我国强流高功率质子加速器研制再创世界纪录

在全国人民庆祝新春佳节之际,我国加速器建设传来喜讯!

2 月 14 日,记者从中国科学院近代物理研究所获悉,该所独立自主研制的加速器驱动次临界系统(ADS)超导直线加速器样机在国际上首次实现束流强度 10 毫安连续波质子束 176 千瓦运行指标,并于 12 日凌晨 2 时 20 分,实现 10 毫安束流稳定运行。事实上,采用全超导直线加速器加速 5 毫安以上连续波质子束此前从未在国际上被验证或实现。

ADS 实际上是加速器和反应堆的 ” 结合体 “,可将乏燃料中那些半衰期高达数十万年的放射性废物变成几百年的短寿命废物,将短寿命废物变成裂变产物,并在此过程中发电。

射频超导强流高功率质子直线加速器是 ADS 三大关键系统之一。实现 10 毫安连续波强流高功率质子束稳定加速是国际上近 20 多年来投入巨资建设并长期追求的目标,无论物理上还是技术上都存在前所未有的巨大挑战。

2011 年,中科院提出了我国 ADS 发展路线图:第一阶段为原理验证阶段,即建立加速器驱动嬗变研究装置;第二阶段为技术验证阶段,即要建立加速器驱动嬗变示范装置;第三阶段为工业推广阶段。

同年,中科院启动战略性先导专项(A 类)” 未来先进核裂变能—— ADS 嬗变系统 “,旨在通过 3 个阶段的研发,自主发展 ADS 从试验装置到示范装置的全部核心技术和系统集成技术。近代物理所自接到研发强流高功率质子超导直线加速器这一重大任务开始,10 多年来埋头攻关,自立自强,始终坚持关键核心技术自主创新。

研究团队创造了一个又一个世界纪录:2014 年实现了射频四极加速器 10 毫安连续波质子束稳定运行,国际评审专家评价达到国际领先水平;2015 年完成 5 兆电子伏、3 毫安质子超导直线加速器研制和测试;2016 年完成 10 兆电子伏、2 毫安质子超导直线加速器研制;2017 年 25 兆电子伏质子超导直线加速器通过专家测试和验收,在财政部的绩效评估中名列第一。

ADS 先导专项验收后,虽然保障条件有限,近代物理研究所仍然克服多方面困难,继续开展连续波高功率束流稳定运行技术研究。2019 年 1 月,实现了 30 千瓦连续波质子束功率大于 100 小时长时间稳定运行这一重要阶段性成果;2021 年 1 月再次取得突破性进展,连续波质子束最大束流强度达到 5.6 毫安、最大束流功率达到 110.9 千瓦,具备了百千瓦连续波束流运行的能力。

春节前,研究团队也并未松懈,仍然奋战在科研一线上,解决一个又一个难题,终于在大年三十凌晨在国际上首次实现了 10 毫安连续波质子束加速,并在大年初一实现 10 毫安下的束流快速恢复和稳定运行,功率达到 176 千瓦,供束可用性达到 90% 以上,再次刷新由他们团队自己创造的连续波质子束流强度和束流功率世界纪录。

当前,ADS 超导直线加速器样机的连续波束流强度和功率均远超国际同类装置。此次 ADS 超导直线加速器样机成功加速 10 毫安连续波质子束流,必将为我国在建的国家重大科技基础设施强流重离子加速器和加速器驱动嬗变研究装置提供坚强支撑,同时验证了未来 ADS 商用装置束流强度 10 毫安指标的可行性,为我国未来在国际上率先建设 ADS 商用装置和加速器驱动的先进核裂变能装置奠定基础。

这次重大突破首次验证了全超导直线加速器可以稳定加速 5 — 10 毫安连续波质子束这一国际加速器领域长期追求的目标,为国际上同类强流高功率加速器装置建设及其一系列重大应用提供了成功先例。

数十兆瓦的高功率连续波质子超导加速器是核废料嬗变处理、稀有同位素生产、高通量中子源等国家重大战略需求的核心技术。在射频超导加速器建设和高功率稳定运行上不断取得的突破,奠定了核废料嬗变处理和新元素合成研究的基础,也将助力我国医用放射性同位素的规模量产。

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