周夢潔 胡立群 鐘國強 黃良勝 李 凱 周瑞杰 洪 兵肖 敏 張瑞雪

1（中國科學院等離子體物理研究所 合肥 230031）

2（中國科學技術大學 合肥 230026）

聚變能是一種安全、清潔，取之不盡用之不竭的新能源，其開發(fā)利用研究對于解決人類未來能源危機具有重要意義。通過半個多世紀的探索研究，磁約束核聚變被認為最具有商業(yè)應用前景。國內的東方超環(huán)（Experimental Advanced Superconducting Tokamak，EAST）是世界首臺建成并投入運行的全超導偏濾器位形托卡馬克磁約束聚變實驗裝置，建有大功率射頻波、中性束注入輔助加熱系統(tǒng)，70余項先進的等離子體診斷系統(tǒng)［1］和完善的在線輻射劑量監(jiān)測系統(tǒng)。運行初期，EAST進行了少量的氫、氦等離子體測試實驗，現階段主要開展氘等離子體聚變實驗研究。通過兆瓦級的大功率輔助加熱提高等離子體溫度，促使氘核燃料發(fā)生如式（1）、式（2）的氘氘聚變反應，并釋放大量的快中子。

EAST作為Ⅰ類射線裝置，在開展氘等離子體實驗時除了產生聚變中子外，還存在X、γ射線。其中高溫等離子體中本底熱電子發(fā)生薄靶軔致輻射以及雜質離子發(fā)生線輻射產生的大量低能X射線（keⅤ量級），受裝置內、外不銹鋼真空室壁的遮擋屏蔽，不會對外圍輻射環(huán)境產生影響。當等離子體中的電子受到的電場力大于碰撞阻尼力而被持續(xù)加速后成為高能逃逸電子，這部分高能逃逸電子轟擊裝置器壁或孔欄，發(fā)生厚靶軔致輻射產生的高能硬X射線（MeⅤ量級），則較易穿透裝置器壁，對外部輻射劑量產生貢獻。此外，高能逃逸電子或高能硬X射線還會與裝置第一壁、雜質等材料發(fā)生核相互作用，當能量超過反應閾值時，光中子產生。高能γ射線則主要來自下列三條途徑：輔助加熱產生的高能離子與雜質發(fā)生核反應產生γ射線；中子輸運過程中與周圍材料發(fā)生非彈性散射以及捕獲反應產生γ射線；裝置主機、周邊設備及大廳的結構材料發(fā)生中子活化反應產生放射性同位素，其衰變過程中產生γ射線。EAST裝置氘運行時中子產額最高可達1.0×1015n·s-1（設計值），對周圍輻射劑量水平的高低起主導作用。DD聚變中子（2.45 MeⅤ）的產額正比于聚變核反應率，其與燃料離子的溫度（Ti）、密度（ni）、快離子速度分布（?f）、能量及粒子約束時間（τe、τp）等參數密切相關。為提高這些與聚變核反應直接相關的等離子體參數，如今大、中型磁約束聚變裝置均會開展大量的高功率加熱實驗研究。近年來，EAST裝置通過不斷的升級改造，已建成源功率總計達30 MW的射頻波與中性束注入輔助加熱系統(tǒng)，并開展了各種加熱模式的等離子體實驗。本文展示了各種加熱實驗期間中子、γ（X）輻射強度演化的測量結果，并對不同實驗條件下的輻射行為和劑量分布特征進行了分析研究。

1 實驗系統(tǒng)概況

1.1 EAST裝置及加熱系統(tǒng)

EAST聚變裝置由全超導托卡馬克主機以及電源、低溫、輔助加熱、計算機控制、診斷測量、數據采集等多個系統(tǒng)構成，其主要的工程參數如表1所示［1］。為實現高參數、高約束穩(wěn)態(tài)運行的實驗目標，需充足的外部輔助加熱手段。目前，EAST裝置已建成并投入了多套兆瓦量級的高功率輔助加熱系統(tǒng)。其中包括以電子加熱為主的電子回旋共振加熱（Electron Cyclotron Resonance Heating，ECRH）和低混雜波（Lower Hybrid Waves，LHW）加熱，以離子加熱為主的中性束注入（Neutral BeamⅠnjection，NBⅠ）加熱，既加熱離子又加熱電子的離子回旋射頻（Ⅰon Cyclotron Radio Frequency，ⅠCRF）加熱。根據等離子體實驗內容的需求，來選擇以上各種加熱模式及其組合。輔助加熱的性能直接影響等離子體的參數品質，進而對聚變核反應率以及反應產物中子產生作用。因此，EAST輔助加熱實驗既是聚變等離子體物理研究的熱點，又是輻射劑量監(jiān)測研究的重點。

1.2 相關監(jiān)測系統(tǒng)

EAST裝置運行期間產生的中子、γ（X）劑量主要依靠實時在線輻射劑量監(jiān)測系統(tǒng)和離線累積劑量計監(jiān)測系統(tǒng)進行測量。在線輻射劑量監(jiān)測系統(tǒng)由13個監(jiān)測點組成，各監(jiān)測點包括一臺BF3中子探測器和一臺高壓Ar氣電離室［2］。通過RS485接口和以太網進行數據通信組網，在裝置進行放電實驗期間24 h連續(xù)運行，具備秒級（最高1 s）時間分辨能力。根據監(jiān)測點的位置差異，在裝置主機廳內的3個監(jiān)測點采用高量程的區(qū)域輻射監(jiān)測探頭，降低聚變等離子體脈沖輻射測量的堆積概率。位于主機廳1.5 m厚屏蔽墻外的10個監(jiān)測點，采用高靈敏度的環(huán)境輻射監(jiān)測探頭［3］，可對微量輻射進行有效測量。此外，在各監(jiān)測點還布置了光釋光和固體核徑跡劑量片，分別對γ（X）和中子劑量進行累積測量［4］。其測量的結果，可與在線輻射劑量監(jiān)測系統(tǒng)測得的累積劑量值進行比對校驗。為了便于開展聚變輻射劑量與各種加熱模式的關聯性研究，主要選取主機大廳內部2號監(jiān)測點的數據進行分析。該監(jiān)測點距離EAST主機外杜瓦11.3 m，固定于大廳西側內墻上，離地面約2.2 m。采用的BF3中子探測器，通過設置一定的脈沖閾值，具備良好的γ（X）射線甄別能力，同時避免了目前多數劑量當量率儀靈敏度偏低的缺點［5］。探頭經過特別改進設計，在BF3計數管外增加了熱中子吸收層，通過調節(jié)吸收層的開孔數和面積來調整探測器的靈敏度，使其滿足NBⅠ加熱時強中子脈沖輻射劑量監(jiān)測的需求［2］。選擇的球形高壓Ar氣電離室探測器，不僅具有較高的靈敏度和良好的穩(wěn)定性，還通過采用脈沖電荷積分技術，使得輻射劑量測量上限極大提高。此外，EAST裝置上的中子、γ輻射探測器分別采用標準放射源Am-Be源及鐳源進行刻度，檢定結果顯示儀器的總不確定度均小于15%，滿足輻射防護儀器校準的要求。

表1 EAST裝置主要工程技術參數Table 1 Main engineering parameters of EAST device

EAST裝置運行和輻射響應研究還涉及多項診斷參數，主要包括等離子體電流（Ip）、環(huán)電壓（Pcvloop）、電子弦平均密度（Ne）、中子輻射強度（Neutron-235U）、高能硬X射線（X-ray NaⅠ）及γ射線強度等。其中，最基本的等離子體電流、環(huán)電壓和電子密度參數將用于放電運行控制，而中子輻射強度、γ（X）射線強度（輻射強度均用計數率表示）等監(jiān)測結果用于評估等離子體參數品質及輻射行為研究。中子注量監(jiān)測系統(tǒng)測量的計數率為235U裂變室探測器測量的體積分中子輻射強度，采用重離子加速器打氘靶產生的單能中子（2.4 MeⅤ）對探頭的效率進行刻度，其絕對探測效率約為0.17%。高能硬X射線測量系統(tǒng)和γ射線測量系統(tǒng)是研究聚變等離子體中快電子、逃逸電子及快離子動力學行為的重要手段。其中，高能硬X射線和γ射線分別采用NaⅠ（Tl）、LaBr3（Ce）閃爍體探測器進行測量。采用多種同位素放射源（137Cs、152Eu、238Pu-13C）產生的單能γ（X）射線（能量范圍0.344～6.13 MeⅤ）對NaⅠ、LaBr3探測器的能量響應進行標定。兩種探測器在射線能量為0.2～8 MeⅤ時，均具有良好的能量線性。對于137Cs產生的γ射線，NaⅠ和LaBr3探測器的能量分辨率分別為10%、3.9%。

2 不同加熱模式下的輻射響應分析

2.1 歐姆加熱

利用歐姆場加熱等離子體是托卡馬克裝置最基本的一種加熱方式，其對于磁約束聚變等離子體的建立具有重要作用［6］。因而首先對該加熱模式下的輻射劑量進行監(jiān)測研究。選取了典型的兩炮歐姆放電，其放電波形如圖1（a）所示。#77056、#77347炮的平均電子密度分別為1.5×1019m-3和1.99×1019m-3，等離子體電流均為 400 kA。圖 1（b）表示兩炮歐姆放電過程中，在線輻射劑量監(jiān)測系統(tǒng)2號監(jiān)測點測得的輻射劑量，其中：N為中子劑量當量，G為γ劑量當量，Total為總周圍劑量當量。兩炮（#77056、#77347）等離子體放電產生的中子劑量當量分別為 0.4 μSv 和 0.3 μSv，γ劑量當量分別為1.3 μSv和1.38 μSv，總周圍劑量當量分別為1.7 μSv和1.68 μSv。

上述監(jiān)測結果顯示#77347炮的電子密度雖比#77056炮高33%，但#77347炮放電產生的總周圍劑量當量卻與#77056炮相當。該結果可能是由于#77347炮電子密度大，電子逃逸閾能大（閾能Wc∝Ne/E，E為電場強度），逃逸現象得到一定程度的抑制［7］，光中子成分減少，而在歐姆放電中光中子所占中子總產額是主要的［8］，因而中子計數減少，通過中子誘導產生的γ射線計數也減少，且與圖1（a）中中子、γ（X）輻射強度的時間演化規(guī)律相吻合。故在純歐姆加熱模式下，逃逸電子與物質相互作用產生的硬X射線以及硬X射線發(fā)生光核反應產生的光中子對總周圍劑量當量貢獻較大。

圖1 歐姆加熱時中子和γ(X)輻射強度的時間演化(a)及產生的輻射劑量(b)Fig.1 Temporal evolution of neutron and γ(X)radiation intensity(a)and radiation doses(b)under ohmic heating mode

2.2 低雜波加熱

低雜波驅動是利用等離子體對輸入頻段的低混雜波進行耦合吸收，進而加熱等離子體［9］。在該加熱模式下主要研究LHW不同注入時刻對輻射劑量的影響。圖2表示等離子體電流為500 kA，平均電子密度為2×1019m-3時注入頻率為4.6 GHz的LHW的放電波形圖。在電流爬升階段，電子密度低，電子逃逸閾能低，產生初始逃逸電子，γ（X）射線計數增加；LHW注入等離子體后，環(huán)電壓迅速下降，電子逃逸閾能增大，逃逸現象得到明顯抑制，γ（X）射線計數逐漸減少且隨時間的變化趨勢相似；LHW穩(wěn)定注入期間，γ（X）射線計數非常低且波動較小。#77470、#77481和#78915炮LHW注入等離子體對應的時刻分別為1.98 s、3 s和1.49 s，注入前產生的γ射線計數占一炮總γ射線計數分別為68%、88%和43%。故LHW注入時刻對γ劑量影響較大。

圖2 LHW加熱時中子和γ(X)輻射強度的時間演化Fig.2 Temporal evolution of neutron and γ(X)radiation intensity under lower hybrid waves heating mode

圖3 統(tǒng)計了2018年EAST裝置夏季實驗中，平均電子密度為2×1019m-3和3×1019m-3時，不同LHW注入時刻一炮等離子體放電在2號監(jiān)測點產生的中子、γ劑量當量。其中：g為γ劑量當量，n為中子劑量當量，g+n為總周圍劑量當量。結果表明：LHW注入時刻不同對低電子密度放電下γ劑量當量的影響比高電子密度大。區(qū)域1表示中子劑量當量，每一炮放電結束后的中子劑量當量都很低（低于0.1 μSv），幾乎不受LHW注入時刻不同的影響。因而在加熱期間，離子溫度變化不大，由聚變中子造成的劑量當量的影響基本可忽略。區(qū)域2表示LHW注入時刻相同（均為3.04 s）、功率不同的兩炮。#77065、#77067炮的功率分別為3 051 kW和3207 kW，#77065炮放電產生的γ劑量當量比#77067炮大，說明增加LHW功率，提高了電流驅動能力，降低了等離子體環(huán)電壓，從而有效抑制了逃逸現象的產生。故LHW加熱模式下產生的輻射劑量低于相同條件下的歐姆加熱。

圖3 LHW不同注入時刻對中子和γ劑量當量的影響Fig.3 Effects of different injection times of lower hybrid waves on neutron and γ dose equivalent

2.3 中性束注入加熱

中性束注入加熱是利用高能中性粒子注入等離子體內，與帶電粒子發(fā)生碰撞電離等過程，通過熱化加熱等離子體［10］。在僅有NBⅠ加熱模式下，EAST裝置放電過程釋放的中子主要來源于聚變中子，而光中子占很少部分，可忽略［11］。

選取了典型的三炮NBⅠ加熱放電，其放電波形如圖4（a）所示。其中，等離子體電流均為450 kA，#80981、#80982炮的平均電子密度為2.49×1019m-3，#80983炮的平均電子密度為2.63×1019m-3。三炮（#80981、#80982、#80983）等離子體放電在1.1 s時開始注入中性束，對應的實際功率分別為1 260 kW、1 245 kW和1 301 kW，此時中子、γ（X）射線計數迅速增加，且γ輻射強度的時間演化規(guī)律與中子類似。中性束注入等離子體后，束靶反應（氘束離子與主等離子體氘靶發(fā)生的反應）截面增大，導致聚變中子產額大約增加2～3個數量級，此時γ（X）射線主要來源于中子核反應。圖4（b）表示三炮NBⅠ加熱放電過程中，在線輻射劑量監(jiān)測系統(tǒng)2號監(jiān)測點測得的輻射劑量，其中：N為中子劑量當量，G為γ劑量當量，Total為總周圍劑量當量。由于中性束注入過程的持續(xù)時間不同（分別為6 s、5.5 s和3 s），三炮等離子體放電產生的中子劑量當量分別為6.30 μSv、5.07 μSv 和 2.30 μSv，γ劑量當量分別為 0.68 μSv、0.61 μSv 和 0.35 μSv，總 周 圍 劑 量 當 量 分 別 為6.98 μSv、5.68 μSv和2.65 μSv。表明中子、γ劑量當量不僅與中性束注入功率相關，還受注入持續(xù)時間的影響。

圖5統(tǒng)計了2018年EAST裝置夏季實驗中，等離子體電流為450 kA、僅NBⅠ加熱時單炮等離子體放電在2號監(jiān)測點測得的中子、γ劑量當量。通過擬合得到函數Dg（Dn）關系：Dg=0.146 2×Dn0.92，近似為線性，其中：Dn表示中子劑量當量，Dg表示γ劑量當量。由圖5可知，單炮等離子體放電產生的γ劑量當量隨中子劑量當量的增加近似呈線性增加，表明NBⅠ加熱模式下γ（X）射線主要來源于聚變中子。

圖4 NBⅠ加熱時中子和γ(X)輻射強度的時間演化(a)及產生的輻射劑量(b)Fig.4 Temporal evolution of neutron and γ(X)radiation intensity(a)and radiation doses(b)under neutral beam injection heating mode

圖5 NBⅠ加熱時單炮等離子體放電產生的中子劑量當量與γ劑量當量的關系Fig.5 Relationship between neutron and γ dose equivalent produced by plasma discharge of single shot under neutral beam injection heating mode

2.4 協(xié)同加熱

為研究EAST裝置上NBⅠ與射頻波協(xié)同加熱時中子、γ射線的多種來源，對2018年EAST裝置夏季等離子體放電實驗進行了歸納分析，圖6統(tǒng)計了等離子體電流為450 kA，NBⅠ與LHW、ECRH及ⅠCRF協(xié)同加熱時單炮等離子體放電在2號監(jiān)測點測得的中子、γ劑量當量。由其散點分布與僅NBⅠ加熱時的函數Dg（Dn）關系可知，中子劑量當量在2～40 μSv區(qū)間時，大部分數據點位于曲線下方，表明所有γ劑量當量由中子誘導γ射線造成，此時中子劑量當量除了聚變中子的貢獻外，可能光中子的輻射劑量貢獻較大；中子劑量當量在40～80 μSv區(qū)間時，大部分數據點位于曲線上方，表明γ劑量當量除了中子誘導γ射線造成外，還可能來源于硬X射線、高能離子的核反應等。在NBⅠ+LHW和NBⅠ+LHW+ECRH協(xié)同加熱狀態(tài)下，可能硬X射線對γ劑量當量貢獻較大。NBⅠ與ECRH協(xié)同加熱時，大部分數據點分布在曲線附近，表明ECRH的加入對中子、γ劑量當量影響不大。

圖6 NBⅠ與射頻波協(xié)同加熱時單炮等離子體放電產生的中子劑量當量與γ劑量當量的關系Fig.6 Relationship between neutron and γ dose equivalent produced by plasma discharge of single shot under neutral beam and radio frequency waves collaborative heating mode

3 結語

通過對歐姆、低雜波、中性束注入以及協(xié)同加熱下中子、γ（X）輻射強度與劑量的實驗測量，并結合氘等離子體運行參數進行分析研究。發(fā)現逃逸電子是影響歐姆加熱模式下光中子和γ（X）劑量的主要因素。在等離子體極低密度或高環(huán)電壓（破裂）的情況下，逃逸電子軔致輻射會產生大量的高能硬X射線以及光中子。低雜波加熱能有效驅動等離子體電流、降低環(huán)電壓，從而減少逃逸電子產生，進而使得高能硬X射線以及光中子劑量大幅度降低。因此，在相同參數條件下，低雜波加熱時的輻射劑量一般低于純歐姆加熱。中性束注入加熱時，來自束離子與主等離子體束靶反應產生的DD中子，使得中子總產額提高2～3個數量級。此時中子與周圍材料核反應產生的γ射線也大幅增漲，其對于監(jiān)測的γ（X）劑量貢獻占主導。因而，劑量測量結果顯示在中性束注入加熱時，中子與γ（X）劑量當量存在Dg=0.146 2×Dn0.92的線性關系。中性束與射頻波（LHW、ECRH、ⅠCRF）協(xié)同加熱時，中子、γ（X）射線的產生來源更加多樣化。因此，中子與γ（X）劑量當量并不能很好地符合上述的線性關系。通過對各種加熱模式下中子、γ（X）劑量進一步的實驗監(jiān)測和分析，可為聚變輻射數據庫建立奠定基礎，并為人員和周圍環(huán)境的輻射防護提供基礎數據。