核能是20世紀人類最偉大的成就之一。中子被稱為核能系統的「靈魂」，是反應堆中核反應的觸發粒子和能量載體，也是產生核熱能和引發放射性的源頭。中子源是產生、研究、利用中子的必備科學裝置，也是開展中子物理與輻射安全、先進核能系統關鍵技術及核技術交叉應用等研究的重要實驗平臺。
日前，中科院核能安全技術研究所FDS鳳麟核能團隊的科研人員，在中子輸運物理與技術方面取得突破性創新研究成果。該團隊研發出強流氘氚中子源實驗裝置HINEG，其中子源強度創現行同類裝置中的世界第一。那麼，這個「世界最強氘氚中子源」究竟強在哪呢？
超強中子靶，承受的熱流密度是太陽表面的3倍
「中子靶是HINEG的核心系統之一，強流離子加速器產生的高功率氘離子束轟擊含有氚的中子靶，在靶上發生氘氚聚變反應產生中子。」中科院核能安全技術研究所所長、FDS鳳麟核能團隊創建人吳宜燦研究員告訴科技日報記者。為了產生強流的中子束，靶需要承受高功率離子束的轟擊，從而帶來靶上高強熱流散出的難題。
「HINEG中子靶承受的熱流密度是太陽表面熱流密度的3倍。如果散熱問題解決不好，靶溫度迅速升高，其內含有的氚會快速釋放，就無法實現中子的持續穩定產生。靶溫升高過快時，甚至會出現瞬間被熔穿燒毀的情形。」吳宜燦說。
針對中子靶的高效散熱難題，FDS鳳麟核能團隊發明了陣列射流耦合強剪切場的高效散熱技術，並通過反覆驗證測試，成功實現了高效散熱，將靶的溫度控制在200℃以內。
不帶電的中子也能做到精準調控
氘氚聚變反應產生14兆電伏（MeV）的單能中子，為模擬再現先進核能系統的複雜中子能譜環境，需要對產生的單能中子進行精確調控以便開展各類實驗研究，這無疑是另一項嚴峻挑戰。
「我們知道，電子、質子是帶電粒子，可以利用電場或磁場對這些帶電粒子進行控制，但中子是不帶電的，無法用電磁場對其進行調控，不過可以通過中子與特定材料中原子核的反應過程來進行調控，這就需要精確的理論方法與實驗技術來實現。」吳宜燦告訴記者。
FDS鳳麟核能團隊以中子輸運理論研究成果為基礎，發明了中子輸運精準調控關鍵技術，實現了先進核能系統的複雜中子能譜環境的準確再現，對先進核能系統研究具有重要意義。
核能及核技術交叉應用研究的重要平臺
與傳統核反應堆相比，先進核能系統可極大提高資源利用率，並降低核廢料的產生。HINEG可以真實再現多種類型先進核能系統的複雜中子能譜環境，開展理論與程序驗證、核數據測量與驗證、反應堆部件核性能驗證等實驗研究。
中子照相是一種檢測物質內部微細結構的「顯微探測」技術，它利用中子在不同物質中穿透能力的差異來洞察物體內部結構，在檢測含氫材料、重金屬組件結構、放射性材料等方面彌補了X光等其他無損檢測技術的不足。HINEG產生的強流中子束可用於開展高精度的無損檢測，服務於我國航空航天等領域的快速發展。
中子治癌是目前正在快速發展的癌症治療方法，該方法是一種身具固有安全性的生物靶向放射治療模式，對患者正常組織損傷小，可有效提高患者的生命質量，開創了人類攻克惡性腫瘤的新途徑。有國際著名專家表示，在癌症領域，20世紀可以說是X射線的世紀，而21世紀將是中子治療的世紀。HINEG可作為中子治癌技術研究的重要平臺，可促進我國在中子治癌領域的發展。
（原載於《科技日報》 2018-02-01 05版）