中國迄今最大的國家重大科技基礎設施“中國散裂中子源”(Chinese Spallation Neutron Source，簡(jiǎn)稱(chēng)CSNS)，已在東莞動(dòng)工建設。該項目建成后，CSNS將成為發(fā)展中國家擁有的第一座散裂中子源，也將躋身世界第四大脈沖散裂中子源，從而大幅提升中國材料、生命、納米等學(xué)科前沿基礎研究和高技術(shù)的水平，縮短中國與世界前沿的差距。羊城晚報記者為你揭開(kāi)散裂中子源的面紗。
中國散裂中子源項目效果圖 資料圖片
英國散裂中子源 網(wǎng)絡(luò )圖片 1CSNS是什么 像一臺“超級顯微鏡” 散裂中子源是什么？首先，“散裂”是當一個(gè)高能質(zhì)子轟擊重原子核時(shí)，一些中子被轟擊出來(lái)的過(guò)程，如同一個(gè)壘球用力投到裝滿(mǎn)球的筐中，有一些球會(huì )立刻蹦出來(lái)，而更多的球則會(huì )彈跳并翻出筐外一樣。 其次，中子是組成物質(zhì)的基本粒子之一，它和X射線(xiàn)一樣，都是人類(lèi)探索物質(zhì)微觀(guān)結構的有力手段。然而在物理和生物材料領(lǐng)域，科學(xué)家們希望有一種強亮度的中子源，能像X射線(xiàn)一樣拍攝到材料的微觀(guān)結構，探索原子和分子的運動(dòng)規律，就像我們希望能夠在黑暗中有一盞明燈，照亮閱讀中的書(shū)籍那樣。 這時(shí)，散裂中子源就產(chǎn)生了，它是用來(lái)自大型加速器的高能質(zhì)子轟擊重金屬靶，引起金屬原子的散裂反應，釋放出大量的中子。這些中子形成非常強的中子束流，中子慢化后與樣品發(fā)生散射，最后由中子散射譜儀接收�？茖W(xué)家們就根據這些中子散射的數據分析出被觀(guān)測物體的微觀(guān)特征，供科學(xué)和工業(yè)研究用。通俗一點(diǎn)來(lái)說(shuō)，散裂中子源就像一臺“超級顯微鏡”一樣，可以研究DNA、結晶材料、聚合物等物微觀(guān)結構。 中國走在美日歐后 近年來(lái)，美、日、歐等發(fā)達國家把建設高性能散裂中子源作為提高科技創(chuàng )新能力的重要舉措，并大力發(fā)展散裂中子源項目。美國的散裂中子源SNS，總投資14 億美元、設計束流功率為1.4兆瓦。SNS經(jīng)過(guò)7年建設于2006年4月28日產(chǎn)生出第一束中子，其升級工程同時(shí)啟動(dòng)。日本總投資約18億美元的散裂中子源J-PARC正在建設中，建設周期約8年。其快循環(huán)同步加速器將提供1兆瓦的質(zhì)子束流用于驅動(dòng)散裂中子源。英國已成功運行20余年的散裂中子源 ISIS，正在升級改造其質(zhì)子加速器(投資約3億美元)，并建設ISIS的第二靶站。亞洲鄰國韓國和印度，也正在積極籌建束流功率為百千瓦量級的散裂中子源：PEFP和ISNS。 目前，中國雖然在北京、安徽合肥、臺灣新竹和上海(在建)擁有4座高亮度高性能的X射線(xiàn)源，卻尚不具備高性能脈沖中子源。因而，中國建造一座高性能的脈沖中子源勢在必行。 發(fā)展中國家第一臺 CSNS是國家“十一五”期間重點(diǎn)建設的大科學(xué)裝置，該項目由中科院和廣東省共同建設，選址于東莞市大朗鎮，規劃用地1000畝，將于2017年前后建成。該項目預計總投資為22億元人民幣，其中，國家投資17億，廣東省配套投資5億元，并提供430畝裝置用地及“七通一平”條件。 CSNS的設置建設包括：1臺束流動(dòng)能為80兆電子伏特的負氫離子直線(xiàn)加速器、1臺束流動(dòng)能為1600兆電子伏特的快循環(huán)質(zhì)子同步加速器、2條束流輸運線(xiàn)、1個(gè)靶站、3臺譜儀及相應配套設施和土建工程。束流功率為100千瓦、脈沖重復頻率25赫茲的CSNS脈沖中子通量設計指標超過(guò)目前世界上正在運行的所有散裂中子源。 建成后，CSNS將成為發(fā)展中國家的第一臺散裂中子源，和世界上正在運行的美國、英國、日本的散裂中子源，一起構成世界四大脈沖散裂中子源。 2三問(wèn)CSNS 為何落戶(hù)東莞？ CSNS自2008年9月獲批準落戶(hù)東莞大朗鎮開(kāi)始項目籌建。其實(shí)，CSNS從2005年、2006年就開(kāi)始選址，從北京一直到廣東，最開(kāi)始圈定在廣州、珠海和東莞三個(gè)當中，而中科院最終選擇了東莞大朗，是有原因的：首先，中國依托大科學(xué)裝置的綜合研究中心主要分布在北京、上海、合肥、蘭州等地。在華南地區，一直有所欠缺，如今該項目落戶(hù)東莞，將令廣東成為第五個(gè)擁有大科學(xué)裝置的地方。從而優(yōu)化我國大科學(xué)裝置的布局，將中國科學(xué)院在基礎科學(xué)研究、應用基礎研究和高技術(shù)研發(fā)方面的雄厚實(shí)力與珠三角地區強勁的經(jīng)濟實(shí)力相結合，推動(dòng)南方各省在大科學(xué)裝置上開(kāi)展基礎科學(xué)和應用科學(xué)研究，提高技術(shù)研發(fā)水平，促進(jìn)經(jīng)濟轉型。其次，東莞本身地理位置非常優(yōu)越，處于廣州、深圳、香港、澳門(mén)等城市的中心，因而擴展性很強；另外，東莞大朗鎮具有穩定、可承重的地質(zhì)結構，符合建設散裂中子源的要求。 誰(shuí)是首批用戶(hù)？ 根據國內用戶(hù)調查，CSNS項目目前已確定的首批用戶(hù)包括，中國科學(xué)院下屬9個(gè)研究所的70多個(gè)研究組，以及科學(xué)院以外的22所大學(xué)和中國原子能科學(xué)研究院、中國工程物理研究院等研究機構的30多個(gè)研究組。 除上述基礎科學(xué)研究和應用基礎科學(xué)研究方面外，中子散射在工程和工業(yè)方面的應用需求也非常大。我國在凝聚態(tài)物理、化學(xué)、材料、生物科學(xué)、聚合物和軟物質(zhì)、地球科學(xué)、機械加工工業(yè)、核物理、質(zhì)子成像和醫學(xué)應用等領(lǐng)域內擁有較強的研究隊伍和較好的研究基礎，他們將是CSNS的潛在用戶(hù)。 有無(wú)輻射污染？ CSNS基于新一代加速器，不需要核材料，其動(dòng)力來(lái)自電能，其輻射控制在環(huán)保安全范圍�！霸谏⒘阎凶釉锤浇幼�1年，居民受到的輻射量?jì)H相當于乘1次飛機”。中國科學(xué)院高能物理研究所所長(cháng)陳和生院士表示。 據介紹，CSNS附近將會(huì )建監控站，隨時(shí)監控輻射情況�！渡⒘阎凶釉错椖凯h(huán)境影響報告書(shū)》也提出了事故應急預案。由于散裂中子源不使用核材料，萬(wàn)一散裂中子源發(fā)生事故，只要斷電停機，中子源產(chǎn)生的主要輻射立即消失。 另外，散裂中子源只是一種射線(xiàn)裝置，與反應堆類(lèi)的核裝置完全不同，不需要核原料，沒(méi)有鏈式核反應，加速器運行時(shí)會(huì )有少量的粒子丟失而產(chǎn)生次級粒子，如：χ射線(xiàn)，γ射線(xiàn)和中子等，它們都具有放射性，通稱(chēng)為瞬時(shí)輻射。這些放射性物質(zhì)，比反應堆中子源低5－6個(gè)量級，對環(huán)境的影響要小得多，而且這些放射性物質(zhì)將存放在國家指定的廢物庫中。 只要加速器一停機，造成環(huán)境影響的主要輻射源即消失，可以說(shuō)像水龍頭一樣安全可靠。加速器是通過(guò)電子器件自動(dòng)控制起停的，一旦出現故障，可以在幾毫秒內關(guān)閉加速器。經(jīng)反復論證研究，散裂中子源是一臺比較清潔的射線(xiàn)裝置，在歐洲，散裂中子源是唯一得到綠黨支持的核裝置。 倘若發(fā)生地震，散裂中子源機器便停止運轉，輻射場(chǎng)即消失。散裂中子源可能發(fā)生的嚴重事故是操作人員誤入輻射區而造成的人身傷害事故。不過(guò)，可喜的是現在散裂中子源設計中，已包括了嚴格的人身安全連鎖系統，以避免此類(lèi)事故發(fā)生。 此外，從地質(zhì)環(huán)境來(lái)看，散裂中子源的關(guān)鍵裝置建在地下5米的隧道內，隧道的屏蔽墻厚0.5-1.5米，全部是用水泥包起來(lái)。隧道入口采用迷宮門(mén)或載重門(mén)。這些良好的屏蔽措施，能將散裂中子源可能產(chǎn)生的活化物、感生放射性物質(zhì)屏蔽，環(huán)境劑量可以控制在0.1毫希弗/年，是國家標準的1/10，遠小于一次 X光透視的劑量。 再者，建設散裂中子源項目，國家是有嚴格環(huán)保規定的，要經(jīng)過(guò)國家環(huán)�？偩烛炇�。今年6月17日，國家環(huán)境保護部在東莞市組織召開(kāi)了CSNS項目環(huán)境影響評價(jià)專(zhuān)家審評會(huì )。環(huán)保部10名專(zhuān)家以及其他部門(mén)的專(zhuān)家作為“考官”一致認為，該項目對環(huán)境的影響是可以接受的結論可信。 3CSNS帶來(lái)什么 600頂級科學(xué)家匯聚東莞搞研究 引進(jìn)和培養科學(xué)人才 CSNS建設過(guò)程中，質(zhì)子加速器、靶站、中子散射譜儀的建設，都涉及大量具戰略意義的高技術(shù)，這些技術(shù)難關(guān)等待中國最高水平的科研力量攜手攻克。所以，該項目的建設將吸引大批世界級的科學(xué)家到東莞進(jìn)行科研活動(dòng)，建成后將吸引國內外逾600名專(zhuān)家學(xué)者匯聚東莞搞研究，其中將有約200名學(xué)生為中子源項目工作，這些學(xué)生將主要來(lái)源于廣東地區。 據悉，中科院高能物理研究所已走訪(fǎng)了中山大學(xué)、華南理工大學(xué)、暨南大學(xué)、深圳大學(xué)、東莞理工學(xué)院等多所院校，計劃與這批院校開(kāi)展友好合作協(xié)議，既為高校提供科學(xué)前沿實(shí)習平臺，也為項目培養后備工程技術(shù)人才。例如，高能物理所與東莞理工學(xué)院合作共建中子探測器科學(xué)聯(lián)合實(shí)驗室和機電一體化聯(lián)合實(shí)驗室。 提供強大的科研平臺 目前，散裂中子源技術(shù)在生物、生命、醫藥等研究領(lǐng)域發(fā)揮著(zhù)X射線(xiàn)無(wú)法替代的作用，并與同步輻射光源互為補充，成為基礎科學(xué)研究和新材料研發(fā)的最重要平臺之一。例如，散裂中子源的質(zhì)子和中子可用于腫瘤的放射性治療研究，已在許多發(fā)達國家得到應用。 工農業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，散裂中子源可以研究石油輸油管線(xiàn)裂紋的成因、測量飛機渦輪的葉片與輪盤(pán)的焊接應力、研究大豆根系的生長(cháng)等。 在新型清潔能源可燃冰的開(kāi)發(fā)利用中，散裂中子源高壓下的中子衍射技術(shù)可用來(lái)研究可燃氣體甲烷水合物的形成機制和穩定條件，其研究成果將為安全、高效地開(kāi)采和利用可燃冰提供科學(xué)依據。 在航天方面，通過(guò)散裂中子源項目發(fā)展起來(lái)的強流質(zhì)子加速器，研究航天器件輻照效應的地面模擬試驗。利用中子散射對工程材料和部件缺陷及應力的深度檢測，可為工程部件確定可靠的使用期限，現已經(jīng)成為一種先進(jìn)的無(wú)損檢驗方法。 散裂中子源對核廢料嬗變和潔凈核能源的研究等，將帶動(dòng)和提升我國機械加工、醫藥醫療、石油化工和生物工程等眾多相關(guān)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。
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