我國強流高功率質(zhì)子加速器研制再創(chuàng)世界紀(jì)錄

在全國人民慶祝新春佳節(jié)之際，我國加速器建設(shè)傳來喜訊!

2月14日，記者從中國科學(xué)院近代物理研究所獲悉，該所獨立自主研制的加速器驅(qū)動次臨界系統(tǒng)(ADS)超導(dǎo)直線加速器樣機在國際上首次實現(xiàn)束流強度10毫安連續(xù)波質(zhì)子束176千瓦運行指標(biāo)，并于12日凌晨2時20分，實現(xiàn)10毫安束流穩(wěn)定運行。事實上，采用全超導(dǎo)直線加速器加速5毫安以上連續(xù)波質(zhì)子束此前從未在國際上被驗證或?qū)崿F(xiàn)。

ADS實際上是加速器和反應(yīng)堆的“結(jié)合體”，可將乏燃料中那些半衰期高達數(shù)十萬年的放射性廢物變成幾百年的短壽命廢物，將短壽命廢物變成裂變產(chǎn)物，并在此過程中發(fā)電。

射頻超導(dǎo)強流高功率質(zhì)子直線加速器是ADS三大關(guān)鍵系統(tǒng)之一。實現(xiàn)10毫安連續(xù)波強流高功率質(zhì)子束穩(wěn)定加速是國際上近20多年來投入巨資建設(shè)并長期追求的目標(biāo)，無論物理上還是技術(shù)上都存在前所未有的巨大挑戰(zhàn)。

2011年，中科院提出了我國ADS發(fā)展路線圖：第一階段為原理驗證階段，即建立加速器驅(qū)動嬗變研究裝置;第二階段為技術(shù)驗證階段，即要建立加速器驅(qū)動嬗變示范裝置;第三階段為工業(yè)推廣階段。

同年，中科院啟動戰(zhàn)略性先導(dǎo)專項(A類)“未來先進核裂變能——ADS嬗變系統(tǒng)”，旨在通過3個階段的研發(fā)，自主發(fā)展ADS從試驗裝置到示范裝置的全部核心技術(shù)和系統(tǒng)集成技術(shù)。近代物理所自接到研發(fā)強流高功率質(zhì)子超導(dǎo)直線加速器這一重大任務(wù)開始，10多年來埋頭攻關(guān)，自立自強，始終堅持關(guān)鍵核心技術(shù)自主創(chuàng)新。

研究團隊創(chuàng)造了一個又一個世界紀(jì)錄：2014年實現(xiàn)了射頻四極加速器10毫安連續(xù)波質(zhì)子束穩(wěn)定運行，國際評審專家評價達到國際領(lǐng)先水平;2015年完成5兆電子伏、3毫安質(zhì)子超導(dǎo)直線加速器研制和測試;2016年完成10兆電子伏、2毫安質(zhì)子超導(dǎo)直線加速器研制;2017年25兆電子伏質(zhì)子超導(dǎo)直線加速器通過專家測試和驗收，在財政部的績效評估中名列第一。

ADS先導(dǎo)專項驗收后，雖然保障條件有限，近代物理研究所仍然克服多方面困難，繼續(xù)開展連續(xù)波高功率束流穩(wěn)定運行技術(shù)研究。2019年1月，實現(xiàn)了30千瓦連續(xù)波質(zhì)子束功率大于100小時長時間穩(wěn)定運行這一重要階段性成果;2021年1月再次取得突破性進展，連續(xù)波質(zhì)子束最大束流強度達到5.6毫安、最大束流功率達到110.9千瓦，具備了百千瓦連續(xù)波束流運行的能力。

春節(jié)前，研究團隊也并未松懈，仍然奮戰(zhàn)在科研一線上，解決一個又一個難題，終于在大年三十凌晨在國際上首次實現(xiàn)了10毫安連續(xù)波質(zhì)子束加速，并在大年初一實現(xiàn)10毫安下的束流快速恢復(fù)和穩(wěn)定運行，功率達到176千瓦，供束可用性達到90%以上，再次刷新由他們團隊自己創(chuàng)造的連續(xù)波質(zhì)子束流強度和束流功率世界紀(jì)錄。

當(dāng)前，ADS超導(dǎo)直線加速器樣機的連續(xù)波束流強度和功率均遠超國際同類裝置。此次ADS超導(dǎo)直線加速器樣機成功加速10毫安連續(xù)波質(zhì)子束流，必將為我國在建的國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施強流重離子加速器和加速器驅(qū)動嬗變研究裝置提供堅強支撐，同時驗證了未來ADS商用裝置束流強度10毫安指標(biāo)的可行性，為我國未來在國際上率先建設(shè)ADS商用裝置和加速器驅(qū)動的先進核裂變能裝置奠定基礎(chǔ)。

這次重大突破首次驗證了全超導(dǎo)直線加速器可以穩(wěn)定加速5—10毫安連續(xù)波質(zhì)子束這一國際加速器領(lǐng)域長期追求的目標(biāo)，為國際上同類強流高功率加速器裝置建設(shè)及其一系列重大應(yīng)用提供了成功先例。

數(shù)十兆瓦的高功率連續(xù)波質(zhì)子超導(dǎo)加速器是核廢料嬗變處理、稀有同位素生產(chǎn)、高通量中子源等國家重大戰(zhàn)略需求的核心技術(shù)。在射頻超導(dǎo)加速器建設(shè)和高功率穩(wěn)定運行上不斷取得的突破，奠定了核廢料嬗變處理和新元素合成研究的基礎(chǔ)，也將助力我國醫(yī)用放射性同位素的規(guī)模量產(chǎn)。(記者 陸成寬)

關(guān)鍵詞： 強流高功率質(zhì)子加速器