聚變堆的核安全分析

劉 偉，錢天林

(中國核工業集團有限公司，北京 100037)

核科學技術是人類20世紀最偉大的科技成就之一，以核電為主要標志的和平利用核能，在保障能源供應、促進經濟發展、應對氣候變化、造福國計民生等方面發揮了不可替代的作用[1]。1983年6月，國務院科技領導小組主持召開專家論證會，提出了中國核能發展“三步(壓水堆—快堆—聚變堆)走”的戰略；在《國家能源發展“十二五”規劃》中，提出了安全高效發展核電的主要任務，繼續明確了堅持熱堆、快堆、聚變堆“三步走”的技術路線[2]。

聚變能作為核能發展和應用的終極目標，將在未來世界能源、科技版圖中占據核心位置。我國在裂變堆核能領域起步雖然晚于西方主要國家，但經過幾代核工業人的努力，已經取得了世界矚目的成績，自主三代核電“華龍一號”的成功設計與建設更將我國推向了世界核電強國的行列。與裂變堆領域的追趕者角色不同，在聚變堆領域，雖然國際上已經有我國作為重要參與方的ITER在開展建設，但我國有望憑借完善核工業體系、完整的聚變與裂變能源研發人才隊伍、堅定的能源發展政策和三十多年來的不斷探索而取得的后發優勢，成為國際聚變能源發展領域的領跑者。

作為ITER計劃與商用聚變堆之間的重要一步，中國聚變工程實驗堆(CFETR)于2017年底啟動工程設計研究[3]。不同于ITER計劃先期重物理和工程設計、輕核安全考慮的情況，CFETR自設計之初便將核安全作為必須考慮和開展前期設計評估的重要內容，并已開展了系統的研究。根據當前CFETR核安全的研究情況，未來我國聚變堆發展的核安全是有保障的。本文重點就我國的磁約束核聚變工程試驗堆CFETR的研究情況進行討論。

1 聚變堆的安全特點

對于裂變堆核電廠而言，其基本安全目標為：在核動力廠中建立并保持對放射性危害的有效防御，以保護人與環境免受放射性危害[4]。為了實現基本安全目標，在裂變堆的設計中，必須保證在核動力廠所有狀態下實現基本安全功能：1)控制反應性；2)排出堆芯余熱，導出乏燃料貯存設施所貯存燃料的熱量；3)包容放射性物質、屏蔽輻射、控制放射性的計劃排放，以及限制事故的放射性釋放[4]。

對于聚變堆而言，其基本安全目標與傳統的裂變堆核電廠是相同的，即“建立并保持對放射性危害的有效防御，以保護人與環境免受放射性危害”。但從物理本質的角度而言，為了實現上述的安全目標，聚變堆的基本安全功能卻與裂變堆有著明顯不同，需要關注的重點變成了“包容放射性物質、屏蔽輻射、控制放射性的計劃排放，以及限制事故的放射性釋放”。

1.1 聚變堆的固有安全性

裂變堆的3個基本安全功能緊密圍繞著裂變堆的物理特點，即緊急情況下控制反應性實現安全熱停堆，將余熱排出防止衰變熱導致堆芯不良狀態出現，將反應堆內產生的放射性物質包容、控制起來以防止或限制事故情況下對環境的釋放并有效控制運行狀態下的受控釋放。

相對于裂變堆，聚變堆的物理本質決定其在安全角度與聚變堆存在非常大的不同。

首先，實現聚變反應的條件十分苛刻，需要足夠高的等離子體溫度、密度，并維持一定的反應時間，即由勞遜在1955年提出的“聚變三重積”，過去60余年的聚變理論和實驗研究一直致力于提高等離子體的聚變三重積，從而從理論上實現可控的核聚變[5]。這一點正是聚變堆與裂變堆的本質差別，即聚變反應的實現必須通過大量精密的電、磁、壓力、溫度等控制方能實現，一旦某一條件不滿足便導致聚變反應停止(即托卡馬克型聚變堆的等離子體熄滅)，這一特點使得聚變堆不會因失去控制而出現超臨界的工況。

其次，聚變堆運行過程中，其聚變燃料以等離子體形態在“反應容器”—真空室內進行反應，聚變燃燒的產物實時地從真空室中導出，真空室內不像裂變堆時刻存在著大量的核燃料，與此同時，由于沒有“乏燃料”的產生，僅僅部分在堆結構材料內的短壽命活化產物的衰變熱非常低，不會對安全產生影響，更不會(本身也沒有)由于衰變熱而使得乏燃料等放射性物質從堆內釋放。

教學目標是提高學生在常見商務場景中的交際能力。實施策略：1)模擬真實的商務場景，讓學生進行角色扮演，體驗不同的商務流程，從自己和同學的行為中學習；2)教師及時對學生的表現進行評價和反饋，使學生了解自己優缺點。

再者，現階段聚變堆的燃料主要為氘—氚，其反應產物為氦，未來隨著技術的進步將可能實現氘—氘、氘—氦、氦-氦等反應[5]，無論采用何種聚變反應，其相較于裂變能的一個突出特點是核反應產物沒有長壽命核素，僅有部分活化產生的產物，這是聚變堆的核心優勢之一。因此，從實現基本安全目標的角度而言，聚變堆最主要的關注點在這些聚變燃料(氚)和活化放射性物質的包容上，這一點與裂變堆的基本安全功能有一定相似性。

1.2 聚變堆的核安全關注點

聚變堆作為一種全新類型的核設施，核安全的要求需要根據其設施特點來具體確定。通過上述的分析可知，聚變堆的核安全核心關注點在放射性物質的包容這一功能實現上。在基本安全功能實現的同時，新型核設施的研發還必須從整體框架上進行全盤的構思，并對重點的安全考慮內容進行逐步深入的研究。

在總體的安全相關要求方面，由于現有的核安全法規體系基于裂變堆體系建立，需要總結已有經驗的基礎上，建設一套適合于聚變堆發展的核安全法規。在建立法規體系的同時，也要考慮聚變堆的獨特特點，建立起安全要求體系，根據聚變堆的安全目標與安全功能，建立起對應的安全要求體系。

在放射性物質的包容控制方面，首先需要開展全范圍的源項和風險分析、事故安全分析和評價，尤其是氚源項和活化源項的分析計算與事故釋放的計算，在此基礎上，進行安全保護系統的設計，確保這些分析和評價得出的結果可以在設計上得到落實和保障。

經過理論設計和工程設計后，在進入到工程階段的過程中，需要重點落實執照申請過程中的核安全關注點，包括環境影響、廠址選擇等，需要結合具體的設計進行評價，或者根據現有國內限制性的法規標準對設計進行反饋。

除了上述與核安全直接相關的系統設計、分析計算、總體要求等方面外，對于與放射性物質包容和處理相關的熱室、放廢、布置、建筑結構等各方面均要從核安全和輻射安全的角度出發來進行綜合考慮，落實到設計中。

上述的核安全相關考慮為聚變堆與裂變堆的差別以及其獨特特點所關注的主要方面，在具體的設計和項目落實過程中，我國的CFETR工程設計研究過程中已經進行了大量的研究工作，并且取得了諸多成果。

2 CFETR核安全研究

作為主要的科學目標和關鍵的研究內容，核安全一直貫穿于CFETR的設計研究工作中。從CFETR的概念設計開始啟動之初便開始考慮核安全相關問題，到目前正在開展的工程設計研究中的全面展開，CFETR的核安全研究工作從整體到細節開展了一系列核安全體系研究工作，并取得了諸多進展。

2.1 CFETR核安全體系框架構建

作為國內第一個聚變堆核設施，CFETR安全設計及安全分析工作積累的方法和經驗為未來商用聚變堆安全評價及許可證申請提供支持。目前國內核安全法律法規體系中關于聚變堆方面的要求并不完善，通過CFETR安全設計及安全評價中總結的經驗，可以為未來進一步立法工作提供支持。

CFETR核安全體系研究課題組從我國核安全的審管和實踐要求、ITER和國際對聚變堆的核安全要求進展和實踐出發，通過對裂變與聚變的全面總結分析，針對CFETR的特點，制定了CFETR的頂層核安全法規體系與安全要求分別見圖1和圖2。目前，聚變堆在設計、建造和運行等方面還缺乏完善的法規與核安全體系，通過本項工作的開展提出了CFETR適用的我國核安全法規體系與CFETR安全要求，為后續CFETR在核安全方面開展工作確定了頂層要求。

圖1 CFETR核安全法規體系Fig.1 Nuclear safety legal system of CFETR

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

2.2 CFETR核安全設計理念

經過對聚變堆多年的研究表明，聚變堆在核安全方面具有顯著的優勢，而這些優勢需要通過具體分析論證。CFETR作為一個大型的核設施必須經過核安全審評、立項等流程，但是在審查標準方面需要按照聚變堆的安全特點開展，而不能按照傳統裂變堆的方式來進行要求，在圖1和圖2的研究過程中，均充分的考慮了聚變堆的這些安全特點。

在設計上，聚變的核安全本質需要通過定量的方式來進行明確的表達，需要通過源項的定量化分析、事故的分析與評估、環境影響的評價等過程來給出答案。通過這些定量化的評估結果，將可以很好地打消各界對于聚變堆在安全方面的顧慮，為核能行業邁入新時代奠定良好的科技基礎和社會環境。

正是基于上述的考慮，在CFETR的核安全體系研究課題設置中，按照從頂層法規核安全到底層的源項和事故分析與環境影響評價等支撐性研究，再加上具體相關系統的安全設計，來給出CFETR的總體核安全全貌。

2.3 CFETR核安全研究進展

源項、風險與事故研究方面，對CFETR放射性源項、內外部風險進行了全面分析。根據CFETR的具體模型全面分析了CFETR主機部件源項、氚輸運過程、氚滯留、包層氚源項和氚滲透量等，初步估算了CFETR主機廠房的氚濃度分布，圖3為CFETR主要放射性源項位置及來源初步分析示意圖；此外，充分結合國內外核電站事故工況分類方法，將CFETR核安全工況分為四類，對主要系統事故初始事件進行了歸納，總結出了36項設計基準事故，梳理了設計基準事故分析中可能用到的安全相關保護系統和設備，初步分析了不同類事故的參考事故序列和驗收準則，并選取典型事故進行了初步分析，給出了對應的源項與事故后果，如表1所示。

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

在具體的安全設計方面，結合ITER和國內核安全法規的要求，完成了CFETR安全保護系統設計要求，并提出了CFETR的基本安全功能、聚變堆安全保護系統的設計流程、聚變堆的安全防御層次，初步制定了CFETR的部件安全重要性分級。圖4為 CFETR廠區主要建筑物輻射分區初步規劃。為了保障未來CFETR的可用性與可靠性，采用RAMI分析方法，結合CFETR的頂層目標要求，給出了CFETR的運行計劃、整體固有可用性要求、各系統可用性要求以及具體系統的RAMI全流程分析。

圖3 CFETR主要放射性源項位置及來源初步分析Fig.3 Preliminary analysis for the location and sources of the main radioactive source terms

在正常運行和事故工況下的環境影響方面，結合我國的廠址環境條件和CFETR的具體設計，開展了CFETR氚排放量的控制研究工作，并給出了CFETR運行狀態下劑量約束值0.1 mSv/a以及在正常和大修年份優化劑量目標值10 μSv/a和30 μSv/a的建議，并據此開展了CFETR運行狀態氚排放量的計算工作；在事故環境影響方面，已開展的事故分析表明目前分析的設計基準事故工況下的公眾輻射劑量后果均可以滿足10mSv/次劑量限值要求，而目前根據CFETR系統內氚量給出的選址假想事故的評估結果也可以滿足技術上無須場外應急。

除了上述直接與核安全相關的研究與設計內容外，本階段的CFETR工程設計研究還開展了總體布置、熱室設計、廠址要求、退役方法、放廢管理、廠房結構等與核安全相關的研究工作，并將核安全的理念在這些重要設計中進行了貫徹。

經過本階段的研究表明，聚變堆由于其特有的安全性，在核安全方面相較于裂變堆具有優勢，在解決好放射性物質包容這一設計的基礎上，未來聚變堆的核安全是有保障的。

3 結論與展望

聚變堆特有的安全特性使得其在核安全方面具有先天的優勢，利用好這一優勢將可使得未來聚變能以及核能的發展更加順利?，F階段已開展的CFETR核安全研究相關工作表明，我國發展CFETR在核安全方面是樂觀的，未來的聚變堆核安全是有保障的。

在看到優勢的同時，對CFETR的系列研究也應該使人們認識到未來聚變堆的工程化的過程中，在核與輻射方面可能會存在的一些潛在困難：1)聚變堆高中子能量和通量的特點使得活化產物很多，雖然這些活化產物半衰期較短，但廢物的放射性水平較高，體積量也十分大，需要后續關注；2)氚的滲透性相對較大，對于氚的防護還需要通過更多的技術手段來進一步加強；3)后續的核安全審評工作當前沒有法規標準可依，后續項目的推進過程中對于核與輻射安全的審評將會較為復雜且漫長。總體而言，雖然存在一些困難，但是在核與輻射安全方面，聚變堆的未來是充滿光明的。