# 中文标题 RCC-MRx入口键方法在HCCP TBM组件结构设计中的应用研究

《Fusion Engineering and Design》：Application of the RCC-MRx entrance key to the structural design of HCCP TBM-set components

　　

# 论文摘要翻译

国际热核聚变实验堆（ITER）旨在论证聚变能的科学和技术可行性，并为未来的示范堆提供工程数据。其中，测试包层模块（TBM）项目旨在在代表性的聚变中子与等离子体加载条件下，验证氚增殖、排热和结构技术。氦冷陶瓷球床（HCCP）TBM套件是韩欧合作的概念，主要包括面向等离子体的TBM盒体、机械连接件和后置TBM屏蔽体。ITER作为法国基本核设施（INB）运行，因此TBM套件除适用的机械设计规范外，还必须满足欧洲压力设备指令（PED）以及（当满足核压力设备范围时）法国核压力设备（ESPN）的要求。这些框架产生的分类结果并不相同：PED分类确定了普通压力设备类别和符合性评估路线；ESPN确定了核压力设备的范围、等级和监管监督；而RCC-MRx提供了针对等级和部件的设计、材料、制造、检验和试验的技术规则。RCC-MRx由AFCEN制定，适用于核设施机械部件，包括在高温、辐照、循环载荷以及压力、热、电磁和机械载荷复杂组合下运行的研究堆和聚变堆。其入口键（Entrance Key）提供了进入适用规范条款的结构化路径。其中两个决策尤为重要：建造等级（Construction Class）选择特定等级的副卷，而独立确定的部件类型（Component Type）则选择该副卷内相应的部件特定章节。然而，已发表的文献鲜有展示非标准聚变部件如何将监管分类、设备规范（Equipment Specification）、建造等级和部件类型进行分离并重新组合。本研究开发了一种可追溯的RCC-MRx入口键方法学，并将其应用于HCCP TBM盒体和TBM屏蔽体。主要贡献不在于单独对这两个部件进行分类，而在于建立了一套可复现的程序，该程序将非标准聚变部件的监管分类、建造等级选择和部件类型确定进行分离。该程序还为记录替代路径、条款适用性以及后续监管变更提供了结构化基础，而无需自动改变底层的RCC-MRx工程路径。在当前设计假设下，两个部件均具有普通PED IV类基线。TBM盒体在完成活化颗粒物评估之前暂定为ESPN范围外，而TBM屏蔽体则被赋予ESPN N2级设计阶段基准，有待进一步的边界特定源项评估。两个部件均提出采用N2Rx作为项目建造等级，从而进入RC副卷。根据其主导机械功能和规范适用性，热交换器（Heat Exchanger）被确定为TBM盒体的最佳适配部件类型，而盒式结构（Box Structure）则被确定为TBM屏蔽体的最佳适配部件类型。在部件边界、功能、载荷和服务条件保持不变的前提下，这些工程路径可在ESPN评估细化过程中予以保留。

# 论文解读文章

## 1. 研究背景与问题

国际热核聚变实验堆（ITER）旨在论证聚变能的科学与技术可行性，并为未来示范聚变堆提供工程数据。在ITER的在真空室内实验系统中，测试包层模块（TBM）项目致力于在代表性的聚变中子与等离子体加载条件下验证氚增殖、排热和结构技术，其结果将为尚无全尺寸运行先例的未来聚变包层提供关键设计信息。氦冷陶瓷球床（HCCP）TBM套件是韩国与欧洲的协作概念，结合了韩国氦冷陶瓷包层开发线与欧洲氦冷球床技术，主要由面向等离子体的TBM盒体、机械连接件和后置TBM屏蔽体构成。TBM盒体通过内部冷却结构壁实现氚增殖和排热，而TBM屏蔽体提供机械支撑和辐射屏蔽并将载荷传递至TBM框架结构。这些组件尽管作为一个集成套件运行，但在主导机械功能、结构构型、材料、温度区间、压力流体和项目安全分级方面各不相同。

ITER作为法国基本核设施运行，因此TBM套件必须同时满足欧洲压力设备指令（PED）和（在满足核压力设备范围时）法国核压力设备（ESPN）要求以及适用的机械设计规范。然而，这些框架产生的分类结果并不一致：PED分类确定普通压力设备类别和符合性评估路线；ESPN确定核压力设备范围、等级和监管监督；RCC-MRx则提供针对等级和部件的设计、材料、制造、检验和试验技术规则。RCC-MRx的入口键提供了进入适用规范条款的结构化路径，其中建造等级选择和部件类型确定是两个关键决策。但在实际应用中，已发表的文献很少展示非标准聚变部件如何将监管分类、设备规范、建造等级和部件类型进行分离后再重新组合。因此，建立一套可追溯且可复现的RCC-MRx入口键方法学具有重要的工程实践意义。

## 2. 研究人员开展的研究及其结论

研究人员针对HCCP TBM盒体和TBM屏蔽体，系统开发并示范了RCC-MRx入口键方法学。该方法学包括以下步骤：（i）定义部件和压力边界；（ii）整合设计、安全和运行输入；（iii）执行普通PED分类和分区解析的ESPN源项评估；（iv）区分监管结果与项目选定的RCC-MRx建造等级；（v）根据主导机械功能和构型确定部件类型及相应的设计章节。该研究的核心贡献不在于单独对两个部件进行分类，而是建立了一套可复现的程序，将非标准聚变部件的监管分类、建造等级选择和部件类型确定明确分离，为记录替代路径和后续监管变更提供了结构化基础。

研究的主要结论包括：在当前设计假设下，TBM盒体氦冷却剂边界和TBM屏蔽体水边界的P?V值分别将其置于PED IV类；TBM盒体的量化氚源项低于ESPN范围阈值，暂定为ESPN范围外，而TBM屏蔽体基于1?N源项评估支持ESPN N2级设计阶段基准；两个部件均提出采用N2Rx建造等级进入RC副卷；热交换器被确定为TBM盒体的最佳适配部件类型，盒式结构则被确定为TBM屏蔽体的最佳适配部件类型。

## 3. 关键技术与方法

研究人员采用了以下主要关键技术方法：RCC-MRx入口键六键分析框架（RDG 4000），包括组件族识别、建造等级确定、部件类型选择、目录状态确认、法国压力设备条款识别和适用规则整合；基于ESPN第2条的潜在释放活度计算公式进行源项评估；PED附件II分类图表的应用；以及基于八项显式标准（主导机械功能、承压角色、结构构型、载荷传递路径、服役与蠕变状态、主导损伤模式、制造检验条款适用性、部件特定试验要求适用性）的候选部件类型比较筛选方法。研究使用的样本队列来源为ITER equatorial port 中安装的HCCP TBM套件设计数据。

## 4. 研究结果

### 4.1 RCC-MRx与监管框架

RCC-MRx包含三个主要部分，其中第三部分为核设施机械部件提供规则，B、C、D副卷分别适用于N1Rx、N2Rx和N3Rx等级。PED和ESPN建立监管状态和符合性评估路线，而RCC-MRx提供材料和结构设计等技术规则。监管分类约束了允许的RCC-MRx建造等级范围，但不会自动决定项目等级。

### 4.2 PED和ESPN监管分类

TBM盒体氦冷却剂边界（P?=9 MPa，V≈0.15 m3）的P?V=1.35×10? bar·L，位于PED IV类；TBM屏蔽体水边界（P?=5 MPa，V≈0.83 m3）的P?V=4.15×10? bar·L，同样位于PED IV类。ESPN评估中，TBM盒体氚源项（约3.6–36 MBq加权活度）低于370 MBq范围阈值，但活化颗粒物评估未完成，因此结果暂定；TBM屏蔽体基于1?N浓度（约10? GBq·m?3）计算得到约8×102 GBq，超过370 GBq阈值，支持ESPN N2级。

### 4.3 入口键确定

#### 4.3.1 TBM盒体

TBM盒体在键1被归入核反应堆及其辅助系统组件族。键2中，PED IV类基线允许N1Rx/N2Rx/N3Rx，基于辐照环境、高温服役和循环热机械载荷等因素提出N2Rx建造等级，进入RC副卷。键3中，研究人员评估了容器、盒式结构和热交换器三种候选类型：容器类型仅表征承压功能，盒式结构因显著蠕变条件超出其适用温度范围被排除，热交换器因其整体式承压-传热功能被确定为最佳适配类型。键6确定TBM盒体为N2Rx组件，由RC副卷管辖，以热交换器为最佳适配部件类型。

#### 4.3.2 TBM屏蔽体

TBM屏蔽体在键1同样归入核反应堆及其辅助系统组件族。键2中，基于ESPN N2级设计阶段基础和SIC-1项目安全分级，提出N2Rx建造等级，进入RC副卷。键3中，容器类型仅表征水边界承压，热交换器类型过度强调了次要的冷却功能，而盒式结构最直接地表征了其焊接板-舱室构型下的结构支撑、载荷传递和承压行为，因此被确定为最佳适配部件类型。

### 4.4 工程影响

ESPN等级与RCC-MRx建造等级和部件类型功能互补但相互独立。ESPN等级变更不会自动要求更改建造等级或部件类型，但会影响材料采购要求、焊接资质、制造控制、检验覆盖范围、符合性评估和文档管理。研究建议将可检验性、泄漏试验可及性和可维护性作为设计输入而非制造后需要解决的问题，并强调早期应用入口键有助于降低后期重新设计、重新鉴定和制造/检验计划变更的风险。

## 5. 总结与结论

本研究通过分别确定HCCP TBM盒体和TBM屏蔽体的PED/ESPN监管状态、RCC-MRx建造等级和部件类型，建立了可追溯的入口键应用方法学。在当前设计假设下，两个组件均具有普通PED IV类基线；TBM盒体在完成活化颗粒物评估前暂定为ESPN范围外，而TBM屏蔽体采用ESPN N2级设计阶段基准。两个组件均提出N2Rx建造等级并进入RC副卷，但根据各自的主导机械功能分别确定为热交换器（TBM盒体）和盒式结构（TBM屏蔽体）部件类型。同一建造等级和副卷的归属并不会产生相同的部件特定设计、制造、检验、试验和鉴定要求。ESPN等级的变化不会自动改变所选建造等级或部件类型，但可能影响材料要求、焊接资质、制造控制、检验覆盖范围、符合性评估和文档管理。早期应用入口键方法有助于降低后期重新设计、重新鉴定及制造或检验计划变更的风险。