先進(jìn)堆評(píng)估方法研究

霍建明，霍小東，楊海峰，郭治鵬，張浩然，鄭保軍，孫燕宇，鄭平輝，申 騰，趙秋娟，范雯雯，郭韶華

(中國(guó)核電工程有限公司，北京 100840)

從21世紀(jì)開(kāi)始，世界各國(guó)都致力于核能可持續(xù)發(fā)展研究。2000年，國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)(IAEA)啟動(dòng)了創(chuàng)新型核反應(yīng)堆和燃料循環(huán)國(guó)際項(xiàng)目(INPRO)[1]，美、法、日、英等國(guó)組建了第四代核能系統(tǒng)國(guó)際論壇(GIF)，并于2002年推薦了六種四代堆型[2]。目前，國(guó)內(nèi)在四代堆研發(fā)方面，有鈉冷快堆、鉛(鉍)冷快堆、高溫氣冷堆、超臨界水堆、熔鹽堆等。堆型的綜合性能和發(fā)展?jié)摿υu(píng)估，是堆型性能提升和堆型選擇決策的一個(gè)基礎(chǔ)和前提，是一個(gè)頗具挑戰(zhàn)的工作。挑戰(zhàn)源于涉及的領(lǐng)域多、專業(yè)面廣，兼之研發(fā)深度不夠?qū)е碌募夹g(shù)信息缺乏、應(yīng)用創(chuàng)新技術(shù)伴隨的技術(shù)發(fā)展預(yù)期等，特別是不同評(píng)價(jià)維度的權(quán)重考慮以及他們之間的平衡與側(cè)重。

鑒于綜合評(píng)估對(duì)堆型技術(shù)研發(fā)的積極推動(dòng)作用，其成為四代堆技術(shù)研發(fā)的一個(gè)重要分支。INPRO項(xiàng)目的一個(gè)重要成果是INPRO評(píng)估方法，GIF在經(jīng)濟(jì)、安全、防擴(kuò)散與實(shí)物保護(hù)等領(lǐng)域推出了評(píng)估方法，并開(kāi)展了相應(yīng)的案例應(yīng)用研究[3-14]。美國(guó)能源部對(duì)先進(jìn)反應(yīng)堆開(kāi)展了技術(shù)審查實(shí)踐，對(duì)核燃料循環(huán)開(kāi)展了評(píng)估和篩選[15-17]。另外，還有針對(duì)先進(jìn)堆或四代堆的經(jīng)濟(jì)、安全等領(lǐng)域的專項(xiàng)研究工作。國(guó)內(nèi)部分單位參與了一些INPRO項(xiàng)目組、GIF組織的研究項(xiàng)目，在堆型評(píng)估方面有一些工作，但尚未在評(píng)估方法方面開(kāi)展深入的研究工作。

本文詳細(xì)研究了INPRO方法、GIF方法、美國(guó)能源部(DOE)的評(píng)估實(shí)踐等，分析了這些方法的特點(diǎn)、共通與差異之處。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)中國(guó)先進(jìn)堆型研究發(fā)展的具體情況，提出了一套適用于我國(guó)現(xiàn)狀的先進(jìn)堆型評(píng)估方法，為我國(guó)先進(jìn)堆型的綜合評(píng)估提供體系與手段，可以使堆型研發(fā)單位不斷改善弱項(xiàng)、改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，更可作為堆型對(duì)比篩選提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)和科學(xué)工具。

1 現(xiàn)有方法簡(jiǎn)介

1.1 INPRO方法

INPRO方法是INPRO項(xiàng)目的一個(gè)重要成果[1]，作為一種自上而下的方法體系，將核能可持續(xù)發(fā)展的總目標(biāo)，從經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、社會(huì)、制度等四個(gè)維度分解到經(jīng)濟(jì)、基礎(chǔ)、廢物管理、防擴(kuò)散、實(shí)物保護(hù)、環(huán)境、安全等領(lǐng)域。在每個(gè)領(lǐng)域內(nèi)定義了基本原則(BP)、用戶要求(UR)和準(zhǔn)則(CR)，其體系如圖1所示，匯總?cè)绫?所示。領(lǐng)域內(nèi)頂層的基本原則，描述了核能系統(tǒng)在該領(lǐng)域內(nèi)的總體目標(biāo)，為核能系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)提供廣泛的指導(dǎo)。中間的用戶要求，給出了核能系統(tǒng)為獲得用戶接受所必須滿足的條件。底層的準(zhǔn)則由指標(biāo)和接受限值組成。在針對(duì)具體堆型開(kāi)展評(píng)估時(shí)，采用自下而上的方法，將該堆型的指標(biāo)值與接受限值比較，判斷其是否滿足特定準(zhǔn)則或是否有滿足特定準(zhǔn)則的潛力。針對(duì)用戶要求的所有準(zhǔn)則逐一開(kāi)展評(píng)估，針對(duì)基本原則的所有用戶要求逐一開(kāi)展評(píng)估，針對(duì)評(píng)估領(lǐng)域內(nèi)的所有基本原則逐一開(kāi)展評(píng)估，針對(duì)所有評(píng)估領(lǐng)域逐一開(kāi)展評(píng)估。

圖1 INPRO體系框架示意圖Fig.1 Schematic diagram ofINPRO system framework

表1 IAEA INPRO各領(lǐng)域基本原則、用戶要求、準(zhǔn)則統(tǒng)計(jì)表Table 1 Summary of BP,UR,CR ineach area of IAEA INPRO

INPRO方法聚焦于評(píng)估核能系統(tǒng)是否滿足相應(yīng)領(lǐng)域的要求，要求評(píng)估者應(yīng)是INPRO某一評(píng)估領(lǐng)域的專家、對(duì)被評(píng)估的核能系統(tǒng)有足夠的了解，不需要評(píng)估者親自完成相應(yīng)指標(biāo)值的計(jì)算分析，但要能判斷相應(yīng)指標(biāo)是否滿足接受準(zhǔn)則、指標(biāo)值計(jì)算過(guò)程是否合理性。

基于INPRO方法，結(jié)合多目標(biāo)、多屬性值理論，開(kāi)發(fā)出針對(duì)多個(gè)創(chuàng)新型核能系統(tǒng)的現(xiàn)狀、前景、優(yōu)勢(shì)和風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行綜合比較評(píng)估的關(guān)鍵指標(biāo)(KIND)評(píng)估方法，并提出了關(guān)鍵指標(biāo)。通過(guò)權(quán)重因子將不同維度/領(lǐng)域(如經(jīng)濟(jì)、風(fēng)險(xiǎn)、收益等)的指標(biāo)組合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)定量對(duì)比分析，如公式(1)、公式(2)所示。

(1)

(2)

式中：Wi——指標(biāo)i的權(quán)重因子；

Vi——指標(biāo)i的(無(wú)量綱)值。

公式(1)中的指標(biāo)應(yīng)是相互獨(dú)立的，但在實(shí)際的操作過(guò)程中，可采用直接加權(quán)求和的方式將基本上相互獨(dú)立的指標(biāo)綜合起來(lái)。不同單位(量綱)的指標(biāo)是無(wú)法直接相加的，需先基于指標(biāo)的打分規(guī)則，將原始的、帶單位的指標(biāo)值轉(zhuǎn)化成一個(gè)無(wú)量綱的數(shù)值，方可加權(quán)求和。常用的打分規(guī)則有兩類，線性變化的或指數(shù)變化的，分別反映了指標(biāo)值變化對(duì)于結(jié)果的影響。權(quán)重因子體現(xiàn)了不同評(píng)估準(zhǔn)則、評(píng)估指標(biāo)的相對(duì)重要程度。

KIND方法從經(jīng)濟(jì)性、廢物管理、防擴(kuò)散、安全、技術(shù)成熟度等五個(gè)領(lǐng)域，共提出了15個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，如表2所示，和15個(gè)次要指標(biāo)。

表2 INPRO KIND、GIF、DOE ES方法的關(guān)鍵指標(biāo)的匯總對(duì)比表Table 2 Summary of key indicator ofINPRO KIND,GIF and DOE ES

1.2 GIF評(píng)估方法

GIF旨在解決核能可持續(xù)發(fā)展所面臨的鈾資源短缺和核廢料處理兩大難題，將可持續(xù)發(fā)展的宗旨分解到可持續(xù)性、安全性與可靠性、經(jīng)濟(jì)性、防擴(kuò)散與實(shí)物保護(hù)四大領(lǐng)域，并提出了八個(gè)技術(shù)目標(biāo)，如圖2所示[2]。為了推進(jìn)反應(yīng)堆評(píng)估工作，成立了經(jīng)濟(jì)模型工作組(EMWG)、風(fēng)險(xiǎn)和安全工作組(RSWG)、防擴(kuò)散和實(shí)物保護(hù)工作組(PR&PP)。EMWG開(kāi)發(fā)了自上而下和自下而上的成本估算方法，詳細(xì)規(guī)劃了帳戶體系規(guī)則，發(fā)布了G4-ECONS軟件。RSWG基于現(xiàn)有的安全分析工具，開(kāi)發(fā)出一體化安全評(píng)估方法(ISAM)，將多種不同的安全分析方法應(yīng)用到堆型的不同研發(fā)階段，示意如圖3所示[18]。RP&PP給出了評(píng)估方法與評(píng)估流程。八個(gè)技術(shù)目標(biāo)進(jìn)一步細(xì)化為15個(gè)準(zhǔn)則[2]，如表2所示，和24個(gè)具體指標(biāo)。

圖2 GIF評(píng)估方法的領(lǐng)域劃分與技術(shù)目標(biāo)Fig.2 Areas and objects of GIF assessment method

圖3 一體化安全評(píng)估方法ISAM示意圖Fig.3 Schematic diagram of ISAM

1.3 DOE評(píng)估實(shí)踐

美國(guó)能源部核能辦公室贊助與先進(jìn)堆概念相關(guān)的研發(fā)和示范計(jì)劃。為此，DOE發(fā)出信息需求表，由各研發(fā)單位將所研發(fā)堆型的方案信息填表提交。DOE組建了技術(shù)評(píng)審委員會(huì)，從安全、安保、鈾資源利用與廢物最小化、運(yùn)行能力、概念成熟度、燃料和基礎(chǔ)設(shè)施、市場(chǎng)吸引力、經(jīng)濟(jì)、監(jiān)管許可環(huán)境、防擴(kuò)散、研發(fā)需求等11個(gè)方面，依專家經(jīng)驗(yàn)對(duì)先進(jìn)反應(yīng)堆概念提案進(jìn)行定性評(píng)估，據(jù)此確定研發(fā)需求和資助對(duì)象[15-16]。

2011年年底，美國(guó)能源部核能辦公室發(fā)起了核燃料循環(huán)方案評(píng)估和篩選研究項(xiàng)目(ES)，以篩選與美國(guó)現(xiàn)有核燃料循環(huán)相比取得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)步、有潛力的燃料循環(huán)。研究工作盡可能涵蓋幾乎所有可能的燃料循環(huán)方案，基于核燃料循環(huán)的基本功能而非具體的實(shí)施技術(shù)[17]。

在ES項(xiàng)目的評(píng)估和篩選方法中，頂層是應(yīng)用場(chǎng)景，中間是評(píng)估準(zhǔn)則，底層是評(píng)估指標(biāo)，如圖4所示。不同的應(yīng)用場(chǎng)景，通過(guò)對(duì)評(píng)估準(zhǔn)則的權(quán)重設(shè)置，體現(xiàn)評(píng)估者對(duì)不同準(zhǔn)則的重視程度。評(píng)估準(zhǔn)則細(xì)化到評(píng)估指標(biāo)，評(píng)估指標(biāo)由形狀函數(shù)和權(quán)重因子組成，形狀函數(shù)反映了單一指標(biāo)值變化引起評(píng)估結(jié)果的變化(即打分規(guī)則)，權(quán)重因子則反映了同一評(píng)估準(zhǔn)則下不同評(píng)估指標(biāo)的相對(duì)重要程度。ES項(xiàng)目通過(guò)合作、會(huì)議、評(píng)審的方式，整合了來(lái)自美國(guó)DOE、行業(yè)、大學(xué)、和其他渠道的輸入，建立評(píng)估指標(biāo)的如表2所示。

圖4 美國(guó)DOE的核燃料循環(huán)評(píng)估和篩選方法體系Fig.4 The framework and hierarchy of ES project of US DOESNF—乏燃料；HLW—高放廢物；DU—貧鈾；RU—回收鈾；RTh—回收釷；LLW—低放廢物；擴(kuò)散風(fēng)險(xiǎn)準(zhǔn)則，核材料安保風(fēng)險(xiǎn)準(zhǔn)則，財(cái)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)與經(jīng)濟(jì)性準(zhǔn)則在研究中被單獨(dú)分離開(kāi)來(lái)處理，這里并不包括在準(zhǔn)則組分析方案中

2 方法對(duì)比及討論

IAEA INPRO及KIND方法、GIF方法、美國(guó)DOE評(píng)估實(shí)踐是目前國(guó)際上核能系統(tǒng)或核燃料循環(huán)評(píng)估的幾個(gè)主要方法，其體系框架基本相同，均分成若干領(lǐng)域或方面，每個(gè)領(lǐng)域或方面內(nèi)設(shè)置一組評(píng)價(jià)指標(biāo)及其準(zhǔn)則，使用不同層級(jí)的權(quán)重因子考慮相對(duì)重要程度。

INPRO、GIF、DOE的評(píng)估工作，其宗旨都是實(shí)現(xiàn)核能在21世紀(jì)的可持續(xù)發(fā)展，因此，雖然評(píng)估領(lǐng)域的劃分有所不同，但沒(méi)有本質(zhì)的差別。INPRO分為經(jīng)濟(jì)、安全、基礎(chǔ)、廢物管理、防擴(kuò)散、實(shí)物保護(hù)、環(huán)境等領(lǐng)域；GIF分為經(jīng)濟(jì)、安全性與可靠性、防擴(kuò)散與實(shí)物保護(hù)、可持續(xù)性四大領(lǐng)域，其中經(jīng)濟(jì)、安全、防擴(kuò)散、實(shí)物保護(hù)與INPRO的相應(yīng)領(lǐng)域直接對(duì)應(yīng)，GIF的可持續(xù)性包含資源利用與環(huán)境壓力，與INPRO的環(huán)境、廢物管理領(lǐng)域的部分要求和準(zhǔn)則相對(duì)應(yīng)。DOE針對(duì)先進(jìn)堆概念的技術(shù)審查實(shí)踐所考慮的11個(gè)準(zhǔn)則，經(jīng)濟(jì)、安全、安保、非增殖，分別與INPRO的經(jīng)濟(jì)、安全、實(shí)物保護(hù)、防擴(kuò)散直接對(duì)應(yīng)，鈾資源利用及廢物最小化則與INPRO的環(huán)境、廢物管理領(lǐng)域的部分要求和準(zhǔn)則相對(duì)應(yīng)。DOE的核燃料循環(huán)評(píng)估和篩選研究中，核廢物管理、擴(kuò)散風(fēng)險(xiǎn)、核材料安保風(fēng)險(xiǎn)、環(huán)境影響、資源利用，分別與INPRO方法中的廢物管理、防擴(kuò)散、實(shí)物保護(hù)、環(huán)境領(lǐng)域相對(duì)應(yīng)。開(kāi)發(fā)部署風(fēng)險(xiǎn)、機(jī)構(gòu)問(wèn)題、財(cái)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)與經(jīng)濟(jì)學(xué)，則分別與基礎(chǔ)、經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域相對(duì)應(yīng)。INPRO方法的領(lǐng)域，與GIF方法的方面、DOE方法的準(zhǔn)則的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖5所示。

圖5 INPRO、GIF、DOE方法的領(lǐng)域?qū)Ρ葓DFig.5 The diagram ofthe areas of INPRO,GIF,DOE

在評(píng)估指標(biāo)層面上，各方法的關(guān)鍵指標(biāo)，基本上也是一致的，如表2所示。從方法、指標(biāo)對(duì)比可知，3種方法在各個(gè)評(píng)估領(lǐng)域所考慮的因素、體現(xiàn)出來(lái)的關(guān)鍵指標(biāo)基本是一致的，不同的方法側(cè)重點(diǎn)略有不同。

但是，各方法具有各自鮮明特點(diǎn)。IAEA INPRO評(píng)估方法，是一個(gè)全面詳盡、成體系的方法。在適用范圍方面，幾乎適用于IAEA所有成員國(guó)，涵蓋核能發(fā)達(dá)國(guó)家、發(fā)展中國(guó)家及尚未利用核能的國(guó)家。在應(yīng)用對(duì)象方面，INPRO方法覆蓋了一個(gè)核能系統(tǒng)的方方面面，從核燃料循環(huán)前端、核電站，到核燃料循環(huán)后端。在具體的應(yīng)用中，既可用于整個(gè)核能系統(tǒng)，也可用于核能系統(tǒng)的某個(gè)組成部分，如核電站等，既可對(duì)所有的領(lǐng)域開(kāi)展評(píng)估，也可對(duì)部分領(lǐng)域開(kāi)展有限范圍的評(píng)估。

INPRO方法更多依賴于具體的定量指標(biāo)和接受準(zhǔn)則，也有部分定性判斷的指標(biāo)。采用自下而上的方式，依次判斷是否滿足評(píng)估準(zhǔn)則、用戶要求、基本原則，從而判斷該核能系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的潛力。因此，需要堆型的研發(fā)工作進(jìn)行到足夠的深度。如果沒(méi)有足夠的信息可用，則相應(yīng)的評(píng)估結(jié)論不確定度會(huì)較大、能起到的作用相對(duì)有限。INPRO方法體系集中于評(píng)估工作，即指標(biāo)是否滿足接受準(zhǔn)則，因此給出了詳細(xì)的指標(biāo)描述，但對(duì)指標(biāo)的計(jì)算流程沒(méi)有明確要求，只在部分領(lǐng)域給出具體的指導(dǎo)。

總體而言，INPRO評(píng)估方法，提供了一個(gè)基礎(chǔ)的體系框架。在具體的案例應(yīng)用中，需要評(píng)估者基于評(píng)估目標(biāo)和實(shí)際情況，設(shè)計(jì)出一個(gè)有針對(duì)性的評(píng)估方案，例如：可以對(duì)部分準(zhǔn)則或指標(biāo)進(jìn)行修改甚至引進(jìn)新的準(zhǔn)則或指標(biāo)，選定關(guān)鍵指標(biāo)，確定各指標(biāo)的權(quán)重等。

KIND方法，則是對(duì)INPRO方法的一個(gè)精簡(jiǎn)，首先提出了15個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)、15個(gè)次要指標(biāo)，并使用了打分規(guī)則和權(quán)重因子，從而基于多屬性目標(biāo)理論實(shí)現(xiàn)多個(gè)系統(tǒng)的對(duì)比評(píng)估，使得INPRO方法的對(duì)比評(píng)估功能更加實(shí)用。

與INPRO方法不同，GIF評(píng)估方法更適用于經(jīng)合組織(OECD)成員國(guó)，專注于反應(yīng)堆的評(píng)估。隨著堆型研發(fā)工作的深入，不斷迭代，深入、細(xì)化評(píng)估工作，減小評(píng)估工作的不確定度。在概念甚至初步概念設(shè)計(jì)階段，技術(shù)細(xì)節(jié)信息有限或者設(shè)計(jì)尚未完善，可依賴于定性的描述與專家判斷，進(jìn)行定性的評(píng)估。GIF評(píng)估方法中，經(jīng)濟(jì)、風(fēng)險(xiǎn)與安全、防擴(kuò)散和實(shí)物保護(hù)的評(píng)估方法，既有評(píng)估的要求和準(zhǔn)則，又有指標(biāo)的計(jì)算方法，其可操作性強(qiáng)于INPRO方法。GIF方法要求評(píng)估專家應(yīng)是被評(píng)估堆型方面的專家，基本能夠完成相應(yīng)領(lǐng)域的指標(biāo)計(jì)算與評(píng)估，對(duì)被評(píng)估堆型的熟悉程度要高于INPRO方法對(duì)評(píng)估專家的要求。由于先進(jìn)堆型大多都使用一些創(chuàng)新的、尚未成熟的技術(shù)，涉及技術(shù)發(fā)展的預(yù)期，因此GIF評(píng)估方法在處理這些問(wèn)題方面的經(jīng)驗(yàn)值得借鑒。

美國(guó)DOE對(duì)先進(jìn)堆概念的技術(shù)審查實(shí)踐(TRP)，是基于先進(jìn)堆(初步)概念設(shè)計(jì)，根據(jù)各堆型的描述信息，依據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行的定性評(píng)估，其對(duì)專家以及專家經(jīng)驗(yàn)的要求就比較高。

美國(guó)DOE對(duì)核燃料循環(huán)的評(píng)估與篩選研究工作，針對(duì)整個(gè)核燃料循環(huán)，基于相應(yīng)組成部分的功能、而不是具體的實(shí)現(xiàn)技術(shù)，因此其結(jié)果更加抽象。

在方法層面上與INPRO(KIND)、GIF方法基本一致，基于打分規(guī)則、權(quán)重因子的方法體系。所使用的評(píng)估指標(biāo)，大部分為數(shù)值型的，也有邏輯判斷型的。結(jié)合打分規(guī)則，把一個(gè)定性的評(píng)估轉(zhuǎn)化成一個(gè)定量的評(píng)估。其打分規(guī)則是將指標(biāo)值劃分為若干個(gè)區(qū)間，每個(gè)區(qū)間賦予相同的分值，而KIND的打分規(guī)則是根據(jù)指標(biāo)值連續(xù)變化。兩者略有不同。

DOE的評(píng)估與篩選研究工作中，在指標(biāo)層面和應(yīng)用場(chǎng)景層面，均采用多套不同側(cè)重的權(quán)重因子，以研究評(píng)估結(jié)果對(duì)場(chǎng)景的敏感程度。因此，該方法，更側(cè)重于針對(duì)核燃料循環(huán)評(píng)估與篩選所專門開(kāi)發(fā)的，屬于相應(yīng)研究項(xiàng)目的一個(gè)成果，有借鑒之處，但并不宜直接套用。

幾個(gè)方法的差異之處如表3所示。

表3 幾個(gè)方法的不同之處Table 3 Difference of INPRO,GIF,DOE method

3 自主化評(píng)估方法研究

根據(jù)國(guó)內(nèi)先進(jìn)堆的研發(fā)現(xiàn)狀，大多處于研發(fā)或設(shè)計(jì)階段，考慮其設(shè)計(jì)深度及客觀條件，充分借鑒INRPO、KIND、GIF等方法和美國(guó)DOE的評(píng)估實(shí)踐的優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)地對(duì)各領(lǐng)域指標(biāo)進(jìn)行選取，開(kāi)發(fā)了一個(gè)適用于我國(guó)先進(jìn)堆研發(fā)現(xiàn)狀、具有較強(qiáng)可操作性、評(píng)估結(jié)果量化直觀的中國(guó)先進(jìn)堆型評(píng)估方法。

評(píng)估方法由領(lǐng)域和指標(biāo)、權(quán)重因子、打分標(biāo)準(zhǔn)等組成，如圖6所示。根據(jù)核能可持續(xù)發(fā)展的要求，先進(jìn)堆型評(píng)估方法分經(jīng)濟(jì)、安全、可持續(xù)性、防擴(kuò)散與實(shí)物保護(hù)四個(gè)領(lǐng)域。安全領(lǐng)域包含核反應(yīng)堆安全、輻射安全、廢物管理安全三個(gè)子領(lǐng)域，每個(gè)子領(lǐng)域內(nèi)有相互獨(dú)立的評(píng)價(jià)指標(biāo)?？沙掷m(xù)性領(lǐng)域?yàn)楠M義的可持續(xù)性，主要考慮資源消耗和環(huán)境壓力兩個(gè)子領(lǐng)域，每個(gè)子領(lǐng)域有相應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)。經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域、防擴(kuò)散與實(shí)物保護(hù)領(lǐng)域，直接由相互獨(dú)立的評(píng)價(jià)指標(biāo)組成。在具體的評(píng)價(jià)實(shí)踐中，可以對(duì)所有的四個(gè)領(lǐng)域都開(kāi)展評(píng)價(jià)，也可僅針對(duì)關(guān)注的領(lǐng)域如經(jīng)濟(jì)、安全等開(kāi)展評(píng)價(jià)工作。

圖6 評(píng)估方法體系Fig.6 The diagram of the assessment method

指標(biāo)有定性的和定量的兩類?？紤]到有一些評(píng)價(jià)指標(biāo)包含有多個(gè)方面，例如：防擴(kuò)散與實(shí)物保護(hù)領(lǐng)域的評(píng)價(jià)指標(biāo)“材料吸引力”將包含“材料類型”“同位素成分”“物理化學(xué)形態(tài)”等，這些不同方面形成相互獨(dú)立的評(píng)價(jià)子指標(biāo)。

為了實(shí)現(xiàn)不同堆型/方案對(duì)比評(píng)估的功能，基于多目標(biāo)、多準(zhǔn)則評(píng)價(jià)方法，采用權(quán)重的方式將多個(gè)指標(biāo)的評(píng)價(jià)結(jié)果整合起來(lái)，形成綜合的評(píng)價(jià)結(jié)果，用于不同堆型/方案的對(duì)比評(píng)估。因此，首先需要將每個(gè)指標(biāo)原始的評(píng)價(jià)結(jié)果，根據(jù)指標(biāo)相應(yīng)的打分規(guī)則，轉(zhuǎn)換成一個(gè)無(wú)量綱的指標(biāo)值。例如：經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域的指標(biāo)“平準(zhǔn)化發(fā)電成本(LCOE)”，由原始的評(píng)價(jià)結(jié)果××(元/度電)，根據(jù)指標(biāo)平準(zhǔn)化發(fā)電成本的打分規(guī)則，轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的分值，如1～10分。

考慮到本評(píng)價(jià)方法體系由領(lǐng)域、指標(biāo)(子指標(biāo))組成，相應(yīng)的也就有領(lǐng)域的權(quán)重因子，指標(biāo)(子指標(biāo))的權(quán)重因子。領(lǐng)域的權(quán)重因子反映了不同領(lǐng)域的相對(duì)重要程度，由用戶根據(jù)自己對(duì)不同領(lǐng)域的重視程度和評(píng)價(jià)目的及需求來(lái)指定。指標(biāo)(子指標(biāo))的權(quán)重因子，反映了同一領(lǐng)域內(nèi)不同指標(biāo)(子指標(biāo))的重要程度。

經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域的三個(gè)指標(biāo)平準(zhǔn)化發(fā)電成本、單位建設(shè)成本、投資風(fēng)險(xiǎn)，以平準(zhǔn)化成本為核心，相輔相承。平準(zhǔn)化發(fā)電成本，可規(guī)避一些特殊處理(比如：政府稅費(fèi)，電力管制模式)對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響，使得計(jì)算結(jié)果更加合理和準(zhǔn)確，與效益分析的內(nèi)部邏輯更加接近，成本計(jì)算高低值與效益高低有直接的反向關(guān)系。單位建設(shè)成本，可作為投資人衡量項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性的依據(jù)，簡(jiǎn)單明了，但僅代表建設(shè)期的支出，與經(jīng)營(yíng)期的實(shí)際經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力并不存在必然的一致性。同時(shí)，與機(jī)組功率一起，直接影響投資總額度，進(jìn)而影響項(xiàng)目資金籌措能力和項(xiàng)目的可行性。投資風(fēng)險(xiǎn)的高低是經(jīng)濟(jì)性和經(jīng)濟(jì)效益的補(bǔ)充衡量指標(biāo)。投資風(fēng)險(xiǎn)往往與效益是正相關(guān)，單純的計(jì)算效益難以完整說(shuō)明經(jīng)濟(jì)性水平。衡量風(fēng)險(xiǎn)，比如：堆型設(shè)計(jì)安審的可通過(guò)性和安審周期的不確定性、工程項(xiàng)目的工期不確定性、工程總投資的不確定性等，主要通過(guò)兩方面實(shí)現(xiàn)：一是風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的可能性、二是風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生后對(duì)效益或成本產(chǎn)生的影響程度。

反應(yīng)堆安全領(lǐng)域六個(gè)指標(biāo)，分別為運(yùn)行、不干預(yù)時(shí)間(包含預(yù)期運(yùn)行事件的不干預(yù)時(shí)間、設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故的不干預(yù)事件和設(shè)計(jì)擴(kuò)展工況的不干預(yù)時(shí)間)、大量釋放到安全殼的頻率、大量釋放到環(huán)境的頻率、比例實(shí)驗(yàn)以及定性評(píng)價(jià)。運(yùn)行與電廠可用性直接關(guān)系，關(guān)聯(lián)到核電廠的經(jīng)濟(jì)性。不干預(yù)時(shí)間反映了核能系統(tǒng)的固有安全性、自動(dòng)操作及非能動(dòng)安全系統(tǒng)的表現(xiàn)。第四代核能系統(tǒng)的重要風(fēng)險(xiǎn)包括臨界風(fēng)險(xiǎn)、衰變熱風(fēng)險(xiǎn)、輻射風(fēng)險(xiǎn)，分別對(duì)應(yīng)核能系統(tǒng)的三個(gè)基本安全功能：反應(yīng)性控制、衰變熱導(dǎo)出、放射性包容。放射性大量釋放到安全殼的概率(CDF)和大量釋放到環(huán)境的概率(LRF)，綜合反映了反應(yīng)堆堆芯損壞概率、損壞程度、縱深防御的有效程度，因此作為安全領(lǐng)域兩個(gè)核心的指標(biāo)。概率安全分析方法是核電廠設(shè)計(jì)中廣泛應(yīng)用的方法，由設(shè)計(jì)者采用概率安全分析的方法給出這兩個(gè)核心指標(biāo)的值供評(píng)估者使用。由于第四代核能系統(tǒng)的特殊性，很多設(shè)計(jì)處于研發(fā)階段，其設(shè)備成熟性各不相同，安全分析方法的可驗(yàn)證性是其重要的評(píng)價(jià)方面，體現(xiàn)在指標(biāo)“比例試驗(yàn)”中。INPRO方法和GIF方法都對(duì)縱深防御進(jìn)行了重點(diǎn)關(guān)注；DOE方法提出臨界、輻射、化學(xué)等風(fēng)險(xiǎn)是循環(huán)設(shè)施面臨的主要挑戰(zhàn)；INPRO方法關(guān)注計(jì)算程序和分析方法的驗(yàn)證，GIF方法認(rèn)為應(yīng)該采用廣泛接受的工具；這些評(píng)估內(nèi)容極其依賴專家的經(jīng)驗(yàn)。借鑒上述方法，并結(jié)合國(guó)內(nèi)豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，本評(píng)估方法要求對(duì)以下內(nèi)容給出定性的評(píng)價(jià)，由設(shè)計(jì)者給出相關(guān)設(shè)計(jì)的描述和考慮，由評(píng)估專家給出定性的評(píng)價(jià)結(jié)論：縱深防御的獨(dú)立性；臨界安全、輻射安全、化學(xué)安全的防護(hù)措施完整性；事故分析方法及模型選用的合理性和可靠性。

輻射安全領(lǐng)域的評(píng)估指標(biāo)為職業(yè)照射劑量，分為個(gè)人劑量和集體劑量?jī)蓚€(gè)子指標(biāo)。要求先進(jìn)核能系統(tǒng)確保通過(guò)自動(dòng)化、遠(yuǎn)程維護(hù)、現(xiàn)有設(shè)計(jì)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)等，有效地貫徹了輻射防護(hù)最優(yōu)化的概念，以保護(hù)工作人員。并且該先進(jìn)核能系統(tǒng)應(yīng)能確保在建造、調(diào)試、運(yùn)行和退役期間，工作人員受到的輻照風(fēng)險(xiǎn)與其他同類型工業(yè)設(shè)施風(fēng)險(xiǎn)相當(dāng)。

廢物管理領(lǐng)域，選取了5個(gè)指標(biāo)：廢物最小化、廢物最終狀態(tài)、廢物管理的處理、廢液和廢氣排放指標(biāo)、廢物管理成本。這5個(gè)指標(biāo)，涵蓋了核電廠壽期內(nèi)，從廢物源頭、廢物處理、向環(huán)境排放以及廢物處置等廢物管理所涉及的氣、液、固體廢物的方方面面。重點(diǎn)關(guān)注：廢物處理技術(shù)的選取、處理效率和安全可靠性，向環(huán)境排放的活度濃度、體積、數(shù)量。廢物管理成本關(guān)注處理工藝選取的經(jīng)濟(jì)性和固體廢物運(yùn)輸、貯存、處置方面的經(jīng)濟(jì)性。

防擴(kuò)散和實(shí)物保護(hù)領(lǐng)域，考慮到目前先進(jìn)堆基本處于研發(fā)和設(shè)計(jì)階段，指標(biāo)以反應(yīng)堆的固有特性為主，暫不考慮尚無(wú)法評(píng)價(jià)的核電廠管理措施。防擴(kuò)散方面選取了3個(gè)指標(biāo)，材料吸引力、核技術(shù)吸引力和轉(zhuǎn)移探測(cè)的難度。從材料類型、同位素成分、輻射水平、衰變熱、自發(fā)中子率、材料重量和物理化學(xué)形態(tài)等方面對(duì)材料吸引力進(jìn)行綜合評(píng)估；核技術(shù)吸引力包含燃料富集、乏燃料能否提取易裂變材料、未申報(bào)的可增殖材料的輻照能力；轉(zhuǎn)移探測(cè)的難度包含核材料衡算、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性、核材料探測(cè)能力、修改工藝的難度、修改核設(shè)施設(shè)計(jì)的難度、對(duì)技術(shù)或設(shè)施誤用的探測(cè)能力等。實(shí)物保護(hù)方面，選取了4個(gè)指標(biāo)，堆型組件的布置與設(shè)計(jì)、敵手成功的概率、后果和實(shí)物保護(hù)資源。其中，堆型組件的布置與設(shè)計(jì)又包含了2個(gè)子指標(biāo)，分別是堆型組件的設(shè)計(jì)和堆型組件的布置。

可持續(xù)性領(lǐng)域，主要分為環(huán)境影響和資源消耗兩個(gè)方面。環(huán)境影響的選?。篒NPRO和GIF評(píng)估方法中均含有環(huán)境影響方面的評(píng)估指標(biāo)，兩者在一些指標(biāo)上具有重復(fù)性，考慮到INPRO指標(biāo)涵蓋范圍更廣，而GIF指標(biāo)更具體而涉及的評(píng)價(jià)指標(biāo)范圍較窄，因此參考INPRO方法選取環(huán)境影響方面的五個(gè)評(píng)估指標(biāo)。資源消耗選取的指標(biāo)：INPRO在資源貧化方面的指標(biāo)較為廣泛，涉及易裂變可裂變材料和不可再生材料的評(píng)估，考慮到當(dāng)前鈾資源在核能領(lǐng)域的獨(dú)一性地位，核能系統(tǒng)產(chǎn)生的裂變能均是由鈾資源提供，且主要使用天然鈾中僅占1%的U-235，具備提升資源利用率的潛能(例如，通過(guò)快堆增殖轉(zhuǎn)化U-238)，因此選擇鈾資源的利用效率作為資源貧化方面的評(píng)估指標(biāo)。從整個(gè)核電系統(tǒng)考慮，凈能量輸出是核能系統(tǒng)的最終目的，因此選擇能量輸出與輸入達(dá)到平衡的攤銷時(shí)間(核能系統(tǒng)的輸出能量達(dá)到系統(tǒng)所需輸入總能量的時(shí)間)作為另一個(gè)評(píng)估指標(biāo)，攤銷時(shí)間短，則表明核能系統(tǒng)能量的收益率越高。

4 結(jié)論

堆型評(píng)估方法是四代堆研發(fā)的一個(gè)重要分支。本文簡(jiǎn)單介紹了國(guó)際上主要的INPRO方法、GIF方法、美國(guó)DOE的評(píng)估實(shí)踐等，并從各方法的宗旨、目標(biāo)、體系、關(guān)注領(lǐng)域、關(guān)鍵指標(biāo)、適用范圍、方法特點(diǎn)、評(píng)估專家要求、評(píng)估對(duì)象及深度要求等方面，對(duì)以上方法和評(píng)估實(shí)踐進(jìn)行簡(jiǎn)明的對(duì)比研究。最后，以INPRO體系為藍(lán)本，借鑒GIF方法和DOE評(píng)估實(shí)踐，提出適用于國(guó)內(nèi)先進(jìn)堆現(xiàn)狀的中國(guó)先進(jìn)堆評(píng)估方法(CARA)，并對(duì)中國(guó)先進(jìn)堆評(píng)估方法進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明。中國(guó)先進(jìn)堆評(píng)估方法，充分借鑒了INPRO、GIF、DOE等國(guó)際已有成果的優(yōu)點(diǎn)，并緊密結(jié)合國(guó)內(nèi)先進(jìn)堆的研發(fā)現(xiàn)狀，系統(tǒng)地研究、確定了領(lǐng)域劃分和適用的指標(biāo)集，提出評(píng)估結(jié)果量化的規(guī)則以便于評(píng)估對(duì)象間的比較，從而使得中國(guó)先進(jìn)堆評(píng)估方法具有較好的可操性。中國(guó)先進(jìn)堆評(píng)估方法的提出，可用于我國(guó)先進(jìn)堆型的綜合潛力評(píng)估，為國(guó)家先進(jìn)堆型研發(fā)的技術(shù)路線選擇、堆型設(shè)計(jì)方案的性能改進(jìn)提供科學(xué)的工具和手段，促進(jìn)我國(guó)先進(jìn)堆型的研發(fā)工作。

致謝

本論文的研究工作得到了中核集團(tuán)科技委程慧平主任及各領(lǐng)域?qū)＜业膸椭c指導(dǎo)，同時(shí)得到了中國(guó)核能行業(yè)協(xié)會(huì)和中核集團(tuán)核信息院的協(xié)助，在此一并表示感謝。