核電廠延壽的方向

馬 帥 劉宇生 張澤宇

核電廠延壽的方向

馬 帥 劉宇生 張澤宇

核電廠延壽作為提高核電持續發展能力和經濟性的重要方法，是世界主要核電國家的通用選擇。本文對核電廠延壽中的老化管理和壽命管理方法進行了梳理歸納，通過分析世界主要核電國家核電廠壽命管理的實踐，結合我國已有安全審查的經驗，提出了構建核電廠壽命管理的總體實施框架的建議，并分兩個層次給出了具體的實施建議。

世界范圍內，越來越多的核電廠正進入壽命后期，數據顯示，全球共有在役核電機組441座，在建機組62座，其中約有20％的運行年限超過30年，70％的運行年限超過20年。我國也不例外，截止到2015年，秦山核電廠已運行25年之久，接近30年的設計壽命，大亞灣核電廠已運行超過20年。綜上，壽命管理及延壽作為與核電廠老化密切相關的問題，已經成為核電行業內關注的重點問題和研究方向。我國作為全球核電在建規模最大的國家，研究核電廠壽命管理及延壽許可，既是核電事業發展的現實要求，也是核能應用長遠發展的客觀需求。

壽命管理本質上是電廠安全運行與經濟效益最大化之間的平衡問題，涉及電廠設備的失效老化、事故安全分析等多方面的內容，因此需要從我國核電發展特點的實際出發，構建核電廠壽命管理的總體實施框架。本文在對老化管理和壽命管理方法梳理歸納的基礎上，通過分析世界主要核電國家核電廠壽命管理的實踐，結合我國已有十年安全審查的經驗，對我國核電廠壽命管理的頂層設計和延壽問題提出了若干建議。

1 老化管理及壽命管理

核電廠老化是指系統、構筑物和部件（SSCs）的物理性能隨時間或使用逐步退化改變的過程，這一過程可能涉及單一的老化機理或多種老化機理的綜合作用。雖然核工業界和監管部門制定了嚴格的安全要求和質量保證計劃，但由于設計、制造中的缺陷或運行環境的不斷變化甚至人為的誤操作，設備仍會出現不可預見的老化現象。

1987年美國愛達荷國家實驗室進行的調查分析表明：31％的失效事件可歸因于老化失效。所以需要研究各種老化機理，通過積累電廠實際運行的經驗和數據，采用先進檢測手段發現、解決老化問題，即進行老化管理。所謂老化管理（AM）是指為了在可接受的限度內控制SSCs的老化退化而采取的工程、運行及維修等方面的措施。

國際原子能機構（IAEA）出版的“核動力廠設計安全規定（NS-R-1）”和“核動力廠運行安全規定（NSR-2）”，國家核安全局發布的“HAF102核動力廠設計安全規定”和“HAF103核動力廠運行安全規定”等法規中，均從設計、運行等方面對老化管理作了原則性的規定。

根據相關研究報告，老化管理涉及的核心環節如圖1所示。

圖1 老化管理基本步驟

核電站中有數以萬計的各類設備，運行期間必然會逐步老化退化，而這種老化勢必會影響設備的可靠性，進而直接或者間接影響電廠的安全和壽命。由于核電站從投入運行直至退役，主設備在全壽期內是不進行更換的，因此設備的壽命將決定電廠的服役時間。同時，還有許多設備在執行保證一回路壓力邊界完整性、維持停堆狀態和防止放射性物質外泄時發揮著重要作用?；谝陨峡紤]，反應堆壓力容器、主泵、蒸汽發生器、穩壓器、安全殼、堆腔混凝土結構、不銹鋼部件、電纜等可作為老化檢查工作的重點關注設備。

在明確選取設備標準，確定需關注的重要設備后，老化機理的研究便成為問題的關鍵環節。老化機理多種多樣，各設備老化形式也不盡相同。首先，需要對設備的材料、運行工況、周圍環境有充分的了解。其次，要全面掌握設備設計、制造、安裝、調試、運行等方面的資料。最后還要對設計、制造、運行、材料、焊接、力學、水化學、腐蝕防護等領域有足夠的知識儲備。因此，設備老化機理的確定是一個復雜的過程，對分析者的綜合能力有很高的要求。

識別老化機理的同時，還需確定應用何種監測方式以及采取何種緩解手段。老化監測的目的是對老化狀態進行定量評估。以穩壓器波動管為例，由于內部熱分層現象引起的熱疲勞是其主要的老化機理，則溫度實時監測系統的建立是有必要的。對于電纜老化問題，周圍環境數據的監測則具有重要意義。綜上，監測的難點在于找到老化機理背后所反映的重要影響因子。針對緩解環節，有了老化機理和監測數據的支撐，整體上要增加維修整治的頻度，在局部則需根據實際情況和經驗反饋采取恰當措施。例如，為緩解波動管的熱疲勞，根據現場實際布置情況，可以適當增加水平段的傾角，避免發生熱分層現象，以達到緩解目的。又如，降低電纜所處周圍環境溫度，則可以大大降低老化速率。綜上，緩解措施的具體實施手段須與工程實際相結合，找到合理可行的最優解決方法。

2009年，國際原子能機構（IAEA）將老化管理與經濟計劃相統一，提出了全壽期老化管理的理念，又稱壽命管理（PLM），其目標為：優化SSCs的運行、維修和服務壽命；維持一個可接受的性能和安全水平；最大限度地獲得電廠服務的回報。

壽命管理將傳統的老化管理步驟覆蓋至從電廠設計、建造、調試，直到運行、延壽和退役的全生命周期，對核電廠的設計、設備制造、設備鑒定、建造調試、營運管理、檢查維修、執照取證、延壽模式、退役模式等過程均提出了新的要求。從本質上看，壽命管理方式是促使核電廠在設計階段，就向著更安全、更長久、更穩定的方向發展，從而為后期的延壽夯實基礎。

世界各國的壽命管理實踐

目前，世界各國采用的壽命管理方式主要有執照更新（License renewal，LR）和定期安全審查（Periodic safety review，PSR）兩種。其中，美國對老化管理和壽命管理研究得最為成熟，采用了LR方式；日本和大多數歐洲國家執行PSR方式；西班牙、匈牙利等其他國家則同時采用LR和PSR兩種方式對核電廠進行壽命管理。

執照更新壽命管理方式為固定執照模式，以執照更新為基礎，實行運行執照有年限模式（一般為40年）。該方式主要關注三個方面的內容：1）電站整體性評估（Integrated plant assessment，IPA），即對電站非能動、長壽期SSC執行的老化管理進行評估，以確保在具備足夠的安全裕量的前提下使電站服役時間超過設計壽期；2）限時性老化分析（Time limited ageing analyses，TLAA），例如中子輻照脆化、疲勞等；3）最終安全分析報告（FSAR）升級，包括現有老化管理措施、改進的老化管理措施、新的老化管理措施等。

定期安全審查壽命管理方式無須申請執照更新，以定期安全審查為基礎，實行運行執照無期限模式，該方式要求定期（一般是10年）對核電廠進行一次整體全方位的綜合評估，在安全審評中，關注安全系統的退化、可靠等問題，并大致預測電廠可繼續服役的時間。

根據IAEA出版的安全導則NS-G-2.10，定期審查的主要內容包括：

1）工程技術評估，適用于安全事項或安全要素，用來評估電站實際情況與當前安全要求、設計規范與標準的差異，這項評估應基于電站現有能夠體現安全相關SSCs狀態的技術文檔，其范圍應包含正常運行、設計基準事故及超設計基準事故等；

2）將機組的當前安全水平與設計水平相比較，易識別機組的退化，查找最初安全分析的不足，將機組的安全水平與最新實踐或運行機組相比較，提高機組安全水平以高于最初設計或經驗反饋分析而產生的持續改進水平；

3）確定性安全分析，對電站所發生的瞬變及事故工況進行分析，確定是否滿足設計規范要求，從而對電站實際狀態進行評估；

4）概率安全分析（PSA），從電站層面對影響安全運行的重大事件進行分析提供事件發生的次數及等級。

對比上述兩種壽命管理方式可知，壽命管理方式的選擇與各國的具體情況緊密相關。美國采用LR體系，是因為其具備了完善的核電廠執照更新制度，通過超期運行必須申請執照更新的方式處理核電廠老化問題。此外，NRC可利用其核電廠監督程序對運行核電廠實行在線監督，也是美國不依靠PSR進行核電廠壽命管理的前提。而日本和大多數歐洲國家因管理體制方面，尤其是在線監督方面存在不足，所以選擇PSR方式。因此，我國也應根據核電發展特點及監管現狀，積極探索適合自身的壽命管理方式。

我國核電廠壽命管理實踐及建議

我國核電發展較晚，秦山一期核電站和大亞灣核電站的首次十年安全審查是僅有的兩次核電廠壽命管理實踐，這兩次實踐具有以下特點。

1） 起步較晚，相關的基礎研究不足。由于我國核電發展較晚，壽命管理起步也較晚，相關領域的基礎研究不足，特別是金屬材料和非金屬材料在高溫、高輻照、高濕度、多相介質等惡劣條件下的老化機理研究非常缺乏。這間接制約了老化狀態評估及監測預測技術的發展。

2） 研究成果缺乏整合，統一評價標準不足。國內部分單位陸續開展了基礎研究，但各研究單位受自身資源和所屬集團利益的限制，各研究項目之間沒有相互銜接，缺乏共享和有機整合，這極大地降低了各單位研究成果的權威性和代表性。此外，至今我國尚未建立起完整的核電廠延壽管理法規體系，缺少管理法規、導則、規范等標準文件，沒有統一的評價標準，不利于相關評價工作的開展。

3） 老化管理分散，尚未形成老化及壽命管理體系。目前，我國的老化管理工作分散體現在維修、檢查、監測、監督、水化學、經驗反饋、設備合格鑒定和定期安全審查等活動中，管理經驗及數據不足，未形成系統化的老化和壽命管理體系。以秦山核電站為例，雖然延壽問題已經列入電廠管理層的規劃中，但延壽策略仍未確定，延壽申請的相關工作仍不明確。

總結上述老化管理與壽命管理的重點問題和世界上的實踐情況，結合我國電廠延壽管理的現狀，筆者認為我國應構建核電廠老化及壽命管理的總體實施框架，總體實施框架在兩個層次上實施，頂層需建立完整的核電廠老化及壽命管理體系，為底層提供指導；底層則需提出具體的老化管理方法并進行老化機理研究，為頂層提供技術支撐。對頂層和底層的具體建議如下。

國家層面上，政府主管部門即國家核安全局，可以參考歐盟在2006年啟動的核電廠壽命預測（NULIFE）研究計劃，建設老化數據庫及經驗反饋信息中心等歸口式的管理機構，有機整合各單位機構開展的研究及成果，構建資源開放、信息對等的交流平臺；貫徹全壽期老化管理方式，從設計階段開始就實行有效的壽命管理制度，督促業主經常開展老化檢查，并將每次老化檢查的間隔時間縮短，且每次檢查核安全局應指派專員全程參與，將發現的問題記錄備案，進行針對性解決；圍繞主設備（主要指RPV）的老化行為、非金屬老化行為、電纜老化、輻照脆化等重大問題組織國內科研力量，逐一進行深入研究，解決制約老化管理和壽命管理的關鍵問題，制定統一的評價標準；建立核電站老化和壽期管理協作制度，明確核安全當局、業主和科研單位的職責分工和相互關系（見圖2），形成統一、指導性強、可操作性強的老化和壽命管理法規和技術體系。

圖2 國家管理部門、業主和科研機構的職責分工及相互關系

業主層面上，即核電廠營運者，要在遵從國家頂層設計、管理規范等硬性要求的基礎上，建立企業內部的協作研究平臺，打造良好的研究氛圍；實行精細化管理，責任分工明確；提供更多的學習機會，督促電廠一線操作和維修人員，深入了解電廠老化和壽命管理的內涵，學習相關專業知識，在操作和維修現場中積累實際經驗，發現電廠設備老化的問題及規律，并及時解決，形成一套行之有效的工作方式；做好宣傳工作，讓員工意識到老化和壽命管理的重要性，培養一批在核電站老化和壽命管理有豐富經驗的人才。

結語

核電站延壽的研究已成為各國核電長期發展的重要問題。核電站延壽是安全性與經濟性之間的博弈，國家核安全當局、業主、科研機構應保持良好合作關系，共同研究確定最優的電廠延壽模式。本文在對老化管理和壽命管理方法梳理歸納的基礎上，通過分析世界主要核電國家核電廠壽命管理的實踐，結合我國已有十年安全審查的經驗，從國家、業主兩個層面提出了建立健全法規制度、貫徹全壽期管理模式、建立國家級資源共享平臺、培養電站延壽領域精英、提高老化管理意識、增強一線操作維修人員技術水平等一系列建議，為我國核電站延壽管理提供了可參考的總體實施框架。

馬 帥 劉宇生 張澤宇

環境保護部核與輻射安全中心

馬帥（1988-）男，吉林省，助工，現主要從事反應堆結構力學、熱工水力等科研工作。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.16.002