何麗霞，程毅梅，楊 群

(中國原子能科學(xué)研究院 放射化學(xué)研究所，北京 102413)

乏燃料后處理廠中件料和散料共存，其特點(diǎn)是年處理量大、工藝流程復(fù)雜、物料形態(tài)多樣，其核材料衡算與控制面臨很大挑戰(zhàn)[1]。以年處理能力為800 t HM的乏燃料后處理廠為例，假設(shè)乏燃料中鈾、钚濃度比為100，閉合平衡結(jié)算不明核材料量(MUF)不確定度σMUF占核材料通過量的百分?jǐn)?shù)分別以0.8%和1.0%計(jì)算[2]，則年處理物料中的U和Pu相應(yīng)的MUF分別為6.4 t和80 kg。假設(shè)按照核材料實(shí)物盤存要求，每年實(shí)施2次實(shí)物盤存，則每次盤存賬務(wù)記錄的MUF小于等于2倍σMUF，即U和Pu分別為6.4 t和80 kg時(shí)，即可認(rèn)為本次盤存時(shí)該后處理廠的核材料達(dá)到閉合平衡。國際原子能機(jī)構(gòu)核保障術(shù)語表中定義了核材料重要量(SQ)的概念[3]：考慮轉(zhuǎn)換和制造過程中的損失，制造一個(gè)核爆炸裝置所需的核材料量。對應(yīng)的高濃鈾(HEU)、低濃鈾(LEU)和钚的量分別為25、75、8 kg。

對比可知，即使按照核材料管制要求，不考慮運(yùn)行因素在乏燃料后處理設(shè)施中按期開展實(shí)物盤存，乏燃料后處理設(shè)施中實(shí)物盤存達(dá)到閉合平衡時(shí)，核材料的容許MUF將超出U、Pu重要量多倍，單此一項(xiàng)就會帶來顯而易見的核安保風(fēng)險(xiǎn)；另外，考慮運(yùn)行因素，難以判斷是否有大量可裂變物質(zhì)在工藝流程中滯留、累積而存在臨界風(fēng)險(xiǎn)。

乏燃料后處理廠除U、Pu生產(chǎn)主工藝區(qū)外，U和Pu轉(zhuǎn)化區(qū)、產(chǎn)品貯存區(qū)、廢物整備儲存區(qū)、分析實(shí)驗(yàn)室等輔助設(shè)施也是重要的核活動場所，按照核材料管制相關(guān)規(guī)定和要求，應(yīng)對其中的核材料量進(jìn)行核實(shí)[4]。結(jié)合工藝設(shè)施、設(shè)備實(shí)際布局，開展核材料實(shí)物盤存的難度大幅增加。此外，乏燃料具有極強(qiáng)的放射性，不能直接進(jìn)行操作，很難在工藝區(qū)開展現(xiàn)場核查活動，必須借助智能無人值守系統(tǒng)開展遠(yuǎn)距離操作、活動監(jiān)控[5]，這從另一層面增加了核材料衡算與控制的復(fù)雜性。

近十幾年來，IAEA致力于建立大型乏燃料后處理廠的近實(shí)時(shí)衡算系統(tǒng)，研發(fā)了多套在線監(jiān)控技術(shù)和設(shè)備，并已在日本Rokkasho乏燃料后處理設(shè)施中推廣應(yīng)用[6-7]，主要包括近實(shí)時(shí)核材料衡算管理系統(tǒng)，一體化數(shù)據(jù)獲取、分析及處理系統(tǒng)，無人值守散料監(jiān)視測量系統(tǒng)，無人值守溶液特性測量系統(tǒng)，混合式K邊界等關(guān)鍵測量設(shè)備等[8]。此類核材料在線監(jiān)控技術(shù)將傳統(tǒng)的封隔監(jiān)視技術(shù)與核材料測量分析技術(shù)有機(jī)融合后，能更頻繁地進(jìn)行存量核實(shí)和核材料衡算、近實(shí)時(shí)更新賬務(wù)系統(tǒng)并給監(jiān)管機(jī)構(gòu)提交報(bào)告，提高了核材料衡算與控制的頻度和及時(shí)性。這些技術(shù)還能在設(shè)施運(yùn)行過程中及時(shí)反饋各平衡區(qū)的核材料存量，跟蹤分析運(yùn)行數(shù)據(jù)并掌握各監(jiān)控點(diǎn)的存量變化情況，及時(shí)探知、反饋設(shè)施和工藝運(yùn)行過程中的異常情況。

鑒于此，本工作通過介紹國際上后處理廠中采用的近實(shí)時(shí)衡算概念及其系統(tǒng)設(shè)計(jì)，探討其在我國后處理工藝中核材料衡算與控制的適用性。根據(jù)乏燃料后處理設(shè)施中核材料閉合衡算的法規(guī)要求，以及工藝流程和工程布局，設(shè)計(jì)乏燃料后處理設(shè)施近實(shí)時(shí)衡算系統(tǒng)，確定關(guān)鍵監(jiān)視測量點(diǎn)和分析測量方法，建立工作模型并集成數(shù)據(jù)近實(shí)時(shí)分析與管理能力，提高乏燃料后處理設(shè)施生產(chǎn)過程中的核材料衡算效能。

1 核材料近實(shí)時(shí)衡算基本概念

近實(shí)時(shí)衡算，是一種用于散料處理材料平衡區(qū)的核材料衡算方式，設(shè)施營運(yùn)單位保留盤存和盤存變化的數(shù)據(jù)，并以近實(shí)時(shí)的方式提供核材料測量數(shù)據(jù)以便進(jìn)行盤存核實(shí)，其材料衡算較傳統(tǒng)實(shí)物盤存更加頻繁[9]。核材料近實(shí)時(shí)衡算系統(tǒng)建立在流程監(jiān)控基礎(chǔ)上，融合了封隔監(jiān)視及現(xiàn)場測量分析技術(shù)，可及時(shí)分析平衡區(qū)的核材料存量，掌握存量變化情況，及時(shí)反饋工藝狀態(tài)、運(yùn)行趨勢及異常趨勢，確保核材料始終處于正常狀態(tài)。流程監(jiān)控與實(shí)物盤存在核材料衡算的及時(shí)性上存在顯著差異，流程監(jiān)控可在幾小時(shí)或幾天內(nèi)實(shí)現(xiàn)核材料近實(shí)時(shí)衡算，并能實(shí)時(shí)反映工藝運(yùn)行情況，而采用實(shí)物盤存進(jìn)行核材料衡算的及時(shí)性則以月計(jì)。

乏燃料后處理Purex流程一般可分為3個(gè)材料平衡區(qū)(MBA)，平衡區(qū)及關(guān)鍵測量點(diǎn)(KMP)設(shè)置如圖1[10]所示。在此基礎(chǔ)上，近實(shí)時(shí)衡算需根據(jù)平衡區(qū)內(nèi)工藝和物料特點(diǎn)，將平衡區(qū)進(jìn)行細(xì)化和分解，建立流程監(jiān)控單元和模塊，并采用適宜的傳感器、探測器進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)視和核材料測量，實(shí)時(shí)跟蹤設(shè)備的狀態(tài)及輸入輸出數(shù)據(jù)，及時(shí)計(jì)算流程中的核材料存量和動態(tài)MUF值，根據(jù)工藝預(yù)設(shè)值對監(jiān)控單元、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和核材料的平衡情況進(jìn)行評估。如對MBA1進(jìn)行實(shí)物盤存時(shí)，設(shè)置3個(gè)流動關(guān)鍵測量點(diǎn)和1個(gè)盤存關(guān)鍵測量點(diǎn)，可細(xì)化分解出9個(gè)或更多運(yùn)行模塊和監(jiān)控單元，邏輯關(guān)系如圖2所示。

2 后處理設(shè)施核材料近實(shí)時(shí)衡算系統(tǒng)設(shè)計(jì)

乏燃料后處理設(shè)施中，以監(jiān)控單元為基礎(chǔ)構(gòu)建的近實(shí)時(shí)衡算系統(tǒng)可分為3個(gè)子系統(tǒng)。1) 工藝和計(jì)算工作模型系統(tǒng)。工藝工作模型需根據(jù)監(jiān)視測量方法和相應(yīng)的算法進(jìn)行開發(fā)并優(yōu)化，涉及到硬件類的模型需兼顧操作、維護(hù)及設(shè)備的布局；計(jì)算工作模型需將大量監(jiān)視測量傳感器獲取的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及時(shí)運(yùn)算并轉(zhuǎn)換為可反應(yīng)工藝運(yùn)行狀態(tài)、核材料潛在損失和其他異常情況的數(shù)據(jù)。2) 關(guān)鍵監(jiān)視和分析測量技術(shù)系統(tǒng)?；诤筇幚砉に嚹Ｐ?、箱室布局、儀器設(shè)備等物理參數(shù)、測量對象的數(shù)量及特點(diǎn)等條件因素，需重點(diǎn)考慮設(shè)備方法的適用性和分析誤差。3) 數(shù)據(jù)及信息管理系統(tǒng)。大量原始數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算模型處理分析后傳輸上報(bào)給中央處理器，整合而生成運(yùn)行圖表、狀態(tài)曲線、近實(shí)時(shí)衡算報(bào)告等結(jié)果，需重點(diǎn)考慮原始數(shù)據(jù)的真實(shí)性、數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪B續(xù)性和整合算法的適應(yīng)性等。

2.1 工藝和計(jì)算工作模型

工藝工作模型的重點(diǎn)在于將核材料衡算、封隔監(jiān)視及流程監(jiān)控三大要素結(jié)合起來，設(shè)計(jì)完善的核材料衡算方案，并優(yōu)化監(jiān)視測量方法，降低監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)和運(yùn)行成本[11]。Purex流程中包含多個(gè)子工藝工作模型，如首端溶解模型、主工藝分離和監(jiān)控模型、暫存罐和控制罐及輔助設(shè)備模型等，每個(gè)模型的設(shè)計(jì)依據(jù)不盡相同，如首端溶解模型的理論基礎(chǔ)是質(zhì)量守恒和化學(xué)動力學(xué)原理，根據(jù)設(shè)施運(yùn)行投料量，結(jié)合溫度、初始酸濃度、反應(yīng)時(shí)間等可變參數(shù)計(jì)算核材料存量，其中的要素和運(yùn)算方法如圖3所示。而主工藝分離和監(jiān)控模型的工作基礎(chǔ)是數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析，重點(diǎn)引用核材料測量和分析的數(shù)據(jù)，綜合試劑消耗、溶液流量、質(zhì)量計(jì)量等監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，及時(shí)進(jìn)行合成運(yùn)算近實(shí)時(shí)評估其中的核材料平衡狀態(tài)，運(yùn)行積累并存儲在該模型中的歷史數(shù)據(jù)具有時(shí)間相關(guān)性，其趨勢即能預(yù)測短期內(nèi)的狀態(tài)走向[12]。

圖1 典型乏燃料后處理Purex流程中材料平衡區(qū)及關(guān)鍵測量點(diǎn)設(shè)置Fig.1 Material balance area and key measurement point configuration in Purex process

圖2 Purex工藝首端MBA1中監(jiān)控單元及邏輯關(guān)系Fig.2 Process monitoring elements and their logical relation in MBA1 of Purex process

圖3 乏燃料溶解監(jiān)控單元內(nèi)部模擬運(yùn)算示意圖Fig.3 Analog arithmetic relation of spent fuel dissolution internal module

計(jì)算工作模型是根據(jù)流程監(jiān)控終端收集到的原始數(shù)據(jù)，推導(dǎo)分析出核材料的量化數(shù)據(jù)，再繪制運(yùn)行過程或設(shè)備的狀態(tài)圖。用于探知偏離的算法還可根據(jù)流程監(jiān)控設(shè)備的反饋信息探知到是否存在偏離現(xiàn)象，并對偏離程度進(jìn)行初步?jīng)Q策和輸出。計(jì)算工作模型開發(fā)過程中應(yīng)緊密結(jié)合工藝過程數(shù)據(jù)鏈，考慮Purex工藝流程的延續(xù)性和監(jiān)控單元之間料液的流動性，任何結(jié)構(gòu)的變化或參數(shù)的偏離都將引發(fā)級聯(lián)效應(yīng)，觸發(fā)其他監(jiān)控單元而導(dǎo)致數(shù)據(jù)發(fā)生變化，即子系統(tǒng)中任意一個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)與總的模擬不明量(AUF)之間存在必然聯(lián)系，該模型運(yùn)行和維護(hù)需采用設(shè)施運(yùn)行數(shù)據(jù)對算法進(jìn)行校驗(yàn)。

IAEA在日本Rokkasho乏燃料后處理廠開發(fā)和應(yīng)用的工作模型有：首端切割和溶解模型、主工藝區(qū)的分離工藝模型、分離區(qū)周邊的暫存和控制容器中的水法后處理設(shè)施模型、3D激光核查機(jī)械模型、自動取樣系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理模型等。

2.2 關(guān)鍵監(jiān)視及測量分析技術(shù)

Purex流程的材料平衡區(qū)結(jié)構(gòu)如圖1所示，MBA1為工藝運(yùn)行供料區(qū)，其中包含乏燃料儲存水池、廢包殼、進(jìn)料衡算計(jì)量罐；MBA2為主工藝區(qū)，含物料、過程產(chǎn)物、回收試劑、高放廢物、低放廢物等；MBA3為U、Pu產(chǎn)品儲存區(qū)。各平衡區(qū)的關(guān)鍵測量點(diǎn)、監(jiān)控單元配置了具有定性判定或定量分析功能的監(jiān)視和測量分析設(shè)備，由此得到各工藝點(diǎn)核材料的定性定量數(shù)據(jù)。

在MBA1中，乏燃料組件從貯存水池運(yùn)送到機(jī)械熱室，屬于件料在平衡區(qū)內(nèi)部的轉(zhuǎn)移，采用計(jì)數(shù)清點(diǎn)的方式確定組件數(shù)量，轉(zhuǎn)運(yùn)過程在監(jiān)視系統(tǒng)的監(jiān)視下進(jìn)行，同時(shí)對組件標(biāo)識進(jìn)行核實(shí)確認(rèn)。MBA1中還有組件剪切溶解清洗后的廢包殼和進(jìn)料衡算計(jì)量罐，廢包殼中的核材料約占總投料的0.1%～1%[13]；乏燃料溶解清液儲存在進(jìn)料衡算計(jì)量罐中，是Purex流程后處理設(shè)施中核材料衡算的起點(diǎn)，其中的U、Pu等核材料應(yīng)精確計(jì)量，采用混合式K邊界技術(shù)分析其中的U、Pu濃度，乘以體積計(jì)量數(shù)據(jù)得出核材料衡算MUF計(jì)算用的調(diào)入量。以Pu衡算為例，進(jìn)料衡算計(jì)量罐中的計(jì)量不確定度在核材料衡算MUF不確定度合成誤差中占63.4%，其他相關(guān)不確定度源項(xiàng)列于表1。

表1 Purex流程中Pu衡算MUF合成不確定度[14]Table 1 Plutonium accounting MUF compound uncertainty in Purex process[14]

MBA1中配置的監(jiān)視設(shè)備有多路光學(xué)監(jiān)視系統(tǒng)、切倫科夫照相機(jī)(ACVD或ICVD)、水下電視監(jiān)視系統(tǒng)(UWTV)，分別用于監(jiān)視乏燃料內(nèi)部轉(zhuǎn)移過程，查看乏燃料組件在水池中的儲存狀態(tài)并核實(shí)確認(rèn)組件標(biāo)識。MBA1中配置的核材料測量設(shè)備有高靈敏度γ能譜探測裝置(HSGM)、叉型探測器(FDET)或乏燃料燃耗監(jiān)測儀(GBUV)、溶液體積測量設(shè)備、混合式K邊界密度計(jì)(HKED)、非破壞性分析(NDA)設(shè)備，分別用于分析乏燃料組件的γ放射性強(qiáng)度、組件燃耗、進(jìn)料衡算計(jì)量罐中溶液體積、溶解液和進(jìn)料清液中的鈾和钚濃度、廢包殼和組件端頭及固定件中殘留的核材料量。為保證調(diào)入量的準(zhǔn)確性，需采用工作標(biāo)準(zhǔn)樣品對HKED運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控；在進(jìn)料衡算計(jì)量罐上裝有密度和溫度傳感器，用以校正體積計(jì)量數(shù)據(jù)，需強(qiáng)調(diào)的是，體積計(jì)量器件在安裝和運(yùn)行過程中均應(yīng)進(jìn)行校準(zhǔn)，并嚴(yán)格履行分析取樣程序。

MBA2為主工藝區(qū)，其中主要有分析實(shí)驗(yàn)室、試劑調(diào)制區(qū)、鈾钚共去污區(qū)、鈾钚產(chǎn)品工藝區(qū)、高放廢物整備區(qū)、低放廢物整備區(qū)等。MBA2可細(xì)分為3個(gè)小平衡區(qū)，分別為鈾钚分離平衡區(qū)、廢物整備平衡區(qū)、鈾钚產(chǎn)品轉(zhuǎn)化平衡區(qū)。MBA2中核材料基本全處于溶液狀態(tài)，鈾钚共去污區(qū)和高放廢物具有很強(qiáng)的γ放射性，溶液槽、儲存罐、脈沖柱、工藝管道生產(chǎn)設(shè)備幾乎全布置在地下，因此監(jiān)視測量系統(tǒng)的耐輻射性、遠(yuǎn)距離無人值守自動運(yùn)行能力是極大的考驗(yàn)。

MBA2中配置的監(jiān)視設(shè)備有電視攝像機(jī)、放射性監(jiān)測系統(tǒng)、輔助監(jiān)測系統(tǒng)，分別用于監(jiān)視工藝運(yùn)行狀態(tài)，物料走向，核材料濃度，U富集度，溶液體積、溫度、密度等參數(shù)。配置的測量分析技術(shù)有破壞性分析(DA)技術(shù)、非破壞性分析(NDA)技術(shù)，如庫侖滴定和控制電位滴定技術(shù)、質(zhì)譜分析技術(shù)、同位素稀釋質(zhì)譜分析系統(tǒng)(IDMS)、手套箱分析系統(tǒng)(GBAS)、混合槽滯留量分析系統(tǒng)(HBAS)、大型中子多重性計(jì)數(shù)器(INMC)等，用于過程產(chǎn)物中U和Pu的含量和濃度分析、核材料存量分析、工藝流程中暫存或滯留的核材料定量分析。

MBA3為產(chǎn)品儲存區(qū)，核材料在該平衡區(qū)內(nèi)仍屬于散料形態(tài)，鈾產(chǎn)品為氧化鈾酰(UO3)，钚產(chǎn)品為硝酸钚(Pu(NO3)4)，分別裝入各自的容器后儲存管理。

MBA3中配置的監(jiān)視設(shè)備有連續(xù)監(jiān)測電視攝像機(jī)系統(tǒng)、稱重設(shè)備、封隔監(jiān)視系統(tǒng)或設(shè)備，分別用于監(jiān)視庫房、產(chǎn)品質(zhì)量和儲存狀態(tài)。MBA3中配置的分析技術(shù)有DA技術(shù)、NDA技術(shù)，用于分析鈾和钚產(chǎn)品的濃度、富集度、同位素比、總量等。該平衡區(qū)內(nèi)宜采用高水平中子符合計(jì)數(shù)器(HLNC)、庫存樣品計(jì)數(shù)器(INVS)等儀器隨機(jī)檢測容器中U和Pu的質(zhì)量。另外，該平衡區(qū)應(yīng)采取嚴(yán)格的實(shí)物保護(hù)措施，執(zhí)行出入口控制程序，安裝門式輻射探測器、金屬探測器、紅外傳感器、微波傳感器等，限制核材料的接觸權(quán)限。

物料平衡區(qū)中設(shè)備儀器配置時(shí)需考慮很多因素，如成本、性能、配套工裝及操作要求、安全性、探查便捷性等，定量測量方法選擇時(shí)還需考慮方法在核材料衡算過程中引入的不確定度。分析方法引入的不確定度不僅與方法本身有關(guān)，而且與流程和盤存過程中涉及的材料量有關(guān)，因?yàn)楣に嚨膹?fù)雜性和物料的特殊性，無法保證某一測量方法測量不同物項(xiàng)時(shí)能得到相同的精度。Indusi等[15]專門研究過核材料閉合衡算分析方法配置方案，乏燃料后處理設(shè)施中核材料衡算最常用的U、Pu分析方法列于表2。

表2 乏燃料后處理設(shè)施中核材料衡算常用的U、Pu分析技術(shù)Table 2 U and Pu analysis technique used in nuclear material accounting in spent fuel processing facility

Rokkasho乏燃料后處理廠的過程監(jiān)控及關(guān)鍵儀器設(shè)備有10多種，分別為一體化乏燃料核實(shí)系統(tǒng)(ISVS)、一體化首尾端核實(shí)系統(tǒng)(IHVS)、Rokkasho廢包殼測量系統(tǒng)(RHMS)、溶液測量及監(jiān)控系統(tǒng)(SMMS)、跑兔監(jiān)視探測器(IJPD)、自動取樣系統(tǒng)(ASAS)、廢物箱測量系統(tǒng)(WCAS A&B)、Pu存量測量系統(tǒng)(PIMS)、產(chǎn)品罐核實(shí)系統(tǒng)(TCVS)、新型Pu產(chǎn)品罐分析系統(tǒng)(iPCAS)、產(chǎn)品罐通道探測器(DCPD)、MOX燃料儲存區(qū)封隔監(jiān)視系統(tǒng)(MSCS)、鈾瓶核實(shí)系統(tǒng)(UBVS)、鈾儲存區(qū)封隔監(jiān)視系統(tǒng)(USCS)和玻璃固化廢物的核查設(shè)備(VWCC)[16-17]。

乏燃料后處理設(shè)施中，核材料分析最關(guān)注的還有分析數(shù)據(jù)的結(jié)果溯源問題，包括所有散料測量、DA測量和NDA測量分析系統(tǒng)，既用于測量分析的質(zhì)量控制，建立數(shù)據(jù)鏈(方法、程序、結(jié)果)與國際國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)(物質(zhì)、量具、程序)之間的關(guān)聯(lián)，又用于核材料衡算，作為核設(shè)施MUF評估的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。散料分析時(shí)，應(yīng)保證用于體積、質(zhì)量、溫度等測量的儀器設(shè)備的有效性，盡量溯源到國家或國際標(biāo)準(zhǔn)；DA技術(shù)分析元素濃度和同位素比時(shí)，可采用實(shí)驗(yàn)室間比對、常規(guī)檢驗(yàn)等方式進(jìn)行能力驗(yàn)證和評估，溯源到國家或國際標(biāo)準(zhǔn)；NDA技術(shù)受環(huán)境條件、幾何結(jié)構(gòu)、測量對象中的介質(zhì)及放射性分布等因素影響，很難實(shí)現(xiàn)量值溯源，應(yīng)盡可能保證測量程序符合國家或國際相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，利用標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行質(zhì)量控制，采用理論模型和標(biāo)準(zhǔn)樣品測量對比的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)校正和系統(tǒng)校驗(yàn)。

2.3 數(shù)據(jù)信息管理系統(tǒng)

Rokkasho乏燃料后處理廠年處理量為800 t HM，該設(shè)施中涉核操作建筑物有30多座，管道長度達(dá)1 700 km(主工藝管道約700 km)，上百個(gè)熱室、手套箱、反應(yīng)器、料液槽等設(shè)備分布在不同的建筑物中，工藝過程監(jiān)視測量設(shè)備則從這些箱室、管道、反應(yīng)器收集數(shù)據(jù)，封隔監(jiān)視狀態(tài)、過程監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、核材料測量分析數(shù)據(jù)經(jīng)工作模型運(yùn)算后傳輸上報(bào)給中央處理器，簡化的乏燃料后處理設(shè)施數(shù)據(jù)信息管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 簡化的乏燃料后處理設(shè)施數(shù)據(jù)信息管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.4 Simplified data management system structure of process monitoring in spent fuel reprocessing facility

信息管理系統(tǒng)中包含了數(shù)據(jù)收集層、數(shù)據(jù)分析層、數(shù)據(jù)管理層和數(shù)據(jù)傳輸流，原始數(shù)據(jù)需經(jīng)計(jì)算模型運(yùn)算后方可輸出核材料衡算數(shù)據(jù)，才可能直觀反映系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。信息管理系統(tǒng)中，首先應(yīng)保證來自幾百個(gè)測量點(diǎn)、監(jiān)視設(shè)備中原始數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，其次需保證數(shù)據(jù)分析算法及數(shù)據(jù)管理模型的真實(shí)性和可靠性，再次應(yīng)保證數(shù)據(jù)傳輸過程的完整性和機(jī)密性。

從運(yùn)行維護(hù)角度分析，系統(tǒng)應(yīng)具有自反饋功能和可持續(xù)運(yùn)行能力，而系統(tǒng)架構(gòu)搭建的難度來自設(shè)施布局和監(jiān)控技術(shù)(軟件和硬件)兩個(gè)方面，需根據(jù)實(shí)際情況均衡系統(tǒng)布局，簡化輔助設(shè)備和活動。系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中應(yīng)考慮整合臨界安全、環(huán)境控制、場所劑量監(jiān)測等設(shè)備硬件和數(shù)據(jù)來源；運(yùn)行過程中，可采用交叉對比監(jiān)控單元的原始數(shù)據(jù)、隨機(jī)取樣進(jìn)行信息系統(tǒng)評估等方式對模型和算法進(jìn)行完善修正。IAEA在日本Rokkasho乏燃料后處理廠布置的信息系統(tǒng)為一體化視察信息系統(tǒng)(I3S)，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 I3S數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)構(gòu)成Fig.5 I3S data management system structure

3 核材料近實(shí)時(shí)衡算在我國乏燃料后處理廠的適用性

3.1 我國核材料衡算的基本要求

我國國家法規(guī)要求，許可證持有單位根據(jù)各自的特點(diǎn)，將核設(shè)施劃分成材料平衡區(qū)，按材料分類進(jìn)行衡算，每個(gè)平衡區(qū)要有完整的賬目，實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的材料衡算；應(yīng)建立核材料實(shí)物盤存制度，按期進(jìn)行實(shí)物盤存，為保證盤存準(zhǔn)確可靠必須做到盤存中所有項(xiàng)目的核材料數(shù)量是測量值。實(shí)物盤存時(shí)，工藝流程要(盡可能)清空，材料要裝入容器并被測量，以及/或也對滯留殘損的材料加以測量。核材料衡算采用閉合平衡的方法，利用一個(gè)材料盤存期內(nèi)某個(gè)材料平衡區(qū)賬面盤存與實(shí)物盤存數(shù)值之差，對MUF進(jìn)行評估，計(jì)算方法為：MUF=期初存量+調(diào)入量-期末存量-調(diào)出量-已知損失量。

σMUF是以設(shè)施類型為前提限定的核材料數(shù)量測量值統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏差，它包含了測量不確定度和工藝流程特性不確定度，稱為核材料閉合平衡的總不確定度。工藝運(yùn)行正常的情況下，MUF值應(yīng)處于σMUF的限值范圍內(nèi)；MUF超出σMUF的限值范圍時(shí)為異常情況，應(yīng)開展調(diào)查活動；MUF大于2倍σMUF時(shí)，即認(rèn)為設(shè)施內(nèi)的核材料未達(dá)到閉合平衡。運(yùn)行異?；蛭催_(dá)到閉合平衡時(shí)，有可能存在丟失、盜竊或非法轉(zhuǎn)移等情況，對于乏燃料后處理設(shè)施，核材料閉合平衡的總不確定度應(yīng)為：σU=0.8%、σPu=1.0%[18]。

法規(guī)中實(shí)物盤存制度的基本要求為：每年至少進(jìn)行1次全面、嚴(yán)格的實(shí)物盤存；對239Pu、233U及235U豐度大于20%的濃縮鈾等材料，每年至少進(jìn)行2次實(shí)物盤存。應(yīng)及時(shí)進(jìn)行實(shí)物盤存的情況有：工藝流程轉(zhuǎn)入新的核材料品種生產(chǎn)前、實(shí)物存量與賬面存量之間出現(xiàn)顯著差異時(shí)、發(fā)生與核材料有關(guān)事故等異常事件時(shí)[19]。

3.2 近實(shí)時(shí)衡算在我國乏燃料后處理廠中的適用性

我國核設(shè)施運(yùn)行40多年來，正在經(jīng)歷從行政管理向法制化管理的轉(zhuǎn)變，核電發(fā)展十三五規(guī)劃中，后處理能力提升與核安保體系建設(shè)是重點(diǎn)工作方向。在核材料衡算方面，目前主要還是采用傳統(tǒng)的實(shí)物盤存進(jìn)行閉合平衡，難以滿足商業(yè)后處理廠連續(xù)高效運(yùn)行的趨勢需要。早期，我國核燃料后處理廠先后成功運(yùn)行了20種在線分析方法，設(shè)置了53個(gè)分析監(jiān)測點(diǎn)，可分析75個(gè)項(xiàng)目，部分工作實(shí)行了自動化[20]。根據(jù)機(jī)電控制、自動運(yùn)行、人工智能等科技的發(fā)展趨勢，以及國際上后處理工藝過程的監(jiān)視控制與測量研究和應(yīng)用現(xiàn)狀分析，在后處理設(shè)施中核材料管制和核材料衡算理論上可形成“在線近實(shí)時(shí)”技術(shù)能力。

根據(jù)工藝實(shí)際情況，加強(qiáng)近實(shí)時(shí)衡算理念前期設(shè)計(jì)，將流程和工序逐一細(xì)化為獨(dú)立的監(jiān)控單元，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建乏燃料后處理設(shè)施的近實(shí)時(shí)衡算系統(tǒng)，含設(shè)施運(yùn)行和驗(yàn)證模型、關(guān)鍵監(jiān)視及測量儀器和分析技術(shù)、信息上報(bào)和管理系統(tǒng)等多方面內(nèi)容。近實(shí)時(shí)衡算的工程實(shí)現(xiàn)則應(yīng)與乏燃料后處理設(shè)施主體設(shè)計(jì)建造同步開展，優(yōu)化整合工藝流程、輻射防護(hù)和臨界安全設(shè)備及信息，在軟硬件系統(tǒng)中集成可靠的仿真、模擬、測試、自控和測量分析與評估技術(shù)，切實(shí)保障乏燃料后處理設(shè)施運(yùn)行的安全性，提高設(shè)施運(yùn)行效能和產(chǎn)品質(zhì)量，落實(shí)核材料管制技術(shù)指標(biāo)。

4 結(jié)語

核材料近實(shí)時(shí)衡算及工藝過程監(jiān)控技術(shù)，是實(shí)施核材料管制和核安保監(jiān)管的先進(jìn)理念和技術(shù)手段，該系統(tǒng)可有機(jī)集成并多維度協(xié)調(diào)輻射防護(hù)、臨界安全、核材料衡算等技術(shù)，對保障核材料安全和國家安全具有重要的戰(zhàn)略價(jià)值。

核材料近實(shí)時(shí)衡算理念貫穿于乏燃料后處理設(shè)施的全壽命周期，在乏燃料后處理設(shè)施設(shè)計(jì)階段、運(yùn)行狀態(tài)、停車模式、事故狀態(tài)和退役階段，以核材料重要量為基本目標(biāo)，統(tǒng)籌幾十座建筑物，上百個(gè)熱室、手套箱、反應(yīng)器、料液槽的核材料在線監(jiān)控和運(yùn)行維護(hù)需求，通過設(shè)定相應(yīng)的關(guān)鍵測量點(diǎn)、在線監(jiān)控點(diǎn)和戰(zhàn)略觀察點(diǎn)，采用模型開發(fā)驗(yàn)證、分析方法優(yōu)化評估、信息系統(tǒng)整合技術(shù)，保證測量和監(jiān)視系統(tǒng)的靈敏度和可靠性。

在乏燃料后處理設(shè)施中實(shí)施在線監(jiān)控，可實(shí)現(xiàn)核材料近實(shí)時(shí)衡算，保障核材料和關(guān)鍵設(shè)備的安全，避免出現(xiàn)核材料丟失、非法轉(zhuǎn)讓、設(shè)備惡意破壞等情況，提高異常情況探查及時(shí)性；防范生產(chǎn)工藝和輔助設(shè)施中核材料滯留的風(fēng)險(xiǎn)，及時(shí)反饋工藝運(yùn)行狀態(tài)，為生產(chǎn)自動化提供先決條件，同時(shí)提高產(chǎn)品質(zhì)量、減少金屬流失、減少人力物力投資。

本文調(diào)查研究了在線監(jiān)控相關(guān)的國際經(jīng)驗(yàn)和工作實(shí)踐，從核材料近實(shí)時(shí)衡算的角度提出乏燃料后處理設(shè)施中開展流程監(jiān)控的工作思路和儀器設(shè)備的基本配置，通過工藝過程監(jiān)控關(guān)鍵技術(shù)研究建立核材料近實(shí)時(shí)衡算系統(tǒng)原型，并在工藝工程驗(yàn)證平臺上進(jìn)行測試和驗(yàn)證，為自主建設(shè)工業(yè)規(guī)模后處理廠奠定基礎(chǔ)，保障核設(shè)施核材料安全。