核燃料后處理技術(shù)成熟度評(píng)價(jià)方法研究

徐東林 姚守忠 第五永清

(中核龍安有限公司，浙江 臺(tái)州 317700)

0 引言

技術(shù)成熟度評(píng)價(jià)是一種技術(shù)狀態(tài)管理方法，于20世紀(jì)70年代由美國(guó)宇航局(NASA)提出，后被推廣至美國(guó)國(guó)防采辦和能源部的重大項(xiàng)目管理中。2013年，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)出版了《航天系統(tǒng)：技術(shù)成熟度等級(jí)及評(píng)價(jià)準(zhǔn)則定義》標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)國(guó)際航天領(lǐng)域的技術(shù)成熟度活動(dòng)進(jìn)行了規(guī)范，標(biāo)志著技術(shù)成熟度評(píng)價(jià)思想與方法在世界范圍內(nèi)得到認(rèn)可。

在我國(guó)，武器裝備、航天器、核電等領(lǐng)域技術(shù)成熟度評(píng)價(jià)規(guī)范[1-4]對(duì)行業(yè)健康、規(guī)模發(fā)展起到了重要作用。目前，國(guó)內(nèi)核燃料后處理正在從中間試驗(yàn)規(guī)模向工業(yè)示范規(guī)模轉(zhuǎn)變，在圍繞商業(yè)大廠技術(shù)開(kāi)展關(guān)鍵技術(shù)科研攻關(guān)的同時(shí)，商業(yè)大廠工程項(xiàng)目也已提上議事日程。借鑒相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)成熟度評(píng)價(jià)工作實(shí)踐，探索核燃料后處理技術(shù)成熟度評(píng)價(jià)規(guī)范，對(duì)促進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)工程化，確保核燃料后處理商業(yè)大廠在技術(shù)先進(jìn)、成熟可靠、安全經(jīng)濟(jì)方面風(fēng)險(xiǎn)可控，具有重要意義。

1 技術(shù)成熟度評(píng)價(jià)流程

航天、武器裝備、核電等領(lǐng)域以及相關(guān)科研驗(yàn)收采取的技術(shù)成熟度評(píng)價(jià)流程不盡相同，體現(xiàn)出各自特點(diǎn)。核燃料后處理設(shè)施不同于航天、武器裝備、核電和一般化工設(shè)施，具有自身特點(diǎn)和特殊要求。借鑒其他行業(yè)技術(shù)成熟度評(píng)價(jià)實(shí)踐，提出核燃料后處理技術(shù)成熟度評(píng)價(jià)流程，如圖1所示。

在評(píng)價(jià)流程中，技術(shù)分解是基礎(chǔ)性工作，決定了技術(shù)成熟度評(píng)價(jià)的系統(tǒng)性和全面性，技術(shù)分解結(jié)構(gòu)應(yīng)遵循相應(yīng)的分解原則；關(guān)鍵技術(shù)元素(Critical Technology Element，CTE)識(shí)別是從成千上萬(wàn)種技術(shù)元素中識(shí)別出預(yù)計(jì)對(duì)工程技術(shù)開(kāi)發(fā)影響較大的代表性技術(shù)元素，CTE識(shí)別必須遵守統(tǒng)一的識(shí)別規(guī)則；CTE的技術(shù)成熟度等級(jí)(Technology Readiness Level，TRL)初判是降低CTE詳判迭代工作量的重要措施；為做好CTE的TRL詳判，需要研究制定TRL評(píng)價(jià)通則，并根據(jù)評(píng)價(jià)通則制定CTE評(píng)判細(xì)則。根據(jù)評(píng)價(jià)目的不同，在完成CTE成熟度評(píng)價(jià)之后，可以根據(jù)需要對(duì)系統(tǒng)或單元的技術(shù)成熟度進(jìn)行評(píng)價(jià)；根據(jù)技術(shù)成熟度評(píng)價(jià)結(jié)論，可發(fā)現(xiàn)工程技術(shù)弱項(xiàng)短板，并安排技術(shù)研發(fā)計(jì)劃，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)工程技術(shù)方案迭代升級(jí)。

2 核燃料后處理典型工程及工藝技術(shù)路線選擇原則

綜合國(guó)內(nèi)外核燃料后處理技術(shù)發(fā)展情況，核燃料后處理典型工程應(yīng)包括乏燃料接收與貯存設(shè)施、乏燃料后處理設(shè)施、高放廢液(分離)處理設(shè)施和放射性廢物處理設(shè)施。核燃料后處理典型工程各主要設(shè)施之間的關(guān)系如圖2所示。

PUREX工藝仍然是后處理主流工藝，工程技術(shù)方案要以PUREX工藝流程為基礎(chǔ)，按照以下4個(gè)原則選擇工藝技術(shù)路線、編制工程技術(shù)方案。

(1)安全可靠性原則。相關(guān)法規(guī)要求，成熟可靠性是民用核設(shè)施始終堅(jiān)守且首要考慮的重要原則。

(2)技術(shù)先進(jìn)性原則。技術(shù)路線選擇要兼顧技術(shù)的先進(jìn)性，以滿(mǎn)足當(dāng)前甚至未來(lái)一段時(shí)期內(nèi)行業(yè)發(fā)展的需要。

(3)工藝完整性原則。典型工程不但要考慮主工藝設(shè)施，還要考慮“三廢”出路或去向，以強(qiáng)化核燃料循環(huán)的可持續(xù)性。

(4)經(jīng)濟(jì)良好性原則。核技術(shù)屬于資金密集型技術(shù)，核燃料后處理設(shè)施自身經(jīng)濟(jì)性是國(guó)內(nèi)專(zhuān)家關(guān)注的重要問(wèn)題。技術(shù)選擇過(guò)度保守，易對(duì)工程造價(jià)產(chǎn)生巨大影響。

3 技術(shù)分解方法

3.1 技術(shù)屬性及技術(shù)成熟度生命周期

后處理工程系統(tǒng)龐大，涉及技術(shù)學(xué)科交織繁雜，具有多種技術(shù)屬性。因此，需要識(shí)別核心技術(shù)，簡(jiǎn)化評(píng)價(jià)內(nèi)容，以精準(zhǔn)配置專(zhuān)業(yè)化評(píng)價(jià)資源。

后處理工程的核心技術(shù)包括核化工工藝技術(shù)、(核)測(cè)量控制技術(shù)、放射化學(xué)分析技術(shù)、核與輻射技術(shù)、熱室檢修技術(shù)和核環(huán)保技術(shù)等，這些核心技術(shù)的技術(shù)狀態(tài)決定了后處理工程的技術(shù)成熟度等級(jí)。分析后處理技術(shù)特點(diǎn)，提出核燃料后處理典型工程各主要設(shè)施之間的關(guān)系，如圖3所示。

3.2 技術(shù)分解原則

核燃料后處理典型工程是以化工工藝功能為主線的復(fù)雜技術(shù)的高度集成系統(tǒng)。技術(shù)分解步驟和分解原則如下：

第一步，以工藝功能為主線，先將設(shè)施縱向分解為若干獨(dú)立的工序，再按照專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域?qū)⒐ば蚍纸鉃橄到y(tǒng)，一般包括工藝系統(tǒng)、測(cè)控系統(tǒng)，有自成體系的檢修系統(tǒng)的應(yīng)單獨(dú)分解出來(lái)。一般按照三層即可分解至系統(tǒng)。通過(guò)第一步的分解，形成工作分解結(jié)構(gòu)(Work Breakdown Structure，WBS)。

第二步，開(kāi)展技術(shù)分解，即以專(zhuān)業(yè)類(lèi)別對(duì)WBS的系統(tǒng)層進(jìn)行橫向技術(shù)分解，分解出技術(shù)單元層。一般情況下，工藝系統(tǒng)可分解為工藝和設(shè)備；測(cè)控系統(tǒng)可分解為測(cè)量技術(shù)、控制技術(shù)；檢修系統(tǒng)可分解為檢修工藝和檢修設(shè)備；對(duì)技術(shù)單元，還需要繼續(xù)分解為若干技術(shù)元素。通過(guò)第二步分解，形成技術(shù)分解結(jié)構(gòu)(Technology Breakdown Structure，TBS)

技術(shù)單元分解可參考以下4條原則：①根據(jù)工藝復(fù)雜程度，將工藝分解為工藝條件和臨界安全限值(如有)，將設(shè)備分解為獨(dú)立的設(shè)備或裝置；②根據(jù)測(cè)控技術(shù)特點(diǎn)，將需要開(kāi)展特殊測(cè)量的技術(shù)單獨(dú)分解出來(lái)作為單獨(dú)技術(shù)元素，將通用測(cè)量技術(shù)作為一項(xiàng)技術(shù)元素；③可根據(jù)需要將控制技術(shù)分解為主控系統(tǒng)和獨(dú)立控制系統(tǒng)(如有)；④根據(jù)檢修對(duì)象不同，分解出對(duì)應(yīng)的檢修工藝，如剪切機(jī)檢修工藝、溶解器檢修工藝，將檢修設(shè)備分解為獨(dú)立的設(shè)備或裝置。

第三步，通過(guò)WBS和TBS方式的分解，獲得技術(shù)元素清單。技術(shù)元素作為技術(shù)分解結(jié)構(gòu)的底層，應(yīng)技術(shù)邊界清晰、功能完整、獨(dú)立性強(qiáng)，可以是工藝條件、臨界限值、單體設(shè)備、工作站、子系統(tǒng)、控制程序(軟件)、算法等。

各層次技術(shù)分解單元賦予獨(dú)立編號(hào)，編號(hào)規(guī)則應(yīng)體現(xiàn)結(jié)構(gòu)性和層次性。推薦采用圖4所示的編號(hào)規(guī)則，無(wú)替代技術(shù)元素時(shí)可省去編號(hào)A。

3.3 首端設(shè)施技術(shù)分解

根據(jù)WBS分解結(jié)構(gòu)原則，首端設(shè)施可分解為剪切溶解工序、料液澄清與計(jì)量工序和廢包殼端頭處理工序，各工序均可相應(yīng)分解為工藝系統(tǒng)、測(cè)控系統(tǒng)和檢修系統(tǒng)。以剪切溶解工藝系統(tǒng)和測(cè)控系統(tǒng)為例。

根據(jù)TBS分解原則，剪切溶解工藝系統(tǒng)可分解為剪切溶解工藝條件、剪切溶解設(shè)備兩個(gè)技術(shù)單元。剪切溶解工藝系統(tǒng)可分解為剪切溶解工藝條件和剪切溶解核臨界限值兩個(gè)主要技術(shù)元素；剪切溶解設(shè)備可分解為乏燃料組件提升與翻轉(zhuǎn)裝置、臥式剪切機(jī)、連續(xù)式溶解器、碘解析器、溶解測(cè)量槽、端頭漂洗器、廢包殼洗滌器、包殼端頭充裝站以及剪切溶解尾氣處理設(shè)備等主要設(shè)備技術(shù)元素。

根據(jù)TBS分解原則，剪切溶解測(cè)控系統(tǒng)可分解為測(cè)量技術(shù)、控制技術(shù)。測(cè)量技術(shù)分為通用測(cè)量技術(shù)，包括溫度測(cè)量技術(shù)、負(fù)壓測(cè)量技術(shù)、液位測(cè)量技術(shù)、速度測(cè)量技術(shù)、行程測(cè)量技術(shù)、定位測(cè)量技術(shù)等；測(cè)量技術(shù)還包括特殊核測(cè)量站，包括乏燃料組件燃耗測(cè)量站、溶解器戽斗進(jìn)料堵塞核測(cè)量站、溜槽堵塞及溶解泡沫核測(cè)量站、溜槽堵塞超聲測(cè)量站、燃料未溶解比率核測(cè)量站、溶解器戽斗卸料核測(cè)量站、廢包殼漂洗進(jìn)料測(cè)量站、廢包殼填充高度核測(cè)量站、循環(huán)桶內(nèi)裂變材料核測(cè)量章等主要技術(shù)元素；控制單元主是1號(hào)站控制系統(tǒng)，包括乏燃料翻轉(zhuǎn)機(jī)的控制、剪切機(jī)的控制、溶解器的控制等。

首端設(shè)施WBS及TBS示意如圖5～圖7所示。

4 關(guān)鍵技術(shù)元素識(shí)別方法

一項(xiàng)技術(shù)元素能否成為一個(gè)系統(tǒng)的CTE，取決于該項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵程度。

4.1 技術(shù)關(guān)鍵程度指標(biāo)

技術(shù)關(guān)鍵程度需要從技術(shù)重要性和技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)性?xún)蓚€(gè)方面建立判定指標(biāo)和判斷標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)乏燃料后處理技術(shù)特點(diǎn)，技術(shù)重要性指標(biāo)主要考慮核安全功能和工藝功能兩個(gè)方面的10個(gè)指標(biāo)，包括：①臨界控制；②放射性物質(zhì)包容；③化學(xué)爆炸預(yù)防；④釋熱導(dǎo)出；⑤電離輻射防護(hù)；⑥工藝指標(biāo)實(shí)現(xiàn)；⑦產(chǎn)能保證；⑧產(chǎn)品指標(biāo)實(shí)現(xiàn)；⑨產(chǎn)品損失預(yù)防；⑩放射性廢物最小化。技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)性指標(biāo)包括技術(shù)新穎程度、技術(shù)應(yīng)用環(huán)境和技術(shù)驗(yàn)證難度三個(gè)維度。

對(duì)10個(gè)重要性指標(biāo)權(quán)重采用層次分析法(AHP)[5]進(jìn)行科學(xué)賦值，權(quán)重賦值見(jiàn)表1。

表1 重要性指標(biāo)權(quán)重賦值

技術(shù)重要性判定標(biāo)準(zhǔn)采用優(yōu)選法規(guī)則設(shè)置邊界。技術(shù)重要性分類(lèi)及標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2。

表2 技術(shù)重要性分類(lèi)及標(biāo)準(zhǔn)

技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)性判斷指標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)參照核電領(lǐng)域執(zhí)行[6]，并進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化。

4.2 技術(shù)關(guān)鍵程度判定

借鑒核電領(lǐng)域技術(shù)成熟度評(píng)價(jià)規(guī)范[6]，采用矩陣評(píng)價(jià)法對(duì)技術(shù)關(guān)鍵程度進(jìn)行判定，評(píng)價(jià)矩陣見(jiàn)表3。

表3 技術(shù)關(guān)鍵程度綜合評(píng)價(jià)矩陣

5 技術(shù)成熟度等級(jí)

5.1 技術(shù)成熟度等級(jí)(TRL)

根據(jù)核燃料后處理技術(shù)成熟度規(guī)律，技術(shù)成熟度等級(jí)采用常用的1～9級(jí)分級(jí)法。

機(jī)械類(lèi)硬件技術(shù)、儀控類(lèi)軟件技術(shù)、分析計(jì)算類(lèi)軟件技術(shù)的成熟度等級(jí)、定義及評(píng)價(jià)通則，參照核電領(lǐng)域成熟度等級(jí)定義及評(píng)價(jià)通則，并做相應(yīng)本地化。

經(jīng)歸納總結(jié)[7-8]，提煉基于1～9級(jí)分級(jí)方法的核燃料后處理中涉及的化工技術(shù)成熟度等級(jí)劃分、等級(jí)定義、等級(jí)內(nèi)涵及評(píng)價(jià)通則。化工技術(shù)成熟度等級(jí)劃分及定義見(jiàn)表4。

表4 化工技術(shù)成熟度等級(jí)劃分及定義

5.2 CTE技術(shù)成熟度等級(jí)評(píng)價(jià)

核燃料后處理項(xiàng)目的成熟度評(píng)價(jià)，先開(kāi)展關(guān)鍵技術(shù)元素(CTE)的成熟度等級(jí)，再計(jì)算工藝單元的成熟度，如有必要也可進(jìn)行系統(tǒng)成熟度等級(jí)判定。

為簡(jiǎn)化CTE評(píng)價(jià)工作量，先開(kāi)展TRL初判，再以評(píng)價(jià)通則為指導(dǎo)制定初判等級(jí)的評(píng)價(jià)細(xì)則，最后根據(jù)評(píng)價(jià)細(xì)則開(kāi)展詳判。在開(kāi)展詳判時(shí)，如果成熟度不滿(mǎn)足該等級(jí)的判定細(xì)則，則需要采取迭代方式繼續(xù)詳判，直到滿(mǎn)足某一等級(jí)的評(píng)價(jià)細(xì)則。迭代流程如圖8所示。

5.3 系統(tǒng)成熟度等級(jí)

系統(tǒng)或工藝單元的技術(shù)成熟度由所包括的關(guān)鍵技術(shù)元素的成熟度等級(jí)決定，其成熟度等級(jí)用技術(shù)成熟度指數(shù)(Technical Readiness Index，TRI)表示。

對(duì)于存在重大類(lèi)關(guān)鍵技術(shù)元素的系統(tǒng)或工藝單元，采用短板法判定，即成熟度最低的關(guān)鍵技術(shù)元素決定系統(tǒng)或工藝單元的成熟度等級(jí)。

對(duì)于存在多個(gè)重點(diǎn)類(lèi)和一般類(lèi)關(guān)鍵技術(shù)元素的系統(tǒng)或工藝單元，采用加權(quán)法計(jì)算其成熟度等級(jí)。計(jì)算公式為

式中，TRLi為第i項(xiàng)CTE的成熟度等級(jí)；n為工藝單元中CTE的總數(shù)量；Wi為第i項(xiàng)CTE成熟度權(quán)重，推薦采用表5方式獲取權(quán)重值，也可由專(zhuān)家商議確定；TRI取小數(shù)點(diǎn)后一位。

表5 核電領(lǐng)域技術(shù)成熟度CTE的權(quán)重[6]

6 結(jié)語(yǔ)

本研究在歸納總結(jié)基礎(chǔ)上開(kāi)展的方法創(chuàng)新包括：

(1)建立了核燃料后處理技術(shù)成熟度評(píng)價(jià)模型，提出了技術(shù)成熟生命周期規(guī)律。

(2)結(jié)合核燃料后處理工藝特點(diǎn)及特殊要求，提出了針對(duì)性強(qiáng)的技術(shù)分解方法。

(3)建立了技術(shù)重要性評(píng)價(jià)模型，并通過(guò)引入層次分析法，計(jì)算確定了技術(shù)重要性判定標(biāo)準(zhǔn)。

(4)提出了化工工藝技術(shù)、化工設(shè)備技術(shù)的成熟度等級(jí)定義。

(5)對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)或單元，引入技術(shù)成熟度指數(shù)，將技術(shù)成熟度等級(jí)進(jìn)一步量化。

(6)提出了關(guān)鍵技術(shù)元素成熟度等級(jí)評(píng)價(jià)簡(jiǎn)化方法，可有效降低評(píng)價(jià)工作量。