世界最強(qiáng)氘氚中子源究竟“強(qiáng)”在哪？

核能是20世紀(jì)人類最偉大的成就之一！中子被稱為核能系統(tǒng)的“靈魂”，是反應(yīng)堆中核反應(yīng)的觸發(fā)粒子和能量載體，也是產(chǎn)生核熱能和引發(fā)放射性的源頭。中子源是產(chǎn)生、研究、利用中子的必備科學(xué)裝置，也是開展中子物理與輻射安全、先進(jìn)核能系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及核技術(shù)交叉應(yīng)用等研究的重要實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

日前，中科院核能安全技術(shù)研究所FDS鳳麟核能團(tuán)隊(duì)的科研人員，在中子輸運(yùn)物理與技術(shù)方面取得突破性創(chuàng)新研究成果。該團(tuán)隊(duì)研發(fā)出強(qiáng)流氘氚中子源實(shí)驗(yàn)裝置HINEG，其中子源強(qiáng)度創(chuàng)現(xiàn)行同類裝置中的世界第一。那么這個(gè)“世界最強(qiáng)氘氚中子源”究竟強(qiáng)在哪呢？

HINEG-I離子注入系統(tǒng)；圖片來源：中國科學(xué)院

超強(qiáng)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(tǒng)之一，強(qiáng)流離子加速器產(chǎn)生的高功率氘離子束轟擊含有氚的中子靶，在靶上發(fā)生氘氚聚變反應(yīng)產(chǎn)生中子。”中科院核能安全技術(shù)研究所所長、FDS鳳麟核能團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建人吳宜燦研究員告訴記者。為了產(chǎn)生強(qiáng)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(qiáng)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(nèi)含有的氚會(huì)快速釋放，就無法實(shí)現(xiàn)中子的持續(xù)穩(wěn)定產(chǎn)生。靶溫升高過快時(shí)，甚至?xí)霈F(xiàn)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，F(xiàn)DS鳳麟核能團(tuán)隊(duì)發(fā)明了陣列射流耦合強(qiáng)剪切場的高效散熱技術(shù)，并通過反復(fù)驗(yàn)證測試，成功實(shí)現(xiàn)了高效散熱，將靶的溫度控制在200℃以內(nèi)。

能源領(lǐng)域國際權(quán)威期刊《國際能源研究雜志》日前以封面文章的形式報(bào)道了這一創(chuàng)新成果。

不帶電的中子也能做到精準(zhǔn)調(diào)控

氘氚聚變反應(yīng)產(chǎn)生14兆電伏（MeV）的單能中子，為模擬再現(xiàn)先進(jìn)核能系統(tǒng)的復(fù)雜中子能譜環(huán)境，需要對產(chǎn)生的單能中子進(jìn)行精確調(diào)控以便開展各類實(shí)驗(yàn)研究，這無疑是另一項(xiàng)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

“我們知道，電子、質(zhì)子是帶電粒子，可以利用電場或磁場對這些帶電粒子進(jìn)行控制，但中子是不帶電的，無法用電磁場對其進(jìn)行調(diào)控，不過可以通過中子與特定材料中原子核的反應(yīng)過程來進(jìn)行調(diào)控，這就需要精確的理論方法與實(shí)驗(yàn)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。”吳宜燦告訴記者。

FDS鳳麟核能團(tuán)隊(duì)以中子輸運(yùn)理論研究成果為基礎(chǔ)，發(fā)明了中子輸運(yùn)精準(zhǔn)調(diào)控關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了先進(jìn)核能系統(tǒng)的復(fù)雜中子能譜環(huán)境的準(zhǔn)確再現(xiàn)，對先進(jìn)核能系統(tǒng)研究具有重要意義。

核能及核技術(shù)交叉應(yīng)用研究的重要平臺(tái)

與傳統(tǒng)核反應(yīng)堆相比，先進(jìn)核能系統(tǒng)可極大提高資源利用率，并降低核廢料的產(chǎn)生。HINEG可以真實(shí)再現(xiàn)多種類型先進(jìn)核能系統(tǒng)的復(fù)雜中子能譜環(huán)境，開展理論與程序驗(yàn)證、核數(shù)據(jù)測量與驗(yàn)證、反應(yīng)堆部件核性能驗(yàn)證等實(shí)驗(yàn)研究。

中子照相是一種檢測物質(zhì)內(nèi)部微細(xì)結(jié)構(gòu)的“顯微探測”技術(shù)，它利用中子在不同物質(zhì)中穿透能力的差異來洞察物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在檢測含氫材料、重金屬組件結(jié)構(gòu)、放射性材料等方面彌補(bǔ)了X射線等其他無損檢測技術(shù)的不足。HINEG產(chǎn)生的強(qiáng)流中子束可用于開展高精度的無損檢測，服務(wù)于我國航空航天等領(lǐng)域的快速發(fā)展。

中子治癌是目前正在快速發(fā)展的癌癥治療方法，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(zhì)量，開創(chuàng)了人類攻克惡性腫瘤的新途徑。有國際著名專家表示，在癌癥領(lǐng)域，20世紀(jì)可以說是X射線的世紀(jì)，而21世紀(jì)將是中子治療的世紀(jì)。HINEG可作為中子治癌技術(shù)研究的重要平臺(tái)，可促進(jìn)我國在中子治癌領(lǐng)域的發(fā)展。

來源： 科技日報(bào)