逍遥学能 2018-09-14 15:45
小小微堆 大大用场
中国目前是世界上唯一完全掌握微堆研究建造技术的国家
第四届核安全峰会已经落幕，围绕峰会的议题仍在发酵。
最近，一个没有散热塔，没有高耸烟囱，核反应堆堆芯只有高压锅大小的微堆（全称微型中子源反应堆），成为热门话题。
3月底，在圆满完成低浓化改造后，微堆首次实现满功率运行。于是，世界目光聚焦微堆诞生地??位于北京西郊的中国原子能科学研究院（以下简称原子能院）。
这一重要进展被写入《中美核安全合作联合声明》。
国防科工局局长、国家原子能机构主任许达哲评价，微堆低浓化改造，是降低高浓铀流失风险、提升核安保水平的有力举措。
但其实微堆离我们的生活并不远。
“从1984年至今，我们利用微堆分析的样品多种多样，上至天文、下至地理，涉及地质学、地球化学、生命科学等众多学科。”原子能院微堆室主任李义国说，分析结果为不少研究提供了科学依据。
揭开百年谜案 把脉苍生健康
原子能院的原型微堆的每一根燃料元件的直径仅有5毫米，换言之只有约5张纸的厚度，每两根元件间隙只有5.48毫米，这些燃料元件被放置在实验用的“鸟笼架”内。“鸟笼架”是直径240毫米、高270毫米的狭小空间，也就是该堆的堆芯。
在业内，微堆也被称“傻瓜堆”，因为它类似一个实验仪器，操作简单，但用途不少，能进行中子活化分析、核仪器探头的考验、教学及培训、少量同位素生产等。
2019年，“长相”精致的微堆展示大“威力”，它与央视、清西陵及北京市法医检验鉴定中心等共同揭开了困扰史学界的百年谜案??清光绪帝之死因。
该专题研究由光绪帝遗物发辫入手，历时五年，利用微堆中子活化分析技术测试了发辫中砷的含量，并结合其他技术手段，经科学研究分析测算表明光绪的头发截段和衣物上含有剧毒砒霜，而其腐败尸体仅沾染在部分衣物和头发上的砒霜总量就已高达约201毫克。
光绪死因的确证，被认为是运用现代科学技术和侦察思维解决历史疑难问题的成功尝试，开辟了学术文化研究的新路径。
因为具有小型化、易操作、功率低、固有安全性好等优点，在大中城市人口稠密的大学和研究机构内，不乏微堆身影。
在改革开放前沿深圳，原子能院帮助深圳大学设计建造的微堆已安全运行28年，这也是目前我国尚在运行的唯一商用微堆。与原子能院的原型微堆相比，二者的差别是堆芯尺寸、燃料元件尺寸。
深圳微堆建成后，利用中子活化法填补了深圳微量元素质检方面的某些空白。
当时，随着珠三角现代工农业的迅猛发展，大量人工合成有机化合物被引入到自然环境中，包括一系列有机卤素污染物，这些卤素污染物有致癌、致畸、致突变的风险。借助微堆，深圳较早就对本市的大气和土壤环境进行检测，实时掌握深圳大气和土壤中的污染程度，并及时采取措施。
因为不会对样品产生破坏，原子能院曾协助有关单位，对膳食中的元素含量进行过多次调查研究及卫生学评价。
多年前，原子能院高级工程师王珂就和团队分析测定了我国南北方78例正常成年人甲状腺含量，发现有地区差异，女性略高于男性，这为评价碘对人体的健康影响提供了背景材料。
“微堆低浓化后应用更为广泛，比如可应用到与百姓关系更加密切的治疗癌症的医疗装置中。”中国工程院院士周永茂如此预测微堆前景。
自主研发 自主改造
“我国目前是世界上唯一完全掌握微堆研究建造技术的国家。”李义国告诉记者，我国的微堆研究建造可追溯到上世纪70年代末、80年代初。经过多种物理设计方案的理论计算和零功率实验验证，1984年3月，原子能院自主开发设计建造的我国第一座微堆顺利建成并投入满功率运行。
1985年，原子能院开始进行商用微堆的定型设计，主要供大学、科研单位等进行教学、活化分析、培训等。
“过去，我们微堆使用武器级的高浓铀作为燃料。燃料棒一旦流失，就可能造成核材料扩散的威胁。”李义国解释，由于所用燃料的特殊性，微堆在推广中一直受到限制。
受国际大环境等多因素影响，国际原子能机构（IAEA）多次提出，希望微堆燃料实施低浓铀转化。
微堆低浓化转化即以低浓铀燃料替代原有的高浓铀燃料，转化后还需利用原有筒体装料运行。
“最难的是堆芯设计。”李义国说，“由于低浓铀堆芯的燃料芯体和包壳材料与之前的不同，其热工、物理性能等也均有较大不同，须重新进行物理、热工和结构设计，且只能在原有小尺寸的堆芯空间内做出合理调整，设计难度大大增加。”
经过5年攻关，原子能院成功地将微堆中的核燃料富集度从90%降至12.5%，并实现满功率运行。
中核集团董事长孙勤认为，首座微堆低浓化后首次满功率运行意味着原子能院已完全掌握了微堆低浓化的全套技术。