美國核管理委員會預計，在2030年代，將有幾種不同的聚變技術實現商業化。美國核管理委員會希望在商業化開始之前完成聚變發展監管規定的制定，對此，開發商也表示同意。

1、商業化部署計劃推動監管規定的制定

勞倫斯利弗莫爾國家實驗室國家點火裝置靶室

美國核管理委員會(US NRC)正在推進聚變工業協會(FIA)所稱的“激進計劃”，以許可和監管聚變反應堆的發展。

2023年1月3日，聚變發展監管規定制定工作正式啟動，當時美國核管理委員會工作人員根據行業咨詢提交了一份題為《聚變能系統許可和監管方案》的文章。

這一過程也即將結束：美國核管理委員會計劃在2025年5月底公布其擬議的相關規定，并在2026年10月公布最終規定。

美國核管理委員會工作人員在其最初的文件中解釋說，聚變研究和開發活動以前主要是在美國能源部(DOE)的贊助下進行的。

關于推進聚變技術和等離子體物理學科學有關的研究和開發活動，主要由美國能源部在加利福尼亞州圣地亞哥的DⅢ-D國家聚變設施(National Fusion Facility)等設施中進行，也包括新澤西州普林斯頓的托卡馬克聚變試驗反應堆和國家球形環實驗，加利福尼亞州利弗莫爾的國家點火設施。

加利福尼亞州、紐約州、華盛頓州和威斯康星州均已獲得聚變研究與開發活動的許可。

DⅢ-D國家聚變計劃設施中的可操縱中性束注入器

2009年，該領域預計聚變能裝置的發展將需要一個監管框架，但當時美國核管理委員會認為，在開發上投入大量資源還為時過早，并指示工作人員等到聚變技術的商業部署變得更加可預測。

但商業公司現在的目標是在2030年代進行系統的商業化部署，因此在2020年，委員會指示美國核管理委員會工作人員考慮對聚變反應堆設計進行適當處理(這一規則制定將與正在進行的先進核裂變反應堆規則制定分開進行，后者將創建《美國聯邦法規》第10篇第53部分)。

為核聚變制定專門的監管路徑可能帶來的優勢，證明了監管規定制定的合理性。

規定將把預期的聚變能源系統納入副產品材料監管框架;確保現場儲存的大量氚有適當的安全要求;更新應用程序要求的內容，以便適當應用和擴展現有要求(例如應急準備、財務保證和設施設計);為行業提供監管確定性，為公共利益相關者提供明確性;統一核管理委員會和協議州管轄范圍內的聚變能系統許可、監管和監督要求;增加決策標準，以確定特定的聚變能系統是否是利用設施;減少使用豁免、許可證條件或適用適當監管標準的命令的潛在需求。

2、聚變規則制定

普林斯頓托卡馬克聚變試驗堆的全景圖

在其“選項”文件中，工作人員闡述了裂變和聚變之間的一些根本區別。

聚變不涉及钚或鈾-235材料，因此NRC文件中定義核裂變反應堆的自持中子鏈式反應不可能用到聚變方面，聚變也沒有相關的裂變產物危險。

核聚變中使用的氚和其他放射性物質，通常被美國核管理委員會歸類為副產品。

聚變中有三種常見的等離子體約束方法：磁性、慣性和磁慣性。

聚變裝置通常要保持真空環境，等離子體中的帶電粒子(如自由電子和原子核)在該環境中發生反應。

通過加速粒子并傳遞動能(即提高等離子體溫度，并將產生的粒子排放到介質中(進入等離子體、墻壁或增殖毯，產生放射性物質，如氚和其他活化產物)。

聚變工業協會的一項調查顯示，聚變電廠的火力發電量預計從千瓦到吉瓦不等。

商業聚變發電廠的預期氚庫存預計將低于100克，在運行期間，等離子體中的氚實際含量為0.1克或更少。

在聚變裝置容器破裂和真空喪失的情況下，維持聚變反應的等離子體將坍塌，反應隨之結束，并最大限度地減少驅動放射性釋放的能量和可用于釋放的材料。

此外，聚變裝置意外大功率偏移等情況發生的可能性更低，因為聚變的持續必須不斷引入新的燃料，并去除燃燒的燃料，才可以維持聚變反應。

因此，保護公眾健康和安全的關鍵方面是：

放射性物質的封存;伽馬和中子輻射屏蔽;是否存在用于增殖氚的支持系統;以及現場氚或其他放射性核素的庫存，這些放射性核素可能數量巨大并滲透到結構材料中。

大型工業能源生產設施的典型危害，如：高磁場;等離子體破裂引起的熱沖擊;冷卻液損失;氫氣或粉塵爆炸;化學危害、低溫釋放;使用高功率激光器。

聚變能系統可能使用低活化材料(如鐵素體/馬氏體鋼、釩合金和碳化硅/碳化硅復合材料)，并且它們不會產生需要冷卻才能轉移到儲存庫的長壽命、高放射性廢物。

因此，聚變能源系統的大部分廢物將是低放射性的。

然而，一些擬議的設計可能會產生超過C11級的廢物和氚化廢物，在商業規模聚變能源系統的開發商準備許可時需要對其進行評估。

廢物量的處置途徑將是許可系統的一部分，并有退役資金計劃。

美國核管理委員會了解到，根據設計、使用的材料和系統的操作方式，來自聚變系統的廢物量可能大于來自裂變反應堆的廢物量。

目前定義中使用的廢物分類表中，是否包含有問題的放射性核素，如“C類”廢物，也存在不確定性。

這意味著許可證申請必須列出預期的廢物量、處置計劃和成本，以便在現有框架下將聚變系統的廢物與低放射性廢物一起處置。

預計近期聚變能源系統將不同于歷史上考慮的設施。后者基于運行在3 GWt以上的氘氚托卡馬克。

然而，FIA的一項調查顯示，預計近期聚變發電廠的規模將大不相同，從幾千瓦開始。

為了評估聚變能系統的監管框架，美國核管理委員會的工作人員重點關注了正在開發中的潛在近期概念，以在美國部署。對于正在開發設備構想是：

不存在裂變材料，也不可能達到臨界狀態。目前設想的聚變能系統需要主動工程特征(如等離子體約束機制、真空維持系統、燃料噴射、外部加熱)來實現自持聚變反應。

聚變反應產生的能量和放射性物質，在非正常事件或事故情況下可以立即停止。

為了防止放射性物質的損失，不需要對含有放射性物質的聚變進行主動停堆后冷卻。

在可信事故期間，聚變裝置、加工或儲存過程中或活性材料中存在的放射性核素，無論其可移動量有多大，預計都會對工人和公眾造成低劑量輻照。

基于這些特征，美國核管理委員會工作人員預計，為了盡量減少對工人和公眾的輻射劑量，聚變能系統的安全重點，將放在現場放射性物質的控制、限制和屏蔽上，而不是放在裝置的性能和控制上。

在一次在線會議上，美國核管理委員會工作人員表示，他們認為目前的10 CFR第20部分的規定要求，足以滿足聚變中使用的氚。

活化產物可能屬于不同的規則(第37部分)，隨著聚變能系統的發展，人們對可能產生的同位素有了更好的了解，這一規則將變得更加清晰。

美國核管理委員會的一位代表說：“我們可以肯定地說，聚變設施將需要具備應急響應能力，場外響應要與放射性危害相稱。

”應急準備和響應術語可能與其他機構保持一致，如聯邦應急管理局(FEMA)、美國能源部以及州和地方場外響應組織。

3、討論領域

大部分氚制導沒有反映從英國JET等現有聚變設施中獲得的實際經驗。

針對2024年5月的規則制定草案，聚變工業協會向核管理委員會工作人員提出了幾個反思領域。

其中第一個是對新規則制定至關重要的兩個定義：粒子加速器和聚變系統。

FIA及其成員公司表示，所有可預見的聚變機器都是粒子加速器——這與委員會的立場是一致的——他們希望確保監管定義“明確反映出對這種技術理解”。

美國核管理委員會工作人員最新提出的規則明確指出，粒子加速器可以包括聚變機，但并沒有規定所有聚變機都是粒子加速器。

美國核管理委員會提議刪除一項聲明，即該定義適用于“通常超過1 MeV的能量”。

FIA表示，不需要做出改變來適應聚變機器，如果刪除，可能會無意中將定義擴展到其他技術。

核管理委員會工作人員還更新了“聚變系統”的擬議定義，但FIA希望保留立法中已有的定義(H.R.6544，“原子能推進法案”)，稱其簡單、實用、穩健，避免了不必要地納入可能位于現場但不是聚變機一部分的輔助材料和系統。

FIA提出的其他問題，主要圍繞指導草案(指導草案初稿，NUREG-1556第22卷)。

該組織表示，它應該只適用于商業聚變機器中副產品材料的使用和擁有，而不是研發。

FIA表示，美國核管理委員會的工作人員已經“十分努力”使指導意見初稿具有技術包容性和績效基礎，特別是考慮到聚變技術的多樣性。

但FIA看到了一些例子，其中更加關注基于氘氚(D-T)聚變的系統，并提到了規定性要求。

例如，有一節指出，氚“將作為副產品生產”，因此需要對大氣煙囪進行氚監測。

FIA希望做出改變，說氚“可能會被生產出來”。

許可證申請目前必須包括關于氚處理系統和增殖毯的操作和應急程序的聲明，但并非所有聚變機器都會使用這些。

目前，熱交換系統“應完全封閉，以防止活性材料和氚進入空氣中”，但FIA希望取代這一規定性語言，允許許可證申請人說明他們將如何確保活性氚不會進入空氣中。

TAE第五代聚變研究反應堆，該反應堆運行溫度超過7000萬℃。

另外，一家名為TAE Technologies的公司展示了目前正在開發的各種聚變技術。

在5月份的一份回復中，它提醒美國核管理委員會注意后者所宣稱的“風險知情、技術中立的方法”的目標。

TAE Technologies提供了一種質子硼聚變方案，該方案具有較低的放射性和環境風險。

它表示，監管語言和指導應修改對氚的引用，以澄清要求不適用于不使用或不生產氚的系統，否則這種不確定性，可能意味著開發新方案所需的前期投資面臨風險，并對它所說的風險較低的方案產生“不正當的市場抑制作用”。

FIA還希望申請人能夠自行承擔風險，做出開始施工的商業決定，并表示在許可證頒發之前開始施工不應成為拒絕申請的依據。

它說，法規不應將9個月的提交時間表作為事實上的要求(如10 CFR 30.32)。

FIA還表示，聚變機器可能會從研發重點過渡到商業運營，而無需對設施或設計進行重大更改。

提出的聚變設計多種多樣，“假設聚變機器從研發目的過渡到商業目的，將顯著改變其對環境質量的影響，從而使其許可審查過程延遲九個月是合理的，這似乎是不一致的”。

報告稱，無論如何，政府都在努力縮短清潔能源設施的許可時間，“這項增加九個月延遲的提議，沒有立即明顯的環境或安全效益，似乎與此背道而馳”。

有些要點涉及操作制度，例如每兩年對所有許可材料進行一次實地盤點。這“可能需要一個廣泛的、物理密集的過程，可能需要將設施完全關閉幾天，甚至幾周”，并可能暴露在輻射環境中。

”FIA表示，這一要求“似乎沒有明確的安全基礎”。

其他一些要求“與安全無關”：

附錄F要求對電源和磁鐵進行施工監測和驗收測試，但從公共健康和安全的角度來看，這些系統在限制副產品材料方面沒有任何作用，而只是從聚變性能的角度來看。

第8.9.9節要求備用電源，但許多聚變機器不需要備用電源來維持輻射安全。

大部分氚制導并沒有反映從JET等現有聚變設施中獲得的實際經驗。例如，不應先驗地假設火災探測系統需要關閉通風系統，以盡量減少氚氧化的風險。

4、面向大眾市場

Helion Energy已要求美國核管理委員會不要拖延向商業聚變行業的許可框架過渡。

一位潛在的聚變運營商Helion要求美國核管理委員會不要拖延向商業聚變行業的許可框架過渡，在該行業中，多個反應堆是串聯生產的，并確保其環境法規與可能的環境影響相稱。

在今年8月的一封信中，Helion要求美國核管理委員會“研究并編寫一份關于大規模制造聚變機器的特定設計許可框架的報告”。

該公司表示，由于其50 MWe的磁慣性聚變裝置直接將聚變能轉化為電能，因此需要更少的取排水。

其發電機將在工廠生產和組裝，在制造過程中不需要放射性物質也不需要許可證，并且預計“最早在2030年代初”能夠大規模制造。

它說，“第30部分框架非常適合支持大規模部署……盡管如此，在適當的時候，大規模制造的聚變機器的高通量、低影響部署將需要一個更有效的替代許可流程，可以與傳統的逐站點許可方法并行使用。

該公司補充道：“即使大規模部署可能還需要幾年時間，關于第30章框架如何發展以做好準備的批判性思考——比如開發一個“聚變生成器注冊表”——現在就應該開始了”。(完)

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