聚变堆的核安全分析

刘 伟，钱天林

(中国核工业集团有限公司，北京 100037)

核科学技术是人类20世纪最伟大的科技成就之一，以核电为主要标志的和平利用核能，在保障能源供应、促进经济发展、应对气候变化、造福国计民生等方面发挥了不可替代的作用[1]。1983年6月，国务院科技领导小组主持召开专家论证会，提出了中国核能发展“三步(压水堆—快堆—聚变堆)走”的战略；在《国家能源发展“十二五”规划》中，提出了安全高效发展核电的主要任务，继续明确了坚持热堆、快堆、聚变堆“三步走”的技术路线[2]。

聚变能作为核能发展和应用的终极目标，将在未来世界能源、科技版图中占据核心位置。我国在裂变堆核能领域起步虽然晚于西方主要国家，但经过几代核工业人的努力，已经取得了世界瞩目的成绩，自主三代核电“华龙一号”的成功设计与建设更将我国推向了世界核电强国的行列。与裂变堆领域的追赶者角色不同，在聚变堆领域，虽然国际上已经有我国作为重要参与方的ITER在开展建设，但我国有望凭借完善核工业体系、完整的聚变与裂变能源研发人才队伍、坚定的能源发展政策和三十多年来的不断探索而取得的后发优势，成为国际聚变能源发展领域的领跑者。

作为ITER计划与商用聚变堆之间的重要一步，中国聚变工程实验堆(CFETR)于2017年底启动工程设计研究[3]。不同于ITER计划先期重物理和工程设计、轻核安全考虑的情况，CFETR自设计之初便将核安全作为必须考虑和开展前期设计评估的重要内容，并已开展了系统的研究。根据当前CFETR核安全的研究情况，未来我国聚变堆发展的核安全是有保障的。本文重点就我国的磁约束核聚变工程试验堆CFETR的研究情况进行讨论。

1 聚变堆的安全特点

对于裂变堆核电厂而言，其基本安全目标为：在核动力厂中建立并保持对放射性危害的有效防御，以保护人与环境免受放射性危害[4]。为了实现基本安全目标，在裂变堆的设计中，必须保证在核动力厂所有状态下实现基本安全功能：1)控制反应性；2)排出堆芯余热，导出乏燃料贮存设施所贮存燃料的热量；3)包容放射性物质、屏蔽辐射、控制放射性的计划排放，以及限制事故的放射性释放[4]。

对于聚变堆而言，其基本安全目标与传统的裂变堆核电厂是相同的，即“建立并保持对放射性危害的有效防御，以保护人与环境免受放射性危害”。但从物理本质的角度而言，为了实现上述的安全目标，聚变堆的基本安全功能却与裂变堆有着明显不同，需要关注的重点变成了“包容放射性物质、屏蔽辐射、控制放射性的计划排放，以及限制事故的放射性释放”。

1.1 聚变堆的固有安全性

裂变堆的3个基本安全功能紧密围绕着裂变堆的物理特点，即紧急情况下控制反应性实现安全热停堆，将余热排出防止衰变热导致堆芯不良状态出现，将反应堆内产生的放射性物质包容、控制起来以防止或限制事故情况下对环境的释放并有效控制运行状态下的受控释放。

相对于裂变堆，聚变堆的物理本质决定其在安全角度与聚变堆存在非常大的不同。

首先，实现聚变反应的条件十分苛刻，需要足够高的等离子体温度、密度，并维持一定的反应时间，即由劳逊在1955年提出的“聚变三重积”，过去60余年的聚变理论和实验研究一直致力于提高等离子体的聚变三重积，从而从理论上实现可控的核聚变[5]。这一点正是聚变堆与裂变堆的本质差别，即聚变反应的实现必须通过大量精密的电、磁、压力、温度等控制方能实现，一旦某一条件不满足便导致聚变反应停止(即托卡马克型聚变堆的等离子体熄灭)，这一特点使得聚变堆不会因失去控制而出现超临界的工况。

其次，聚变堆运行过程中，其聚变燃料以等离子体形态在“反应容器”—真空室内进行反应，聚变燃烧的产物实时地从真空室中导出，真空室内不像裂变堆时刻存在着大量的核燃料，与此同时，由于没有“乏燃料”的产生，仅仅部分在堆结构材料内的短寿命活化产物的衰变热非常低，不会对安全产生影响，更不会(本身也没有)由于衰变热而使得乏燃料等放射性物质从堆内释放。

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再者，现阶段聚变堆的燃料主要为氘—氚，其反应产物为氦，未来随着技术的进步将可能实现氘—氘、氘—氦、氦-氦等反应[5]，无论采用何种聚变反应，其相较于裂变能的一个突出特点是核反应产物没有长寿命核素，仅有部分活化产生的产物，这是聚变堆的核心优势之一。因此，从实现基本安全目标的角度而言，聚变堆最主要的关注点在这些聚变燃料(氚)和活化放射性物质的包容上，这一点与裂变堆的基本安全功能有一定相似性。

1.2 聚变堆的核安全关注点

聚变堆作为一种全新类型的核设施，核安全的要求需要根据其设施特点来具体确定。通过上述的分析可知，聚变堆的核安全核心关注点在放射性物质的包容这一功能实现上。在基本安全功能实现的同时，新型核设施的研发还必须从整体框架上进行全盘的构思，并对重点的安全考虑内容进行逐步深入的研究。

在总体的安全相关要求方面，由于现有的核安全法规体系基于裂变堆体系建立，需要总结已有经验的基础上，建设一套适合于聚变堆发展的核安全法规。在建立法规体系的同时，也要考虑聚变堆的独特特点，建立起安全要求体系，根据聚变堆的安全目标与安全功能，建立起对应的安全要求体系。

在放射性物质的包容控制方面，首先需要开展全范围的源项和风险分析、事故安全分析和评价，尤其是氚源项和活化源项的分析计算与事故释放的计算，在此基础上，进行安全保护系统的设计，确保这些分析和评价得出的结果可以在设计上得到落实和保障。

经过理论设计和工程设计后，在进入到工程阶段的过程中，需要重点落实执照申请过程中的核安全关注点，包括环境影响、厂址选择等，需要结合具体的设计进行评价，或者根据现有国内限制性的法规标准对设计进行反馈。

除了上述与核安全直接相关的系统设计、分析计算、总体要求等方面外，对于与放射性物质包容和处理相关的热室、放废、布置、建筑结构等各方面均要从核安全和辐射安全的角度出发来进行综合考虑，落实到设计中。

上述的核安全相关考虑为聚变堆与裂变堆的差别以及其独特特点所关注的主要方面，在具体的设计和项目落实过程中，我国的CFETR工程设计研究过程中已经进行了大量的研究工作，并且取得了诸多成果。

2 CFETR核安全研究

作为主要的科学目标和关键的研究内容，核安全一直贯穿于CFETR的设计研究工作中。从CFETR的概念设计开始启动之初便开始考虑核安全相关问题，到目前正在开展的工程设计研究中的全面展开，CFETR的核安全研究工作从整体到细节开展了一系列核安全体系研究工作，并取得了诸多进展。

2.1 CFETR核安全体系框架构建

作为国内第一个聚变堆核设施，CFETR安全设计及安全分析工作积累的方法和经验为未来商用聚变堆安全评价及许可证申请提供支持。目前国内核安全法律法规体系中关于聚变堆方面的要求并不完善，通过CFETR安全设计及安全评价中总结的经验，可以为未来进一步立法工作提供支持。

CFETR核安全体系研究课题组从我国核安全的审管和实践要求、ITER和国际对聚变堆的核安全要求进展和实践出发，通过对裂变与聚变的全面总结分析，针对CFETR的特点，制定了CFETR的顶层核安全法规体系与安全要求分别见图1和图2。目前，聚变堆在设计、建造和运行等方面还缺乏完善的法规与核安全体系，通过本项工作的开展提出了CFETR适用的我国核安全法规体系与CFETR安全要求，为后续CFETR在核安全方面开展工作确定了顶层要求。

图1 CFETR核安全法规体系Fig.1 Nuclear safety legal system of CFETR

图2 CFETR核安全要求框架Fig.2 Nuclear safety requirements of CFETR

2.2 CFETR核安全设计理念

经过对聚变堆多年的研究表明，聚变堆在核安全方面具有显著的优势，而这些优势需要通过具体分析论证。CFETR作为一个大型的核设施必须经过核安全审评、立项等流程，但是在审查标准方面需要按照聚变堆的安全特点开展，而不能按照传统裂变堆的方式来进行要求，在图1和图2的研究过程中，均充分的考虑了聚变堆的这些安全特点。

在设计上，聚变的核安全本质需要通过定量的方式来进行明确的表达，需要通过源项的定量化分析、事故的分析与评估、环境影响的评价等过程来给出答案。通过这些定量化的评估结果，将可以很好地打消各界对于聚变堆在安全方面的顾虑，为核能行业迈入新时代奠定良好的科技基础和社会环境。

正是基于上述的考虑，在CFETR的核安全体系研究课题设置中，按照从顶层法规核安全到底层的源项和事故分析与环境影响评价等支撑性研究，再加上具体相关系统的安全设计，来给出CFETR的总体核安全全貌。

2.3 CFETR核安全研究进展

源项、风险与事故研究方面，对CFETR放射性源项、内外部风险进行了全面分析。根据CFETR的具体模型全面分析了CFETR主机部件源项、氚输运过程、氚滞留、包层氚源项和氚渗透量等，初步估算了CFETR主机厂房的氚浓度分布，图3为CFETR主要放射性源项位置及来源初步分析示意图；此外，充分结合国内外核电站事故工况分类方法，将CFETR核安全工况分为四类，对主要系统事故初始事件进行了归纳，总结出了36项设计基准事故，梳理了设计基准事故分析中可能用到的安全相关保护系统和设备，初步分析了不同类事故的参考事故序列和验收准则，并选取典型事故进行了初步分析，给出了对应的源项与事故后果，如表1所示。

表1 CFETR部分系统事故初始事件初步分析Table 1 Preliminary analysis for the initial eventsof some system accidents in CFETR

在具体的安全设计方面，结合ITER和国内核安全法规的要求，完成了CFETR安全保护系统设计要求，并提出了CFETR的基本安全功能、聚变堆安全保护系统的设计流程、聚变堆的安全防御层次，初步制定了CFETR的部件安全重要性分级。图4为 CFETR厂区主要建筑物辐射分区初步规划。为了保障未来CFETR的可用性与可靠性，采用RAMI分析方法，结合CFETR的顶层目标要求，给出了CFETR的运行计划、整体固有可用性要求、各系统可用性要求以及具体系统的RAMI全流程分析。

图3 CFETR主要放射性源项位置及来源初步分析Fig.3 Preliminary analysis for the location and sources of the main radioactive source terms

在正常运行和事故工况下的环境影响方面，结合我国的厂址环境条件和CFETR的具体设计，开展了CFETR氚排放量的控制研究工作，并给出了CFETR运行状态下剂量约束值0.1 mSv/a以及在正常和大修年份优化剂量目标值10 μSv/a和30 μSv/a的建议，并据此开展了CFETR运行状态氚排放量的计算工作；在事故环境影响方面，已开展的事故分析表明目前分析的设计基准事故工况下的公众辐射剂量后果均可以满足10mSv/次剂量限值要求，而目前根据CFETR系统内氚量给出的选址假想事故的评估结果也可以满足技术上无须场外应急。

除了上述直接与核安全相关的研究与设计内容外，本阶段的CFETR工程设计研究还开展了总体布置、热室设计、厂址要求、退役方法、放废管理、厂房结构等与核安全相关的研究工作，并将核安全的理念在这些重要设计中进行了贯彻。

经过本阶段的研究表明，聚变堆由于其特有的安全性，在核安全方面相较于裂变堆具有优势，在解决好放射性物质包容这一设计的基础上，未来聚变堆的核安全是有保障的。

3 结论与展望

聚变堆特有的安全特性使得其在核安全方面具有先天的优势，利用好这一优势将可使得未来聚变能以及核能的发展更加顺利。现阶段已开展的CFETR核安全研究相关工作表明，我国发展CFETR在核安全方面是乐观的，未来的聚变堆核安全是有保障的。

在看到优势的同时，对CFETR的系列研究也应该使人们认识到未来聚变堆的工程化的过程中，在核与辐射方面可能会存在的一些潜在困难：1)聚变堆高中子能量和通量的特点使得活化产物很多，虽然这些活化产物半衰期较短，但废物的放射性水平较高，体积量也十分大，需要后续关注；2)氚的渗透性相对较大，对于氚的防护还需要通过更多的技术手段来进一步加强；3)后续的核安全审评工作当前没有法规标准可依，后续项目的推进过程中对于核与辐射安全的审评将会较为复杂且漫长。总体而言，虽然存在一些困难，但是在核与辐射安全方面，聚变堆的未来是充满光明的。