吳廣君

（蘇州熱工研究院有限公司，深圳 518000）

國際主流的大型商用核電廠通常設(shè)計運行壽命為40~60年。在這個時間跨度中，自然環(huán)境、社會環(huán)境、工程技術(shù)等方面會不停地變化。這將不可避免地對早期設(shè)計階段確定的設(shè)計基準(zhǔn)造成沖擊。例如，20世紀(jì)60年代設(shè)計的日本福島第一核電廠正是忽略了21世紀(jì)初期對地震、海嘯的最新研究成果，未能及時調(diào)整其應(yīng)對海嘯的設(shè)計基準(zhǔn)，最終導(dǎo)致了核電廠的嚴(yán)重?fù)p毀和大規(guī)模放射性物質(zhì)的釋放［1-3］。而更普遍的，在核電廠日常運維領(lǐng)域一直面臨如下一系列挑戰(zhàn)：（1）在核電廠正常運行期間，如何確保電廠始終運行在設(shè)計時確定的基準(zhǔn)范圍內(nèi)，及時識別危及或突破設(shè)計基準(zhǔn)的運行偏差；（2）在核電廠改造中，如何確保在原定的設(shè)計基準(zhǔn)范圍內(nèi)實施，或?qū)τ谌魏卧O(shè)計基準(zhǔn)的修改都得到嚴(yán)格論證；（3）隨著運行時間和改造的累積，如何評估老化或者改造的累積效應(yīng)可能給原先確定的設(shè)計基準(zhǔn)帶來不利影響；（4）在40~60年的時間跨度內(nèi)，如何應(yīng)對因供應(yīng)商變化、組織機(jī)構(gòu)變化、人員流動等導(dǎo)致各類工程改造、運行優(yōu)化相關(guān)設(shè)計基準(zhǔn)文件信息散落丟失，造成電廠實際狀態(tài)與現(xiàn)有的技術(shù)文件狀態(tài)不一致，給電廠的安全運行帶來的困擾和潛在的危險。

針對上述挑戰(zhàn)，包括IAEA、WANO在內(nèi)的一些國際組織提出了要在核電廠運行壽期內(nèi)持續(xù)進(jìn)行設(shè)計基準(zhǔn)維護(hù)［4，5］。

開展設(shè)計基準(zhǔn)維護(hù)，首先要明確什么是設(shè)計基準(zhǔn)，它包含哪些內(nèi)容。而現(xiàn)實存在的問題是：一方面各類文獻(xiàn)關(guān)于設(shè)計基準(zhǔn)維護(hù)定義和內(nèi)容的表述各有不同，另一方面我國核電運行歷史相對較短，且運行的商業(yè)核電廠多數(shù)采用翻版加改進(jìn)的技術(shù)方案，在翻版加改進(jìn)過程中缺乏完整設(shè)計過程資料，沒有很好地理解引進(jìn)技術(shù)的真正內(nèi)涵，因此，無相關(guān)清晰定義和研究。

因此，本文從工程技術(shù)領(lǐng)域通用的基準(zhǔn)概念入手，研究了設(shè)計基準(zhǔn)的含義，分析比較了國際原子能機(jī)構(gòu)、世界核電運營者協(xié)會、美國核管會以及我國在設(shè)計基準(zhǔn)方面的定義和內(nèi)容的異同，在此基礎(chǔ)上，提出在運核電廠應(yīng)采用的定義。為便于理解和應(yīng)用，本文引入了系統(tǒng)工程理論中核電廠設(shè)計過程V模型，進(jìn)一步闡述了基于系統(tǒng)工程（System engineering）方法［6，7］的分層級設(shè)計基準(zhǔn)的基本特征，還進(jìn)行了設(shè)計基準(zhǔn)分析應(yīng)用案例研究。

1 核電廠設(shè)計基準(zhǔn)概念的提出

設(shè)計基準(zhǔn)的概念來自系統(tǒng)工程理論。系統(tǒng)工程理論是一種工程設(shè)計建造領(lǐng)域的交叉學(xué)科，用于指導(dǎo)如何設(shè)計、系統(tǒng)集成以及如何進(jìn)行復(fù)雜系統(tǒng)的全生命周期管理。在系統(tǒng)工程理論中，基準(zhǔn)（Base或baseline）指的是在某個層級確定的設(shè)計結(jié)論，它為下一階段開發(fā)或產(chǎn)品設(shè)計提供依據(jù)［8］。系統(tǒng)工程學(xué)中通常把基準(zhǔn)分成三個層級，即功能基準(zhǔn)（Functional baseline）、分配基準(zhǔn)（Allocated baseline）、產(chǎn)品基準(zhǔn)（Product baseline），各層級關(guān)系如圖1所示［8］。

圖1 系統(tǒng)工程理論中的基準(zhǔn)概念示意圖Fig.1 Baseline in system engineering theory

在核電領(lǐng)域，基準(zhǔn)一詞最早出現(xiàn)在“設(shè)計基準(zhǔn)事件/事故”（design basis event/accident，DBE/A）及“設(shè)計基準(zhǔn)地震”（Design basis earthquake）等術(shù)語中［8，9］。但這些術(shù)語主要強(qiáng)調(diào)的是設(shè)計中需要考慮的事故或地震烈度，并未給出“設(shè)計基準(zhǔn)”的定義。

20世紀(jì)70年代，美國的一些核電廠因設(shè)計信息缺失導(dǎo)致了運行事件，在NRC監(jiān)管之下，一些核電廠開展了設(shè)計基準(zhǔn)文件重建工作。NRC也在這一時期對什么是設(shè)計基準(zhǔn)進(jìn)行了討論，并給出了定義［10］，本文下一節(jié)將對此進(jìn)行闡述和研究。

在運核電廠的設(shè)計基準(zhǔn)的定義和設(shè)計基準(zhǔn)維護(hù)是相伴而生的。設(shè)計基準(zhǔn)的維護(hù)經(jīng)歷了早期的狹義的設(shè)計基準(zhǔn)信息的維護(hù)（即設(shè)計基準(zhǔn)文件的重建和維護(hù)）及后期實施設(shè)計控制兩個階段。

一個典型的設(shè)計基準(zhǔn)文件的結(jié)構(gòu)和內(nèi)容如圖2所示。

圖2 DBD文件結(jié)構(gòu)Fig.2 Content of a DBD

一個系統(tǒng)的設(shè)計基準(zhǔn)通常已在電廠層級功能基準(zhǔn)確定后得到，因此，體現(xiàn)在系統(tǒng)內(nèi)的已經(jīng)是系統(tǒng)的設(shè)計要求，即系統(tǒng)層級的設(shè)計基準(zhǔn)，也即系統(tǒng)設(shè)計基準(zhǔn)文件無法看到電廠層級的基準(zhǔn)信息。但是，一些法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計要求、廠址條件等，不僅適用于電廠層級，也適用于系統(tǒng)和設(shè)備組件層級，它們屬于通用要求。

2 在運核電廠的設(shè)計基準(zhǔn)定義研究

除了NRC在10 CFR50.2的定義外，IAEA、WANO等組織也給出了設(shè)計基準(zhǔn)的定義，但定義或內(nèi)容表述卻各有不同。為明確與在運核電廠相適應(yīng)的定義，本節(jié)進(jìn)一步研究了各組織給出的設(shè)計基準(zhǔn)定義和內(nèi)容，如表1所示。

表1 不同組織的設(shè)計基準(zhǔn)的定義比較Table 1 The definitions and contents of design basis from different organizations

分析表1收集的定義和內(nèi)容可知，IAEA和我國在HAF102—2016羅列的設(shè)計基準(zhǔn)條目貫穿整個核電廠設(shè)計過程，更體現(xiàn)為一種用于設(shè)計的準(zhǔn)則和約束；WANO參考了IAEA的定義，但在具體內(nèi)容方面，WANO的定義又更多地體現(xiàn)在設(shè)計與運行限值上，更適用于運行管理。按照系統(tǒng)工程理論中分層級的設(shè)計基準(zhǔn)來看，IAEA和WANO的定義更偏向于系統(tǒng)工程理論中的功能層級 （Functional level）基準(zhǔn)和分配層級（Allocated level）基準(zhǔn)。10 CFR50.2在更具體的層面定義了基準(zhǔn)功能和參數(shù)，包括了產(chǎn)品層級（Product level）基準(zhǔn)。

在核電廠日常運行中遇到的問題，大多是與產(chǎn)品層級的基準(zhǔn)相關(guān)的。因此，從核電廠運行維護(hù)的角度以及法規(guī)體系的角度，10 CFR 50.2的定義反映了層次的特征，更為合理，可以作為我國開展設(shè)計基準(zhǔn)維護(hù)，確定設(shè)計基準(zhǔn)定義時的重要參考，具體應(yīng)用還需要與RG、標(biāo)準(zhǔn)等結(jié)合。

3 設(shè)計基準(zhǔn)技術(shù)框架及應(yīng)用實踐

在實際應(yīng)用設(shè)計基準(zhǔn)定義時，我們?nèi)孕枰唧w情況具體分析。例如，核電廠重要廠用水系統(tǒng)（SEC）中的反沖洗過濾網(wǎng)孔直徑是否是設(shè)計基準(zhǔn)，其修改需要經(jīng)過怎樣的評估，是否需要上報安全監(jiān)管當(dāng)局進(jìn)行審批。一些工程師認(rèn)為網(wǎng)孔直徑保證了過濾后的水不會堵塞下游熱交換器，保證最終熱阱，是一項設(shè)計基準(zhǔn)；還有一些工程師則認(rèn)為，網(wǎng)孔直徑僅是濾網(wǎng)的制造要求，只要能符合下游熱交換器用水要求即可，網(wǎng)孔直徑大小并不是設(shè)計基準(zhǔn)。

3.1 設(shè)計過程的V模型與設(shè)計基準(zhǔn)技術(shù)框架

在一個大型復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計過程中，系統(tǒng)工程理論通常可把系統(tǒng)的設(shè)計和建造過程通過V模型來表達(dá)。基于系統(tǒng)工程理論的核電廠的設(shè)計過程可以簡化成如圖3所示的V模型。

圖3 核電廠設(shè)計過程V模型示意圖Fig.3 The V-mode of NPP’s design process

按照V模型所表達(dá)的邏輯關(guān)系，我們可以把設(shè)計基準(zhǔn)分解成電廠層級、系統(tǒng)層級及設(shè)備組件層級。電廠層級的設(shè)計基準(zhǔn)約束了電廠功能的設(shè)計。電廠層級的功能確定后，形成的系統(tǒng)設(shè)計要求，也即系統(tǒng)層級的設(shè)計基準(zhǔn)，用于約束系統(tǒng)功能的設(shè)計。依此類推，系統(tǒng)層級的功能確定后，形成的設(shè)備、組件的設(shè)計要求，即形成了設(shè)備組件層級的設(shè)計基準(zhǔn)，該設(shè)計基準(zhǔn)用于約束設(shè)備組件的功能設(shè)計和實現(xiàn)。即上一層級的設(shè)計結(jié)果得到的對本層級功能要求或約束，就是本層級開展設(shè)計的基準(zhǔn)。另一方面，對于已運行的電廠，遇到的更多問題是需要給出設(shè)備組件層級設(shè)計基準(zhǔn)的判斷，這需要將V模型倒過來考慮，從設(shè)備執(zhí)行的功能及要求出發(fā)，再往上考察其是否影響系統(tǒng)或電廠層級的安全功能基準(zhǔn)以及在何種程度上影響安全功能，從而確定設(shè)備層級的設(shè)計基準(zhǔn)的判斷。由此即構(gòu)成核電廠設(shè)計基準(zhǔn)技術(shù)框架，一個典型的分層級的設(shè)計基準(zhǔn)技術(shù)框架可見表2。

表2 典型的分層級的設(shè)計基準(zhǔn)技術(shù)框架Table 2 Typical design basis information of hierarchy

3.2 設(shè)計基準(zhǔn)應(yīng)用分析舉例

根據(jù)上述核電廠設(shè)計過程的V模型，反沖洗過濾器網(wǎng)孔直徑參數(shù)要求，屬于設(shè)備組件層級的設(shè)計基準(zhǔn)，它來自反沖洗過濾器的設(shè)計結(jié)果，即對反沖洗過濾器組件的功能要求，這些要求還包括流量、阻力損失、材質(zhì)、壽命等。

不過，上述答案還不能回答本節(jié)一開始提到的問題。要解決該問題，還要借助上述V模型，進(jìn)一步考察反沖洗過濾器執(zhí)行什么功能，為何對網(wǎng)孔直徑提出要求，提出要求的依據(jù)是什么，由此可進(jìn)一步回溯到反沖洗過濾器的功能要求及SEC換熱器的功能要求，從而一步一步考察是否影響系統(tǒng)或電廠層級安全功能基準(zhǔn)以及在何種程度上影響安全功能，并最終確定處理方案。

如果沒有上述定義和分析方法，一個實際的工程問題是否影響設(shè)計基準(zhǔn)，往往會因為不同的人在不同層級的理解而得出不同的結(jié)論。因此，有必要把問題放回到設(shè)計過程中，通過回溯設(shè)計找到問題的關(guān)鍵和本質(zhì)，這也是由設(shè)計基準(zhǔn)分層級的特點決定的。

4 結(jié)語

本文從工程領(lǐng)域通用的設(shè)計基準(zhǔn)概念出發(fā)，通過比較分析國際同行的設(shè)計基準(zhǔn)定義，選取了適合在運電廠的設(shè)計基準(zhǔn)定義，并闡述了其分層級的技術(shù)框架，進(jìn)行了工程實際應(yīng)用舉例。該定義的明確，有助于理解各層級的設(shè)計基準(zhǔn)定義，解決在運電廠在工程改造、產(chǎn)品升級過程中遇到的設(shè)計基準(zhǔn)相關(guān)問題，同時為下一步如何開展設(shè)計基準(zhǔn)維護(hù)方法研究提供了基礎(chǔ)。