技术成熟度的应用对我国核电研发的启示

樊　胜，李　彬，张　华，周少鹏，李　达，马　宽，刘　飒，廉旭姣

（1. 国家核电技术公司科研部（重大办），北京　100029；2. 国核（北京）科学技术研究院，北京　100029；3. 中国航天系统科学与工程研究院，北京　100048；4. 环境保护部核与辐射安全中心，北京　100082）

技术成熟度的应用对我国核电研发的启示

樊胜1，李彬1，张华2，周少鹏3，李达3，马宽3，刘飒2，廉旭姣4

（1. 国家核电技术公司科研部（重大办），北京100029；2. 国核（北京）科学技术研究院，北京100029；3. 中国航天系统科学与工程研究院，北京100048；4. 环境保护部核与辐射安全中心，北京100082）

针对核电工程技术难度大、研制周期长、经费投入大等特点，调研了技术成熟度在国外核电工程领域的应用情况。在介绍应用背景的基础上，文章分析了技术成熟度应用的五类典型案例及在案例中发挥的主要作用。最后，通过总结国外应用经验，提出了在我国核电领域开展技术成熟度应用研究的启示。

核电工程；技术成熟度；国外经验；启示

核电工程具有研制周期长、新技术多、技术难度大、经费投入大、研制风险高等特点。技术成熟度作为一种规范、量化、系统的技术管理工具，已经在国外核电领域得到广泛应用，被证明能够有效提升核电工程的科研管理能力。

技术成熟度，起源于20世纪70年代美国航空航天局（NASA），是指技术相对于项目或系统预期目标的成熟程度［1］。它分阶段描述了一项技术从萌芽状态到成功应用于一个系统的成熟历程，划分为4个阶段9个级别：原理和技术概念验证（T R L1-3）、技术攻关和演示验证（TRL4-6）、产品开发和验证（TRL7-8）、产品应用（TRL9）。鉴于技术成熟度在技术研发和科研管理方面显示的各种作用，被越来越多的国家和机构接受和使用，并形成了一系列开展技术成熟度的评价准则、使用指南和应用要求。例如，美国能源部、美国国防部、美国航空航天局、欧空局等机构，都有专门的技术成熟度评价指南，用于指导重大项目开展技术成熟度评价。

技术成熟度方法符合核电行业的技术特点，能够辅助识别工程中的核心关键技术，评价技术研发的成熟水平，强化科研规划和计划管理，该方法已经在国外相关机构、国家级实验室和大型核电企业等得到应用。文章在调研国外核电领域的技术成熟度应用情况基础上，介绍了技术成熟度在国外核电领域的应用背景，阐述了技术成熟度在核电工程科研管理过程中能够发挥的主要作用及其典型案例。最后，总结了对我国核电领域开展技术成熟度方法应用的启示。

1　技术成熟度在国外核电领域的应用背景

技术成熟度在核电领域中的应用，最早是在“全球核能合作伙伴发展计划”中使用［2］。但其快速推广，则与美国问责局、美国能源部等相关政府机构的要求有关。

2007年3月，美国问责局在审查了能源部的12个重大项目后发现，其中8个项目出现了成本超支，9个项目出现了工期滞后现象。经分析，采用一些不成熟的技术是导致这一现象的重要原因。问责局建议能源部使用美国航空航天局和国防部所采用的技术成熟度评价方法对项目进行管理。2008年4月，美国能源部的《合同、项目管理低效率原因分析报告》［3］指出，关键新技术在最后的设计阶段，难以按预期完成演示验证，从而导致项目的成本超支和工期滞后，是项目低效率的主要根源。针对该分析报告，能源部给出了相应的行动计划，要求采用美国国防部广泛使用的技术成熟度方法，对包含许多新技术的项目进行评价。2008年，美国能源部环境管理办公室首先试用了该方法，发现了应用技术成熟度的各种优点，并发布了《技术成熟度评价/技术成熟计划指南》［4］。该指南介绍了技术成熟度评价方法，制定了技术成熟度等级划分及定义，如表1所示。

此后，技术成熟度方法在美国能源部获得了大力推广，其核能办公室、化石能源办公室等开始大量使用该方法，并形成了一系列的应用计划和评价指南。鉴于技术成熟度在使用中取得的良好效果，该方法逐渐在国外核电领域相关机构和企业得到了认可和广泛的应用。当前，技术成熟度在美国核安全局、国际原子能机构、日本原子能机构等相关机构，在美国爱达荷、橡树岭、英国国家核能实验室等国家级实验室，在西屋、阿海珐等大型核电企业等都得到了应用，并取得了较好的效果。

2　技术成熟度在国外核电领域的典型案例分析

除采用技术成熟度开展关键技术评价，确定技术成熟状态外，不同的机构、企业、组织，对技术成熟度的应用方式并不完全相同，进而也使技术成熟度发挥的作用更加多样。

作为一种技术成熟程度的量化评价方法，在日本原子能协会的应用。日本原子能协会在对分离-嬗变（P&T）技术［5］进行第二次技术审查过程中，认为技术成熟度方法可以有效量化分离-嬗变技术的成熟程度，并指导实施分离-嬗变技术的研究和开发。日本原子能协会制定了次锕系核素转化系统（含次锕系核素的快堆系统、加速器驱动的次临界系统）和次锕系核素循环技术（次锕系核素分离工艺、次锕系核素燃料）等关键技术的技术成熟度评价细则。在该技术评审过程中，技术成熟度提供了一种科学、量化的评估标准，能够对关键技术的发展状态进行统一度量，在技术研发过程中作为一把尺子，衡量关键技术当前的成熟程度，使管理机构掌握技术攻关进展情况，了解技术距离预期目标的差距，并且为梳理技术发展瓶颈、提出进一步发展建议提供参考。

表1　美国能源部环境管理办公室技术成熟度等级划分及定义Table 1　The department of energy's environmental management office technology maturity level division and definition

作为一种工程研制的转阶段把关手段——在美国核安全局的应用。美国能源部《技术成熟度评价指南》要求在项目采办的三大关键决策点（CD-1，CD-2，CD-3）进行技术成熟度评价，并把技术成熟度6级作为第三决策点的（CD-2）技术成熟要求，如图1所示。美国核安全局在实施“橡树岭国家实验室铀处理设施项目”时，也将技术成熟度6级作为项目完成初步设计、进行项目立项和启动建造/制造之前，关键技术需要达到的成熟等级［6］。在该项目中，美国核安全局开发了10项新技术，采用了技术成熟度方法度量关键技术的成熟程度，并对部分技术制定了技术成熟计划。

在工程关键里程碑节点对技术进行成熟度评价，分析技术成熟状态及其与节点成熟目标等级的差距，从而确定工程是否进入下一阶段，避免不够成熟的技术提前转段，防止由此造成的不良后果，降低成本和进度风险。

作为一种技术发展路线图的制定依据——在西屋公司等核电企业的应用。2005年，美国能源法案（EPAct，2005）正式立项，确定开发下一代核电站，由工业界、美国能源部国家级实验室、美国大学等众多机构联合执行。在该项目执行过程中，美国能源部、美国爱达荷国家实验室要求美国西屋公司、法国阿海珐能源公司和美国通用原子能公司等三家供应商分别对“下一代核电计划”的关键技术进行技术成熟度评价并绘制基于技术成熟度的技术路线发展图［7］。

通过关键技术识别，三大供应商分别筛选了14～16项关键核心技术，开展了技术成熟度评价。以技术成熟度等级作为标尺，梳理了“下一代核电计划”关键核心技术的成熟过程、各等级的性能特征、集成情况和验证要求等成熟基线，并形成了基于技术成熟度的技术开发路线图。

图1　美国能源部采办项目研制阶段与TRL等级要求Fig.1　The U.S. department of energy acquisition project development stages and TRL level requirements

作为一种规划试验方案的工具——在美国通用原子能公司的应用。美国通用原子能公司制定了《反应堆控制设备试验计划报告》［8］。报告首先根据前期工作成果，确定了该技术的初始成熟度等级为TRL4级。根据技术成熟度各等级的技术状态、验证环境等属性特征要求，报告规划了从TRL4级到TRL8级的成熟过程，技术在达到各相应的成熟度等级时，需开展的测试验证工作和试验环境要求。此外，该报告还详细说明了达到成熟度各等级阶段的试验安排，所需的测试设备、地点、工期及费用。由此，形成了一份完整的试验验证规划方案。

作为一种风险评估方法——在美国爱达荷国家实验室的应用。美国爱达荷国家实验室对“下一代核电计划”中的核岛、常规岛及辅助系统中五大技术领域的16项关键系统、组件、部件进行了技术成熟度评价。在完成对关键的系统、结构、部件的技术成熟度评估后，爱达荷国家实验室绘制了技术成熟度与技术风险的关系图（见图2），用于关键设备的设计、制造和使用性能的风险评估。

3　对我国开展核电技术成熟度研究应用的启示

通过分析国外的应用情况可知，技术成熟度方法适用于整个核电技术研发管理，已经在国外，尤其是在美国的大型先进核电项目研发中，得到了较为广泛的应用。通过开展技术成熟度在核电领域的应用研究，建立核电技术成熟度评估标准规范，制定针对核电技术的技术成熟度评价准则、细则，能够为我国核电领域提供一套系统、规范、量化的技术管理工具，实现科研管理创新，提高管理能力。

3.1技术成熟度方法适用于核电工程项目与技术管理

核电技术品牌研制周期长，采用新技术多，技术难度大，且需巨额经费投入，研制风险比较高，比较适合采用技术成熟度方法进行管理。经过国际原子能机构、美国核安全局等多年广泛应用实践，表明技术成熟度方法完全适用于核电工程项目与技术管理，并有效提高了核电技术研发管理的水平，切实降低了重大工程项目的风险。在我国，技术成熟度方法已经在国务院和三部委委托中国工程院牵头组织的国家科技重大专项中期评估工作中初步应用，其对核电专项的适用性已经得到了中期评估专家组、核电专项总体组的认可，对中期评估绩效评价工作起到了重要的支撑作用。

3.2在研究应用时需形成符合核电特点的评价准则

技术成熟度方法目前在我国国防领域中已得到有效应用，形成了我国军标及评价细则等规范，但是由于我国核电技术研发和管理有自身的特点，不能直接沿用。同时，核电领域涉及的技术面广，复杂且多样化，单一的技术成熟度评价定义也很难适应各项技术的成熟特点。依照国外各机构和相关企业在开展技术成熟度工作的经验，主要是参考现有的技术成熟度定义和准则，结合本专业领域技术本身的成熟过程，重新制定符合自身特点的技术成熟度等级定义，并针对各类典型关键技术形成更具针对性的技术成熟评价准则、细则。因此，在开展技术成熟度在我国核电领域的研究和应用时，首先需在参考国内外技术成熟度等级定义和评价准则基础上，尤其是美国能源部相关的指南和准则，结合我国核电技术研发和工程项目管理自身的特点，形成适用于我国核电的技术成熟度评价定义和准则。

图2　技术成熟度各级特征与技术风险的关系Fig.2　Technical maturity characteristics at various levels and the relationship between the technology risk

3.3在实际使用时应根据需要采用合适的应用模式

从国际经验来看，技术成熟度方法主要能够发挥以下作用：宏观管理层面，一是帮助高层管理机构在项目立项、过程监控和项目结题时，对项目中的关键技术进行技术成熟度评价，作为管理机关考虑项目是否予以立项、掌控项目中关键技术进展情况的依据，有利于提高管理机关在重大工程转段审评论证等方面决策的科学性，控制整个项目的风险；二是为制定型号技术发展路线图、技术规划和安排经费投资等提供重要支撑。微观管理层面，一是根据技术成熟度各级特点和要求，面向各个关键技术的成熟目标，策划各关键技术达到目标成熟度级别需开展的工作，按照“事前策划、事中检查、事后评估”的方式，对项目进行全周期的监控和检查，及时发现问题，规避风险，有利于提高管理的精细化水平；二是利用技术成熟度工具可对不同的技术路线和方案进行评价和比较，筛选出技术成熟度较高的技术方案，从立项源头上降低技术风险。在我国核电领域开展技术成熟度研究应用和实际使用时，需根据自身的工程特点和管理需要，选择恰当的应用模式。并且通过研究核电技术成熟度评价方法与规范，可为核电领域提供一套系统的、量化的技术管理工具，有效提高管理能力，切实促进重大型号或专项工程的顺利实施。

3.4在实施推广时需通过试点应用逐步形成规范标准

根据国内外的应用经验，技术成熟度一般采用先试点，再推广的发展模式。在我国核电领域实施、推广技术成熟度方法，可以按照三步走的模式开展工作：一是开展理论方法研究，结合压水堆核电重大专项中实施的经验，建立符合我国核电技术特点的技术成熟度等级划分与定义，形成各类典型技术的评价准则；二是进行试点评价，选取核电工程中部分典型的关键技术，开展成熟度应用的试点工作，对制定的技术成熟度评价准则进行修改完善，并形成相应的典型案例；三是逐步推广形成规范、标准，即在理论方法研究和试点应用的基础上，先易后难，逐步推广，形成适用我国核电工程的技术成熟度评价规范，并研究制定我国核电行业的技术成熟度评价标准。同时，出台相应的管理办法，使技术成熟度真正融入核电工程项目技术管理之中，为优化我国核电工程项目技术管理水平，形成更加系统、规范、量化的核电领域关键技术管理手段，促进我国核电技术水平提升，发挥关键作用。

本工作得到国家能源局核电司软课题经费支持；国家核电技术公司专家委沈文权研究员、上海核工程研究设计院朱鑫官研高、中国原子能科学研究院张东辉研究员、王明正研究员对本工作提出了很好的意见和建议，在此一并致谢。

［1］ 吴燕生. 技术成熟度及其评价方法［M］. 北京：国防工业出版社，2012.（WU Yan-sheng. Technical Maturity and Its Assessment Method［M］. Beijing：Defense Industry Press， 2012.）

［2］ Global Nuclear Energy Partnership， Technical Integration Office. Global Nuclear Energy Partnership Technology Development Plan［R］. 2007，7.

［3］ United States Department of Energy. Root Cause Analysis， Contract and Project Management［R］. 2008，4.

［2］ United States Department of Energy，Office of Environmental Management. Technology Readiness Assessment/Technology Maturation Plant Process Guide［R］. 2008，3.

［5］ K. Minato， Y. Morita， K. Tsujimoto， S. Koyama. Technology Readiness Levels for Partitioning and Transmutation of Minor Actinides in Japan［R］. 2010，11.

［6］ National Nuclear Security Administration. Plans for Its Uranium Processing Facility Should Better Reflect Funding Estimates and Technology Readiness［R］. 2010，10.

［7］ Westinghouse. Report on Technology Readiness Levels for NGNP Steam Production at 750-800℃［R］. 2009，4.

［8］ General Atomics. Engineering Services for the Next Generation Nuclear Plant with Hydrogen Production， Test Plan for Reactor Control Equipment［R］. 2008，12.

［9］ Idaho National Laboratory. NGNPRiskManag ementthroughAssessing Technology Readiness Status［R］. 2010，8.

The Application of Technology Readiness Level on Lessons for Research of ChinaNuclear Power

FAN Sheng1，LI Bin1，ZHANG Hua2，ZHOU Shao-peng3，LI Da3，MA Kuan3，LIU Sa2，LIAN Xu-jiao4
（1. State Nuclear Power Technology Corporation，Beijing100029，China；2.State Nuclear Power Research Institute，Beijing100029，China；3. China Academy of Aerospace Systems Science and Eingineering，Beijing100048，China；4. China Academy of Aerospace Systems Science and Engineering，Beijing100048，China）

To cope with the characteristics of nuclear power engineering， which are technological difficulties， long research cycle and high financial requirements， application status of technology readiness on nuclear power engineering in foreign countries is investigated in this paper. Apart from the introduction of technology readiness application background， five typical cases for technology readiness application are analyzed， as well as its potential usefulness in nuclear power research management. At the end of the paper， based on a summary of foreign application experiences， suggestions and inspirations for domestic nuclear power technology readiness researches are proposed.

nuclear power engineering；TRL； foreign experiences；suggestions

TM623Article character：A Article ID：1674-1617（2015）02-0168-06

TM623

A

1674-1617（2015）02-0168-06

2015-03-16

樊胜（1968—），男，湖南常德人，研究员级高工，博士，从事核能和科研管理工作。