北京大学4.5MV静电加速器核材料辐照系统

随着我国核电事业的发展,新一代核能系统对材料性能的更高要求已经成为材料科学领域新的挑战,为适应这一需求,为高性能抗辐照核材料的研究和测试提供平台,北京大学4.5 MV静电加速器组在核物理与核技术国家重点实验室的支持下,在原有束线基础上新增设质子/氦温控辐照系统并投入使用。该系统可进行能量范围在0.7～3.5 Me V内的质子或氦离子辐照,离子流强最高10μA,并可进行最高1 000℃的加热辐照,特别适合开展核能材料的初级快速筛选。此外,4.5 MV加速器与2×6 MV串列加速器联合建设的双束共靶辐照系统也已经整体调试完成,可为材料辐照效应的进一步研究提供良好的实验平台。     

先进核能系统结构材料辐照性能研究

首先简要介绍第一代到先进的第四代核能系统的发展、与核能系统发展密切的抗辐照结构材料研发进展、第四代核能系统结构材料辐照性能研究新方法。第四代核能系统发展中,辐照引起材料性能退化是一个需要研究和解决的瓶颈问题。现有中子源都不能满足第四代核能系统结构材料高剂量中子辐照性能研究的要求。为此,发展了用于核能系统结构材料高剂量辐照性能快速检测加速器重离子辐照方法和第四代核能系统实际辐照工况模拟的重离子与氢和氦三束同时辐照新方法,文中进行了详细的介绍。最后介绍了中国原子能科学研究院核能系统结构材料辐照性能研究现状和近期发展计划。该院在HI-13串列加速器器上建立了多种不同用途的重离子辐照装置、三个独立加速器构成的重离子与氢和氦三束同时辐照实验平台,开展了一系列核能结构材料,例如国产改进型奥氏体钢、CLAM钢、1515钢、钽、钨等的辐照性能的系统测试和研究。为了更好地开展核能结构材料性能研究,从国外引进了一台超导直线加速器和一台可变能量重离子回旋加速器。结合现有2×13 MeV,2×1.7 MV串列加速器、30 MeV和100 MeV质子回旋加速器、高压倍加器,中国实验快堆、中国先进研究堆、微堆等,CIAE将建成一个比较完整和先进的核能系统结构材料辐照实验平台系统供国内外用户使用。This paper introduces briefly the development of nuclear energy systems from the GEN I to the advanced GEN IV, the progress of manufacturing radiation resistant materials associated with the development of nuclear energy systems and the new methods of investigating radiation properties of the structural materials for the GEN IV nuclear energy systems at first. Irradiation induced deterioration of materials properties is a bottle neck problem, which must be investigated and solved for the development of the GEN IV nuclear energy systems. Unfortunately, all the currently available neutron sources cannot meet the requirements of investigating radiation properties of structural materials irradiated by high dose neutron irradiation in the GEN IV nuclear energy systems. Therefore, two new methods of the accelerator heavy ion irradiation that simulates the high-dose neutron irradiation and the triple beam irradiation that mimics the real neutron irradiation environment in the GEN IV nuclear energy systems have been developed. These two methods are introduced in this paper. The present status of the study on radiation properties of structural materials for nuclear energy systems of the new generation and the near future development plan at China Institute of Atomic Energy (CIAE) are described also. The accelerator heavy ion irradiation facilities for different applications and the simultaneous triple beam irradiation platform with three separate accelerators or implanters have been established at the HI-13 tandem accelerator of CIAE. A series of structural materials for nuclear energy systems, such as the home-made modified austenic steel, CLAM steel, 1515 steel, Tantalum, Tungsten, etc. have been tested and investigated systematically. A superconducting linear accelerator and a variable energy heavy ion cyclotron have been imported from abroad for a better performance of the study. Combined with the currently existing facilities of 2×13 MeV and 2×1.7 MV tandem accelerators, 30 and 100 MeV proton cyclotrons, China experimental fast reactor, China advance research reactor, Miniature neutron source reactor, etc. a comprehensive and advanced system of experimental irradiation platform for structural materials of nuclear energy systems will be established in the near future for both domestic and foreign users.     

基于北京大学4.5 MV静电加速器的核技术应用

北京大学4.5 MV静电加速器是20世纪80年代我国自主研发的静电加速器。该器端电压在0.7~3.8 MV连续可调,主要加速氢/氦同位素离子,并可通过打靶产生准单能直流/脉冲中子场,具有多条束线及多个实验终端。该器作为开放仪器多年来为国内外从事核技术研究的团队提供了实验平台。近年来,针对我国在能源、航天和国防等领域材料研究的重要需求,该器进行了多次升级改造。一方面通过产生7 MeV以下和14~19 MeV的准单能中子场,应用于(n, a)核反应截面的测量和聚变堆中子谱仪刻度;另一方面,通过温控辐照、核反应分析等实验终端,实现了材料辐照损伤及聚变堆材料元素定量分析等研究方向的功能拓展。此外,设计新增用于半导体材料电学性能测试的原位在线辐照终端和用于研究材料微观尺度元素分布的离子束综合分析实验终端。目前部分新终端已设计组装完成,相关搭建和调试工作正在进行中。     

100 MeV质子束流品质诊断及剂量测量准确性评估方法研究

质子辐射生物学效应是太空放射生物学和质子束放疗研究的重要基础,可为空间环境下人员的危险性评估以及质子治疗优化设计提供科学依据。依托加速器建立相应的生物样本辐照技术是开展此类研究的前提条件。中国原子能科学研究院最近建立的100 MeV强流质子回旋加速器提供的中能质子束流为目前国内能量最高,特别适合用于太空放射生物学和质子治疗相关研究。本研究中,利用在束和离线等多种手段建立了中能质子束流诊断和剂量测量方法,对加速器引出的100 MeV质子照射野大小、均匀性等束流品质以及剂量测量系统准确性进行了分析和评估。结果表明,对光子剂量响应好的LiF(Mg, Ti)热释光探测器,对90 MeV质子同样具有良好的剂量响应关系,可作为中能质子剂量准确性评估的手段之一。在5.0 cm×5.0 cm照射野范围内,加速器引出的100 MeV质子束流的均匀性好于90%,在线剂量测量系统准确性好于93%,束流品质和剂量测量条件基本满足辐射生物学的要求,可为质子辐射生物学效应研究的开展提供可靠保障。     

基于4MV静电加速器的高温辐照装置研制及离子辐照初步实验北大核心CSCD

为了模拟钍基熔盐堆(TMSR)材料的中子辐照损伤,基于中国科学院上海应用物理研究所(SINAP)的4 MV静电加速器,研制了一台专用的离子束辐照装置。装置主要由束流传输线和高温、高真空靶室组成。束流传输线装有用于束流磁场扫描和束流监测的设备。装置可提供H^+,He^+,Ar^+等束流用于离子束辐照,束流最高能量4 Me V,最大流强2μA。辐照温度范围为液氮温度至950℃。辐照面积最大为30 mm×30mm。装在靶室的由旋转铝片构成的变能器对束流能量进行调制,可以在样品中得到均匀的辐照损伤。初步的实验结果表明,装置适用于高温合金及其他熔盐堆材料的辐照损伤研究。     

基于4MV静电加速器的高温辐照装置研制及离子辐照初步实验

为了模拟钍基熔盐堆(TMSR)材料的中子辐照损伤,基于中国科学院上海应用物理研究所(SINAP)的4 MV静电加速器,研制了一台专用的离子束辐照装置。装置主要由束流传输线和高温、高真空靶室组成。束流传输线装有用于束流磁场扫描和束流监测的设备。装置可提供H~+,He~+,Ar~+等束流用于离子束辐照,束流最高能量4 Me V,最大流强2μA。辐照温度范围为液氮温度至950℃。辐照面积最大为30 mm×30mm。装在靶室的由旋转铝片构成的变能器对束流能量进行调制,可以在样品中得到均匀的辐照损伤。初步的实验结果表明,装置适用于高温合金及其他熔盐堆材料的辐照损伤研究。     

我国建成首台强流质子直线加速器

6月23日，由中国科学院高能物理研究所建造的强流质子直线加速器通过专家鉴定．这是我国建成的首台强流质子直线加速器，标志着我国在加速器驱动洁净核能系统的研究方面步入国际先进行列．     

北京大学1.7MV串列静电加速器的离子注入/辐照实验系统

北京大学1.7 MV串列静电加速器运行至今已有三十多年.该加速器配备有高频电荷交换负离子源和铯溅射负离子源,能够引出从H到Au之间的大部分元素的离子.离子能量可被加速至几百keV到若干MeV,主要开展离子注入/辐照实验和卢瑟福背散射(RBS)和沟道分析等离子束分析工作.基于辐照实验需求,建立了高温辐照系统,温度最高可达...     

用20—1020 keV单能质子刻度CR-39固体核径迹探测器

用北京师范大学2×1.7MV串列加速器和400 kV高压倍加器产生的20—1020 keV单能质子束对CR-39固体核径迹探测器进行了刻度.为了保证质子的单能性和固体核径迹探测器上径迹密度不能超过10⁶/cm²的要求,对两台加速器分别采用了不同方法控制质子辐照数量.在串列加速器上采用了狭缝加转盘的方法,在高压倍加器上采用了100 ns单次高压脉冲扫描束流的方法,既保持了质子的单色性,又达到了质子注量小于10⁶/cm²的 关键词： 单能质子 固体核径迹探测器 CR-39     

辐射变色薄膜的质子辐照响应

 用J-2.5质子静电加速器提供的质子束,对研制的一种高灵敏度新型辐射变色膜进行质子辐射响应研究。该变色膜以聚乙烯醇缩聚物为基质,以类丁二炔化合物为有机染色材料,质子能量为2.0 MeV,辐照注量为1.0×10¹⁰～1.0×10¹² cm^-2。用光谱响应测试薄膜的辐射效应显示：变色薄膜颜色由粉红渐变为蓝色, 并随着辐照剂量的增加而逐渐加深;用图像分析仪分析辐照后靶材的光密度发现,图像的光密度随聚焦斑距离的增大而减小;用分光光度计测试其吸收光谱发现,主吸收峰值出现在660 nm附近,且吸收峰处的响应吸光度与质子注量具有较好的线性关系;对新型变色薄膜辐照后持续效应的研究表明,变色膜辐照后续效应微弱,辐照后可以立即测量,且对测量环境变化不敏感。     

利用QMD分析中高能质子入射208Pb的(p,xn)反应双微分截面

中高能质子入射重金属靶产生散裂中子是加速器驱动洁净核能系统的一个关键部分.利用量子分子动力学(QMD)模型研究入射质子能量在300MeV—1.5GeV,散裂靶为²⁰⁸Pb的(p,xn)核反应的双微分截面,QMD计算结果很好再现了实验数据,且QMD的计算结果明显优于HETC和LAHET.QMD在较宽的能区和核区满足加速器驱动洁净核能系统散裂靶物理计算的要求.     

CAEP FEL-THz 2K氦低温系统建设及其试运行

中国工程物理研究院高平均功率太赫兹大型科研装置(CAEP FEL-THz)采用1.3GHz超导加速器,低温系统为超导加速器提供2K低温环境。低温系统于2016年上半年顺利完成试运行,具备160L/h@4.5K的液氦生产能力和优于66W@2K的冷量能力,保障了超导加速器正常稳定运行所必需的低温环境。据此,简要总结了2K氦低温系统的建设进展,并介绍了低温系统的试运行情况。     

CSNS-Ⅱ靶站质子束窗结构设计与优化分析

中国散裂中子源（CSNS）靶站质子束窗位于环到靶站输运线（RTBT）与靶站交接面,起到隔离加速器高真空和靶站氦气环境的作用。随着束流功率提高,目前质子束窗单层膜结构形式已无法满足CSNS-Ⅱ 500 kW的高功率需求,因此开展CSNS-Ⅱ质子束窗研制,设计出双层膜中间通水的冷却结构,完成质子束窗双层膜的薄膜半径、薄膜厚度、水冷槽长度与宽度、对流换热系数等各参数对质子束窗温升与热应力的影响分析。通过冷却水需求分析得出,冷却水流速需大于15 L/min。通过质子束窗主体的流固耦合分析,消除箱体内部死水区域。最终优化后质子束窗薄膜位置最高温度47.8℃,薄膜位置最高热应力30.758 MPa。通过FLUKA软件对质子束窗材料的辐照损伤性能进行分析,在每年5 000 h工作时长、500 kW高功率束流的辐照下,辐照损伤DPA计算值为1.285 DPA,质子束窗的安全使用寿命在7年以上。     

类氦C离子诱发不同金属厚靶原子的K-X射线

利用中国原子能科学研究院HI-13MV串列加速器上提供的动能为15—55 MeV的类氦C离子分别轰击Fe, Ni, Nb和Mo金属厚靶,采用HpGe探测器测量了K-X射线,获得了相应的K-X射线的发射截面.本文中由于各个靶原子外壳层电离度的不同,类氦C离子与Fe, Ni靶原子相互作用发射的K_β与K_α X射线的分支强度比随入射离子动能增加而减小,而Nb, Mo靶原子发射的K-X射线分支强度比变化不明显.利用厚靶截面公式计算了靶原子K-X射线的发射截面,并与不同的理论模型及质子的结果进行了对比.结果表明随类氦C离子动能的增大, Fe, Ni靶原子发射的K_β与K_α X射线的总产生截面与考虑多电离的两体碰撞近似修正模型最为符合Nb, Mo靶原子发射的K_β与K_α X射线的总产生截面与平面波恩近似模型的理论值最为接近.质子与单核子C离子能量相同时,质子比类氦C离子激发不同靶的K-X射线产生截面约小3个数量级.     

基于极化氦三靶的原子核散射实验

利用极化的氦三气体靶可以显著地拓展传统的核物理实验研究,观察初态自旋自由度对核反应过程动力学的影响。本文通过列举极化三体核力实验以及极化的重离子电荷交换反应实验,介绍了极化氦三靶在核物理实验研究中的独特优势。在质子散射实验中,通过测量不同极化方向下的多种末态产物角分布,可以进一步检验手征有效场理论对于三体核力的描述;而在与重离子的电荷交换反应中,通过控制靶极化方向可以分离π介子交换与ρ介子交换对于核子自旋同位旋激发的贡献,从而为研究核子在不同核环境中的动力学演化提供独一无二的契机。结合我国新一代大科学装置的建设背景,尤其是以加速器驱动嬗变系统（ADS）和强流重离子加速器装置（HIAF）和中国散裂中子源（CNS）为代表的先进实验平台为原子核物理实验研究提供了理想的机遇。新的实验技术手段将明显拓展在这些大型核科学装置上开展实验研究的深度与广度。极化氦三靶做为其中具有独特优势的研究手段,必将具有广阔的应用前景。     

310 ℃和350 ℃下锆-4合金中沉淀相非晶化研究

用大束流加速器和透射电子显微镜研究了Zr-4合金在310 ℃和350 ℃下的质子辐照效应。当质子能量为2 MeV，在310 ℃和350 ℃下质子辐照产生原子离位损伤达5 dpa（注量率为8.5×1013 cm-2·s-1），辐照前后的明场像、高分辨相和电子衍射花样均表明:在310 ℃辐照产生原子损伤达到5 dpa，沉淀相Zr(Cr,Fe)2边缘5～10 nm的区域已经非晶化，而在350 ℃时质子辐照却没有非晶化发生。沉淀相Zr(Cr,Fe)2的元素分布图像和浓度分布表明，铁元素向基体扩散并且聚集在非晶化边界区域。     

质子直线加速器设计研究

当前质子直线加速器发展的两个重要方向是强流质子直线加速器和小型质子直线加速器.前者主要用于核能领域,后者主要用于质子治疗.两类加速器有着共同的特点:1.采用一些新型加速结构,它们是传统结构的组合和发展;2.加速小发射度的质子束;3.加速器应有高度的可靠性.但前者的建造难度远大于后者,它还要求具有很低的束流损失率和尽可能高的能量利用效率.研究了两类加速器设计中的一些重要问题,提出了一些设计方案.     

C-ADS中质子束窗散射效应和热力学计算

质子束窗是C-ADS中隔离加速器的真空环境与靶的非真空环境的重要部件。质子束窗材料及其冷却介质造成的束流散射效应是造成束流在靶外损失的主要因素,由于质子束窗中的高能量沉积和高辐照效应,束窗的热力学计算显得尤为重要。计算结果表明:当质子束窗和散裂靶距离为1.5 m时,通过选取合理的结构参数,多管道型质子束窗结构可以将靶外束流损失控制在1%以内。束窗中总的应力,包括由于温度升高造成的热应力、冷却剂的静压,以及束窗两侧加速器真空与外部非真空环境的压强差造成的应力,可以有效控制在所用材料的许用应力之内。并通过计算讨论给出C-ADS中质子束窗的初步设计参数。     

230MeV质子回旋加速器超导线圈拉杆结构研究

该院承研的230Me V质子回旋加速器是中核集团在研的质子治疗系统的核心装置。230Me V质子回旋加速器具有常温铁轭与4叶片螺旋扇磁极结构,采用超导线圈励磁,具有结构紧凑、运行功耗低的特点。230Me V质子回旋加速器的超导线圈通过拉杆在低温恒温器中进行定位和位置调节。拉杆按照周向位置分4组共12根,每组包括轴向向上、轴向向下、径向3个方向的拉杆。分析了拉杆结构以确保拉杆中各零件满足强度要求,研究了拉杆的调节方法和步骤,并在超导线圈降温过程中对拉杆进行了调节。通过对拉杆结构的研究,保证了超导线圈与常温主磁铁的相对位置关系,为回旋加速器质子束流的顺利引出提供条件。     

氦、氘对纯铁辐照缺陷的影响

在核聚变堆的辐照环境中, 核嬗变产物氢、氦对结构材料的抗辐照性能将产生很大的影响. 本实验采用离子注入和电子辐照模拟研究了氦和氘对具有体心立方结构的纯铁的影响. 采用离子加速器在室温分别对纯铁注入氦离子和氘离子, 经500℃时效1 h后在高压电镜下进行电子辐照.结果表明: 室温注氦和室温注氘的纯铁在500℃时效后分别形成间隙型位错环和空位型位错环. 在电子辐照下, 间隙型位错环吸收间隙原子而不断长大, 而空位型位错环吸收间隙原子不断缩小. 通过计算位错环的变化速率发现, 空位型位错环比间隙型位错环吸收了更多的间隙原子, 即室温注氘纯铁的位错偏压比室温注氦纯铁的偏压参量大, 这意味着相同实验条件下空位型位错环对辐照肿胀的贡献大于间隙型位错环对辐照肿胀的贡献. 利用氦-空位复合体和氘-空位复合体的结构, 分析了注氦和注氘后在纯铁中形成不同类型位错环的原因. 关键词： 氦 氘 辐照损伤 位错环