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11月14日 21世纪的中子科学 赵志祥-第2章

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地持续下去,我们把这个过程叫做链式反应,所以裂变和链式反应,就构成了我们核能利用的一个基础,所以从(20世纪)50年代,因为1954年在前苏联第一座示范核电站建成投入运行之后,人们宣布人类进入了原子能时代,那么到今天,在全世界各地正在运行的反应堆核电站总计有440所,那么正在建设的核电站大概还有107座,在全世界总的核电的装机容量达到了351。2GWe,反应堆总的运行史达到了8800堆年,那么在全球发电量里边有17%是来自于核电。

    ,在一些国家核电的比例,应该说是达到了一个非常高的比例,比如讲在法国,核电所占的比例达到了79%,那么在比利时,这个比例大致上是60%,在我们的近邻日本核电的比重大概占到30%左右,这个比例还是相当大的,当然,中子诱发核裂变的发现,也导致了核武器和核动力舰船的出现,对人类历史和世界政治力量格局产生了重大的深远的影响,当然这一点,千秋功(过)应该由后人来加以评说。

    我们知道用中子去辐照稳定的同位素可以产生人工的放射性同位素,这些放射性同位素在自然界可能是不存在的,但是我们通过用中子来辐照稳定的同位素可以把它生产出来,广泛的应用于工业和医学,这个已经形成了一个产业,并且产生了巨大的经济效应和政治效应,据不完全的统计,现在,全世界生产的放射性同位素,80%以上是用于核医学,用于治疗和诊断,每年产生的经济效益,总产值大概是几百亿美元,那么在美国有一个数字,美国人大概有四分之一,死亡的25%,是死于癌症,那么在癌症患者中,有50%,也就是一半的癌症患者要接受放射性治疗,所以每年接受放射性诊断和治疗的病人,在全世界达到上亿人次,应该说,放射性同位素结合医学,帮助成千上万的癌症患者延长了生命,这个社会效益是极其巨大的。

    当然中子科学还有其他一些非常重要的应用领域,像中子活化分析,中子掺杂生产半导体器件,中子辐照育种,中子探伤,中子照相,中子测井等等,广泛的服务于像国家安全,资源勘测,环境监测,农业增产等等领域,也都产生了不可估量的社会效应。

    那么下边,我想向大家介绍一下20世纪中子科学研究的平台,这样一个情况,什么叫做中子科学研究的平台,所谓中子科学研究的平台,它的核心就是一个能量适当,强度适当的中子源,因为我们要进行中子科学的研究,要用中子做探针,去开展各种各样的研究,我们必须有一个适当的中子源,最早期使用的是所谓的放射性同位素中子源,这种放射性同位素中子源,它是用可以自发发射阿尔法射线的这种元素,这种材料,和某一种材料混合在一块,那么通过(阿尔法。n反应)来产生中子,就是说,靶物质,可以吸收一个    阿尔法射线,放射出一个中子,那么这个反应过程我们叫做(阿尔法。n反应),那么通过这种反映来产生中子,它的优点,就是说它可以中子源非常的微小,非常小,用起来比较方便,但是,缺点也是很明显的,因为首先这种中子源它的强度做不了太高,我们叫做中子注量率,非常低,同时,这种中子源它通常都有寿命的限制,也就是说,随着时间(的推移),中子源的源强要逐渐地衰减,这样一些缺陷都影响了限制了它的使用,那么20世纪我们做中子核物理研究,主要的工具还是低能粒子加速器,这种低能粒子加速器我们可以用它产生带电粒子束,然后用它来轰击一个靶,通过核反应来产生中子,它的特点是,能量是单一的,而且,它脉冲的性能比较好,脉冲化的性能对于我们做精密的核物理实验是非常重要的,同时我们也可以用中能电子加速器,产生中能电子束,然后用它去轰击一个重元素的靶,那么在靶中通过韧致辐射,产生光子,产生伽玛射线,这个伽玛射线,再用光核反应,在靶中产生中子,这样一种中子源我们通常叫它白光中子源,因为这种中子源它的能量不是单设,它这个能量是连续的,可以提供从电子伏特到几十兆电子伏特,这样一个宽广的能区。

    低能加速器中子源,缺点就是说是一个中子的注量相对来说还是比较低的,第二个就是它的中子产生效率比较低,换句话说,就是每产生一个中子,它所消耗的成本比较大,不太经济,我这里有一个例子,就是说比如用400千电子伏特的氘,用氘反应来产生中子,这是一个比较典型的中子源,那么每产生一个中子,要消耗一万兆电子伏特的能量,那么相比较我们下边就要产生散裂中子源,那么散裂中子源,如果我们用散裂反应,用质子打铀,800MeV的质子去打铀,那么每产生一个中子,只要消耗27兆电子伏特的能量,因此,低能加速器中子源,由于这两个不足,不大适合于做为工程技术使用,比如说你要用它生产同位素,或者你要用它生产核材料,这都是不大适合的。

    反应堆中子源应该说是20世纪中子科学研究平台的一个主流,到现在为止也是应用的最为广泛的一种中子源,当然一般情况下反应堆中子源所能提供的中子注量率是每秒每平方厘米10的13次方,到10的14次方,而且(20世纪)90年代之后,国际上已经有了这种高通量的研究性反应堆,它的中子注量率可以达到每秒每平方厘米10的15次方,那么有一些大型的快堆,在这个数字上还要乘上一个五倍,5乘10的15次方,这应该说是一个相当高的,相当强的中子源了。

    (20世纪)80年代开始,一种新型的中子源,我们叫做散裂能质子加速器来驱动的这样一个散裂中子源,开始逐渐地进入了实际应用的阶段,那么它的原理,应该说比较简单,就是有一个中能强流的质子加速器,它可以产生一个GeV左右的中能的质子,尤其是毫安量级的,所以整个的束功率,大概是兆瓦量级的,这样产生的质子,就轰击一个重元素靶,像铅,钨或者是铀,钍这些重靶,在重靶可以产生散裂反应,那么散裂反应和裂变反应不同的是,一个是它不能释放那么高的能量,第二个是把一个原子核打成几块,可能是三块,也可能是四块,打成几块,这个过程就会有中子跑出,而且,我们等一下会看到,它所产生的中子,还会在相临的靶核上继续地通过核反应产生中子,所以一个质子在后靶大概可以产生20到30个中子,这个是我们散裂中子源的一个基本条件,这个图,就是我们可以看到,加速器的质子能量,和最后的中子产额的一种关系,我们看到,随着质子能量的增加,中子产额也是增加的,这个关系是成一个正比的关系,当然这里边的数值是归一到一个质子,总的中子产额应该是和加速器的流强成正比的,所以,一个中能质子加速器的流强和它的能量,这两个是最重要的指标,它决定了散裂中子源的一个基本的条件。

    我们这张图,给大家看到的是就是散裂反应的一个示意图,就是一个能量为GeV的质子,去轰击一个靶核,这个靶是我们刚才说过了,它是由质子和中子所组成的,这个靶核受激发之后,可能分裂成几块,在这个过程中可以放出中子来,可以放出质子来,可以放出介子来,也可以放出中子来,那么当然这个散裂的产物,可能是放射性的,不稳定的,我们把这种不稳定的放射性的核,把它引出来,把它加速,那么,(就可以用来)开展核物理的一些前沿课题研究,当然它所产生的中子,同时也是我们这个散裂中子源的中子的来源,当然我说过了,如果这个靶足够厚的话,那么散裂反应所产生的中子,可以在相邻的靶核上,继续通过核反应产生中子,我们把这个过程叫做核外的级联,总而言之通过这个厚靶的话,一个GeV的质子打上去,最终我们得到的中子产额是20个到30个,这是一个重要的指标,当然,它也会产生介子和中微子,下面我们谈到,所有的这些产物,对于我们开展相关的基础研究和应用研究都是非常有用的,那么这种散裂中子源具有这样一些特点,第一个特点,就是它,每产生一个中子,在靶上的这种能量沉积比较小,因此,我们可以在比较小的体积内,产生比较高的中子通量,这个我想用个数字来说话,在反应堆中,因为一次裂变,能量是200兆电子伏特,每次裂变要放出两到三个中子,但并不是说这两到三个中子全部能够被加以利
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