聚变堆放射性核素的环境迁移与公众后果研究

摘要

氘氚聚变反应在实现能量自持方面需要最低的聚变三重积，因而被认为是能够率先实现商业聚变能的聚变反应。氘氚聚变反应也带来了特殊的放射性安全问题:一方面氚具有放射性，另一方面聚变反应产生的中子和材料发生活化反应，产生放射性活化产物。以国际聚变堆ITER为例，整个聚变系统内的最大氚盘存量约4 kg，其中真空室内最大可移动的放射性物质分别为1 kg氚和1000 kg活化粉尘。放射性物质的潜在环境释放会影响公众健康，大量级的释放还可能导致公众急性死亡。因此，聚变堆放射性物质释放的环境和公众影响是制约未来聚变能发展的重要因素。
　　鉴于氚的环境迁移和生物代谢特性，本文针对聚变堆在正常运行和事故状态下混合氚源（HT和HTO）的环境释放，在FDS团队多年深入研究开发的TAS2.0基础上，建立了氚大气弥散模型、土壤迁移模型、生物代谢模型和剂量计算模型。同时根据个体受辐照剂量和急性死亡、癌症发生率的关系，最后实现了氚释放的环境迁移和公众健康评价。并开展了国际知名程序UFOTRI、ACUTRI和HotSpot的子模块测试，IAEA-EMRAS-WG7框架协议例题的集成测试，及加拿大大气HT释放实验数据的验证，为聚变堆氚释放的环境迁移和公众后果评价提供了一套合理、准确的模型。
　　其次，基于模型程序，对聚变堆在正常运行和事故状态下氚释放的环境迁移规律和公众剂量进行模拟分析，并对聚变堆的氚释放标准进行讨论和建议。正常运行时，评估了ITER类型聚变堆正常运行的公众剂量，结果表明，ITER类型聚变堆正常运行的公众辐射剂量远低于辐射剂量限值，甚至低于豁免水平。因此，从辐射防护的角度，未来聚变堆的氚排放标准建议在ITER氚排放标准基础上适当放宽，约一个量级。事故状态下，对单位氚瞬态释放后，环境中的氚浓度和公众个人剂量进行评估分析，同时参考中国和ITER对事故分类、对应的剂量限值的规定，对聚变堆不同事故状态下的最大允许氚释放源项进行反推，从辐射防护角度阐述聚变堆的最大允许氚释放源项参考数据。
　　最后，考虑到历史上两次7级裂变核事故对环境和公众造成的严重后果，对聚变堆假想事故在保守释放和环境状况下的环境和公众后果进行评价。主要从事故描述、放射性释放源项、公众个人剂量、致死区域和环境恢复时间等角度进行系统性评价，此外，考虑到中国积极的核能政策和人口密度大的国情，基于中国某沿海核电厂址周边80 km内的人口分布数据，对假想事故导致的公众急性死亡、急性癌症率进行评价。为进一步从环境和公众后果角度阐述聚变堆的安全特性，分别与两次7级裂变核事故的环境释放源项在同等环境状况下的公众后果进行对比分析。结果表明，聚变堆虽然具有一定的安全优势，但同样可能引起严重的公众辐射后果。

目录

声明

摘要

第一章 引言

1．1 能源与聚变

1．1．1 世界能源需求概况

1．1．2 现有能源的局限性

1．1．3 聚变能的意义

1．2 聚变堆的研究进展概况

1．2．1 国际热核实验堆

1．2．2 聚变示范堆

1．2．3 聚变动力堆

1．3 聚变堆潜在释放的放射性物质

1．3．1 氚

1．3．2 可移动活化产物

1．4 聚变堆放射性核素的环境迂移研究进展

1．4．1 活化物质环境迁移行为

1．4．2 氚环境迂移行为

1．4．3 氚环境迁移模型

1．4．4 公众健康效应

1．5 研究目标与意义

1．6 研究内容简介

第二章 氚环境迁移模型研究

2．1 氚环境迁移模型

2．1．1 大气弥散模型

2．1．2 土壤迁移模型

2．1．3 植物代谢模型

2．2 动物、人体氚代谢与健康模型

2．2．1 氚代谢与剂量评价模型

2．2．2 剂量健康效应响应模型

2．3 模型程序开发与测试

2．3．1 氚环境安全模块的集成及功能

2．3．2 测试例题Ⅰ：UFOTRI程序

2．3．3 测试例题Ⅱ：IAEA-EMRAS-WG7国际联合测试例题

2．3．4 测试例题Ⅲ：加拿大HT大气释放实验

2．4 小结

第三章 聚变堆氚释放的公众个人剂量分析

3．1 公众辐射防护标准

3．1．1 公众辐射防护概况

3．1．2 运行工况与公众个人剂量限值

3．2 正常运行的公众个人剂量

3．2．1 环境状况

3．2．2 公众个人剂量分析

3．3 单位氚瞬时释放的公众个人剂量

3．3．1 环境状况

3．3．2 公众个人剂量分析

3．4 最大允许氚释放量分析

3．5 小结

第四章 聚变堆假想事故的公众后果分析

4．1 假想事故描述

4．2 放射性释放源项

4．2．1 放射性物质种类与活度

4．2．2 事故等级定义

4．3 公众剂量评价

4．3．1 保守环境状况

4．3．2 公众剂量分析

4．4 环境自然恢复

4．4．1 评价方法

4．4．2 环境恢复时间

4．5 急性死亡、癌症发生率

4．5．1 致死区域

4．5．2 人口分布

4．5．3 急性死亡、癌症率评价

4．6 小结

第五章 总结与展望

5．1 总结

5．2 本文的创新点

5．3 下一步工作展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果