将D1S方法应用于钨材料存在的高通量聚变环境：以ITER为例

《Fusion Engineering and Design》：Adapting the D1S methodology for high-fluence fusion environments with tungsten: application to ITER

　　阿尔贝托·比特斯尼奇|马可·法布里|帕特里克·索万|安东尼奥·赫苏斯·洛佩斯-雷韦列斯|阿尔雅兹·科尔谢克|尼尔·泰勒|阿尔弗雷多·波尔托内
西班牙巴塞罗那对角线大道647号，加泰罗尼亚理工大学

摘要
核聚变反应堆运行过程中产生的放射性核素的衰变是主要的安全部署问题之一，它不仅会导致在停机和维护阶段工作人员受到辐射，还会损害关键电子设备。因此，像ITER这样的核聚变反应堆的安全验证需要精确评估停机剂量率。近年来，由于计算速度远快于严格两步法，直接一步法被广泛采用。然而，当直接一步法的假设不再成立时，例如在钨等材料中发生多步衰变反应时，就需要探索其他替代方法。本文旨在研究并开发针对ITER反应堆特定情况的直接一步法改进方案，因为ITER的第一壁材料采用了钨。钨的活化会引发多步衰变，使得标准的直接一步法无法用于准确计算反应堆内的停机剂量率。本研究的目标是提出一种既能保留直接一步法优势又能确保ITER辐射安全所需精度的改进方法，同时评估第一壁材料更换对反应堆内停机剂量率的影响。

引言与背景
对ITER等核聚变反应堆内部辐射条件的评估是确保运行安全、有效维护以及保护人员及电子、电气和机电设备等敏感设施的关键。在反应堆运行期间，暴露在高强度中子流下的材料会被活化，从而形成放射性核素。停机后，这些核素的衰变会释放辐射。在过去二十年里，为平衡计算速度与精度，同时确保结果的可靠性，ITER的停机剂量率计算方法经历了显著发展[[6],[7],[8]]。2000年代初，ENERA（意大利国家新技术、能源与可持续经济发展局）与ITER核心团队合作开发了直接一步法[3]，该方法与传统工作流程相比实现了真正的范式转变。

ITER案例：活化路径计算
为分析ITER远程操作系统在部署过程中的辐射环境，研究人员使用FISPACT-II[14]对多种ITER材料进行了活化计算，所用的核数据库为EAF-2010[15]（VITAMIN-J-175能量组）。这些计算主要围绕三个目标展开：首先，确定对停机伽马剂量率有贡献的主要核素，通过半无限厚板的接触剂量来进行分析；其次，研究存在多步衰变反应的材料情况下直接一步法的适用性调整。

存在多步衰变反应材料时的直接一步法改进
在直接一步法中，TCF（下文简称α）表示核素的活性与其生成反应速率之间的线性比例系数：
Adaughter=α*RRparent,0
其中，RRparent,0=I∑iNip∫σi(E)φ(E)dE，表示材料中最初存在的所有母核素的生成反应速率之和；I为中子源强度[n/s]；φ(E)为单位中子源的中子通量[1/cm2/n]；σi(E)为与能量相关的微观截面。

扩展方法的验证
在ITER运行期间，如偏滤器组件之类的反应堆内部部件需要在远程维护与放射性处理设施（即原来的高温舱）中进行维护、储存或退役处理。由于这些部件的活化程度很高，它们将通过远程操作容器从托卡马克装置中转移出来[21]。由于这些操作过程中源和屏蔽装置的配置会发生变化，因此该设施的辐射场也会随之改变。

孤立情况下偏滤器的停机剂量率计算
采用钨/铍作为第一壁材料时的反应堆内停机剂量率分析
在ITER运行期间，DT等离子体中的中子会活化第一壁和屏蔽层中的材料，这些材料会释放衰变光子，最终到达等离子体室。为了解析采用新第一壁设计时的ITER远程操作期间的辐射环境，研究人员针对SA2辐照场景以及24小时、106秒和30天三种冷却时间，计算了反应堆内的辐射分布图。

用钨替代铍会导致真空室内的停机剂量率发生变化。

结论
本研究分析了直接一步法相对于严格两步法的优势与局限性，提出了一种改进后的直接一步法，可用于正确处理通过多步反应产生的核素，尤其关注钨中的Ta182核素。这一改进已被纳入当前的ITER辐射传输分析流程中，用于计算采用钨作为第一壁材料时的反应堆内停机剂量率，而钨目前已被确定为新的基准材料。针对ITER的专用直接一步法计算……

免责声明
本研究得到了F4E的资助。本出版物仅反映作者的观点，F4E不对本文所含信息的任何使用方式负责。本文观点不一定代表ITER组织的立场。

作者贡献说明
阿尔贝托·比特斯尼奇：正式分析、研究、软件开发、验证、初稿撰写。马可·法布里：概念设计、数据整理、研究、项目管理、监督、审稿与编辑。帕特里克·索万：概念设计、正式分析、研究、方法论、软件开发、审稿与编辑。安东尼奥·赫苏斯·洛佩斯-雷韦列斯：概念设计、正式分析、研究、方法论、软件开发、审稿与编辑。阿尔雅兹·科尔谢克：正式分析。