乏燃料后处理工程关键技术元素识别方法研究

徐东林，姚守忠，王生吉

（中核龙安有限公司，台州 318000）

建设乏燃料后处理商业大厂（简称商业大厂）是实现国家核能发展“三步走”战略的关键工程，是实现核能安全可持续发展的必由之路。号称“核工业的超级工程”的商业大厂，具有技术创新程度高、技术体系复杂、资金投入大、建设周期长的特点。为确保将商业大厂建设成为一个技术先进、安全可靠、经济良好的工厂，借鉴其他行业的做法［1-3］，开展技术成熟度评价，将问题暴露在工程技术路线选择和工程初步设计阶段，并加以解决，对工程项目的安全可靠性管理和技术经济性管理都非常有意义。

目前，国内外乏燃料后处理行业还没有技术成熟度评价方法或评价体系可供参考。针对这一空白，研究团队开展了大量调研、分析和研究工作，其中，关键技术元素（Critical Technology Element，CTE）的识别方法是技术成熟度评价体系的重要组成部分，也是技术成熟度评价体系重点研究内容。

判定一项技术是否关键，通常的做法是凭借技术专家的经验进行主观判断。但是，在面对多种专业和学科交叉的复杂系统时，单一领域专家的认知往往存在一定局限性。本研究尝试通过数学建模的方式，探索一种将主观经验与客观指标相结合的判定体系，进而提高关键技术识别的准确度。

技术关键程度识别需要从技术重要性和技术风险性两个方面进行分析，分别建立指标体系和判定标准。

1 技术重要性指标体系

建立技术重要性指标体系分三个步骤：确定技术重要性指标；确定技术重要性指标权重；确定技术重要性判定标准。

1.1 技术重要性指标及其定义

乏燃料后处理技术涉及化学工程、放射性化学、物理、核物理、辐射和测控等多个学科或技术领域。但其核心是以核安全为前提的化学工艺过程。因此，技术重要性要求统筹考虑技术元素的核安全功能和工艺功能。

根据乏燃料后处理设施安全［4，5］有关要求，把核安全功能分解为核临界控制、放射性物质包容、化学爆炸预防、释热导出以及电离辐射防护五个方面。根据后处理工艺目标和工艺特点，将工艺功能分解为工艺指标实现（简称工艺实现）、产能保证、产品指标实现（简称产品指标）、产品损失预防（简称产品损失）和放射性废物最小化（简称废物最小化）五个方面。将上述十个因素作为技术重要性判定的指标。各指标因素释义见表1。

表1 核安全功能指标释义Tabel 1 Interpretation of nuclear safety indicators

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表3 辐射分区标准Table 3 Radiation zoning standard

1.2 技术重要性指标权重赋值

指标权重赋值通常有经验加权法和数学加权法。经验加权法，即定性加权法，其优点是专家直接评估，简单易行；数学加权法，即定量加权法，以经验为基础，以数学原理为背景，间接生产，具有较强的科学性。

本研究采用数学加权法进行尝试。本方法数学建模和数学计算采用运筹学中的层次分析方法（AHP）［7］的原理完成。

1.2.1 构建层次结构模型

将十项指标与重要性评价之间的关系转化为各指标相对于重要性程度相对权值的确定问题，模型如图1所示。

图1 重要性层次结构模型Fig.1 Importance hierarchy model

1.2.2 标度

当众多指标一起比较时，很难一次性得出重要性排序。但两个指标进行比较总能很容易判断出重要性。因此采用两两比较的方式，引入1-9标度方法（见表4），并将不同情况的评比给出数量标度。这样就将十项指标相对于重要性程度的权重排序简化为一系列成对指标的判断比较。

表4 重要性标度表Table 4 Importance scale

1.2.3 特征向量计算及一致性检验

分别邀请后处理工艺科研、设计、调试和运行等方面的专家及核与辐射安全管理和后处理技术管理等领域的若干专家对十个指标进行两两比较。将比较结果通过表2标度值进行量化，并求解十个重要性指标的期望值。

表2 包容分区标准Tabel 2 Containment class

将十个期望值进行十阶矩阵排列（矩阵略），通过式（1）、式（2）和式（3）计算十个指标归一化特征向量值。通过式（4）计算矩阵最大特征向量值λmax。通过式（5）和式（6）对矩阵进行一致性检验。一般来说，只要CI≤0.10，判断矩阵的一致性是可以接受的，此时的Wi值即可作为第i个指标的权重值。如果CR明显大于0.1，需要把专家两两比较结果中偏离较大的剔除，然后再进行检验，直到通过一致性检验。

1.2.4 权重赋值

通过组织专家对十个指标进行两两比较，经矩阵运算和一致性检验，求得十个指标的特征向量Wi=（0.12，0.11，0.07，0.07，0.09，0.15，0.10，0.12，0.11，0.06），按此特征向量给十个指标赋值，见表5。

表5 指标权重Table 5 Index weight

1.3 重要性评价标准

参考科学实验中常用的0.618法，即优选法，将技术的重要性分为三类：Ⅰ类（很重要）、Ⅱ类（重要）、Ⅲ（一般重要）。表6给出了技术的重要性分类边界。

表6 技术重要性评价标准Table 6 Evaluation criteria of technical importance

此外，在重要性指标使用过程中，也可根据实际情况将权重和标准适当简化。

2 技术风险性指标体系

技术风险性指标包括技术新颖程度、技术应用环境和技术验证难度。参照核电领域技术成熟度规范［8］，提出简化的风险指标分类及判定标准，见表7。

表7 技术风险性评价标准Table 7 Evaluation criteria of technical risk

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3 关键技术元素判定

3.1 关键程度判定矩阵

借鉴核电领域技术成熟度评价规范［8］，采用矩阵评价法对技术关键程度进行判定，并将关键程度描述为A（重大）类、B（重点）类、C1（重点）类、C2（一般）类及C3（其他）类。评价矩阵见表8。

表8 技术关键程度综合评价矩阵Table 8 Evaluation matrix of technical criticality

根据矩阵判定结果，将A类、B类和C1类强制判定为关键技术元素，C3类强制判定为非关键技术元素，C2类为一般技术元素暂定为关键技术元素，获得保守型初始清单。

通过专家评议或专家审查方法，对关键技术元素初始清单中的C2类技术元素进行再次判定，确定是否作为关键技术元素。同时，对未进入初始清单的关键技术或值得关注的技术元素进行补充，获得关键技术元素最终清单，并实施清单化管理。

3.2 方法检验

选取后处理首端设施中乏燃料溶解器和铀尾端设施硝酸铀酰浓缩蒸发器两项技术元素进行判定检验。关键程度识别过程见表9。

表9 关键程度识别表Table 9 Identification of key degree

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根据关键程度判定矩阵可知，连续溶解器是A类（重大）关键技术元素，硝酸铀酰浓缩蒸发器是C3类（非关键技术元素）。

4 结束语

技术成熟度评价方法是加强技术风险管理，提高乏燃料循环设施安全可靠性和技术经济性的重要工具。针对乏燃料后处理领域技术成熟度评价体系的空白，研究团队开展了大量调研、分析和研究工作，其中，关键技术元素识别作为技术成熟度评价体系的重要组成部分，是研究的重点内容。

研究中，采用层次分析法对关键程度指标进行数学建模，调查分析，运行矩阵运算方法进行指标赋值，并对指标赋值进行了一致性检验，得出了重要性指标科学赋值，赋值结果为核临界控制功能0.12、放射性物质包容功能0.11、化学爆炸预防功能0.07、释热导出功能0.07、电离辐射防护功能0.09、工艺指标实现功能0.15、产能保证0.10、产品指标实现0.12、产品损失预防0.11、废物最小化功能0.06。

研究中，引入了核动力/核电领域技术成熟度评价规范中的综合矩阵判定法，将技术元素区分为A类、B类、C1类、C2类和C3类。

通过选取乏燃料连续溶解器和硝酸铀酰浓缩蒸发器两个代表性技术元素对方法进行了检验，结果表明方法可行，结果可靠。