高温气冷堆设计分析管理体系研究

中核能源科技有限公司 何 磊

建设一套完整的设计分析管理体系并施行有效的管理措施，是施行核电安全和质量管理的重要措施，是设计过程标准化的重要保障。

1 设计分析管理体系的目的和重要性

设计分析是获得设计成果过程中产生的一系列设计活动，包括计算、试验、分析、论证等，通过这些设计活动形成设计成果的支持性材料[1]。由于核电厂对安全要求的严格性和特殊性，尤其是对于核安全相关的建构物、系统、设备、部件等，其形成的设计文件都须论证其安全性、可靠性、准确性是否满足核安全法规、导则和标准规范的要求；同时由于核电厂设计过程的阶段性，设计支持性文件的深度、范围等都需对应不同阶段有不同的要求，因此核电厂的设计分析工作要比一般工程项目的要求高，工作量大，覆盖面广，尤其要涉及到所有与安全相关的物项。

高温气冷堆核电技术是具有第四代先进核反应堆技术特征的堆型，其示范工程已在荣成石岛湾开工建设。该项目属于科研转化项目，形成的设计支持性文件也较多，涉及理论研究、试验验证、前期论证以及工程设计等方面。相对于国内成熟的压水堆核电技术已具有较完整和成熟的设计分析管理体系，高温气冷堆核电技术在设计分析管理方法以及管理程序方面尚未形成标准化，为使高温气冷堆的技术底蕴更加充实，固有安全的特性更加具有说服力，须加强设计分析管理体系的建设。

2 高温堆设计分析文件管理体系框架

设计分析文件体系是对形成设计成果文件过程中产生的计算说明书、论证报告、试验报告等技术文件进行统筹管理的体系，其框架建设的合理性是设计过程有序、层次、完整地开展的保证。压水堆根据自己设计分析文件的用途和技术领域建立了体系框架。某核电设计院压水堆设计分析文件管理体系大体的框架如下：事故分析和安全评价、运行特征分析、核设计、热工水力设计、源项与屏蔽设计分析、系统设计分析、系统和设备的力学分析、厂房的结构设计分析、人因工程分析、厂址条件设计分析。高温气冷堆核电技术作为中国自主研发堆型具有独特的设计特点，从研发到工程应用形成的设计分析文件更完善、更具有层次性。因此高温气冷堆设计分析文件管理体系框架与压水堆有以下不同：

由于高温气冷堆已有运行的原型堆（HTR-10），核相关专业设计分析文件可按照理论研究、试验验证、应用验证、工程设计等方面从时间序列上进行归类；球状燃料是高温气冷堆设计特点之一，从燃料设计、试验验证到制作加工等方面形成的设计分析文件较多，因此单独作为一个版块进行归类；高温气冷堆主要设备，尤其是核蒸汽供应系统主要设备（球床式反应堆、螺旋管式蒸汽发生器、陶瓷堆内构件等）均是经自主研发设计、制造方案分析、试验验证、工程应用等阶段的技术积累，形成丰富的设计分析文件，因此单独作为一个版块进行归类；建立“综合性设计分析”版块，涵盖工程前期编制的设计分析文件，如厂址选择分析、工程方案分析、取排水工程经济分析、电力平衡计算分析等。

结合高温气冷堆技术特点，在压水堆设计分析文件管理体系框架的基础上构建高温气冷堆设计分析文件管理体系框架：综合性设计分析（工程前期文件、设计阶段文件）、核设计、热工水力设计、燃料设计、核设备设计分析、运行特征分析、事故分析和安全评价、源项与屏蔽设计分析、建筑结构设计、系统设计分析（电气专业、仪控专业、水工专业、暖通专业、力学专业、核岛工艺、常规岛工艺等）。

为满足不同设计阶段的设计要求，设计分析文件可按照各设计阶段深度要求的不同采用技术成熟度分类法进行说明。对一些需根据设计阶段的递进而不断细化的设计分析文件，可根据不同阶段的要求制定技术成熟度的层次范围，以满足对技术文件的层次性管理要求。

技术成熟度等级参照欧美的TRL划定方法[2-3]：TRL1阐述基本原理，科学研究发展到应用研究；TRL2确定技术方案，提出实际应用设想，尚无证明和详细分析来支持；TRL3分析方案特性，验证关键功能，通过分析和研究对方案或应用设想进行验证；TRL4进行进一步分析或试验性测评，性能达到实现方案所需水平，但与最终系统相比保真度较低；TRL5模拟实际使用环境，对系统或部件进行有效确认，系统模型或部件的保真度显著提高；TRL6模拟实际使用环境，验证系统模型或原型机有效，系统模型或原型机保真度远超TRL5的水平，充分验证实际系统应用的工程可行性；TRL7～9系统原型在实际运行环境下得到试验验证。根据体系框架、研发设计阶段、技术成熟度三个要素，构建出设计分析文件管理体系。

3 核电设计分析管理体系的管理措施

设计分析文件作为设计成果的重要组成部分，可根据与委托方签署的设计合同向委托方或安全评审中心提供必要的计算表或报告等。为确保设计成果文件是建立在充分的设计分析基础上，核电设计分析管理体系的管理措施如下：

应在设计合同中明确设计单位应完成的设计分析工作，设计策划阶段在设计分析管理体系框架基础上建立文件清单，明确工作范围和内容；设计分析应涵盖所有核安全级系统和设备的重要设计问题。在设计策划中确定关于核安全级系统和设备的设计分析的成熟度范围，应用于不同设计阶段的评审要求；在设计过程控制的各个环节应针对设计分析的各类型活动提出相关的控制要求，例如设计输入过程，针对设计要求中的基本设计参数进行可达性分析，针对项目采用的标准规范进行适应性分析，以保证设计输入资料的准确性和完整性。

为便于设计分析工作的查阅、审查、应用和修订，须将设计分析工作文档化，并通过以下措施加强设计分析文件的控制：在设计分析管理体系框架基础上作好设计分析文件的分类工作，便于各种用途的检索；设计分析文件要具有可追溯性和顺序性。按照实际执行的次序编排文档，便于设计分析文件的追溯。设计分析成果在工程实践应用中会出现偏差，通过文档的可追溯性和顺序性，可根据之前的文件记录分析出现问题的原因。例如对事故分析过程中所形成的文件应按以下次序进行文档编排：始发事件分析、事件树分析、系统分析(故障树分析、事故序列定量化分析、不确定性分析和敏感性度分析；统一制定各类设计分析文件的格式和编码，经过审查与确认后归档保存。

组织专家对设计分析文件进行评审。根据文件的重要程度对设计分析文件进行分类，一类是设计单位内部专家评审，二类是外部专家专业评审，三类是外部专家综合评审，有的评审可和核安全、专篇和专题评审结合起来；建立设计分析过程接口协调机制，例如建立定期设计协调会制度，组织各设计接口相关方以专题等形式解决和协调接口问题，制订计划和方案；定期进行检查、及时跟踪，以落实设计分析策划书中的任务，保证设计分析任务按期完成；制定质量保证大纲以及实施细则等文件监控设计分析活动。

综上，设计分析管理体系的建立保证了设计分析文件的完整性、有序性和层次性，同时使设计文件具有了可追溯性。采用技术成熟度的说明，规定了各类设计分析文件的深度，同时也满足了国外核电设计文件评审体系的要求。设计分析管理体系的建立是实现高温气冷堆设计过程标准化的重要措施，是核安全理念贯彻于整个设计过程的重要保障。