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我國強流高功率質子加速器研制再創世界紀錄

發布時間:2021-02-18  來源:科技日報

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   在全國人民慶祝新春佳節之際,我國加速器建設傳來喜訊!

  2月14日,記者從中國科學院近代物理研究所獲悉,該所獨立自主研制的加速器驅動次臨界系統(ADS)超導直線加速器樣機在國際上首次實現束流強度10毫安連續波質子束176千瓦運行指標,并于12日凌晨2時20分,實現10毫安束流穩定運行。事實上,采用全超導直線加速器加速5毫安以上連續波質子束此前從未在國際上被驗證或實現。

  ADS實際上是加速器和反應堆的“結合體”,可將乏燃料中那些半衰期高達數十萬年的放射性廢物變成幾百年的短壽命廢物,將短壽命廢物變成裂變產物,并在此過程中發電。

  射頻超導強流高功率質子直線加速器是ADS三大關鍵系統之一。實現10毫安連續波強流高功率質子束穩定加速是國際上近20多年來投入巨資建設并長期追求的目標,無論物理上還是技術上都存在前所未有的巨大挑戰。

  2011年,中科院提出了我國ADS發展路線圖:第一階段為原理驗證階段,即建立加速器驅動嬗變研究裝置;第二階段為技術驗證階段,即要建立加速器驅動嬗變示范裝置;第三階段為工業推廣階段。

  同年,中科院啟動戰略性先導專項(A類)“未來先進核裂變能——ADS嬗變系統”,旨在通過3個階段的研發,自主發展ADS從試驗裝置到示范裝置的全部核心技術和系統集成技術。近代物理所自接到研發強流高功率質子超導直線加速器這一重大任務開始,10多年來埋頭攻關,自立自強,始終堅持關鍵核心技術自主創新。

  研究團隊創造了一個又一個世界紀錄:2014年實現了射頻四極加速器10毫安連續波質子束穩定運行,國際評審專家評價達到國際領先水平;2015年完成5兆電子伏、3毫安質子超導直線加速器研制和測試;2016年完成10兆電子伏、2毫安質子超導直線加速器研制;2017年25兆電子伏質子超導直線加速器通過專家測試和驗收,在財政部的績效評估中名列第一。

  ADS先導專項驗收后,雖然保障條件有限,近代物理研究所仍然克服多方面困難,繼續開展連續波高功率束流穩定運行技術研究。2019年1月,實現了30千瓦連續波質子束功率大于100小時長時間穩定運行這一重要階段性成果;2021年1月再次取得突破性進展,連續波質子束最大束流強度達到5.6毫安、最大束流功率達到110.9千瓦,具備了百千瓦連續波束流運行的能力。

  春節前,研究團隊也并未松懈,仍然奮戰在科研一線上,解決一個又一個難題,終于在大年三十凌晨在國際上首次實現了10毫安連續波質子束加速,并在大年初一實現10毫安下的束流快速恢復和穩定運行,功率達到176千瓦,供束可用性達到90%以上,再次刷新由他們團隊自己創造的連續波質子束流強度和束流功率世界紀錄。

  當前,ADS超導直線加速器樣機的連續波束流強度和功率均遠超國際同類裝置。此次ADS超導直線加速器樣機成功加速10毫安連續波質子束流,必將為我國在建的國家重大科技基礎設施強流重離子加速器和加速器驅動嬗變研究裝置提供堅強支撐,同時驗證了未來ADS商用裝置束流強度10毫安指標的可行性,為我國未來在國際上率先建設ADS商用裝置和加速器驅動的先進核裂變能裝置奠定基礎。

  這次重大突破首次驗證了全超導直線加速器可以穩定加速5—10毫安連續波質子束這一國際加速器領域長期追求的目標,為國際上同類強流高功率加速器裝置建設及其一系列重大應用提供了成功先例。

  數十兆瓦的高功率連續波質子超導加速器是核廢料嬗變處理、稀有同位素生產、高通量中子源等國家重大戰略需求的核心技術。在射頻超導加速器建設和高功率穩定運行上不斷取得的突破,奠定了核廢料嬗變處理和新元素合成研究的基礎,也將助力我國醫用放射性同位素的規模量產。

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