我國首座散裂中子源開建將提升納米等技術水平

中國散裂中子源項目效果圖 資料圖片

英國散裂中子源 網絡圖片

　　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，簡稱CSNS)，已在東莞動工建設。該項目建成后，CSNS將成為發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、納米等學科前沿基礎研究和高技術的水平，縮短中國與世界前沿的差距。記者為你揭開散裂中子源的面紗。

　　散裂中子源是什么？首先，“散裂”是當一個高能質子轟擊重原子核時，一些中子被轟擊出來的過程，如同一個壘球用力投到裝滿球的筐中，有一些球會立刻蹦出來，而更多的球則會彈跳并翻出筐外一樣。

　　其次，中子是組成物質的基本粒子之一，它和X射線一樣，都是人類探索物質微觀結構的有力手段。然而在物理和生物材料領域，科學家們希望有一種強亮度的中子源，能像X射線一樣拍攝到材料的微觀結構，探索原子和分子的運動規律，就像我們希望能夠在黑暗中有一盞明燈，照亮閱讀中的書籍那樣。

　　這時，散裂中子源就產生了，它是用來自大型加速器的高能質子轟擊重金屬靶，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生散射，最后由中子散射譜儀接收。科學家們就根據這些中子散射的數據分析出被觀測物體的微觀特征，供科學和工業研究用。通俗一點來說，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、聚合物等物微觀結構。

　　近年來，美、日、歐等發達國家把建設高性能散裂中子源作為提高科技創新能力的重要舉措，并大力發展散裂中子源項目。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經過7年建設于2006年4月28日產生出第一束中子，其升級工程同時啟動。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。其快循環同步加速器將提供1兆瓦的質子束流用于驅動散裂中子源。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。

　　CSNS是國家“十一五”期間重點建設的大科學裝置，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臺束流動能為80兆電子伏特的負氫離子直線加速器、1臺束流動能為1600兆電子伏特的快循環質子同步加速器、2條束流輸運線、1個靶站、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。

　　CSNS自2008年9月獲批準落戶東莞大朗鎮開始項目籌建。其實，CSNS從2005年、2006年就開始選址，從北京一直到廣東，最開始圈定在廣州、珠海和東莞三個當中，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，如今該項目落戶東莞，將令廣東成為第五個擁有大科學裝置的地方。從而優化我國大科學裝置的布局，將中國科學院在基礎科學研究、應用基礎研究和高技術研發方面的雄厚實力與珠三角地區強勁的經濟實力相結合，推動南方各省在大科學裝置上開展基礎科學和應用科學研究，提高技術研發水平，促進經濟轉型。其次，東莞本身地理位置非常優越，處于廣州、深圳、香港、澳門等城市的中心，因而擴展性很強；另外，東莞大朗鎮具有穩定、可承重的地質結構，符合建設散裂中子源的要求。

　　根據國內用戶調查，CSNS項目目前已確定的首批用戶包括，中國科學院下屬9個研究所的70多個研究組，以及科學院以外的22所大學和中國原子能科學研究院、中國工程物理研究院等研究機構的30多個研究組。

　　除上述基礎科學研究和應用基礎科學研究方面外，中子散射在工程和工業方面的應用需求也非常大。我國在凝聚態物理、化學、材料、生物科學、聚合物和軟物質、地球科學、機械加工工業、核物理、質子成像和醫學應用等領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。

　　CSNS基于新一代加速器，不需要核材料，其動力來自電能，其輻射控制在環保安全范圍。“在散裂中子源附近居住1年，居民受到的輻射量僅相當于乘1次飛機”。中國科學院高能物理研究所所長陳和生院士表示。

　　據介紹，CSNS附近將會建監控站，隨時監控輻射情況。《散裂中子源項目環境影響報告書》也提出了事故應急預案。由于散裂中子源不使用核材料，萬一散裂中子源發生事故，只要斷電停機，中子源產生的主要輻射立即消失。

　　另外，散裂中子源只是一種射線裝置，與反應堆類的核裝置完全不同，不需要核原料，沒有鏈式核反應，加速器運行時會有少量的粒子丟失而產生次級粒子，如：χ射線，γ射線和中子等，它們都具有放射性，通稱為瞬時輻射。這些放射性物質，比反應堆中子源低5－6個量級，對環境的影響要小得多，而且這些放射性物質將存放在國家指定的廢物庫中。

　　只要加速器一停機，造成環境影響的主要輻射源即消失，可以說像水龍頭一樣安全可靠。加速器是通過電子器件自動控制起停的，一旦出現故障，可以在幾毫秒內關閉加速器。經反復論證研究，散裂中子源是一臺比較清潔的射線裝置，在歐洲，散裂中子源是唯一得到綠黨支持的核裝置。

　　倘若發生地震，散裂中子源機器便停止運轉，輻射場即消失。散裂中子源可能發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，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，以避免此類事故發生。

　　此外，從地質環境來看，散裂中子源的關鍵裝置建在地下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。隧道入口采用迷宮門或載重門。這些良好的屏蔽措施，能將散裂中子源可能產生的活化物、感生放射性物質屏蔽，環境劑量可以控制在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，國家是有嚴格環保規定的，要經過國家環保總局驗收。今年6月17日，國家環境保護部在東莞市組織召開了CSNS項目環境影響評價專家審評會。環保部10名專家以及其他部門的專家作為“考官”一致認為，該項目對環境的影響是可以接受的結論可信。

　　CSNS建設過程中，質子加速器、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，這些技術難關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家到東莞進行科研活動，建成后將吸引國內外逾600名專家學者匯聚東莞搞研究，其中將有約200名學生為中子源項目工作，這些學生將主要來源于廣東地區。

　　據悉，中科院高能物理研究所已走訪了中山大學、華南理工大學、暨南大學、深圳大學、東莞理工學院等多所院校，計劃與這批院校開展友好合作協議，既為高校提供科學前沿實習平臺，也為項目培養后備工程技術人才。例如，高能物理所與東莞理工學院合作共建中子探測器科學聯合實驗室和機電一體化聯合實驗室。

　　目前，散裂中子源技術在生物、生命、醫藥等研究領域發揮著X射線無法替代的作用，并與同步輻射光源互為補充，成為基礎科學研究和新材料研發的最重要平臺之一。例如，散裂中子源的質子和中子可用于腫瘤的放射性治療研究，已在許多發達國家得到應用。

　　工農業生產領域，散裂中子源可以研究石油輸油管線裂紋的成因、測量飛機渦輪的葉片與輪盤的焊接應力、研究大豆根系的生長等。

　　在新型清潔能源可燃冰的開發利用中，散裂中子源高壓下的中子衍射技術可用來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、高效地開采和利用可燃冰提供科學依據。

　　在航天方面，通過散裂中子源項目發展起來的強流質子加速器，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，現已經成為一種先進的無損檢驗方法。

　　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產業的技術進步。