▲加速器驅動嬗變研究裝置（CiADS）和強流重離子加速器（HIAF）施工現場。（中科院近代物理研究所供圖）
粵港澳大灣區東部，一塊近1平方公里的地塊在山海間格外顯眼。在惠州市惠東縣黃埠鎮，兩大國之重器將在羣山之巔嶄露頭角。這裏是國家重大科技基礎設施“十二五”建設項目——加速器驅動嬗變研究裝置（CiADS）和強流重離子加速器裝置（HIAF）（下稱兩大科學裝置）的施工現場。
建設現場，一條長百餘米、深數米的半地下隧道豎條坑頗顯氣勢。未來，一座全長350米的超導直線加速器將在此落成，它將與高功率散裂靶、次臨界反應堆一道，組成CiADS完全體，為驗證嬗變原理、解決核廢料處置問題鋪路。
CiADS不遠處，是HIAF所在地。
借無人機俯瞰現場，已能看清同步加速器圓環的大致位置。核科學研究中，新核素的鑑別、重元素如何產生等問題一直未解，HIAF的落成，有望幫科學家找到答案。
2018年年底開工至今，項目的場地配套工程已進入尾聲。按規劃，兩大科學裝置將於2025-2026年建設完畢。
向重大、看前沿，同時開建的經濟賬
記者從中科院近代物理研究所（下稱近物所）獲悉，目前，兩大裝置處於工程設計及施工階段，主體工程將於下半年進場施工。
其中，CiADS的超導直線加速器預研樣機已實現30千瓦束流持續100小時的穩定運行，目前正向100千瓦邁進。HIAF主電源、磁鐵和真空管道等關鍵部位的樣機研製已基本完成，即將進入批量生產。
這兩個大傢伙為何要一起建？近物所副所長、研究員胡正國表示，兩大裝置同時開建，部分技術力量、設施可以共用，不但能節約資源成本，且有利於未來打造加速器集羣。“CiADS和HIAF都是核科學領域的大裝置，我們的目標是把兩者集合在一起，形成新的大科學工程。
“兩大裝置技術方面有一些接口是重合的，都有加速器部分，但它們各自的物理目標不一樣”，HIAF總工程師、近物所研究員楊建成告訴記者，CiADS瞄準核廢料處理處置研究，面向國家重大需求，HIAF則更側重核科學前沿基礎研究。
前積澱、後發力，為乏燃料處理鋪路
建成後，CiADS將成為世界上首個兆瓦級加速器驅動次臨界系統研究裝置。CiADS總工程師、近物所研究員何源告訴記者，加速器驅動次臨界系統（ADS）是核廢料處理公認的可行技術路徑，能在短時間內降低乏燃料放射性，並從中分離出有用元素加以利用。
處於次臨界狀態時，CiADS的安全性也得以保證。加速器從外界為反應堆供能，當中子輸送停止時，反應堆即刻停止反應，堆內產生的新中子少於湮滅掉的中子，進入次臨界狀態。
但迄今為止，還不曾有驗證這一路徑的先例。加速器和反應堆同為20世紀原子能領域的重要成果，二者間技術差異大，再將之與散裂靶耦合，難度極高。對CiADS建設團隊來説，單加速器一項，就需要將能量25兆電子伏特、長度20米的樣機放大，能量要到500 兆電子伏特、長度要達200米，且保證輸出可靠、安全合規。
團隊的底氣源於積累。2017年，近物所完成了中科院A類先導專項“ADS嬗變系統”的研究工作，國際首台ADS超導直線加速器前端示範樣機、顆粒流散裂靶樣機、針對鉛鉍反應堆開發的耐輻照和腐蝕材料等一系列重大突破性成果為CiADS的建設打下良好基礎。
一批新生科研力量也因此迅速成長。參加先導專項的隊伍中，有近四百人成為建設CiADS的中堅力量。
“我們知道什麼是困難，並知道怎麼去解決它。”在何源看來，這是整個團隊的信心所在。
拓新路、創亮點，造一方核科學重地
按指標，建成後的HIAF可以產生極端遠離穩定線核素，且能對其進行精確測量。為此，HIAF需要提供穩定且高能的重離子束流，束流能量最高可達4.25吉電子伏特。
“HIAF的定位是建國際一流的重離子研究裝置，建之前我們就想清楚，要達到一流、有自己特色，那就必須通過技術創新來實現。”楊建成表示。為完成裝置建設，快循環脈衝電源、陶瓷內襯薄壁真空室等一系列特色技術應運而生。
早在項目籌備初期，研究團隊就摸了一遍國際同行的底。
“快循環加速器的管道一般都是金屬的，產生的渦流會導致粒子丟失”，楊建成告訴記者，這是國際上所有加速器都要克服的問題。
為此，項目組另闢蹊徑，用一節一節的陶瓷環支撐不鏽鋼真空室。僅有2-3毫米薄的陶瓷內襯強度夠高、柔韌性也很好，不導電也不會產生渦流。為了解決束流管壁的阻抗問題，項目組還為陶瓷內襯鍍上了微米級別的膜。
這套屢屢創新的方案表現不俗，楊建成表示，樣機已驗證陶瓷室真空度可達10-10帕，“真空一抽，不鏽鋼薄壁會緊緊壓到陶瓷環上”。
再過幾年，CiADS和HIAF將在惠州落成，成為核科學研究的一方重地。胡正國表示，“我們建設大科學裝置，要在實現科研目標的同時發揮它的效益，未來，兩大科學裝置將與先進能源科學與技術廣東省實驗室聯動，打造粵港澳大灣區乃至國際上重要的核科學中心。”
作者：任芳言
編輯：李晨琰
責任編輯：許琦敏
來源：中國科學報
聲明：轉載此文是出於傳遞更多信息之目的。若有來源標註錯誤或侵犯了您的合法權益，請作者持權屬證明與本網聯繫，我們將及時更正、刪除，謝謝。