聚變堆的核安全分析

劉 偉，錢天林

(中國核工業(yè)集團(tuán)有限公司，北京 100037)

核科學(xué)技術(shù)是人類20世紀(jì)最偉大的科技成就之一，以核電為主要標(biāo)志的和平利用核能，在保障能源供應(yīng)、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、應(yīng)對氣候變化、造福國計民生等方面發(fā)揮了不可替代的作用[1]。1983年6月，國務(wù)院科技領(lǐng)導(dǎo)小組主持召開專家論證會，提出了中國核能發(fā)展“三步(壓水堆—快堆—聚變堆)走”的戰(zhàn)略；在《國家能源發(fā)展“十二五”規(guī)劃》中，提出了安全高效發(fā)展核電的主要任務(wù)，繼續(xù)明確了堅持熱堆、快堆、聚變堆“三步走”的技術(shù)路線[2]。

聚變能作為核能發(fā)展和應(yīng)用的終極目標(biāo)，將在未來世界能源、科技版圖中占據(jù)核心位置。我國在裂變堆核能領(lǐng)域起步雖然晚于西方主要國家，但經(jīng)過幾代核工業(yè)人的努力，已經(jīng)取得了世界矚目的成績，自主三代核電“華龍一號”的成功設(shè)計與建設(shè)更將我國推向了世界核電強(qiáng)國的行列。與裂變堆領(lǐng)域的追趕者角色不同，在聚變堆領(lǐng)域，雖然國際上已經(jīng)有我國作為重要參與方的ITER在開展建設(shè)，但我國有望憑借完善核工業(yè)體系、完整的聚變與裂變能源研發(fā)人才隊伍、堅定的能源發(fā)展政策和三十多年來的不斷探索而取得的后發(fā)優(yōu)勢，成為國際聚變能源發(fā)展領(lǐng)域的領(lǐng)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(shè)計研究[3]。不同于ITER計劃先期重物理和工程設(shè)計、輕核安全考慮的情況，CFETR自設(shè)計之初便將核安全作為必須考慮和開展前期設(shè)計評估的重要內(nèi)容，并已開展了系統(tǒng)的研究。根據(jù)當(dāng)前CFETR核安全的研究情況，未來我國聚變堆發(fā)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(jìn)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(biāo)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(hù)人與環(huán)境免受放射性危害[4]。為了實現(xiàn)基本安全目標(biāo)，在裂變堆的設(shè)計中，必須保證在核動力廠所有狀態(tài)下實現(xiàn)基本安全功能：1)控制反應(yīng)性；2)排出堆芯余熱，導(dǎo)出乏燃料貯存設(shè)施所貯存燃料的熱量；3)包容放射性物質(zhì)、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(biāo)與傳統(tǒng)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(hù)人與環(huán)境免受放射性危害”。但從物理本質(zhì)的角度而言，為了實現(xiàn)上述的安全目標(biāo)，聚變堆的基本安全功能卻與裂變堆有著明顯不同，需要關(guān)注的重點變成了“包容放射性物質(zhì)、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(yīng)性實現(xiàn)安全熱停堆，將余熱排出防止衰變熱導(dǎo)致堆芯不良狀態(tài)出現(xiàn)，將反應(yīng)堆內(nèi)產(chǎn)生的放射性物質(zhì)包容、控制起來以防止或限制事故情況下對環(huán)境的釋放并有效控制運行狀態(tài)下的受控釋放。

相對于裂變堆，聚變堆的物理本質(zhì)決定其在安全角度與聚變堆存在非常大的不同。

首先，實現(xiàn)聚變反應(yīng)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(yīng)時間，即由勞遜在1955年提出的“聚變?nèi)胤e”，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?nèi)胤e，從而從理論上實現(xiàn)可控的核聚變[5]。這一點正是聚變堆與裂變堆的本質(zhì)差別，即聚變反應(yīng)的實現(xiàn)必須通過大量精密的電、磁、壓力、溫度等控制方能實現(xiàn)，一旦某一條件不滿足便導(dǎo)致聚變反應(yīng)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(xiàn)超臨界的工況。

其次，聚變堆運行過程中，其聚變?nèi)剂弦缘入x子體形態(tài)在“反應(yīng)容器”—真空室內(nèi)進(jìn)行反應(yīng)，聚變?nèi)紵漠a(chǎn)物實時地從真空室中導(dǎo)出，真空室內(nèi)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(chǎn)生，僅僅部分在堆結(jié)構(gòu)材料內(nèi)的短壽命活化產(chǎn)物的衰變熱非常低，不會對安全產(chǎn)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(zhì)從堆內(nèi)釋放。

教學(xué)目標(biāo)是提高學(xué)生在常見商務(wù)場景中的交際能力。實施策略：1)模擬真實的商務(wù)場景，讓學(xué)生進(jìn)行角色扮演，體驗不同的商務(wù)流程，從自己和同學(xué)的行為中學(xué)習(xí)；2)教師及時對學(xué)生的表現(xiàn)進(jìn)行評價和反饋，使學(xué)生了解自己優(yōu)缺點。

再者，現(xiàn)階段聚變堆的燃料主要為氘—氚，其反應(yīng)產(chǎn)物為氦，未來隨著技術(shù)的進(jìn)步將可能實現(xiàn)氘—氘、氘—氦、氦-氦等反應(yīng)[5]，無論采用何種聚變反應(yīng)，其相較于裂變能的一個突出特點是核反應(yīng)產(chǎn)物沒有長壽命核素，僅有部分活化產(chǎn)生的產(chǎn)物，這是聚變堆的核心優(yōu)勢之一。因此，從實現(xiàn)基本安全目標(biāo)的角度而言，聚變堆最主要的關(guān)注點在這些聚變?nèi)剂?氚)和活化放射性物質(zhì)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(guān)注點

聚變堆作為一種全新類型的核設(shè)施，核安全的要求需要根據(jù)其設(shè)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(guān)注點在放射性物質(zhì)的包容這一功能實現(xiàn)上。在基本安全功能實現(xiàn)的同時，新型核設(shè)施的研發(fā)還必須從整體框架上進(jìn)行全盤的構(gòu)思，并對重點的安全考慮內(nèi)容進(jìn)行逐步深入的研究。

在總體的安全相關(guān)要求方面，由于現(xiàn)有的核安全法規(guī)體系基于裂變堆體系建立，需要總結(jié)已有經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，建設(shè)一套適合于聚變堆發(fā)展的核安全法規(guī)。在建立法規(guī)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(jù)聚變堆的安全目標(biāo)與安全功能，建立起對應(yīng)的安全要求體系。

在放射性物質(zhì)的包容控制方面，首先需要開展全范圍的源項和風(fēng)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(chǔ)上，進(jìn)行安全保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計，確保這些分析和評價得出的結(jié)果可以在設(shè)計上得到落實和保障。

經(jīng)過理論設(shè)計和工程設(shè)計后，在進(jìn)入到工程階段的過程中，需要重點落實執(zhí)照申請過程中的核安全關(guān)注點，包括環(huán)境影響、廠址選擇等，需要結(jié)合具體的設(shè)計進(jìn)行評價，或者根據(jù)現(xiàn)有國內(nèi)限制性的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)對設(shè)計進(jìn)行反饋。

除了上述與核安全直接相關(guān)的系統(tǒng)設(shè)計、分析計算、總體要求等方面外，對于與放射性物質(zhì)包容和處理相關(guān)的熱室、放廢、布置、建筑結(jié)構(gòu)等各方面均要從核安全和輻射安全的角度出發(fā)來進(jìn)行綜合考慮，落實到設(shè)計中。

上述的核安全相關(guān)考慮為聚變堆與裂變堆的差別以及其獨特特點所關(guān)注的主要方面，在具體的設(shè)計和項目落實過程中，我國的CFETR工程設(shè)計研究過程中已經(jīng)進(jìn)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(xué)目標(biāo)和關(guān)鍵的研究內(nèi)容，核安全一直貫穿于CFETR的設(shè)計研究工作中。從CFETR的概念設(shè)計開始啟動之初便開始考慮核安全相關(guān)問題，到目前正在開展的工程設(shè)計研究中的全面展開，CFETR的核安全研究工作從整體到細(xì)節(jié)開展了一系列核安全體系研究工作，并取得了諸多進(jìn)展。

2.1 CFETR核安全體系框架構(gòu)建

作為國內(nèi)第一個聚變堆核設(shè)施，CFETR安全設(shè)計及安全分析工作積累的方法和經(jīng)驗為未來商用聚變堆安全評價及許可證申請?zhí)峁┲С?。目前國?nèi)核安全法律法規(guī)體系中關(guān)于聚變堆方面的要求并不完善，通過CFETR安全設(shè)計及安全評價中總結(jié)的經(jīng)驗，可以為未來進(jìn)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(jìn)展和實踐出發(fā)，通過對裂變與聚變的全面總結(jié)分析，針對CFETR的特點，制定了CFETR的頂層核安全法規(guī)體系與安全要求分別見圖1和圖2。目前，聚變堆在設(shè)計、建造和運行等方面還缺乏完善的法規(guī)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(guī)體系與CFETR安全要求，為后續(xù)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(guī)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(shè)計理念

經(jīng)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(yōu)勢，而這些優(yōu)勢需要通過具體分析論證。CFETR作為一個大型的核設(shè)施必須經(jīng)過核安全審評、立項等流程，但是在審查標(biāo)準(zhǔn)方面需要按照聚變堆的安全特點開展，而不能按照傳統(tǒng)裂變堆的方式來進(jìn)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(shè)計上，聚變的核安全本質(zhì)需要通過定量的方式來進(jìn)行明確的表達(dá)，需要通過源項的定量化分析、事故的分析與評估、環(huán)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(jié)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(yè)邁入新時代奠定良好的科技基礎(chǔ)和社會環(huán)境。

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

2.3 CFETR核安全研究進(jìn)展

源項、風(fēng)險與事故研究方面，對CFETR放射性源項、內(nèi)外部風(fēng)險進(jìn)行了全面分析。根據(jù)CFETR的具體模型全面分析了CFETR主機(jī)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(jī)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(jié)合國內(nèi)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(tǒng)事故初始事件進(jìn)行了歸納，總結(jié)出了36項設(shè)計基準(zhǔn)事故，梳理了設(shè)計基準(zhǔn)事故分析中可能用到的安全相關(guān)保護(hù)系統(tǒng)和設(shè)備，初步分析了不同類事故的參考事故序列和驗收準(zhǔn)則，并選取典型事故進(jìn)行了初步分析，給出了對應(yīng)的源項與事故后果，如表1所示。

表1 CFETR部分系統(tǒng)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(shè)計方面，結(jié)合ITER和國內(nèi)核安全法規(guī)的要求，完成了CFETR安全保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計要求，并提出了CFETR的基本安全功能、聚變堆安全保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)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(qū)主要建筑物輻射分區(qū)初步規(guī)劃。為了保障未來CFETR的可用性與可靠性，采用RAMI分析方法，結(jié)合CFETR的頂層目標(biāo)要求，給出了CFETR的運行計劃、整體固有可用性要求、各系統(tǒng)可用性要求以及具體系統(tǒng)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(huán)境影響方面，結(jié)合我國的廠址環(huán)境條件和CFETR的具體設(shè)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(tài)下劑量約束值0.1 mSv/a以及在正常和大修年份優(yōu)化劑量目標(biāo)值10 μSv/a和30 μSv/a的建議，并據(jù)此開展了CFETR運行狀態(tài)氚排放量的計算工作；在事故環(huán)境影響方面，已開展的事故分析表明目前分析的設(shè)計基準(zhǔn)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(jù)CFETR系統(tǒng)內(nèi)氚量給出的選址假想事故的評估結(jié)果也可以滿足技術(shù)上無須場外應(yīng)急。

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

經(jīng)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(yōu)勢，在解決好放射性物質(zhì)包容這一設(shè)計的基礎(chǔ)上，未來聚變堆的核安全是有保障的。

3 結(jié)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(yōu)勢，利用好這一優(yōu)勢將可使得未來聚變能以及核能的發(fā)展更加順利。現(xiàn)階段已開展的CFETR核安全研究相關(guān)工作表明，我國發(fā)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(yōu)勢的同時，對CFETR的系列研究也應(yīng)該使人們認(rèn)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(chǎn)物很多，雖然這些活化產(chǎn)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(xù)關(guān)注；2)氚的滲透性相對較大，對于氚的防護(hù)還需要通過更多的技術(shù)手段來進(jìn)一步加強(qiáng)；3)后續(xù)的核安全審評工作當(dāng)前沒有法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)可依，后續(xù)項目的推進(jìn)過程中對于核與輻射安全的審評將會較為復(fù)雜且漫長?？傮w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。