乏燃料后處理工程關鍵技術元素識別方法研究

徐東林，姚守忠，王生吉

（中核龍安有限公司，臺州 318000）

建設乏燃料后處理商業大廠（簡稱商業大廠）是實現國家核能發展“三步走”戰略的關鍵工程，是實現核能安全可持續發展的必由之路。號稱“核工業的超級工程”的商業大廠，具有技術創新程度高、技術體系復雜、資金投入大、建設周期長的特點。為確保將商業大廠建設成為一個技術先進、安全可靠、經濟良好的工廠，借鑒其他行業的做法［1-3］，開展技術成熟度評價，將問題暴露在工程技術路線選擇和工程初步設計階段，并加以解決，對工程項目的安全可靠性管理和技術經濟性管理都非常有意義。

目前，國內外乏燃料后處理行業還沒有技術成熟度評價方法或評價體系可供參考。針對這一空白，研究團隊開展了大量調研、分析和研究工作，其中，關鍵技術元素（Critical Technology Element，CTE）的識別方法是技術成熟度評價體系的重要組成部分，也是技術成熟度評價體系重點研究內容。

判定一項技術是否關鍵，通常的做法是憑借技術專家的經驗進行主觀判斷。但是，在面對多種專業和學科交叉的復雜系統時，單一領域專家的認知往往存在一定局限性。本研究嘗試通過數學建模的方式，探索一種將主觀經驗與客觀指標相結合的判定體系，進而提高關鍵技術識別的準確度。

技術關鍵程度識別需要從技術重要性和技術風險性兩個方面進行分析，分別建立指標體系和判定標準。

1 技術重要性指標體系

建立技術重要性指標體系分三個步驟：確定技術重要性指標；確定技術重要性指標權重；確定技術重要性判定標準。

1.1 技術重要性指標及其定義

乏燃料后處理技術涉及化學工程、放射性化學、物理、核物理、輻射和測控等多個學科或技術領域。但其核心是以核安全為前提的化學工藝過程。因此，技術重要性要求統籌考慮技術元素的核安全功能和工藝功能。

根據乏燃料后處理設施安全［4，5］有關要求，把核安全功能分解為核臨界控制、放射性物質包容、化學爆炸預防、釋熱導出以及電離輻射防護五個方面。根據后處理工藝目標和工藝特點，將工藝功能分解為工藝指標實現（簡稱工藝實現）、產能保證、產品指標實現（簡稱產品指標）、產品損失預防（簡稱產品損失）和放射性廢物最小化（簡稱廢物最小化）五個方面。將上述十個因素作為技術重要性判定的指標。各指標因素釋義見表1。

表1 核安全功能指標釋義Tabel 1 Interpretation of nuclear safety indicators

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表3 輻射分區標準Table 3 Radiation zoning standard

1.2 技術重要性指標權重賦值

指標權重賦值通常有經驗加權法和數學加權法。經驗加權法，即定性加權法，其優點是專家直接評估，簡單易行；數學加權法，即定量加權法，以經驗為基礎，以數學原理為背景，間接生產，具有較強的科學性。

本研究采用數學加權法進行嘗試。本方法數學建模和數學計算采用運籌學中的層次分析方法（AHP）［7］的原理完成。

1.2.1 構建層次結構模型

將十項指標與重要性評價之間的關系轉化為各指標相對于重要性程度相對權值的確定問題，模型如圖1所示。

圖1 重要性層次結構模型Fig.1 Importance hierarchy model

1.2.2 標度

當眾多指標一起比較時，很難一次性得出重要性排序。但兩個指標進行比較總能很容易判斷出重要性。因此采用兩兩比較的方式，引入1-9標度方法（見表4），并將不同情況的評比給出數量標度。這樣就將十項指標相對于重要性程度的權重排序簡化為一系列成對指標的判斷比較。

表4 重要性標度表Table 4 Importance scale

1.2.3 特征向量計算及一致性檢驗

分別邀請后處理工藝科研、設計、調試和運行等方面的專家及核與輻射安全管理和后處理技術管理等領域的若干專家對十個指標進行兩兩比較。將比較結果通過表2標度值進行量化，并求解十個重要性指標的期望值。

表2 包容分區標準Tabel 2 Containment class

將十個期望值進行十階矩陣排列（矩陣略），通過式（1）、式（2）和式（3）計算十個指標歸一化特征向量值。通過式（4）計算矩陣最大特征向量值λmax。通過式（5）和式（6）對矩陣進行一致性檢驗。一般來說，只要CI≤0.10，判斷矩陣的一致性是可以接受的，此時的Wi值即可作為第i個指標的權重值。如果CR明顯大于0.1，需要把專家兩兩比較結果中偏離較大的剔除，然后再進行檢驗，直到通過一致性檢驗。

1.2.4 權重賦值

通過組織專家對十個指標進行兩兩比較，經矩陣運算和一致性檢驗，求得十個指標的特征向量Wi=（0.12，0.11，0.07，0.07，0.09，0.15，0.10，0.12，0.11，0.06），按此特征向量給十個指標賦值，見表5。

表5 指標權重Table 5 Index weight

1.3 重要性評價標準

參考科學實驗中常用的0.618法，即優選法，將技術的重要性分為三類：Ⅰ類（很重要）、Ⅱ類（重要）、Ⅲ（一般重要）。表6給出了技術的重要性分類邊界。

表6 技術重要性評價標準Table 6 Evaluation criteria of technical importance

此外，在重要性指標使用過程中，也可根據實際情況將權重和標準適當簡化。

2 技術風險性指標體系

技術風險性指標包括技術新穎程度、技術應用環境和技術驗證難度。參照核電領域技術成熟度規范［8］，提出簡化的風險指標分類及判定標準，見表7。

表7 技術風險性評價標準Table 7 Evaluation criteria of technical risk

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3 關鍵技術元素判定

3.1 關鍵程度判定矩陣

借鑒核電領域技術成熟度評價規范［8］，采用矩陣評價法對技術關鍵程度進行判定，并將關鍵程度描述為A（重大）類、B（重點）類、C1（重點）類、C2（一般）類及C3（其他）類。評價矩陣見表8。

表8 技術關鍵程度綜合評價矩陣Table 8 Evaluation matrix of technical criticality

根據矩陣判定結果，將A類、B類和C1類強制判定為關鍵技術元素，C3類強制判定為非關鍵技術元素，C2類為一般技術元素暫定為關鍵技術元素，獲得保守型初始清單。

通過專家評議或專家審查方法，對關鍵技術元素初始清單中的C2類技術元素進行再次判定，確定是否作為關鍵技術元素。同時，對未進入初始清單的關鍵技術或值得關注的技術元素進行補充，獲得關鍵技術元素最終清單，并實施清單化管理。

3.2 方法檢驗

選取后處理首端設施中乏燃料溶解器和鈾尾端設施硝酸鈾酰濃縮蒸發器兩項技術元素進行判定檢驗。關鍵程度識別過程見表9。

表9 關鍵程度識別表Table 9 Identification of key degree

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根據關鍵程度判定矩陣可知，連續溶解器是A類（重大）關鍵技術元素，硝酸鈾酰濃縮蒸發器是C3類（非關鍵技術元素）。

4 結束語

技術成熟度評價方法是加強技術風險管理，提高乏燃料循環設施安全可靠性和技術經濟性的重要工具。針對乏燃料后處理領域技術成熟度評價體系的空白，研究團隊開展了大量調研、分析和研究工作，其中，關鍵技術元素識別作為技術成熟度評價體系的重要組成部分，是研究的重點內容。

研究中，采用層次分析法對關鍵程度指標進行數學建模，調查分析，運行矩陣運算方法進行指標賦值，并對指標賦值進行了一致性檢驗，得出了重要性指標科學賦值，賦值結果為核臨界控制功能0.12、放射性物質包容功能0.11、化學爆炸預防功能0.07、釋熱導出功能0.07、電離輻射防護功能0.09、工藝指標實現功能0.15、產能保證0.10、產品指標實現0.12、產品損失預防0.11、廢物最小化功能0.06。

研究中，引入了核動力/核電領域技術成熟度評價規范中的綜合矩陣判定法，將技術元素區分為A類、B類、C1類、C2類和C3類。

通過選取乏燃料連續溶解器和硝酸鈾酰濃縮蒸發器兩個代表性技術元素對方法進行了檢驗，結果表明方法可行，結果可靠。