作者:任芳言 来源:中国科学报 发布时间:2020/7/10 11:19:43
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主体工程即将开建,这俩“国之重器”要放大招

 

加速器驱动嬗变研究装置(CiADS)和强流重离子加速器(HIAF)施工现场。(图片来源:中科院近代物理研究所)

粤港澳大湾区东部,一块近1平方公里的地块在山海间格外显眼。在惠州市惠东县黄埠镇,两大国之重器将在群山之巅崭露头角。这里是国家重大科技基础设施“十二五”建设项目——加速器驱动嬗变研究装置(CiADS)和强流重离子加速器装置(HIAF)(下称两大科学装置)的施工现场。

建设现场,一条长百余米、深数米的半地下隧道竖条坑颇显气势。未来,一座全长350米的超导直线加速器将在此落成,它将与高功率散裂靶、次临界反应堆一道,组成CiADS完全体,为验证嬗变原理、解决核废料处置问题铺路。

CiADS不远处,是HIAF所在地。借无人机俯瞰现场,已能看清同步加速器圆环的大致位置。核科学研究中,新核素的鉴别、重元素如何产生等问题一直未解,HIAF的落成,有望帮科学家找到答案。

2018年年底开工至今,项目的场地配套工程已进入尾声。按规划,两大科学装置将于2025-2026年建设完毕。

向重大、看前沿,同时开建的经济账

《中国科学报》从中科院近代物理研究所(下称近物所)获悉,目前,两大装置处于工程设计及施工阶段,主体工程将于下半年进场施工。

其中,CiADS的超导直线加速器预研样机已实现30千瓦束流持续100小时的稳定运行,目前正向100千瓦迈进。HIAF主电源、磁铁和真空管道等关键部位的样机研制已基本完成,即将进入批量生产。

这两个大家伙为何要一起建?近物所副所长、研究员胡正国表示,两大装置同时开建,部分技术力量、设施可以共用,不但能节约资源成本,且有利于未来打造加速器集群。“CiADS和HIAF都是核科学领域的大装置,我们的目标是把两者集合在一起,形成新的大科学工程。

“两大装置技术方面有一些接口是重合的,都有加速器部分,但它们各自的物理目标不一样”,HIAF总工程师、近物所研究员杨建成告诉《中国科学报》,CiADS瞄准核废料处理处置研究,面向国家重大需求,HIAF则更侧重核科学前沿基础研究。

前积淀、后发力,为乏燃料处理铺路

建成后,CiADS将成为世界上首个兆瓦级加速器驱动次临界系统研究装置。CiADS总工程师、近物所研究员何源告诉《中国科学报》,加速器驱动次临界系统(ADS)是核废料处理公认的可行技术路径,能在短时间内降低乏燃料放射性,并从中分离出有用元素加以利用。

处于次临界状态时,CiADS的安全性也得以保证。加速器从外界为反应堆供能,当中子输送停止时,反应堆即刻停止反应,堆内产生的新中子少于湮灭掉的中子,进入次临界状态。

但迄今为止,还不曾有验证这一路径的先例。加速器和反应堆同为20世纪原子能领域的重要成果,二者间技术差异大,再将之与散裂靶耦合,难度极高。对CiADS建设团队来说,单加速器一项,就需要将能量25兆电子伏特、长度20米的样机放大,能量要到500 兆电子伏特、长度要达200米,且保证输出可靠、安全合规。

团队的底气源于积累。2017年,近物所完成了中科院A类先导专项“ADS嬗变系统”的研究工作,国际首台ADS超导直线加速器前端示范样机、颗粒流散裂靶样机、针对铅铋反应堆开发的耐辐照和腐蚀材料等一系列重大突破性成果为CiADS的建设打下良好基础。

一批新生科研力量也因此迅速成长。参加先导专项的队伍中,有近四百人成为建设CiADS的中坚力量。

“我们知道什么是困难,并知道怎么去解决它。”在何源看来,这是整个团队的信心所在。

拓新路、创亮点,造一方核科学重地

按指标,建成后的HIAF可以产生极端远离稳定线核素,且能对其进行精确测量。为此,HIAF需要提供稳定且高能的重离子束流,束流能量最高可达4.25吉电子伏特。

“HIAF的定位是建国际一流的重离子研究装置,建之前我们就想清楚,要达到一流、有自己特色,那就必须通过技术创新来实现。”杨建成表示。为完成装置建设,快循环脉冲电源、陶瓷内衬薄壁真空室等一系列特色技术应运而生。

早在项目筹备初期,研究团队就摸了一遍国际同行的底。

“快循环加速器的管道一般都是金属的,产生的涡流会导致粒子丢失”,杨建成告诉记者,这是国际上所有加速器都要克服的问题。

为此,项目组另辟蹊径,用一节一节的陶瓷环支撑不锈钢真空室。仅有2-3毫米薄的陶瓷内衬强度够高、柔韧性也很好,不导电也不会产生涡流。为了解决束流管壁的阻抗问题,项目组还为陶瓷内衬镀上了微米级别的膜。

这套屡屡创新的方案表现不俗,杨建成表示,样机已验证陶瓷室真空度可达10-10帕,“真空一抽,不锈钢薄壁会紧紧压到陶瓷环上”。

再过几年,CiADS和HIAF将在惠州落成,成为核科学研究的一方重地。胡正国表示,“我们建设大科学装置,要在实现科研目标的同时发挥它的效益,未来,两大科学装置将与先进能源科学与技术广东省实验室联动,打造粤港澳大湾区乃至国际上重要的核科学中心。”

 
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