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独家探访中国绵阳研究堆(CMRR)及其中子科学平台

绵阳研究堆 X射线 中子技术
发布:2020-12-10 16:43:04     来源:四川在线

距离绵阳城区9公里的石板垭,坐落着一个看似不起眼的院所,地图上没有标记,出租车司机兜了好几圈才找到,门口挂着低调的门牌“核物理与化学研究所”。

司机们只当这是个寻常的院所。殊不知,这里隐藏着大型核设施——中国绵阳研究堆(CMRR)及其中子科学平台

研究堆不同于核电反应堆,它主要用于满足科学研究的需求。依托CMRR建设的中子科学平台,是我国现有建成时间最早、运行最稳定、应用成效最显著的大型科学研究设施。

它是“超级显微镜”,利用中子深入材料内部,探测物质结构与动力学。它能孕育一大批实用型高新技术,为物理学、化学、材料和生命科学等前沿领域的基础研究,为核能、航空航天等领域高技术产品质量评估,提供先进的测试分析手段。

今年是中国工程物理研究院核物理与化学研究所(简称“二所”)独立建所50周年。近日,四川日报全媒体记者独家探访中国绵阳研究堆,揭开中子科学平台的神秘面纱。

涡轮部件测试

中子之特:这种技术解密了光绪之死

“你知道光绪之死吗?”一见面,二所中子散射技术与应用研究室主任孙光爱就打开了话匣。

1908年,38岁的清光绪帝和慈禧太后相隔不到一天先后死去。死亡时间离奇巧合,关于光绪是正常死亡还是被害而亡,近百年来众说纷纭。

100年后,中国科学家们利用中子活化技术,对光绪的头发、遗骨、衣物等进行检测,发现其体内含有大量的三氧化二砷即砒霜,解开了困扰史学界“百年之谜”。

为什么中子能“看到”物质内部的元素?

孙光爱举了举手里的玻璃茶杯。他说,我们人的肉眼只能分辨0.1毫米以上的物质,比如茶杯的形状、色泽,但是要想不破坏茶杯,了解玻璃内部的核素成份、原子状态和排列情况,只能借助科学工具。

中国工程物理研究院核物理与化学研究所厂区

但显微镜只能观察表面,X射线能穿透人体,检测金属物件时穿透性不足。而中子既是一种不带电的中性粒子,也是一种波,穿透能力强,对碳、氢、氮、氧等元素非常敏感。此外,中子有磁距,对磁性材料的测量,是一种非常强有力的手段,也几乎是唯一的手段。

利用中子测定物质结构和成份等特性的实验方法,被称为中子分析技术,其原理类似“盲人摸象”。“好比用无数的弹珠撞击一组网格,有的弹珠穿过孔隙,有的被网弹射回来。通过探测器收集足够多弹珠的运动轨迹。”孙光爱说,通过计算、分析,不但能反推出这张网的形状,还能检测出这些网格在不同温度、压力、运动状态下的运动形态。

这种技术不但可以告诉我们“原子在哪里”“物质的结构是怎样的”,还可以告诉我们“原子在做什么”“物质由什么核素构成”。

中国绵阳研究堆中子科学平台冷中子大厅

应用之广:从食盐到航空发动机“心脏”

穿戴好防辐射服、手套、鞋套,孙光爱带记者去见二所的“宝贝们”。进入反应堆大厅,眼前是一个通体黄色、巨大的圆柱体,正上方盘桓着操作通道和平台,正中间一面鲜红五星红旗格外耀眼——这就是中国绵阳研究堆。

它像一只巨大的章鱼,通过管道连接着9个“触角”,这些“触角”包括5台精密热中子仪器、4台冷中子谱仪。科学家们正是通过这些设备,完成对各类物质的中子科学研究。

2013年12月,应力谱仪首个工业部件测试连夜进行

中国绵阳研究堆的中子平台已在光电高分子链结构、有机小分子反应、可燃冰稳定机理、食盐溶解度、锂电池机理、新型事故容错燃料等多个前沿领域“大显神通”。

它可以测定出食用盐在水中溶解度随压力的变化,打破大家对化学物质溶解度恒定的常规认识;也可以在极端条件下,给出有机物产生超导或金属化的奇异现象。

它还曾助力新型航空发动机“心脏”——涡轮叶片的应力检测分析。中子平台的仪器可检测出发动机涡轮叶片不同位置的残余应力分布,既反馈优化了工艺参数、提高了制造精度,也可预测部件服役寿命。

中国绵阳研究堆

二所所长彭述明说,一个成熟、稳定的中子源,应该发挥更多的作用。中国绵阳研究堆既面向国防研究需要开展中子研究,也面向国家基础研究需求、重大工程需求,对外免费开放这个“超级显微镜”。

中物院依托中子科学平台建立了重点实验室。2019年,二所对外合作的实验机构已达110余家,中子技术广泛应用于物理学、化学、生命科学等前沿基础领域以及核电、航空航天等高技术领域。

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