關(guān)于建立我國(guó)反應(yīng)堆壓力容器輻照監(jiān)督數(shù)據(jù)庫(kù)的建議

曾 珍，房永剛

（生態(tài)環(huán)境部核與輻射安全中心，北京 100082）

為促進(jìn)節(jié)能減排、優(yōu)化全球能源結(jié)構(gòu)、實(shí)現(xiàn)綠色發(fā)展，核能發(fā)電作為實(shí)現(xiàn)低碳發(fā)電的重要方式受到廣泛關(guān)注，同時(shí)被關(guān)注的還包括核電廠運(yùn)行過(guò)程中存在的諸多安全隱患。核電廠運(yùn)行過(guò)程中若發(fā)生核泄漏等重大事故，將嚴(yán)重危害公眾健康，造成不可估量的損失。為嚴(yán)格落實(shí)核電廠運(yùn)行過(guò)程中的安全管理，及時(shí)消除安全隱患以確保其穩(wěn)定運(yùn)行，需制定相關(guān)策略以確保核電廠防止放射性釋放的三道屏障的結(jié)構(gòu)完整性。反應(yīng)堆壓力容器（Reactor Pressure Vessel，RPV）作為三道屏障的組成部分，同時(shí)也是核電廠不可更換的關(guān)鍵核心設(shè)備，其結(jié)構(gòu)完整性對(duì)核電廠安全運(yùn)行具有非常重要的意義。

1 RPV輻照監(jiān)督基礎(chǔ)理論

RPV裝載著堆芯核燃料，是包容放射性的第二道屏障，在設(shè)計(jì)上要保證高度的結(jié)構(gòu)完整性［1］。目前，壓水堆核電站RPV用鋼主要有兩種：Mn-Ni-Mo系低合金鋼和Cr-Mo-V系低合金鋼，化學(xué)成分詳見(jiàn)表1［2］。Mn-Ni-Mo系和Cr-Mo-V系低合金鋼具有韌脆轉(zhuǎn)變溫度（Ductile-Brittle Transition Temperature，DBTT），當(dāng)溫度低于韌脆轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，壓力容器的斷裂方式由韌性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈詳嗔?，即出現(xiàn)低溫脆性現(xiàn)象［3］。相關(guān)研究指出，RPV服役過(guò)程中，其性能受高溫、高壓及快中子輻照（E≥1 MeV）影響易產(chǎn)生輻照脆化，導(dǎo)致RPV材料的斷裂韌性下降，壓縮了RPV的壓力-溫度運(yùn)行窗口，如圖1所示［4-6］。為預(yù)防RPV性能下降造成結(jié)構(gòu)完整性喪失而引發(fā)重大事故，各國(guó)建立輻照監(jiān)督數(shù)據(jù)庫(kù)，整合輻照監(jiān)督試驗(yàn)數(shù)據(jù)、構(gòu)建輻照脆化預(yù)測(cè)模型，預(yù)測(cè)壓力容器壽期內(nèi)運(yùn)行狀態(tài)。通過(guò)分析運(yùn)行期間輻照監(jiān)督數(shù)據(jù)，對(duì)照預(yù)測(cè)模型評(píng)估脆化程度、修訂運(yùn)行參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)RPV結(jié)構(gòu)完整性的監(jiān)督。

圖1 沖擊功吸收能量-溫度曲線示意圖Fig.1 Schematic diagram of impact energy absorption-temperature curve

2 國(guó)外反應(yīng)堆壓力容器輻照監(jiān)督數(shù)據(jù)庫(kù)

核電廠在運(yùn)行過(guò)程中，高溫、高壓及快中子輻照（E≥1 MeV）的工作環(huán)境使壓力容器材料出現(xiàn)輻照脆化，從而破壞RPV結(jié)構(gòu)完整性。大量研究表明，RPV材料輻照脆化的影響因素包括中子注量、合金成分、輻照溫度、中子注量率、中子能譜、金屬微觀結(jié)構(gòu)、冶煉和加工以及焊接等。其中，中子注量、合金成分（各國(guó)壓力容器用鋼合金成分見(jiàn)表1）和輻照溫度。為了保證核電廠運(yùn)行過(guò)程中RPV結(jié)構(gòu)完整性，世界各國(guó)整合各自國(guó)家范圍內(nèi)商用堆、實(shí)驗(yàn)堆的輻照監(jiān)督數(shù)據(jù)，應(yīng)用于輻照脆化公式的開(kāi)發(fā)及輻照脆化模型的構(gòu)建。

表1 壓力容器用鋼合金成分Table 1 Chemical composition of pressure vessels

2.1 IAEA在20世紀(jì)末建立輻照監(jiān)督數(shù)據(jù)庫(kù)

國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)（International Atomic Energy Agency，IAEA）自20世紀(jì)60年代中期，通過(guò)顧問(wèn)會(huì)議、專(zhuān)家會(huì)議和研討會(huì)等形式開(kāi)展了一系列中子輻照效應(yīng)技術(shù)交流。70年代初，IAEA發(fā)起了關(guān)于RPV結(jié)構(gòu)完整性的合作研究計(jì)劃（Coordinated Research Program，CRP），見(jiàn)表2。該計(jì)劃進(jìn)行了RPV用鋼的輻照脆化研究，并通過(guò)開(kāi)展輻照試驗(yàn)獲得了大量的輻照脆化數(shù)據(jù)。1993年，CRP建議IAEA建立反應(yīng)堆壓力容器材料國(guó)際數(shù)據(jù)庫(kù)（International Database on Reactor Pressure Vessel Material，IDRPVM），并以此作為建立老化管理國(guó)際數(shù)據(jù)庫(kù)的第一步。1996年，IAEA公布了 IDRPVM的測(cè)試版，該數(shù)據(jù)庫(kù)主要為IAEA各成員國(guó)的研究提供可行的數(shù)據(jù)，以幫助各國(guó)核電廠更好地評(píng)估RPV輻照脆化狀態(tài)。

表2 CRP計(jì)劃各階段研究工作Table 2 Research contents at all stages of CRP programme

2.2 美國(guó)輻照數(shù)據(jù)庫(kù)較為完善

過(guò)去40年，美國(guó)收集和整理了大量商用堆和實(shí)驗(yàn)堆輻照監(jiān)督數(shù)據(jù)，并建立了EDB、RVID和Eason等輻照監(jiān)督數(shù)據(jù)庫(kù)，用于輻照脆化預(yù)測(cè)模型開(kāi)發(fā)和修正。EDB數(shù)據(jù)庫(kù)是由美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Oak Ridge National Laboratory，ORNL）在收集與整理了美國(guó)商用堆和實(shí)驗(yàn)堆的輻照數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上形成的，它包括商用堆RPV材料輻照脆化數(shù)據(jù)庫(kù)（Power Reactor Embrittlement Data Base，PR-EDB）和實(shí)驗(yàn)堆材料輻照脆化數(shù)據(jù)庫(kù)（Test Reactor Embrittlement Data Base，TR-EDB），如 表3 及 圖2 所 示［7-9］。基于該數(shù)據(jù)庫(kù)，美國(guó)NRC建立了RG1.99輻照脆化預(yù)測(cè)公式（第二版），并廣泛用于美國(guó)RPV運(yùn)行輻照脆化評(píng)估和運(yùn)行壓力-溫度限值曲線制定。目前，由NRC資助ORNL維護(hù)整個(gè)EDB數(shù)據(jù)庫(kù)。RVID數(shù)據(jù)庫(kù)是NRC在對(duì)美國(guó)在役核電站輻照監(jiān)督數(shù)據(jù)收集整理的基礎(chǔ)上建立的。該數(shù)據(jù)庫(kù)的建立主要是為響應(yīng)NRC一般函告GL92-01要求，主要功能是利用輻照監(jiān)督數(shù)據(jù)對(duì)美國(guó)核管會(huì)頒布的管理導(dǎo)則RG1.99（第二版）中相關(guān)的計(jì)算公式進(jìn)行修正，以便更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)壽期末RPV材料的輻照脆化性能，并將計(jì)算結(jié)果用來(lái)評(píng)估RPV運(yùn)行的壓力-溫度限值曲線以及承壓熱沖擊（Pressurized Thermal Shock，PTS）條件下RPV的結(jié)構(gòu)完整性。Eason數(shù)據(jù)庫(kù)是美國(guó)核工業(yè)界和NRC為研究輻照脆化機(jī)理、建立輻照脆化預(yù)測(cè)模型，共同收集數(shù)據(jù)并匯總形成的。美國(guó)電科院EPRI和材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)ASTM分析了這個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，并基于此提出了一個(gè)更簡(jiǎn)便的輻照脆化預(yù)測(cè)模型，形成了ASTM E900-02標(biāo)準(zhǔn)。

表3 ORNL-EDB的輻照數(shù)據(jù)點(diǎn)［10］Table 3 ORNL-EDB irradiation data points

圖2 第三版PR-EDB軟件界面示例Fig.3 Example of PR-EDB third edition software interface

2.3 法國(guó)基于本國(guó)數(shù)據(jù)建立輻照監(jiān)督數(shù)據(jù)庫(kù)

法國(guó)核電廠在設(shè)計(jì)階段采用了RCC-M規(guī)范，其輻照脆化預(yù)測(cè)采用了美國(guó)RG1.99 （第一版）模型。隨著核電發(fā)展的需要，法國(guó)基于本國(guó)輻照監(jiān)督數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)了FIS預(yù)測(cè)模型，該模型被RSEM標(biāo)準(zhǔn)采納并用于運(yùn)行核電廠的RPV安全評(píng)估。為了滿足長(zhǎng)壽期運(yùn)行要求，法國(guó)利用6 個(gè)CPO和26個(gè)CPY機(jī)組的輻照監(jiān)督數(shù)據(jù)，以及實(shí)驗(yàn)堆數(shù)據(jù)，對(duì)FIS模型重新進(jìn)行了評(píng)估，并對(duì)一些參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整。法國(guó)電力公司（EDF）基于 RPV 設(shè)備的老化管理需求，收集了大量商用堆輻照監(jiān)督管數(shù)據(jù)，并建立了輻照脆化數(shù)據(jù)庫(kù) SURF。該數(shù)據(jù)庫(kù)主要用于修正輻照脆化預(yù)測(cè)模型和中子注量與損傷關(guān)系。

2.4 俄、日等國(guó)均擁有輻照監(jiān)督數(shù)據(jù)庫(kù)

俄羅斯在標(biāo)準(zhǔn) PNAE G-7-002-86《核動(dòng)力裝置設(shè)備和管道強(qiáng)度計(jì)算規(guī)范》中給出了關(guān)于WWER 機(jī)組 RPV 材料輻照脆化的計(jì)算方法，并根據(jù)有無(wú)實(shí)驗(yàn)堆輻照數(shù)據(jù)給出了兩種計(jì)算模型。近年來(lái)，隨著 WWER 機(jī)組輻照監(jiān)督數(shù)據(jù)的不斷積累，俄羅斯康采恩集團(tuán)根據(jù)收集到的輻照監(jiān)督數(shù)據(jù)制定了標(biāo)準(zhǔn)RD EO 1.1.2.99.0920—2014，其中給出了新的輻照脆化預(yù)測(cè)模型，并實(shí)現(xiàn)了WWER-1000機(jī)組的延壽。日本輻照監(jiān)督標(biāo)準(zhǔn)為JEAC-4201，其中輻照脆化模型是對(duì)1990年以前壓水堆壓力容器輻照監(jiān)督數(shù)據(jù)進(jìn)行分析擬合獲得的。JEAC-4201（2007年版）基于日本電力工業(yè)中央研究院（CRIEPI）的輻照監(jiān)督數(shù)據(jù)庫(kù)研究結(jié)果，修改了輻照脆化預(yù)測(cè)模型。

3 我國(guó)輻照監(jiān)督數(shù)據(jù)庫(kù)現(xiàn)狀

我國(guó)開(kāi)展了少量關(guān)于壓力容器輻照脆化預(yù)測(cè)的研究工作。例如，核動(dòng)力研究院使用中子輻照實(shí)驗(yàn)反應(yīng)器在高溫下對(duì)商用RPV鋼進(jìn)行中子輻照實(shí)驗(yàn)，中國(guó)原子能科學(xué)研究院、蘇州熱工院等單位結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、輻照監(jiān)督數(shù)據(jù)等擬合了若干壓力容器輻照脆化預(yù)測(cè)公式。但是，以上研究工作采用的數(shù)據(jù)主要來(lái)自加速實(shí)驗(yàn)或各自收集的有限輻照監(jiān)督數(shù)據(jù)。由于各核電廠和各自技術(shù)支持機(jī)構(gòu)的輻照監(jiān)督數(shù)據(jù)未經(jīng)過(guò)有效整合，所以建立的數(shù)據(jù)庫(kù)存在局限性，缺乏權(quán)威及代表性。而國(guó)外的輻照監(jiān)督數(shù)據(jù)庫(kù)由于使用了高Cu、P含量RPV鋼和實(shí)驗(yàn)堆數(shù)據(jù)等原因，其輻照預(yù)測(cè)模型對(duì)我國(guó)核電機(jī)組輻照脆化監(jiān)督并不完全適用，這對(duì)我國(guó)核電自主化設(shè)計(jì)、機(jī)組長(zhǎng)壽期運(yùn)行以及核電出口有較大影響。

隨著我國(guó)核電機(jī)組數(shù)量的增加、運(yùn)行時(shí)間的累積，壓力容器輻照監(jiān)督數(shù)據(jù)也在不斷增多，已基本具備建立適合我國(guó)壓力容器材料輻照監(jiān)督數(shù)據(jù)庫(kù)的條件。因此，我國(guó)需盡快整合國(guó)內(nèi)各核電廠輻照監(jiān)督數(shù)據(jù)，通過(guò)建立通用的輻照監(jiān)督數(shù)據(jù)庫(kù)為構(gòu)建統(tǒng)一輻照脆化監(jiān)督模型以及運(yùn)行過(guò)程中的監(jiān)管等工作奠定基礎(chǔ)。

目前，建立輻照數(shù)據(jù)庫(kù)主要面臨如下困難。

（1）輻照數(shù)據(jù)整合壁壘嚴(yán)重。我國(guó)目前缺乏輻照監(jiān)督數(shù)據(jù)提交的監(jiān)管要求，只是在十年定期安全審查時(shí)提交數(shù)據(jù)處理結(jié)論。因此，國(guó)內(nèi)RPV輻照監(jiān)督數(shù)據(jù)主要分散掌握在核電廠和相關(guān)科研機(jī)構(gòu)手中。由于輻照監(jiān)督數(shù)據(jù)獲取技術(shù)復(fù)雜、輻照周期長(zhǎng)、成本高等原因，導(dǎo)致核電廠和相關(guān)科研機(jī)構(gòu)不愿公開(kāi)輻照監(jiān)督數(shù)據(jù)，而行業(yè)內(nèi)的數(shù)據(jù)不共享導(dǎo)致我國(guó)輻照監(jiān)督數(shù)據(jù)庫(kù)的建立長(zhǎng)期處于停滯狀態(tài)。

（2）數(shù)據(jù)庫(kù)運(yùn)維管理技術(shù)需同步提升。除輻照監(jiān)督數(shù)據(jù)收集方面的困難外，甄別輻照監(jiān)督數(shù)據(jù)的有效性以及數(shù)據(jù)處理也存在一定技術(shù)難度。同時(shí)，數(shù)據(jù)庫(kù)的維護(hù)和更新也需要專(zhuān)業(yè)的機(jī)構(gòu)支持。

（3）輻照脆化預(yù)測(cè)模型匹配性不足。我國(guó)核電起步較晚，商用堆主要引進(jìn)了法國(guó)、美國(guó)、俄羅斯等國(guó)家的壓水堆堆型，RPV輻照脆化預(yù)測(cè)和評(píng)估基本參考引進(jìn)國(guó)外輻照脆化預(yù)測(cè)模型和公式。國(guó)內(nèi)RPV制造大量采用國(guó)產(chǎn)低Cu、P含量的現(xiàn)代鋼材料，輻照環(huán)境與材料因素均與國(guó)外輻照監(jiān)督數(shù)據(jù)庫(kù)材料有所差別。這導(dǎo)致利用國(guó)外的輻照脆化預(yù)測(cè)模型無(wú)法可靠地評(píng)估我國(guó)RPV材料輻照脆化情況，從而造成RPV運(yùn)行的安全隱患或過(guò)分保守，并進(jìn)而影響了機(jī)組運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

4 建議

隨著我國(guó)核電機(jī)組運(yùn)行時(shí)間的積累，反應(yīng)堆壓力容器輻照監(jiān)督材料試驗(yàn)數(shù)據(jù)逐漸增多，我國(guó)已基本具備建立獨(dú)立的輻照監(jiān)督數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)。本文結(jié)合國(guó)外RPV輻照監(jiān)督數(shù)據(jù)庫(kù)和輻照脆化預(yù)測(cè)模型構(gòu)建詳情，根據(jù)我國(guó)實(shí)際情況提出以下建議：

（1）建立國(guó)家層面輻照監(jiān)督數(shù)據(jù)庫(kù)。依據(jù)HAF-102《核動(dòng)力廠設(shè)計(jì)安全規(guī)定》法規(guī)要求，由監(jiān)管機(jī)構(gòu)出臺(tái)相應(yīng)的技術(shù)政策和細(xì)則，全面整合我國(guó)核電廠已提取的RPV材料輻照監(jiān)督數(shù)據(jù)，建立我國(guó)自主的核電行業(yè)通用輻照監(jiān)督數(shù)據(jù)庫(kù)。

（2）建立統(tǒng)一的輻照監(jiān)督脆化模型?；谳椪毡O(jiān)督數(shù)據(jù)庫(kù)的豐富數(shù)據(jù)積累和統(tǒng)計(jì)分析，借助現(xiàn)代化的高分辨率透射電鏡、三維原子探針、計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)等深入理解輻照損傷機(jī)理，考慮更多的輻照脆化影響因素，并精確地區(qū)分這些因素的重要程度，建立我國(guó)自主的RPV材料輻照脆化預(yù)測(cè)模型。

（3）搭建輻照監(jiān)督國(guó)際交流平臺(tái)。RPV 輻照監(jiān)督數(shù)據(jù)庫(kù)是全世界各國(guó)核電站的輻照監(jiān)督數(shù)據(jù)的有效收集和整合處理，RPV輻照脆化預(yù)測(cè)模型的發(fā)展離不開(kāi)國(guó)際核電信息的充分互通。所以，我國(guó)應(yīng)建立以輻照監(jiān)督數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)的RPV輻照脆化國(guó)際數(shù)據(jù)交流平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)國(guó)內(nèi)和國(guó)外監(jiān)管機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)信息交流，展現(xiàn)我國(guó)透明核安全文化，發(fā)揮核電大國(guó)擔(dān)當(dāng)。