我国首座散裂中子源开建 将提升纳米等技术水平

2011-11-06 18:38 来源: 羊城晚报
690 收藏到BLOG

中国散裂中子源项目效果图 资料图片

英国散裂中子源 网络图片

  中国迄今最大的国家重大科技基础设施“中国散裂中子源”(Chinese Spallation Neutron Source,简称CSNS),已在东莞动工建设。该项目建成后,CSNS将成为发展中国家拥有的第一座散裂中子源,也将跻身世界第四大脉冲散裂中子源,从而大幅提升中国材料、生命、纳米等学科前沿基础研究和高技术的水平,缩短中国与世界前沿的差距。记者为你揭开散裂中子源的面纱。

1CSNS是什么
 
像一台“超级显微镜”

  散裂中子源是什么?首先,“散裂”是当一个高能质子轰击重原子核时,一些中子被轰击出来的过程,如同一个垒球用力投到装满球的筐中,有一些球会立刻蹦出来,而更多的球则会弹跳并翻出筐外一样。

  其次,中子是组成物质的基本粒子之一,它和X射线一样,都是人类探索物质微观结构的有力手段。然而在物理和生物材料领域,科学家们希望有一种强亮度的中子源,能像X射线一样拍摄到材料的微观结构,探索原子和分子的运动规律,就像我们希望能够在黑暗中有一盏明灯,照亮阅读中的书籍那样。

  这时,散裂中子源就产生了,它是用来自大型加速器的高能质子轰击重金属靶,引起金属原子的散裂反应,释放出大量的中子。这些中子形成非常强的中子束流,中子慢化后与样品发生散射,最后由中子散射谱仪接收。科学家们就根据这些中子散射的数据分析出被观测物体的微观特征,供科学和工业研究用。通俗一点来说,散裂中子源就像一台“超级显微镜”一样,可以研究DNA、结晶材料、聚合物等物微观结构。

中国走在美日欧后

  近年来,美、日、欧等发达国家把建设高性能散裂中子源作为提高科技创新能力的重要举措,并大力发展散裂中子源项目。美国的散裂中子源SNS,总投资14亿美元、设计束流功率为1.4兆瓦。SNS经过7年建设于2006年4月28日产生出第一束中子,其升级工程同时启动。日本总投资约18亿美元的散裂中子源J-PARC正在建设中,建设周期约8年。其快循环同步加速器将提供1兆瓦的质子束流用于驱动散裂中子源。英国已成功运行20余年的散裂中子源ISIS,正在升级改造其质子加速器(投资约3亿美元),并建设ISIS的第二靶站。亚洲邻国韩国和印度,也正在积极筹建束流功率为百千瓦量级的散裂中子源:PEFP和ISNS。

  目前,中国虽然在北京、安徽合肥、台湾新竹和上海(在建)拥有4座高亮度高性能的X射线源,却尚不具备高性能脉冲中子源。因而,中国建造一座高性能的脉冲中子源势在必行。

发展中国家第一台

  CSNS是国家“十一五”期间重点建设的大科学装置,该项目由中科院和广东省共同建设,选址于东莞市大朗镇,规划用地1000亩,将于2017年前后建成。该项目预计总投资为22亿元人民币,其中,国家投资17亿,广东省配套投资5亿元,并提供430亩装置用地及“七通一平”条件。

  CSNS的设置建设包括:1台束流动能为80兆电子伏特的负氢离子直线加速器、1台束流动能为1600兆电子伏特的快循环质子同步加速器、2条束流输运线、1个靶站、3台谱仪及相应配套设施和土建工程。束流功率为100千瓦、脉冲重复频率25赫兹的CSNS脉冲中子通量设计指标超过目前世界上正在运行的所有散裂中子源。

  建成后,CSNS将成为发展中国家的第一台散裂中子源,和世界上正在运行的美国、英国、日本的散裂中子源,一起构成世界四大脉冲散裂中子源。

2三问CSNS
 
为何落户东莞?

  CSNS自2008年9月获批准落户东莞大朗镇开始项目筹建。其实,CSNS从2005年、2006年就开始选址,从北京一直到广东,最开始圈定在广州、珠海和东莞三个当中,而中科院最终选择了东莞大朗,是有原因的:首先,中国依托大科学装置的综合研究中心主要分布在北京、上海、合肥、兰州等地。在华南地区,一直有所欠缺,如今该项目落户东莞,将令广东成为第五个拥有大科学装置的地方。从而优化我国大科学装置的布局,将中国科学院在基础科学研究、应用基础研究和高技术研发方面的雄厚实力与珠三角地区强劲的经济实力相结合,推动南方各省在大科学装置上开展基础科学和应用科学研究,提高技术研发水平,促进经济转型。其次,东莞本身地理位置非常优越,处于广州、深圳、香港、澳门等城市的中心,因而扩展性很强;另外,东莞大朗镇具有稳定、可承重的地质结构,符合建设散裂中子源的要求。

谁是首批用户?

  根据国内用户调查,CSNS项目目前已确定的首批用户包括,中国科学院下属9个研究所的70多个研究组,以及科学院以外的22所大学和中国原子能科学研究院、中国工程物理研究院等研究机构的30多个研究组。

  除上述基础科学研究和应用基础科学研究方面外,中子散射在工程和工业方面的应用需求也非常大。我国在凝聚态物理、化学、材料、生物科学、聚合物和软物质、地球科学、机械加工工业、核物理、质子成像和医学应用等领域内拥有较强的研究队伍和较好的研究基础,他们将是CSNS的潜在用户。

有无辐射污染?

  CSNS基于新一代加速器,不需要核材料,其动力来自电能,其辐射控制在环保安全范围。“在散裂中子源附近居住1年,居民受到的辐射量仅相当于乘1次飞机”。中国科学院高能物理研究所所长陈和生院士表示。

  据介绍,CSNS附近将会建监控站,随时监控辐射情况。《散裂中子源项目环境影响报告书》也提出了事故应急预案。由于散裂中子源不使用核材料,万一散裂中子源发生事故,只要断电停机,中子源产生的主要辐射立即消失。

  另外,散裂中子源只是一种射线装置,与反应堆类的核装置完全不同,不需要核原料,没有链式核反应,加速器运行时会有少量的粒子丢失而产生次级粒子,如:χ射线,γ射线和中子等,它们都具有放射性,通称为瞬时辐射。这些放射性物质,比反应堆中子源低5-6个量级,对环境的影响要小得多,而且这些放射性物质将存放在国家指定的废物库中。

  只要加速器一停机,造成环境影响的主要辐射源即消失,可以说像水龙头一样安全可靠。加速器是通过电子器件自动控制起停的,一旦出现故障,可以在几毫秒内关闭加速器。经反复论证研究,散裂中子源是一台比较清洁的射线装置,在欧洲,散裂中子源是唯一得到绿党支持的核装置。

  倘若发生地震,散裂中子源机器便停止运转,辐射场即消失。散裂中子源可能发生的严重事故是操作人员误入辐射区而造成的人身伤害事故。不过,可喜的是现在散裂中子源设计中,已包括了严格的人身安全连锁系统,以避免此类事故发生。

  此外,从地质环境来看,散裂中子源的关键装置建在地下5米的隧道内,隧道的屏蔽墙厚0.5-1.5米,全部是用水泥包起来。隧道入口采用迷宫门或载重门。这些良好的屏蔽措施,能将散裂中子源可能产生的活化物、感生放射性物质屏蔽,环境剂量可以控制在0.1毫希弗/年,是国家标准的1/10,远小于一次X光透视的剂量。

  再者,建设散裂中子源项目,国家是有严格环保规定的,要经过国家环保总局验收。今年6月17日,国家环境保护部在东莞市组织召开了CSNS项目环境影响评价专家审评会。环保部10名专家以及其他部门的专家作为“考官”一致认为,该项目对环境的影响是可以接受的结论可信。

3CSNS带来什么
600顶级科学家汇聚东莞搞研究 引进和培养科学人才

  CSNS建设过程中,质子加速器、靶站、中子散射谱仪的建设,都涉及大量具战略意义的高技术,这些技术难关等待中国最高水平的科研力量携手攻克。所以,该项目的建设将吸引大批世界级的科学家到东莞进行科研活动,建成后将吸引国内外逾600名专家学者汇聚东莞搞研究,其中将有约200名学生为中子源项目工作,这些学生将主要来源于广东地区。

  据悉,中科院高能物理研究所已走访了中山大学、华南理工大学、暨南大学、深圳大学、东莞理工学院等多所院校,计划与这批院校开展友好合作协议,既为高校提供科学前沿实习平台,也为项目培养后备工程技术人才。例如,高能物理所与东莞理工学院合作共建中子探测器科学联合实验室和机电一体化联合实验室。

提供强大的科研平台

  目前,散裂中子源技术在生物、生命、医药等研究领域发挥着X射线无法替代的作用,并与同步辐射光源互为补充,成为基础科学研究和新材料研发的最重要平台之一。例如,散裂中子源的质子和中子可用于肿瘤的放射性治疗研究,已在许多发达国家得到应用。

  工农业生产领域,散裂中子源可以研究石油输油管线裂纹的成因、测量飞机涡轮的叶片与轮盘的焊接应力、研究大豆根系的生长等。

  在新型清洁能源可燃冰的开发利用中,散裂中子源高压下的中子衍射技术可用来研究可燃气体甲烷水合物的形成机制和稳定条件,其研究成果将为安全、高效地开采和利用可燃冰提供科学依据。

  在航天方面,通过散裂中子源项目发展起来的强流质子加速器,研究航天器件辐照效应的地面模拟试验。利用中子散射对工程材料和部件缺陷及应力的深度检测,可为工程部件确定可靠的使用期限,现已经成为一种先进的无损检验方法。

  散裂中子源对核废料嬗变和洁净核能源的研究等,将带动和提升我国机械加工、医药医疗、石油化工和生物工程等众多相关产业的技术进步。