小型模塊堆的人因工程審評
——以高溫氣冷堆示范工程為例

董曉璐，劉景賓，孔 靜

（生態(tài)環(huán)境部核與輻射安全中心，北京 100082）

美國三哩島核事故之后，核電業(yè)界認識到人因工程在電廠設(shè)計中的重要性，特別是必須在核安全審評中對人因工程的要求予以關(guān)注［1］。隨著人因工程理念在核電廠設(shè)計、建造和運行中的深入發(fā)展，逐漸形成了以人為中心、多階段和全過程的設(shè)計思想［2-5］。核電廠的人因工程審評，涵蓋了從計劃、分析、設(shè)計、驗證、確認到實施和運行的全過程，涉及到人與機器（硬件、軟件）、環(huán)境和運行管理間的交互［2，3，6］。在NUREG-0711“Human Factors Engineering Program Review Model”中，將審查分解成人因工程管理、運行經(jīng)驗評審、功能分析與分配、任務(wù)分析、人員配備與資質(zhì)、重要人員動作處理、人機接口設(shè)計、規(guī)程開發(fā)、培訓(xùn)大綱開發(fā)、人因驗證與確認、設(shè)計實現(xiàn)和人員效能監(jiān)視等12 個要素，并分別針對每個要素提出了相關(guān)的要求［5］。

在以往的核安全審評中，主要審評對象為大型壓水堆核電廠，相關(guān)的信息與經(jīng)驗也來自于這些電廠的設(shè)計、建設(shè)、運行和維護。從人因工程的角度看，雖然對任何核電廠的設(shè)計審查都需要經(jīng)過相似的步驟，并關(guān)注相似的人因工程要素，但如果電廠本身在采用技術(shù)和運行方式上發(fā)生較大的變化，會使在運行經(jīng)驗評審、功能分析與分配、任務(wù)分析、人員配備與資質(zhì)、重要人員動作處理、人機接口設(shè)計、規(guī)程開發(fā)、培訓(xùn)大綱開發(fā)、人因驗證與確認等諸多方面的審查內(nèi)容發(fā)生重大變化。

小型模塊堆是目前核電的一個重要發(fā)展方向。由于設(shè)計目標和技術(shù)的變化，小型模塊堆在系統(tǒng)、功能和運行等多方面都與傳統(tǒng)大型壓水堆核電廠存在較大差異。因此，有必要探討小型模塊堆自身的設(shè)計情況和運行特點，了解這些變化對計劃、分析、設(shè)計、驗證、確認、實施和運行等階段的具體影響，有助于人因工程的核安全審評。

高溫氣冷堆示范工程是我國目前在建的重要小型模塊堆。本文將以高溫氣冷堆為例，對其設(shè)計和審評關(guān)注點進行介紹，以展示小型模塊堆對人因工程審評的影響；再根據(jù)小型模塊堆的設(shè)計和運行特點，總結(jié)人因工程核安全審評在計劃、分析和設(shè)計階段需要關(guān)注的重要問題。

1 小型模塊堆的發(fā)展狀況

優(yōu)化新一代小型和中型核反應(yīng)堆，旨在更靈活、經(jīng)濟地提供能源，電功率通常小于700 MWe，很多設(shè)計的功率小于300 MWe［7］。小型堆單堆熱功率小，停堆后的剩余衰變熱少，有利于提高固有安全，并可通過非能動安全設(shè)施的應(yīng)用，進一步提高反應(yīng)堆的安全性［2］。小型堆模塊可使系統(tǒng)簡化，實現(xiàn)模塊化的設(shè)計、制造和安裝，能縮短建設(shè)時間，并簡化運行與維修［1］。多模塊布置的小型堆可通過多模塊組合，形成不同容量規(guī)模的核電廠或核供熱廠［7，8］。除發(fā)電外，小型模塊堆還可應(yīng)用于蒸汽供應(yīng)、區(qū)域供熱、海水淡化和氫氣生產(chǎn)等多方面，除了用于內(nèi)陸地區(qū)，也可為海島、海上油氣鉆井平臺供電、供汽或供熱。

小型反應(yīng)堆的潛在風(fēng)險小、用戶多元化，既可用于具有大型電網(wǎng)的工業(yè)化國家，又可用于電網(wǎng)不發(fā)達的發(fā)展中國家［8］。在全球范圍內(nèi)，中國、阿根廷、南非、日本、法國、俄羅斯及美國等國家的多家公司積極參與小型模塊堆的研發(fā)。根據(jù)IAEA于2014年發(fā)布的報告，全世界有超過45 個正在進行開發(fā)的中小型堆，包括中國的一體化壓水堆ACP-100 和球床模塊式高溫氣冷堆HTR-PM［7-11］。其中有4個反應(yīng)堆已開始建設(shè)，包括阿根廷的工業(yè)原型堆CAREM-25，俄羅斯安裝在駁船上的浮動堆KLT-40S 和破冰船RITM-200，還有中國的高溫氣冷堆工業(yè)示范電廠HTR-PM［7］。除水冷堆和高溫氣冷堆外，還有采用快堆技術(shù)的新型堆，如鈉冷快堆、液態(tài)重金屬堆、氣冷快堆和熔鹽快堆，其中包括中國鈉冷池式快堆CFR-600 和鉛基研究堆CLEAR-I［12］。表1 列出了我國主要中小型堆的設(shè)計情況［7-12］。

表1 我國主要的先進中小型堆Table 1 Major advanced small and medium sized reactors in China

2 高溫氣冷堆示范工程的例子

球床模塊式高溫氣冷堆（HTR-PM）由清華大學(xué)核研院設(shè)計，目前正進行示范工程的建設(shè)。該堆的設(shè)計具有固有的安全特性，有較低的功率密度、較大的負溫度系數(shù)、較大的溫度裕度和較低的剩余反應(yīng)性。在設(shè)計基準事故下，衰變熱可以通過熱傳導(dǎo)和熱輻射，由非能動的方式從堆芯帶出。設(shè)計限制了事故下的溫度，基本消除了堆芯熔化和放射性大規(guī)模釋放的可能性［7，13］。

高溫氣冷堆示范工程（以下簡稱示范工程）以發(fā)電為目標，由2座反應(yīng)堆和相應(yīng)的蒸汽發(fā)生器構(gòu)成的核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)模塊共同向1臺汽輪發(fā)電機組提供高參數(shù)的過熱蒸汽，發(fā)電功率為200 MWe，如圖1所示［7］。反應(yīng)堆采用控制棒和吸收球兩套系統(tǒng)來控制反應(yīng)性，可進行在線換料［7］。HTR-PM 的一回路包括壓力容器、蒸汽發(fā)生器和熱氣導(dǎo)管，主氦風(fēng)機安裝在蒸汽發(fā)生器的頂端，位于蒸汽發(fā)生器壓力殼內(nèi)，如圖2所示［7］。2 座反應(yīng)堆布置在同一反應(yīng)堆廠房內(nèi)。整個電廠由反應(yīng)堆、一回路系統(tǒng)、專設(shè)安全設(shè)施、儀表與控制系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、蒸汽電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、放射性廢物處理系統(tǒng)和輻射防護系統(tǒng)等組成，核島與常規(guī)島的廠房布置如圖3所示［7］。

HTR-PM 在設(shè)計上可以通過增加模塊來提高電站功率。目前，清華大學(xué)核研院正在研究有多個標準反應(yīng)堆模塊（如2個、6個或9個）和單個汽輪機（200 MWe、600 MWe或1000 MWe）的方案。對于除發(fā)電外其他的目標，如過程熱的應(yīng)用和氫氣生產(chǎn)，還需要進一步研究［7］。

圖1 HTR-PM兩堆帶一機發(fā)電的流程圖Fig.1 HTR-PM twin-reactor power conversion flow diagram

圖2 HTR-PM的反應(yīng)堆配置Fig.2 Reactor configuration of HTR-PM

在示范工程的主控制室內(nèi)，布置有2個反應(yīng)堆的控制臺和位于中間的常規(guī)島控制臺，值班長臺布置在控制臺后方?？刂剖艺胺皆O(shè)置了展示系統(tǒng)狀態(tài)和流程的模擬盤，擺放順序與控制臺一致；乏燃料通風(fēng)切換臺、應(yīng)急電力系統(tǒng)監(jiān)控盤和火災(zāi)報警盤分別放置在控制室兩側(cè)，如圖4～圖6所示［14，15］。

圖4 高溫氣冷堆示范工程主控制室布置Fig.4 Main control room layout of the HTR-PM demonstration project

圖5 高溫氣冷堆示范工程主控制臺示意圖Fig.5 Main control stations of the HTR-PM demonstration project

圖6 高溫氣冷堆示范工程模擬盤示意圖Fig.6 Mimic panels of the HTR-PM demonstration project

2.1 高溫氣冷堆與水堆

示范工程在設(shè)計上與傳統(tǒng)壓水堆存在差異，如采用燃料球，可在線裝卸料；使用氦氣作為冷卻劑，配備有氦風(fēng)機和氦凈化系統(tǒng)；采用兩堆帶一機的運行方案，在啟停、瞬態(tài)和事故處理時2個反應(yīng)堆間可能產(chǎn)生互相影響等。上述差異產(chǎn)生了新的任務(wù)要求，如啟停堆時需要考慮2 個堆的情況；事故演變的風(fēng)險不同于水堆，需要關(guān)注2個堆的狀態(tài)；增加了燃料裝卸系統(tǒng)和氦凈化系統(tǒng)的操作任務(wù)等。相應(yīng)地，根據(jù)確定論和概率論分析得到的重要人員動作也會有所差別［16］。

2.2 “兩堆帶一機”的控制室設(shè)計和現(xiàn)場布置

由于系統(tǒng)和任務(wù)的差異，示范工程安全重要的過程和參數(shù)與傳統(tǒng)壓水堆核電廠不同。2個堆的監(jiān)控設(shè)施布置在同一控制室中，也容易發(fā)生干擾或混淆。示范工程的人機接口既有數(shù)字化的屏幕、鼠標和鍵盤，也有大量傳統(tǒng)的監(jiān)視和控制器，如安全工作站、棒控操作、報警光字牌、狀態(tài)光字牌和模擬盤等，在操控時需要同時使用。在過程控制上，示范工程采用了很多自動化處理，包括功率調(diào)節(jié)和在線裝卸料等功能。針對示范工程特殊的人機接口設(shè)計，應(yīng)當關(guān)注功能分配和任務(wù)設(shè)置的合理性，以及操縱員對系統(tǒng)狀態(tài)的監(jiān)視情況和情境意識水平。界面設(shè)計應(yīng)能清晰顯示兩堆的狀態(tài)，避免兩堆間的混淆，支持共用系統(tǒng)監(jiān)控，并能為不同角色的人員提供任務(wù)上的幫助。

在傳統(tǒng)的雙機組核電廠中，現(xiàn)場常發(fā)生走錯隔間或操作錯誤設(shè)備的事件。而示范工程中兩個堆的許多就地設(shè)施布置在同一廠房或房間內(nèi)，應(yīng)關(guān)注現(xiàn)場標識的設(shè)置，以避免混淆。

2.3 運行團隊的協(xié)作要求

示范工程中2個反應(yīng)堆的監(jiān)控位于同一控制室。正常運行時，主控制室內(nèi)的3名操縱員分別負責(zé)1 號堆、2 號堆和常規(guī)島的監(jiān)控，1 名副值長負責(zé)協(xié)調(diào)監(jiān)督。在發(fā)生異?；蚴鹿蕰r，可由技術(shù)支持中心給予支持。值長在事故條件下，負責(zé)領(lǐng)導(dǎo)全值操縱員按規(guī)程指引將機組導(dǎo)入安全穩(wěn)定狀態(tài)。

相比傳統(tǒng)壓水堆，示范工程平均每堆的負責(zé)人員數(shù)量減少。操縱員的任務(wù)分配、班組的協(xié)調(diào)配合以及交接班的內(nèi)容方式都有很大差異。對于示范工程，2名反應(yīng)堆操縱員間可能存在干擾，從而影響對所負責(zé)的機組狀態(tài)的判斷；操縱員對于兩堆共用系統(tǒng)的監(jiān)控可能變得薄弱；二回路操縱員要關(guān)注來自2 個堆的需求，工作負荷可能增加；副值長和值長須了解2個堆各自的狀態(tài)，但若發(fā)生混淆或產(chǎn)生“鎖孔”效應(yīng)，則會影響決策。盡管在正常工況下，2名反應(yīng)堆操縱員的工作相對獨立，但在發(fā)生對兩堆均有影響的瞬態(tài)、異?；蚴鹿蕰r（如失電和二回路事故），或兩堆共用系統(tǒng)異常時，則需要更好的團隊配合。另外，當兩堆同時發(fā)生瞬態(tài)、異?；蚴鹿蕰r，協(xié)作上的難度也會增加。

2.4 “兩堆帶一機”的故障處理和規(guī)程編制

示范工程的運行規(guī)程主要包括總體運行規(guī)程、系統(tǒng)運行規(guī)程、報警響應(yīng)規(guī)程、故障處理規(guī)程、事故處理規(guī)程和定期試驗規(guī)程幾類。規(guī)程的編寫考慮雙堆運行的需求和各類工況，包括了1號堆、2號堆、共用系統(tǒng)和協(xié)調(diào)控制等幾個方面的內(nèi)容。在故障處理時，兩堆單獨使用的規(guī)程互不影響；但在核島側(cè)公共系統(tǒng)故障處理規(guī)程中，分別闡述了對2個堆檢查與處理的要求。在共用系統(tǒng)故障時，除解決系統(tǒng)本身的故障，也需對可能受影響的2個反應(yīng)堆進行檢查。

3 與小型模塊堆相關(guān)的人因工程問題

從高溫氣冷堆示范工程的例子可以看到，小型模塊堆在電廠設(shè)計目標、自動化水平、班組協(xié)作、人員配備、運行和維修等方面，都與傳統(tǒng)的大型商業(yè)核電廠存在差別。由不同的設(shè)計特點和運行特征所帶來的差異和影響可分為以下幾類［17］：

（1） 新技術(shù)帶來的功能和任務(wù)。例如，新目標帶來新任務(wù)和附加的負荷；對于采用非輕水堆技術(shù)的電廠，有不同的管理要求；更多采用負荷跟蹤的運行方式，由此需要更多的監(jiān)控活動；新的換料方法；新技術(shù)帶來的新的危害；模塊化的建造和系統(tǒng)模塊的維護等。對于采用多堆運行且可改變規(guī)模的設(shè)計，可能在其他堆運行時增加或減少反應(yīng)堆模塊。除了產(chǎn)生新的任務(wù)，也會對正在運行的反應(yīng)堆產(chǎn)生影響。

（2）多機組運行、團隊協(xié)作和人員配備。各個機組可能處于不同工況，如不同功率水平、停堆、啟堆、換料、瞬態(tài)、事故以及不同的試驗或維修狀態(tài)。同時，機組間的設(shè)計也常常存在差異。如果操縱員把注意力放在某個特定機組上，可能會忽視（Neglect）其他機組，或不能注意到其他機組的重要變化，即變化盲視（Change blindness）。若需要單個班組或操縱員同時監(jiān)控多個機組，保持情境意識會更困難［18，19］。與此同時，模塊間的共用設(shè)備和機組間的相互影響也可能增加操縱員的工作負荷。

對于小型模塊堆，在啟堆或事故等高工作負荷的情境下，可能需要增加人員。設(shè)計時需考慮操縱員的角色分配，以及角色分配對團隊協(xié)作的影響，使設(shè)計能更好地支持人員績效和系統(tǒng)安全。在交接班時，由于可能涉及多個機組，情況也更為復(fù)雜。

（3）設(shè)置自動化水平。設(shè)置自動化水平需確定功能在系統(tǒng)和人員間的分配。在管理多機組的小型模塊堆時，人員需要自動化的輔助。自動化水平的變化，會對操縱員的任務(wù)、認知和協(xié)作模型產(chǎn)生深層影響。

在人與高自動化水平的系統(tǒng)進行交互時，會出現(xiàn)新的情況，如分配給人的角色不支持人員績效；操縱員對自動化過程不理解；人的工作負荷低、喪失警惕和自滿松懈；操縱員因在環(huán)路外而不熟悉，情境意識降低；在自動化失效時，人的工作突增，可能存在工作負荷轉(zhuǎn)換的困難；人員的技能喪失；產(chǎn)生新的人員失誤類型，如“模式錯誤”；而當系統(tǒng)自動化的可靠性降低時，操縱員對自動化的信任降低，人員績效也會下降［20］。設(shè)計時需設(shè)置合適的自動化水平，以便操縱員管理變化的工作負荷，保持對多機組的情境意識。為了避免過度自動化帶來的負面影響，可使用不同水平的、更加“交互式”的自動化方式；也可使用“適應(yīng)性”的自動化，即自動化水平根據(jù)人員的需要和電廠的狀態(tài)而動態(tài)變化［19，21］。

（4）多機組監(jiān)控的人機界面設(shè)計。需考慮的情況包括：不同機組狀態(tài)不同、機組間存在設(shè)計差異、對共用部分的監(jiān)控、在其他機組運行期間加入新機組、多機組的異常工況和事故條件下機組間的影響等。

綜上，小型模塊堆與傳統(tǒng)壓水堆核電廠存在較多差異。新技術(shù)的應(yīng)用使得小型模塊堆在系統(tǒng)特性、事故演化和過程控制等方面都有所不同，加上多堆運行和自動化水平的提高，這些差異可影響任務(wù)、人員、界面、規(guī)程和培訓(xùn)等各方面。在計劃、分析和設(shè)計階段，與小型模塊堆相關(guān)的人因工程問題包括以下方面。

3.1 運行經(jīng)驗評審

小型模塊堆的設(shè)計雖然沒有直接的參考電廠和運行經(jīng)驗，但相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用實踐和研究結(jié)果都可以提供參考。在核電廠已有經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，可調(diào)研并參考業(yè)界的相似應(yīng)用，比如，火電廠、化工廠甚至無人機控制［13］。相關(guān)調(diào)研使設(shè)計人員可以更全面地考慮各個影響因素、吸收優(yōu)秀經(jīng)驗和規(guī)避錯誤設(shè)計。

3.2 功能分析分配和任務(wù)分析

由于小型模塊堆可能采用新的技術(shù)和系統(tǒng)設(shè)計，其功能分析分配的結(jié)果與傳統(tǒng)電廠有較大差異，相應(yīng)的人員任務(wù)和重要人員動作也不相同。此外，還需關(guān)注以下2個方面。

3.2.1 反應(yīng)堆的設(shè)計目標

目前，我國設(shè)計的小型反應(yīng)堆主要以發(fā)電為目的，但在計劃中，也提到了供熱或氫氣生產(chǎn)等用途。如果實施，需要考慮不同目標對于系統(tǒng)和任務(wù)的影響。

3.2.2 自動化水平的設(shè)置

由于新任務(wù)和多堆運行，小型模塊堆需要通過提高系統(tǒng)的自動化水平來減輕人員負荷，提高系統(tǒng)的整體效率和安全水平。由于過高的自動化可能讓人失去警覺，且自動化的失效不僅會直接影響系統(tǒng)績效，也會影響人員對自動化的信任和人的工作模式。因此，設(shè)置合適的自動化水平是一個重要且復(fù)雜的問題。

3.3 團隊協(xié)作、人員配備和職責(zé)分配

由于功能和任務(wù)的變化，以及控制室布置和設(shè)施的差異，使得小型模塊堆操縱員的配備和職責(zé)與傳統(tǒng)核電廠相比有所不同。多堆運行條件下，控制室中平均每個堆的人員配備會少于傳統(tǒng)核電廠。人員配備和職責(zé)的變化，會影響正常和事故條件下，班組執(zhí)行任務(wù)的方式和方法。設(shè)計需要研究和驗證新的團隊協(xié)作方式對任務(wù)執(zhí)行的支持，還應(yīng)考慮對于共用設(shè)施監(jiān)控任務(wù)的職責(zé)分配。

3.4 人機接口設(shè)計

人機接口設(shè)計應(yīng)當結(jié)合功能、任務(wù)、自動化水平和人員配備等方面的要求，清晰、準確地為操縱員提供所需的信息，提供方便可靠的操作方式，并為人員的任務(wù)和決策提供恰當?shù)闹С帧Ｈ藱C接口支持的任務(wù)包括正常運行、異常工況和事故管理以及維修和變更的管理。

在多堆運行的情況下，需要關(guān)注相關(guān)的信息呈現(xiàn)。多個機組可能處于不同的運行狀態(tài)，其設(shè)計也可能存在差異，導(dǎo)致產(chǎn)生混淆的情況。而當操縱員將注意力集中在一個機組上時，可能會忽視其他機組。在進行異常處理或發(fā)生事故時，這些問題的影響變得更加顯著。同時，不同機組間的互相影響、多堆出現(xiàn)異常和共用系統(tǒng)異?？赡軙骨闆r變得更加復(fù)雜。因此，人機接口設(shè)計需要對上述情況予以考慮，并為相關(guān)任務(wù)提供支持。在人機接口設(shè)計的評估測試中，需考慮增加能體現(xiàn)多堆影響的指標，如忽視時間、變化覺察和變化盲視。同時，由于自動化水平的提升，應(yīng)關(guān)注其失效帶來的影響。在評估場景的選擇上，需要做相應(yīng)的考慮。

若小型模塊堆采用多個反應(yīng)堆模塊，并擁有較多的共用設(shè)施，則更易發(fā)生混淆，應(yīng)關(guān)注就地設(shè)施的接口設(shè)計、標識設(shè)置和現(xiàn)場管理。

3.5 規(guī)程編制和人員培訓(xùn)

規(guī)程和培訓(xùn)內(nèi)容的制定，需考慮前述各項因素。同時，規(guī)程的執(zhí)行方式也會對人機接口的設(shè)計、人員職責(zé)、團隊協(xié)作方式和人員培訓(xùn)產(chǎn)生影響。對于適用于多堆運行的規(guī)程，在內(nèi)容上需考慮多堆的影響和人員的職責(zé)分配。

3.6 對于日常維修、大修和裝卸料的考慮

目前，小型模塊堆的運行經(jīng)驗尚且不足，對日常維修、大修和裝卸料等活動的考慮有限。由于設(shè)計的改變，上述活動的執(zhí)行方式和相關(guān)要求與傳統(tǒng)電廠有較大差異，可能會產(chǎn)生新的人因問題。需要對相關(guān)任務(wù)進行分析，充分考慮人因工程方面的要求，在設(shè)計上對人員任務(wù)予以相應(yīng)的支持。

4 結(jié)論

本文綜述了小型模塊堆的發(fā)展情況，以高溫氣冷堆示范工程為例，介紹了相關(guān)的設(shè)計和審評中關(guān)注的主要內(nèi)容。在此基礎(chǔ)上，本文綜述了小型模塊堆的設(shè)計和運行特征，并總結(jié)了在計劃、分析和設(shè)計階段與之相關(guān)的人因工程問題。小型模塊堆是未來核電的一個重要發(fā)展方向，本文希望通過對小型模塊堆發(fā)展情況和設(shè)計特征的綜合分析，以及對審評情況和相關(guān)人因工程問題的總結(jié)討論，為今后相關(guān)的審評工作提供參考和支持。