國內外聚變核安全監管與許可初步分析研究

王海霞，陳志斌，李亞洲，沈欣媛，蔣潔瓊，胡麗琴，郁 杰，吳宜燦，FDS團隊

(中國科學院核能安全技術研究所，中子輸運理論與輻射安全重點實驗室，安徽 合肥，230032)

國內外聚變核安全監管與許可初步分析研究

王海霞，陳志斌，李亞洲，沈欣媛，蔣潔瓊，胡麗琴，郁 杰，吳宜燦，FDS團隊

(中國科學院核能安全技術研究所，中子輸運理論與輻射安全重點實驗室，安徽 合肥，230032)

中國政府高度重視聚變發展，安全是聚變能發展的生命線，而核安全監管和相關許可制度是確保聚變能安全發展的必要手段。聚變堆具有其獨特的安全特性，無法完全照搬目前基于裂變堆建立起來的法律法規等監管制度。本文初步梳理了國際(含ITER、國際原子能機構、國際能源署、歐盟、美國、韓國等)關于聚變核安全監管和許可的研究進展和相關經驗，總結了我國目前在聚變核安全監管與許可方面的現狀與存在的問題，為我國聚變核安全監管提出了發展建議。

聚變核安全；監管；許可

世界經濟快速發展，能源需求不斷提高。核聚變能是目前認識到的最終解決人類能源問題的最重要的途徑之一。

經過近60年的長足努力，國際聚變研究已經取得長足發展，由歐盟、中、日、俄、美、韓、印七方參與的國際熱核聚變實驗堆(ITER)計劃，已經進入建設階段。中國政府一直高度重視聚變發展，2006年加入ITER計劃，2008年啟動了國家磁約束核聚變能發展研究專項，并將未來聚變堆的設計研發列入了國家中長期科技規劃[1]。

安全是聚變能發展的生命線，而核安全監管和相關許可制度是確保聚變能安全發展的必要手段。聚變堆獨特的安全特性使其無法完全照搬目前基于裂變堆建立起來的成熟的監管體系和許可技術。國際上很多國家和部門開展了針對性研究和相關實踐。

本文初步梳理了國內外關于聚變核安全監管和許可的相關研究進展與現狀，為我國聚變核安全監管提供參考和借鑒。

1 國際聚變監管研究進展和現狀

1.1 國際熱核聚變實驗堆(ITER)計劃

國際熱核聚變實驗堆(ITER)計劃是目前全球規模最大、影響最深遠的國際科研合作項目之一，計劃建造、運行一個可持續燃燒的托卡馬克型聚變實驗堆，俗稱“人造太陽”，以驗證聚變反應堆的工程技術可行性。其建造大約需要10年，耗資50億美元(1998年值)。2005年6月28日，參與實驗項目的中國、俄羅斯、歐盟、韓國、美國、日本在俄羅斯莫斯科最終簽訂協議，決定在法國南部卡達拉舍(Cadarache)建造實驗反應堆。2012年11月10日ITER通過建造許可證審批，目前正在開始緊張的工程建造。

安全是ITER的頭等大事，涉及項目的安全、現場工作人員的安全和當地居民和環境的安全[2]。早在1995年，制定了ITER安全與環境設計標準(GSEDC)，給出聯合中心團隊(JCT)通用的最高級安全設計目標、準則以及ITER標準來確保裝置整個壽期中安全運行，最小化災難和風險，從而保護現場工作人員、公眾和環境。

在整個項目的設計和建造階段采用的是法國核能監管規定。按照法國核安全監管機構ASN要求，ITER為基礎核設施(INB)。法國關于大氣污染和氣味防治的1961年8月2日61-482號法規定，國家法令委員會對核設施的建設、運行和監管作出規定，將核設施依據技術標準劃分為三類，即基礎核設施(INB)、秘密基礎核設施(INBS)和環境保護類核設施(ICPE)。基礎核裝置指核反應堆、核燃料、放射性廢物處置相關設施，以及包含放射性、可裂變物質或粒子加速器的裝置。

核安全監管框架如圖1，2006年6月13日法國議會通過的核透明和安全法(TSN)關于基本核裝置安全進行了深入改革，成立了作為獨立行政機構的法國核安全監管機構ASN，參與核安全和輻射防護監督，并告知公眾相關信息。Decree No.2007-1557 dated 02 November 2007法令，關于基礎核裝置的核安全監管、放射性物質的運輸。INB order of 7thFebruary 2012主要針對的對象為基礎核設施許可證持有者(ITER組織ITER Organization為ITER的運營者)，關于安全管理、公開信息、事故風險控制、控制健康和環境影響、廢物管理和應急情況等議題，規定了適用于所有基礎核設施的通用規則和必要要求。

ITER的監管流程始于2002年，2008年1月向法國ASN提交了文件，申請授權建設ITER裝置，含項目資料、環境文件和環境許可證請求、初步安分報告(PRrS)。ASN于2008年7月返回問題和修改意見。ITER在2009年更新初步安分報告和回答ASN問題，并在2010年3月份向ASN重新提交了安分報告(含更多解釋性信息和更新的設計數據)。在不斷的討論和更新后，2010年12月ITER通過了ASN審核，進入法國當局技術審核并進行公眾調查。

圖1 核安全監管框架[3]Fig.1 Nuclear safety Regulatory framework

作為世界范圍內首個電站規模的聚變實驗反應堆，ITER許可證申請過程不僅是法國也是世界范圍內依據核安全法律法規體系對于聚變進行審查的首次嘗試。

1.2 國際原子能機構(IAEA)

國際原子能機構(IAEA)是國際原子能領域的政府間科學技術合作組織，同時兼管地區原子安全及測量檢查。國際原子能機構的職能是與聯合國的主管機關和有關的專門機構協商并酌情合作，制定保護健康、盡量減少生命和財產危險的安全標準(包括對勞工條件的此類標準)；規定這些標準對原子能機構本身運作的適用范圍以及對于使用由原子能機構、應其請求或在其控制或監管之下提供的材料、勞務、設備、設施和信息的動作的適用范圍；并規定這些標準應締約各方的請求適用于任何雙邊或多邊安排之下的動作的范圍或應某一國的請求適用于該國在原子能領域中的任何活動的范圍。

自1973年以來，聚變安全一直是IAEA安全工作議程中的一個特殊項目[4]，IAEA組織了幾次聚變安全技術系列會議，會議主要議題含：聚變堆特殊的運行安全方法(FOS)、聚變安全和驗證計算程序(CFS)、職業安全及放射性監測(OSR)，事故分析(AA)、退役及廢物(DW)、氚安全和貯量(TSI)、安全的社會經濟性(SES)、聚變堆許可基礎與要求(FRL)，會議中討論進展、研究需求以及未來計劃。

在國際聚變研究委員會(IFRC)的指導下，IAEA開展了一系列旨在推進國際合作和幫助提高聚變動力安全性和環境優勢方面的活動，其中包括支助ITER項目。1995年IAEA出版了一本有關慣性聚變反應堆安全性的文集。

IAEA在輻射安全領域里的很多工作與聚變安全相關，涉及設計輻射防護的安全標準、放射性材料的安全運輸和放射性廢物管理、氚安全處理導則以及限值向環境釋放放射性等課題。2007年公布了針對新堆的技術報告IAEA-TECDOC-1570 Proposal for a Technology-Neutral Safety Approach for New Reactor Designs[5]。報告的初衷是因為許多國家都在積極發展核能項目，先進反應堆概念具有不同的設計方法、技術和安全特性，如果完全照搬目前主要基于水堆發展起來的安全要求，有時需要進行大量的解釋或修改。報告目的是提供與堆型無關、技術中立的安全方法來指導新堆的設計、安全評估和許可。針對現有的設計和許可規則(針對水堆)，報告提出了一些需要改變和發展的關鍵領域，如定量的安全目標取代定性的安全目標、加強縱深防御(DiD)、加強縱深防御等級與定量化安全目標之間的關系、進一步發展概率安全分析(PSA)等。報告主要是確定工作的領域和流程，而不給出具體的需要進一步研究發展或修改的東西，如本報告建議給出定量的安全目標，但不會建立具體的安全目標值。由于其安全方法與堆型無關，所以其未來可推廣應用于聚變堆。

1.3 國際能源署(IEA)

國際能源署(IEA)是一個政府間組織，擔任其29個成員國的能源政策顧問，并與成員國一起協力為其國民提供可靠及經濟的清潔能源。隨著能源市場的變遷，國際能源署的使命納入了基于提高能源安全、經濟發展和環境保護“3個E”的均衡能源決策概念。國際能源署當前的工作重點是研究應對氣候變化的政策、能源市場改革、能源技術合作和與世界其他地區，特別是主要能源消費和生產國[6]。

為加強聚變研究和發展提供平臺并從戰略角度部署活動，1975年建立國際能源署聚變能協調委員會(FPCC)，以期在IEA成員國及主要合作國實現聚變能，并為相關方分享世界各地聚變研究。該委員會還負責九個執行協議。

聚變能環境、安全和經濟實施協議(ESEFP)為該委員會框架下九大執行協議之一，主要就聚變能環境影響和安全性評估、聚變能成本評估、潛在未來能源方案評估、發展安全和環境評估所需數據庫、不同國家安全與環境分析方法的比較研究等方面開展研究，項目含：活化產物和源項、故障率數據庫、室內氚源項、磁場安全、核電廠研究、放射性廢物研究等。有七個締約國：加拿大、中國、歐盟、日本、韓國、俄羅斯、美國。印度在2015年也表達了加入該協議的意愿。

1.4 美國

美國聯邦法規(CFRs)和指令要求主要是基于裂變燃料循環，當美國能源部(DOE)聚變能科學辦公室(OFES)及美國能源部實驗室負責人采用目前能源部相關法規、指令、標準等時，發現不能很好的應用于聚變堆。認為需要與時俱進的安全文件來監管聚變裝置[7]。

1992年，美國能源部開始起草聚變安全相關的文件，成立聚變安全指導委員會(FSSC)，最初由13個成員組成，主要來自于美國能源部實驗室熱衷聚變安全研究的代表及聚變能研究辦公室代表；后該委員會擴充到含21位能源部成員和15位代表大學和工業的評審員。主要撰寫者為聚變安全指導委員會的13位元老成員，來自于愛達荷國家實驗室(當時還是愛達荷國家工程實驗室INEL)、橡樹嶺國家實驗室(ORNL)、普林斯頓等離子體物理實驗室(PPPL)、西屋薩瓦納河公司(WSRC)。最后產出為能源部兩部標準文件Safety of Magnetic Fusion Facilities-Requirements[8],和Safety of Magnetic Fusion Facilities Guidance[9]。

這兩個標準強調磁約束聚變裝置的安全。聚變與其他核裝置具有很大的區別，如聚變能源和放射性源項分散、無裂變產物和增殖材料、放射性廢物和流出物、不是所有階段都屬于核裝置、聚變特有危害等，聚變安全指導委員會委員會將這些區別體現在磁約束裝置的相關要求和執行中。DOE-STD-6002-96從安全政策(Safety Policy)、安全要求(Safety Requirements)、安全和環境原則(Safety And Environmental Princi-ples)等方面為用戶提供了特定于聚變裝置的、簡潔易懂的、基于安全性設計和運行的整合介紹。該要求適用于該標準發布后建造的聚變裝置及未來的商業堆，寫得比較通用，以便能夠為可能監管聚變的機構提供參考模板。DOE-STD-6003-96指導如何滿足上述DOE-STD-6002-96中的要求，主要面向對象為近期裝置如ITER。

直到2009年，美國核管會(NRC)沒有參與聚變能裝置的發展和許可。2009年4月20日，核管會公開明確了其對商用聚變能源裝置的管制權，其工作人員將繼續進一步評估聚變設備監管相關的技術和法律問題，在未來向委員會提供更細節的建議[10]。

1.5 歐盟

歐盟在聚變核安全方面的研究起步早。1990-1994年，啟動了聚變電站安全與安全評估項目SEAFP-1，評估確定了聚變能在安全和環境方面誘人的特性，并明確了需要進一步研究和深入理解的重要議題。據此開展了系列的后續研究含SEAL 1995-98、SEAFP 1997-98、SEAFP-99[11-12]等，主要通過研究低活化馬氏體鋼或其他先進材料而達到安全目標，并研究了廢物管理。2001-2004年聚變電站概念研究PPCS項目論證聚變電站的可靠性、安全和環保優勢，以及潛在經濟性。2014年啟動WPSAE項目，計劃2014-2018年開展設計和許可研究及一體化的安全分析/源項的模型和程序等[12]。

歐盟在ITER許可方面做了大量工作[13]。2005年在法國卡達拉舍召開會議，確定ITER除了通用場址安全報告還需要做什么工作，以及哪些單位或人員將參與到ITER許可證程序執行中。ITER組織與歐盟委員會簽訂了協議，由歐盟委員會研究提供ITER許可程序中關鍵途徑所有缺少的因素。歐洲聚變開發協議(EFDA)通過歐盟ITER選址研究項目提供專家和資源來完成相關文件。該項目由EFDA進行協調，具體工作的執行者有CEA-AIF, 歐盟協會CEA、CIEMAT、ENEA、FZK和VR/Studsvik，以及歐盟工業界如Areva, Ibertef, Iosis，并與ITER組織進行緊密的、全面的合作。F4E(Fusion for Energy)負責大多數R&D項目解決ITER組織的開放課題，典型代表如粉塵管理(產生、遷移、診斷、消除等)、氫氣粉塵混合爆炸模型的開發和驗證、證明預防和減緩真空室內氫氣粉塵爆炸的可能性、研究磁鐵電弧行為后果等。在最終ITER申請建造許可證DAC文件撰寫和開展相關研究中，歐盟投入了35個人年，主要集中在支持初步安分報告文件：聚變實驗經驗、聚變技術研究現狀、安全運行限制、確定安全控制系統、發展維修項目、分析職業照射、將人因考慮到設計、事件/事故分級、定義設計和安全法則標準、設計審查標準、建構控制、廢物管理、內外部危害和安保相關的安全分析。另外還有項目的環境影響評估和文件的協調、準備和向安全當局的提交。

1.6 韓國

韓國關于聚變許可證和安全研究主要為三個階段[14]：1)KSTAR許可。基于韓國現有核法規，KSTAR為輻射裝置。為適應用氘托卡馬克裝置的特性，韓國核安全研究所(KINS)發展和公布了一系列的要求來檢查KSTAR的安全，而支持其運行許可。2)ITER實物安全分析。為設計和制造韓國提交到ITER的實物設備，進行了系列研究。3)韓國示范堆K-DEMO的安全研究。

韓國核安全研究所(KINS)為韓國未來聚變電站監管的專業研究機構，基于美國核管會NRC和國際原子能機構IAEA的技術中立框架TNF建立了韓國的TNF并用于核反應堆新概念，還建議將其用于四代堆含高溫氣冷堆和鈉冷快堆。2007年分析了ITER許可進展，為韓國聚變安全監管提供了戰略路線[14]。

ITER和未來的DEMO在安全問題上有很多不同，韓國慶熙大學(Kyung Hee University)和國家聚變研究所(NFRI)總結了K-DEMO的相關許可和監管研究進展[15]。鑒于系統、材料、內在安全特性與傳統壓水堆有很大不同，四代堆(Gen-IV)發展面臨同樣的現有監管(基于水堆)不適用的問題，他們將四代堆的一些發展理念和發展進展引入到K-DEMO。評估了本用于四代堆安全評價和相關資料準備的一體化安全評估方法ISAM，認為其在確定和建立與堆型無關的監管要求方面具有優勢，并應用ISAM的工具探索了K-DEMO的安全問題，如找到系統的薄弱環節和確定ITER和K-DEMO之間的gaps，為K-DEMO的概念設計和監管要求提供指導。

2 中國聚變安全與許可研究現狀

中國針對聚變堆安全與許可的研究前期主要集中在ITER測試包層模塊項目上，中國科學院核能安全技術研究所(簡稱“核安全所”)為國內包層研制主體單位之一[16-25]，參與了ITER的安全分析和評價工作[26-31]，并起草了中國液態包層的初步安分報告[31-35]，聯合西南物理研究院(簡稱“西物院”)和中國工程物理研究院(簡稱“中物院”)共同推進ITER中方固態包層安全評價[36-37]。

國內聚變安全研究相關單位已形成緊密聯盟，2013年核安全所聯合西物院、中物院、蘇州大學等國內重要優勢力量，成立“聚變核安全研究中心”，圍繞聚變核安全深入開展體系化工作，全面支持ITER和中國聚變工程實驗堆設計、建造、運行工作。

中國關于聚變監管必要性及相關政策研究正處于起步階段。2014年科技部批準啟動“國家磁約束核聚變能發展研究專項”首個聚變安全相關大項目“聚變核安全與輻射防護關鍵技術”，由核安全所主持，其研究課題之一“聚變堆安全評價體系及放射源項分析研究”，目標為評估中國目前基于裂變堆建立起來的許可證技術在聚變堆安全監管中的適用性，并結合中國國情和現有監管體系給出涵蓋聚變堆選址、建造、裝料、運行、退役全壽期的監管建議，為我國聚變工程化提供評審技術支持。2015年“國家磁約束核聚變能發展研究專項”啟動項目“核聚變裝置可靠性與概率安全目標研究”(核安全所主持)，針對聚變堆特性，初步確定適用于聚變堆的概率安全建議目標和建立聚變裝置的可靠性指標體系，為聚變安全監管層次填補一重要量化標準。

中國在聚變核安全相關領域的研究成果得到國際同行高度認可。核安全所分別于2010年和2011年代表中方加入國際能源署框架下的聚變堆核技術合作協議和聚變能環境、安全和經濟實施協議。2013年聚變能環境、安全和經濟實施協議執委會會議，吳宜燦研究員被推選為其執委主席，2015年破例連任[38]，且當選聚變堆核技術合作協議執委副主席[39]。發起并成功舉辦第一屆國際聚變能環境、安全和經濟研討會，與美國能源部、歐盟委員會、俄羅斯原子能公司、日本原子能機構、韓國國家聚變研究所等知名機構一體共商大計，以期建立聚變堆的安全評價體系、安全設計導則等。

3 總結及建議

核安全監管和相關許可制度是確保聚變能安全發展的必要手段。目前還沒有哪個國家正式公布了針對聚變的安全標準和許可監管制度。ITER作為世界范圍內首個電站規模的聚變實驗反應堆，其許可證申請過程是世界范圍內核安全法律法規體系對于聚變對進行審查的首次嘗試。歐盟在ITER許可文件提交和相關的R&D項目中做出了很多貢獻。美國能源部制訂了安全標準指導美國的聚變實驗裝置，核管會也已公開表明對聚變堆的管轄，并開始許可的相關研究。

中國政府高度重視聚變發展，也一直將安全作為核能發展的生命線。但關于聚變核安全相關研究一直由科技部牽頭，由中國科學院、中國核工業集團、總裝備部等下屬院所、知名高等院校及工業界參與，而國家負責核能監管的環保部和核安全局還未針對聚變監管和許可等開展整體規劃和考慮，這已經不能與目前中國聚變的發展速度和規模相匹配。許可與監管的研究周期長、涉及文件多、關系復雜，尤其是對于聚變堆的監管并未有成熟的經驗借鑒，建議政府盡快開展中國聚變堆監管與許可頂層設計，統籌布局相關研究。

致謝

本工作得到國家磁約束核聚變能發展研究專項(2014GB112000、2014GB112001)的資助。感謝FDS團隊其他成員為本工作的順利開展提供的支持與幫助。

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Preliminary Study of the Status of Fusion Safety Regulation and Licensing

WANG Hai-xia,CHEN Zhi-bin,LI Ya-zhou,SHEN Xin-yuan,JIANG Jie-qiong,HU Li-qin,YU Jie, WU Yi-can, FDS Team

(Key Laboratory of Neutronics and Radiation Safety, Institute of Nuclear Energy Safety Technology, Chinese Academy of Sciences, Hefei, Anhu, 230032, China)

China has a very ambitious picture for magnetic confinement fusion energy development, which must meet the premise of safety. Nuclear safety regulatory and related licensing rules are the necessary tools to ensure the safety. Its unique safety features make it is unfeasible for fusion to completely copy the current established laws and regulations based on fission technologies. The main findings of a thorough literature study to reveal the current state and lessons learnt of the fusion safety licensing and regulation, including ITER, IAEA, IEA, European Union, United States, Korea etc., are presented and the status and problems of China fusion regulation and licensing are also summarized. Advice is given to Chinese government to develop top design for fusion reactor regulation and licensing along with some specific approaches, and conduct the relevant research as soon as possible.

Fusion nuclear safety；Regulation；Licensing

2016-07-20

國家磁約束核聚變能發展研究專項(批準號：2014GB112000、2014GB112001)

王海霞(1983—)，女，河北邯鄲人，助理研究員，博士，主要從事核能系統核安全監管與許可研究工作

胡麗琴:liqin.hu@fds.org.cn

TL69

A

0258-0918(2016)04-0497-07