2024年5月4日发(作者：)

基于ITER的聚变堆屏蔽关键性问题研究

聚变能被认为是未来能够永久解决人类能源问题的清洁能源。目前欧洲、中

国、日本、韩国、俄罗斯等各主要国家和地区进行了一系列聚变反应堆相关研究。

辐射屏蔽作为聚变反应堆的重要子系统,是聚变辐射安全的第一道防线。但

是,由于聚变堆的复杂结构与特殊的屏蔽要求,现有裂变堆和加速器屏蔽设计的

工具与经验不能直接套用,需要针对聚变堆屏蔽问题进行专门的研究。

作为目前最大的国际科技合作项目之一,国际热核聚变实验堆(ITER)已经进

入工程建造阶段,建成后将为聚变能最终走向工程应用发挥重要作用。辐射屏蔽

是ITER装置安全研究的主要内容之一,对其下一步获取安全许可具有重要意义。

因此,本文基于国际热核聚变实验装置ITER的设计,开展聚变堆辐射屏蔽的

初步研究,具体内容包括：(1)从聚变堆的基本工作原理出发,分析聚变堆的辐射

源类型及其特征,针对聚变堆部件及人员防护的目标,结合调研,明确聚变堆屏蔽

设计的要求及其限值确定依据,包括超导磁体、焊接部件、电子设备等重要部件

的屏蔽要求,人员防护要求以及托卡马克装置的剂量率控制要求等,最后总结聚

变堆屏蔽的方案设计、计算评估、设计验证几大方面存在的问题与挑战。(2)在

ITER设计与已开展的分析基础上,结合最新的设计变化,通过提高模型精度、改

进计算方法,进一步研究ITER装置中面向等离子体部件的冷却剂活化问题、典型

包层活化问题,对ITER托卡马克装置中比较典型的屏蔽问题进行补充分析,重点

评估了包层中第一壁与屏蔽块间重复焊接的可行性,比较分析了ITER窗口贯穿

辐射对低温室停堆维修剂量的影响,评估优化了ITER托卡马克大厅窗口室屏蔽

设计、热室大厅屏蔽设计,发现了ITER目前屏蔽方案的不足和缺陷,并提出优化

建议和改进措施。

同时,根据ITER与未来聚变堆的异同点,结合ITER屏蔽评估结果,定性地分

析未来聚变堆的屏蔽设计中将可能存在盼问题与难点,并讨论ITER设计分析经

验的适用性,可为未来高功率聚变堆的屏蔽设计与分析工作提供一定的参考和指

导作用。(3)针对屏蔽计算中模型简化、材料均匀化、中子能群结构选择等常见

问题,以ITER屏蔽包层作为分析对象,分别研究其对屏蔽性能评估、材料活化计

算的影响。

通过研究发现,在聚变堆屏蔽计算中,基于简化模型评估的结果是不保守的,

计算结果的差异最大高达3倍,超出屏蔽设计中常用的2倍安全因子。通过以上

研究,一方面为ITER的屏蔽设计与优化以及安全许可申请提供重要数据和参考,

另一方面可以为我国聚变堆屏蔽设计准则的制定以及未来聚变堆的屏蔽设计提

供重要指导和参考。