只做实验，不发电？中国核研究堆走向全世界

在中国加入国际原子能机构40周年之际，中国决定面向世界开放12个核科研设施和实验平台，涉及核基础科研、材料与部件辐照测试、同位素生产制备、反应堆热工水力、核环境模拟及核设备测试、放射性废物处理处置、核聚变实验研究等诸多领域。其中，中国原子能科学研究院建设的中国先进研究堆(CARR)，是核科学实验和中子散射研究的重要平台，其技术指标位于世界同类研究堆前列，作为研究型核反应堆面向全世界开放。

那么，什么是研究型核反应堆？为什么要面向全世界开放共享？我们究竟能用它来做什么科学实验？中国先进研究堆的未来前景如何？我是中国科学院物理研究所的研究员——罗会仟。今天我们一起聊一聊走向世界的研究型核反应堆——中国先进研究堆。

中国先进研究堆内部结构

一说到“核反应堆”，可能大部分人第一感觉就是可能与原子弹或核电站有关，而且可能充满核辐射的恐惧感。的确，核反应堆最早设计并建造的主要目的，就是为了在可控核反应情况下研究制造原子弹的关键参数，而后人们发现核反应堆释放的能量可以用来发电，于是有了核电站。我们这里说的核反应堆指的是基于核裂变链式反应的裂变堆：中子在轰击重原子核（比如铀-235）之后，原子核发生裂变成更小的原子核，同时释放更多中子去轰击其他原子核发生裂变。早在上世纪50年代，科学家们就发现核反应堆除了可以研究核反应和用于核辐照之外，还可以利用其产生的中子来作为一种探测媒介，其研究物质的结构和内部的相互作用，这就是中子散射技术。所以，用于核科学和中子散射研究的裂变堆被称为研究型核反应堆，其主要目的是产生尽可能多的中子，和核电站反应堆尽可能产生热量是有所区别的。

核裂变与链式反应

研究型反应堆大部分为重水堆，其内部并不复杂，主要由反应堆堆芯和各种中子孔道组成。堆芯就是以铀-235为主的燃料棒，当燃料棒堆积到一定密度时就会自主临界而持续发生链式反应，从而不断释放中子。整个堆芯泡在重水里，这样产生的高能中子就会不断与氘原子核碰撞，从而让速度慢下来，成为我们需要的各种能量段的中子，最终从中子孔道中引出来。为了进一步让中子慢下来，大部分研究堆还会专门设置中子慢化器，里面灌满低温的液氢让中子进一步减速，并将中子通过导管通向导管大厅。所以，一个研究型反应堆的主体结构就是核反应堆自身、环绕反应堆的实验大厅和提供更低能量中子的导管大厅，每一处都会有许多不同类型的实验站或束线站，来完成各种不同的科学实验。研究型反应堆本质就是一个实验平台，需要来自世界各地各行各业的人们来使用，所以基本上都是面向全世界开放的。目前已开放并正在运行的研究堆有德国的FRM II，法国的ILL，美国的HIFR，澳大利亚的OPAL，日本的JRR-3等。

澳大利亚OPAL研究堆

研究型反应堆的功能之一是核物理和核化学研究。比如原子核裂变过程的核燃料物性变化，高能中子轰击原子核发生的物理过程，利用中子辐照来活化物质或制造核同位素等。有一些核同位素是靶向治疗药物的必需品，但是天然放射性材料中的含量极低，借助研究堆可以实现批量生产，大幅降低了药物的成本。现在常用的原子弹的原料实际上是钚-239，就需要在核反应堆中让铀-238吸收中子后来获得。中子辐照能让物质内部产生特定的缺陷，从而提高材料在某些方面的性能，比如一些超导带材的载流能力等。

研究型反应堆的另一个重要功能是中子散射及中子照相研究。中子因为不带电且具有磁矩，它的“透视”能力很强，可以直抵原子核发生相互作用，或者与原子的磁矩发生相互作用，从而可以作为强大的“探针”来研究物质内部的结构和各种微观相互作用。借助中子衍射技术，可以分析材料内部原子及其磁矩的排布方式，例如锂离子电池的材料结构和锂的分布变化对其性能有着决定性的影响，利用中子衍射可以精确给定相关参数，甚至实时监测电池使用过程中的变化。借助中子准弹性散射技术，可以研究生物大分子、介孔材料、金属合金等结构和动力学过程，而中子反射技术则可以研究薄膜材料的结构与磁性。借助非弹性中子散射技术，可以告诉我们材料内部原子或磁矩的相互作用方式及能量尺度，是目前为止唯一可以定量描述原子磁矩相互作用的研究手段，而且因中子穿透性极强，可以兼容低温、高温、高压、磁场、电场等各种样品环境。

飞机发动机涡轮叶片

借助中子照相技术，可以把复杂的大构件一览无遗，实时观测生命体中的水分部，甚至开展文物或化石的考古研究。举例来说，服役很久的飞机涡轮叶片、航母甲板、高铁车轮等，会因为内部残余应力等因素产生微小的损伤，当损伤积累到一定程度可能会瞬间碎裂，造成灾难性的后果。基于伽马射线的金属探伤能力有限，无法研究如此厚重的金属构件，而中子照相技术就能轻松做到。

中国先进研究堆(CARR)是一座高性能、多用途、高安全性的研究堆，设计满功率为60 MW，其最大中子通量等性能指标居世界前列。在CARR的反应堆大厅，建设有同位素分离实验站，高分辨和高强度粉末衍射仪，残余、织构和四圆衍射仪以及多台热中子三轴谱仪。在CARR的导管大厅，建设有多台冷中子粉末衍射和非弹性散射谱仪，以及中照相和多功能工业应用谱仪等。在做实验的过程，大家也不必要担心核辐射的问题，按照要求，实验大厅的辐射量应该在0.6微西弗以下，需要连续工作1400天才相当于去医院做一次CT检查。目前，中国先进研究堆已面向国内50余家科研院所开放和共建实验终端，并于近期开始面向全世界征集用户实验。

让我们共同期待，中国先进研究堆在未来结出丰硕的研究成果。

本文为科普中国·创作培育计划扶持作品

作者：罗会仟

审核：张双南 中国科学院高能物理研究所 研究员

出品：中国科协科普部

监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司