中國綿陽研究堆運(yùn)行模式探索研究

張少華 錢達(dá)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(nèi)外類似研究堆的運(yùn)行模式與狀態(tài)，結(jié)合中國綿陽研究堆的特點(diǎn)以及建設(shè)目標(biāo)，辨識研究堆高效運(yùn)行涉及的主要因素，充分解析本單位任務(wù)性質(zhì)，以"堅(jiān)持原則底線"為生存之本，以"靈活策劃"為發(fā)展之道，優(yōu)化研究堆的運(yùn)行模式以達(dá)到解決當(dāng)前主要矛盾、從容面對沖擊、提升運(yùn)行績效的目的。

關(guān)鍵詞：中國綿陽研究堆；運(yùn)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(yīng)用為首要任務(wù)的研究堆（中子散射、中子成像等）、以輻照生產(chǎn)為首要任務(wù)的研究堆（材料輻照、同位素研制等）以及同時(shí)具備兩種功能的綜合應(yīng)用型的研究堆，而散裂中子源主要用途是中子束流應(yīng)用。

目前，國內(nèi)三大中子源分別是中國綿陽研究堆 （CMRR）、中國先進(jìn)研究堆（CARR）和中國散裂源（CSNS）。其中，CMRR堆已與2012年通過驗(yàn)收，2013年～2016年為試運(yùn)行期，狀態(tài)平穩(wěn)；CARR堆于2017年底完成竣工驗(yàn)收；CSNS預(yù)計(jì)2018年完成建設(shè)（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(shè)中）。CMRR堆是當(dāng)前國內(nèi)唯一正常運(yùn)行的大型中子源。

統(tǒng)計(jì)顯示，2013年CMRR堆運(yùn)行44天，2014年運(yùn)行79天，2015年運(yùn)行105天，2016年運(yùn)行123天，2017年運(yùn)行182天。從近幾年的運(yùn)行情況來看，CMRR堆運(yùn)行時(shí)間日趨飽滿，運(yùn)行效率逐漸提升，標(biāo)志著CMRR堆已經(jīng)進(jìn)入較為穩(wěn)定的運(yùn)行階段。

僅從數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)來看，CMRR堆已進(jìn)入穩(wěn)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(yīng)堆運(yùn)行績效不顯著；第三，CARR堆、東莞散裂源逐步完成建設(shè)投入運(yùn)行，如何面對上述兩個中子源對CMRR堆產(chǎn)生的沖擊。

針對上述幾個問題，研究團(tuán)隊(duì)開展了CMRR堆運(yùn)行模式探索研究。

二、CMRR堆當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)及應(yīng)用情況

（一）運(yùn)行周期

2013年運(yùn)行44天，2014年運(yùn)行79天，2015年運(yùn)行105天，2016運(yùn)行123天，2017年運(yùn)行182天。CMRR堆的運(yùn)行時(shí)間見圖1。（運(yùn)行天數(shù)，指反應(yīng)堆從計(jì)劃運(yùn)行當(dāng)天到完全停堆之間天數(shù)總和，包括啟動前檢查、反應(yīng)堆達(dá)臨界、反應(yīng)堆提升功率、預(yù)定功率運(yùn)行、停堆后余熱排除，以及若干低功率運(yùn)行天數(shù)。）

（二）運(yùn)行模式

當(dāng)前CMRR采用高功率長周期運(yùn)行與低功率短周期運(yùn)行結(jié)合的模式。高功率長周期一般以18～20MW的功率連續(xù)運(yùn)行10天，低功率短周期一般以6MW的功率運(yùn)行40小時(shí)。累積40個滿功率日（FPD）后進(jìn)行換料操作，每次更換5～10根燃料，換料操作（含實(shí)驗(yàn)）需要2周時(shí)間。

（三）CMRR運(yùn)行維護(hù)團(tuán)隊(duì)現(xiàn)狀

CMRR堆運(yùn)行維護(hù)人員共47人，其中反應(yīng)堆操作員12人，反應(yīng)堆設(shè)備維護(hù)工程師30人，冷源維護(hù)工程師5人。

每次運(yùn)行采用4班3倒模式。根據(jù)HAF202要求，操縱人員必須帶照運(yùn)行。正常情況下，取得操縱員執(zhí)照，需要2年時(shí)間，從操縱員到高級操縱員需要3年。當(dāng)前持證操作員共12人，每次運(yùn)行按照法規(guī)設(shè)置3名操作員。

（四）成果

CMRR堆年平均用戶申請達(dá)七十余份，已發(fā)表SCI論文數(shù)十篇（最高IF 19.8），近五年獲國家科技進(jìn)步二等獎1項(xiàng)，軍隊(duì)科技進(jìn)步一等獎兩項(xiàng)，二等獎3項(xiàng)，三等獎7項(xiàng)。

三、國內(nèi)外研究堆運(yùn)維與應(yīng)用水平

（一） 運(yùn)行周期

紅色表示數(shù)據(jù)來源非官方尚存疑。

（二）運(yùn)行管理模式

1.運(yùn)行計(jì)劃制定與執(zhí)行

反應(yīng)堆運(yùn)行部門多為獨(dú)立部門，每個財(cái)政年初，其上級部門會根據(jù)該財(cái)年實(shí)驗(yàn)任務(wù)制定并下達(dá)運(yùn)行計(jì)劃，這些計(jì)劃多在網(wǎng)絡(luò)上對外公布。運(yùn)行部門負(fù)責(zé)按照計(jì)劃進(jìn)行運(yùn)行，通常在每個運(yùn)行周期（一般30天左右）結(jié)束后，會進(jìn)行必要的檢修與換料工作。運(yùn)行計(jì)劃與實(shí)際運(yùn)行情況符合的很好。

2.運(yùn)行隊(duì)伍構(gòu)成與職責(zé)劃分

運(yùn)行維護(hù)隊(duì)伍一般由操作員、維護(hù)工程師、管理人員三種組成。一般有30～50人。核心工作為堆運(yùn)行操作、堆本體的儀器控制系統(tǒng)維護(hù)、堆本體的機(jī)械回路系統(tǒng)維護(hù)、冷源設(shè)備維護(hù)（如有）、堆芯燃料組件操作、堆安全相關(guān)審查文件工作。有些機(jī)構(gòu)研究堆運(yùn)行部門還包括了輻射劑量監(jiān)督、輻照樣品出入堆、輻照小回路運(yùn)行等。更多的工作意味著更大的運(yùn)維人員隊(duì)伍，例如NSBR運(yùn)維隊(duì)伍只負(fù)責(zé)前述4項(xiàng)核心任務(wù)，整個隊(duì)伍只有25人；493堆運(yùn)維隊(duì)伍負(fù)責(zé)了除冷源外幾乎所有工作，運(yùn)維隊(duì)伍達(dá)到上百人。

此外，國外運(yùn)維人員中大多數(shù)都有操作員執(zhí)照（70%～100%），維護(hù)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(guān)，國外甚至允許有學(xué)生操作員。

3.非預(yù)期意外停堆與設(shè)備維保

即使對于運(yùn)行非常成熟的研究堆，每年非預(yù)期的停堆也有5次左右，其中外電網(wǎng)、設(shè)備本身故障、人因誤操作3種因素引起的非預(yù)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(yùn)行周期結(jié)束后會有2周左右的保養(yǎng)檢修或換料時(shí)間。出現(xiàn)設(shè)備故障后，多采用本部門維護(hù)工程自行修復(fù)為主的方式。

（三）堆應(yīng)用管理

研究堆作為平臺為各類應(yīng)用提供服務(wù)

1.束流應(yīng)用中子學(xué)中心

國外依托研究堆或散裂源這樣大型核設(shè)施建立了中子學(xué)研究中心。中子源的高效運(yùn)行為中子學(xué)應(yīng)用提供基礎(chǔ)條件，同時(shí)中子學(xué)應(yīng)用又對源技術(shù)本身提出更高要求，促進(jìn)源技術(shù)發(fā)展。例如：NIST建立了NCNR中子學(xué)中心，依托NSBR堆，每年約有2400多名用戶，發(fā)表學(xué)術(shù)論文350篇以上，NSBR每年運(yùn)行任務(wù)飽滿。桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行了ACRR研究堆與LANSCE散裂源，同時(shí)滿足美國核武器研究和基礎(chǔ)科學(xué)研究生產(chǎn)的需求，同時(shí)這些應(yīng)用也使桑迪亞實(shí)驗(yàn)室的中子源技術(shù)達(dá)到世界一流。

2.材料輻照聯(lián)盟

目前中子材料考驗(yàn)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(lián)盟，歐洲中心聯(lián)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(lián)盟，并進(jìn)一步形成全球范圍的MTR合作，如圖 2所示。

3.同位素生產(chǎn)

同位素生產(chǎn)是一項(xiàng)商業(yè)性非常強(qiáng)的活動，研究堆多只進(jìn)行輻照，輻照完成后需要在熱室使用相關(guān)設(shè)備進(jìn)行復(fù)雜的后處理，通常的做法是將樣品出售給專門的公司進(jìn)行，這樣只需要使用有防護(hù)的運(yùn)輸方式將輻照后樣品運(yùn)出研究堆廠區(qū)即可，更后端的制藥、銷售則有專業(yè)的制藥與銷售公司進(jìn)行。很多研究堆僅依靠單晶硅摻雜（NTD）即可維持堆的運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用。

（四）成果

以美國NIST研究堆為例，每年約有2400多名用戶，發(fā)表學(xué)術(shù)論文350篇以上，培養(yǎng)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(shù)均在1000～1500人。ILL每年產(chǎn)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(jié)：

不考慮設(shè)備穩(wěn)定性、任務(wù)需求飽滿程度、管理水平，研究堆的運(yùn)行周期從技術(shù)上來看，取決于堆的用途、燃料富集度、單次運(yùn)行時(shí)間。

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

四、當(dāng)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(jī)構(gòu)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(yùn)行頻率高、單次效率低，運(yùn)行不規(guī)律、主線不明確

根據(jù)目前CMRR堆承擔(dān)的任務(wù)性質(zhì)可見：內(nèi)部需求有限（主體任務(wù)不飽滿），隨機(jī)性較大，但很重要，必須保證完成；外部需求強(qiáng)烈，但堆運(yùn)行不規(guī)律，束流供給不穩(wěn)定，造成對外提供束流的不穩(wěn)定性，進(jìn)而造成用戶的轉(zhuǎn)向，最終造成堆的影響力逐漸下降。

（二）運(yùn)行績效不明顯

對內(nèi)，主體任務(wù)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(dāng)前未能在此領(lǐng)域發(fā)揮更重要的作用。

對外，在前沿基礎(chǔ)科學(xué)研究領(lǐng)域的發(fā)展中，CMRR做出的貢獻(xiàn)無論數(shù)量還是質(zhì)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(yīng)用平臺特征如表 2所示。相對于其他兩大中子源，CMRR創(chuàng)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(yīng)用和堆內(nèi)輻照生產(chǎn)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(chǎn)無需頻繁啟停，綜合輻照能力遠(yuǎn)高于CARR。

國內(nèi)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(bǔ)充，CARR堆和散裂源的正式運(yùn)行勢必會對CMRR堆帶來沖擊。

近期只有CMRR堆能夠提供高產(chǎn)額高品質(zhì)的中子束流并開展相關(guān)研究工作，應(yīng)抓住機(jī)遇，通過提升平臺能力、加強(qiáng)合作交流，與國內(nèi)高水平用戶建立長期、良好的合作研究團(tuán)隊(duì)，培養(yǎng)忠實(shí)用戶，形成在國家科技發(fā)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(yùn)行模式的優(yōu)化調(diào)整可以基本解決表象問題以及“根本”問題中的發(fā)展模塊部分；“根本”問題中的核心還需要高層的運(yùn)籌帷幄。

五、優(yōu)化運(yùn)行模式的指導(dǎo)思想

以原則底線為生存之本；以靈活策劃為發(fā)展之道。

主體任務(wù)在首位是原則，保質(zhì)保量按時(shí)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(guī)矩的借口，規(guī)矩不是兒戲，既然知道重要，更應(yīng)提前策劃。

前沿基礎(chǔ)科學(xué)研究是發(fā)展是未來，兼顧堆中子束的品質(zhì)和各類任務(wù)的實(shí)際需求，統(tǒng)籌策劃各類任務(wù)的實(shí)施計(jì)劃，靈活安排束流供應(yīng)窗口，制定運(yùn)行計(jì)劃。

六、影響運(yùn)行模式的因素

CMRR堆包含54個子系統(tǒng)，是一個復(fù)雜的大型核設(shè)施，它的正常運(yùn)行主要涉及以下幾個因素：運(yùn)行維護(hù)團(tuán)隊(duì)、堆本體（含設(shè)備）、燃料組件、動力供應(yīng)及相關(guān)規(guī)程。為了解決CMRR堆面臨的問題，提高運(yùn)行績效，從容應(yīng)對CARR堆和散裂源的沖擊，在已有的條件下必須對現(xiàn)有運(yùn)行模式進(jìn)行優(yōu)化。主要涉及：運(yùn)行維護(hù)團(tuán)隊(duì)的容量、堆本體（主要是設(shè)備）的穩(wěn)定性、燃料組件的壽命周期、電力供應(yīng)的保障能力、任務(wù)性質(zhì)對中子束流的特殊需求。

七、意見建議

在優(yōu)化CMRR堆運(yùn)行模式方面主要有以下幾點(diǎn)：

（一）在現(xiàn)有運(yùn)行維護(hù)團(tuán)隊(duì)的基礎(chǔ)上對現(xiàn)行排班進(jìn)行最優(yōu)化處理，培養(yǎng)運(yùn)行操作人員，提高維護(hù)人員的能力；同時(shí)針對運(yùn)行維護(hù)類人才管理開展創(chuàng)新管理研究，保障團(tuán)隊(duì)的穩(wěn)定；

（二）對堆本體的主要設(shè)備進(jìn)行精細(xì)化管理，全流程跟蹤其狀態(tài)和固有壽命，提前策劃，提高本體的穩(wěn)定性；

（三）在設(shè)置運(yùn)行模式的指導(dǎo)思想下，根據(jù)中子束流的品質(zhì)，劃分運(yùn)行周期，明確運(yùn)行主線；

（四）根據(jù)任務(wù)性質(zhì)以及對中子束流的品質(zhì)要求，精細(xì)化區(qū)分各項(xiàng)任務(wù)。

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

（一）大力推進(jìn)中子學(xué)應(yīng)用以應(yīng)用促運(yùn)行

依托已有中子物理學(xué)實(shí)驗(yàn)室等對外平臺，大力加強(qiáng)開放與協(xié)作，在滿足我所束流實(shí)驗(yàn)需求前提下，盡可能為外單位用戶提供便利。飽滿的應(yīng)用任務(wù)可有效促進(jìn)CMRR堆高效運(yùn)行。

（二）加強(qiáng)與外部優(yōu)勢單位的深度合作，提升現(xiàn)有中子應(yīng)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(yīng)用平臺建設(shè)，建立長期、穩(wěn)定、利益共享的深度捆綁聯(lián)盟，提升譜儀建設(shè)與應(yīng)用水平（目前已經(jīng)開始嘗試，建議加大力度）。

（三）大力推進(jìn)同位素生產(chǎn)的規(guī)律化、常態(tài)化

（四）完善體制機(jī)制建設(shè)

以中子物理學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為依托優(yōu)化管理與評價(jià)模式，逐步升級為國家級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，提高中子科學(xué)平臺的層次，集智聚慧，吸引高端人才，推動中子科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。