中子是研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)和動力學性質(zhì)的理想探針，中子不帶電，穿透力強，具有磁矩，可用它作為探針研究物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)和運行狀態(tài)。中子散射技術(shù)已在很多基礎(chǔ)學科，如凝聚態(tài)物理、化學、生物工程、生命科學、材料科學等的研究中被廣泛采用。中子源是能夠產(chǎn)生中子的裝置，是進行中子核反應(yīng)、中子衍射等中子物理實驗的必要設(shè)備。反應(yīng)堆中子源中子通量高，應(yīng)用最為廣泛，但由于反應(yīng)堆散熱技術(shù)的限制，使其最大中子通量受到限制[1–3]。

當快速粒子如高能質(zhì)子轟擊重原子核時，一些中子被“剝離”，或被轟擊出來，在核反應(yīng)中被稱為散裂。

散裂中子源的出現(xiàn)突破了反應(yīng)堆中子源中子通量的極限，其特點是在比較小的體積內(nèi)可產(chǎn)生比較高的中子通量、每個中子能量沉積是反應(yīng)堆的 1/8~1/4、單位體積的中子強度比裂變堆高 4~8 倍、可用較低功率產(chǎn)生與高通量堆相當或更高的平均中子通量。散裂中子源能提供的中子能譜更加寬廣，它可以提供從電子伏特到幾百 MeV 寬廣能區(qū)的中子，大大地擴展了中子科學研究的范圍，拓深了中子科學研究的領(lǐng)域。發(fā)達國家正在把建設(shè)高性能散裂中子源作為提高科技創(chuàng)新能力的重要措施[4–6]。

散裂中子源在材料科學上，可以研究儲氫材料和電池的反應(yīng)規(guī)律，為復(fù)合材料提供更精準的物相鑒定，開發(fā)鐵電、壓電材料和新型磁性材料，通過非表層深度計算機斷層掃描（CT）指導(dǎo)材料加工工藝等[1,4]。

鎢是具有高熔點和高熱導(dǎo)率的難熔金屬材料，其低濺射率、低燃料滯留與低中子活化等優(yōu)良特性，成為目前核聚變裝置中面向等離子體的優(yōu)選金屬材料[7–9]。鎢在核聚變反應(yīng)堆中的應(yīng)用，已有較多文獻進行了研究和報道[10–13]。由于鎢的優(yōu)良特性，除在核聚變反應(yīng)上的應(yīng)用，在散裂中子源裝置中也起到了關(guān)鍵作用。

1、 散裂中子源介紹

近幾十年來，散裂中子源裝置不斷涌現(xiàn)，目前國際上已建成的有 4 大脈沖散裂中子源：美國橡樹嶺國家實驗室的散裂中子源（SNS）、英國盧瑟福實驗室的散裂中子源（ISIS）、日本散裂中子源（J-PARC），和中國散裂中子源（CSNS）（圖 1）。正在建設(shè)中的有歐洲散裂中子源（ESS），如圖2所示，據(jù)報道建成后將是世界上最先進的散裂中子源和粒子物理實驗室，具體信息見表1。

圖 1 中國散裂中子源內(nèi)部

圖 2 歐洲散列中子源結(jié)構(gòu)圖

從建成一直到 2007 年，英國 ISIS 是世界上功率最高的散裂中子源。靶材采用金屬鎢制成，其脈沖中子通量已高出通量最高的反應(yīng)堆近一個量級，ISIS 的第二靶站也已建成運行。SNS 由美國橡樹嶺國家實驗室為主的能源部六大國家實驗室攜手合建而成，是以加速器為基礎(chǔ)的中子源。日本原子能研究所與高能加速器研究機構(gòu)合建了強流質(zhì)子加速器研究聯(lián)合裝置 J-PARC，其中一臺 3 GeV 的快循環(huán)同步加速器將提供設(shè)計束流功率為 1 MW 的質(zhì)子束流用于驅(qū)動散裂中子源。中國 CSNS 的束流功率為 100 kW，將為國內(nèi)外科學家 提供世界一流的中子科學綜合試驗裝置。

靶站是散裂中子源的核心組成部分，是將加速器系統(tǒng)輸出的高能質(zhì)子束打靶產(chǎn)生的散裂中子轉(zhuǎn)化為可開展散射實驗的中子束的裝置。靶站吸收質(zhì)子并通過散裂過程釋放出高能中子，這個過程會產(chǎn)生高溫，以及攜帶輻射的同位素副產(chǎn)品，包裹在靶周圍的慢化器用來給生成的中子減速[14–15]。鎢靶是靶站產(chǎn)生中子的核心部件。

2 、散裂中子源對鎢的要求

鎢具有非常高的熔點、模量、密度、質(zhì)量數(shù)和較高的熱導(dǎo)能力。一個動能為 1 GeV 的質(zhì)子轟擊鎢靶發(fā)生散裂反應(yīng)時，能產(chǎn)生出 20 個高能中子，同時發(fā)出 55 MeV（每個中子）的熱量和少量 γ 射線。鎢元素在發(fā)生散裂反應(yīng)后轉(zhuǎn)化成的同位素系列均為短壽命的，幾周后即失去放射性[1,4,6]，這些特點使鎢成為最具優(yōu)勢的中子靶材料。國際上的散裂中子源都采用或曾經(jīng)采用鎢來作為靶材料，如日本高能加速器研究機構(gòu)和美國的洛斯阿拉莫斯實驗室在項目中均采用鎢靶[14]。

鎢靶是散裂中子源的核心部件，是產(chǎn)生中子的源頭。鎢靶的性能決定散裂中子源系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性、可靠性和中子源的效率。它需要滿足高功率的運行要求，兼具升級能力，能完全滿足在散裂中子源裝置內(nèi)高溫熱循環(huán)應(yīng)力下長期服役的要求。

鎢靶在高能質(zhì)子束轟擊下面臨三個問題[14–16]：

（1）強輻照環(huán)境下的輻照損傷，使鎢性能變差；

（2）質(zhì)子束轟擊鎢靶產(chǎn)生大量熱，需要對鎢靶進行水冷散熱，要求鎢具有很好的抗熱震性能；

（3）鎢靶片在水流沖刷條件下會腐蝕開裂，影響鎢靶的壽命。

因此鎢靶應(yīng)滿足以下要求：

（1）致密度高、各項性能均一、較好的疲勞性能，同時具有極高的抗熱震性能等；

（2）可以高效移除靶體內(nèi)產(chǎn)生的熱量；

（3）鎢靶片耐沖刷腐蝕性能好。

3、 中國散裂中子源用鎢靶的研發(fā)

3.1 鎢靶制備

中國散裂中子源靶體材料的選擇，綜合考慮了中子產(chǎn)生效率、密度、導(dǎo)熱性能以及其它經(jīng)濟與技術(shù)條件，選用鎢作為靶體材料[16–18]，歐洲散裂中子源也選用了鎢作為靶體材料。

為獲得高性能鎢靶，國內(nèi)安泰科技創(chuàng)新研發(fā)鎢板制備工藝，改進致密化工藝和優(yōu)化變形制度等，研發(fā)的鎢靶具有穩(wěn)定的楊氏模量、力學強度等性能，成功應(yīng)用在中國散裂中子源和歐洲散裂中子源上。

從圖 3 鎢靶材的顯微組織可以看出，通過最新的制備工藝，鎢靶材內(nèi)部晶粒細小而均勻。這種細小均勻的晶粒結(jié)構(gòu)，能顯著提升鎢靶材的力學性能和抗疲勞性能。

圖 3 鎢靶材的顯微組織：（a）橫向；（b）縱向

3.2 靶體插件制備

鎢靶在高劑量輻照環(huán)境下會被高壓冷卻水嚴重腐蝕，影響鎢靶的正常使用。難熔金屬鉭具有與鎢相近的中子學性能以及良好的耐腐蝕性能，因此以鉭作為鎢靶的包覆層（圖 4），作為靶體插件材料[19–20]。

圖 4 鉭包覆鎢靶的示意圖

為了防止鎢塊在高速水流沖刷下腐蝕開裂，文獻[21]研究了鉭包覆保護層的制備方法，利用包套抽真空密封和熱等靜壓擴散焊的新工藝，同時實現(xiàn)了鎢與鉭以及鉭與鉭的冶金連接，制備出目前世界上應(yīng)用于散裂中子源固體靶的厚度 0.3 mm 的最薄的六面鉭包覆層。鎢與鉭的擴散連接界面沒有發(fā)現(xiàn)明顯的缺陷（圖 5），同時鉭與鉭之間已看不出存在明顯的界面，可以認為達到了良好的冶金結(jié)合。

圖 5 鎢與鉭結(jié)合界面顯微組織

3.3 散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)中國散裂中子源的物理設(shè)計、高斯分布沉積熱的散熱控制和鎢靶插件長期可靠運行等要求，研究靶容器主流道和鎢靶塊間多通道并行流的穩(wěn)定性問題、高能中子產(chǎn)額下的靶塊分片及其溫度控制和熱應(yīng)力問題，為鎢靶插件的冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了理論和試驗依據(jù)[17–21]。

通過靶體結(jié)構(gòu)設(shè)計和散熱模型計算，靶材分成了 11 片，每片之間的間隙為 1.2 mm，采用一出一進的并行水流冷卻結(jié)構(gòu)（圖 6），在 100 kW 的質(zhì)子束功率運行狀況下，冷卻水溫升僅為 7 ℃（圖 7），完全滿足 CSNS的運行需求。

圖 6 CSNS 鎢靶內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖 7 鎢靶各位置的溫度分布

3.4 影像涂層制備

為了實時監(jiān)控質(zhì)子束流位置，防止異常束流對靶體的轟擊傷害，檢測束流打靶位置和束流強度分布，研究了質(zhì)子影像涂層的粉體配方和噴涂方法及工藝[22]。該影像涂層涂覆于被轟擊的靶體前窗外表面，影像涂層的主要活性成份為 Cr3+摻雜的 Al2O3 粉體，以低功率火焰噴的方式將 Cr3+摻雜的 Al2O3 粉體涂覆到靶體前窗外表面，形成影像涂層，能夠準確判斷高能等粒子束轟擊時靶體的束流及強度分布，提升了 CSNS 的研究能力（圖 8）。

圖 8 靶材前窗影像涂層設(shè)計：（a）靶體前窗外表面；（b）高能等粒子束轟擊時質(zhì)子束位置和強度

4、 結(jié)束語

散裂中子源的鎢靶在脈沖高能質(zhì)子的轟擊下承受變化的瞬時脈沖熱應(yīng)力沖擊，同時受到高能粒子的輻照以及高壓冷卻水對靶材料的沖刷腐蝕等，這些因素都嚴重影響著靶體的使用壽命，所以高性能鎢靶材的研制，鉭包覆鎢插件及散熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計等創(chuàng)新技術(shù)開發(fā)，滿足了我國首臺散裂中子源的運行需求。

我國的中子源的功率目前只有 100 kW，升級后可以達到 500 kW，國際上運行的中子源功率在 MW 以上，大功率的中子源對靶材的性能要求更加苛刻。鎢靶散熱是首要考慮的技術(shù)問題，同時功率的增大，鎢靶的尺寸隨著改變，輻照效應(yīng)更加明顯[23–24]。這些需求和指標，需要我們繼續(xù)深入開展超細晶粒尺寸鎢制品的制備，提高其韌性和抗輻照能力[25]，同時還可以在固溶強化、彌散強化以及變形強化等新型鎢材料的制備技術(shù)方面[26–29]繼續(xù)深入研發(fā)，提升鎢的綜合性能，以緩解或消除鎢材料的輻照脆化、開裂、腐蝕等問題，滿足其長期服役要求。

我國散裂中子源裝置的建設(shè)與運行，將拓展中子科學在技術(shù)創(chuàng)新中的作用，提升我國在材料、化學等領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究能力。我國作為鎢資源的大國，通過不斷的技術(shù)創(chuàng)新，在難熔金屬方面深耕細作，突破各項技術(shù)難題，為國家大科學裝置和國際同類設(shè)備的運行做出更大的貢獻。

參考文獻:

[1] 張杰.中國散裂中子源（CSNS）：多學科應(yīng)用的大科學平臺.中國科學院院刊，2006(5)：415

[2] 陳延偉.中國散裂中子源（CSNS）.中國科學院院刊，2011，26(6)：726

[3] 王芳衛(wèi).中國散裂中子源.科學，2014，66(4)：16

[4] 程賀，張瑋，王芳衛(wèi)，等.中國散裂中子源的多學科應(yīng)用.物理，2019，48(11)：701

[5] 魏少紅，張銳強，史英麗，等.中國散裂中子源靶體研制.原子能科學技術(shù)，2019，53(12)：2441

[6] 唐靖宇.白光中子源及其多學科應(yīng)用.中國基礎(chǔ)科學，2020，22(4)：22

[7] 劉鳳，羅廣南，李強，等.鎢在核聚變反應(yīng)堆中的應(yīng)用研究，中國鎢業(yè)，2017，32(2)：41

[8] 趙乙欏，雷鳴，張旭，等.聚變反應(yīng)堆鎢基等離子體材料研究進展.稀有金屬材料與工程，2021，50(9)：3399

[9] Xu Y, Xie C Y, Qin S G, et al. Preliminary R&D on flat-type W/Cu plasma-facing materials and components for Experimental Advanced Superconducting Tokamak. Phys Scr, 2014, T159: Art No. 014008

[10] Li Q, Qin S G, Wang W J, et al. Manufacturing and testing of W/Cu mono-block small scale mock-up for EAST by HIP and HRP technologies. Fusion Eng Des, 2013, 88(9/10): 1808

[11] Li Q, Chen H, Qi P, et al, Modeling of heat deposition on the W/Cu movable limiter in HT-7. Fusion Eng Des, 2010, 85(1): 126

[12] Luo G N, Li Q, Chen J M, et al, Overview of R&D on plasma-facing materials and components in China. Fusion Sci Technol, 2012, 62(1): 9

[13] Luo G N, Li Q, Liu M, et al. Coating materials for fusion application in China. J Nucl Mater, 2011, 417(1/2/3):1257

[14] Kawai M, Kikuchi K, Kurishita H, et al. Fabrication of a tantalum-clad tungsten target for KENS. J Nucl Mater, 2001, 296(1/2/3):312

[15] Mach J, Johns K, Gorti S, et al. Fatigue analysis of the Spallation Neutron Source 2 MW target design. Nucl Instrum Meth A, 2021, 1010: Art No.165481

[16] Hao J H, Chen Q, Xu Y C, et al. Target thickness optimization design of a spallation neutron source target cooling system. Appl Therm Eng, 2013, 61(2):641

[17] 郝俊紅，陳群，許云超，等.散裂中子源靶體散熱系統(tǒng)的流場優(yōu)化設(shè)計.中國科學：技術(shù)科學，2013，43(6)：699

[18] 郝俊紅，陳群，陸友蓮，等.散裂中子源靶體系統(tǒng)的散熱設(shè)計.工程熱物理學報，2013，34(8)：1515

[19] 李繼紅，馮光，倪曉曄，等.中國散裂中子源關(guān)鍵設(shè)備安裝技術(shù)探討.機電工程技術(shù)，2020，49(2)：179

[20] 賈成廠, 周武平，等。鎢：熔點最高的稀有金屬. 金屬世界, 2012(6): 11

[21] 魏少紅，紀全，張銳強，等.熱等靜壓對鎢基體表面等離子噴涂鉭層組織及性能的影響.材料保護，2013，46(11)：6

[22] 梁天驕，紀全，魏少紅，等.一種散裂中子源用的粒子束影像涂層及其制備方法：中國，201510185400.9. 2018-04-16

[23] 李天富，武梅梅，焦學勝，等.中國先進研究堆中子科學平臺發(fā)展現(xiàn)狀及展望.原子核物理評論，2020，37(3)：364

[24] 孫凱，李天富，陳東風.中子散射及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用.原子能科學技術(shù)，2020，54(S1)：35

[25] 劉鳳，李強，王萬景，等.超細晶/納米晶鎢：未來聚變堆面向等離子體材料.材料導(dǎo)報，2011，25(19)：43

[26] Zhao S X, Liu F, Qin S G, et al. Preliminary results of W fiber reinforced W (Wf/W) composites fabricated with powder metallurgy. Fusion Sci Technol,2013, 64(2): 225

[27] 朱玲旭，郭雙全，張宇，等.新型鎢基面向等離子體材料的研究進展.材料導(dǎo)報，2011，25(15)：42

[28] 朱玲旭，燕青芝，郎少庭，等.鎢基面向等離子體材料的研究進展.中國有色金屬學報，2012，22(12)：3522

[29] 劉豪，龍海川，鄭鵬飛，等.基于彌散強化鎢基面向等離子體材料研究進展.表面技術(shù)，2022，51(8)：168

作者簡介：牛曼（1983—），女，碩士，工程師，長期從事難熔金屬在核電、半導(dǎo)體領(lǐng)域的產(chǎn)品和市場開發(fā)。

通信地址：北京市海淀區(qū)永豐基地永澄北路10號C區(qū)；E-mail：niuman@atmcn.com。

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