張少華 錢達志 劉耀光 唐彬 楊宇川 孫光愛

摘 要：本課題通過對比分析國內(nèi)外類似研究堆的運行模式與狀態(tài)，結(jié)合中國綿陽研究堆的特點以及建設(shè)目標，辨識研究堆高效運行涉及的主要因素，充分解析本單位任務(wù)性質(zhì)，以"堅持原則底線"為生存之本，以"靈活策劃"為發(fā)展之道，優(yōu)化研究堆的運行模式以達到解決當前主要矛盾、從容面對沖擊、提升運行績效的目的。

關(guān)鍵詞：中國綿陽研究堆；運行模式；矛盾；沖擊；績效

一、前言

大型中子源主要是指研究堆中子源和散裂中子源。研究堆可以分為以束流應(yīng)用為首要任務(wù)的研究堆（中子散射、中子成像等）、以輻照生產(chǎn)為首要任務(wù)的研究堆（材料輻照、同位素研制等）以及同時具備兩種功能的綜合應(yīng)用型的研究堆，而散裂中子源主要用途是中子束流應(yīng)用。

目前，國內(nèi)三大中子源分別是中國綿陽研究堆 （CMRR）、中國先進研究堆（CARR）和中國散裂源（CSNS）。其中，CMRR堆已與2012年通過驗收，2013年～2016年為試運行期，狀態(tài)平穩(wěn)；CARR堆于2017年底完成竣工驗收；CSNS預(yù)計2018年完成建設(shè)（2017年8月CSNS靶站引出第一束中子束，但其一期的三臺譜儀還在建設(shè)中）。CMRR堆是當前國內(nèi)唯一正常運行的大型中子源。

統(tǒng)計顯示，2013年CMRR堆運行44天，2014年運行79天，2015年運行105天，2016年運行123天，2017年運行182天。從近幾年的運行情況來看，CMRR堆運行時間日趨飽滿，運行效率逐漸提升，標志著CMRR堆已經(jīng)進入較為穩(wěn)定的運行階段。

僅從數(shù)據(jù)統(tǒng)計來看，CMRR堆已進入穩(wěn)定期，但是CMRR堆仍面臨著以下幾個問題急需解決：第一，中子束流供求不匹配；第二，反應(yīng)堆運行績效不顯著；第三，CARR堆、東莞散裂源逐步完成建設(shè)投入運行，如何面對上述兩個中子源對CMRR堆產(chǎn)生的沖擊。

針對上述幾個問題，研究團隊開展了CMRR堆運行模式探索研究。

二、CMRR堆當前運行狀態(tài)及應(yīng)用情況

（一）運行周期

2013年運行44天，2014年運行79天，2015年運行105天，2016運行123天，2017年運行182天。CMRR堆的運行時間見圖1。（運行天數(shù)，指反應(yīng)堆從計劃運行當天到完全停堆之間天數(shù)總和，包括啟動前檢查、反應(yīng)堆達臨界、反應(yīng)堆提升功率、預(yù)定功率運行、停堆后余熱排除，以及若干低功率運行天數(shù)。）

（二）運行模式

當前CMRR采用高功率長周期運行與低功率短周期運行結(jié)合的模式。高功率長周期一般以18～20MW的功率連續(xù)運行10天，低功率短周期一般以6MW的功率運行40小時。累積40個滿功率日（FPD）后進行換料操作，每次更換5～10根燃料，換料操作（含實驗）需要2周時間。

（三）CMRR運行維護團隊現(xiàn)狀

CMRR堆運行維護人員共47人，其中反應(yīng)堆操作員12人，反應(yīng)堆設(shè)備維護工程師30人，冷源維護工程師5人。

每次運行采用4班3倒模式。根據(jù)HAF202要求，操縱人員必須帶照運行。正常情況下，取得操縱員執(zhí)照，需要2年時間，從操縱員到高級操縱員需要3年。當前持證操作員共12人，每次運行按照法規(guī)設(shè)置3名操作員。

（四）成果

CMRR堆年平均用戶申請達七十余份，已發(fā)表SCI論文數(shù)十篇（最高IF 19.8），近五年獲國家科技進步二等獎1項，軍隊科技進步一等獎兩項，二等獎3項，三等獎7項。

三、國內(nèi)外研究堆運維與應(yīng)用水平

（一） 運行周期

紅色表示數(shù)據(jù)來源非官方尚存疑。

（二）運行管理模式

1.運行計劃制定與執(zhí)行

反應(yīng)堆運行部門多為獨立部門，每個財政年初，其上級部門會根據(jù)該財年實驗任務(wù)制定并下達運行計劃，這些計劃多在網(wǎng)絡(luò)上對外公布。運行部門負責(zé)按照計劃進行運行，通常在每個運行周期（一般30天左右）結(jié)束后，會進行必要的檢修與換料工作。運行計劃與實際運行情況符合的很好。

2.運行隊伍構(gòu)成與職責(zé)劃分

運行維護隊伍一般由操作員、維護工程師、管理人員三種組成。一般有30～50人。核心工作為堆運行操作、堆本體的儀器控制系統(tǒng)維護、堆本體的機械回路系統(tǒng)維護、冷源設(shè)備維護（如有）、堆芯燃料組件操作、堆安全相關(guān)審查文件工作。有些機構(gòu)研究堆運行部門還包括了輻射劑量監(jiān)督、輻照樣品出入堆、輻照小回路運行等。更多的工作意味著更大的運維人員隊伍，例如NSBR運維隊伍只負責(zé)前述4項核心任務(wù)，整個隊伍只有25人；493堆運維隊伍負責(zé)了除冷源外幾乎所有工作，運維隊伍達到上百人。

此外，國外運維人員中大多數(shù)都有操作員執(zhí)照（70%～100%），維護工程師很多也有操作證。這可能與國外研究堆操作員取證難易程度有關(guān)，國外甚至允許有學(xué)生操作員。

3.非預(yù)期意外停堆與設(shè)備維保

即使對于運行非常成熟的研究堆，每年非預(yù)期的停堆也有5次左右，其中外電網(wǎng)、設(shè)備本身故障、人因誤操作3種因素引起的非預(yù)期停堆比例基本相同。

除日常維保外，一般研究堆每年都會有一次集中檢修，每個運行周期結(jié)束后會有2周左右的保養(yǎng)檢修或換料時間。出現(xiàn)設(shè)備故障后，多采用本部門維護工程自行修復(fù)為主的方式。

（三）堆應(yīng)用管理

研究堆作為平臺為各類應(yīng)用提供服務(wù)

1.束流應(yīng)用中子學(xué)中心

國外依托研究堆或散裂源這樣大型核設(shè)施建立了中子學(xué)研究中心。中子源的高效運行為中子學(xué)應(yīng)用提供基礎(chǔ)條件，同時中子學(xué)應(yīng)用又對源技術(shù)本身提出更高要求，促進源技術(shù)發(fā)展。例如：NIST建立了NCNR中子學(xué)中心，依托NSBR堆，每年約有2400多名用戶，發(fā)表學(xué)術(shù)論文350篇以上，NSBR每年運行任務(wù)飽滿。桑迪亞國家實驗室運行了ACRR研究堆與LANSCE散裂源，同時滿足美國核武器研究和基礎(chǔ)科學(xué)研究生產(chǎn)的需求，同時這些應(yīng)用也使桑迪亞實驗室的中子源技術(shù)達到世界一流。

2.材料輻照聯(lián)盟

目前中子材料考驗完全依賴研究堆。在歐洲、美國都建立了局域性的材料輻照堆聯(lián)盟，歐洲中心聯(lián)合了LVR15、R2、HFR、BR2、OSIRIS、JHR等研究堆，美國中心包括了MURR、ATR、HFIR、MITR等研究堆，JAEA希望建立亞洲聯(lián)盟，并進一步形成全球范圍的MTR合作，如圖 2所示。

3.同位素生產(chǎn)

同位素生產(chǎn)是一項商業(yè)性非常強的活動，研究堆多只進行輻照，輻照完成后需要在熱室使用相關(guān)設(shè)備進行復(fù)雜的后處理，通常的做法是將樣品出售給專門的公司進行，這樣只需要使用有防護的運輸方式將輻照后樣品運出研究堆廠區(qū)即可，更后端的制藥、銷售則有專業(yè)的制藥與銷售公司進行。很多研究堆僅依靠單晶硅摻雜（NTD）即可維持堆的運行維護費用。

（四）成果

以美國NIST研究堆為例，每年約有2400多名用戶，發(fā)表學(xué)術(shù)論文350篇以上，培養(yǎng)博士生40多名，如圖3，其他中子源，如FRM-II、ILL、SINQ、ISIS，每年用戶數(shù)均在1000～1500人。ILL每年產(chǎn)出560篇論文（2007年），48%的論文IF>2，41篇是Nature、Science、PNAS、PRL、JACS這樣的高影響因子文章。

小結(jié)：

不考慮設(shè)備穩(wěn)定性、任務(wù)需求飽滿程度、管理水平，研究堆的運行周期從技術(shù)上來看，取決于堆的用途、燃料富集度、單次運行時間。

此外，所有高性能運行的研究堆，其單次運行周期都在3～5周，一方面是燃料需要更換、設(shè)備需要檢修，更重要的原因應(yīng)該是堆內(nèi)樣品需要更換。

四、當前CMRR對面臨的主要問題

通過上述比較，可以看出CMRR堆與國外高性能研究堆存在較大差距，除了各機構(gòu)對研究堆的定位存在差異外，CMRR堆還面臨以下幾個問題。

（一）運行頻率高、單次效率低，運行不規(guī)律、主線不明確

根據(jù)目前CMRR堆承擔(dān)的任務(wù)性質(zhì)可見：內(nèi)部需求有限（主體任務(wù)不飽滿），隨機性較大，但很重要，必須保證完成；外部需求強烈，但堆運行不規(guī)律，束流供給不穩(wěn)定，造成對外提供束流的不穩(wěn)定性，進而造成用戶的轉(zhuǎn)向，最終造成堆的影響力逐漸下降。

（二）運行績效不明顯

對內(nèi)，主體任務(wù)不飽滿，重要程度有限，是否能解決或部分解決核武器面臨的主要問題尚存疑，當前未能在此領(lǐng)域發(fā)揮更重要的作用。

對外，在前沿基礎(chǔ)科學(xué)研究領(lǐng)域的發(fā)展中，CMRR做出的貢獻無論數(shù)量還是質(zhì)量與國外高性能研究堆存在明顯差距。

（三）面臨來自CARR和散裂源的沖擊

三大中子源與應(yīng)用平臺特征如表 2所示。相對于其他兩大中子源，CMRR創(chuàng)新性地采用有靶堆芯和無靶堆芯兩種布置方式，較好地兼顧了中子束流應(yīng)用和堆內(nèi)輻照生產(chǎn)要求，能提供高注量率的冷、熱、快中子輻照場。輻照空間大、重水箱16個輻照孔道，可用輻照空間為83升，且堆芯布置靈活，輻照生產(chǎn)無需頻繁啟停，綜合輻照能力遠高于CARR。

國內(nèi)CMRR堆、CARR堆和中國散裂中子源三大中子科研平臺從地理位置、定位、平臺能力方面各具特色又相互補充，CARR堆和散裂源的正式運行勢必會對CMRR堆帶來沖擊。

近期只有CMRR堆能夠提供高產(chǎn)額高品質(zhì)的中子束流并開展相關(guān)研究工作，應(yīng)抓住機遇，通過提升平臺能力、加強合作交流，與國內(nèi)高水平用戶建立長期、良好的合作研究團隊，培養(yǎng)忠實用戶，形成在國家科技發(fā)展方面的長效影響力。

上述矛盾、問題是表象；績效的提升是根本。

通過運行模式的優(yōu)化調(diào)整可以基本解決表象問題以及“根本”問題中的發(fā)展模塊部分；“根本”問題中的核心還需要高層的運籌帷幄。

五、優(yōu)化運行模式的指導(dǎo)思想

以原則底線為生存之本；以靈活策劃為發(fā)展之道。

主體任務(wù)在首位是原則，保質(zhì)保量按時完成是底線，涉及堆的存活問題，不能突破。首位、確保不是毫無原則不守規(guī)矩的借口，規(guī)矩不是兒戲，既然知道重要，更應(yīng)提前策劃。

前沿基礎(chǔ)科學(xué)研究是發(fā)展是未來，兼顧堆中子束的品質(zhì)和各類任務(wù)的實際需求，統(tǒng)籌策劃各類任務(wù)的實施計劃，靈活安排束流供應(yīng)窗口，制定運行計劃。

六、影響運行模式的因素

CMRR堆包含54個子系統(tǒng)，是一個復(fù)雜的大型核設(shè)施，它的正常運行主要涉及以下幾個因素：運行維護團隊、堆本體（含設(shè)備）、燃料組件、動力供應(yīng)及相關(guān)規(guī)程。為了解決CMRR堆面臨的問題，提高運行績效，從容應(yīng)對CARR堆和散裂源的沖擊，在已有的條件下必須對現(xiàn)有運行模式進行優(yōu)化。主要涉及：運行維護團隊的容量、堆本體（主要是設(shè)備）的穩(wěn)定性、燃料組件的壽命周期、電力供應(yīng)的保障能力、任務(wù)性質(zhì)對中子束流的特殊需求。

七、意見建議

在優(yōu)化CMRR堆運行模式方面主要有以下幾點：

（一）在現(xiàn)有運行維護團隊的基礎(chǔ)上對現(xiàn)行排班進行最優(yōu)化處理，培養(yǎng)運行操作人員，提高維護人員的能力；同時針對運行維護類人才管理開展創(chuàng)新管理研究，保障團隊的穩(wěn)定；

（二）對堆本體的主要設(shè)備進行精細化管理，全流程跟蹤其狀態(tài)和固有壽命，提前策劃，提高本體的穩(wěn)定性；

（三）在設(shè)置運行模式的指導(dǎo)思想下，根據(jù)中子束流的品質(zhì)，劃分運行周期，明確運行主線；

（四）根據(jù)任務(wù)性質(zhì)以及對中子束流的品質(zhì)要求，精細化區(qū)分各項任務(wù)。

CMRR堆是提供中子束流的一個平臺，在其正常高校效運行的情況下，其績效的最終體現(xiàn)是應(yīng)用能力和水平，在這方面有以下幾點建議：

（一）大力推進中子學(xué)應(yīng)用以應(yīng)用促運行

依托已有中子物理學(xué)實驗室等對外平臺，大力加強開放與協(xié)作，在滿足我所束流實驗需求前提下，盡可能為外單位用戶提供便利。飽滿的應(yīng)用任務(wù)可有效促進CMRR堆高效運行。

（二）加強與外部優(yōu)勢單位的深度合作，提升現(xiàn)有中子應(yīng)用平臺的水平

可采用與外部單位（高校）合作共建譜儀的模式，加速中子應(yīng)用平臺建設(shè)，建立長期、穩(wěn)定、利益共享的深度捆綁聯(lián)盟，提升譜儀建設(shè)與應(yīng)用水平（目前已經(jīng)開始嘗試，建議加大力度）。

（三）大力推進同位素生產(chǎn)的規(guī)律化、常態(tài)化

（四）完善體制機制建設(shè)

以中子物理學(xué)重點實驗室為依托優(yōu)化管理與評價模式，逐步升級為國家級重點實驗室，提高中子科學(xué)平臺的層次，集智聚慧，吸引高端人才，推動中子科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。