只做實驗，不發(fā)電？中國核研究堆走向全世界

在中國加入國際原子能機構40周年之際，中國決定面向世界開放12個核科研設施和實驗平臺，涉及核基礎科研、材料與部件輻照測試、同位素生產制備、反應堆熱工水力、核環(huán)境模擬及核設備測試、放射性廢物處理處置、核聚變實驗研究等諸多領域。其中，中國原子能科學研究院建設的中國先進研究堆(CARR)，是核科學實驗和中子散射研究的重要平臺，其技術指標位于世界同類研究堆前列，作為研究型核反應堆面向全世界開放。

那么，什么是研究型核反應堆？為什么要面向全世界開放共享？我們究竟能用它來做什么科學實驗？中國先進研究堆的未來前景如何？我是中國科學院物理研究所的研究員——羅會仟。今天我們一起聊一聊走向世界的研究型核反應堆——中國先進研究堆。

中國先進研究堆內部結構

一說到“核反應堆”，可能大部分人第一感覺就是可能與原子彈或核電站有關，而且可能充滿核輻射的恐懼感。的確，核反應堆最早設計并建造的主要目的，就是為了在可控核反應情況下研究制造原子彈的關鍵參數，而后人們發(fā)現核反應堆釋放的能量可以用來發(fā)電，于是有了核電站。我們這里說的核反應堆指的是基于核裂變鏈式反應的裂變堆：中子在轟擊重原子核（比如鈾-235）之后，原子核發(fā)生裂變成更小的原子核，同時釋放更多中子去轟擊其他原子核發(fā)生裂變。早在上世紀50年代，科學家們就發(fā)現核反應堆除了可以研究核反應和用于核輻照之外，還可以利用其產生的中子來作為一種探測媒介，其研究物質的結構和內部的相互作用，這就是中子散射技術。所以，用于核科學和中子散射研究的裂變堆被稱為研究型核反應堆，其主要目的是產生盡可能多的中子，和核電站反應堆盡可能產生熱量是有所區(qū)別的。

核裂變與鏈式反應

研究型反應堆大部分為重水堆，其內部并不復雜，主要由反應堆堆芯和各種中子孔道組成。堆芯就是以鈾-235為主的燃料棒，當燃料棒堆積到一定密度時就會自主臨界而持續(xù)發(fā)生鏈式反應，從而不斷釋放中子。整個堆芯泡在重水里，這樣產生的高能中子就會不斷與氘原子核碰撞，從而讓速度慢下來，成為我們需要的各種能量段的中子，最終從中子孔道中引出來。為了進一步讓中子慢下來，大部分研究堆還會專門設置中子慢化器，里面灌滿低溫的液氫讓中子進一步減速，并將中子通過導管通向導管大廳。所以，一個研究型反應堆的主體結構就是核反應堆自身、環(huán)繞反應堆的實驗大廳和提供更低能量中子的導管大廳，每一處都會有許多不同類型的實驗站或束線站，來完成各種不同的科學實驗。研究型反應堆本質就是一個實驗平臺，需要來自世界各地各行各業(yè)的人們來使用，所以基本上都是面向全世界開放的。目前已開放并正在運行的研究堆有德國的FRM II，法國的ILL，美國的HIFR，澳大利亞的OPAL，日本的JRR-3等。

澳大利亞OPAL研究堆

研究型反應堆的功能之一是核物理和核化學研究。比如原子核裂變過程的核燃料物性變化，高能中子轟擊原子核發(fā)生的物理過程，利用中子輻照來活化物質或制造核同位素等。有一些核同位素是靶向治療藥物的必需品，但是天然放射性材料中的含量極低，借助研究堆可以實現批量生產，大幅降低了藥物的成本。現在常用的原子彈的原料實際上是钚-239，就需要在核反應堆中讓鈾-238吸收中子后來獲得。中子輻照能讓物質內部產生特定的缺陷，從而提高材料在某些方面的性能，比如一些超導帶材的載流能力等。

研究型反應堆的另一個重要功能是中子散射及中子照相研究。中子因為不帶電且具有磁矩，它的“透視”能力很強，可以直抵原子核發(fā)生相互作用，或者與原子的磁矩發(fā)生相互作用，從而可以作為強大的“探針”來研究物質內部的結構和各種微觀相互作用。借助中子衍射技術，可以分析材料內部原子及其磁矩的排布方式，例如鋰離子電池的材料結構和鋰的分布變化對其性能有著決定性的影響，利用中子衍射可以精確給定相關參數，甚至實時監(jiān)測電池使用過程中的變化。借助中子準彈性散射技術，可以研究生物大分子、介孔材料、金屬合金等結構和動力學過程，而中子反射技術則可以研究薄膜材料的結構與磁性。借助非彈性中子散射技術，可以告訴我們材料內部原子或磁矩的相互作用方式及能量尺度，是目前為止唯一可以定量描述原子磁矩相互作用的研究手段，而且因中子穿透性極強，可以兼容低溫、高溫、高壓、磁場、電場等各種樣品環(huán)境。

飛機發(fā)動機渦輪葉片

借助中子照相技術，可以把復雜的大構件一覽無遺，實時觀測生命體中的水分部，甚至開展文物或化石的考古研究。舉例來說，服役很久的飛機渦輪葉片、航母甲板、高鐵車輪等，會因為內部殘余應力等因素產生微小的損傷，當損傷積累到一定程度可能會瞬間碎裂，造成災難性的后果?；谫ゑR射線的金屬探傷能力有限，無法研究如此厚重的金屬構件，而中子照相技術就能輕松做到。

中國先進研究堆(CARR)是一座高性能、多用途、高安全性的研究堆，設計滿功率為60 MW，其最大中子通量等性能指標居世界前列。在CARR的反應堆大廳，建設有同位素分離實驗站，高分辨和高強度粉末衍射儀，殘余、織構和四圓衍射儀以及多臺熱中子三軸譜儀。在CARR的導管大廳，建設有多臺冷中子粉末衍射和非彈性散射譜儀，以及中照相和多功能工業(yè)應用譜儀等。在做實驗的過程，大家也不必要擔心核輻射的問題，按照要求，實驗大廳的輻射量應該在0.6微西弗以下，需要連續(xù)工作1400天才相當于去醫(yī)院做一次CT檢查。目前，中國先進研究堆已面向國內50余家科研院所開放和共建實驗終端，并于近期開始面向全世界征集用戶實驗。

讓我們共同期待，中國先進研究堆在未來結出豐碩的研究成果。

本文為科普中國·創(chuàng)作培育計劃扶持作品

作者：羅會仟

審核：張雙南 中國科學院高能物理研究所 研究員

出品：中國科協科普部

監(jiān)制：中國科學技術出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司