超级显微镜:中国散裂中子源:散裂中子源是什么?

admin2021-12-02艺术61

迷彩虎军事为您回答。其实就在2018年03月25日,中国东莞,历时6年技术攻关,耗费23亿元的散裂中子源计划在此处正式落成,如果觉得这个称呼不够直观的话,我们也可以叫它“超级显微镜”,可别小看它,就这么个装置,放眼全球,除了中国,具备制造能力的也不过美英日三国而已。

我们熟知的宏观世界是由无以计数的微观粒子所构成,即通常说的微观世界,透过研究微观粒子,人类将会看透这个世界的本质,因此它的研究意义非常重大,那么这个过程的实现需要并且必要用到的工具就是“超级显微镜”了。

散裂中子源是什么?

在此之前,中国在脉冲种子研究上长期处于发展停滞的阶段,换句话说,几乎就是空白,为了掌握这个世界的“密码”,中国散裂中子源计划于2011年9月开启,其后至2014年10月,计划进入安装阶段。

随后的事情我们都知道了,今年03月,中国第一台散裂中子源正式安装完毕,并已经开始投入研究工作,同时,按照国际惯例,这一整套设备也会面向用户免费开放,这批用户甚至包括美国,日本等研究团队。

散裂中子源是什么?

这又是为什么呢?原来,这主要是出于两个方面的考虑,首先,散裂中子源安装工程虽然说已经安装完毕了,但并不代表它是完美无缺的,鉴于美日等国在此领域有着更丰富的经验,通过他们的使用,我们可以更有效率地发现并排除问题。

而另一方面,便是向环球诸国彰显我国的先进技术,虽然我们起步晚,但并不代表中国会一直落后,现在,中国有了属于自己的脉冲中子技术,人类今后向未来的探究,必将会有中国的一份力量,中国,加油!

超级显微镜:中国散裂中子源:散裂中子源有什么用途?这种装置安全吗?

散裂中子源有什么用途?这种装置安全吗?

(建设中的欧洲散裂中子源,位于瑞典隆德)

2018年8月25日,位于广东东莞的中国散裂中子源通过了国家验收,从而让中国成为继英美日之后第四个拥有这种中子设备的国家。散裂中子源由中科院的高能物理研究所、物理研究所与广东省合作共建,也打破了广东省缺乏大科学装备的窘况。建设过程中一波三折的中国散裂中子源,将成为粤港澳大湾区第一个高能物理的大科学装备。

顾名思义,散裂中子源(Spallation Neutron Source)是创造高速的中子束的设备,它通过被加速的高能质子轰击钨或铀这样的重元素靶,让对方的原子核中的中子被激发出来,形成中子束。这样的设备首先可以用于研究微观物质结构,尤其是构成原子核的中子的各种运动。它是高能物理研究的重要组成部分。与电子加速器(如正负电子对撞机)不同的是,散裂中子源更加聚焦在观测中子形态。

而重要的是,散裂中子源可以立刻获得很广泛的应用科研和工业研究中。散裂中子源被轰击后形成的中子束随后被导入到实验站中,可以进行各种观测物质性能的实验。比如观测超导结构形成过程中的变化,观察分子结构,观测高分子材料的用途等,由于中子是不带电的,这就意味着散裂中子源在研究中可以较小地影响被研究对象,从而获得更加精确的研究结果。正因为散裂中子源的广泛应用,欧盟也在进行积极的建设。由欧洲17国合作建设的比现有散裂中子源能级更高的欧洲散裂中子源,预计将于2025年完工。

散裂中子源有什么用途?这种装置安全吗?

(散裂中子源中质子加速并最终轰击靶标的示意图)

超级显微镜:中国散裂中子源:核裂变是如何让中子准确撞击原子核的?

先让结论,在核裂变时,我们不需要让中子准确地撞击原子核,我们只需要让裂变材料的质量达到临界质量,我们就可以让核裂变的链式反应延续下去。

下面,让我们从头来进行比较详细的解释。

什么是核裂变呢?核裂变是一种链式反应,在核电站或者原子弹中,以铀235作为裂变材料。下面是裂变反应中的方程式。

核裂变是如何让中子准确撞击原子核的?

即使用一个中子撞击一个铀235原子,得到一个钡原子,一个氪原子和3个中子;而3个中子又会继续撞击周围的铀235,形成链式反应。

核裂变是如何让中子准确撞击原子核的?

在核裂变反应中,会发生质量亏损,而亏损的质量,则会变成能量释放。原子弹就是在铀235雪崩一般的核裂变中释放出巨大能量的。

核裂变是如何让中子准确撞击原子核的?

爱因斯坦用著名的质能方程刻画了这个释放能量的过程。

核裂变是如何让中子准确撞击原子核的?

其中,m为亏损的质量,c为光速,E就是释放的能量。1kg的铀235,释放的能量,相当于10吨TNT炸药爆炸的能量。

那我们怎么样才能让核裂变链式反应的第一个反应开始呢?这里会有一个叫做“临界质量”的概念。

这个概念在教科书的解释是,维持核子连锁反应所需的裂变材料质量,不同的可裂变材料,受核子的性质、物理性质、物料型状、纯度、是否被中子反射物料包围、是否有中子吸收物料等等因素影响,而会有不同的临界质量。

简单来说,就是想要铀235核裂变发生,对铀235的质量、浓度和体积是有要求的,需要达到某一个值。

核裂变是如何让中子准确撞击原子核的?

我们以原子弹为例,上图为原子弹的示意图。

在原子弹爆炸前,中子源位于原子弹的中央,而裂变材料铀235则分布在中子源的附近。其中每一块铀235,都未达到临界质量。

当引爆时,原子弹内部的炸药首先爆炸,产生的推力,会将每一块铀235推向弹体中央,使铀235聚集超过临界质量。这时,只要有哪怕一个中子撞击,就会引发链式反应,产生巨大的破坏能量。

在核电站中,工程师们使用了石墨降低中子的速度,控制棒来控制反应的快慢,使裂变在可控的情况下缓慢进行。

以上就是如何让中子撞击铀原子核的解释,若有疑问,可以在评论区一起讨论。

喜欢天文地理生物等科学的同学,可以关注我,球球大百科

发表评论

访客

◎欢迎参与讨论,请在这里发表您的看法和观点。