系统工程方法论在核燃料后处理工程中的应用

□高 峰 朱玲凡 周科源 刘会森 杨 贺 王日腾

一、引言

我国经济社会的稳定发展离不开能源的支持，而当前主要使用的煤、石油等能源对环境造成了很大污染，面临着环境保护与温室气体减排的巨大压力，因此“改善环境质量，推动绿色发展”已成为社会共识。核能是一种能量密度高、洁净、低碳的能源，逐渐在我国能源战略发挥至关重要的作用，肩负着经济社会可持续发展和环境保护的双重使命。

目前，我国正处于核电发展的黄金时期，已成为全球核电在建规模最大的国家。“十三五”规划进一步明确了我国核电发展方向—“安全”和“高效”。乏燃料是核反应堆在生产运行过程中替换出来的辐照后组件，其具有很强的放射性，随着核电的发展，每年产生的乏燃料也随之大幅增加，安全处理和处置乏燃料是发展核电必须解决的关键问题之一。建设核燃料后处理工程，实现核燃料闭式循环，是解决乏燃料问题的关键途径[1]，也是我国指导核能发展的既定国家策略。

二、系统工程方法论简介

20世纪50年代～70年代，美国组织的“曼哈顿计划”、“北极星潜射导弹”[2]等复杂系统成功实施，提出了最初的系统工程理念和理论方法体系。我国属于系统工程学科研发最早的国家之一，在钱学森提出的现代科学技术体系中,系统工程属于系统科学的应用技术,其技术科学层次包含运筹学、控制论和信息论,其基础理论为系统学。经过半个多世纪的发展，系统工程已经形成了较为完备的知识体系，并广泛应用于大型工程、社会、经济等各个领域[3]。

系统工程方法论是解决和处理复杂工程的方法体系，其基本思想就是从系统的综合、整体出发，侧重于对系统总体问题的研究，主要包括系统构成要素、组织结构、信息交换与反馈机制等，同时重视系统与内部要素、系统与外部环境之间的相互联系和相互作用的关系，全面地、准确地研究对象[4]。利用分析、综合、试验和评价的反复迭代过程，通过系统工程技术及系统工程管理两大并行的优化过程，以期达到整体最优目的的一类思维方法和实用技术[5]。

系统工程方法论及工具是一门发展中的学科。以美国为代表的国际系统工程协会引领了系统工程理论的发展。目前我国成立了系统工程协会，航天、船舶、军事等领域都有专门的系统工程研究院。系统工程基于模型的系统工程理论，并开发了相应的工具。

三、核燃料后处理工程是一个系统工程

核燃料后处理是为了实现核燃料的回收利用，实现核燃料的闭式循环，具有较强的军民融合性质。由于核燃料高放射性这一特性，使得核燃料后处理工程相较于其他行业后处理工程具有更高的环境敏感度、社会关注度[6]。核燃料后处理工程是一个系统工程。它具有系统工程的主要特点。

(一)整体性。整体性是系统工程的核心特性，因此在研究某个系统工程时要从整体上进行分析，重点关注该系统工程的整体功能。一般来说，系统工程是由若干分系统有机地结合起来的，这些分系统之间具有相互关联性和不可分割性，良好的系统工程具有的整体功能应大于各个分系统功能之和[7]。核燃料后处理工程包含核燃料后处理厂设计与建设、乏燃料的运输和贮存、工厂的启动与试运行、工艺流程设计、废物处理、检测与控制、维修、核保障、产品的运输以及退役等。这些环节相互依赖、相互制约，在发展核燃料后处理时要从最优化出发，从整体上进行考虑，合理规划实施过程、工作方式方法，这样才能协调这些环节，提高核燃料后处理工程实施的质量及成功率。

(二)相关性。系统工程的各个组成部分并不是孤立存在的，而是相互联系、相互作用的，因此在研究某个系统时要注重发挥系统各组成部分之间协调、协作能力，控制并减小有冲突、有矛盾的部分[8]。以核燃料后处理设施退役为例，核燃料后处理设施附带有极高的放射性，导致退役难度大，且集中，其直接关联的因素主要有厂房布置、空间环境、工艺设备结构、源项水平、源分布均匀度等。如厂房外的周边环境、屋顶墙面的厚度、地下通道结构尺寸；厂房内部布置情况、屏蔽墙和防护楼板；采用何种处理工艺流程；废物处理方式等。所以在设计初期就要将后处理设施的退役纳入考虑，在后处理建设方案中，要对影响退役的各个关联因素综合全面的考虑，同时借鉴国内外便于退役的优秀设计经验，提出合理可行的退役预案。

(三)协调性。协调性是指系统工程是由众多的工作环节和相关单位及其工作任务目标而构成的一个庞大的、复杂的工程，而这些组成部分之间又互相联系、互相制约，这就需要采用科学、有效的组织管理方式和方法，以保证这些组成部分能够协调、统一运行，最终实现工程的总体目标[9]。如在核燃料后处理厂建设中，要充分协调各个方面的影响因素，主要从厂址选择、总平面布置、工艺设计、设备设计、辐射分区等几个方面进行考虑，通过不断的交互、反馈、迭代优化设计，形成最终的建设方案。

四、核燃料后处理工程中的系统工程方法

(一)核燃料后处理工程的系统环境分析。任何系统工程都是处在一定的环境中的，核燃料后处理工程也不例外。系统环境是指存在于系统之外的，系统无法控制的自然、经济、社会、技术、信息和人际关系的总称。环境对系统有很大的影响，系统与环境是相互依存的，因此在研究核燃料后处理系统时要对其系统环境进行分析。系统环境主要包括：物理技术环境、社会人文环境和经营管理环境。

1.物理技术环境。物理技术环境是系统得以存在的基础，它主要是指事物的固有属性所产生的内部联系而构成的因素和处理问题中的方法性因素[10]，主要包括以下几个因素。

(1)现存系统。目前，世界上多数核电大国在核燃料后处理系统方面积累了丰富的经验。在建立一个新的核燃料后处理系统时，必须对现有核燃料后处理系统进行必要的系统分析，新系统的分析与设计必须与现存系统结合起来。新系统与现存系统的并存性和协调性等是进行系统分析必须考虑的因素。从产量、容量、生产能力、技术标准等方面考虑它们之间的并存性和协调性，同时还要考虑现存系统的技术指标、经济指标、使用指标，以便新的核燃料后处理系统的设计更为合理。

(2)技术标准。技术标准是制定系统规划、明确系统目标、分析系统结构和系统特征时应遵循的基本约束条件。核燃料后处理系统中应遵循的主要有《中华人民共和国核安全法》《放射性废物管理规定》《GB 9133放射性废物的分类》《EJ 877核燃料后处理厂安全设计准则》《EJ/T 939核燃料后处理厂建(构)筑物》《系统和部件的分级准则》《EJ/T 564核电厂物项包装、运输、装卸、接收、贮存和维护要求》《EJ 380开放型放射性物质实验室辐射防护设计规范》《EJ 938核燃料后处理厂通风与空气净化设计规定》等。

(3)技术发展因素。技术发展因素的估量分析对于系统的分析与设计至关重要。核燃料后处理技术包括水法和干法两条技术路线，其中水法后处理技术的发展大致经历了三个阶段：第一，低燃耗生产堆元件后处理技术；第二，处理动力堆氧化物乏燃料的后处理技术；第三，动力堆元件氧化铀和MOX乏燃料后处理技术。在建设新的核燃料后处理工程时要从工艺流程、维修、安装、操作方法等几个方面的科技发展情况进行详细的调研和分析，做到有的放矢。

(4)自然环境。在进行系统环境分析时必须充分估计到有关自然环境因素的影响。核燃料后处理厂厂址的选择、乏燃料的运输和储存以及核燃料后处理设施的退役等方面必须认真考虑自然环境因素的影响。

2.社会人文环境。社会人文环境是指大范围的社会因素和小范围的人文因素[11]。

(1)大范围的社会因素。大范围的社会因素主要考虑人口潜能和城市形成两个方面的因素。一方面核燃料后处理工程正常运行需要大量的技术人员和工人，需要人口潜能来满足这一要求。另一方面需要城市的建筑、交通、商业、供应、通信等基础设施提供必要的保障条件。

(2)小范围的人文因素。小范围的人文因素主要是指人的主观偏好、文化素质、道德水准、社会经验、能力、生理和心理上的特征等在核燃料后处理工程中的作用。这些作用直接体现在开发、设计、应用中。

3.经济管理环境。经济管理环境是系统之根本，充分考虑和分析系统与经济管理环境的相互关系，才能使设计的系统发挥最大的经济效益。

(1)外部组织机构。核燃料后处理工程是一项庞大的系统工程，涉及到很多协作配套单位，如设计单位、施工单位、科研咨询单位等。必须正确处理这些单位之间的各种对口关系，如财务关系、合同关系、技术转让关系、咨询服务关系等。

(2)政策。政策对于系统的开发起指导性作用，它是一种非常重要的经济管理环境。目前由于能源需求越来越大，煤、石油等化石能源越来越紧张，所以国家在政策上鼓励支持发展核电。核电发展正处于一个黄金时期，而核燃料的后处理是核电发展的重要环节之一，因此建立核燃料后处理系统工程是积极响应国家政策的需要。

(二)核燃料后处理工程的系统功能分析。任何系统都有一定的功能，系统功能反映系统与外部环境的关系，表达出系统的性质和行为。系统功能体现了一个系统与外部环境之间的物质、能量和信息的输入与输出的转换关系。任何系统的功能都不是单一的，而是综合的。系统功能又可以划分为外功能和内功能。其中系统整体对外在环境的作用或影响称为系统的外部功能；系统整体对内在环境的作用或影响称为系统的内部功能[12]。核燃料后处理工程其内功能是确保工厂安全和尽量减少工作人员的辐照剂量的情况下进行核燃料的后处理，实现闭式核燃料循环。外功能则是发展核电、资源再利用，促进社会经济的发展。

(三)核燃料后处理工程的系统分析方法和内容。核燃料后处理工程是一项复杂的综合工程，要通过科学的分析工具和方法，分析和确定系统的目的、功能、环境、费用与效益等问题。系统分析是以系统整体效益为目标，在充分调研国内外核燃料后处理发展情况的基础上，确定系统目标，提出为实现目标的若干可行性方案，通过模型进行仿真试验，优化分析和综合评价，最后整理出完整、正确、可行的综合资料，从而为决策提供充分的依据。

核燃料后处理工程分析的主要内容有：收集与整理核燃料后处理资料、开展环境分析；对核燃料后处理工程进行系统的目的分析，明确工程的目标、要求、功能，判断其合理性、可行性与经济性；开展核燃料后处理工程结构分析，剖析系统的组成要素，了解它们之间的相互关系，及其与实现目标间的关系，提供合适的解决方案；建造核燃料后处理工程分析模型、进行仿真和模拟试验，分析不同条件下工程可能的结果；评价、比较不同方案，然后进行工程系统优化；提出系统分析的结论和建议。

(四)核燃料后处理工程的评价与决策。核燃料后处理工程的评价就是根据确定的目的，利用最优化的结果和各种资料，用技术经济的观点对比各种替代方案，考虑成本与效果之间的关系，权衡各个方案的利弊得失，选择出技术上先进、经济上合理的和现实中可行的、良好的或满意的方案[13]。

1.确定评价的目标。核燃料后处理工程的总体目标：安全的处理乏燃料。在这个基础上又可设置分步目标，如后处理厂厂址的选择、乏燃料的运输和贮存方式、工艺流程设计、废物处理、检测与控制、最终产品的运输等。

2.提出评价方案。根据核燃料后处理工程目标，在分析各种信息的基础上，提出系统评价的方案并对各评价方案作出简要说明，使方案的优缺点清晰明了，便于评价人员掌握。

3.确定评价指标体系。核燃料后处理工程的评价指标体系要根据目标的层次、结构、特点、类型来设置，评价指标体系设置要注意全面和重点的结合，绝对量指标和相对量指标结合，定量和定性指标结合。对于核燃料后处理工程来说主要考虑的指标有：经济性指标、社会性指标、资源性指标、政策性指标、时间性指标。

评价完成后，则要进行决策，结合核燃料后处理工程目前状态和将来的发展趋势，依据系统的发展目标在可选策略中选取一个最优策略并付诸实施的过程。整个决策过程就是对目标的选择过程和对方案的选择过程：前者要求对目标的选择要明确、具体、恰当和可验证；后者是以前者为依据。

五、结语

核燃料后处理工程是一项系统工程，建设核燃料后处理工程可实现闭式核燃料循环，发展核燃料再利用，对我国社会经济和国防的发展具有极其重要的意义。核燃料后处理工程的研究具有极强的综合性和系统性，本文从系统工程方法论出发，综合考虑核燃料后处理工程实施的各个影响因素和各个阶段需要完成的任务，从环境分析、功能分析、分析方法及评价与决策四个方面展开，采用理论与实践相结合、具体问题具体分析的系统工程方法做了初步分析，对核燃料后处理工程建设的规划与实施具有一些指导意义。