成员单位简介
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中科院近代物理研究所中国材料辐照装置
China Material Irradiation Facility,CMIF
发布时间:2019-06-25

中国科学院近代物理研究所创建于1957年,是一个依托大科学装置,主要从事重离子物理基础和重离子束应用研究、相应发展先进粒子加速器及核能、核技术的基地型研究所。经过半个多世纪的发展,已经成为在国际上有重要影响的重离子科学研究中心。

近代物理所杨磊研究员带领的散裂靶团队长期从事新概念高功率靶和未来先进核能系统相关问题的研究,团队在国际上首次创造性的提出密集颗粒流靶作为高功率靶方案,解决了液态金属靶放射产物毒害性高、温度-材料腐蚀效应严重等致命缺陷。2014年主持科技部ITER 专项“聚变材料研究用小型高通量高能氘铍中子源关键问题”项目,提出了以密集颗粒流靶为核心的紧凑型中子源的物理设计,建成了国际首台CMIF高功率颗粒靶原理样机。

项目旨在研制出具有国际先进运行水平的直线超导加速器段和高功率密度靶样机并在项目第四年进行大于20MeV质子束流与铍钛颗粒静态靶耦合测试,中子产额最高峰值大于1014/s/10mA。从工程和物理上为小型高通量高能氘铍中子源的建设提供完备的基础,从而建造经济实用的聚变堆材料研究用小型高通量高能氘铍中子源。

氘铍中子源加速器在结构设计中包括以下几部分:离子源,低能传输线,射频四极电聚焦加速器(RFQ),中能传输线,超导加速段及测试平台。其中RFQ 加速器测试平台采用传统加速器测试方案进行RFQ 加速器性能测试。加速器超导段基于β=0.10,β=0.15,β=0.21 型超导铌腔的动力学设计,在结构设计中,采用半波长共振腔(HWR) HWR010,Taper型HWR015,轮辐型Spoke021 超导腔将流强为10 mA 的氘束束流,从3.06 MeV 加速到50 MeV。为了减小空间电荷力,整条加速段采用紧凑型结构设计,共计采用8台低能恒温器。氘铍中子源加速器平台的集成优化主要包括高频系统、束诊系统、控制系统、电源系统、磁铁系统、水路系统、气路系统等系统协同工作。各系统又有子系统共同支撑。


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图 1 项目集成测试平台


氘铍中子源加速器系统集成优化搭建后,对该加速器进行了束流调试,近物所自主研制的氘束RFQ成功载束运行并达到设计指标,测试内容包括脉冲束运行下RFQ出口的束流能量和束流强度。测试结果为:束流能量3.11 MeV,流强7.85 mA,该RFQ的性能测试结果达到或超过设计指标。近代物理所研制的超导HWR恒温器加速单元现场测试结果:超导HWR 恒温器加速单元(六腔)总峰值电场达到162.0MV/m,平均峰值电场为27.0 MV/m,稳定运行时间大于1小时。工作氦压105884Pa,氦压稳定度±140Pa。超导腔工作温度4.4k,恒温器夹层真空度9.1×10-6Pa。测试结果表明该超导HWR恒温器加速单元是超导直线加速器领域的重大进展,该装置达到世界先进水平。

氘铍中子源高功率密度靶样机由靶体、换热系统、驱动系统、回路系统、辅助系统、与加速器系统界面及公用界面等组成。系统全高约6米,颗粒换热器以换热测试平台测试通过的逆流换热器作为设计基础,能够有效的在靶环境下将铍合金颗粒从靶体带出的热量换至二回路;颗粒提升机采取了微磨损提升装置的设计作为基础,提供铍合金颗粒在回路中运行的动力,使铍合金颗粒在回路中循环;另外配备了真空系统、主加热系统、靶段局部加热系统、测控系统等样机运行所需的各项系统。


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图2密集颗粒流靶样机-长时间功率馈入试验


氘铍中子源高功率密度靶样机冷态累计运行时间约400小时,热态运行时间约50小时,颗粒总体最高温度超过200摄氏度,换热系统有效移除热量,系统温度稳定,局部最高功率峰值超过MW/dm2量级,系统运行过程中各部状态良好。

2018年进行了国际首次20MeV质子束流与铍合金颗粒的耦合实验,为聚变材料用高能高通量中子源进行了较完整的技术展示,实验结果与模拟结果一致。首次实验确定系统设计中所使用的铍基颗粒的中子特性、能量沉积与温度承受性能。测定了关键的中子产额,通过活化法测定中子通量能够达到项目指标所确定的1014/s/10mA的量级,确定了颗粒体系靶的中子特性与材料体系的能量沉积、温度耐受等性能。

 


王慧巧

散裂靶室 中国科学院近代物理研究所

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