【基金标书】2010CB833100-中国先进研究堆中子束应用关键技术及若干科学问题.doc

项目名称:
中国先进研究堆中子束应用关键技术及若干科学问题
首席科学家:
陈东风中国原子能科学研究院
起止年限:
2010年1月-2014年8月
依托部门:
中国核工业集团公司
一、研究内容
研究内容分为平台建设和应用基础研究两个方面。其中平台建设包括:反应堆中子束优化及特殊样品环境研究、中子应力三维无损深度测量技术研究、中子在物质中的衰减与中子成像研究三个部分。应用基础研究包括:单晶和多晶新材料的中子衍射研究、磁性材料的中子散射研究、强关联体系中原子与自旋动态的中子散射研究三个部分。平台建设为应用基础提供条件,而应用基础研究将验证平台建设的成效,并推动平台建设的进一步发展。二者相辅相成,相互促进。
平台建设:
反应堆中子束优化及特殊样品环境研究。在反应堆功率不改变的前提下,自主研发中子光学关键部件,以进一步提高中子散射谱仪的效率,建立国内第一个中子光学组件的研发平台。在CARR中子散射谱仪已有或在建的压力或温度等单一可调参数样品环境的基础上,重点研发压力、温度、湿度、化学环境等参数之同时可调的多可调参数集成样品环境。并运用所研制的集成样品环境,对储氢、负热膨胀等材料在不同温度、压力和化学环境下的结构进行实时原位表征。针对CARR等高粒子通量研究平台所必然面对的大量数据处理问题,研究智能化自动化的数据采集及分析方法,并开发相应的软、硬件系统,以期使数据处理过程对使用者经验的强依赖性得到根本性的改变。针对以纳米晶材料为代表的非随机缺陷材料的结构表征,基于所提出的“梯度对称性”概念,通过理论结构模型与中子衍射实验数据的相互验证和补充,开展以纳米晶材料为典型代表的非随机缺陷材料的晶体结构分析系统的理论与实验研究。
中子应力三维无损深度测量技术研究。解决材料科学与工程实践中的应力分布测试的关键技术问题,为工程材料的设计提供中子束测量实验数据。利用中子应力测量技术,建立三维无损深度的原位测量环境和方法。通过应力分析,改进航天、航空、核工业关键工程部件的焊接、喷丸、滚压等加工工艺,解决部件质量、安全和寿命问题。主要内容有研究中子应力三维无损深度测量技术及有限元模拟方法;研究材料内部宏观、微观应力与工程部件使用过程中材料损伤的相关联性,准确预估服役安全及使用寿命;通过快中子增殖堆包壳材料、堆芯材料和蒸气发生器传热管材料的应力分析,
直接服务于核电工业等领域的材料设计,为材料的设计、加工和处理工艺提供指导;建立中子残余应力谱仪拉伸、压缩和控温等测量环境;完善有效的测量数据的分析处理方法。
中子在物质中的衰减与中子成像研究。通过适当的研究手段和对象,在方法学方面进行新的创新和探索。主要内容包括:1)核反应堆燃料元件的中子成像检测方法研究。由于使用过的核燃料棒含有锕系元素等裂变产物,有放射性,需发展辐射环境下有效可靠的中子成像方法。利用典型试样建立检测核燃料元件结构的完整性与缺陷、燃料颗粒的分布、是否存在有害的中子吸收剂、热堆锆合金包壳表面的氢分布及浓度、快堆不锈钢包壳与水冷管的缺陷和腐蚀情况等的实验方法,为核燃料元件的检测打下基础。2)快速实时成像技术与两相流的中子成像研究。借助于快速实时中子成像技术可实现两相流流形的可视化,并可测量其空洞比例、相间相对速度、界面浓度、连续相的速度场和湍流强度等关键参数。本研究将发展每秒1000帧级的快速实时成像技术,研究降低辐射噪声、统计涨落噪声、读出噪声和像增强器噪声的方法,并建立两相流实验装置,研究两相流参数的定量测量方法,开展典型两相流的实验研究。3)先进材料中子成像无损检测的原理和方法研究。先进材料指在航天、航空、核工业及先进制造业中使用的新型复合材料、结构材料、含能材料等,中子成像可用于检测储氢材料中氢的分布、飞机发动机叶片冷却通道内的铸造型芯残留、机翼蜂巢结构的缺陷及腐蚀情况、用于核废料处理的硼合金不锈钢的缺陷等等。本研究将探索典型材料中孔隙、裂缝、夹层、脱胶、含氢、密度不均匀等各种缺陷的成像规律,提高缺陷的探测灵敏度和判定能力。4)非平行束情况下进行中子断层成像图像重建的理论、方法与技术研究。目前国际上的中子断层成像一般采用成熟的平行束算法,但在有些实际情况下中子束在穿透样品的过程中对于理想平行束会有一定偏离,从而引起图像重建的质量下降。本项目将对非平行束情况下中子断层成像图像重建进行研究,以提高中子断层成像的图像质量。5)利用编码中子源进行中子相衬成像的研究。中子相衬成像具有边缘增强效应,但通常采用的针孔法中子相衬成像的成像效果受到中子注量率过低的限制。编码中子源由按一定规则排列的大量针孔组成,可大大提高可用的中子注量率。将编码中子源用于中子相衬成像是我们在国际上首次提出的设想,为此需研究相应的理论、方法与技术,并将其付诸实施。

应用基础研究:
单晶和