系統(tǒng)工程方法論在核燃料后處理工程中的應(yīng)用

□高 峰 朱玲凡 周科源 劉會(huì)森 楊 賀 王日騰

一、引言

我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的穩(wěn)定發(fā)展離不開(kāi)能源的支持，而當(dāng)前主要使用的煤、石油等能源對(duì)環(huán)境造成了很大污染，面臨著環(huán)境保護(hù)與溫室氣體減排的巨大壓力，因此“改善環(huán)境質(zhì)量，推動(dòng)綠色發(fā)展”已成為社會(huì)共識(shí)。核能是一種能量密度高、潔凈、低碳的能源，逐漸在我國(guó)能源戰(zhàn)略發(fā)揮至關(guān)重要的作用，肩負(fù)著經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)的雙重使命。

目前，我國(guó)正處于核電發(fā)展的黃金時(shí)期，已成為全球核電在建規(guī)模最大的國(guó)家。“十三五”規(guī)劃進(jìn)一步明確了我國(guó)核電發(fā)展方向—“安全”和“高效”。乏燃料是核反應(yīng)堆在生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中替換出來(lái)的輻照后組件，其具有很強(qiáng)的放射性，隨著核電的發(fā)展，每年產(chǎn)生的乏燃料也隨之大幅增加，安全處理和處置乏燃料是發(fā)展核電必須解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一。建設(shè)核燃料后處理工程，實(shí)現(xiàn)核燃料閉式循環(huán)，是解決乏燃料問(wèn)題的關(guān)鍵途徑[1]，也是我國(guó)指導(dǎo)核能發(fā)展的既定國(guó)家策略。

二、系統(tǒng)工程方法論簡(jiǎn)介

20世紀(jì)50年代～70年代，美國(guó)組織的“曼哈頓計(jì)劃”、“北極星潛射導(dǎo)彈”[2]等復(fù)雜系統(tǒng)成功實(shí)施，提出了最初的系統(tǒng)工程理念和理論方法體系。我國(guó)屬于系統(tǒng)工程學(xué)科研發(fā)最早的國(guó)家之一，在錢(qián)學(xué)森提出的現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)體系中,系統(tǒng)工程屬于系統(tǒng)科學(xué)的應(yīng)用技術(shù),其技術(shù)科學(xué)層次包含運(yùn)籌學(xué)、控制論和信息論,其基礎(chǔ)理論為系統(tǒng)學(xué)。經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，系統(tǒng)工程已經(jīng)形成了較為完備的知識(shí)體系，并廣泛應(yīng)用于大型工程、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)等各個(gè)領(lǐng)域[3]。

系統(tǒng)工程方法論是解決和處理復(fù)雜工程的方法體系，其基本思想就是從系統(tǒng)的綜合、整體出發(fā)，側(cè)重于對(duì)系統(tǒng)總體問(wèn)題的研究，主要包括系統(tǒng)構(gòu)成要素、組織結(jié)構(gòu)、信息交換與反饋機(jī)制等，同時(shí)重視系統(tǒng)與內(nèi)部要素、系統(tǒng)與外部環(huán)境之間的相互聯(lián)系和相互作用的關(guān)系，全面地、準(zhǔn)確地研究對(duì)象[4]。利用分析、綜合、試驗(yàn)和評(píng)價(jià)的反復(fù)迭代過(guò)程，通過(guò)系統(tǒng)工程技術(shù)及系統(tǒng)工程管理兩大并行的優(yōu)化過(guò)程，以期達(dá)到整體最優(yōu)目的的一類(lèi)思維方法和實(shí)用技術(shù)[5]。

系統(tǒng)工程方法論及工具是一門(mén)發(fā)展中的學(xué)科。以美國(guó)為代表的國(guó)際系統(tǒng)工程協(xié)會(huì)引領(lǐng)了系統(tǒng)工程理論的發(fā)展。目前我國(guó)成立了系統(tǒng)工程協(xié)會(huì)，航天、船舶、軍事等領(lǐng)域都有專(zhuān)門(mén)的系統(tǒng)工程研究院。系統(tǒng)工程基于模型的系統(tǒng)工程理論，并開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的工具。

三、核燃料后處理工程是一個(gè)系統(tǒng)工程

核燃料后處理是為了實(shí)現(xiàn)核燃料的回收利用，實(shí)現(xiàn)核燃料的閉式循環(huán)，具有較強(qiáng)的軍民融合性質(zhì)。由于核燃料高放射性這一特性，使得核燃料后處理工程相較于其他行業(yè)后處理工程具有更高的環(huán)境敏感度、社會(huì)關(guān)注度[6]。核燃料后處理工程是一個(gè)系統(tǒng)工程。它具有系統(tǒng)工程的主要特點(diǎn)。

(一)整體性。整體性是系統(tǒng)工程的核心特性，因此在研究某個(gè)系統(tǒng)工程時(shí)要從整體上進(jìn)行分析，重點(diǎn)關(guān)注該系統(tǒng)工程的整體功能。一般來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)工程是由若干分系統(tǒng)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)的，這些分系統(tǒng)之間具有相互關(guān)聯(lián)性和不可分割性，良好的系統(tǒng)工程具有的整體功能應(yīng)大于各個(gè)分系統(tǒng)功能之和[7]。核燃料后處理工程包含核燃料后處理廠設(shè)計(jì)與建設(shè)、乏燃料的運(yùn)輸和貯存、工廠的啟動(dòng)與試運(yùn)行、工藝流程設(shè)計(jì)、廢物處理、檢測(cè)與控制、維修、核保障、產(chǎn)品的運(yùn)輸以及退役等。這些環(huán)節(jié)相互依賴、相互制約，在發(fā)展核燃料后處理時(shí)要從最優(yōu)化出發(fā)，從整體上進(jìn)行考慮，合理規(guī)劃實(shí)施過(guò)程、工作方式方法，這樣才能協(xié)調(diào)這些環(huán)節(jié)，提高核燃料后處理工程實(shí)施的質(zhì)量及成功率。

(二)相關(guān)性。系統(tǒng)工程的各個(gè)組成部分并不是孤立存在的，而是相互聯(lián)系、相互作用的，因此在研究某個(gè)系統(tǒng)時(shí)要注重發(fā)揮系統(tǒng)各組成部分之間協(xié)調(diào)、協(xié)作能力，控制并減小有沖突、有矛盾的部分[8]。以核燃料后處理設(shè)施退役為例，核燃料后處理設(shè)施附帶有極高的放射性，導(dǎo)致退役難度大，且集中，其直接關(guān)聯(lián)的因素主要有廠房布置、空間環(huán)境、工藝設(shè)備結(jié)構(gòu)、源項(xiàng)水平、源分布均勻度等。如廠房外的周邊環(huán)境、屋頂墻面的厚度、地下通道結(jié)構(gòu)尺寸；廠房?jī)?nèi)部布置情況、屏蔽墻和防護(hù)樓板；采用何種處理工藝流程；廢物處理方式等。所以在設(shè)計(jì)初期就要將后處理設(shè)施的退役納入考慮，在后處理建設(shè)方案中，要對(duì)影響退役的各個(gè)關(guān)聯(lián)因素綜合全面的考慮，同時(shí)借鑒國(guó)內(nèi)外便于退役的優(yōu)秀設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，提出合理可行的退役預(yù)案。

(三)協(xié)調(diào)性。協(xié)調(diào)性是指系統(tǒng)工程是由眾多的工作環(huán)節(jié)和相關(guān)單位及其工作任務(wù)目標(biāo)而構(gòu)成的一個(gè)龐大的、復(fù)雜的工程，而這些組成部分之間又互相聯(lián)系、互相制約，這就需要采用科學(xué)、有效的組織管理方式和方法，以保證這些組成部分能夠協(xié)調(diào)、統(tǒng)一運(yùn)行，最終實(shí)現(xiàn)工程的總體目標(biāo)[9]。如在核燃料后處理廠建設(shè)中，要充分協(xié)調(diào)各個(gè)方面的影響因素，主要從廠址選擇、總平面布置、工藝設(shè)計(jì)、設(shè)備設(shè)計(jì)、輻射分區(qū)等幾個(gè)方面進(jìn)行考慮，通過(guò)不斷的交互、反饋、迭代優(yōu)化設(shè)計(jì)，形成最終的建設(shè)方案。

四、核燃料后處理工程中的系統(tǒng)工程方法

(一)核燃料后處理工程的系統(tǒng)環(huán)境分析。任何系統(tǒng)工程都是處在一定的環(huán)境中的，核燃料后處理工程也不例外。系統(tǒng)環(huán)境是指存在于系統(tǒng)之外的，系統(tǒng)無(wú)法控制的自然、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、技術(shù)、信息和人際關(guān)系的總稱(chēng)。環(huán)境對(duì)系統(tǒng)有很大的影響，系統(tǒng)與環(huán)境是相互依存的，因此在研究核燃料后處理系統(tǒng)時(shí)要對(duì)其系統(tǒng)環(huán)境進(jìn)行分析。系統(tǒng)環(huán)境主要包括：物理技術(shù)環(huán)境、社會(huì)人文環(huán)境和經(jīng)營(yíng)管理環(huán)境。

1.物理技術(shù)環(huán)境。物理技術(shù)環(huán)境是系統(tǒng)得以存在的基礎(chǔ)，它主要是指事物的固有屬性所產(chǎn)生的內(nèi)部聯(lián)系而構(gòu)成的因素和處理問(wèn)題中的方法性因素[10]，主要包括以下幾個(gè)因素。

(1)現(xiàn)存系統(tǒng)。目前，世界上多數(shù)核電大國(guó)在核燃料后處理系統(tǒng)方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。在建立一個(gè)新的核燃料后處理系統(tǒng)時(shí)，必須對(duì)現(xiàn)有核燃料后處理系統(tǒng)進(jìn)行必要的系統(tǒng)分析，新系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)必須與現(xiàn)存系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)。新系統(tǒng)與現(xiàn)存系統(tǒng)的并存性和協(xié)調(diào)性等是進(jìn)行系統(tǒng)分析必須考慮的因素。從產(chǎn)量、容量、生產(chǎn)能力、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等方面考慮它們之間的并存性和協(xié)調(diào)性，同時(shí)還要考慮現(xiàn)存系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、使用指標(biāo)，以便新的核燃料后處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更為合理。

(2)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是制定系統(tǒng)規(guī)劃、明確系統(tǒng)目標(biāo)、分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)特征時(shí)應(yīng)遵循的基本約束條件。核燃料后處理系統(tǒng)中應(yīng)遵循的主要有《中華人民共和國(guó)核安全法》《放射性廢物管理規(guī)定》《GB 9133放射性廢物的分類(lèi)》《EJ 877核燃料后處理廠安全設(shè)計(jì)準(zhǔn)則》《EJ/T 939核燃料后處理廠建(構(gòu))筑物》《系統(tǒng)和部件的分級(jí)準(zhǔn)則》《EJ/T 564核電廠物項(xiàng)包裝、運(yùn)輸、裝卸、接收、貯存和維護(hù)要求》《EJ 380開(kāi)放型放射性物質(zhì)實(shí)驗(yàn)室輻射防護(hù)設(shè)計(jì)規(guī)范》《EJ 938核燃料后處理廠通風(fēng)與空氣凈化設(shè)計(jì)規(guī)定》等。

(3)技術(shù)發(fā)展因素。技術(shù)發(fā)展因素的估量分析對(duì)于系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)至關(guān)重要。核燃料后處理技術(shù)包括水法和干法兩條技術(shù)路線，其中水法后處理技術(shù)的發(fā)展大致經(jīng)歷了三個(gè)階段：第一，低燃耗生產(chǎn)堆元件后處理技術(shù)；第二，處理動(dòng)力堆氧化物乏燃料的后處理技術(shù)；第三，動(dòng)力堆元件氧化鈾和MOX乏燃料后處理技術(shù)。在建設(shè)新的核燃料后處理工程時(shí)要從工藝流程、維修、安裝、操作方法等幾個(gè)方面的科技發(fā)展情況進(jìn)行詳細(xì)的調(diào)研和分析，做到有的放矢。

(4)自然環(huán)境。在進(jìn)行系統(tǒng)環(huán)境分析時(shí)必須充分估計(jì)到有關(guān)自然環(huán)境因素的影響。核燃料后處理廠廠址的選擇、乏燃料的運(yùn)輸和儲(chǔ)存以及核燃料后處理設(shè)施的退役等方面必須認(rèn)真考慮自然環(huán)境因素的影響。

2.社會(huì)人文環(huán)境。社會(huì)人文環(huán)境是指大范圍的社會(huì)因素和小范圍的人文因素[11]。

(1)大范圍的社會(huì)因素。大范圍的社會(huì)因素主要考慮人口潛能和城市形成兩個(gè)方面的因素。一方面核燃料后處理工程正常運(yùn)行需要大量的技術(shù)人員和工人，需要人口潛能來(lái)滿足這一要求。另一方面需要城市的建筑、交通、商業(yè)、供應(yīng)、通信等基礎(chǔ)設(shè)施提供必要的保障條件。

(2)小范圍的人文因素。小范圍的人文因素主要是指人的主觀偏好、文化素質(zhì)、道德水準(zhǔn)、社會(huì)經(jīng)驗(yàn)、能力、生理和心理上的特征等在核燃料后處理工程中的作用。這些作用直接體現(xiàn)在開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)、應(yīng)用中。

3.經(jīng)濟(jì)管理環(huán)境。經(jīng)濟(jì)管理環(huán)境是系統(tǒng)之根本，充分考慮和分析系統(tǒng)與經(jīng)濟(jì)管理環(huán)境的相互關(guān)系，才能使設(shè)計(jì)的系統(tǒng)發(fā)揮最大的經(jīng)濟(jì)效益。

(1)外部組織機(jī)構(gòu)。核燃料后處理工程是一項(xiàng)龐大的系統(tǒng)工程，涉及到很多協(xié)作配套單位，如設(shè)計(jì)單位、施工單位、科研咨詢單位等。必須正確處理這些單位之間的各種對(duì)口關(guān)系，如財(cái)務(wù)關(guān)系、合同關(guān)系、技術(shù)轉(zhuǎn)讓關(guān)系、咨詢服務(wù)關(guān)系等。

(2)政策。政策對(duì)于系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)起指導(dǎo)性作用，它是一種非常重要的經(jīng)濟(jì)管理環(huán)境。目前由于能源需求越來(lái)越大，煤、石油等化石能源越來(lái)越緊張，所以國(guó)家在政策上鼓勵(lì)支持發(fā)展核電。核電發(fā)展正處于一個(gè)黃金時(shí)期，而核燃料的后處理是核電發(fā)展的重要環(huán)節(jié)之一，因此建立核燃料后處理系統(tǒng)工程是積極響應(yīng)國(guó)家政策的需要。

(二)核燃料后處理工程的系統(tǒng)功能分析。任何系統(tǒng)都有一定的功能，系統(tǒng)功能反映系統(tǒng)與外部環(huán)境的關(guān)系，表達(dá)出系統(tǒng)的性質(zhì)和行為。系統(tǒng)功能體現(xiàn)了一個(gè)系統(tǒng)與外部環(huán)境之間的物質(zhì)、能量和信息的輸入與輸出的轉(zhuǎn)換關(guān)系。任何系統(tǒng)的功能都不是單一的，而是綜合的。系統(tǒng)功能又可以劃分為外功能和內(nèi)功能。其中系統(tǒng)整體對(duì)外在環(huán)境的作用或影響稱(chēng)為系統(tǒng)的外部功能；系統(tǒng)整體對(duì)內(nèi)在環(huán)境的作用或影響稱(chēng)為系統(tǒng)的內(nèi)部功能[12]。核燃料后處理工程其內(nèi)功能是確保工廠安全和盡量減少工作人員的輻照劑量的情況下進(jìn)行核燃料的后處理，實(shí)現(xiàn)閉式核燃料循環(huán)。外功能則是發(fā)展核電、資源再利用，促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

(三)核燃料后處理工程的系統(tǒng)分析方法和內(nèi)容。核燃料后處理工程是一項(xiàng)復(fù)雜的綜合工程，要通過(guò)科學(xué)的分析工具和方法，分析和確定系統(tǒng)的目的、功能、環(huán)境、費(fèi)用與效益等問(wèn)題。系統(tǒng)分析是以系統(tǒng)整體效益為目標(biāo)，在充分調(diào)研國(guó)內(nèi)外核燃料后處理發(fā)展情況的基礎(chǔ)上，確定系統(tǒng)目標(biāo)，提出為實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的若干可行性方案，通過(guò)模型進(jìn)行仿真試驗(yàn)，優(yōu)化分析和綜合評(píng)價(jià)，最后整理出完整、正確、可行的綜合資料，從而為決策提供充分的依據(jù)。

核燃料后處理工程分析的主要內(nèi)容有：收集與整理核燃料后處理資料、開(kāi)展環(huán)境分析；對(duì)核燃料后處理工程進(jìn)行系統(tǒng)的目的分析，明確工程的目標(biāo)、要求、功能，判斷其合理性、可行性與經(jīng)濟(jì)性；開(kāi)展核燃料后處理工程結(jié)構(gòu)分析，剖析系統(tǒng)的組成要素，了解它們之間的相互關(guān)系，及其與實(shí)現(xiàn)目標(biāo)間的關(guān)系，提供合適的解決方案；建造核燃料后處理工程分析模型、進(jìn)行仿真和模擬試驗(yàn)，分析不同條件下工程可能的結(jié)果；評(píng)價(jià)、比較不同方案，然后進(jìn)行工程系統(tǒng)優(yōu)化；提出系統(tǒng)分析的結(jié)論和建議。

(四)核燃料后處理工程的評(píng)價(jià)與決策。核燃料后處理工程的評(píng)價(jià)就是根據(jù)確定的目的，利用最優(yōu)化的結(jié)果和各種資料，用技術(shù)經(jīng)濟(jì)的觀點(diǎn)對(duì)比各種替代方案，考慮成本與效果之間的關(guān)系，權(quán)衡各個(gè)方案的利弊得失，選擇出技術(shù)上先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)上合理的和現(xiàn)實(shí)中可行的、良好的或滿意的方案[13]。

1.確定評(píng)價(jià)的目標(biāo)。核燃料后處理工程的總體目標(biāo)：安全的處理乏燃料。在這個(gè)基礎(chǔ)上又可設(shè)置分步目標(biāo)，如后處理廠廠址的選擇、乏燃料的運(yùn)輸和貯存方式、工藝流程設(shè)計(jì)、廢物處理、檢測(cè)與控制、最終產(chǎn)品的運(yùn)輸?shù)取?/p>

2.提出評(píng)價(jià)方案。根據(jù)核燃料后處理工程目標(biāo)，在分析各種信息的基礎(chǔ)上，提出系統(tǒng)評(píng)價(jià)的方案并對(duì)各評(píng)價(jià)方案作出簡(jiǎn)要說(shuō)明，使方案的優(yōu)缺點(diǎn)清晰明了，便于評(píng)價(jià)人員掌握。

3.確定評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。核燃料后處理工程的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系要根據(jù)目標(biāo)的層次、結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)、類(lèi)型來(lái)設(shè)置，評(píng)價(jià)指標(biāo)體系設(shè)置要注意全面和重點(diǎn)的結(jié)合，絕對(duì)量指標(biāo)和相對(duì)量指標(biāo)結(jié)合，定量和定性指標(biāo)結(jié)合。對(duì)于核燃料后處理工程來(lái)說(shuō)主要考慮的指標(biāo)有：經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)、社會(huì)性指標(biāo)、資源性指標(biāo)、政策性指標(biāo)、時(shí)間性指標(biāo)。

評(píng)價(jià)完成后，則要進(jìn)行決策，結(jié)合核燃料后處理工程目前狀態(tài)和將來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，依據(jù)系統(tǒng)的發(fā)展目標(biāo)在可選策略中選取一個(gè)最優(yōu)策略并付諸實(shí)施的過(guò)程。整個(gè)決策過(guò)程就是對(duì)目標(biāo)的選擇過(guò)程和對(duì)方案的選擇過(guò)程：前者要求對(duì)目標(biāo)的選擇要明確、具體、恰當(dāng)和可驗(yàn)證；后者是以前者為依據(jù)。

五、結(jié)語(yǔ)

核燃料后處理工程是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，建設(shè)核燃料后處理工程可實(shí)現(xiàn)閉式核燃料循環(huán)，發(fā)展核燃料再利用，對(duì)我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)和國(guó)防的發(fā)展具有極其重要的意義。核燃料后處理工程的研究具有極強(qiáng)的綜合性和系統(tǒng)性，本文從系統(tǒng)工程方法論出發(fā)，綜合考慮核燃料后處理工程實(shí)施的各個(gè)影響因素和各個(gè)階段需要完成的任務(wù)，從環(huán)境分析、功能分析、分析方法及評(píng)價(jià)與決策四個(gè)方面展開(kāi)，采用理論與實(shí)踐相結(jié)合、具體問(wèn)題具體分析的系統(tǒng)工程方法做了初步分析，對(duì)核燃料后處理工程建設(shè)的規(guī)劃與實(shí)施具有一些指導(dǎo)意義。