核聚变实验装置服务规范

核聚变实验装置服务规范一、总则本规范适用于各类磁约束核聚变实验装置（包括托卡马克、球形环、仿星器等）的全生命周期管理，涵盖装置设计、建设、运行、维护及退役等阶段。规范制定依据《中华人民共和国原子能法》第三十九条关于聚变装置分级分类管理要求，结合2025年我国可控核聚变领域技术突破与工程实践，旨在建立科学严密的服务体系，保障装置安全稳定运行并促进聚变能技术可持续发展。装置服务应遵循"安全优先、数据共享、协同创新"原则，满足等离子体物理实验、聚变工程技术验证及国际合作研究等多维度需求。二、装置分级与服务资质（一）装置分级标准根据聚变反应类型、等离子体参数及潜在风险，将装置划分为三级：基础研究级：如常规托卡马克装置，主要开展等离子体物理基础研究，等离子体温度≤5000万度，无氚燃料使用，代表装置包括合肥EAST升级前系统、成都环流器二号M（HL-2M）前期实验平台。燃烧实验级：以实现聚变燃烧为目标，等离子体温度≥1亿度，涉及氘氚燃料，需配置氚处理系统，典型如正在建设的合肥BEST装置、新奥集团"玄龙-50U"氢硼聚变实验装置。工程验证级：面向聚变电站技术验证，具备自持燃烧能力，聚变三乘积≥10²¹m⁻³·s·keV，需满足连续运行及氚自持循环要求，如计划2030年启动建设的中国聚变工程实验堆（CFETR）。（二）服务机构资质要求运行管理资质：需通过ISO45001职业健康安全管理体系认证，配备不少于5名具有10年以上聚变装置操作经验的高级工程师，其中至少2人需持有国家核安全局颁发的辐射安全培训合格证。技术服务能力：应具备超导磁体维护、超高真空系统调试、等离子体控制算法开发等核心技术能力，拥有≥3项核聚变领域发明专利（如EAST装置的"基于深度学习的ELM抑制技术"等）。应急处置资质：需建立辐射应急指挥中心，配置γ剂量率仪、氚监测仪等应急设备，定期开展包含氢气爆炸、失超事故在内的综合应急演练，每年演练次数不少于4次。三、全生命周期服务规范（一）设计阶段服务安全分析：需开展初步安全分析与最终安全分析两级评估，前者应在装置立项阶段完成，重点评估超导磁体失超、等离子体破裂等事故后果；后者需在试运行前提交，需包含10万小时级别的概率安全分析（PSA）报告。标准化设计：关键系统应采用模块化设计，如EAST装置的偏滤器组件需满足"即插即用"更换要求，更换时间≤72小时。超导磁体线圈设计需通过1.5倍设计磁场强度的超压测试，持续时间不少于1000秒。接口管理：建立三维数字孪生模型，实现与ITER装置的设计标准兼容，特别是磁体馈线系统接口误差需控制在±0.5mm以内，真空室法兰密封面平面度≤0.02mm/m。（二）建设阶段服务部件验收：超导带材需进行全长度临界电流测试，每100米取样检测，临界电流偏差≤5%；真空室焊接需采用远程焊接机器人，焊缝X射线探伤合格率100%，氦泄漏率≤1×10⁻¹⁰Pa·m³/s。安装精度控制：磁体系统安装定位误差≤±1mm，垂直度偏差≤0.1°/m；低温制冷系统管道清洁度达到ISO14644-1Class5级，水分含量≤10ppm。进度管理：采用甘特图与关键路径法（CPM）结合的管理模式，对超导磁体绕制、真空室组装等关键节点设置"里程碑考核"，如BEST装置将2026年3月定为"磁体入堆"关键里程碑，延期违约金按日计算为合同金额的0.05%。（三）运行阶段服务实验计划管理：实行"年度-季度-单次"三级计划体系，年度计划需包含≥1200小时的有效实验时间（占总运行时间的比例≥65%），单次实验需提前72小时提交包含等离子体电流、密度、加热功率等参数的实验方案。设备维护规程：超导磁体：每周进行一次失超保护系统（QUenchProtectionSystem）自检，每月开展一次超导线圈绝缘电阻测试，测试电压1000VDC，绝缘电阻≥100GΩ。真空系统：每运行500小时需更换分子泵润滑油，每年进行一次真空室壁硼化处理，硼化层厚度控制在50-100nm。等离子体诊断：汤姆逊散射系统激光能量稳定性需≤±2%，软X射线阵列探测器空间分辨率≤2mm，数据采集速率≥1GHz。数据管理：建立符合FAIR原则的实验数据库，采用分布式存储架构（如合肥科学岛的"聚变云"平台），原始数据保存期限≥30年，元数据需包含实验编号、等离子体参数、设备状态等28项核心字段。（四）退役阶段服务放射性评估：退役前需完成装置活化分析，重点检测铍铜合金部件的γ放射性活度，对于活度＞1×10⁴Bq/kg的部件，需按放射性废物管理，如采用水泥固化或玻璃固化技术。设备处置：超导磁体需在-196℃液氮环境下进行线圈拆卸，拆卸过程中氦气回收率≥95%；真空室需经800℃烘烤除气后，进行切割解体，切割产生的金属废料中放射性核素浓度需≤豁免水平（如氚浓度＜100Bq/g）。场地修复：退役后场地需通过土壤氚浓度检测（限值≤0.1Bq/g）、γ剂量率测量（本底值+0.1μSv/h）等验收标准，验收报告需经省级生态环境部门审核备案。四、关键系统服务细则（一）超导磁体系统运行维护：励磁曲线校验：每500次放电需进行一次，电流精度控制在±0.1%，如EAST装置的纵场线圈励磁电流偏差需≤50A。低温系统监控：氦制冷机入口压力维持在0.45±0.02MPa，温度波动≤±0.1K，每周需进行一次冷箱漏热率测试，漏热≤5W。失超防护：配置独立的失超检测系统，响应时间≤1ms，当检测到电压变化率＞0.5V/s时，需在20ms内触发快速放电开关，将线圈电流在100ms内降至安全值。（二）等离子体控制系统控制算法：需包含基于模型预测控制（MPC）的形状控制、基于Lyapunov方法的电流剖面控制等核心算法，ELM抑制成功率≥98%，等离子体破裂预测准确率≥95%（提前时间≥5ms）。实时计算：采用异构计算架构（CPU+GPU），单节点计算能力≥10TFLOPS，支持10万个传感器数据的并行处理，控制周期≤10μs，如BEST装置计划采用的"曙光-聚变"专用计算集群。（三）氚燃料循环系统氚处理：采用吸附-解吸工艺，氚回收率≥99.9%，处理系统运行温度控制在250±5℃，压力稳定在0.3MPa，尾气排放中氚浓度需≤1×10⁻¹²mol/mol（约合0.037Bq/cm³）。安全监控：设置三重屏障（包容系统、隔离系统、通风系统），工作区氚浓度实时监测，报警阈值设定为200Bq/m³，当浓度超标时，需在30秒内启动应急排风（换气次数≥12次/h）。五、安全与应急管理（一）辐射防护个人剂量控制：工作人员年有效剂量限值为20mSv，采用电子个人剂量计（EPD）实时监控，剂量数据每15分钟上传至监管平台，当累积剂量达到10mSv时自动发出预警。区域划分：设置控制区（如氚实验室）、监督区（如装置大厅）和非限制区，控制区入口需配置指纹+辐射剂量双验证系统，人员进入前需进行全身污染监测，监测时间≥30秒。（二）应急预案分级响应：Ⅰ级（一般事件）：如真空系统轻微泄漏，由装置负责人启动响应，30分钟内完成处置。Ⅱ级（较大事件）：涉及氚泄漏（释放量＜1000Bq），需启动辐射应急小组，1小时内完成源项分析。Ⅲ级（重大事件）：如磁体失超引发火灾，需上报国家核安全局，启动省级应急指挥，应急指挥部应在2小时内到达现场。应急资源：需储备≥50套正压式呼吸器（工作时间≥4小时）、200m²铅防护毯（铅当量≥2mm）、便携式氚净化装置（处理能力≥10m³/h）等应急物资，每季度进行一次功能检查。六、国际合作服务规范（一）实验协作用户提案管理：国际用户需通过"全球聚变实验提案系统"提交申请，经装置科学委员会评审（通过率约30%），实验时间分配遵循"公平竞争、成果共享"原则，国外用户年度实验时长占比不超过25%（如EAST装置2025年分配给ITER合作方的实验时间为300小时）。数据共享：参与国际合作实验的原始数据需在实验结束后90天内上传至ITER数据仓库，元数据需包含等离子体电流、环向磁场、加热功率等16项标准参数，数据格式需符合IDAS（ITERDataAccessandSupervision）规范。（二）技术交流人员互访：外国专家访问需提前45天提交申请，包含访问计划、技术背景等材料，涉及超导磁体、氚系统等敏感技术的访问，需通过国家原子能机构审批，单次访问时长一般不超过90天。联合研发：国际合作项目需签订知识产权协议，明确专利归属（如中国与俄罗斯联合研发的"高场超导磁体技术"专利共享），合作研发产生的技术成果需在中文和英文期刊同时发表。七、服务质量评估与改进（一）关键绩效指标（KPI）运行效率：年有效实验时间≥3000小时，设备综合效率（OEE）≥85%，故障平均修复时间（MTTR）≤4小时（如EAST装置2025年目标为MTTR≤3.5小时）。实验成功率：物理实验目标达成率≥80%，数据有效率（符合预设质量标准的数据占比）≥95%，如BEST装置要求氘氚实验的Q值测量误差≤±5%。安全绩效：百万工时事故率≤0.5，辐射工作人员平均剂量≤5mSv/年，未发生过≥Level2的核事件（按国际核事件分级表INES）。（二）持续改进机制季度评审：由装置科学委员会、安全委员会联合开展，审查KPI达成情况，识别改进机会（如2025年EAST装置通过季度评审优化了中性束注入系统的功率稳定性）。技术创新：每年研发投入占服务收入比例≥15%，重点支持等离子体控制AI算法、超导材料性能提升