聚变能源：从科学理想迈向安全实践

万元熙

自20世纪六七十年代，中国可控核聚变研究起步以来，一代代科研工作者以“人造太阳”为蓝图，实现了从基础研究到工程实践的跨越式发展。特别是近年来，全超导托卡马克装置东方超环（EAST）实现 1 亿度 1066 秒高约束模等离子体运行，中国环流三号（HL-3）突破150万安培高约束模放电，标志着我国在超导托卡马克磁约束领域步入国际领先行列。在国际合作方面，我国深度参与国际热核聚变实验堆ITER计划，承担9%核心部件研制，包括增强热负荷第一壁、超导导体、超导馈线等重要系统的中国贡献，彰显“大国重器”担当。

聚变能源的终极意义，在于其近乎无限的燃料资源（1升海水≈300升汽油能量）与零碳排放特性，堪称解决能源危机与气候问题的“终极答案”。然而，聚变研究并非一帆风顺，我们仍面临着诸多挑战。例如，如何实现长时间稳定的核聚变反应、如何有效控制反应过程中的高温辐照等问题，都需要我们不断地探索和创新。但我坚信，在全球科研团队的共同努力下，这些难题终将被攻克。

聚变能源的规模化应用，需要以安全可控为前提，以技术创新为驱动，安全研究需贯穿聚变全生命周期一从实验堆设计、燃料循环到废料处置，每一步都需推动学科交叉与经验共享。《核安全》“聚变专栏”的出版恰逢其时，为读者呈现聚变领域的技术全景，助力公众理解这一“未来能源”的潜力与挑战；促进“国家队”与民营资本的创新联动，加速超导磁体、高功率加热系统等核心技术转化；通过政策分析与技术展望，为国家能源战略提供决策支撑。聚变能源的实现，不仅是科学家的梦想，更是全人类的共同福祉。期待本专刊成为聚变安全研究的“思想熔炉”，助力中国在全球能源革命中书写璀璨篇章。

 

聚变装置放射性废物产生情况和管理策略初探

蒋婧;徐春艳;张庆召;赵凯;车睿;祝兆文;

本文分析了聚变装置（如ITER、JET和CFETR）在运行和退役过程中产生的放射性废物及其处理方式。聚变反应利用氢的同位素（氘和氚）在高温高压条件下融合成氦核，释放巨大能量，具有清洁性和可持续性。聚变装置内部材料会由于中子活化和氚渗透产生放射性废物，本文选取了ITER、JET和CFETR三种典型的托卡马克装置，调研了它们已产生或预期产生的放射性废物情况，并分析了各国的放射性废物分类和处理方式。研究结果表明，聚变装置产生的放射性废物具有数量大、氚含量高、无超铀核素等特点，需根据废物的放射性水平和特性制定专门的处理和处置策略。本文还提出了从源头减少废物产生、制定废物管理路线、加强含氚废物处理等建议，为我国聚变装置放射性废物的处理和处置提供了参考。

https://link.cnki.net/doi/10.16432/j.cnki.1672-5360.2025.02.015

 

基于托卡马克装置第一壁材料的回旋辐射反射研究

张帅;赵毅航;任士鑫;王嵎民;

本文采用理论计算与材料性能测试相结合的方法，对钨合金和碳碳复合材料两种第一壁材料回旋辐射（～100 GHz频率微波）的反射性能进行了系统评估。研究结果表明，两种第一壁材料在100 GHz微波频率下的反射率均超过95%，可满足目前氢硼聚变装置的第一壁设计需求。两种第一壁材料的100 GHz微波穿透深度仅为微米量级，远小于工程设计厚度（5-10 mm），显示出良好的微波防护效果。温度变化对两种材料的反射率影响较小，从20℃升至500℃，反射率变化均小于0.5%。微波频率由65 GHz升至255 GHz，两种第一壁材料的反射率均有所下降，但变化幅度有限（钨合金降幅约0.17%，碳碳复合材料降幅约2.51%）。本研究为氢硼聚变装置第一壁材料的设计提供了重要参考。

https://link.cnki.net/doi/10.16432/j.cnki.1672-5360.2025.02.004

 

长脉冲托卡马克装置偏滤器第一壁结构安全仿真分析

齐坤宇;王晓涛;李雪琴;曹磊

偏滤器作为承受长脉冲托卡马克装置高热负荷的关键部件之一，其在高温下的力学表现密切影响着实验装置的结构完整性与运行可靠性。为了研究偏滤器面向等离子体第一壁结构与使用可靠性的关系，基于计算工具COMSOL Multiphysics，对处于真空室循环热负荷下的偏滤器平板构型靶板第一壁进行结构力学计算。结果表明，在典型的托卡马克热负荷工况下，相比直接面向等离子体的钨和作为热量扩散层的铬锆铜合金，钨和铬锆铜之间的铜过渡层局部位置会产生速度更快、程度更深的金属疲劳风险，表现形式为金属界面脱粘；钨厚度设计直接影响靶板第一壁结构安全，综合考量后认为将平板型偏滤器靶板的钨层厚度设计为2～3 mm可实现安全寿命最大化。

https://link.cnki.net/doi/10.16432/j.cnki.1672-5360.2025.02.005

 

CN HCCB TBS热交换器管道破裂事故分析

胡泊;王艳灵;武兴华;曹启祥;赵奉超;

按照法国当地法律要求，为验证中国氦冷固态增殖剂实验包层系统（China Helium Cooled Ceramic Breeder Testing Blanket System，简称CN HCCB TBS）在事故工况下的安全性，需开展事故工况分析工作。本文基于氦冷包层系统初步设计方案，采用RELAP5/MOD3.4程序对热交换器管道破裂事故工况进行建模计算，结果表明：（1）事故瞬态下第一壁材料温度大幅度上升，但持续时间很短，符合验收准则；（2）事故工况下二次侧管路内部压力上升幅度大，最大可达10 MPa;(3)小破口事故工况中，二次侧冷却水会倒流进一回路，形成氚化水。为降低小破口事故下二次侧管道压力，本文开展了改进控制逻辑后的模拟计算，结果表明压力上升情况变得更为舒缓。最后，本文建议在后续的研究中采用耦合计算方法以获得准确的压力、流量等分布，以验证热交换器在事故工况下的完整性。

https://link.cnki.net/doi/10.16432/j.cnki.1672-5360.2025.02.002

 

EHL-2轫致辐射的辐射剂量计算

白岩;齐冀;董占猛;赵岳;王嵎民

在EXL-50U装置的基础上，新奥自主设计了新一代球形环等离子体实验装置EHL-2，其加热功率、等离子体电流、约束时间等参数均较上代装置有所升级，需要对EHL-2装置表面的辐射剂量进行评估。本文基于EHL-2的设计参数，对装置结构主体进行三维建模，采用蒙特卡罗程序分析了轫致辐射对装置表面辐射剂量的影响，并计算了职业人员和一般公众的辐射剂量。研究结果表明，平均能量10 keV的轫致辐射对装置表面的辐射分布影响极小，逃逸电子对于装置表面的辐射剂量起主要作用，当发生等离子体破裂等异常放电时，距离装置表面外1 m处的人员受到的辐射剂量为4.81 mSv。经计算，EHL-2的轫致辐射对于职业人员和一般公众的年累计辐射剂量均低于国标要求。

https://link.cnki.net/doi/10.16432/j.cnki.1672-5360.2025.02.001

 

 

聚变堆包层球床有效热导率实验研究及数值模拟

吴琪刚;雷明准;刘钊;张文浩;徐坤

固态增殖包层是聚变堆中以颗粒球床结构实现中子倍增和氚增殖的一种设计，是实现氚自持的重要部件之一。包层球床有效热导率的测量是研究包层释氚温度的重要前提。本文通过实验与数值模拟相结合的方法，开展了包层球床有效热导率的测量及预测。在常温下采用Hot-Disk热常数分析仪器测量了方形粒径1 mm的Li_2TiO_3颗粒球床的热导率，随后结合实验结果标定Li_2TiO_3颗粒球床在PFC (Particle Flow Code)中的数值模拟参数，同时结合标定的Li_2TiO_3颗粒接触热阻，预测了不同应变下Li_2TiO_3颗粒球床在常温下的热导率。研究结果表明，常温条件下的球床热导率偏低，随着球床应变增大，球床的有效导热率逐渐增大。本文可为后续包层球床传热提供参数及指导。

https://link.cnki.net/doi/10.16432/j.cnki.1672-5360.2025.02.007

 

 

国内外聚变发展形势研判及聚变监管工作面临的挑战

李亚东;王晓涛;李雪琴;毛亚虹;

聚变能源以其资源的丰富性、环境的友好性以及固有的安全性，被视为全球能源转型的关键战略方向。本文全面审视了各国在聚变能源规划发展方面的趋势、聚变技术所面临的挑战，并结合我国聚变能源的发展现状，在聚变能源逐步走向商业化的进程中，指出了聚变技术的迅猛发展对我国核与辐射安全监管工作所带来的诸多挑战。在全球聚变技术竞争的背景下，加强监管能力建设，以适应聚变能源商业化应用为目标，通过强化聚变监管的顶层设计、解决监管技术难题、提升监管队伍的能力、加强公众宣传等措施，确保聚变能源在安全、高效、环保的基础上，为人类社会的可持续发展贡献力量。

https://link.cnki.net/doi/10.16432/j.cnki.1672-5360.2025.02.011

 

 

磁约束聚变装置电磁辐射分析

郭弘;张洁;杨铭杰;王勇;王晓涛;

本文探究了磁约束聚变装置产生的空间电磁辐射水平，对环境、职业人员和公众的影响，为后续聚变装置电磁辐射影响监管提供技术和政策支撑；梳理了典型国家和组织对磁约束聚变装置的电磁辐射管理要求；测量了我国典型磁约束聚变装置产生的电磁辐射水平。结果表明，磁约束聚变装置的电磁源可靠性是监管部门关注的优先事项，各国均开展了关于电磁辐射对职业人员和公众健康影响的评估，评估依据采用国际非电离辐射防护委员会（ICNIRP）有关标准要求。我国典型磁约束聚变装置使用的电磁辐射设备具有功率大、频率高等特性，部分区域电磁辐射水平高，因此，应密切关注磁约束聚变装置电磁辐射影响，将磁场系统的失效和故障作为聚变系统的设计基础假设事件之一，并尽快制定我国静磁场环境标准，做好技术和政策储备，为聚变能大规模商用提供电磁辐射监管支撑。

https://link.cnki.net/doi/10.16432/j.cnki.1672-5360.2025.02.006

 

 

基于SDC-IC准则的T管氦冷偏滤器单元结构优化分析

胡华枫;王晓涛;周晓剑;彭慧;栗再新

偏滤器是聚变堆中承受高热负荷的主要部件之一，被用于处理等离子体排出时的高热负荷，因此，偏滤器的设计对于聚变装置的稳定运行至关重要。在T管氦冷偏滤器单元结构中，钨被用于钨瓦结构以承受大量的热负荷，氦气作为冷却剂带走钨瓦表面的热量。为确保偏滤器在高热运行工况下的稳定性，本文基于SDC-IC准则对优化前后偏滤器单元的机械性能开展了分析对比评估。分析结果表明，优化后的T管氦冷偏滤器单元结构性能更好，其结果为未来偏滤器的热—结构分析工作提供参考。

https://link.cnki.net/doi/10.16432/j.cnki.1672-5360.2025.02.008

 

浅谈托卡马克核聚变装置事故分析方法与监管要求

刘巧凤;潘昕怿;李春;陈妍;郭超;兰兵

事故分析是聚变装置面临的一项关键问题，是核安全监管部门关注的一项重要内容。本文分析总结了美国、欧盟等托卡马克聚变装置TFTR、JET、ITER等事故分析的实践，以及美国能源部和核管理委员会对于聚变装置事故分析的监管要求，提出了我国核聚变装置的事故分析方法和监管要求的建议。

https://link.cnki.net/doi/10.16432/j.cnki.1672-5360.2025.02.014

 

聚变实验装置稳态运行和假设事故释放氚的环境影响分析研究

崔威杰;栗再新;曹启祥;曹博

氘氚聚变被认为是能最早实现商用的可控核聚变反应，但放射性氚的使用带来了环境和人员的放射性风险。为评估氘氚实验装置稳态运行和假设事故工况下向大气中泄漏的氚对附近公众的照射危害，本文基于稳态高斯烟羽模型和高斯多烟团模型开发了剂量评估代码，结合国际热核聚变实验堆ITER安全报告中的气态氚化水释放量和我国石岛湾核电站厂址及ITER厂址的2023年ECMWF再分析气象数据，计算了公众从含氚空气中通过呼吸和皮肤吸收途径受到的氚照射剂量。结果表明，氘氚实验装置稳态运行时ITER厂址和石岛湾厂址附近的最大公众剂量分别为0.018mSv/yr和0.0304 mSv/yr，远低于ITER项目提出的0.1 mSv/yr剂量限值。事故工况下氚的再释放过程变得不可忽略，需要考虑氚在环境要素间的后续迁移。

https://link.cnki.net/doi/10.16432/j.cnki.1672-5360.2025.02.003

 

 

磁约束聚变等离子体物理实验装置逃逸电子辐射影响研究

张洁;李雪琴;徐坤;李亚东;陈太斌;张健;张鲁宁;王晓涛

随着核聚变技术水平和全球聚变关注度的不断提升，我国聚变装置数量随之不断增加。聚变装置技术路线多样、类型丰富、组成复杂，聚变装置的不断发展为辐射安全工作带来了新挑战。目前，我国已建成和正在建设的聚变装置多为以氢气为工作介质的磁约束聚变等离子体物理实验装置，这类装置的主要辐射风险来源于装置运行时逃逸电子在事故工况下产生的辐射影响。本文通过产生机理分析、理论估算评估和监测数据分析等方法对磁约束聚变装置的逃逸电子辐射影响进行了研究，并提出了相关辐射防护建议。

https://link.cnki.net/doi/10.16432/j.cnki.1672-5360.2025.02.013