關于建立我國反應堆壓力容器輻照監(jiān)督數據庫的建議

曾 珍，房永剛

（生態(tài)環(huán)境部核與輻射安全中心，北京 100082）

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

1 RPV輻照監(jiān)督基礎理論

RPV裝載著堆芯核燃料，是包容放射性的第二道屏障，在設計上要保證高度的結構完整性［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，化學成分詳見表1［2］。Mn-Ni-Mo系和Cr-Mo-V系低合金鋼具有韌脆轉變溫度（Ductile-Brittle Transition Temperature，DBTT），當溫度低于韌脆轉變溫度時，壓力容器的斷裂方式由韌性斷裂轉變?yōu)榇嘈詳嗔眩闯霈F低溫脆性現象［3］。相關研究指出，RPV服役過程中，其性能受高溫、高壓及快中子輻照（E≥1 MeV）影響易產生輻照脆化，導致RPV材料的斷裂韌性下降，壓縮了RPV的壓力-溫度運行窗口，如圖1所示［4-6］。為預防RPV性能下降造成結構完整性喪失而引發(fā)重大事故，各國建立輻照監(jiān)督數據庫，整合輻照監(jiān)督試驗數據、構建輻照脆化預測模型，預測壓力容器壽期內運行狀態(tài)。通過分析運行期間輻照監(jiān)督數據，對照預測模型評估脆化程度、修訂運行參數，實現對RPV結構完整性的監(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 國外反應堆壓力容器輻照監(jiān)督數據庫

核電廠在運行過程中，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輻照脆化，從而破壞RPV結構完整性。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、金屬微觀結構、冶煉和加工以及焊接等。其中，中子注量、合金成分（各國壓力容器用鋼合金成分見表1）和輻照溫度。為了保證核電廠運行過程中RPV結構完整性，世界各國整合各自國家范圍內商用堆、實驗堆的輻照監(jiān)督數據，應用于輻照脆化公式的開發(fā)及輻照脆化模型的構建。

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

2.1 IAEA在20世紀末建立輻照監(jiān)督數據庫

國際原子能機構（International Atomic Energy Agency，IAEA）自20世紀60年代中期，通過顧問會議、專家會議和研討會等形式開展了一系列中子輻照效應技術交流。70年代初，IAEA發(fā)起了關于RPV結構完整性的合作研究計劃（Coordinated Research Program，CRP），見表2。該計劃進行了RPV用鋼的輻照脆化研究，并通過開展輻照試驗獲得了大量的輻照脆化數據。1993年，CRP建議IAEA建立反應堆壓力容器材料國際數據庫（International Database on Reactor Pressure Vessel Material，IDRPVM），并以此作為建立老化管理國際數據庫的第一步。1996年，IAEA公布了 IDRPVM的測試版，該數據庫主要為IAEA各成員國的研究提供可行的數據，以幫助各國核電廠更好地評估RPV輻照脆化狀態(tài)。

表2 CRP計劃各階段研究工作Table 2 Research contents at all stages of CRP programme

2.2 美國輻照數據庫較為完善

過去40年，美國收集和整理了大量商用堆和實驗堆輻照監(jiān)督數據，并建立了EDB、RVID和Eason等輻照監(jiān)督數據庫，用于輻照脆化預測模型開發(fā)和修正。EDB數據庫是由美國橡樹嶺國家實驗室（Oak Ridge National Laboratory，ORNL）在收集與整理了美國商用堆和實驗堆的輻照數據的基礎上形成的，它包括商用堆RPV材料輻照脆化數據庫（Power Reactor Embrittlement Data Base，PR-EDB）和實驗堆材料輻照脆化數據庫（Test Reactor Embrittlement Data Base，TR-EDB），如 表3 及 圖2 所 示［7-9］。基于該數據庫，美國NRC建立了RG1.99輻照脆化預測公式（第二版），并廣泛用于美國RPV運行輻照脆化評估和運行壓力-溫度限值曲線制定。目前，由NRC資助ORNL維護整個EDB數據庫。RVID數據庫是NRC在對美國在役核電站輻照監(jiān)督數據收集整理的基礎上建立的。該數據庫的建立主要是為響應NRC一般函告GL92-01要求，主要功能是利用輻照監(jiān)督數據對美國核管會頒布的管理導則RG1.99（第二版）中相關的計算公式進行修正，以便更準確地預測壽期末RPV材料的輻照脆化性能，并將計算結果用來評估RPV運行的壓力-溫度限值曲線以及承壓熱沖擊（Pressurized Thermal Shock，PTS）條件下RPV的結構完整性。Eason數據庫是美國核工業(yè)界和NRC為研究輻照脆化機理、建立輻照脆化預測模型，共同收集數據并匯總形成的。美國電科院EPRI和材料試驗協(xié)會ASTM分析了這個數據庫，并基于此提出了一個更簡便的輻照脆化預測模型，形成了ASTM E900-02標準。

表3 ORNL-EDB的輻照數據點［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 法國基于本國數據建立輻照監(jiān)督數據庫

法國核電廠在設計階段采用了RCC-M規(guī)范，其輻照脆化預測采用了美國RG1.99 （第一版）模型。隨著核電發(fā)展的需要，法國基于本國輻照監(jiān)督數據庫開發(fā)了FIS預測模型，該模型被RSEM標準采納并用于運行核電廠的RPV安全評估。為了滿足長壽期運行要求，法國利用6 個CPO和26個CPY機組的輻照監(jiān)督數據，以及實驗堆數據，對FIS模型重新進行了評估，并對一些參數進行了調整。法國電力公司（EDF）基于 RPV 設備的老化管理需求，收集了大量商用堆輻照監(jiān)督管數據，并建立了輻照脆化數據庫 SURF。該數據庫主要用于修正輻照脆化預測模型和中子注量與損傷關系。

2.4 俄、日等國均擁有輻照監(jiān)督數據庫

俄羅斯在標準 PNAE G-7-002-86《核動力裝置設備和管道強度計算規(guī)范》中給出了關于WWER 機組 RPV 材料輻照脆化的計算方法，并根據有無實驗堆輻照數據給出了兩種計算模型。近年來，隨著 WWER 機組輻照監(jiān)督數據的不斷積累，俄羅斯康采恩集團根據收集到的輻照監(jiān)督數據制定了標準RD EO 1.1.2.99.0920—2014，其中給出了新的輻照脆化預測模型，并實現了WWER-1000機組的延壽。日本輻照監(jiān)督標準為JEAC-4201，其中輻照脆化模型是對1990年以前壓水堆壓力容器輻照監(jiān)督數據進行分析擬合獲得的。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)督數據庫研究結果，修改了輻照脆化預測模型。

3 我國輻照監(jiān)督數據庫現狀

我國開展了少量關于壓力容器輻照脆化預測的研究工作。例如，核動力研究院使用中子輻照實驗反應器在高溫下對商用RPV鋼進行中子輻照實驗，中國原子能科學研究院、蘇州熱工院等單位結合實驗數據、輻照監(jiān)督數據等擬合了若干壓力容器輻照脆化預測公式。但是，以上研究工作采用的數據主要來自加速實驗或各自收集的有限輻照監(jiān)督數據。由于各核電廠和各自技術支持機構的輻照監(jiān)督數據未經過有效整合，所以建立的數據庫存在局限性，缺乏權威及代表性。而國外的輻照監(jiān)督數據庫由于使用了高Cu、P含量RPV鋼和實驗堆數據等原因，其輻照預測模型對我國核電機組輻照脆化監(jiān)督并不完全適用，這對我國核電自主化設計、機組長壽期運行以及核電出口有較大影響。

隨著我國核電機組數量的增加、運行時間的累積，壓力容器輻照監(jiān)督數據也在不斷增多，已基本具備建立適合我國壓力容器材料輻照監(jiān)督數據庫的條件。因此，我國需盡快整合國內各核電廠輻照監(jiān)督數據，通過建立通用的輻照監(jiān)督數據庫為構建統(tǒng)一輻照脆化監(jiān)督模型以及運行過程中的監(jiān)管等工作奠定基礎。

目前，建立輻照數據庫主要面臨如下困難。

（1）輻照數據整合壁壘嚴重。我國目前缺乏輻照監(jiān)督數據提交的監(jiān)管要求，只是在十年定期安全審查時提交數據處理結論。因此，國內RPV輻照監(jiān)督數據主要分散掌握在核電廠和相關科研機構手中。由于輻照監(jiān)督數據獲取技術復雜、輻照周期長、成本高等原因，導致核電廠和相關科研機構不愿公開輻照監(jiān)督數據，而行業(yè)內的數據不共享導致我國輻照監(jiān)督數據庫的建立長期處于停滯狀態(tài)。

（2）數據庫運維管理技術需同步提升。除輻照監(jiān)督數據收集方面的困難外，甄別輻照監(jiān)督數據的有效性以及數據處理也存在一定技術難度。同時，數據庫的維護和更新也需要專業(yè)的機構支持。

（3）輻照脆化預測模型匹配性不足。我國核電起步較晚，商用堆主要引進了法國、美國、俄羅斯等國家的壓水堆堆型，RPV輻照脆化預測和評估基本參考引進國外輻照脆化預測模型和公式。國內RPV制造大量采用國產低Cu、P含量的現代鋼材料，輻照環(huán)境與材料因素均與國外輻照監(jiān)督數據庫材料有所差別。這導致利用國外的輻照脆化預測模型無法可靠地評估我國RPV材料輻照脆化情況，從而造成RPV運行的安全隱患或過分保守，并進而影響了機組運行的安全性和經濟性。

4 建議

隨著我國核電機組運行時間的積累，反應堆壓力容器輻照監(jiān)督材料試驗數據逐漸增多，我國已基本具備建立獨立的輻照監(jiān)督數據庫的基礎。本文結合國外RPV輻照監(jiān)督數據庫和輻照脆化預測模型構建詳情，根據我國實際情況提出以下建議：

（1）建立國家層面輻照監(jiān)督數據庫。依據HAF-102《核動力廠設計安全規(guī)定》法規(guī)要求，由監(jiān)管機構出臺相應的技術政策和細則，全面整合我國核電廠已提取的RPV材料輻照監(jiān)督數據，建立我國自主的核電行業(yè)通用輻照監(jiān)督數據庫。

（2）建立統(tǒng)一的輻照監(jiān)督脆化模型。基于輻照監(jiān)督數據庫的豐富數據積累和統(tǒng)計分析，借助現代化的高分辨率透射電鏡、三維原子探針、計算機模擬技術等深入理解輻照損傷機理，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，建立我國自主的RPV材料輻照脆化預測模型。

（3）搭建輻照監(jiān)督國際交流平臺。RPV 輻照監(jiān)督數據庫是全世界各國核電站的輻照監(jiān)督數據的有效收集和整合處理，RPV輻照脆化預測模型的發(fā)展離不開國際核電信息的充分互通。所以，我國應建立以輻照監(jiān)督數據庫為基礎的RPV輻照脆化國際數據交流平臺，實現國內和國外監(jiān)管機構數據信息交流，展現我國透明核安全文化，發(fā)揮核電大國擔當。