中科院的世界最强氘氚中子源究竟“强”在哪？

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中科院的世界最强氘氚中子源究竟“强”在哪？

HINEG-I离子注入系统。 图片来自：中国科学院官网
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。
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