一提到核聚變，大家都認為它具有安全性提高、放射性風險降低、沒有長周期放射性廢物和燃料供應幾乎取之不盡的美好前景。然而，核聚變反應堆確實利用和產生一些放射性材料，而且，降低這些材料的影響是聚變反應堆設計的必要內容。核聚變的安全性問題與核裂變遇到的問題類似，也又有所不同，美國能源部支持的課題研究和項目開發，已經深入到“核聚變反應堆材料和系統中氚和放射性核素傳輸”這樣的核心問題。

在愛達荷州國家實驗室(Idaho National Laboratory，INL)的安全和氚(chuan)應用研究(STAR)設施中進行的實驗和建模，是該研究的關鍵部分。

中子活化效應的控制

中子活化后的一個直接結果是反應堆關閉后會產生衰變熱。全世界正在設計的許多聚變反應堆，都設想使用還原激活鐵素體/馬氏體(RAFM)鋼作為包層和其他結構的主要結構材料。雖然衰變熱的精確控制取決于每個設計的細節，然而，和裂變反應堆相比，聚變反應堆衰變熱產生的減少一半或更多。

衰變熱也分布在整個包層和圍繞環形等離子體的容器里，主要是在半徑幾米或更多的區域內，這比裂變反應堆的核心燃料區大得多。因此，聚變產生的衰變熱密度較低，從而使得衰變熱這個問題比在裂變反應堆中更容易處理。然而，確保在流損或冷卻液損失事故等情況下能夠完全解決這個問題，仍然是聚變反應堆設計的一個重要安全目標。

美國聚變反應堆方案研究的一個目標長期都是演示驗證非能動衰變熱管理，能源部將優先實現非能動衰變熱導出納入了聚變堆安全標準。

通過有效地管理衰變熱，聚變反應堆積累的大部分放射性核素被安全地固定在固體結構中。雖然冷卻劑中存在的放射性核素可能被激發，但大多數聚變堆的冷卻劑具有固有的低激發特性。候選冷卻劑包括氦、PbLi和FLiBe。長期以來，PbLi一直是美國包層設計的焦點，要關注的激發物質是汞-203和釙-210。釙-210通過鉍-209的兩步激發而產生，因此，主動控制鉍的濃度成為限制Po-210產生的一種手段。

核聚變最有前途的原因之一，是它有潛力避免長周期放射性廢物的產生。這可以通過恰當的結構材料和冷卻劑設計來實現，即要消除任何可以激發長半衰期同位素的材料。RAFM鋼就是這樣一個設計優化的產物，它是一種改良的91號鋼，沒有鉬和鈮元素。聚變反應堆中使用這樣的低活化材料，主要導致C級低水平廢物的產生，根據C級的定義，它不需要深層地質處理，即使未來500年處置場出現潛在居民，對他們的危害也最小。在未來的核聚變反應堆中使用這些材料，可以確保設備安全運行，同時也對環境無害，不會留下明顯的廢物。

先來仔細看看氚

其他可能激發的放射性源自氚和放射性塵埃。氚自身有放射性，會發生一個能量較低的(18.6keV)β衰變，半衰期12.3年。它的能量不足以造成外部暴露的危險。但是，作為氫的一種同位素，氚很容易融入水和有機分子中，在吸入或攝入后者時存在暴露風險。對于D-T聚變反應堆，氚將以55.6公斤/GWyr的速度燃燒，因此必須以略微更高的速率產生。它的產生率大約是輕水反應堆的一百萬倍，大約是重水堆(例如CANDU堆或氟化物鹽冷卻反應堆)的一千倍。因為只有大約1%的氚注入等離子體后發生燃燒，剩下的作為排氣，需要作為燃料進行再處理和利用，燃料和排氣管路的氚流量必須再高出100倍。

這樣的高流量，會引發擔憂，包括反應堆及其輔助系統中的大量放射性累積，在非正常事件中，會由于破口或溫度升高發生泄漏，同時，在正常運行期間，這會滲透金屬結構，并隨溫度呈指數級增加。通過設計來限制滲透(例如滲透屏蔽和有效提取系統)和減少氚積累是未來核聚變反應堆設計的重大挑戰。

再來談灰塵問題

在聚變系統中，灰塵是由等離子體與第一壁(First Wall)和偏濾器上的固體表面的相互作用而產生的，相互作用包括濺射和晶核反應、電弧放電、表面缺陷或共沉積層的剝落。灰塵落在壁上，但在空氣或冷卻劑進入導致發生失去真空的事件時，灰塵可能會重新懸浮和激發。

各國都致力于研究托卡馬克裝置內灰塵的大小、分布、組成和形態。灰塵顆粒的平均直徑通常是幾微米，但由于形成機制不同，灰塵的分布廣泛，形狀不同，從球狀到不規則的薄片和團塊狀。

基于這些特征的灰塵輸運模型，評估了事故場景中，粉塵激發和輸運的程度，而這類事故中，灰塵可能導致放射性核素釋放或參與化學反應。未來，反應堆的灰塵產生數量尚不確定，在短期內，ITER等設施的策略是對容器中的灰塵數量設定一個保守的管理限值，監測其累積情況，并在必要時進行清理。

STAR設施

INL的STAR設施，是美國能源部的3類核設施，在氚等離子體實驗中，經過中子輻射后的材料暴露在氚等離子體中，以探究氚是如何在中子損傷后的特定位置累積的。其他試驗用于測量聚變材料中的氘和氚的滲透、開發滲透膜以有效地從PbLi中提取氚、以及等離子排氣和分離，可以顯著降低不需要的氚滲透和累積的技術。

其他的工作還包括：對托卡馬克產生灰塵的特性研究和收集，以及涉及鈹的實驗，后者因為有毒性而極具挑戰性。早前，鈹相關的研究包括：不同形式中FLiBe中氚的輸運和鈹的氧化，以及灰塵。STAR獲得的信息為MELCOR/TMAP(氚遷移分析程序)提供了氚、灰塵和一般放射性核素的傳輸模型。作為MELCOR代碼的一個版本，MELCOR/TMAP是INL專門為核聚變定制的，包括了與聚變相關的增殖和冷卻劑材料以及氚傳輸模型。這種“聚變”版本的MELCOR已經用在ITER許可證申請和美國及全球的設計和研究。