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核工業的第一 她見證我國核工業從零起步
文章來源:系統管理員 日期:2019年08月26日

  離北京核心區40多公里的西南郊,有一座因核興建的新鎮,前身是中國科學院近代物理研究所的中國原子能科學研究院就坐落在這里。在國家表彰的23位“兩彈一星”功勛獎章獲得者中,7位曾在這里建立功勛。

  核科技的發展離不開反應堆、加速器等大科學裝置,核科技水平集中體現在反應堆、加速器的先進程度。原子能院建成后,以第一座重水反應堆和第一臺回旋加速器的建成為標志,新中國進入原子能時代。原子能院在我國“兩彈一艇”研制攻關中作出歷史性貢獻,被譽為我國核工業的“搖籃”和“老母雞”,這里見證我國核工業從零起步的歷史,也是我國“硬核”的底氣開端。

  “從“一堆一器”,到多堆多器,原子能院的反應堆和加速器事業不斷成長壯大,為我國核領域基礎研究、先進核能開發、核技術應用拓展,乃至新時代核工業創新發展提供有力支撐。”中國原子能科學研究院黨委書記萬鋼說。

  61年前“一堆一器”落地:開啟中國原子能時代

  上世紀50年代,我國核工業可謂“一窮二白”,不光缺乏研究人員,連回旋加速器、核反應堆等必要的設備也是一樣沒有。沒有基礎設備,研究無從開展。時任中國科學院近代物理研究所副所長的錢三強提出,要發展核工業,必須從基礎科研抓起。

  1955年,按照黨中央“集中力量發展核事業”的指示,我國從前蘇聯引進一座7000千瓦重水反應堆(101堆)和一臺直徑1.2米的回旋加速器。1956年5月26日,重水反應堆和回旋加速器開始興建;1958年6月10日,加速器建成調試出束;1958年6月13日,101堆首次臨界。

  101堆建成后,充分發揮中國“首堆”的作用,為“兩彈一艇”研制作出重大歷史貢獻;承擔了核能領域大量開創性工作,為我國核電起步、促進國民經濟發展、提高人民生活質量、保護生態環境作出重要貢獻;為我國核反應堆工程培養、輸送了大量技術骨干”。第一臺回旋加速器建成后,為“兩彈一艇”研制、國防工業和核事業發展發揮了十分重要的作用,同時也培養了我國大批回旋加速器技術人才隊伍。

  2018年12月,“一堆一器”入選國家工業遺產。“我們現在是蠻有底氣的。”中國核工業集團首席專家張天爵站在一塊140噸重的磁鐵旁,撫今追昔,頗為自信。這塊磁鐵是我國第一臺回旋加速器的主體部件,與這塊已作為工業遺址的磁鐵東西相望的,是我國第一座重水反應堆。

  我國第一座實驗快堆:當好四代核電“模范生”

  為了核電的安全、高效、可持續發展,我國確定了“壓水堆-快堆-聚變堆”的核能發展“三步走”戰略,快堆是其中的重要一環。

  因為具有良好的增殖和嬗變特性,快堆在核工業全產業鏈中具有非常重要的作用,是閉式燃料循環的重要環節。由于快堆中快中子具有的增殖優點,基于快堆的先進燃料循環系統可以使鈾資源的利用率提高到60%-70%,從而可將人類利用核能的時間從上百年延長到數千年。快堆可以通過嬗變將一些長壽命的核素和裂變產物轉變為相對短壽命的核素。研究表明,一座1GWe的快堆可以“燒掉”10座同等功率壓水堆產生的長壽命次錒系核素。因此,快堆可以使核能的發展更加可持續。

  我國從上世紀六十年代就開始發展快堆技術,從上世紀九十年代開始進行工程技術研究,啟動了第一座快堆——中國實驗快堆的研制工作,該項目于2010年7月21日實現首次臨界。2016年1月23日,實驗快堆完成了長期功率運行試驗任務,標志著它具備了連續穩定運行的能力。2016年9月,實驗快堆竣工驗收完成,標志著這一國家重大項目圓滿結束,我國已經基本掌握了實驗快堆技術,具備了開始大型快堆電站研究開發的基礎。

  “目前,國際上掌握快堆技術的國家主要有俄羅斯、美國、法國、日本等。我們通過實驗快堆項目積累了鈉冷快堆的設計建造經驗,未來還將通過示范快堆項目實現我國鈉冷快堆技術的進一步提升。”據中國核工業集團首席專家張東輝介紹,作為當今世界上僅有的4座實驗快堆之一,中國實驗快堆的功能和應用范圍正在擴展,顯現出越來越大的作用和地位。

  我國第一座微型反應堆:踐行國家承諾

  20世紀80年代初,原子能院開發、設計、建造了我國第一座小型、低功率反應堆,即原型微型中子源反應堆。微堆可以用來進行中子活化分析、放射性同位素制備,適用于反應堆技術和核物理領域的教學培訓,以及進行反應堆物理相關實驗及核儀器考驗等。

  微堆是一種小型的、安全的、低功率的核裝置,以其小型、易于操作、功率低、固有安全性好、對環境污染小、可建在大中城市人口稠密的大學及科研單位等優點,從20世紀80年代就在國內外得以迅速地推廣和應用。原子能院先后設計建成9座微堆,其中5座出口國外。

  由于微堆采用高濃鈾,考慮到核不擴散問題,中國正不遺余力地開展全球微堆低濃化工作。2016年,原子能院完成原型微堆低濃化改造。在華盛頓核安全峰會上,習近平主席莊嚴承諾中國將協助加納完成加納微堆低濃化改造工作,并正式提出“加納模式”。

  2017年8月,原子能院完成加納微堆低濃化改造,這也是成功實施的國際首座微堆低濃化改造。2018年12月6日,原子能院又圓滿完成了尼日利亞微堆低濃化改造。

  中國先進研究堆:性能指標在同類反應堆中亞洲第一

  由原子能院自主設計、建造的中國先進研究堆(CARR),是一座高技術性能、安全可靠、多用途的研究堆,為我國核科學研究和開發應用提供了一個重要的科學實驗平臺。2010年5月,CARR實現首次臨界,2012年3月安全實現首次滿功率運行。它的建成是我國核科學技術研究能力的重要標志。該堆性能指標達到國際先進水平,在同類反應堆中排名亞洲第一、世界前列。

  在CARR堆芯和重水反射層內,設置了不同用途的垂直孔道和水平孔道,以及配套實驗終端,可開展中子散射研究、放射性同位素輻照生產、電離輻射計量標準測試、核能開發研究、單晶硅中子摻雜及中子活化分析等核科研與應用。

  2017年10月,CARR新建冷中子源調試成功,首次產生高品質冷中子束流,標志著該堆具備了開展冷中子散射等實驗的能力,為材料研究和工業應用提供了又一把利器。

  我國第一套出口的大型核設施:南南合作典范

  阿爾及利亞比林核研究中心項目是我國20世紀80年代出口的第一套大型核設施,阿爾及利亞也成為中核集團“走出去”起航的地方。和平堆也是阿爾及利亞唯一一座多用途重水反應堆,主要用于基礎科學研究、民用核能應用、醫用同位素生產。

  1986年12月27日,中阿雙方簽訂《重水反應堆工程合同》,為阿爾及利亞設計、建造以15MW重水研究堆(又稱和平堆)為核心的比林核研究中心,原子能院是主要設計、調試單位。該堆是以我國第一座重水反應堆——101堆為原型獨立設計的項目,工程始于1987年,1992年7月達到額定功率。1993年在國際原子能機構大會上,該項目被譽為“南南合作的典范”。

  升級改造后的比林和平堆,更具安全性、可靠性、先進性、經濟性與現代化。數字化技術將為反應堆日后運行、應用和操作提供更加便利的人機接口,以及更加便捷的操控手段和維護性能,能夠有效減少人因失誤帶來的風險;部分回路系統和部件的適應性改造,也為后續三期工程提供有力的技術條件。

  我國建成的當時亞洲地區能量最高的靜電型加速器

  1987年8月,HI-13型串列加速器通過國家驗收正式投入運行,成為當時亞洲地區能量最高的靜電型加速器。1988年12月22日,HI-13串列加速器核物理實驗室被正式列為國家實驗室。

  30年來,HI-13型串列加速器運行12萬小時,累計供束10萬小時,為國內外50多個研究機構的研究工作提供了從氫到鈾的60多種離子束流,在核物理基礎研究、核數據測量、核物理應用和交叉學科等領域取得了豐碩的研究成果,培養了大批核科技高端人才,為我國國防建設、能源、環境、材料、生命科學等基礎學科的發展提供了重要的支撐。

  我國首臺自主研制的30MeV強流質子回旋加速器

  1994年,我國首臺自主研制的30MeV/300~500μA強流質子回旋加速器建成。這一裝置投放運行后,不僅可以向國內供應其產品,替代進口,還具備一定的出口能力,從而結束了我國不能用加速器批量生產中、短壽命放射性同位素的局面,我國第一個用加速器批量生產供應放射性同位素的基地在原子能院建立。

  原子能院僅用了進口同類裝置費用的三分之一,用5年的時間縮短了與先進國家20年的差距,使我國回旋加速器研制技術達到上世紀90年代世界先進水平。該裝置的建成推動了我國核醫學發展,“強流質子回旋加速器及生產中短壽命放射性同位素裝置建成”入選1996年“中國十大科技事件”。

  國際上最大的緊湊型強流質子回旋加速器

  HI-13串列加速器升級工程是原子能院承建的國家重點科技工程,其主要建設內容是在現有的HI-13串列加速器前端,新建一臺100MeV強流質子回旋加速器、一臺高分辨率在線同位素分離器,在后端新建一臺重離子超導直線增能器。串列加速器升級工程建成后,在已有串列加速器實驗室的基礎上,逐步形成一器多用、多器合用、多領域、多學科的科學研究平臺,將填補我國中能強流質子回旋加速器、高分辨同位素分離器和超導重離子直線加速器的空白,達到目前國際同類裝置的先進水平,使我國成為少數幾個擁有新一代放射性核束加速器的國家。

  2014年7月,該工程關鍵組成部分之一——100MeV強流質子回旋加速器建成。該加速器直是國際上最大的緊湊型強流質子回旋加速器,也是我國目前自主創新、自行研制的能量最高的質子回旋加速器。100MeV質子回旋加速器調試出束,標志著串列加速器升級工程建設取得階段性的重大成果。

  2016年11月17日,100MeV質子回旋加速器開始進行首次物理實驗,實現長期穩定運行且束流強度寬泛穩定,不僅能夠滿足航天領域抗輻射加固的需要,更填補了我國在100MeV范圍內質子輻照方面的空白。

  我國第一臺高能大功率電子輻照加速器

  所謂輻照,即利用高能電子束等射線照射物品,通過輻射效應達到材料改性、殺菌消毒的作用。其中電子加速器是人工射線,具有可控、能量高、輻照時間短、無核廢物、不危害環境的優點,輻照加速器已廣泛用于食品輻照保鮮、殺蟲滅菌等方面。

  2007年,我國首臺10MeV/15kW高能大功率電子輻照加速器裝置建成并投入使用,這是我國首臺投入商業輻照的高能大功率電子束輻照裝置。“十二五”期間,原子能院成功研制出具有自主知識產權的10MeV/20kW高能大功率電子輻照加速器裝置,綜合性能指標達到國際先進水平。

  原子能院實現了輻照加速器工程化定型,顯著提升了重大輻照裝備的國產化制造能力與水平。目前,該裝置已有10臺投入輻射應用,實現了我國高能大功率輻照加速器從技術落后依賴進口,到替代進口領先國外的跨越。

  中國在通用核儀器領域發布的第一個國際標準

  電子加速器是核技術應用源頭技術,是世界上最先進的輻射裝置,是無損檢查系統最復雜、最核心的設備,目前全球只有美國、德國等少數發達國家有能力制造無損檢測加速器。

  無損檢測電子直線加速器現在已經應用到了大型壓力容器、火箭發動機、核電設備制造等領域,擁有著廣闊的應用前景。

  2017年5月,由原子能院主導制定的“工業無損檢測用電子直線加速器標準”由國際標準化組織正式發布。這是中國在通用核儀器領域發布的第一個國際標準,填補空白的同時,也促進了國產加速器產品在世界范圍內的推廣應用。在“一帶一路”的戰略背景下,該國際標準的發布,向世界展示了我國核技術應用領域取得的成果,可促進我國加速器產品在世界范圍內的推廣應用,對我國無損檢測用電子直線加速器走出國門影響深遠。

  2018年5月14日,由原子能院研制的、具有完全自主知識產權的6MeV雙能無損檢測電子直線加速器正式運往海外。這是中核集團首次出口加速器高端制造設備,也是原子能院積極響應國家“一帶一路”倡議、貫徹中核集團“走出去”戰略重要里程碑,標志著我國電子直線加速器技術已達國際領先水平。

  

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