馬 帥 劉宇生 張澤宇

核電廠延壽的方向

馬 帥 劉宇生 張澤宇

核電廠延壽作為提高核電持續(xù)發(fā)展能力和經(jīng)濟(jì)性的重要方法，是世界主要核電國(guó)家的通用選擇。本文對(duì)核電廠延壽中的老化管理和壽命管理方法進(jìn)行了梳理歸納，通過(guò)分析世界主要核電國(guó)家核電廠壽命管理的實(shí)踐，結(jié)合我國(guó)已有安全審查的經(jīng)驗(yàn)，提出了構(gòu)建核電廠壽命管理的總體實(shí)施框架的建議，并分兩個(gè)層次給出了具體的實(shí)施建議。

世界范圍內(nèi)，越來(lái)越多的核電廠正進(jìn)入壽命后期，數(shù)據(jù)顯示，全球共有在役核電機(jī)組441座，在建機(jī)組62座，其中約有20％的運(yùn)行年限超過(guò)30年，70％的運(yùn)行年限超過(guò)20年。我國(guó)也不例外，截止到2015年，秦山核電廠已運(yùn)行25年之久，接近30年的設(shè)計(jì)壽命，大亞灣核電廠已運(yùn)行超過(guò)20年。綜上，壽命管理及延壽作為與核電廠老化密切相關(guān)的問(wèn)題，已經(jīng)成為核電行業(yè)內(nèi)關(guān)注的重點(diǎn)問(wèn)題和研究方向。我國(guó)作為全球核電在建規(guī)模最大的國(guó)家，研究核電廠壽命管理及延壽許可，既是核電事業(yè)發(fā)展的現(xiàn)實(shí)要求，也是核能應(yīng)用長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展的客觀需求。

壽命管理本質(zhì)上是電廠安全運(yùn)行與經(jīng)濟(jì)效益最大化之間的平衡問(wèn)題，涉及電廠設(shè)備的失效老化、事故安全分析等多方面的內(nèi)容，因此需要從我國(guó)核電發(fā)展特點(diǎn)的實(shí)際出發(fā)，構(gòu)建核電廠壽命管理的總體實(shí)施框架。本文在對(duì)老化管理和壽命管理方法梳理歸納的基礎(chǔ)上，通過(guò)分析世界主要核電國(guó)家核電廠壽命管理的實(shí)踐，結(jié)合我國(guó)已有十年安全審查的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)我國(guó)核電廠壽命管理的頂層設(shè)計(jì)和延壽問(wèn)題提出了若干建議。

1 老化管理及壽命管理

核電廠老化是指系統(tǒng)、構(gòu)筑物和部件（SSCs）的物理性能隨時(shí)間或使用逐步退化改變的過(guò)程，這一過(guò)程可能涉及單一的老化機(jī)理或多種老化機(jī)理的綜合作用。雖然核工業(yè)界和監(jiān)管部門(mén)制定了嚴(yán)格的安全要求和質(zhì)量保證計(jì)劃，但由于設(shè)計(jì)、制造中的缺陷或運(yùn)行環(huán)境的不斷變化甚至人為的誤操作，設(shè)備仍會(huì)出現(xiàn)不可預(yù)見(jiàn)的老化現(xiàn)象。

1987年美國(guó)愛(ài)達(dá)荷國(guó)家實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的調(diào)查分析表明：31％的失效事件可歸因于老化失效。所以需要研究各種老化機(jī)理，通過(guò)積累電廠實(shí)際運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)，采用先進(jìn)檢測(cè)手段發(fā)現(xiàn)、解決老化問(wèn)題，即進(jìn)行老化管理。所謂老化管理（AM）是指為了在可接受的限度內(nèi)控制SSCs的老化退化而采取的工程、運(yùn)行及維修等方面的措施。

國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)（IAEA）出版的“核動(dòng)力廠設(shè)計(jì)安全規(guī)定（NS-R-1）”和“核動(dòng)力廠運(yùn)行安全規(guī)定（NSR-2）”，國(guó)家核安全局發(fā)布的“HAF102核動(dòng)力廠設(shè)計(jì)安全規(guī)定”和“HAF103核動(dòng)力廠運(yùn)行安全規(guī)定”等法規(guī)中，均從設(shè)計(jì)、運(yùn)行等方面對(duì)老化管理作了原則性的規(guī)定。

根據(jù)相關(guān)研究報(bào)告，老化管理涉及的核心環(huán)節(jié)如圖1所示。

圖1 老化管理基本步驟

核電站中有數(shù)以萬(wàn)計(jì)的各類(lèi)設(shè)備，運(yùn)行期間必然會(huì)逐步老化退化，而這種老化勢(shì)必會(huì)影響設(shè)備的可靠性，進(jìn)而直接或者間接影響電廠的安全和壽命。由于核電站從投入運(yùn)行直至退役，主設(shè)備在全壽期內(nèi)是不進(jìn)行更換的，因此設(shè)備的壽命將決定電廠的服役時(shí)間。同時(shí)，還有許多設(shè)備在執(zhí)行保證一回路壓力邊界完整性、維持停堆狀態(tài)和防止放射性物質(zhì)外泄時(shí)發(fā)揮著重要作用?；谝陨峡紤]，反應(yīng)堆壓力容器、主泵、蒸汽發(fā)生器、穩(wěn)壓器、安全殼、堆腔混凝土結(jié)構(gòu)、不銹鋼部件、電纜等可作為老化檢查工作的重點(diǎn)關(guān)注設(shè)備。

在明確選取設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)，確定需關(guān)注的重要設(shè)備后，老化機(jī)理的研究便成為問(wèn)題的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。老化機(jī)理多種多樣，各設(shè)備老化形式也不盡相同。首先，需要對(duì)設(shè)備的材料、運(yùn)行工況、周?chē)h(huán)境有充分的了解。其次，要全面掌握設(shè)備設(shè)計(jì)、制造、安裝、調(diào)試、運(yùn)行等方面的資料。最后還要對(duì)設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行、材料、焊接、力學(xué)、水化學(xué)、腐蝕防護(hù)等領(lǐng)域有足夠的知識(shí)儲(chǔ)備。因此，設(shè)備老化機(jī)理的確定是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，對(duì)分析者的綜合能力有很高的要求。

識(shí)別老化機(jī)理的同時(shí)，還需確定應(yīng)用何種監(jiān)測(cè)方式以及采取何種緩解手段。老化監(jiān)測(cè)的目的是對(duì)老化狀態(tài)進(jìn)行定量評(píng)估。以穩(wěn)壓器波動(dòng)管為例，由于內(nèi)部熱分層現(xiàn)象引起的熱疲勞是其主要的老化機(jī)理，則溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建立是有必要的。對(duì)于電纜老化問(wèn)題，周?chē)h(huán)境數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)則具有重要意義。綜上，監(jiān)測(cè)的難點(diǎn)在于找到老化機(jī)理背后所反映的重要影響因子。針對(duì)緩解環(huán)節(jié)，有了老化機(jī)理和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的支撐，整體上要增加維修整治的頻度，在局部則需根據(jù)實(shí)際情況和經(jīng)驗(yàn)反饋采取恰當(dāng)措施。例如，為緩解波動(dòng)管的熱疲勞，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際布置情況，可以適當(dāng)增加水平段的傾角，避免發(fā)生熱分層現(xiàn)象，以達(dá)到緩解目的。又如，降低電纜所處周?chē)h(huán)境溫度，則可以大大降低老化速率。綜上，緩解措施的具體實(shí)施手段須與工程實(shí)際相結(jié)合，找到合理可行的最優(yōu)解決方法。

2009年，國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)（IAEA）將老化管理與經(jīng)濟(jì)計(jì)劃相統(tǒng)一，提出了全壽期老化管理的理念，又稱(chēng)壽命管理（PLM），其目標(biāo)為：優(yōu)化SSCs的運(yùn)行、維修和服務(wù)壽命；維持一個(gè)可接受的性能和安全水平；最大限度地獲得電廠服務(wù)的回報(bào)。

壽命管理將傳統(tǒng)的老化管理步驟覆蓋至從電廠設(shè)計(jì)、建造、調(diào)試，直到運(yùn)行、延壽和退役的全生命周期，對(duì)核電廠的設(shè)計(jì)、設(shè)備制造、設(shè)備鑒定、建造調(diào)試、營(yíng)運(yùn)管理、檢查維修、執(zhí)照取證、延壽模式、退役模式等過(guò)程均提出了新的要求。從本質(zhì)上看，壽命管理方式是促使核電廠在設(shè)計(jì)階段，就向著更安全、更長(zhǎng)久、更穩(wěn)定的方向發(fā)展，從而為后期的延壽夯實(shí)基礎(chǔ)。

世界各國(guó)的壽命管理實(shí)踐

目前，世界各國(guó)采用的壽命管理方式主要有執(zhí)照更新（License renewal，LR）和定期安全審查（Periodic safety review，PSR）兩種。其中，美國(guó)對(duì)老化管理和壽命管理研究得最為成熟，采用了LR方式；日本和大多數(shù)歐洲國(guó)家執(zhí)行PSR方式；西班牙、匈牙利等其他國(guó)家則同時(shí)采用LR和PSR兩種方式對(duì)核電廠進(jìn)行壽命管理。

執(zhí)照更新壽命管理方式為固定執(zhí)照模式，以執(zhí)照更新為基礎(chǔ)，實(shí)行運(yùn)行執(zhí)照有年限模式（一般為40年）。該方式主要關(guān)注三個(gè)方面的內(nèi)容：1）電站整體性評(píng)估（Integrated plant assessment，IPA），即對(duì)電站非能動(dòng)、長(zhǎng)壽期SSC執(zhí)行的老化管理進(jìn)行評(píng)估，以確保在具備足夠的安全裕量的前提下使電站服役時(shí)間超過(guò)設(shè)計(jì)壽期；2）限時(shí)性老化分析（Time limited ageing analyses，TLAA），例如中子輻照脆化、疲勞等；3）最終安全分析報(bào)告（FSAR）升級(jí)，包括現(xiàn)有老化管理措施、改進(jìn)的老化管理措施、新的老化管理措施等。

定期安全審查壽命管理方式無(wú)須申請(qǐng)執(zhí)照更新，以定期安全審查為基礎(chǔ)，實(shí)行運(yùn)行執(zhí)照無(wú)期限模式，該方式要求定期（一般是10年）對(duì)核電廠進(jìn)行一次整體全方位的綜合評(píng)估，在安全審評(píng)中，關(guān)注安全系統(tǒng)的退化、可靠等問(wèn)題，并大致預(yù)測(cè)電廠可繼續(xù)服役的時(shí)間。

根據(jù)IAEA出版的安全導(dǎo)則NS-G-2.10，定期審查的主要內(nèi)容包括：

1）工程技術(shù)評(píng)估，適用于安全事項(xiàng)或安全要素，用來(lái)評(píng)估電站實(shí)際情況與當(dāng)前安全要求、設(shè)計(jì)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)的差異，這項(xiàng)評(píng)估應(yīng)基于電站現(xiàn)有能夠體現(xiàn)安全相關(guān)SSCs狀態(tài)的技術(shù)文檔，其范圍應(yīng)包含正常運(yùn)行、設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故及超設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故等；

2）將機(jī)組的當(dāng)前安全水平與設(shè)計(jì)水平相比較，易識(shí)別機(jī)組的退化，查找最初安全分析的不足，將機(jī)組的安全水平與最新實(shí)踐或運(yùn)行機(jī)組相比較，提高機(jī)組安全水平以高于最初設(shè)計(jì)或經(jīng)驗(yàn)反饋分析而產(chǎn)生的持續(xù)改進(jìn)水平；

3）確定性安全分析，對(duì)電站所發(fā)生的瞬變及事故工況進(jìn)行分析，確定是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)規(guī)范要求，從而對(duì)電站實(shí)際狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估；

4）概率安全分析（PSA），從電站層面對(duì)影響安全運(yùn)行的重大事件進(jìn)行分析提供事件發(fā)生的次數(shù)及等級(jí)。

對(duì)比上述兩種壽命管理方式可知，壽命管理方式的選擇與各國(guó)的具體情況緊密相關(guān)。美國(guó)采用LR體系，是因?yàn)槠渚邆淞送晟频暮穗姀S執(zhí)照更新制度，通過(guò)超期運(yùn)行必須申請(qǐng)執(zhí)照更新的方式處理核電廠老化問(wèn)題。此外，NRC可利用其核電廠監(jiān)督程序?qū)\(yùn)行核電廠實(shí)行在線(xiàn)監(jiān)督，也是美國(guó)不依靠PSR進(jìn)行核電廠壽命管理的前提。而日本和大多數(shù)歐洲國(guó)家因管理體制方面，尤其是在線(xiàn)監(jiān)督方面存在不足，所以選擇PSR方式。因此，我國(guó)也應(yīng)根據(jù)核電發(fā)展特點(diǎn)及監(jiān)管現(xiàn)狀，積極探索適合自身的壽命管理方式。

我國(guó)核電廠壽命管理實(shí)踐及建議

我國(guó)核電發(fā)展較晚，秦山一期核電站和大亞灣核電站的首次十年安全審查是僅有的兩次核電廠壽命管理實(shí)踐，這兩次實(shí)踐具有以下特點(diǎn)。

1） 起步較晚，相關(guān)的基礎(chǔ)研究不足。由于我國(guó)核電發(fā)展較晚，壽命管理起步也較晚，相關(guān)領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究不足，特別是金屬材料和非金屬材料在高溫、高輻照、高濕度、多相介質(zhì)等惡劣條件下的老化機(jī)理研究非常缺乏。這間接制約了老化狀態(tài)評(píng)估及監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)技術(shù)的發(fā)展。

2） 研究成果缺乏整合，統(tǒng)一評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)不足。國(guó)內(nèi)部分單位陸續(xù)開(kāi)展了基礎(chǔ)研究，但各研究單位受自身資源和所屬集團(tuán)利益的限制，各研究項(xiàng)目之間沒(méi)有相互銜接，缺乏共享和有機(jī)整合，這極大地降低了各單位研究成果的權(quán)威性和代表性。此外，至今我國(guó)尚未建立起完整的核電廠延壽管理法規(guī)體系，缺少管理法規(guī)、導(dǎo)則、規(guī)范等標(biāo)準(zhǔn)文件，沒(méi)有統(tǒng)一的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，不利于相關(guān)評(píng)價(jià)工作的開(kāi)展。

3） 老化管理分散，尚未形成老化及壽命管理體系。目前，我國(guó)的老化管理工作分散體現(xiàn)在維修、檢查、監(jiān)測(cè)、監(jiān)督、水化學(xué)、經(jīng)驗(yàn)反饋、設(shè)備合格鑒定和定期安全審查等活動(dòng)中，管理經(jīng)驗(yàn)及數(shù)據(jù)不足，未形成系統(tǒng)化的老化和壽命管理體系。以秦山核電站為例，雖然延壽問(wèn)題已經(jīng)列入電廠管理層的規(guī)劃中，但延壽策略仍未確定，延壽申請(qǐng)的相關(guān)工作仍不明確。

總結(jié)上述老化管理與壽命管理的重點(diǎn)問(wèn)題和世界上的實(shí)踐情況，結(jié)合我國(guó)電廠延壽管理的現(xiàn)狀，筆者認(rèn)為我國(guó)應(yīng)構(gòu)建核電廠老化及壽命管理的總體實(shí)施框架，總體實(shí)施框架在兩個(gè)層次上實(shí)施，頂層需建立完整的核電廠老化及壽命管理體系，為底層提供指導(dǎo)；底層則需提出具體的老化管理方法并進(jìn)行老化機(jī)理研究，為頂層提供技術(shù)支撐。對(duì)頂層和底層的具體建議如下。

國(guó)家層面上，政府主管部門(mén)即國(guó)家核安全局，可以參考?xì)W盟在2006年啟動(dòng)的核電廠壽命預(yù)測(cè)（NULIFE）研究計(jì)劃，建設(shè)老化數(shù)據(jù)庫(kù)及經(jīng)驗(yàn)反饋信息中心等歸口式的管理機(jī)構(gòu)，有機(jī)整合各單位機(jī)構(gòu)開(kāi)展的研究及成果，構(gòu)建資源開(kāi)放、信息對(duì)等的交流平臺(tái)；貫徹全壽期老化管理方式，從設(shè)計(jì)階段開(kāi)始就實(shí)行有效的壽命管理制度，督促業(yè)主經(jīng)常開(kāi)展老化檢查，并將每次老化檢查的間隔時(shí)間縮短，且每次檢查核安全局應(yīng)指派專(zhuān)員全程參與，將發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題記錄備案，進(jìn)行針對(duì)性解決；圍繞主設(shè)備（主要指RPV）的老化行為、非金屬老化行為、電纜老化、輻照脆化等重大問(wèn)題組織國(guó)內(nèi)科研力量，逐一進(jìn)行深入研究，解決制約老化管理和壽命管理的關(guān)鍵問(wèn)題，制定統(tǒng)一的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)；建立核電站老化和壽期管理協(xié)作制度，明確核安全當(dāng)局、業(yè)主和科研單位的職責(zé)分工和相互關(guān)系（見(jiàn)圖2），形成統(tǒng)一、指導(dǎo)性強(qiáng)、可操作性強(qiáng)的老化和壽命管理法規(guī)和技術(shù)體系。

圖2 國(guó)家管理部門(mén)、業(yè)主和科研機(jī)構(gòu)的職責(zé)分工及相互關(guān)系

業(yè)主層面上，即核電廠營(yíng)運(yùn)者，要在遵從國(guó)家頂層設(shè)計(jì)、管理規(guī)范等硬性要求的基礎(chǔ)上，建立企業(yè)內(nèi)部的協(xié)作研究平臺(tái)，打造良好的研究氛圍；實(shí)行精細(xì)化管理，責(zé)任分工明確；提供更多的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)，督促電廠一線(xiàn)操作和維修人員，深入了解電廠老化和壽命管理的內(nèi)涵，學(xué)習(xí)相關(guān)專(zhuān)業(yè)知識(shí)，在操作和維修現(xiàn)場(chǎng)中積累實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)電廠設(shè)備老化的問(wèn)題及規(guī)律，并及時(shí)解決，形成一套行之有效的工作方式；做好宣傳工作，讓員工意識(shí)到老化和壽命管理的重要性，培養(yǎng)一批在核電站老化和壽命管理有豐富經(jīng)驗(yàn)的人才。

結(jié)語(yǔ)

核電站延壽的研究已成為各國(guó)核電長(zhǎng)期發(fā)展的重要問(wèn)題。核電站延壽是安全性與經(jīng)濟(jì)性之間的博弈，國(guó)家核安全當(dāng)局、業(yè)主、科研機(jī)構(gòu)應(yīng)保持良好合作關(guān)系，共同研究確定最優(yōu)的電廠延壽模式。本文在對(duì)老化管理和壽命管理方法梳理歸納的基礎(chǔ)上，通過(guò)分析世界主要核電國(guó)家核電廠壽命管理的實(shí)踐，結(jié)合我國(guó)已有十年安全審查的經(jīng)驗(yàn)，從國(guó)家、業(yè)主兩個(gè)層面提出了建立健全法規(guī)制度、貫徹全壽期管理模式、建立國(guó)家級(jí)資源共享平臺(tái)、培養(yǎng)電站延壽領(lǐng)域精英、提高老化管理意識(shí)、增強(qiáng)一線(xiàn)操作維修人員技術(shù)水平等一系列建議，為我國(guó)核電站延壽管理提供了可參考的總體實(shí)施框架。

馬 帥 劉宇生 張澤宇

環(huán)境保護(hù)部核與輻射安全中心

馬帥（1988-）男，吉林省，助工，現(xiàn)主要從事反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)力學(xué)、熱工水力等科研工作。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.16.002