先进堆评估方法研究

霍建明，霍小东，杨海峰，郭治鹏，张浩然，郑保军，孙燕宇，郑平辉，申 腾，赵秋娟，范雯雯，郭韶华

(中国核电工程有限公司，北京 100840)

从21世纪开始，世界各国都致力于核能可持续发展研究。2000年，国际原子能机构(IAEA)启动了创新型核反应堆和燃料循环国际项目(INPRO)[1]，美、法、日、英等国组建了第四代核能系统国际论坛(GIF)，并于2002年推荐了六种四代堆型[2]。目前，国内在四代堆研发方面，有钠冷快堆、铅(铋)冷快堆、高温气冷堆、超临界水堆、熔盐堆等。堆型的综合性能和发展潜力评估，是堆型性能提升和堆型选择决策的一个基础和前提，是一个颇具挑战的工作。挑战源于涉及的领域多、专业面广，兼之研发深度不够导致的技术信息缺乏、应用创新技术伴随的技术发展预期等，特别是不同评价维度的权重考虑以及他们之间的平衡与侧重。

鉴于综合评估对堆型技术研发的积极推动作用，其成为四代堆技术研发的一个重要分支。INPRO项目的一个重要成果是INPRO评估方法，GIF在经济、安全、防扩散与实物保护等领域推出了评估方法，并开展了相应的案例应用研究[3-14]。美国能源部对先进反应堆开展了技术审查实践，对核燃料循环开展了评估和筛选[15-17]。另外，还有针对先进堆或四代堆的经济、安全等领域的专项研究工作。国内部分单位参与了一些INPRO项目组、GIF组织的研究项目，在堆型评估方面有一些工作，但尚未在评估方法方面开展深入的研究工作。

本文详细研究了INPRO方法、GIF方法、美国能源部(DOE)的评估实践等，分析了这些方法的特点、共通与差异之处。在此基础上，针对中国先进堆型研究发展的具体情况，提出了一套适用于我国现状的先进堆型评估方法，为我国先进堆型的综合评估提供体系与手段，可以使堆型研发单位不断改善弱项、改进设计方案，更可作为堆型对比筛选提供坚实基础和科学工具。

1 现有方法简介

1.1 INPRO方法

INPRO方法是INPRO项目的一个重要成果[1]，作为一种自上而下的方法体系，将核能可持续发展的总目标，从经济、环境、社会、制度等四个维度分解到经济、基础、废物管理、防扩散、实物保护、环境、安全等领域。在每个领域内定义了基本原则(BP)、用户要求(UR)和准则(CR)，其体系如图1所示，汇总如表1所示。领域内顶层的基本原则，描述了核能系统在该领域内的总体目标，为核能系统的开发提供广泛的指导。中间的用户要求，给出了核能系统为获得用户接受所必须满足的条件。底层的准则由指标和接受限值组成。在针对具体堆型开展评估时，采用自下而上的方法，将该堆型的指标值与接受限值比较，判断其是否满足特定准则或是否有满足特定准则的潜力。针对用户要求的所有准则逐一开展评估，针对基本原则的所有用户要求逐一开展评估，针对评估领域内的所有基本原则逐一开展评估，针对所有评估领域逐一开展评估。

图1 INPRO体系框架示意图Fig.1 Schematic diagram ofINPRO system framework

表1 IAEA INPRO各领域基本原则、用户要求、准则统计表Table 1 Summary of BP,UR,CR ineach area of IAEA INPRO

INPRO方法聚焦于评估核能系统是否满足相应领域的要求，要求评估者应是INPRO某一评估领域的专家、对被评估的核能系统有足够的了解，不需要评估者亲自完成相应指标值的计算分析，但要能判断相应指标是否满足接受准则、指标值计算过程是否合理性。

基于INPRO方法，结合多目标、多属性值理论，开发出针对多个创新型核能系统的现状、前景、优势和风险进行综合比较评估的关键指标(KIND)评估方法，并提出了关键指标。通过权重因子将不同维度/领域(如经济、风险、收益等)的指标组合起来，实现定量对比分析，如公式(1)、公式(2)所示。

(1)

(2)

式中：Wi——指标i的权重因子；

Vi——指标i的(无量纲)值。

公式(1)中的指标应是相互独立的，但在实际的操作过程中，可采用直接加权求和的方式将基本上相互独立的指标综合起来。不同单位(量纲)的指标是无法直接相加的，需先基于指标的打分规则，将原始的、带单位的指标值转化成一个无量纲的数值，方可加权求和。常用的打分规则有两类，线性变化的或指数变化的，分别反映了指标值变化对于结果的影响。权重因子体现了不同评估准则、评估指标的相对重要程度。

KIND方法从经济性、废物管理、防扩散、安全、技术成熟度等五个领域，共提出了15个关键指标，如表2所示，和15个次要指标。

表2 INPRO KIND、GIF、DOE ES方法的关键指标的汇总对比表Table 2 Summary of key indicator ofINPRO KIND,GIF and DOE ES

1.2 GIF评估方法

GIF旨在解决核能可持续发展所面临的铀资源短缺和核废料处理两大难题，将可持续发展的宗旨分解到可持续性、安全性与可靠性、经济性、防扩散与实物保护四大领域，并提出了八个技术目标，如图2所示[2]。为了推进反应堆评估工作，成立了经济模型工作组(EMWG)、风险和安全工作组(RSWG)、防扩散和实物保护工作组(PR&PP)。EMWG开发了自上而下和自下而上的成本估算方法，详细规划了帐户体系规则，发布了G4-ECONS软件。RSWG基于现有的安全分析工具，开发出一体化安全评估方法(ISAM)，将多种不同的安全分析方法应用到堆型的不同研发阶段，示意如图3所示[18]。RP&PP给出了评估方法与评估流程。八个技术目标进一步细化为15个准则[2]，如表2所示，和24个具体指标。

图2 GIF评估方法的领域划分与技术目标Fig.2 Areas and objects of GIF assessment method

图3 一体化安全评估方法ISAM示意图Fig.3 Schematic diagram of ISAM

1.3 DOE评估实践

美国能源部核能办公室赞助与先进堆概念相关的研发和示范计划。为此，DOE发出信息需求表，由各研发单位将所研发堆型的方案信息填表提交。DOE组建了技术评审委员会，从安全、安保、铀资源利用与废物最小化、运行能力、概念成熟度、燃料和基础设施、市场吸引力、经济、监管许可环境、防扩散、研发需求等11个方面，依专家经验对先进反应堆概念提案进行定性评估，据此确定研发需求和资助对象[15-16]。

2011年年底，美国能源部核能办公室发起了核燃料循环方案评估和筛选研究项目(ES)，以筛选与美国现有核燃料循环相比取得了实质性进步、有潜力的燃料循环。研究工作尽可能涵盖几乎所有可能的燃料循环方案，基于核燃料循环的基本功能而非具体的实施技术[17]。

在ES项目的评估和筛选方法中，顶层是应用场景，中间是评估准则，底层是评估指标，如图4所示。不同的应用场景，通过对评估准则的权重设置，体现评估者对不同准则的重视程度。评估准则细化到评估指标，评估指标由形状函数和权重因子组成，形状函数反映了单一指标值变化引起评估结果的变化(即打分规则)，权重因子则反映了同一评估准则下不同评估指标的相对重要程度。ES项目通过合作、会议、评审的方式，整合了来自美国DOE、行业、大学、和其他渠道的输入，建立评估指标的如表2所示。

图4 美国DOE的核燃料循环评估和筛选方法体系Fig.4 The framework and hierarchy of ES project of US DOESNF—乏燃料；HLW—高放废物；DU—贫铀；RU—回收铀；RTh—回收钍；LLW—低放废物；扩散风险准则，核材料安保风险准则，财务风险与经济性准则在研究中被单独分离开来处理，这里并不包括在准则组分析方案中

2 方法对比及讨论

IAEA INPRO及KIND方法、GIF方法、美国DOE评估实践是目前国际上核能系统或核燃料循环评估的几个主要方法，其体系框架基本相同，均分成若干领域或方面，每个领域或方面内设置一组评价指标及其准则，使用不同层级的权重因子考虑相对重要程度。

INPRO、GIF、DOE的评估工作，其宗旨都是实现核能在21世纪的可持续发展，因此，虽然评估领域的划分有所不同，但没有本质的差别。INPRO分为经济、安全、基础、废物管理、防扩散、实物保护、环境等领域；GIF分为经济、安全性与可靠性、防扩散与实物保护、可持续性四大领域，其中经济、安全、防扩散、实物保护与INPRO的相应领域直接对应，GIF的可持续性包含资源利用与环境压力，与INPRO的环境、废物管理领域的部分要求和准则相对应。DOE针对先进堆概念的技术审查实践所考虑的11个准则，经济、安全、安保、非增殖，分别与INPRO的经济、安全、实物保护、防扩散直接对应，铀资源利用及废物最小化则与INPRO的环境、废物管理领域的部分要求和准则相对应。DOE的核燃料循环评估和筛选研究中，核废物管理、扩散风险、核材料安保风险、环境影响、资源利用，分别与INPRO方法中的废物管理、防扩散、实物保护、环境领域相对应。开发部署风险、机构问题、财务风险与经济学，则分别与基础、经济领域相对应。INPRO方法的领域，与GIF方法的方面、DOE方法的准则的对应关系如图5所示。

图5 INPRO、GIF、DOE方法的领域对比图Fig.5 The diagram ofthe areas of INPRO,GIF,DOE

在评估指标层面上，各方法的关键指标，基本上也是一致的，如表2所示。从方法、指标对比可知，3种方法在各个评估领域所考虑的因素、体现出来的关键指标基本是一致的，不同的方法侧重点略有不同。

但是，各方法具有各自鲜明特点。IAEA INPRO评估方法，是一个全面详尽、成体系的方法。在适用范围方面，几乎适用于IAEA所有成员国，涵盖核能发达国家、发展中国家及尚未利用核能的国家。在应用对象方面，INPRO方法覆盖了一个核能系统的方方面面，从核燃料循环前端、核电站，到核燃料循环后端。在具体的应用中，既可用于整个核能系统，也可用于核能系统的某个组成部分，如核电站等，既可对所有的领域开展评估，也可对部分领域开展有限范围的评估。

INPRO方法更多依赖于具体的定量指标和接受准则，也有部分定性判断的指标。采用自下而上的方式，依次判断是否满足评估准则、用户要求、基本原则，从而判断该核能系统可持续发展的潜力。因此，需要堆型的研发工作进行到足够的深度。如果没有足够的信息可用，则相应的评估结论不确定度会较大、能起到的作用相对有限。INPRO方法体系集中于评估工作，即指标是否满足接受准则，因此给出了详细的指标描述，但对指标的计算流程没有明确要求，只在部分领域给出具体的指导。

总体而言，INPRO评估方法，提供了一个基础的体系框架。在具体的案例应用中，需要评估者基于评估目标和实际情况，设计出一个有针对性的评估方案，例如：可以对部分准则或指标进行修改甚至引进新的准则或指标，选定关键指标，确定各指标的权重等。

KIND方法，则是对INPRO方法的一个精简，首先提出了15个关键指标、15个次要指标，并使用了打分规则和权重因子，从而基于多属性目标理论实现多个系统的对比评估，使得INPRO方法的对比评估功能更加实用。

与INPRO方法不同，GIF评估方法更适用于经合组织(OECD)成员国，专注于反应堆的评估。随着堆型研发工作的深入，不断迭代，深入、细化评估工作，减小评估工作的不确定度。在概念甚至初步概念设计阶段，技术细节信息有限或者设计尚未完善，可依赖于定性的描述与专家判断，进行定性的评估。GIF评估方法中，经济、风险与安全、防扩散和实物保护的评估方法，既有评估的要求和准则，又有指标的计算方法，其可操作性强于INPRO方法。GIF方法要求评估专家应是被评估堆型方面的专家，基本能够完成相应领域的指标计算与评估，对被评估堆型的熟悉程度要高于INPRO方法对评估专家的要求。由于先进堆型大多都使用一些创新的、尚未成熟的技术，涉及技术发展的预期，因此GIF评估方法在处理这些问题方面的经验值得借鉴。

美国DOE对先进堆概念的技术审查实践(TRP)，是基于先进堆(初步)概念设计，根据各堆型的描述信息，依据专家经验进行的定性评估，其对专家以及专家经验的要求就比较高。

美国DOE对核燃料循环的评估与筛选研究工作，针对整个核燃料循环，基于相应组成部分的功能、而不是具体的实现技术，因此其结果更加抽象。

在方法层面上与INPRO(KIND)、GIF方法基本一致，基于打分规则、权重因子的方法体系。所使用的评估指标，大部分为数值型的，也有逻辑判断型的。结合打分规则，把一个定性的评估转化成一个定量的评估。其打分规则是将指标值划分为若干个区间，每个区间赋予相同的分值，而KIND的打分规则是根据指标值连续变化。两者略有不同。

DOE的评估与筛选研究工作中，在指标层面和应用场景层面，均采用多套不同侧重的权重因子，以研究评估结果对场景的敏感程度。因此，该方法，更侧重于针对核燃料循环评估与筛选所专门开发的，属于相应研究项目的一个成果，有借鉴之处，但并不宜直接套用。

几个方法的差异之处如表3所示。

表3 几个方法的不同之处Table 3 Difference of INPRO,GIF,DOE method

3 自主化评估方法研究

根据国内先进堆的研发现状，大多处于研发或设计阶段，考虑其设计深度及客观条件，充分借鉴INRPO、KIND、GIF等方法和美国DOE的评估实践的优点，经过系统地对各领域指标进行选取，开发了一个适用于我国先进堆研发现状、具有较强可操作性、评估结果量化直观的中国先进堆型评估方法。

评估方法由领域和指标、权重因子、打分标准等组成，如图6所示。根据核能可持续发展的要求，先进堆型评估方法分经济、安全、可持续性、防扩散与实物保护四个领域。安全领域包含核反应堆安全、辐射安全、废物管理安全三个子领域，每个子领域内有相互独立的评价指标。可持续性领域为狭义的可持续性，主要考虑资源消耗和环境压力两个子领域，每个子领域有相应的评价指标。经济领域、防扩散与实物保护领域，直接由相互独立的评价指标组成。在具体的评价实践中，可以对所有的四个领域都开展评价，也可仅针对关注的领域如经济、安全等开展评价工作。

图6 评估方法体系Fig.6 The diagram of the assessment method

指标有定性的和定量的两类。考虑到有一些评价指标包含有多个方面，例如：防扩散与实物保护领域的评价指标“材料吸引力”将包含“材料类型”“同位素成分”“物理化学形态”等，这些不同方面形成相互独立的评价子指标。

为了实现不同堆型/方案对比评估的功能，基于多目标、多准则评价方法，采用权重的方式将多个指标的评价结果整合起来，形成综合的评价结果，用于不同堆型/方案的对比评估。因此，首先需要将每个指标原始的评价结果，根据指标相应的打分规则，转换成一个无量纲的指标值。例如：经济领域的指标“平准化发电成本(LCOE)”，由原始的评价结果××(元/度电)，根据指标平准化发电成本的打分规则，转化成相应的分值，如1～10分。

考虑到本评价方法体系由领域、指标(子指标)组成，相应的也就有领域的权重因子，指标(子指标)的权重因子。领域的权重因子反映了不同领域的相对重要程度，由用户根据自己对不同领域的重视程度和评价目的及需求来指定。指标(子指标)的权重因子，反映了同一领域内不同指标(子指标)的重要程度。

经济领域的三个指标平准化发电成本、单位建设成本、投资风险，以平准化成本为核心，相辅相承。平准化发电成本，可规避一些特殊处理(比如：政府税费，电力管制模式)对评价结果的影响，使得计算结果更加合理和准确，与效益分析的内部逻辑更加接近，成本计算高低值与效益高低有直接的反向关系。单位建设成本，可作为投资人衡量项目经济性的依据，简单明了，但仅代表建设期的支出，与经营期的实际经济竞争力并不存在必然的一致性。同时，与机组功率一起，直接影响投资总额度，进而影响项目资金筹措能力和项目的可行性。投资风险的高低是经济性和经济效益的补充衡量指标。投资风险往往与效益是正相关，单纯的计算效益难以完整说明经济性水平。衡量风险，比如：堆型设计安审的可通过性和安审周期的不确定性、工程项目的工期不确定性、工程总投资的不确定性等，主要通过两方面实现：一是风险发生的可能性、二是风险发生后对效益或成本产生的影响程度。

反应堆安全领域六个指标，分别为运行、不干预时间(包含预期运行事件的不干预时间、设计基准事故的不干预事件和设计扩展工况的不干预时间)、大量释放到安全壳的频率、大量释放到环境的频率、比例实验以及定性评价。运行与电厂可用性直接关系，关联到核电厂的经济性。不干预时间反映了核能系统的固有安全性、自动操作及非能动安全系统的表现。第四代核能系统的重要风险包括临界风险、衰变热风险、辐射风险，分别对应核能系统的三个基本安全功能：反应性控制、衰变热导出、放射性包容。放射性大量释放到安全壳的概率(CDF)和大量释放到环境的概率(LRF)，综合反映了反应堆堆芯损坏概率、损坏程度、纵深防御的有效程度，因此作为安全领域两个核心的指标。概率安全分析方法是核电厂设计中广泛应用的方法，由设计者采用概率安全分析的方法给出这两个核心指标的值供评估者使用。由于第四代核能系统的特殊性，很多设计处于研发阶段，其设备成熟性各不相同，安全分析方法的可验证性是其重要的评价方面，体现在指标“比例试验”中。INPRO方法和GIF方法都对纵深防御进行了重点关注；DOE方法提出临界、辐射、化学等风险是循环设施面临的主要挑战；INPRO方法关注计算程序和分析方法的验证，GIF方法认为应该采用广泛接受的工具；这些评估内容极其依赖专家的经验。借鉴上述方法，并结合国内丰富的设计经验，本评估方法要求对以下内容给出定性的评价，由设计者给出相关设计的描述和考虑，由评估专家给出定性的评价结论：纵深防御的独立性；临界安全、辐射安全、化学安全的防护措施完整性；事故分析方法及模型选用的合理性和可靠性。

辐射安全领域的评估指标为职业照射剂量，分为个人剂量和集体剂量两个子指标。要求先进核能系统确保通过自动化、远程维护、现有设计的运行经验等，有效地贯彻了辐射防护最优化的概念，以保护工作人员。并且该先进核能系统应能确保在建造、调试、运行和退役期间，工作人员受到的辐照风险与其他同类型工业设施风险相当。

废物管理领域，选取了5个指标：废物最小化、废物最终状态、废物管理的处理、废液和废气排放指标、废物管理成本。这5个指标，涵盖了核电厂寿期内，从废物源头、废物处理、向环境排放以及废物处置等废物管理所涉及的气、液、固体废物的方方面面。重点关注：废物处理技术的选取、处理效率和安全可靠性，向环境排放的活度浓度、体积、数量。废物管理成本关注处理工艺选取的经济性和固体废物运输、贮存、处置方面的经济性。

防扩散和实物保护领域，考虑到目前先进堆基本处于研发和设计阶段，指标以反应堆的固有特性为主，暂不考虑尚无法评价的核电厂管理措施。防扩散方面选取了3个指标，材料吸引力、核技术吸引力和转移探测的难度。从材料类型、同位素成分、辐射水平、衰变热、自发中子率、材料重量和物理化学形态等方面对材料吸引力进行综合评估；核技术吸引力包含燃料富集、乏燃料能否提取易裂变材料、未申报的可增殖材料的辐照能力；转移探测的难度包含核材料衡算、监测系统的可靠性、核材料探测能力、修改工艺的难度、修改核设施设计的难度、对技术或设施误用的探测能力等。实物保护方面，选取了4个指标，堆型组件的布置与设计、敌手成功的概率、后果和实物保护资源。其中，堆型组件的布置与设计又包含了2个子指标，分别是堆型组件的设计和堆型组件的布置。

可持续性领域，主要分为环境影响和资源消耗两个方面。环境影响的选取：INPRO和GIF评估方法中均含有环境影响方面的评估指标，两者在一些指标上具有重复性，考虑到INPRO指标涵盖范围更广，而GIF指标更具体而涉及的评价指标范围较窄，因此参考INPRO方法选取环境影响方面的五个评估指标。资源消耗选取的指标：INPRO在资源贫化方面的指标较为广泛，涉及易裂变可裂变材料和不可再生材料的评估，考虑到当前铀资源在核能领域的独一性地位，核能系统产生的裂变能均是由铀资源提供，且主要使用天然铀中仅占1%的U-235，具备提升资源利用率的潜能(例如，通过快堆增殖转化U-238)，因此选择铀资源的利用效率作为资源贫化方面的评估指标。从整个核电系统考虑，净能量输出是核能系统的最终目的，因此选择能量输出与输入达到平衡的摊销时间(核能系统的输出能量达到系统所需输入总能量的时间)作为另一个评估指标，摊销时间短，则表明核能系统能量的收益率越高。

4 结论

堆型评估方法是四代堆研发的一个重要分支。本文简单介绍了国际上主要的INPRO方法、GIF方法、美国DOE的评估实践等，并从各方法的宗旨、目标、体系、关注领域、关键指标、适用范围、方法特点、评估专家要求、评估对象及深度要求等方面，对以上方法和评估实践进行简明的对比研究。最后，以INPRO体系为蓝本，借鉴GIF方法和DOE评估实践，提出适用于国内先进堆现状的中国先进堆评估方法(CARA)，并对中国先进堆评估方法进行了详细的说明。中国先进堆评估方法，充分借鉴了INPRO、GIF、DOE等国际已有成果的优点，并紧密结合国内先进堆的研发现状，系统地研究、确定了领域划分和适用的指标集，提出评估结果量化的规则以便于评估对象间的比较，从而使得中国先进堆评估方法具有较好的可操性。中国先进堆评估方法的提出，可用于我国先进堆型的综合潜力评估，为国家先进堆型研发的技术路线选择、堆型设计方案的性能改进提供科学的工具和手段，促进我国先进堆型的研发工作。

致谢

本论文的研究工作得到了中核集团科技委程慧平主任及各领域专家的帮助与指导，同时得到了中国核能行业协会和中核集团核信息院的协助，在此一并表示感谢。