核燃料后处理技术成熟度评价方法研究

徐东林 姚守忠 第五永清

(中核龙安有限公司，浙江 台州 317700)

0 引言

技术成熟度评价是一种技术状态管理方法，于20世纪70年代由美国宇航局(NASA)提出，后被推广至美国国防采办和能源部的重大项目管理中。2013年，国际标准化组织(ISO)出版了《航天系统：技术成熟度等级及评价准则定义》标准，对国际航天领域的技术成熟度活动进行了规范，标志着技术成熟度评价思想与方法在世界范围内得到认可。

在我国，武器装备、航天器、核电等领域技术成熟度评价规范[1-4]对行业健康、规模发展起到了重要作用。目前，国内核燃料后处理正在从中间试验规模向工业示范规模转变，在围绕商业大厂技术开展关键技术科研攻关的同时，商业大厂工程项目也已提上议事日程。借鉴相关领域技术成熟度评价工作实践，探索核燃料后处理技术成熟度评价规范，对促进关键技术工程化，确保核燃料后处理商业大厂在技术先进、成熟可靠、安全经济方面风险可控，具有重要意义。

1 技术成熟度评价流程

航天、武器装备、核电等领域以及相关科研验收采取的技术成熟度评价流程不尽相同，体现出各自特点。核燃料后处理设施不同于航天、武器装备、核电和一般化工设施，具有自身特点和特殊要求。借鉴其他行业技术成熟度评价实践，提出核燃料后处理技术成熟度评价流程，如图1所示。

在评价流程中，技术分解是基础性工作，决定了技术成熟度评价的系统性和全面性，技术分解结构应遵循相应的分解原则；关键技术元素(Critical Technology Element，CTE)识别是从成千上万种技术元素中识别出预计对工程技术开发影响较大的代表性技术元素，CTE识别必须遵守统一的识别规则；CTE的技术成熟度等级(Technology Readiness Level，TRL)初判是降低CTE详判迭代工作量的重要措施；为做好CTE的TRL详判，需要研究制定TRL评价通则，并根据评价通则制定CTE评判细则。根据评价目的不同，在完成CTE成熟度评价之后，可以根据需要对系统或单元的技术成熟度进行评价；根据技术成熟度评价结论，可发现工程技术弱项短板，并安排技术研发计划，从而实现对工程技术方案迭代升级。

2 核燃料后处理典型工程及工艺技术路线选择原则

综合国内外核燃料后处理技术发展情况，核燃料后处理典型工程应包括乏燃料接收与贮存设施、乏燃料后处理设施、高放废液(分离)处理设施和放射性废物处理设施。核燃料后处理典型工程各主要设施之间的关系如图2所示。

PUREX工艺仍然是后处理主流工艺，工程技术方案要以PUREX工艺流程为基础，按照以下4个原则选择工艺技术路线、编制工程技术方案。

(1)安全可靠性原则。相关法规要求，成熟可靠性是民用核设施始终坚守且首要考虑的重要原则。

(2)技术先进性原则。技术路线选择要兼顾技术的先进性，以满足当前甚至未来一段时期内行业发展的需要。

(3)工艺完整性原则。典型工程不但要考虑主工艺设施，还要考虑“三废”出路或去向，以强化核燃料循环的可持续性。

(4)经济良好性原则。核技术属于资金密集型技术，核燃料后处理设施自身经济性是国内专家关注的重要问题。技术选择过度保守，易对工程造价产生巨大影响。

3 技术分解方法

3.1 技术属性及技术成熟度生命周期

后处理工程系统庞大，涉及技术学科交织繁杂，具有多种技术属性。因此，需要识别核心技术，简化评价内容，以精准配置专业化评价资源。

后处理工程的核心技术包括核化工工艺技术、(核)测量控制技术、放射化学分析技术、核与辐射技术、热室检修技术和核环保技术等，这些核心技术的技术状态决定了后处理工程的技术成熟度等级。分析后处理技术特点，提出核燃料后处理典型工程各主要设施之间的关系，如图3所示。

3.2 技术分解原则

核燃料后处理典型工程是以化工工艺功能为主线的复杂技术的高度集成系统。技术分解步骤和分解原则如下：

第一步，以工艺功能为主线，先将设施纵向分解为若干独立的工序，再按照专业领域将工序分解为系统，一般包括工艺系统、测控系统，有自成体系的检修系统的应单独分解出来。一般按照三层即可分解至系统。通过第一步的分解，形成工作分解结构(Work Breakdown Structure，WBS)。

第二步，开展技术分解，即以专业类别对WBS的系统层进行横向技术分解，分解出技术单元层。一般情况下，工艺系统可分解为工艺和设备；测控系统可分解为测量技术、控制技术；检修系统可分解为检修工艺和检修设备；对技术单元，还需要继续分解为若干技术元素。通过第二步分解，形成技术分解结构(Technology Breakdown Structure，TBS)

技术单元分解可参考以下4条原则：①根据工艺复杂程度，将工艺分解为工艺条件和临界安全限值(如有)，将设备分解为独立的设备或装置；②根据测控技术特点，将需要开展特殊测量的技术单独分解出来作为单独技术元素，将通用测量技术作为一项技术元素；③可根据需要将控制技术分解为主控系统和独立控制系统(如有)；④根据检修对象不同，分解出对应的检修工艺，如剪切机检修工艺、溶解器检修工艺，将检修设备分解为独立的设备或装置。

第三步，通过WBS和TBS方式的分解，获得技术元素清单。技术元素作为技术分解结构的底层，应技术边界清晰、功能完整、独立性强，可以是工艺条件、临界限值、单体设备、工作站、子系统、控制程序(软件)、算法等。

各层次技术分解单元赋予独立编号，编号规则应体现结构性和层次性。推荐采用图4所示的编号规则，无替代技术元素时可省去编号A。

3.3 首端设施技术分解

根据WBS分解结构原则，首端设施可分解为剪切溶解工序、料液澄清与计量工序和废包壳端头处理工序，各工序均可相应分解为工艺系统、测控系统和检修系统。以剪切溶解工艺系统和测控系统为例。

根据TBS分解原则，剪切溶解工艺系统可分解为剪切溶解工艺条件、剪切溶解设备两个技术单元。剪切溶解工艺系统可分解为剪切溶解工艺条件和剪切溶解核临界限值两个主要技术元素；剪切溶解设备可分解为乏燃料组件提升与翻转装置、卧式剪切机、连续式溶解器、碘解析器、溶解测量槽、端头漂洗器、废包壳洗涤器、包壳端头充装站以及剪切溶解尾气处理设备等主要设备技术元素。

根据TBS分解原则，剪切溶解测控系统可分解为测量技术、控制技术。测量技术分为通用测量技术，包括温度测量技术、负压测量技术、液位测量技术、速度测量技术、行程测量技术、定位测量技术等；测量技术还包括特殊核测量站，包括乏燃料组件燃耗测量站、溶解器戽斗进料堵塞核测量站、溜槽堵塞及溶解泡沫核测量站、溜槽堵塞超声测量站、燃料未溶解比率核测量站、溶解器戽斗卸料核测量站、废包壳漂洗进料测量站、废包壳填充高度核测量站、循环桶内裂变材料核测量章等主要技术元素；控制单元主是1号站控制系统，包括乏燃料翻转机的控制、剪切机的控制、溶解器的控制等。

首端设施WBS及TBS示意如图5～图7所示。

4 关键技术元素识别方法

一项技术元素能否成为一个系统的CTE，取决于该项技术的关键程度。

4.1 技术关键程度指标

技术关键程度需要从技术重要性和技术风险性两个方面建立判定指标和判断标准。

根据乏燃料后处理技术特点，技术重要性指标主要考虑核安全功能和工艺功能两个方面的10个指标，包括：①临界控制；②放射性物质包容；③化学爆炸预防；④释热导出；⑤电离辐射防护；⑥工艺指标实现；⑦产能保证；⑧产品指标实现；⑨产品损失预防；⑩放射性废物最小化。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三个维度。

对10个重要性指标权重采用层次分析法(AHP)[5]进行科学赋值，权重赋值见表1。

表1 重要性指标权重赋值

技术重要性判定标准采用优选法规则设置边界。技术重要性分类及标准见表2。

表2 技术重要性分类及标准

技术风险性判断指标及标准参照核电领域执行[6]，并进行适当简化。

4.2 技术关键程度判定

借鉴核电领域技术成熟度评价规范[6]，采用矩阵评价法对技术关键程度进行判定，评价矩阵见表3。

表3 技术关键程度综合评价矩阵

5 技术成熟度等级

5.1 技术成熟度等级(TRL)

根据核燃料后处理技术成熟度规律，技术成熟度等级采用常用的1～9级分级法。

机械类硬件技术、仪控类软件技术、分析计算类软件技术的成熟度等级、定义及评价通则，参照核电领域成熟度等级定义及评价通则，并做相应本地化。

经归纳总结[7-8]，提炼基于1～9级分级方法的核燃料后处理中涉及的化工技术成熟度等级划分、等级定义、等级内涵及评价通则。化工技术成熟度等级划分及定义见表4。

表4 化工技术成熟度等级划分及定义

5.2 CTE技术成熟度等级评价

核燃料后处理项目的成熟度评价，先开展关键技术元素(CTE)的成熟度等级，再计算工艺单元的成熟度，如有必要也可进行系统成熟度等级判定。

为简化CTE评价工作量，先开展TRL初判，再以评价通则为指导制定初判等级的评价细则，最后根据评价细则开展详判。在开展详判时，如果成熟度不满足该等级的判定细则，则需要采取迭代方式继续详判，直到满足某一等级的评价细则。迭代流程如图8所示。

5.3 系统成熟度等级

系统或工艺单元的技术成熟度由所包括的关键技术元素的成熟度等级决定，其成熟度等级用技术成熟度指数(Technical Readiness Index，TRI)表示。

对于存在重大类关键技术元素的系统或工艺单元，采用短板法判定，即成熟度最低的关键技术元素决定系统或工艺单元的成熟度等级。

对于存在多个重点类和一般类关键技术元素的系统或工艺单元，采用加权法计算其成熟度等级。计算公式为

式中，TRLi为第i项CTE的成熟度等级；n为工艺单元中CTE的总数量；Wi为第i项CTE成熟度权重，推荐采用表5方式获取权重值，也可由专家商议确定；TRI取小数点后一位。

表5 核电领域技术成熟度CTE的权重[6]

6 结语

本研究在归纳总结基础上开展的方法创新包括：

(1)建立了核燃料后处理技术成熟度评价模型，提出了技术成熟生命周期规律。

(2)结合核燃料后处理工艺特点及特殊要求，提出了针对性强的技术分解方法。

(3)建立了技术重要性评价模型，并通过引入层次分析法，计算确定了技术重要性判定标准。

(4)提出了化工工艺技术、化工设备技术的成熟度等级定义。

(5)对复杂系统或单元，引入技术成熟度指数，将技术成熟度等级进一步量化。

(6)提出了关键技术元素成熟度等级评价简化方法，可有效降低评价工作量。