中国工程物理研究院核物理与化学研究所概况

中国工程物理研究院核物理与化学研究所概况江文勉（中国工程物理研究院核物理与化学研究所，成都５２５信箱，６１０００３）中国工程物理研究院核物理与化学研究所是一所以核物理、放射化学和激光惯性约束聚变为主体的多学科综合性研究机构。它筹建于１９５８年。按三线...

提升积分实验水平 支撑新型核能研发——中国工程物理研究院核物理与化学研究所校验聚变一裂变混合能源堆包层概念设计的中子学积分实验研究成果

中子学积分实验主要研究中子与大块物质的输运过程，属于应用基础研究。测量的积分量是中子与物质原子核各种相互作用随机事件的总成，主要应用于有效化核数据和计算程序，服务于核装置和反应堆物理设计可行性、可靠性验证。

中国工程物理研究院同位素技术研究与应用进展

介绍了中国工程物理研究院核物理与化学研究所30余年来在同位素技术研究与应用方面取得的成果,主要包括医用同位素、放射性药物研发、放射源和辐射伏特效应同位素电池研究等。展望了借助中国绵阳研究堆(CMRR)和强放操作热室群及其附属设施未来要开展的研究任务与产业化工作。谨以此文纪念肖伦院士百年诞辰。

中国绵阳研究堆高压中子衍射谱仪在材料研究中的应用

中国绵阳研究堆(CMRR)的高压中子衍射谱仪(凤凰,HPND)由中子聚焦系统、探测器系统、高压加载与集成系统等部分组成,可进行常压高低温、高压环境下的中子衍射实验,其中子衍射实验的原位室温高压加载最高可达30 GPa,高温高压加载最高可达2000 K、10 GPa。目前,凤凰谱仪已被广泛应用于材料研究领域,如过渡金属氮化物、锂离子材料、磁性材料、含能材料、铁电陶瓷等。利用常规中子衍射、高低温中子衍射以及高压中子衍射技术,获得材料的原子精确占位、磁结构、晶体结构以及相变等信息。

^(252)Cf快电离室在核物理参数测量研究中的应用

介绍了252Cf快电离室的基本原理和技术水平,描述了它在飞行时间测量、探测器效率标定、瞬发中子衰减常数测量以及252Cf源驱动噪声分析技术等核物理参数测量研究中的应用。

ODS MA754合金传热界面接触热阻实验研究

鉴于ODS MA754合金传热界面的接触热阻参数对全固态堆芯空间反应堆系统的热量导出具有重要影响,研发和设计了高温高压接触热阻实验装置,测量了不同温度(20~800℃)、压力(0~80 MPa)、气体氛围(He、CO_(2))以及试件表面粗糙度(1.6、3.2μm)下ODS MA754合金传热界面的接触热阻,并基于测试获得的宽量程数据点,建立了ODS MA754合金的接触热阻数据库。实验结果表明:随着接触面温度和压力的升高,界面接触热阻降低,且热阻降低的速率逐渐减小;相较于表面粗糙度为1.6μm的试件,粗糙度为3.2μm试件表面的界面接触热阻明显偏大,实验得到的定量关系可为工程样件的加工粗糙度要求提供依据;He气氛下的接触热阻远小于CO_(2)气氛,在0.1 MPa、100℃工况下,He气氛接触热阻约为CO_(2)气氛接触热阻的1/4。该研究结果可为空间反应堆的热工设计提供数据参考。

反应堆产医用同位素及药物的创新发展研究

医用同位素及药物是核医疗健康产业的重要组成部分和主要物质基础,系统梳理反应堆产同位素及药物发展现状对于加快我国同位素及药物发展、推动自立自强全链条体系建设具有现实意义。本文采用文献调研、问卷调查、实地调研、行业研讨等方法,分析了国内外反应堆产医用同位素及药物的供需情况、发展现状与趋势。研究发现,目前我国仅实现了131I、177Lu、89Sr等反应堆产医用同位素的自主供给,但供给量尚未完全满足国内需求,多数临床常用的同位素依然依赖进口;反应堆产同位素相关的放射性药物存在药品种类少、研发创新不足、生产规模小等瓶颈,难以满足临床实际需要。研究建议,研判供需现状与趋势,实现反应堆产医用同位素供给与品种的多元化;以临床需求为牵引,带动反应堆产医用同位素的规模化制备,支持放射性药物的研发与应用创新,加快建设反应堆产医用同位素及其放射性药物的自立自强发展体系;丰富发展模式并形成创新观念,为我国核医疗持续发展提供坚实保障。

基于随机抽样的衰变热不确定度量化研究

为研究核数据引起的核素存量及导出量的不确定度,在自主程序GNET上实现了基于随机抽样的不确定度量化方法。利用贝叶斯更新方法获得裂变产物独立产额的协方差数据,弥补裂变产额协方差数据缺失。对热中子引起的235U一次裂变后衰变热不确定度进行了计算。结果表明,裂变产物产额的不确定度贡献占主要部分。该算例表明GNET程序具备了核素存量的不确定度量化功能。

我国聚变堆氚增殖循环技术最新研究进展与展望

氚增殖循环(也称外循环)是实现聚变堆氚燃料自持的关键。氚增殖循环由增殖剂产氚、提氚、氢同位素分离、氚分析检测等多个单元组成,各单元之间相互关联,缺一不可。依托国家重点研发计划“CFETR增殖包层氚提取与测量工程技术”项目,近期在多个氚增殖技术研究中取得了新进展。主要包括:在中国绵阳堆上在线演示了增殖包层百居里级在线产氚与提氚;开展了1∶1规模的增殖包层氚提取与氢同位素分离氢氘模拟实验,动态提取效率达99.1%,停堆提取效率达99.95%,氢同位素分离浓缩倍数达104倍,回收效率达99.26%;开展了基于水精馏的含氚水处理中试试验,贫化大于2 000倍,浓缩大于20倍。基于此,对未来聚变堆的氚工厂设计和建设进行了展望。

硅橡胶辐射老化理论模拟研究进展

硅橡胶由于具有良好的弹性、热稳定性、耐高低温性和耐老化性能,被广泛用于电离辐射环境中服役的高端装备上。由于其辐射老化行为和机理异常复杂,目前的研究方法实验技术和理论计算并重。本文简要综述了硅橡胶辐射老化模拟研究进展,从多尺度理论计算视角梳理了相关研究对解决具体问题的计算思路,并与实验表征结果互相补充印证。依据计算模拟理论方法的时空尺度特征,可分为量子电动力学、密度泛函理论、量子分子动力学、反应分子动力学、分子动力学、本构模型与有限元方法。这些计算模拟方法与材料和辐射相互作用过程及机制、体系损伤演化规律及机理、结构性能关系的研究需求密切相关。部分研究工作涉及多个尺度的模拟计算,依据其主要特色总结写入上述几个模拟方法分类板块。本文描绘了硅橡胶辐射老化模拟的阶段全景图,概述了相关研究现状以及学界和工程界面临的挑战,有望为相关实验研究和工程问题的解决提供新的思路和认识基础。

氙同位素丰度参考气制备方法研究

氙同位素丰度比高精度质谱分析技术强烈依赖于氙同位素丰度参考气,参考气的准确制备是关键技术。研究分析了高纯^(128)Xe同位素气体原料中杂质同位素的丰度,采用重量法制备了丰度为80%、91%和92%的^(128)Xe同位素丰度参考气,评定了参考气制备过程引入的不确定度,并采用稀有气体同位素质谱仪对制备的参考气进行验证。结果表明,^(128)Xe同位素丰度参考气制备过程引入的扩展不确定度为0.7%(k=2),制备值与验证值的偏差小于0.2%,表明制备的^(128)Xe同位素丰度参考气量值准确可靠,该同位素丰度参考气能够满足实验室分析质量控制的要求。

^(161)Tb-PSMA放射性配体治疗前列腺癌研究进展

前列腺特异性膜抗原(PSMA)放射性配体治疗(PRLT)已成为一种重要的新型疗法,尤其适合治疗常规疗法无法有效控制的转移性去势抵抗性前列腺癌(mCRPC),以镥-177(^(177)Lu)-PSMA-617为代表的PRLT具有良好的安全性,能有效延长mCRPC患者生存期,改善生活质量等优势。尽管^(177)Lu-PSMA-617治疗mCRPC取得成功,但仍有部分患者不敏感,甚至对治疗无响应,出现复发情况。铽-161(^(161)Tb)与177Lu均具有β-射线,但与^(177)Lu相比,其最大的优势在于释放针对小病灶治疗的俄歇电子和内转化电子,这种β-射线与俄歇电子的协同疗法,具有满足不同大小病灶治疗的优点,使得全球范围对^(161)Tb进行肿瘤治疗的关注度正在上升。本文将从^(161)Tb的制备、标记、质控、辐射剂量、临床前研究、临床研究以及展望等方面对^(161)Tb-PSMA研究进行综述,旨在为开展PRLT的医务人员及患者提供参考。

三塔级联水精馏系统分离含氚轻水中试实验研究

针对大体量含氚水分离净化的需求,自主设计建设了三塔级联水精馏系统,内部装填有自研高性能填料。在中试实验过程中,以5~10 kg/h的处理量,完成了吨量级含氚轻水的分离处理,实现了贫化倍数高于2 000倍、富集倍数高于20倍的分离效果。测得规整填料等板高度为14 cm,散堆填料等板高度为4 cm,运行过程各关键参数稳定,全系统已稳定运行超过900 h,可满足规模化工程放大的要求。

聚变能源研究态势及展望

聚变能源开发有望重塑未来能源发展格局,正处于突破工程能量“得失相当”的关键阶段,机遇与挑战并存。本文总结了聚变能源研究的主要进展,凝练了能量平衡尚未实现、氚自持尚未得到验证、实现高可利用率难度极高、耐辐照材料开发进展缓慢、使用经济性普遍较差等发展挑战。在梳理国际热核聚变实验堆(ITER)计划的共性基础技术突破、成员国配套研究的基础上,归纳了我国磁约束聚变研究的整体规划、自主项目部署、技术路线跟踪等方面的进展。进一步,围绕我国自主提出的Z箍缩聚变裂变混合堆(Z-FFR)概念,阐述了基本原理、应用优势、系列进展,提出了面向2040年实现商业化供能目标的发展规划,涵盖关键技术攻关、工程演示、商业发电推广等阶段的任务目标。为了全面推进我国聚变能源开发进程,建议在磁约束聚变方面深入参与ITER计划和相关国际合作,攻克商用聚变堆关键物理与工程技术,开展中国聚变工程实验堆(CFETR)主机关键部件研发并适时建设和运营CFETR;在Z-FFR方面,加快“电磁驱动大科学装置”建设,开展聚变能源关键技术攻关,推进Z-FFR工程演示和商业应用。

面向聚变中子探测的宽禁带半导体探测器关键问题与研究挑战

近年来国际聚变反应研究获得重大进展,选择抗位移能力强的宽禁带半导体探测器是推动聚变研究的关键技术之一.金刚石超宽禁带半导体具备卓越抗辐照和时间响应等特性,是聚变诊断特别是高能中子诊断的理想材料,碳化硅宽禁带半导体也可测量中子,且大尺寸外延技术更成熟,可覆盖聚变研究装置上的大规模应用.通过这两种宽禁带半导体辐射探测器的研究并实现自主可控的高性能器件制备,将显著提高我国核聚变反应测量系统的性能,支持我国在未来的全球能源革命中处于领先优势.本文将对这两种宽禁带半导体探测器在聚变中子探测应用场景下研制的关键问题和研究挑战进行探讨,助力我国聚变能源开发和应用.

用于中子吸收的铪酸铕陶瓷性能研究

近年来,一些具有高熔点、无α粒子辐射优点的新型中子吸收材料被法国和日本等国提出。本研究以摩尔比为1:1的氧化铕和氧化铪混合物为原料,通过陶瓷烧结工艺研制了一种具有萤石稳定相的铪酸铕(Eu_(2)HfO_(5))中子吸收材料。对样品开展了包括熔点、热物性、力学性能等在内的一系列堆外测试。另外还进行了中子剂量达到1×10^(20)cm^(-2)的辐照考验,通过对比辐照前后的抗压强度等性能变化研究该材料的辐照性能。结果表明,所烧结的Eu_(2)HfO_(5)陶瓷中子吸收材料致密度高,物相为单一的萤石结构,熔点超过2 400℃,与理论值符合较好。同时该材料具有较好的亚临界水腐蚀性能。经过中子辐照后材料的密度和外观未发生明显改变,但中子吸收能力略有减小,抗弯强度和抗压强度略有增大。本研究得到了较为全面的堆外性能测试数据,并开展了辐照实验的考验,验证了所研制的Eu_(2)HfO_(5)陶瓷材料具备了预期的优点,为该材料的后续应用积累了基础数据。

核数据引起的研究堆有效增殖因子计算不确定度量化

为了深入研究核数据不确定度对JRR-3M研究堆有效增殖因子计算的影响,建立了一套基于蒙特卡罗法的核数据不确定度量化流程。具体方法为:使用核数据扰动软件SANDY扰动目标核素的重要反应道生成扰动文件,再通过核数据加工软件NJOY对扰动文件进行处理,最终利用核反应堆物理模拟软件OpenMC进行蒙特卡罗模拟。针对JRR-3M研究堆的控制棒全插、反应堆临界、控制棒全拔三种运行工况,对多个关键核素(如^(235)U、^(238)U、Hf等)的核数据不确定度给有效增殖因子计算带来的影响进行了详细分析。研究结果表明,^(177)Hf、^(235)U、^(1)H、^(27)Al的核数据不确定度对JRR-3M有效增殖因子具有显著影响。临界、控制棒全插和控制棒全提这3种工况下,核数据不确定引起的有效增殖因子总不确定度分别为660.8×10^(-5)、588.5×10^(-5)、708.4×10^(-5)。在各个工况下,^(235)U的次级粒子能量分布的影响都是最大的。研究发现,对以铪为主要组成材料的控制棒内,只有177Hf的核数据不确定度起主要影响。

氦离子辐照下6061-Al合金中的氦泡行为研究

通过室温下的He离子辐照来研究核级6061-Al合金中氦泡的演变行为,辐照剂量为2×10^(15)cm^(-2)、1×10^(16)cm^(-2)、1×10^(17)cm^(-2)和2×10^(17)cm^(-2),通过扫描电镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)来表征分析辐照后铝合金表面的损伤情况,并通过透射电镜(TEM)表征辐照产生的氦泡等微观缺陷。结果表明,辐照后铝合金产生了表面损伤,表面起泡程度和粗糙度随着He辐照剂量的增加而明显增大。初步计算表明,入射的He大部分都用于形成表面起泡,只有少数分布在基体内形成均匀的氦泡。随着辐照剂量的增加,基体内氦泡的尺寸先保持不变,然后显著增加,而氦泡密度则先增加后降低。另外,还观察到氦泡在析出物和晶界上发生了偏向性聚集和长大。本工作对深入认识铝合金在研究堆内面临的宏观力学性能退化以及可能的辐照失效行为具有重要意义。

GaAs三结太阳电池1MeV中子辐射效应研究

研究了金属有机气相外延(MOCVD)方法制备的晶格匹配(LM)和正向晶格失配(UMM)砷化镓三结太阳电池在1 MeV中子辐照后的电学和光学性能衰退情况。结果表明:在中子辐照下,电池电学性能,包括短路电流(J_(sc))、开路电压(V_(oc))、最大功率(P_(max))、填充因子(FF)均发生明显衰降,且衰降幅度随注量增加;电池串联电阻Rs随注量增加,并联电阻Rsh随注量减小。在相同注量下,LM和UMM的P_(max)退化情况相近,当中子注量达到6×10^(12)n/cm^(2)时,LM和UMM电池的最大输出功率Pmax分别下降至初始值的72.9%和72.3%。由外量子效率(EQE)光谱退化曲线和子电池积分电流密度可知,两种电池的中电池光电流退化均最明显且为电池的限流子电池。

将快法探头应用于物理诊断系统触发的技术研究

在零功率堆上进行中子衰变常数测量实验中,建立外中子源DT中子测量系统可以为物理诊断系统提供触发信号和时间关联信号。简述了触发和时间关联系统的基本组成及相关技术。