核能是20世纪人类最伟大的成就之一. 中子被称为核能系统的 '灵魂' , 是反应堆中核反应的触发粒子和能量载体, 也是产生核热能和引发放射性的源头. 中子源是产生, 研究, 利用中子的必备科学装置, 也是开展中子物理与辐射安全, 先进核能系统关键技术及核技术交叉应用等研究的重要实验平台.
日前, 中科院核能安全技术研究所FDS凤麟核能团队的科研人员, 在中子输运物理与技术方面取得突破性创新研究成果. 该团队研发出强流氘氚中子源实验装置HINEG, 其中子源强度创现行同类装置中的世界第一. 那么, 这个 '世界最强氘氚中子源' 究竟强在哪呢?
超强中子靶, 承受的热流密度是太阳表面的3倍
'中子靶是HINEG的核心系统之一, 强流离子加速器产生的高功率氘离子束轰击含有氚的中子靶, 在靶上发生氘氚聚变反应产生中子. ' 中科院核能安全技术研究所所长, FDS凤麟核能团队创建人吴宜灿研究员告诉科技日报记者. 为了产生强流的中子束, 靶需要承受高功率离子束的轰击, 从而带来靶上高强热流散出的难题.
'HINEG中子靶承受的热流密度是太阳表面热流密度的3倍. 如果散热问题解决不好, 靶温度迅速升高, 其内含有的氚会快速释放, 就无法实现中子的持续稳定产生. 靶温升高过快时, 甚至会出现瞬间被熔穿烧毁的情形. ' 吴宜灿说.
针对中子靶的高效散热难题, FDS凤麟核能团队发明了阵列射流耦合强剪切场的高效散热技术, 并通过反复验证测试, 成功实现了高效散热, 将靶的温度控制在200℃以内.
不带电的中子也能做到精准调控
氘氚聚变反应产生14兆电伏 (MeV) 的单能中子, 为模拟再现先进核能系统的复杂中子能谱环境, 需要对产生的单能中子进行精确调控以便开展各类实验研究, 这无疑是另一项严峻挑战.
'我们知道, 电子, 质子是带电粒子, 可以利用电场或磁场对这些带电粒子进行控制, 但中子是不带电的, 无法用电磁场对其进行调控, 不过可以通过中子与特定材料中原子核的反应过程来进行调控, 这就需要精确的理论方法与实验技术来实现. ' 吴宜灿告诉记者.
FDS凤麟核能团队以中子输运理论研究成果为基础, 发明了中子输运精准调控关键技术, 实现了先进核能系统的复杂中子能谱环境的准确再现, 对先进核能系统研究具有重要意义.
核能及核技术交叉应用研究的重要平台
与传统核反应堆相比, 先进核能系统可极大提高资源利用率, 并降低核废料的产生. HINEG可以真实再现多种类型先进核能系统的复杂中子能谱环境, 开展理论与程序验证, 核数据测量与验证, 反应堆部件核性能验证等实验研究.
中子照相是一种检测物质内部微细结构的 '显微探测' 技术, 它利用中子在不同物质中穿透能力的差异来洞察物体内部结构, 在检测含氢材料, 重金属组件结构, 放射性材料等方面弥补了X光等其他无损检测技术的不足. HINEG产生的强流中子束可用于开展高精度的无损检测, 服务于我国航空航天等领域的快速发展.
中子治癌是目前正在快速发展的癌症治疗方法, 该方法是一种身具固有安全性的生物靶向放射治疗模式, 对患者正常组织损伤小, 可有效提高患者的生命质量, 开创了人类攻克恶性肿瘤的新途径. 有国际著名专家表示, 在癌症领域, 20世纪可以说是X射线的世纪, 而21世纪将是中子治疗的世纪. HINEG可作为中子治癌技术研究的重要平台, 可促进我国在中子治癌领域的发展.
