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截至2022年12月31日,中国核动力研究设计院高通量工程试验堆全年带功率安全运行269天,创历史最高纪录!运行时长再创国内研究堆新纪录,居世界前列。同时,岷江试验堆全年安全运行天数亦创建堆30年历史新高!
岷江试验堆作为高通量工程试验堆建设的先驱核设施,如今已成长为集同位素生产、单晶硅中子参杂、材料辐照、核电培训等多方面用途的中子辐照实验平台。
四十余年来,核动力院依托于岷江试验堆和高通量工程试验堆开展、完成了大量科学试验与研究,这棵科技之树现已是枝繁叶茂、硕果累累;目前共获得国家、省部级科技成果300多项,为我国核科技发展做出了不可磨灭的贡献。
岷江试验堆(MJTR),因倚靠岷江支流而得名。2022年6月,中国核动力研究设计院将它向全社会开放,面向全国征集辐照试验需求。自此,这个坐落于四川群山间的核反应堆,走进了公众的视野。
进与退
应时而进,曾为国之重器做万全准备。
顺势而退,隐姓埋名也有“桃李满天下”。
上世纪70年代初,中国核动力研究设计院开始自主设计建造中子通量亚洲第一、世界第三的高通量工程试验堆。就像每个成功的将军身旁总有勇于冲锋的兵,为了满足高通量堆有燃耗的物理性能研究需求,作为其26个配套设施之一,岷江堆应运而生,同步建设。按照方案,它将被建造成一个长8.5米、宽2.2米、高8.98米的“游泳池”,堆芯浸泡在“泳池”里,进行冷却。
“建设的过程不算顺利”,一位一所老员工回忆,当时的主体厂房、水池和通风、补水等设施均已建成,但反应堆控制仪表和热工仪表由于历史原因出现问题,修建工作陷入停滞,“如果就此停工,当时那些先进的设备都将变成废品”。时任的一所所长对这样的情况很是痛心,1984年,综合考虑到岷江堆在乏燃料、单晶硅和医用同位素方面的利用价值,他着手开始推进岷江堆的建设。
彼时,高通量堆已建成并达到临界,它所产生的一系列实验结果,让岷江堆的可靠性有了进一步提升。同时,在资金方面,老所长争取到了20%的国家投资,并以50%的贷款和30%的自筹资金,解决了岷江堆建设的“最后一公里”。
1991年2月3日,一个激动人心的消息传来,伴随着广播响起,反应堆成功达到临界状态,功率也从最初设计的100千瓦提升到5兆瓦,完成了50倍的跨越。
上世纪90年代,响应国家的需求,岷江堆激流勇进,填补了我国在单晶硅和医用同位素方面的一定空缺,同时将高通量堆燃料燃烧后的乏燃料进行了再次利用,提高了燃料元件的利用率。
能进,亦能退。
进入21世纪,高通量堆所承担的国家任务越来越重,由于两堆的冷却系统有一段共用的管线,不能同时运行,岷江堆的运行时间越来越短,甚至陷入停运。在当时,首先要保证的,还是高通量堆不受影响。尽管岷江堆的生产一度停滞,但它仍然在发挥自己的价值。
对于其他反应堆的运行人员来说,正式上岗之前,能有一个现成的堆进行临界训练,是难能可贵的机会。岷江堆在“退”的十几年间,就承担了这样一个培训者的角色。秦山核电、大亚湾核电、三门核电等核电站,都曾派出过人员来到岷江堆,在很多一所员工的记忆里,那些年的岷江堆就像一个耕耘在深山的老师,为国内的许多反应堆培养高素质运行人员,“怎么开堆、怎么提控制棒,实际来操作一下,肯定比看操作手册强好几倍。”
光与热
单晶硅和医用同位素,一个关乎国家芯片行业安全,一个关乎人民群众身体健康。靠着一块小小的燃料,岷江堆在这两个领域持续发光发热。
想象一个布满紧密相接的圆圈的孔道,里面每个小圆为一个“栅元”,是孔道的最小单位。越靠近反应堆中心,中子通量越高,所受的中子辐照就越强,越利于生产高比活度的医用同位素,而单晶硅的特性让它需要在外围区域进行辐照。因此,医用同位素与单晶硅可同时开展辐照生产,既节约燃料,又提高效率。
单晶硅的原材料是一根根原始硅棒,经过堆内辐照后与中子发生反应,形成微量杂质,这些杂质就是提高导电性能的关键。经过辐照的硅棒将被厂商根据需求切割成不同尺寸的薄片,用于芯片生产。而大尺寸单晶硅辐照工艺,上世纪的岷江堆是全国“独一份”的,曾前后为国内的芯片制造业输出过产值超100余吨的宝贵单晶硅资源。
2020年,核动力院开始对岷江堆的冷却水管线进行改造,用一年的时间,使岷江堆实现了独立运行,不再受高通量堆的约束。
“国内大部分的硅厂会选择去国外辐照单晶硅,包括我国最大的单晶硅厂,也得去国外”,一位工作人员介绍,运送到国外,不仅成本高,更是在关键环节受制于人,岷江堆的独立运行,对国内的单晶硅产业无疑是一个好消息,“尤其是我们实现了8英寸单晶硅的辐照条件,目前国内只有我们可以容纳这样的大尺寸。”
除了单晶硅,医用同位素的生产也是岷江堆的肩头重任。
医用同位素具有不可替代的优势,它是核医学诊疗的基础,广泛应用在对心脑血管、恶性肿瘤、神经退行性等重大疾病的诊断治疗上。它的生产方式分为三种:反应堆、加速器、同位素发生器。这其中,反应堆的“霸主”地位无人能及,80%以上的医用同位素由反应堆辐照产生,岷江堆则是核动力院手中的医用同位素生产“利器”。
2010年,当一所四室的副主任罗宁第一次踏上核动力院的土地,岷江堆就作为战友之一,陪伴他开始了医用同位素的研发生产之路。“岷江堆从设计之初就有与生俱来的医用同位素属性”,罗宁介绍,在岷江堆最中心的孔道位置,也就是专业所称的“K11孔道”,非常适合用来辐照医用同位素,而上世纪90年代,岷江堆已经开始生产钼锝发生器,这在同一时期的国内是极少见的。
在2010年后,罗宁和他的团队投身于碘-131、碘-125等稀缺医用同位素的研制,在无数个日夜里,大量的实验数据从岷江堆来到他们的手中,岷江堆就像一个战友,十年如一日地共同奋战在医用同位素科研一线。一直到现在,碘-125的研发任务也依旧在岷江堆进行,它也已成为核动力院重点发展的核技术产业研究堆与生产堆。
舍与得
舍与得,相生相倚。岷江堆,舍掉的,是对科学资源的“独占”,得到的,是全国上下的共同进步。
放眼全国,核反应堆是非常难得的资源,且不提从零开始建设反应堆是一个无比庞大的系统工程,即使在建设完成后,仍然要经历多次的改造,才能够不断地适应科研发展的新需求。
建成只算闯过第一关,在反应堆的运行过程中,由于仪器精密、专业化程度高、安全要求高,需要大量的专业人员参与工作,耗费的人力、物力成本都是一个巨大的数目。
对于企业、大学及研究院所来说,拥有反应堆资源难度太大,与此同时,岷江堆具有的自身安全性高、用途广泛等特点,具备向社会开放共享的能力,越来越受到各方的高度关注。
宝贵的资源,要独享吗?岷江堆的回答,是“绝不”。为践行习近平总书记“创新、协调、绿色、开放、共享”的发展理念,进一步发挥大型科研试验设施的平台作用,为核技术开发提供有力的支撑,由核动力院院长王丛林牵头,岷江堆正式推向全社会,打造开放性的中子辐照实验平台。
这个平台能做什么?基于岷江堆丰富的辐照孔道,多家单位的辐照任务可以集中组合起来,统一协调、统一调配,多个任务拼在一条孔道里,就像“众筹”一样,达到降低成本和门槛的作用。此外,岷江堆的开放能够吸引到有创新性的项目,让诸多科研院所在平台上大展宏图,集众人之智,开发出高经济效益、高技术水平的产品,建设产、学、研一体化全面布局。“我们读书的时候是不具备这样的条件的,很羡慕现在的学生们”,一位相关工作人员这样感慨,书本上的数据和实验室的模拟,都无法跟真正触碰到反应堆的体验相比较,大多数科研院校的学生将能借此契机,获得学术生涯里难得的经验。岷江堆触发的,将会是巨大的社会效益和经济效益。
“我们想探索一条全新的发展道路”,一所相关负责人说,通过努力吸引项目和完善制度,建设先进的大型科研基础设施共享平台,岷江堆将为核动力院院第四次创业贡献力量,为国家投入建设的诸多研究堆的开发探索一条实现生产效益、技术水平、科研能力的全面发展的道路,打造国际先进、国内领先的研究堆合作体系。
进退有度、光热交织、有舍有得,岷江堆,这颗镶嵌在巴蜀深山中的明珠,正在向世人展示它真正的魅力。
来源:核电那些事、中国核动力研究设计院
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