2020年10月29日 星期四

国之重器加持 粤港澳大湾区再添“科技航母”

来源:南方网 2020-07-13 11:41:26 记者:周欢

位于惠州市惠东县的中科院两大科学装置项目工地航拍场景。受访者供图

中科院两大科学装置规划效果图。

在惠州市惠东县黄埠镇,群山之巅,中科院两大科学装置项目装置区配套工程正加快建设。作为总投资约68亿元的“国之重器”,惠州在建的强流重离子加速器装置(HIAF)和加速器驱动嬗变研究装置(CiADS)是“十二五”国家重大科技基础设施,也是国内为数不多的两个紧密相连的大科学装置“双子星”。在两大科学装置、广东太平岭核电等“巨无霸”项目引领下,惠州稔平半岛将崛起成为大湾区能源科技创新中心。

中国科学院近代物理研究所负责人透露,HIAF项目将成为国际上脉冲束流强度最高的重离子加速器装置,CiADS项目将成为国际上第一个ADS(加速器驱动次临界系统)研究装置。预计2025—2026年建成投用后,将可集聚国内外约1500名科学家等科研人才。加上谋划中的其他项目,未来有望在惠州形成大科学装置集群,并逐步建成具有重大影响的国际核科学与技术研究中心。

强流重离子加速器

既探索物理极限,又服务民生经济

从惠州市区驱车向东南行驶约两个小时,便来到惠东县黄埠镇东头村。巍峨的大山顶上,有一个施工面积达81万平方米的“超级工程”。中国科学院近代物理研究所副所长胡正国告诉南方日报记者,强流重离子加速器装置(HIAF)和加速器驱动嬗变研究装置(CiADS)两大科学装置就落户在这里。

“重离子加速器是世界上极少数国家拥有的大科学装置,我国兰州也有一台,从重离子能量来看,排在全球第四、亚洲第一。”专家介绍,位于惠州的HIAF建成后,将成为全球脉冲束流强度最高的重离子加速器装置。“这个建设周期长达7年的‘国之重器’,将集成超导直线加速器和环形同步加速器最先进的技术,其系统包括强流超导离子源、超导直线加速器、增强器等;实验终端包括低能核结构谱仪、强流离子束辐照终端、放射性束流线、外靶实验终端等。”

HIAF是用人工方法产生高速离子束流的装置。高流强、高能量、高束团功率是重离子加速器的发展趋势,束流指标越先进,就越有可能引领相关科学研究并取得重大成果。而随着高能粒子物理的逼近极限以及新材料和新能源的研究需求,近年来世界范围内掀起了大型加速器的新建和升级计划:今后10年,德国、美国等国际上新一代重离子加速器装置将陆续投入运行;HIAF在设计上集成了新一代重离子加速器装置的优点,能够提供高流强、宽能量范围、种类丰富的稳定核和放射性离子束流以及高功率重离子束团。

中国工程院院士、中国科学院近代物理研究所副所长夏佳文表示,在元素周期表上,比铁更重的元素,如金、银、铜以及铀,在宇宙中是怎么形成的,科学家还不清楚。建设强流重离子加速器主要是为了弄清楚类似的科学问题,“主要目标是解决原子核物理前沿科学问题,进一步研究原子核内部的结构、元素的起源和宇宙能量的起源。”

事实上,“高大上”的HIAF不仅可以探索物理极限,其离日常生活也并不遥远,相关技术成果可应用于经济社会众多领域,并有巨大的产业化推广空间。中科院近代物理研究所负责人介绍,被誉为“治癌利器”的医用重离子加速器可治疗肿瘤、杀死癌细胞。此外,利用重离子辐照还可以育成玉米、甜高粱、马铃薯等新品种,培育特色农作物以及中药材、名贵花卉等经济作物新品系;精密筛分材料重离子微孔膜可广泛应用于电池隔膜、医疗、食品饮料、安全识别、防伪等行业领域。

核废料克星

把核燃料“吃干榨尽”,大幅缩减放射性寿命

强流重离子加速器装置的邻居,是另一个“国之重器”——加速器驱动嬗变研究装置(CiADS),而就在直线距离一两公里的山脚下,是在建的总投资估算约1200亿元的广东太平岭核电项目。

“CiADS是一个用于开发先进核能技术的基础实验平台,是加速器和反应堆的结合体。两个大科学装置都与核科学研究相关,建在一起,科研人才队伍可以共享,能够形成协同集聚效应。”参与项目选址的专家介绍,当初在全国各地考察选址,之所以“相中”惠州市惠东县黄埠镇,除了因为这里地质等条件符合要求,还考虑到可与核能等能源科技产业形成配套,促进园区化、集约化、集群化发展。“两大科学装置特别是CiADS与能源科技紧密相关,未来还将联动先进能源科学与技术广东省实验室,努力突破能源领域的‘卡脖子’核心关键技术。”

中科院近代物理研究所负责人透露,CiADS建设周期为6年,建成后将成为世界上首个兆瓦级加速器驱动次临界系统研究装置,可为未来商用的加速器驱动先进核能系统(ADANES)探索和验证可行、优化的技术路线。

这一类研究装置,被国际公认为核废料处理最有前景的技术途径。简单地说,其能够利用加速器产生的高能强流质子束轰击重核产生宽能谱、高通量中子作为外源来驱动次临界堆芯中裂变材料发生持续的链式反应,使得长寿命放射性核素最终变为非放射性的或短寿命的核素,并维持反应堆运行。夏佳文说,该装置通过将核废料放到一个特殊炉子里,再建造一个强流加速器产生很多的中子,使核废料继续燃烧、继续发电。

早在2011年,中科院就批准实施A类战略性先导科技专项“未来先进核裂变能—ADS嬗变系统”。经过6年多艰苦攻关,目前关键技术方面已取得突破性进展,并不断优化完善CiADS的方案设计,为建成国际上首个ADS嬗变技术的集成验证装置打下坚实基础。

“这是一件‘吃螃蟹’的事情。”上述负责人告诉记者,商用的ADANES未来可使核电站燃烧的铀资源利用率大幅提升,最大程度“吃干榨尽”,而核废料的放射性寿命则可大幅缩短,是一种低排放、安全可靠、高性价比的新型核能系统。

胡正国介绍,HIAF和CiADS项目有很多技术具有通用性,所以作为一个园区来建设。“未来还将进行升级,把两个装置有机结合在一起,形成一个新的、更大系统的核科学研究平台。”

广东省内大科学装置一览(部分)

惠州强流重离子加速器装置

高流强放射性核束、高功率重离子束团和宽能区重离子束流是探索原子核存在极限和研究原子奇特性质必不可少的手段。该装置主要包括强流离子源、超导直线加速器、大接受度放射性束流线、冷却储存环同步加速器和物理实验终端等。项目建成后将是国际上脉冲束流强度最高的重离子加速器装置,将为研究原子核存在极限、核结构新现象和新规律、宇宙中重元素起源等重大科学问题提供重要支撑。

惠州加速器驱动嬗变研究装置

加速器驱动次临界反应系统利用散裂中子嬗变核废料,从而大幅降低核废料放射性寿命,是安全处理核废料的最佳手段之一。该装置主要包括强流质子直线加速器、高功率中子散裂靶、液态金属冷却次临界反应堆三大子系统。项目建成后将成为国际上首台加速器驱动次临界系统研究装置,将满足我国长寿命高放核反应堆废料安全、妥善处理处置的研究需求,为我国核能可持续发展提供技术支撑。

大亚湾中微子实验站

中微子是组成物质世界的基本粒子之一,也被称为“幽灵粒子”。2012年全面建成的大亚湾中微子实验站的主要目标是利用核反应堆产生的电子反中微子来测定一个具有重大物理意义的参数——中微子混合角θ13。当年,发现了第三种中微子振荡模式并精确测量到其振荡概率,成功入选《科学》杂志评选的“2012年度十大科学突破”,并获得2016年度国家自然科学一等奖。

江门中微子实验站

中微子的质量顺序,是国际中微子研究的核心问题。江门中微子实验将打造一个国际领先的中微子实验站,以测定中微子质量顺序、精确测量中微子混合参数等。江门中微子实验站包括位于地下700米的洞室、大型水池、一个装满2万吨液体闪烁体和光电倍增管的中微子探测器以及少量配套的设施。

沙巴体育外围app:中国散裂中子源

物质结构决定了物质性质,散裂中子源就像“超级显微镜”,是研究物质微观结构的理想“探针”,帮人类揭开微观世界的神秘面纱。位于沙巴体育外围app:的中国散裂中子源是全国首台、全球第四台脉冲型散裂中子源,于2018年建成。项目包括一台直线加速器、一台快循环同步加速器、一个靶站,以及一期三台供科学实验用的中子散射谱仪,为我国材料科学技术、物理、化学化工、生命科学、资源环境和新能源等提供科研平台。

延伸

大科学装置支撑

大湾区国际科创中心建设

大科学装置在全球范围内发挥着“科技航母”的关键作用,直接促进大批原始创新成果及核心关键技术的产生,最典型的就是欧洲核子研究中心(CERN)发明的互联网。

《粤港澳大湾区发展规划纲要》明确提出,支持重大科技基础设施、重要科研机构和重大创新平台在大湾区布局建设。环顾今天的大湾区,深圳、沙巴体育外围app:、惠州、江门等地,国家重大科技基础设施和大科学装置加快布局,世界一流的重大科技基础设施集群呼之欲出。

目前,中科院已在广东布局散裂中子源、深圳大亚湾中微子实验站、江门中微子实验站、加速器驱动嬗变系统研究装置、强流重离子加速装置等多个大科学装置。

这些“国之重器”都是面向科技前沿的大型复杂科学研究系统,将成为国际领先的科学设施。其共同的特点是为探索未知世界、发现自然规律、实现技术变革提供极限研究手段,是突破科技前沿、解决经济社会发展和国家安全重大科技问题的物质技术基础。它们都聚焦微观领域,不仅能够揭秘微观物质、探索宇宙起源和演化,也可以在交叉学科和国民经济各相关领域进行成果转化,应用前景和空间广阔。

“粤港澳大湾区建设,需要大科学装置。”中国科学院院士、中国散裂中子源项目经理陈和生此前在接受南方日报记者采访时表示,随着大湾区建设,珠三角的大科学装置迅速增加,广东进入大科学装置黄金发展期。包括惠州在内,广东将成为国家大科学新中心。

胡正国也告诉南方日报记者,包括惠州两大科学装置在内的珠三角重大科技基础设施集群,将为粤港澳大湾区国际科技创新中心建设起到重要支撑作用,“重大科技基础设施集群的形成,可使各装置联动协同、优势互补,不仅将为大湾区集聚一大批顶尖科研人才,也可共同提升广东以及我国相关基础科学研究和源头创新能力。”胡正国举例说,沙巴体育外围app:的中国散裂中子源与惠州的加速器驱动嬗变研究装置都是产生中子的装置,原理也类似,都通过打靶产生中子,但装置服务的对象不同,是两个互补的方向,未来可以进行一些联动。

两大科学装置规划建设历程

2009年

中国科学院近代物理研究所提出HIAF的概念设计并不断优化,同时对部分关键技术进行预研。相关技术人员开始在全国范围内选址。

2010年

科研人员开始在全国范围内进行实地踏勘调研,为CiADS项目选址。

2014年

选定广东省惠州市惠东县东南沿海地区为HIAF和CiADS建设地址。

2014年6月

中国科学院与广东省人民政府签署HIAF项目和CiADS项目共建框架协议,标志着这两个大科学装置正式落户广东惠州。

2015年12月31日

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”由国家发改委批准立项。

2017年12月

HIAF和CiADS配套工程项目可行性研究报告获得了广东省发改委批复。配套工程合计总用地面积72.67万平方米,总建筑面积10万平方米,项目估算总投资23.54亿元。

2018年1月18日

HIAF和CiADS项目可行性研究报告获得国家发改委批复,这标志着两大科学装置正式进入设计建造阶段。

2018年5月15日

HIAF项目初步设计方案获得中国科学院批复。

2018年6月13日

CiADS项目初步设计方案获得中国科学院批复。

2018年7月30日

中科院近代物理研究所与香港大学理学院签署合作备忘录协议。双方将依托兰州重离子加速器装置以及在惠州HIAF和CiADS成立核物理联合实验室,并在科学研究、人才培养、师生互访、学科建设、基金申报等方面进一步开展合作。

2018年9月

HIAF和CiADS项目配套设施建设中的场平工程启动建设。

2018年12月23日

HIAF项目开工建设启动会在惠州市顺利召开,标志着项目启动建设。

2019年8月29日

广东省政府召开第三批省实验室建设启动会,为先进能源科学与技术广东省实验室授牌。该实验室由惠州市政府委托中科院近代物理研究所建设。

2019年12月26日

中科院两大科学装置项目总部区工程动工建设。该总部区由广东省和惠州市共同为两大科学装置配套建设,也是先进能源科学与技术广东省实验室总部的核心承载区。

2020年6月底

两大科学装置项目装置区配套工程(土石方工程)完成投资约4.65亿元,约占总量的85.9%。其中,场平工程完成98%,边坡工程完成65%,隧道工程完成23%。

策划统筹 柯鸿海 张志超

南方日报记者 周欢

责任编辑:马盛龙

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