中国绵阳研究堆运行模式探索研究

张少华 钱达志 刘耀光 唐彬 杨宇川 孙光爱

摘 要：本课题通过对比分析国内外类似研究堆的运行模式与状态，结合中国绵阳研究堆的特点以及建设目标，辨识研究堆高效运行涉及的主要因素，充分解析本单位任务性质，以"坚持原则底线"为生存之本，以"灵活策划"为发展之道，优化研究堆的运行模式以达到解决当前主要矛盾、从容面对冲击、提升运行绩效的目的。

关键词：中国绵阳研究堆；运行模式；矛盾；冲击；绩效

一、前言

大型中子源主要是指研究堆中子源和散裂中子源。研究堆可以分为以束流应用为首要任务的研究堆（中子散射、中子成像等）、以辐照生产为首要任务的研究堆（材料辐照、同位素研制等）以及同时具备两种功能的综合应用型的研究堆，而散裂中子源主要用途是中子束流应用。

目前，国内三大中子源分别是中国绵阳研究堆 （CMRR）、中国先进研究堆（CARR）和中国散裂源（CSNS）。其中，CMRR堆已与2012年通过验收，2013年～2016年为试运行期，状态平稳；CARR堆于2017年底完成竣工验收；CSNS预计2018年完成建设（2017年8月CSNS靶站引出第一束中子束，但其一期的三台谱仪还在建设中）。CMRR堆是当前国内唯一正常运行的大型中子源。

统计显示，2013年CMRR堆运行44天，2014年运行79天，2015年运行105天，2016年运行123天，2017年运行182天。从近几年的运行情况来看，CMRR堆运行时间日趋饱满，运行效率逐渐提升，标志着CMRR堆已经进入较为稳定的运行阶段。

仅从数据统计来看，CMRR堆已进入稳定期，但是CMRR堆仍面临着以下几个问题急需解决：第一，中子束流供求不匹配；第二，反应堆运行绩效不显著；第三，CARR堆、东莞散裂源逐步完成建设投入运行，如何面对上述两个中子源对CMRR堆产生的冲击。

针对上述几个问题，研究团队开展了CMRR堆运行模式探索研究。

二、CMRR堆当前运行状态及应用情况

（一）运行周期

2013年运行44天，2014年运行79天，2015年运行105天，2016运行123天，2017年运行182天。CMRR堆的运行时间见图1。（运行天数，指反应堆从计划运行当天到完全停堆之间天数总和，包括启动前检查、反应堆达临界、反应堆提升功率、预定功率运行、停堆后余热排除，以及若干低功率运行天数。）

（二）运行模式

当前CMRR采用高功率长周期运行与低功率短周期运行结合的模式。高功率长周期一般以18～20MW的功率连续运行10天，低功率短周期一般以6MW的功率运行40小时。累积40个满功率日（FPD）后进行换料操作，每次更换5～10根燃料，换料操作（含实验）需要2周时间。

（三）CMRR运行维护团队现状

CMRR堆运行维护人员共47人，其中反应堆操作员12人，反应堆设备维护工程师30人，冷源维护工程师5人。

每次运行采用4班3倒模式。根据HAF202要求，操纵人员必须带照运行。正常情况下，取得操纵员执照，需要2年时间，从操纵员到高级操纵员需要3年。当前持证操作员共12人，每次运行按照法规设置3名操作员。

（四）成果

CMRR堆年平均用户申请达七十余份，已发表SCI论文数十篇（最高IF 19.8），近五年获国家科技进步二等奖1项，军队科技进步一等奖两项，二等奖3项，三等奖7项。

三、国内外研究堆运维与应用水平

（一） 运行周期

红色表示数据来源非官方尚存疑。

（二）运行管理模式

1.运行计划制定与执行

反应堆运行部门多为独立部门，每个财政年初，其上级部门会根据该财年实验任务制定并下达运行计划，这些计划多在网络上对外公布。运行部门负责按照计划进行运行，通常在每个运行周期（一般30天左右）结束后，会进行必要的检修与换料工作。运行计划与实际运行情况符合的很好。

2.运行队伍构成与职责划分

运行维护队伍一般由操作员、维护工程师、管理人员三种组成。一般有30～50人。核心工作为堆运行操作、堆本体的仪器控制系统维护、堆本体的机械回路系统维护、冷源设备维护（如有）、堆芯燃料组件操作、堆安全相关审查文件工作。有些机构研究堆运行部门还包括了辐射剂量监督、辐照样品出入堆、輻照小回路运行等。更多的工作意味着更大的运维人员队伍，例如NSBR运维队伍只负责前述4项核心任务，整个队伍只有25人；493堆运维队伍负责了除冷源外几乎所有工作，运维队伍达到上百人。

此外，国外运维人员中大多数都有操作员执照（70%～100%），维护工程师很多也有操作证。这可能与国外研究堆操作员取证难易程度有关，国外甚至允许有学生操作员。

3.非预期意外停堆与设备维保

即使对于运行非常成熟的研究堆，每年非预期的停堆也有5次左右，其中外电网、设备本身故障、人因误操作3种因素引起的非预期停堆比例基本相同。

除日常维保外，一般研究堆每年都会有一次集中检修，每个运行周期结束后会有2周左右的保养检修或换料时间。出现设备故障后，多采用本部门维护工程自行修复为主的方式。

（三）堆应用管理

研究堆作为平台为各类应用提供服务

1.束流应用中子学中心

国外依托研究堆或散裂源这样大型核设施建立了中子学研究中心。中子源的高效运行为中子学应用提供基础条件，同时中子学应用又对源技术本身提出更高要求，促进源技术发展。例如：NIST建立了NCNR中子学中心，依托NSBR堆，每年约有2400多名用户，发表学术论文350篇以上，NSBR每年运行任务饱满。桑迪亚国家实验室运行了ACRR研究堆与LANSCE散裂源，同时满足美国核武器研究和基础科学研究生产的需求，同时这些应用也使桑迪亚实验室的中子源技术达到世界一流。

2.材料辐照联盟

目前中子材料考验完全依赖研究堆。在欧洲、美国都建立了局域性的材料辐照堆联盟，欧洲中心联合了LVR15、R2、HFR、BR2、OSIRIS、JHR等研究堆，美国中心包括了MURR、ATR、HFIR、MITR等研究堆，JAEA希望建立亚洲联盟，并进一步形成全球范围的MTR合作，如图 2所示。

3.同位素生产

同位素生产是一项商业性非常强的活动，研究堆多只进行辐照，辐照完成后需要在热室使用相关设备进行复杂的后处理，通常的做法是将样品出售给专门的公司进行，这样只需要使用有防护的运输方式将辐照后样品运出研究堆厂区即可，更后端的制药、销售则有专业的制药与销售公司进行。很多研究堆仅依靠单晶硅掺杂（NTD）即可维持堆的运行维护费用。

（四）成果

以美国NIST研究堆为例，每年约有2400多名用户，发表学术论文350篇以上，培养博士生40多名，如图3，其他中子源，如FRM-II、ILL、SINQ、ISIS，每年用户数均在1000～1500人。ILL每年产出560篇论文（2007年），48%的论文IF>2，41篇是Nature、Science、PNAS、PRL、JACS这样的高影响因子文章。

小结：

不考虑设备稳定性、任务需求饱满程度、管理水平，研究堆的运行周期从技术上来看，取决于堆的用途、燃料富集度、单次运行时间。

此外，所有高性能运行的研究堆，其单次运行周期都在3～5周，一方面是燃料需要更换、设备需要检修，更重要的原因应该是堆内样品需要更换。

四、当前CMRR对面临的主要问题

通过上述比较，可以看出CMRR堆与国外高性能研究堆存在较大差距，除了各机构对研究堆的定位存在差异外，CMRR堆还面临以下几个问题。

（一）运行频率高、单次效率低，运行不规律、主线不明确

根据目前CMRR堆承担的任务性质可见：内部需求有限（主体任务不饱满），随机性较大，但很重要，必须保证完成；外部需求强烈，但堆运行不规律，束流供给不稳定，造成对外提供束流的不稳定性，进而造成用户的转向，最终造成堆的影响力逐渐下降。

（二）运行绩效不明显

对内，主体任务不饱满，重要程度有限，是否能解决或部分解决核武器面临的主要问题尚存疑，当前未能在此领域发挥更重要的作用。

对外，在前沿基础科学研究领域的发展中，CMRR做出的贡献无论数量还是质量与国外高性能研究堆存在明显差距。

（三）面临来自CARR和散裂源的冲击

三大中子源与应用平台特征如表 2所示。相对于其他两大中子源，CMRR创新性地采用有靶堆芯和无靶堆芯两种布置方式，较好地兼顾了中子束流应用和堆内辐照生产要求，能提供高注量率的冷、热、快中子辐照场。辐照空间大、重水箱16个辐照孔道，可用辐照空间为83升，且堆芯布置靈活，辐照生产无需频繁启停，综合辐照能力远高于CARR。

国内CMRR堆、CARR堆和中国散裂中子源三大中子科研平台从地理位置、定位、平台能力方面各具特色又相互补充，CARR堆和散裂源的正式运行势必会对CMRR堆带来冲击。

近期只有CMRR堆能够提供高产额高品质的中子束流并开展相关研究工作，应抓住机遇，通过提升平台能力、加强合作交流，与国内高水平用户建立长期、良好的合作研究团队，培养忠实用户，形成在国家科技发展方面的长效影响力。

上述矛盾、问题是表象；绩效的提升是根本。

通过运行模式的优化调整可以基本解决表象问题以及“根本”问题中的发展模块部分；“根本”问题中的核心还需要高层的运筹帷幄。

五、优化运行模式的指导思想

以原则底线为生存之本；以灵活策划为发展之道。

主体任务在首位是原则，保质保量按时完成是底线，涉及堆的存活问题，不能突破。首位、确保不是毫无原则不守规矩的借口，规矩不是儿戏，既然知道重要，更应提前策划。

前沿基础科学研究是发展是未来，兼顾堆中子束的品质和各类任务的实际需求，统筹策划各类任务的实施计划，灵活安排束流供应窗口，制定运行计划。

六、影响运行模式的因素

CMRR堆包含54个子系统，是一个复杂的大型核设施，它的正常运行主要涉及以下几个因素：运行维护团队、堆本体（含设备）、燃料组件、动力供应及相关规程。为了解决CMRR堆面临的问题，提高运行绩效，从容应对CARR堆和散裂源的冲击，在已有的条件下必须对现有运行模式进行优化。主要涉及：运行维护团队的容量、堆本体（主要是设备）的稳定性、燃料组件的寿命周期、电力供应的保障能力、任务性质对中子束流的特殊需求。

七、意见建议

在优化CMRR堆运行模式方面主要有以下几点：

（一）在现有运行维护团队的基础上对现行排班进行最优化处理，培养运行操作人员，提高维护人员的能力；同时针对运行维护类人才管理开展创新管理研究，保障团队的稳定；

（二）对堆本体的主要设备进行精细化管理，全流程跟踪其状态和固有寿命，提前策划，提高本体的稳定性；

（三）在设置运行模式的指导思想下，根据中子束流的品质，划分运行周期，明确运行主线；

（四）根据任务性质以及对中子束流的品质要求，精细化区分各项任务。

CMRR堆是提供中子束流的一个平台，在其正常高校效运行的情况下，其绩效的最终体现是应用能力和水平，在这方面有以下几点建议：

（一）大力推进中子学应用以应用促运行

依托已有中子物理学实验室等对外平台，大力加强开放与协作，在满足我所束流实验需求前提下，尽可能为外单位用户提供便利。饱满的应用任务可有效促进CMRR堆高效运行。

（二）加强与外部优势单位的深度合作，提升现有中子应用平台的水平

可采用与外部单位（高校）合作共建谱仪的模式，加速中子应用平台建设，建立长期、稳定、利益共享的深度捆绑联盟，提升谱仪建设与应用水平（目前已经开始尝试，建议加大力度）。

（三）大力推进同位素生产的规律化、常态化

（四）完善体制机制建设

以中子物理学重点实验室为依托优化管理与评价模式，逐步升级为国家级重点实验室，提高中子科学平台的层次，集智聚慧，吸引高端人才，推动中子科学技术的发展。