中國迄今最大的國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施“中國散裂中子源”(Chinese Spallation Neutron Source，簡稱CSNS)，已在東莞動(dòng)工建設(shè)。該項(xiàng)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(chǔ)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(bào)記者為你揭開散裂中子源的面紗。
中國散裂中子源項(xiàng)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(tái)“超級(jí)顯微鏡” 散裂中子源是什么？首先，“散裂”是當(dāng)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的過程，如同一個(gè)壘球用力投到裝滿球的筐中，有一些球會(huì)立刻蹦出來，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射線一樣，都是人類探索物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)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(qiáng)亮度的中子源，能像X射線一樣拍攝到材料的微觀結(jié)構(gòu)，探索原子和分子的運(yùn)動(dòng)規(guī)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(shí)，散裂中子源就產(chǎn)生了，它是用來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(yīng)，釋放出大量的中子。這些中子形成非常強(qiáng)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。科學(xué)家們就根據(jù)這些中子散射的數(shù)據(jù)分析出被觀測物體的微觀特征，供科學(xué)和工業(yè)研究用。通俗一點(diǎn)來說，散裂中子源就像一臺(tái)“超級(jí)顯微鏡”一樣，可以研究DNA、結(jié)晶材料、聚合物等物微觀結(jié)構(gòu)。 中國走在美日歐后 近年來，美、日、歐等發(fā)達(dá)國家把建設(shè)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(xiàng)目。美國的散裂中子源SNS，總投資14 億美元、設(shè)計(jì)束流功率為1.4兆瓦。SNS經(jīng)過7年建設(shè)于2006年4月28日產(chǎn)生出第一束中子，其升級(jí)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(shè)中，建設(shè)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(qū)動(dòng)散裂中子源。英國已成功運(yùn)行20余年的散裂中子源 ISIS，正在升級(jí)改造其質(zhì)子加速器(投資約3億美元)，并建設(shè)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(jí)的散裂中子源：PEFP和ISNS。 目前，中國雖然在北京、安徽合肥、臺(tái)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。 發(fā)展中國家第一臺(tái) CSNS是國家“十一五”期間重點(diǎn)建設(shè)的大科學(xué)裝置，該項(xiàng)目由中科院和廣東省共同建設(shè)，選址于東莞市大朗鎮(zhèn)，規(guī)劃用地1000畝，將于2017年前后建成。該項(xiàng)目預(yù)計(jì)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(shè)置建設(shè)包括：1臺(tái)束流動(dòng)能為80兆電子伏特的負(fù)氫離子直線加速器、1臺(tái)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(yùn)線、1個(gè)靶站、3臺(tái)譜儀及相應(yīng)配套設(shè)施和土建工程。束流功率為100千瓦、脈沖重復(fù)頻率25赫茲的CSNS脈沖中子通量設(shè)計(jì)指標(biāo)超過目前世界上正在運(yùn)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(tái)散裂中子源，和世界上正在運(yùn)行的美國、英國、日本的散裂中子源，一起構(gòu)成世界四大脈沖散裂中子源。 2三問CSNS 為何落戶東莞？ CSNS自2008年9月獲批準(zhǔn)落戶東莞大朗鎮(zhèn)開始項(xiàng)目籌建。其實(shí)，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(gè)當(dāng)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(qū)，一直有所欠缺，如今該項(xiàng)目落戶東莞，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(chǔ)科學(xué)研究、應(yīng)用基礎(chǔ)研究和高技術(shù)研發(fā)方面的雄厚實(shí)力與珠三角地區(qū)強(qiáng)勁的經(jīng)濟(jì)實(shí)力相結(jié)合，推動(dòng)南方各省在大科學(xué)裝置上開展基礎(chǔ)科學(xué)和應(yīng)用科學(xué)研究，提高技術(shù)研發(fā)水平，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型。其次，東莞本身地理位置非常優(yōu)越，處于廣州、深圳、香港、澳門等城市的中心，因而擴(kuò)展性很強(qiáng)；另外，東莞大朗鎮(zhèn)具有穩(wěn)定、可承重的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，符合建設(shè)散裂中子源的要求。 誰是首批用戶？ 根據(jù)國內(nèi)用戶調(diào)查，CSNS項(xiàng)目目前已確定的首批用戶包括，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(jī)構(gòu)的30多個(gè)研究組。 除上述基礎(chǔ)科學(xué)研究和應(yīng)用基礎(chǔ)科學(xué)研究方面外，中子散射在工程和工業(yè)方面的應(yīng)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(jī)械加工工業(yè)、核物理、質(zhì)子成像和醫(yī)學(xué)應(yīng)用等領(lǐng)域內(nèi)擁有較強(qiáng)的研究隊(duì)伍和較好的研究基礎(chǔ)，他們將是CSNS的潛在用戶。 有無輻射污染？ CSNS基于新一代加速器，不需要核材料，其動(dòng)力來自電能，其輻射控制在環(huán)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(dāng)于乘1次飛機(jī)”。中國科學(xué)院高能物理研究所所長陳和生院士表示。 據(jù)介紹，CSNS附近將會(huì)建監(jiān)控站，隨時(shí)監(jiān)控輻射情況。《散裂中子源項(xiàng)目環(huán)境影響報(bào)告書》也提出了事故應(yīng)急預(yù)案。由于散裂中子源不使用核材料，萬一散裂中子源發(fā)生事故，只要斷電停機(jī)，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裝置，與反應(yīng)堆類的核裝置完全不同，不需要核原料，沒有鏈?zhǔn)胶朔磻?yīng)，加速器運(yùn)行時(shí)會(huì)有少量的粒子丟失而產(chǎn)生次級(jí)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(shí)輻射。這些放射性物質(zhì)，比反應(yīng)堆中子源低5－6個(gè)量級(jí)，對(duì)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(jī)，造成環(huán)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(dòng)控制起停的，一旦出現(xiàn)故障，可以在幾毫秒內(nèi)關(guān)閉加速器。經(jīng)反復(fù)論證研究，散裂中子源是一臺(tái)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(fā)生地震，散裂中子源機(jī)器便停止運(yùn)轉(zhuǎn)，輻射場即消失。散裂中子源可能發(fā)生的嚴(yán)重事故是操作人員誤入輻射區(qū)而造成的人身傷害事故。不過，可喜的是現(xiàn)在散裂中子源設(shè)計(jì)中，已包括了嚴(yán)格的人身安全連鎖系統(tǒng)，以避免此類事故發(fā)生。 此外，從地質(zhì)環(huán)境來看，散裂中子源的關(guān)鍵裝置建在地下5米的隧道內(nèi)，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(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(biāo)準(zhǔn)的1/10，遠(yuǎn)小于一次 X光透視的劑量。 再者，建設(shè)散裂中子源項(xiàng)目，國家是有嚴(yán)格環(huán)保規(guī)定的，要經(jīng)過國家環(huán)保總局驗(yàn)收。今年6月17日，國家環(huán)境保護(hù)部在東莞市組織召開了CSNS項(xiàng)目環(huán)境影響評(píng)價(jià)專家審評(píng)會(huì)。環(huán)保部10名專家以及其他部門的專家作為“考官”一致認(rèn)為，該項(xiàng)目對(duì)環(huán)境的影響是可以接受的結(jié)論可信。 3CSNS帶來什么 600頂級(jí)科學(xué)家匯聚東莞搞研究 引進(jìn)和培養(yǎng)科學(xué)人才 CSNS建設(shè)過程中，質(zhì)子加速器、靶站、中子散射譜儀的建設(shè)，都涉及大量具戰(zhàn)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(xiàng)目的建設(shè)將吸引大批世界級(jí)的科學(xué)家到東莞進(jìn)行科研活動(dòng)，建成后將吸引國內(nèi)外逾600名專家學(xué)者匯聚東莞搞研究，其中將有約200名學(xué)生為中子源項(xiàng)目工作，這些學(xué)生將主要來源于廣東地區(qū)。 據(jù)悉，中科院高能物理研究所已走訪了中山大學(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(jì)劃與這批院校開展友好合作協(xié)議，既為高校提供科學(xué)前沿實(shí)習(xí)平臺(tái)，也為項(xiàng)目培養(yǎng)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(yàn)室和機(jī)電一體化聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室。 提供強(qiáng)大的科研平臺(tái) 目前，散裂中子源技術(shù)在生物、生命、醫(yī)藥等研究領(lǐng)域發(fā)揮著X射線無法替代的作用，并與同步輻射光源互為補(bǔ)充，成為基礎(chǔ)科學(xué)研究和新材料研發(fā)的最重要平臺(tái)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(dá)國家得到應(yīng)用。 工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)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(jī)渦輪的葉片與輪盤的焊接應(yīng)力、研究大豆根系的生長等。 在新型清潔能源可燃冰的開發(fā)利用中，散裂中子源高壓下的中子衍射技術(shù)可用來研究可燃?xì)怏w甲烷水合物的形成機(jī)制和穩(wěn)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(xué)依據(jù)。 在航天方面，通過散裂中子源項(xiàng)目發(fā)展起來的強(qiáng)流質(zhì)子加速器，研究航天器件輻照效應(yīng)的地面模擬試驗(yàn)。利用中子散射對(duì)工程材料和部件缺陷及應(yīng)力的深度檢測，可為工程部件確定可靠的使用期限，現(xiàn)已經(jīng)成為一種先進(jìn)的無損檢驗(yàn)方法。 散裂中子源對(duì)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(jī)械加工、醫(yī)藥醫(yī)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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