2024年，中国面向全球开放12个核科研设施和实验平台。这些设施涵盖核基础科研材料与部件、辐照测试、反应堆热工水力、核环境模拟、核设备测试、放射性废物处理处置以及核聚变实验研究等诸多前沿领域。
其中，中国原子能科学研究院建设的中国先进研究堆CARR格外引人注目，它作为核科学实验和中子研究的关键平台，技术指标位居世界同类研究堆前列，如今更是以开放之姿拥抱全球科研人员。
那么，研究型核反应堆究竟是什么？为何要向全世界开放？它又能助力我们开展哪些神奇的科学实验？未来前景又如何？本文，让我们一同揭开研究型核反应堆的神秘面纱。
研究型核反应堆：原理大揭秘
一提到核反应堆，很多人脑海中立刻浮现出原子弹或核电站的身影，同时伴随着对核辐射的恐惧。事实上，核反应堆最初建造的主要目的确实与原子弹相关，是为了在可控核反应条件下研究制造原子弹的关键参数。后来，人们发现核反应堆释放的能量还能用于发电，核电站便应运而生。
这里所说的核反应堆，指的是核裂变链式反应的裂变堆。当中子轰击重原子核，如铀235，原子核会发生裂变，变成更小的原子核，同时释放出更多中子，继续轰击其他原子核，引发持续的链式反应。
早在20世纪50年代，科学家们就发现，核反应堆除了用于研究核反应和核辐照，其产生的中子还能作为探测媒介，用于研究物质的结构和内部相互作用，这便是中子散射技术。用于核科学和中子散射研究的裂变堆，就是研究型核反应堆，它与核电站反应堆最大的区别在于，主要目的是产生尽可能多的中子。
研究型反应堆大多为重水堆，内部结构并不复杂，主要由反应堆堆芯和各种中子孔道组成。堆芯以铀235为主的燃料棒，当燃料棒堆积到一定密度，就会自主临界，发生持续的链式反应，不断释放中子。
整个堆芯浸泡在重水中，高能中子与氘原子碰撞，速度减慢，成为不同能量段的中子，最终从中子孔道引出。为进一步让中子慢下来，大部分研究堆还设有中子慢化器，里面灌满低温液氢，使中子减速，并通过导管通向导管大厅。
所以，一个研究型反应堆的主体结构包括核反应堆自身、环绕的实验大厅以及提供更低能量段中子的导管大厅，每一处都设有众多实验站，用于开展各类科学实验，本质上就是一个面向全球开放的实验平台。
目前，德国的FRM Ⅱ、法国的ILL、美国的HIFR、澳大利亚的OPAL以及日本的JRR-3等研究堆都已开放并运行。
研究型反应堆的功能
研究型反应堆的功能十分强大，首先体现在核物理和核化学研究方面。
例如，它可以研究原子核裂变过程中核燃料物性的变化，以及高能中子轰击原子核发生的物理过程。同时，利用中子辐照能够活化物质或制造核同位素。有些核同位素是靶向治疗药物的必需品，但天然放射性材料中含量极低，借助研究堆可实现批量生产，大幅降低药物成本。
常用的原子弹原料钚239，就是在核反应堆中让铀238吸收中子获得的。中子辐照还能使物质内部产生特定缺陷，提高材料性能，比如提升超导带材的载流能力。
研究型反应堆的另一重要功能是中子散射及中子照相。中子不带电但具有磁矩，透视能力强，能直达原子核，与原子相互作用，可作为强大的探针研究物质内部结构和微观相互作用。
借助中子散射技术，能分析材料内部原子及其基团的排布方式。以锂离子电池为例，材料结构和锂分布的变化对其性能起决定性作用，利用中子衍射可精确测定相关参数，实时监测电池使用过程中的变化。
中子的准弹性散射技术可研究生物大分子、介孔材料、金属合金等的结构和动力学过程，中子衍射技术可研究薄膜材料的结构与磁性。而且，中子穿透性极强，能兼容低温、高压、磁场、电场等各种样本环境。
借助中子照相技术，可将复杂大构件一览无余，实时监测生命体中水的分布，甚至用于文物或化石的考古研究。比如，服役已久的飞机涡轮叶片、航母甲板、高铁车轮等，因内部残余应力等因素易产生微小损伤，积累到一定程度可能引发灾难性后果。
基于伽马射线的金属探伤能力有限，而借助中子照相技术结合应力探测，则可轻松解决这一难题。
中国先进研究堆
中国先进研究堆是一座高性能、多用途、高安全性的研究堆，设计满功率60兆瓦，最大中子通量等性能指标位居世界前列。
在反应堆大厅，建设有同位素分离实验站、高分辨和高强度粉末衍射仪、残余、织构和四圆衍射仪，以及多台热中子散射谱仪。
在导管大厅，建设有多台冷中子粉末衍射和非弹性散射谱仪，以及中子造价和多功能工业应用谱仪等。在实验过程中，大家无需担心核辐射问题，按照要求，实验大厅辐射剂量在0.6微西弗以下，连续工作1400天才相当于做一次CT检查。
目前，中国先进研究堆已面向国内50余家科研院所开放共建实验，近期更是开始面向全世界征集用户实验。
相信在未来，中国先进研究堆将凭借其卓越性能，产出丰硕研究成果，为全球科研事业发展贡献强大力量，在国际核科研舞台上绽放更加耀眼的光芒。让我们共同期待它创造更多奇迹！
【文本来源@科普中国的视频内容】
