高溫氣冷堆設(shè)計分析管理體系研究

中核能源科技有限公司 何 磊

建設(shè)一套完整的設(shè)計分析管理體系并施行有效的管理措施，是施行核電安全和質(zhì)量管理的重要措施，是設(shè)計過程標準化的重要保障。

1 設(shè)計分析管理體系的目的和重要性

設(shè)計分析是獲得設(shè)計成果過程中產(chǎn)生的一系列設(shè)計活動，包括計算、試驗、分析、論證等，通過這些設(shè)計活動形成設(shè)計成果的支持性材料[1]。由于核電廠對安全要求的嚴格性和特殊性，尤其是對于核安全相關(guān)的建構(gòu)物、系統(tǒng)、設(shè)備、部件等，其形成的設(shè)計文件都須論證其安全性、可靠性、準確性是否滿足核安全法規(guī)、導(dǎo)則和標準規(guī)范的要求；同時由于核電廠設(shè)計過程的階段性，設(shè)計支持性文件的深度、范圍等都需對應(yīng)不同階段有不同的要求，因此核電廠的設(shè)計分析工作要比一般工程項目的要求高，工作量大，覆蓋面廣，尤其要涉及到所有與安全相關(guān)的物項。

高溫氣冷堆核電技術(shù)是具有第四代先進核反應(yīng)堆技術(shù)特征的堆型，其示范工程已在榮成石島灣開工建設(shè)。該項目屬于科研轉(zhuǎn)化項目，形成的設(shè)計支持性文件也較多，涉及理論研究、試驗驗證、前期論證以及工程設(shè)計等方面。相對于國內(nèi)成熟的壓水堆核電技術(shù)已具有較完整和成熟的設(shè)計分析管理體系，高溫氣冷堆核電技術(shù)在設(shè)計分析管理方法以及管理程序方面尚未形成標準化，為使高溫氣冷堆的技術(shù)底蘊更加充實，固有安全的特性更加具有說服力，須加強設(shè)計分析管理體系的建設(shè)。

2 高溫堆設(shè)計分析文件管理體系框架

設(shè)計分析文件體系是對形成設(shè)計成果文件過程中產(chǎn)生的計算說明書、論證報告、試驗報告等技術(shù)文件進行統(tǒng)籌管理的體系，其框架建設(shè)的合理性是設(shè)計過程有序、層次、完整地開展的保證。壓水堆根據(jù)自己設(shè)計分析文件的用途和技術(shù)領(lǐng)域建立了體系框架。某核電設(shè)計院壓水堆設(shè)計分析文件管理體系大體的框架如下：事故分析和安全評價、運行特征分析、核設(shè)計、熱工水力設(shè)計、源項與屏蔽設(shè)計分析、系統(tǒng)設(shè)計分析、系統(tǒng)和設(shè)備的力學分析、廠房的結(jié)構(gòu)設(shè)計分析、人因工程分析、廠址條件設(shè)計分析。高溫氣冷堆核電技術(shù)作為中國自主研發(fā)堆型具有獨特的設(shè)計特點，從研發(fā)到工程應(yīng)用形成的設(shè)計分析文件更完善、更具有層次性。因此高溫氣冷堆設(shè)計分析文件管理體系框架與壓水堆有以下不同：

由于高溫氣冷堆已有運行的原型堆（HTR-10），核相關(guān)專業(yè)設(shè)計分析文件可按照理論研究、試驗驗證、應(yīng)用驗證、工程設(shè)計等方面從時間序列上進行歸類；球狀燃料是高溫氣冷堆設(shè)計特點之一，從燃料設(shè)計、試驗驗證到制作加工等方面形成的設(shè)計分析文件較多，因此單獨作為一個版塊進行歸類；高溫氣冷堆主要設(shè)備，尤其是核蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)主要設(shè)備（球床式反應(yīng)堆、螺旋管式蒸汽發(fā)生器、陶瓷堆內(nèi)構(gòu)件等）均是經(jīng)自主研發(fā)設(shè)計、制造方案分析、試驗驗證、工程應(yīng)用等階段的技術(shù)積累，形成豐富的設(shè)計分析文件，因此單獨作為一個版塊進行歸類；建立“綜合性設(shè)計分析”版塊，涵蓋工程前期編制的設(shè)計分析文件，如廠址選擇分析、工程方案分析、取排水工程經(jīng)濟分析、電力平衡計算分析等。

結(jié)合高溫氣冷堆技術(shù)特點，在壓水堆設(shè)計分析文件管理體系框架的基礎(chǔ)上構(gòu)建高溫氣冷堆設(shè)計分析文件管理體系框架：綜合性設(shè)計分析（工程前期文件、設(shè)計階段文件）、核設(shè)計、熱工水力設(shè)計、燃料設(shè)計、核設(shè)備設(shè)計分析、運行特征分析、事故分析和安全評價、源項與屏蔽設(shè)計分析、建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計、系統(tǒng)設(shè)計分析（電氣專業(yè)、儀控專業(yè)、水工專業(yè)、暖通專業(yè)、力學專業(yè)、核島工藝、常規(guī)島工藝等）。

為滿足不同設(shè)計階段的設(shè)計要求，設(shè)計分析文件可按照各設(shè)計階段深度要求的不同采用技術(shù)成熟度分類法進行說明。對一些需根據(jù)設(shè)計階段的遞進而不斷細化的設(shè)計分析文件，可根據(jù)不同階段的要求制定技術(shù)成熟度的層次范圍，以滿足對技術(shù)文件的層次性管理要求。

技術(shù)成熟度等級參照歐美的TRL劃定方法[2-3]：TRL1闡述基本原理，科學研究發(fā)展到應(yīng)用研究；TRL2確定技術(shù)方案，提出實際應(yīng)用設(shè)想，尚無證明和詳細分析來支持；TRL3分析方案特性，驗證關(guān)鍵功能，通過分析和研究對方案或應(yīng)用設(shè)想進行驗證；TRL4進行進一步分析或試驗性測評，性能達到實現(xiàn)方案所需水平，但與最終系統(tǒng)相比保真度較低；TRL5模擬實際使用環(huán)境，對系統(tǒng)或部件進行有效確認，系統(tǒng)模型或部件的保真度顯著提高；TRL6模擬實際使用環(huán)境，驗證系統(tǒng)模型或原型機有效，系統(tǒng)模型或原型機保真度遠超TRL5的水平，充分驗證實際系統(tǒng)應(yīng)用的工程可行性；TRL7～9系統(tǒng)原型在實際運行環(huán)境下得到試驗驗證。根據(jù)體系框架、研發(fā)設(shè)計階段、技術(shù)成熟度三個要素，構(gòu)建出設(shè)計分析文件管理體系。

3 核電設(shè)計分析管理體系的管理措施

設(shè)計分析文件作為設(shè)計成果的重要組成部分，可根據(jù)與委托方簽署的設(shè)計合同向委托方或安全評審中心提供必要的計算表或報告等。為確保設(shè)計成果文件是建立在充分的設(shè)計分析基礎(chǔ)上，核電設(shè)計分析管理體系的管理措施如下：

應(yīng)在設(shè)計合同中明確設(shè)計單位應(yīng)完成的設(shè)計分析工作，設(shè)計策劃階段在設(shè)計分析管理體系框架基礎(chǔ)上建立文件清單，明確工作范圍和內(nèi)容；設(shè)計分析應(yīng)涵蓋所有核安全級系統(tǒng)和設(shè)備的重要設(shè)計問題。在設(shè)計策劃中確定關(guān)于核安全級系統(tǒng)和設(shè)備的設(shè)計分析的成熟度范圍，應(yīng)用于不同設(shè)計階段的評審要求；在設(shè)計過程控制的各個環(huán)節(jié)應(yīng)針對設(shè)計分析的各類型活動提出相關(guān)的控制要求，例如設(shè)計輸入過程，針對設(shè)計要求中的基本設(shè)計參數(shù)進行可達性分析，針對項目采用的標準規(guī)范進行適應(yīng)性分析，以保證設(shè)計輸入資料的準確性和完整性。

為便于設(shè)計分析工作的查閱、審查、應(yīng)用和修訂，須將設(shè)計分析工作文檔化，并通過以下措施加強設(shè)計分析文件的控制：在設(shè)計分析管理體系框架基礎(chǔ)上作好設(shè)計分析文件的分類工作，便于各種用途的檢索；設(shè)計分析文件要具有可追溯性和順序性。按照實際執(zhí)行的次序編排文檔，便于設(shè)計分析文件的追溯。設(shè)計分析成果在工程實踐應(yīng)用中會出現(xiàn)偏差，通過文檔的可追溯性和順序性，可根據(jù)之前的文件記錄分析出現(xiàn)問題的原因。例如對事故分析過程中所形成的文件應(yīng)按以下次序進行文檔編排：始發(fā)事件分析、事件樹分析、系統(tǒng)分析(故障樹分析、事故序列定量化分析、不確定性分析和敏感性度分析；統(tǒng)一制定各類設(shè)計分析文件的格式和編碼，經(jīng)過審查與確認后歸檔保存。

組織專家對設(shè)計分析文件進行評審。根據(jù)文件的重要程度對設(shè)計分析文件進行分類，一類是設(shè)計單位內(nèi)部專家評審，二類是外部專家專業(yè)評審，三類是外部專家綜合評審，有的評審可和核安全、專篇和專題評審結(jié)合起來；建立設(shè)計分析過程接口協(xié)調(diào)機制，例如建立定期設(shè)計協(xié)調(diào)會制度，組織各設(shè)計接口相關(guān)方以專題等形式解決和協(xié)調(diào)接口問題，制訂計劃和方案；定期進行檢查、及時跟蹤，以落實設(shè)計分析策劃書中的任務(wù)，保證設(shè)計分析任務(wù)按期完成；制定質(zhì)量保證大綱以及實施細則等文件監(jiān)控設(shè)計分析活動。

綜上，設(shè)計分析管理體系的建立保證了設(shè)計分析文件的完整性、有序性和層次性，同時使設(shè)計文件具有了可追溯性。采用技術(shù)成熟度的說明，規(guī)定了各類設(shè)計分析文件的深度，同時也滿足了國外核電設(shè)計文件評審體系的要求。設(shè)計分析管理體系的建立是實現(xiàn)高溫氣冷堆設(shè)計過程標準化的重要措施，是核安全理念貫徹于整個設(shè)計過程的重要保障。