曾 珍，房永刚

（生态环境部核与辐射安全中心，北京 100082）

为促进节能减排、优化全球能源结构、实现绿色发展，核能发电作为实现低碳发电的重要方式受到广泛关注，同时被关注的还包括核电厂运行过程中存在的诸多安全隐患。核电厂运行过程中若发生核泄漏等重大事故，将严重危害公众健康，造成不可估量的损失。为严格落实核电厂运行过程中的安全管理，及时消除安全隐患以确保其稳定运行，需制定相关策略以确保核电厂防止放射性释放的三道屏障的结构完整性。反应堆压力容器（Reactor Pressure Vessel，RPV）作为三道屏障的组成部分，同时也是核电厂不可更换的关键核心设备，其结构完整性对核电厂安全运行具有非常重要的意义。

1 RPV辐照监督基础理论

RPV装载着堆芯核燃料，是包容放射性的第二道屏障，在设计上要保证高度的结构完整性［1］。目前，压水堆核电站RPV用钢主要有两种：Mn-Ni-Mo系低合金钢和Cr-Mo-V系低合金钢，化学成分详见表1［2］。Mn-Ni-Mo系和Cr-Mo-V系低合金钢具有韧脆转变温度（Ductile-Brittle Transition Temperature，DBTT），当温度低于韧脆转变温度时，压力容器的断裂方式由韧性断裂转变为脆性断裂，即出现低温脆性现象［3］。相关研究指出，RPV服役过程中，其性能受高温、高压及快中子辐照（E≥1 MeV）影响易产生辐照脆化，导致RPV材料的断裂韧性下降，压缩了RPV的压力-温度运行窗口，如图1所示［4-6］。为预防RPV性能下降造成结构完整性丧失而引发重大事故，各国建立辐照监督数据库，整合辐照监督试验数据、构建辐照脆化预测模型，预测压力容器寿期内运行状态。通过分析运行期间辐照监督数据，对照预测模型评估脆化程度、修订运行参数，实现对RPV结构完整性的监督。

图1 冲击功吸收能量-温度曲线示意图Fig.1 Schematic diagram of impact energy absorption-temperature curve

2 国外反应堆压力容器辐照监督数据库

核电厂在运行过程中，高温、高压及快中子辐照（E≥1 MeV）的工作环境使压力容器材料出现辐照脆化，从而破坏RPV结构完整性。大量研究表明，RPV材料辐照脆化的影响因素包括中子注量、合金成分、辐照温度、中子注量率、中子能谱、金属微观结构、冶炼和加工以及焊接等。其中，中子注量、合金成分（各国压力容器用钢合金成分见表1）和辐照温度。为了保证核电厂运行过程中RPV结构完整性，世界各国整合各自国家范围内商用堆、实验堆的辐照监督数据，应用于辐照脆化公式的开发及辐照脆化模型的构建。

表1 压力容器用钢合金成分Table 1 Chemical composition of pressure vessels

2.1 IAEA在20世纪末建立辐照监督数据库

国际原子能机构（International Atomic Energy Agency，IAEA）自20世纪60年代中期，通过顾问会议、专家会议和研讨会等形式开展了一系列中子辐照效应技术交流。70年代初，IAEA发起了关于RPV结构完整性的合作研究计划（Coordinated Research Program，CRP），见表2。该计划进行了RPV用钢的辐照脆化研究，并通过开展辐照试验获得了大量的辐照脆化数据。1993年，CRP建议IAEA建立反应堆压力容器材料国际数据库（International Database on Reactor Pressure Vessel Material，IDRPVM），并以此作为建立老化管理国际数据库的第一步。1996年，IAEA公布了 IDRPVM的测试版，该数据库主要为IAEA各成员国的研究提供可行的数据，以帮助各国核电厂更好地评估RPV辐照脆化状态。

表2 CRP计划各阶段研究工作Table 2 Research contents at all stages of CRP programme

2.2 美国辐照数据库较为完善

过去40年，美国收集和整理了大量商用堆和实验堆辐照监督数据，并建立了EDB、RVID和Eason等辐照监督数据库，用于辐照脆化预测模型开发和修正。EDB数据库是由美国橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Laboratory，ORNL）在收集与整理了美国商用堆和实验堆的辐照数据的基础上形成的，它包括商用堆RPV材料辐照脆化数据库（Power Reactor Embrittlement Data Base，PR-EDB）和实验堆材料辐照脆化数据库（Test Reactor Embrittlement Data Base，TR-EDB），如 表3 及 图2 所 示［7-9］。基于该数据库，美国NRC建立了RG1.99辐照脆化预测公式（第二版），并广泛用于美国RPV运行辐照脆化评估和运行压力-温度限值曲线制定。目前，由NRC资助ORNL维护整个EDB数据库。RVID数据库是NRC在对美国在役核电站辐照监督数据收集整理的基础上建立的。该数据库的建立主要是为响应NRC一般函告GL92-01要求，主要功能是利用辐照监督数据对美国核管会颁布的管理导则RG1.99（第二版）中相关的计算公式进行修正，以便更准确地预测寿期末RPV材料的辐照脆化性能，并将计算结果用来评估RPV运行的压力-温度限值曲线以及承压热冲击（Pressurized Thermal Shock，PTS）条件下RPV的结构完整性。Eason数据库是美国核工业界和NRC为研究辐照脆化机理、建立辐照脆化预测模型，共同收集数据并汇总形成的。美国电科院EPRI和材料试验协会ASTM分析了这个数据库，并基于此提出了一个更简便的辐照脆化预测模型，形成了ASTM E900-02标准。

表3 ORNL-EDB的辐照数据点［10］Table 3 ORNL-EDB irradiation data points

图2 第三版PR-EDB软件界面示例Fig.3 Example of PR-EDB third edition software interface

2.3 法国基于本国数据建立辐照监督数据库

法国核电厂在设计阶段采用了RCC-M规范，其辐照脆化预测采用了美国RG1.99 （第一版）模型。随着核电发展的需要，法国基于本国辐照监督数据库开发了FIS预测模型，该模型被RSEM标准采纳并用于运行核电厂的RPV安全评估。为了满足长寿期运行要求，法国利用6 个CPO和26个CPY机组的辐照监督数据，以及实验堆数据，对FIS模型重新进行了评估，并对一些参数进行了调整。法国电力公司（EDF）基于 RPV 设备的老化管理需求，收集了大量商用堆辐照监督管数据，并建立了辐照脆化数据库 SURF。该数据库主要用于修正辐照脆化预测模型和中子注量与损伤关系。

2.4 俄、日等国均拥有辐照监督数据库

俄罗斯在标准 PNAE G-7-002-86《核动力装置设备和管道强度计算规范》中给出了关于WWER 机组 RPV 材料辐照脆化的计算方法，并根据有无实验堆辐照数据给出了两种计算模型。近年来，随着 WWER 机组辐照监督数据的不断积累，俄罗斯康采恩集团根据收集到的辐照监督数据制定了标准RD EO 1.1.2.99.0920—2014，其中给出了新的辐照脆化预测模型，并实现了WWER-1000机组的延寿。日本辐照监督标准为JEAC-4201，其中辐照脆化模型是对1990年以前压水堆压力容器辐照监督数据进行分析拟合获得的。JEAC-4201（2007年版）基于日本电力工业中央研究院（CRIEPI）的辐照监督数据库研究结果，修改了辐照脆化预测模型。

3 我国辐照监督数据库现状

我国开展了少量关于压力容器辐照脆化预测的研究工作。例如，核动力研究院使用中子辐照实验反应器在高温下对商用RPV钢进行中子辐照实验，中国原子能科学研究院、苏州热工院等单位结合实验数据、辐照监督数据等拟合了若干压力容器辐照脆化预测公式。但是，以上研究工作采用的数据主要来自加速实验或各自收集的有限辐照监督数据。由于各核电厂和各自技术支持机构的辐照监督数据未经过有效整合，所以建立的数据库存在局限性，缺乏权威及代表性。而国外的辐照监督数据库由于使用了高Cu、P含量RPV钢和实验堆数据等原因，其辐照预测模型对我国核电机组辐照脆化监督并不完全适用，这对我国核电自主化设计、机组长寿期运行以及核电出口有较大影响。

随着我国核电机组数量的增加、运行时间的累积，压力容器辐照监督数据也在不断增多，已基本具备建立适合我国压力容器材料辐照监督数据库的条件。因此，我国需尽快整合国内各核电厂辐照监督数据，通过建立通用的辐照监督数据库为构建统一辐照脆化监督模型以及运行过程中的监管等工作奠定基础。

目前，建立辐照数据库主要面临如下困难。

（1）辐照数据整合壁垒严重。我国目前缺乏辐照监督数据提交的监管要求，只是在十年定期安全审查时提交数据处理结论。因此，国内RPV辐照监督数据主要分散掌握在核电厂和相关科研机构手中。由于辐照监督数据获取技术复杂、辐照周期长、成本高等原因，导致核电厂和相关科研机构不愿公开辐照监督数据，而行业内的数据不共享导致我国辐照监督数据库的建立长期处于停滞状态。

（2）数据库运维管理技术需同步提升。除辐照监督数据收集方面的困难外，甄别辐照监督数据的有效性以及数据处理也存在一定技术难度。同时，数据库的维护和更新也需要专业的机构支持。

（3）辐照脆化预测模型匹配性不足。我国核电起步较晚，商用堆主要引进了法国、美国、俄罗斯等国家的压水堆堆型，RPV辐照脆化预测和评估基本参考引进国外辐照脆化预测模型和公式。国内RPV制造大量采用国产低Cu、P含量的现代钢材料，辐照环境与材料因素均与国外辐照监督数据库材料有所差别。这导致利用国外的辐照脆化预测模型无法可靠地评估我国RPV材料辐照脆化情况，从而造成RPV运行的安全隐患或过分保守，并进而影响了机组运行的安全性和经济性。

4 建议

随着我国核电机组运行时间的积累，反应堆压力容器辐照监督材料试验数据逐渐增多，我国已基本具备建立独立的辐照监督数据库的基础。本文结合国外RPV辐照监督数据库和辐照脆化预测模型构建详情，根据我国实际情况提出以下建议：

（1）建立国家层面辐照监督数据库。依据HAF-102《核动力厂设计安全规定》法规要求，由监管机构出台相应的技术政策和细则，全面整合我国核电厂已提取的RPV材料辐照监督数据，建立我国自主的核电行业通用辐照监督数据库。

（2）建立统一的辐照监督脆化模型。基于辐照监督数据库的丰富数据积累和统计分析，借助现代化的高分辨率透射电镜、三维原子探针、计算机模拟技术等深入理解辐照损伤机理，考虑更多的辐照脆化影响因素，并精确地区分这些因素的重要程度，建立我国自主的RPV材料辐照脆化预测模型。

（3）搭建辐照监督国际交流平台。RPV 辐照监督数据库是全世界各国核电站的辐照监督数据的有效收集和整合处理，RPV辐照脆化预测模型的发展离不开国际核电信息的充分互通。所以，我国应建立以辐照监督数据库为基础的RPV辐照脆化国际数据交流平台，实现国内和国外监管机构数据信息交流，展现我国透明核安全文化，发挥核电大国担当。