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我国突破性创新成果:世界最强氘氚中子源!
特斯拉 2018-02-04
导语

中科院核能安全技术研究所·FDS凤麟核能团队在中子输运物理与技术方面的创新研究成果,全面介绍了FDS凤麟团队设计研发的强流氘氚中子源实验装置HINEG,在运国际第一。

图:中科院强流氘氚中子源实验装置HINEG-I离子注入系统

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。该研究成果在能源领域国际权威期刊《International Journal of Energy Research》以封面文章的形式发表。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。

文章链接:

Yican Wu, et al, "Development of high intensity D–T fusion neutron generator HINEG," International Journal of Energy Research, 2018, 42(1): 68-72

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作者 特斯拉

副研究员

中科院

活跃作者
  • 爱因斯坦 科研工作者 北京航空航天大学 博士
  • 梅西 本科生 北京工业大学 本科
  • 金陵 本科生 北京大学 本科
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