核电厂延寿的方向

2015-11-17刘宇生张泽宇

中国科技信息 2015年16期

马帅刘宇生张泽宇

核电厂延寿的方向

马帅刘宇生张泽宇

核电厂延寿作为提高核电持续发展能力和经济性的重要方法，是世界主要核电国家的通用选择。本文对核电厂延寿中的老化管理和寿命管理方法进行了梳理归纳，通过分析世界主要核电国家核电厂寿命管理的实践，结合我国已有安全审查的经验，提出了构建核电厂寿命管理的总体实施框架的建议，并分两个层次给出了具体的实施建议。

世界范围内，越来越多的核电厂正进入寿命后期，数据显示，全球共有在役核电机组441座，在建机组62座，其中约有20％的运行年限超过30年，70％的运行年限超过20年。我国也不例外，截止到2015年，秦山核电厂已运行25年之久，接近30年的设计寿命，大亚湾核电厂已运行超过20年。综上，寿命管理及延寿作为与核电厂老化密切相关的问题，已经成为核电行业内关注的重点问题和研究方向。我国作为全球核电在建规模最大的国家，研究核电厂寿命管理及延寿许可，既是核电事业发展的现实要求，也是核能应用长远发展的客观需求。

寿命管理本质上是电厂安全运行与经济效益最大化之间的平衡问题，涉及电厂设备的失效老化、事故安全分析等多方面的内容，因此需要从我国核电发展特点的实际出发，构建核电厂寿命管理的总体实施框架。本文在对老化管理和寿命管理方法梳理归纳的基础上，通过分析世界主要核电国家核电厂寿命管理的实践，结合我国已有十年安全审查的经验，对我国核电厂寿命管理的顶层设计和延寿问题提出了若干建议。

1 老化管理及寿命管理

核电厂老化是指系统、构筑物和部件（SSCs）的物理性能随时间或使用逐步退化改变的过程，这一过程可能涉及单一的老化机理或多种老化机理的综合作用。虽然核工业界和监管部门制定了严格的安全要求和质量保证计划，但由于设计、制造中的缺陷或运行环境的不断变化甚至人为的误操作，设备仍会出现不可预见的老化现象。

1987年美国爱达荷国家实验室进行的调查分析表明：31％的失效事件可归因于老化失效。所以需要研究各种老化机理，通过积累电厂实际运行的经验和数据，采用先进检测手段发现、解决老化问题，即进行老化管理。所谓老化管理（AM）是指为了在可接受的限度内控制SSCs的老化退化而采取的工程、运行及维修等方面的措施。

国际原子能机构（IAEA）出版的“核动力厂设计安全规定（NS-R-1）”和“核动力厂运行安全规定（NSR-2）”，国家核安全局发布的“HAF102核动力厂设计安全规定”和“HAF103核动力厂运行安全规定”等法规中，均从设计、运行等方面对老化管理作了原则性的规定。

根据相关研究报告，老化管理涉及的核心环节如图1所示。

图1 老化管理基本步骤

核电站中有数以万计的各类设备，运行期间必然会逐步老化退化，而这种老化势必会影响设备的可靠性，进而直接或者间接影响电厂的安全和寿命。由于核电站从投入运行直至退役，主设备在全寿期内是不进行更换的，因此设备的寿命将决定电厂的服役时间。同时，还有许多设备在执行保证一回路压力边界完整性、维持停堆状态和防止放射性物质外泄时发挥着重要作用。基于以上考虑，反应堆压力容器、主泵、蒸汽发生器、稳压器、安全壳、堆腔混凝土结构、不锈钢部件、电缆等可作为老化检查工作的重点关注设备。

在明确选取设备标准，确定需关注的重要设备后，老化机理的研究便成为问题的关键环节。老化机理多种多样，各设备老化形式也不尽相同。首先，需要对设备的材料、运行工况、周围环境有充分的了解。其次，要全面掌握设备设计、制造、安装、调试、运行等方面的资料。最后还要对设计、制造、运行、材料、焊接、力学、水化学、腐蚀防护等领域有足够的知识储备。因此，设备老化机理的确定是一个复杂的过程，对分析者的综合能力有很高的要求。

识别老化机理的同时，还需确定应用何种监测方式以及采取何种缓解手段。老化监测的目的是对老化状态进行定量评估。以稳压器波动管为例，由于内部热分层现象引起的热疲劳是其主要的老化机理，则温度实时监测系统的建立是有必要的。对于电缆老化问题，周围环境数据的监测则具有重要意义。综上，监测的难点在于找到老化机理背后所反映的重要影响因子。针对缓解环节，有了老化机理和监测数据的支撑，整体上要增加维修整治的频度，在局部则需根据实际情况和经验反馈采取恰当措施。例如，为缓解波动管的热疲劳，根据现场实际布置情况，可以适当增加水平段的倾角，避免发生热分层现象，以达到缓解目的。又如，降低电缆所处周围环境温度，则可以大大降低老化速率。综上，缓解措施的具体实施手段须与工程实际相结合，找到合理可行的最优解决方法。

2009年，国际原子能机构（IAEA）将老化管理与经济计划相统一，提出了全寿期老化管理的理念，又称寿命管理（PLM），其目标为：优化SSCs的运行、维修和服务寿命；维持一个可接受的性能和安全水平；最大限度地获得电厂服务的回报。

寿命管理将传统的老化管理步骤覆盖至从电厂设计、建造、调试，直到运行、延寿和退役的全生命周期，对核电厂的设计、设备制造、设备鉴定、建造调试、营运管理、检查维修、执照取证、延寿模式、退役模式等过程均提出了新的要求。从本质上看，寿命管理方式是促使核电厂在设计阶段，就向着更安全、更长久、更稳定的方向发展，从而为后期的延寿夯实基础。

世界各国的寿命管理实践

目前，世界各国采用的寿命管理方式主要有执照更新（License renewal，LR）和定期安全审查（Periodic safety review，PSR）两种。其中，美国对老化管理和寿命管理研究得最为成熟，采用了LR方式；日本和大多数欧洲国家执行PSR方式；西班牙、匈牙利等其他国家则同时采用LR和PSR两种方式对核电厂进行寿命管理。

执照更新寿命管理方式为固定执照模式，以执照更新为基础，实行运行执照有年限模式（一般为40年）。该方式主要关注三个方面的内容：1）电站整体性评估（Integrated plant assessment，IPA），即对电站非能动、长寿期SSC执行的老化管理进行评估，以确保在具备足够的安全裕量的前提下使电站服役时间超过设计寿期；2）限时性老化分析（Time limited ageing analyses，TLAA），例如中子辐照脆化、疲劳等；3）最终安全分析报告（FSAR）升级，包括现有老化管理措施、改进的老化管理措施、新的老化管理措施等。

定期安全审查寿命管理方式无须申请执照更新，以定期安全审查为基础，实行运行执照无期限模式，该方式要求定期（一般是10年）对核电厂进行一次整体全方位的综合评估，在安全审评中，关注安全系统的退化、可靠等问题，并大致预测电厂可继续服役的时间。

根据IAEA出版的安全导则NS-G-2.10，定期审查的主要内容包括：

1）工程技术评估，适用于安全事项或安全要素，用来评估电站实际情况与当前安全要求、设计规范与标准的差异，这项评估应基于电站现有能够体现安全相关SSCs状态的技术文档，其范围应包含正常运行、设计基准事故及超设计基准事故等；

2）将机组的当前安全水平与设计水平相比较，易识别机组的退化，查找最初安全分析的不足，将机组的安全水平与最新实践或运行机组相比较，提高机组安全水平以高于最初设计或经验反馈分析而产生的持续改进水平；

3）确定性安全分析，对电站所发生的瞬变及事故工况进行分析，确定是否满足设计规范要求，从而对电站实际状态进行评估；

4）概率安全分析（PSA），从电站层面对影响安全运行的重大事件进行分析提供事件发生的次数及等级。

对比上述两种寿命管理方式可知，寿命管理方式的选择与各国的具体情况紧密相关。美国采用LR体系，是因为其具备了完善的核电厂执照更新制度，通过超期运行必须申请执照更新的方式处理核电厂老化问题。此外，NRC可利用其核电厂监督程序对运行核电厂实行在线监督，也是美国不依靠PSR进行核电厂寿命管理的前提。而日本和大多数欧洲国家因管理体制方面，尤其是在线监督方面存在不足，所以选择PSR方式。因此，我国也应根据核电发展特点及监管现状，积极探索适合自身的寿命管理方式。

我国核电厂寿命管理实践及建议

我国核电发展较晚，秦山一期核电站和大亚湾核电站的首次十年安全审查是仅有的两次核电厂寿命管理实践，这两次实践具有以下特点。

1）起步较晚，相关的基础研究不足。由于我国核电发展较晚，寿命管理起步也较晚，相关领域的基础研究不足，特别是金属材料和非金属材料在高温、高辐照、高湿度、多相介质等恶劣条件下的老化机理研究非常缺乏。这间接制约了老化状态评估及监测预测技术的发展。

2）研究成果缺乏整合，统一评价标准不足。国内部分单位陆续开展了基础研究，但各研究单位受自身资源和所属集团利益的限制，各研究项目之间没有相互衔接，缺乏共享和有机整合，这极大地降低了各单位研究成果的权威性和代表性。此外，至今我国尚未建立起完整的核电厂延寿管理法规体系，缺少管理法规、导则、规范等标准文件，没有统一的评价标准，不利于相关评价工作的开展。

3）老化管理分散，尚未形成老化及寿命管理体系。目前，我国的老化管理工作分散体现在维修、检查、监测、监督、水化学、经验反馈、设备合格鉴定和定期安全审查等活动中，管理经验及数据不足，未形成系统化的老化和寿命管理体系。以秦山核电站为例，虽然延寿问题已经列入电厂管理层的规划中，但延寿策略仍未确定，延寿申请的相关工作仍不明确。

总结上述老化管理与寿命管理的重点问题和世界上的实践情况，结合我国电厂延寿管理的现状，笔者认为我国应构建核电厂老化及寿命管理的总体实施框架，总体实施框架在两个层次上实施，顶层需建立完整的核电厂老化及寿命管理体系，为底层提供指导；底层则需提出具体的老化管理方法并进行老化机理研究，为顶层提供技术支撑。对顶层和底层的具体建议如下。

国家层面上，政府主管部门即国家核安全局，可以参考欧盟在2006年启动的核电厂寿命预测（NULIFE）研究计划，建设老化数据库及经验反馈信息中心等归口式的管理机构，有机整合各单位机构开展的研究及成果，构建资源开放、信息对等的交流平台；贯彻全寿期老化管理方式，从设计阶段开始就实行有效的寿命管理制度，督促业主经常开展老化检查，并将每次老化检查的间隔时间缩短，且每次检查核安全局应指派专员全程参与，将发现的问题记录备案，进行针对性解决；围绕主设备（主要指RPV）的老化行为、非金属老化行为、电缆老化、辐照脆化等重大问题组织国内科研力量，逐一进行深入研究，解决制约老化管理和寿命管理的关键问题，制定统一的评价标准；建立核电站老化和寿期管理协作制度，明确核安全当局、业主和科研单位的职责分工和相互关系（见图2），形成统一、指导性强、可操作性强的老化和寿命管理法规和技术体系。

图2 国家管理部门、业主和科研机构的职责分工及相互关系

业主层面上，即核电厂营运者，要在遵从国家顶层设计、管理规范等硬性要求的基础上，建立企业内部的协作研究平台，打造良好的研究氛围；实行精细化管理，责任分工明确；提供更多的学习机会，督促电厂一线操作和维修人员，深入了解电厂老化和寿命管理的内涵，学习相关专业知识，在操作和维修现场中积累实际经验，发现电厂设备老化的问题及规律，并及时解决，形成一套行之有效的工作方式；做好宣传工作，让员工意识到老化和寿命管理的重要性，培养一批在核电站老化和寿命管理有丰富经验的人才。

结语

核电站延寿的研究已成为各国核电长期发展的重要问题。核电站延寿是安全性与经济性之间的博弈，国家核安全当局、业主、科研机构应保持良好合作关系，共同研究确定最优的电厂延寿模式。本文在对老化管理和寿命管理方法梳理归纳的基础上，通过分析世界主要核电国家核电厂寿命管理的实践，结合我国已有十年安全审查的经验，从国家、业主两个层面提出了建立健全法规制度、贯彻全寿期管理模式、建立国家级资源共享平台、培养电站延寿领域精英、提高老化管理意识、增强一线操作维修人员技术水平等一系列建议，为我国核电站延寿管理提供了可参考的总体实施框架。