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面向重大需求
发布时间:2017-03-29 21:59  访问量:777

应用研究需求

重离子在物质里的能量沉积率高、辐照效应强。利用HIAF提供的重离子和放射性束流,以先进核能装置材料的抗辐射性能评估为重点,研究重离子在生物体、半导体和材料中的辐照效应和机制,解决材料领域与辐照效应相关的技术问题,促进我国社会经济相关领域的发展。

由于人类对能源的需求持续迅速增长和日益严重的环境问题,迫切要求研发能够替代化石燃料的新型能源。以快中子堆为代表的第四代裂变反应堆和D-T聚变堆将是解决能源需求、减少温室气体排放的重要途径。研制第四代核反应堆和聚变堆,首先要解决能够耐高温、强辐照、强腐蚀的结构材料问题。候选结构材料必须经过高剂量辐照实验以检验其抗辐照性能。材料的辐照损伤是一个复杂的多参数过程,涉及多种缺陷的扩散、复合和聚集,还存在气体杂质氢、氦等与离位损伤和碰撞级联损伤的关联,是一个从原子、介观到宏观的多尺度材料问题。反应堆材料研究面临的困难是缺乏强中子源辐照条件。利用现役的各类裂变反应堆进行材料辐照实验,反冲原子能谱、H/He杂质产额等参数与先进反应堆不一致,且实验周期长、成本高。利用HIAF提供的强流重离子束模拟新型核反应堆内部辐射环境,以评价结构材料在类似辐照环境中的微观结构和宏观性能变化规律,为结构材料的优化和新型抗辐照材料研发提供重要的实验依据,促进我国先进核能技术的发展。

目前,新型抗辐照结构材料主要有低活化铁素体/马氏体钢、ODS钢、高镍合金、钨合金、碳化硅复合材料等,它们都具有耐高温、高强度、抗腐蚀的优点。但是,这些合金材料在强辐照环境中的结构与性能变化、辐照缺陷与材料内部微结构(位错、晶界、相界)的相互作用机理还不清楚。其中,低活化铁素体/马氏体钢与奥氏体不锈钢相比具有较强的抗空洞肿胀能力、低热膨胀率、低长期感生放射活性、高导热率等特点,因此成为新型快堆、聚变堆的重要候选结构材料。然而,低活化铁素体/马氏体钢在高通量中子或离子辐照下表现出可观的脆化和肿胀,与奥氏体不锈钢相比其高温抗蠕变强度与低温韧性不足。为了优化低活化铁素体/马氏体钢结构材料的高温力学性能和抗辐照性能,必须稳定或增强其独特的晶粒结构、高密度位错、细小碳化物、弥散氧化物颗粒或其它析出相等。这些微结构可以有效吸收辐照产生的点缺陷并俘获氦原子从而抑制点缺陷和氦原子的聚集。各类晶界、位错、析出相界面处的点缺陷和氦原子俘获吸收、以及这些微结构对扩展型缺陷如位错环和氦泡/空洞的长大行为的作用,是一个对传统低活化钢、新型ODS低活化钢、新型高镍合金等具有共性的基础问题。

HIAF的超导直线加速器提供的强流重离子束流在合金样品中的射程在0.5~1.5mm,达到宏观厚度,为宏观样品受照后的力学性能测试提供了必要条件。利用强流重离子束,能够在材料样品中引入高的原子离位损伤或注入高浓度气体离子(约0.2 dpa/h原子离位损伤速率,或26 appm/h气体杂质产生率)。基于HIAF,研究上述各类微结构与高浓度的点缺陷和氦原子的相互作用,尝试建立材料宏观力学性能与微结构的关联,并为新型抗辐照材料性能评估和优化提供重要的实验依据。

综上所述,依托HIAF,我们能够建造核能装置结构材料高效评价与筛选平台,形成具有自主知识产权的核能材料快速评价与筛选的方法和标准。

国家重大战略需求

  进入二十一世纪,核科学面临新的发展机遇。美国和欧洲均制定了核物理研究的中长期发展规划,指出重离子核物理研究的前沿领域是原子核结构与核天体物理、强相互作用物质性质和超出标准模型的新物理等。涉及的重大科学问题有:原子核存在的极限和奇特结构、宇宙中重元素的来源、夸克胶子等离子体相变、基本对称性检验等。

  在重要科学和技术目标的牵引下,世界科技强国正在建设大型重离子加速器研究装置,例如德国的反质子和离子研究装置(Facility for Antiproton and Ion ResearchFAIR),美国的稀有同位素束流装置(Facility for Rare-isotope BeamsFRIB)和法国的在线放射性离子产生系统(Système de Production d'Ions Radioactifs en Ligne –2SPIRAL2)等。目前,我国的重离子加速器主要有北京HI-15串列静电加速器和兰州重离子研究装置(Heavy Ion Research Facility in Lanzhou, HIRFL)。HI-15是一台低能重离子加速器,已运行20多年。HIRFL能够提供不同能量、种类众多的稳定核束流和放射性核束流,为我国核物理研究走向国际前沿提供了良好的基础条件和机遇。但是,我国的重离子加速器装置数量少、规模小、总体性能不够先进,束流时间远远不能满足用户需求,这与我国的经济发展水平和国际地位不相称。今后10年内,随着德国FAIR和美国FRIB等国际上新一代重离子加速器装置陆续投入运行,HIRFL的总体性能指标将明显落后,会逐步失去国际竞争力。面对今天极具挑战的国际环境,我国应当率先在重离子科学研究领域占据重要国际地位。建造先进的重离子加速器装置,提升核科学创新能力,为人类了解物质结构、探索自然界基本规律作出重大贡献,提升中华民族的国际影响力;为核技术应用提供理论、方法、技术和人才支撑,解决关系国家发展的关键技术。为此,我们提出建造重大科技基础设施─“强流重离子加速器装置High Intensity Heavy-ion Accelerator Facility,简称HIAF),符合国家重大战略需求。