核能是20世紀人類最偉大的成就之一. 中子被稱為核能系統的 '靈魂' , 是反應堆中核反應的觸發粒子和能量載體, 也是產生核熱能和引發放射性的源頭. 中子源是產生, 研究, 利用中子的必備科學裝置, 也是開展中子物理與輻射安全, 先進核能系統關鍵技術及核技術交叉應用等研究的重要實驗平台.
日前, 中科院核能安全技術研究所FDS鳳麟核能團隊的科研人員, 在中子輸運物理與技術方面取得突破性創新研究成果. 該團隊研發出強流氘氚中子源實驗裝置HINEG, 其中子源強度創現行同類裝置中的世界第一. 那麼, 這個 '世界最強氘氚中子源' 究竟強在哪呢?
超強中子靶, 承受的熱流密度是太陽表面的3倍
'中子靶是HINEG的核心系統之一, 強流離子加速器產生的高功率氘離子束轟擊含有氚的中子靶, 在靶上發生氘氚聚變反應產生中子. ' 中科院核能安全技術研究所所長, FDS鳳麟核能團隊建立人吳宜燦研究員告訴科技日報記者. 為了產生強流的中子束, 靶需要承受高功率離子束的轟擊, 從而帶來靶上高強熱流散出的難題.
'HINEG中子靶承受的熱流密度是太陽表面熱流密度的3倍. 如果散熱問題解決不好, 靶溫度迅速升高, 其內含有的氚會快速釋放, 就無法實現中子的持續穩定產生. 靶溫升高過快時, 甚至會出現瞬間被熔穿燒毀的情形. ' 吳宜燦說.
針對中子靶的高效散熱難題, FDS鳳麟核能團隊發明了陣列射流耦合強剪切場的高效散熱技術, 並通過反覆驗證測試, 成功實現了高效散熱, 將靶的溫度控制在200℃以內.
不帶電的中子也能做到精準調控
氘氚聚變反應產生14兆電伏 (MeV) 的單能中子, 為類比再現先進核能系統的複雜中子能譜環境, 需要對產生的單能中子進行精確調控以便開展各類實驗研究, 這無疑是另一項嚴峻挑戰.
'我們知道, 電子, 質子是帶電粒子, 可以利用電場或磁場對這些帶電粒子進行控制, 但中子是不帶電的, 無法用電磁場對其進行調控, 不過可以通過中子與特定材料中原子核的反應過程來進行調控, 這就需要精確的理論方法與實驗技術來實現. ' 吳宜燦告訴記者.
FDS鳳麟核能團隊以中子輸運理論研究成果為基礎, 發明了中子輸運精準調控關鍵技術, 實現了先進核能系統的複雜中子能譜環境的準確再現, 對先進核能系統研究具有重要意義.
核能及核技術交叉應用研究的重要平台
與傳統核反應堆相比, 先進核能系統可極大提高資源利用率, 並降低核廢料的產生. HINEG可以真實再現多種類型先進核能系統的複雜中子能譜環境, 開展理論與程序驗證, 核數據測量與驗證, 反應堆部件核性能驗證等實驗研究.
中子照相是一種檢測物質內部微細結構的 '顯微探測' 技術, 它利用中子在不同物質中穿透能力的差異來洞察物體內部結構, 在檢測含氫材料, 重金屬組件結構, 放射性材料等方面彌補了X光等其他無損檢測技術的不足. HINEG產生的強流中子束可用於開展高精度的無損檢測, 服務於我國航空航天等領域的快速發展.
中子治癌是目前正在快速發展的癌症治療方法, 該方法是一種身具固有安全性的生物靶向放射治療模式, 對患者正常組織損傷小, 可有效提高患者的生命質量, 開創了人類攻克惡性腫瘤的新途徑. 有國際著名專家表示, 在癌症領域, 20世紀可以說是X射線的世紀, 而21世紀將是中子治療的世紀. HINEG可作為中子治癌技術研究的重要平台, 可促進我國在中子治癌領域的發展.
