美核管會發(fā)布核聚變能系統(tǒng)監(jiān)管白皮書

美國核管會（NRC）2022 年9 月發(fā)布《核聚變能系統(tǒng)的許可和監(jiān)管白皮書》（草案），介紹了核管會為建設聚變能系統(tǒng)監(jiān)管框架開展的工作及相關成果，并提出了三種監(jiān)管方案，以供未來的進一步工作參考。

1 基本背景

近年來，受益于長期研究的積累及相關科學技術的進步，聚變技術研發(fā)不斷取得突破，并在全球范圍內迎來一波研發(fā)熱潮。根據聚變產業(yè)協(xié)會（FIA）最新發(fā)布的《2022 年全球聚變產業(yè)報告》，目前全球有30 多家私營企業(yè)（詳見圖1）正在開展約20 種聚變技術研究，多家企業(yè)有望在本世紀20 年代中后期完成其聚變技術的概念驗證，包括實現凈能量收益，并且許多企業(yè)計劃在30 年代實現聚變技術的商業(yè)化部署（詳見圖2）。美國政府2022 年3 月在白宮聯(lián)合舉辦首屆聚變峰會，宣布未來十年是聚變能發(fā)展的關鍵期，將領導相關各方制訂和實施聚變能發(fā)展戰(zhàn)略，加速這一清潔能源技術的商業(yè)化進程。但是，許多企業(yè)表示，聚變能商業(yè)化進程面臨著一項重要挑戰(zhàn)，即監(jiān)管不確定性。

美國2019 年《核能創(chuàng)新和現代化法》要求核管會在2027 年12 月31 日之前完成相關法規(guī)的制定，建立一個具有技術包容性的監(jiān)管框架，推進先進反應堆的研發(fā)和部署。先進反應堆包括裂變堆和聚變堆。

核管會在2020 年10 月的一份工作文件中要求工作人員就聚變能系統(tǒng)的許可和監(jiān)管事項制訂方案，以供參考。隨后，相關工作人員啟動了聚變技術潛在風險評估和監(jiān)管框架研究工作。

圖2 私營聚變技術開發(fā)企業(yè)對聚變技術發(fā)展前景的預測結果

2 風險評估結果

白皮書表示，雖然聚變技術的發(fā)展仍然面臨不確定性，但近期的技術突破有望支持聚變技術在本世紀30 年代實現商業(yè)化應用。

相對于裂變技術，聚變技術具有五點優(yōu)勢。一是不需要可用于制造核武器的钚和鈾-235等核材料，不會發(fā)生自持式鏈式反應。二是不會產生需要在地質處置前進行冷卻的長壽命高放廢物，聚變能系統(tǒng)產生的廢物大多為低放廢物。三是系統(tǒng)發(fā)生泄漏后，聚變反應會立即停止，因為這種反應需要在真空環(huán)境中對等離子體進行持續(xù)加熱和約束。四是系統(tǒng)內部處于真空，在泄漏發(fā)生時，外部空氣進入系統(tǒng)的速度將快于聚變燃料和聚變反應產物向外逃逸的速度，因此系統(tǒng)在泄漏初期時的泄漏量較少。五是一些研究表明，即使完全喪失能動冷卻系統(tǒng)，設備結構件也不會熔化。

總體而言，聚變能系統(tǒng)的風險水平比現有大型輕水堆低得多。聚變能系統(tǒng)的主要放射性危害來自于其擁有的放射性材料以及在運行期間產生的放射性。因此，限制放射性材料（例如氚和活化材料）數量和屏蔽放射性（例如γ 射線和中子射線）是保護公眾健康與安全的重點關注領域。

3 三種監(jiān)管框架

在對相關技術、監(jiān)管和法律因素進行全面考慮之后，白皮書就聚變能系統(tǒng)建議了三種監(jiān)管框架。

一是在“應用設施”框架下監(jiān)管聚變能系統(tǒng)。如果采用這一方案，則可以認為聚變能系統(tǒng)與先進裂變堆一樣，對共同防御和安全有重要意義，或會影響公眾健康和安全。這一方案的優(yōu)點是核管會正在以技術包容、風險指引和基于性能的方式制定先進裂變堆監(jiān)管框架。如果這一框架能適用于聚變能系統(tǒng)，則能大幅減少相關的法規(guī)制定工作。不足之處在于聚變能系統(tǒng)的風險低于先進裂變堆，兩者適用同一框架，聚變能的相關優(yōu)勢不能得到充分體現。

二是在“副產物設施”框架下監(jiān)管聚變能系統(tǒng)。這一框架具有可擴展性，目前用于對從低風險（如便攜式儀表）到高風險（如全景輻照器）的各種設施和設備進行監(jiān)管。這一方案的優(yōu)點是能夠為聚變能系統(tǒng)的許可和監(jiān)督提供可擴展的技術中立框架，有利于聚變能系統(tǒng)盡早實現部署。不足之處在于：隨著聚變技術的發(fā)展，可能會出現規(guī)模更大、危險性更高的聚變能設施，因此未來會需要針對性地開展大量法規(guī)制定工作。

三是前兩種方案的某種組合，即針對聚變能設施的具體潛在危害，綜合采用上述兩種框架。這一方案的優(yōu)點是：提供了一種分級方法，能夠涵蓋所有潛在的聚變技術，確保對具有更大危害的聚變能系統(tǒng)適用“應用設施”監(jiān)管框架。不足之處在于：正在開發(fā)的核聚變技術種類繁多，很難制定決策標準，這可能會導致監(jiān)管體系變得更加復雜，使聚變能的商業(yè)化在短期內面臨監(jiān)管不確定性。

4 小結

聚變能被視為終極能源，能夠幫助人類擺脫對化石燃料的依賴、進入全新的能源時代。但實現聚變能的商業(yè)化應用需要解決大量技術和工程難題，被美國國家工程院評為人類在21 世紀面臨的14 大科技挑戰(zhàn)之一。近年來，隨著科技的持續(xù)發(fā)展，聚變技術不斷取得突破。許多企業(yè)認為，在21 世紀30 年代實現聚變能商業(yè)應用是一個可以實現的目標。美國政府認為未來十年是聚變能發(fā)展的關鍵期，因此政府將推動相關各方加強合作，形成合力，共同推進聚變能的商業(yè)化進程。

全球主要國家的現有核監(jiān)管框架主要基于大型輕水堆的建設和運營經驗，不適于聚變這種尚處于研究階段的新興技術。因此，聚變技術商業(yè)化過程中面臨的一項重要挑戰(zhàn)是監(jiān)管方面的不確定性。為了幫助技術開發(fā)商應對這一挑戰(zhàn)，美國核管會已啟動聚變技術監(jiān)管框架的研究工作，并取得初步成果。