HFETR的老化管理

老化是SSCs的特征隨時間或使用逐漸變化的過程，使SSCs的老化控制在可接受限值內而采取的工程、運行和維護等活動，稱為老化管理［5］。對SSCs實施有效的老化管理，能夠確定降低反應堆安全裕度的老化影響因素，并能夠在SSCs的完整性或功能喪失之前采取糾正行動，從而維持了反應堆的安全水平。

由于缺乏研究堆老化管理相應的法規與標準，HFETR的老化管理主要參考IAEA的老化管理導則與標準［6，7］及依據核動力廠老化管理導則HAD 103/12—2012［5］編制了老化管理大綱，通過老化管理組織機構的有效運作，協調包括維修、在役檢查、檢查監督、定期試驗等已有的各個大綱，建立了“計劃-實施-檢查-行動”（PDCA）系統性的老化管理方法。

1.1 老化管理組織機構

老化管理活動是一個復雜的過程，涉及的設備數量及設備種類眾多，涵蓋機械、電氣、儀控、運行、化學、反應堆物理熱工等專業，為確保HFETR老化管理活動的有效實施，建立了如圖1所示的老化管理組織機構。

圖1 HFETR老化管理組織機構Fig.1 Aging management organization of HFETR

依據HAD 103/12—2012的要求，NPIC高級管理層即主管副院長領導推動HFETR的老化管理活動，負責批準老化管理大綱并為老化管理活動調配必要的資源。科技處為老化管理的協調部門，負責老化管理計劃的協調開展、老化管理結果的評估以及重大問題的審查。安防處和技質處負責處理老化管理相關的問題，如組織制定老化管理大綱、檢查老化管理實施情況等。NPIC一所作為HFETR的直接營運單位，負責老化管理活動的具體實施，包括開展老化監測與檢查、老化預防及老化緩解等活動。外部單位作為技術服務方，主要向核動力院提供老化機理分析、老化檢查技術、老化評估方法等方面的服務，并由科技處進行接口協調。

1.2 老化管理方法

依據HAD 103/12—2012中的PDCA方法建立了HFETR的老化管理方法，如圖2所示。

圖2 HFETR的老化管理方法Fig.2 Aging management method of HFETR

對老化的認知是有效監測和緩解老化的基礎，同時也是編制老化管理大綱的前提，需要開展SSCs老化管理對象的篩選、SSCs基本資料的收集及老化管理對象的老化機理分析，為老化的預防、檢測、緩解等提供科學依據。

（1）老化認識

HFETR進行SSCs老化管理的原則為分類管理，根據SSCs是否安全重要、是否易更換和老化的可能性及經驗反饋的結果進行分類［8，9］，其分類原則如圖3所示。對于不可更換的安全重要SSCs作為老化管理對象，必須進行老化評估并編制相應的老化管理程序，按照程序實施老化管理活動；對于易更換的安全重要設備，在必要時進行老化評估，通過協調已有的大綱，如在役檢查大綱、維修大綱、定期試驗與檢查大綱以及其他文件等進行老化監測與管理；而非安全重要設備不納入老化管理的范圍。

圖3 老化管理的分類原則Fig.3 Aging management classification principle

按照圖3所示的分類原則確定了7個SSCs作為HFETR老化管理對象，如表1所示。

表1 HFETR老化管理對象Table1 Aging management object of HFETR

逐個對表1中的SSCs進行老化機理分析，主要考慮運行環境及運行方式引起的老化［10］，分析結果如表2所示。

表2 HFETR老化管理對象的老化分析Table2 Aging analysisfor aging management object of HFETR

（2）老化管理活動的建立

根據HFETR SSCs的基本資料和基于老化的認識，編制HFETR老化管理大綱，對老化管理過程提出基本要求及指導。老化管理大綱通過協調已有的各個大綱包括維修、定期試驗與檢查、在役檢查，以及運行規程、運行限制與條件、技術支持文件等，有效地實施老化管理活動。依據老化管理大綱對每個老化管理對象制定了相應的老化管理程序，規定了老化管理對象在老化管理中的活動內容和方法。

（3）老化管理的實施

老化管理活動實施的目的是在SSCs的使用或運行過程中，通過控制造成SSCs老化的運行環境及運行方式等因素，將SSCs性能劣化的降低到最低。老化管理活動實施過程中常采用的方法有水質管理、一次水泄漏率監測、減少瞬態變化次數、最高溫度控制、參數波動范圍控制等，并根據運行規程進行相關設備操作，使HFETR運行過程嚴格遵守運行限值與條件。

（4）老化的監測、檢查和評估

目的是通過對SSCs的檢查和監測，及時探測和表征其顯著的性能劣化，并對所觀測到的性能劣化作出評估，以便確定所需糾正行動的類型和時機。HFETR SSCs老化監測、檢查的方法主要有定期試驗、在役檢查（如無損檢查）、維修后的性能測試、運行過程中的參數及狀態檢測（如系統泄露率，泵的運行震動、溫度、聲音、水質核素分析）等，并通過監測、檢查的結果對設備的老化情況進行老化評估。

（5）行動措施

對出現明顯老化的SSCs，依據HFETR的維修大綱對老化設備進行糾正性維修、預防性維修或進行技術改造更換，有效緩解設備的老化。對于具體的SSCs，應制訂出具體的預防和緩解措施。設備老化的預防和緩解措施主要包括以下幾個方面：

（a）評價部件和系統降質的監督和檢驗活動；

（b）制定預防性維修大綱；

（c）進行運行經驗的階段性評價；

（d）優化運行條件；

（e）進行部件的檢修或更換。

（6）老化管理的更新

老化管理的更新就是老化管理的過時管理，主要包括兩個方面：第一，當法律法規、標準等更新時，已由HFETR的運行質量保證大綱規定，需組織進行相應的大綱文件的更新；第二，基于自身經驗或外部經驗反饋，持續對老化管理大綱進行改進。

2 HFETR老化管理的實踐

HFETR建立的老化管理方法已經過十幾年的老化管理實踐，通過HFETR的安全運行歷史和當前設備實際狀態表明HFETR實施的老化管理活動是有效的，同時在老化管理過程中也積累了寶貴的經驗，以HFETR壓力容器（Reactor Pressure Vessel，簡稱RPV）為例［11］，簡單介紹HFETR老化管理方法的實施過程。

2.1 PRV的焊縫缺陷

HFETRRPV筒體部分共分為3節，由不銹鋼板卷焊而成，中筒節容器內側采用手工打底焊，外層采用自動焊，對接焊的坡口型如圖4所示，焊接厚度均為15 mm。RPV組焊后，所有主焊縫都經過100%超聲波、100%X射線探傷，檢查合格。

圖4 中筒體對接焊坡口型式Fig.4 Butt welding groovetypefor middlecylinder

筒節組焊后，為了消除殘余應力分上下兩段放在臺式爐內進行穩定處理。由于自動焊絲采用H08Cr18Ni11Mo2，在穩定化熱處理時其中的鉬元素促使焊縫材料的α鐵素體向σ相轉變。σ相是復雜的正方晶體結構，是硬而脆的無磁相，導致了焊縫ak值偏低，不能滿足ak≥10 kgm/cm2的設計要求。因此49-3堆壓力容器部分縱焊縫性能降低，并且到發現問題時已無法消除σ相，焊縫ak值偏低成了PRV不能消除的缺陷［12］。

問題發現后，在壓力容器上筒體段（50 mm厚度）切下一塊焊縫作實物試件，由哈爾濱焊接研究所作U形缺口沖擊試驗，主要結果見表3。

表3 筒體對接焊縫的沖擊性能Table 3 Impact property of cylinder weld

經RPV的應力強度模擬計算表明，壁厚為11.98 mm就能夠滿足ASME對屈服強度的規定。由表3可知，手工焊縫部分（焊縫下層）ak滿足設計要求，而手工焊厚度有15 mm，實際運行時滿足強度要求。

2.2 PRV的老化管理活動

經研究表明RPV材料老化的機理主要：輻照脆化、熱老化、回火脆化、疲勞、腐蝕、磨損［13］，而限制RPV壽命的最重要的老化機理是堆芯筒體段的輻照脆化［14，15］。由于HFETRPRV材料為奧氏體不銹鋼，基本上沒有脆化轉變點［16］，但由于PRV的焊縫缺陷，HFETRPRV中筒節焊縫的輻照脆化成了HFETR老化管理的一個關鍵問題。根據HFETR PRV各部件的材料、運行環境進行老化識別，其中主要的老化機理為：輻照脆化、疲勞、應力腐蝕、點蝕、熱老化幾個方面。并依據HFETR的老化管理大綱編制了HFETRRPV老化管理程序，規定了老化管理中具體的實施、監督檢查等活動，HFETR RPV的老化管理活動如表4所示。

表4 HFETR RPV老化管理活動Table 4 Aging management operations of HFETR RPV

2.3 HFETR RPV的老化緩解措施

為了限制HFETR PRV中筒節焊縫的輻照脆化程度并保證在正常運行或事故工況下的反應堆安全，采取了如下緩解措施。

（1）提供安全保障

為限制HFETR RPV焊縫破裂事故發生的后果，利用生物屏蔽層內的3 mm的碳鋼板與RPV之間的夾層形成一個不漏水的包容空間，該包容空間可在RPV中筒節焊縫破裂時，確保RPV內有足夠高的水層不至于燃料元件裸露，該設施被稱為RPV二次包容；為了消除了RPV焊縫破裂及二次包容失效而導致堆芯裸露的安全隱患，先后增設了第二套回補水系統、應急消防注入水系統、移動式應急供水裝置等專設安全設施，保證事故工況下的反應堆安全。

（2）降低中子輻照損傷

為了降低HFETR RPV中筒節縱焊縫處的輻照損傷，采取了以下辦法：用SUS321不銹鋼棒代替堆內最外一圈反射層鋁棒；堆芯采用低泄露裝載方式；堆芯燃料區外布置一定數量的吸收體靶件，因而大幅度降低了RPV焊縫處的快中子注量率。

2.4 RPV的老化管理評價

HFETR的RPV老化管理活動，開展了主要部件、材料的老化機理研究，并按要求開展了監測、監督、檢查等老化活動，并通過采取緩解措施有效地降低了RPV縱焊縫處的輻照損傷，從而保證了RPV在延壽期內的安全性。

3 結語

HFETR已建立了一套老化管理方法，完成了老化機理分析和老化管理對象的篩選，并編制了老化管理大綱和老化管理程序。從HFETR RPV的老化管理活動可以看出，HFETR的老化管理按照老化管理大綱、程序的要求得到了有效地開展。目前HFETR也已經通過了三次定期安全審查，壽期也已成功延長至40年以上，且目前系統設備還保持有足夠的安全水平，表明HFETR的老化管理方法是有效的。