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采访人员 。 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 。
【世界最强氘氚中子源有多强？】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 。 ”吴宜灿告诉采访人员 。
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 。
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