2020年7月，美国能源部（DOE）基础能源科学咨询委员会（BESAC）发布了一篇报告，题为“美国国内基于高性能反应堆研究设施的科学依据”。报告分为四个部分：①中子相关的科学；②高浓铀（HEU）向低浓铀（LEU）的转换；③美国主要中子设施的现状和未来计划；④国际中子设施。

    1、中子相关的科学

    该报告描述了可产生稳定高通量中子的研究堆，其对各种重要的科学和工业研究非常有利，且必不可少。中子散射是基础材料研究的基本工具，其作为研究材料的原子和磁结构及其行为的手段一直非常有用。在固态材料中，中子对电池材料的两个关键成分氢和锂特别敏感，这使得中子探针成为研究先进电池纳米结构和性能必不可少的工具。中子束在研究其他多种材料方面同样有用，例如：太阳能电池用的更先进、高效的光伏材料，电网规模储能系统中可将热量转化为电能的热电材料，量子信息科学领域的新型系统以及确定高温超导材料的性能。中子散射在生物和软材料（例如聚合物和薄膜）中起着无可替代的探针作用，可研究蛋白质等分子结构和生物分子组织以及未来生物和非生物界面等。极化中子还可以解析复杂的自旋结构，这对于理解单晶和纳米结构材料中的磁性非常重要，这些领域将有可能导致未来的技术突破。

    中子散射的工业应用也很广泛，例如：可穿透致密材料和复杂系统以直接观察正在运行的内燃机或燃料电池中的水流，可探测有机或软聚合物材料以优化油漆、涂料、纺织物柔顺剂和粘合剂，可了解药物制剂对稳定性和保质期的影响以优化药物的加工和配方，可了解非传统石油资源的组成和分子结构以提高采收率和确定含气页岩岩层的性质，可用于测量汽车业焊接中的应力以及开发新型反应堆燃料等。

    反应堆和散裂中子源是中子和中微子的独特来源，两者在基础科学中都发挥着关键作用。科学家利用反应堆和散裂中子源能够研究原子核结构、寻找新的物质形式以及探索决定物理学基本定律和宇宙演变的对称性。

    绝大多数放射性同位素是通过在核反应堆中用中子辐照材料产生的。放射性同位素在医学、工业和研究中有着广泛的应用，为社会带来了巨大好处，从扩大我们对周围世界的了解到通过医疗诊断和治疗改善数百万人的生活。

    2、 HEU向U LEU的转换

    1978 年以来，美国政府与国内外的民用研究堆和医用同位素生产设施进行了合作，以最大程度地减少或尽可能消除世界范围内的武器用核材料。这项工作已成功将 71 座反应堆从 HEU燃料转换为LEU燃料，另外还关闭了31座反应堆。低浓化转换的一个问题是需要增加反应堆中LEU燃料的体积以保持其高通量能力。正在进行的研究已经确定并测试了一种基于铀-硅化合物的燃料，相关内容可参考 2020年第8期《核科技动态》中的文章“美国高性能研究堆的低浓化进程”。

    3、美国主要中子设施的现状和未来计划

    本章介绍了美国橡树岭国家实验室（ORNL）的高通量同位素反应堆（HFIR）和散裂中子源（SNS）以及美国国家标准与技术研究院（NIST）的中子研究中心（NCNR）三座中子设施的现状和未来计划。

    3.1 HFIR

    1958 年确定了需要高通量反应堆来支持铀同位素研发之后，1961年启动了HFIR的建造，并于1965年实现首次临界，随后在 1966年8月达到了100MW 的全设计功率。HFIR 可产生全世界最高的稳定热中子通量（2.5×1015 n/cm 2•s），以供中子散射、同位素生产、材料辐照、中子活化以及核物理等领域使用。表1列出了2017年度HFIR设施的实验、用户和发表文章情况。

     在过去的20年中，HFIR 进行了大幅度的翻新和升级，几乎所有主要部件都已更换，许多部件计划在2024年再一次更换反射器时进行更换。自1995年以来，这种延寿策略提高了 HFIR的可靠性，并提高了其运行时间表的可预测性，使其能够支持ORNL 的中子散射科学计划。自2007年以来，其可预测性超过92％，2019财年的可预测性为98.5％。ORNL 已经制定了HFIR压力容器的暂定更换计划，使HFIR 能够延寿至2040年以后。

    3.2 SNS

    SNS的第一靶站是第三代中子源，可产生世界上最亮的脉冲中子束，能够为物理学、化学、材料科学和生物学等广泛学科提供研究能力。SNS当前共配备了19种用户仪器，正在考虑的还有5种。SNS改变了美国中子科学的格局，撼动了欧洲在中子散射研究领域的地位。自 2006年SNS 的第一靶站建成之后，SNS的用户数量、运行时间和发表文章数量均逐年增加。例如，2018财年有644个单独用户，2019财年有780个单独用户。2019财年，与SNS和HFIR 设施相关的科学出版物约650种，其中467种是基于仪器的出版物。

    SNS 目前正在进行质子功率升级，计划于2024年完成，升级后其功率将提高一倍，达到2.8MW。此次升级目的是向第一靶站提供2MW的质子束，以显著提高热中子亮度，使其能够进行更快速的实验以及时间分辨中子光谱实验。升级之后的第一靶站将可与日本散裂中子源（J-PARC）和欧洲散裂源（ESS，目前已完成 68％，预计将在2023年启动用户计划）竞争。SNS的第二靶站正处于详细设计阶段，很快将启动建造。第二靶站的脉冲频率为15 Hz，可提供世界上峰值亮度最高的冷中子，并将使量子和生物材料的动力学过程研究和时间分辨测量成为可能。SNS和HFIR的升级和扩建将确保美国在中子源方面的领导地位。

    3.3 NCNR

    NCNR是一座运行着世界级中子研究设施的国家用户设施，其研究设施集中建造在国家标准反应堆（NBSR）周围。NBSR是一座采用重水冷却和慢化的稳态研究堆，其功率为 20 MW，并于1969年首次进行调试。2019年度，NCNR为来自50 家美国公司的科学家提供了服务，基于 NCNR发表的文章达到300多篇。

    短期内，NIST将继续致力于升级NBSR和中子散射设施。目前正在进行的一项重大改进是设计、建造和安装新的液态氘冷中子源，并对反应堆进行低浓化转换。从长远来看，将需要建造一座新的反应堆来替换 NBSR。目前已经启动了一个项目，以探索和确定LEU反应堆中冷中子性能最佳的设计可能性。

    4、国际中子设施

    4.1欧洲劳厄- -朗之万研究所

    欧洲劳厄-朗之万研究所（ILL）位于法国格勒诺布尔，紧邻欧洲同步辐射光源（ESRF），其运营资金主要由包括发起国（法国、德国和英国）在内的欧洲国家财团提供。ILL内高通量核反应堆的热功率为58.3 MWt，中子通量为 1.5×1015 n/cm 2•s，安装了大约40台仪器，每年以四个50 天的周期运行。ILL 目前拥有约 520名员工，其中包括约75名仪器科学家。ILL 的大多数科学仪器都是由科研人员操作，科研人员分为四个科学组：衍射、大型结构、光谱学以及核与粒子物理组。ILL于1972年开始运行，并在 1993～1995 年间更换了反应堆容器，之后又实施了几次升级计划：“千年计划”（2000～2018年），资助 8 500 万欧元用于更换中子导管系统、添加 7 台新仪器和升级 25 台仪器；“整修计划”（2002～2007 年），改善安全性和抗震性； “耐力计划”第一阶段（2016～2019 年），资助 2 200万欧元用于升级14台仪器以及样品环境和数据采集软件。目前，ILL 正在实施“耐力计划”的第二阶段（2019～2023 年），将资助 4 000 万欧元用于 10 个升级项目。

    4.2德国  FRM II

    FRM-II 位于德国慕尼黑工业大学（TUM）校园内，由 TUM负责运营，其运营资金由德国巴伐利亚州科学部和德国联邦教育与研究部（BMBF）提供。FRM-II 的热功率为 20 MWt，中子通量为 8×1014 n/cm 2 •s，安装了大约 28 台仪器。FRM-II 目前拥有约 400 名员工，其中包括约 130 名科学家。外部用户系统可使用 70%的束流时间，剩余 30%的束流时间由仪器操作员专用。

    目前，FRM-II 已建成第二个配有 5 种仪器的实验大厅，正在等待国家的安全许可。第三个实验大厅的建造计划已经进行了讨论，但尚未获得资金用于概念设计。

    4.3法国JHR

    JHR 位于法国原子能与可替代能源委员会（CEA）在卡达拉奇的场址中，是一座在建的热功率为 100 MWt 的材料试验堆，计划在这个十年结束前进行调试。JHR 项目由 CEA 牵头，国际财团通过资助该项目来获得使用该设施进行材料测试的机会。JHR可提供 5.5×1014 n/cm 2 •s 的快中子通量，每年能提供的材料辐照损伤高达 16 dpa/y（HFIR 为 10 dpa/y）。

    JHR 的堆芯设计使其能够容纳多达 20 个同时进行的实验，许多实验都能达到高度仪器化。JHR 具有对加压燃料棒进行堆内在线裂变气体分析的能力，还能生产一系列医用和工业同位素。

    4.4比利时BR2

    BR2 是一座轻水冷却、铍慢化的材料试验堆，于 1963 年 1月首次运行，其最大热功率为100 MWt，可提供高达1×1015 n/cm 2 •s的热中子通量。BR2 用于模拟其他反应堆环境进行燃料和材料测试，如轻水堆、气冷堆或钠冷快堆以及聚变堆环境。BR2 还用于研究高中子通量下材料的加速老化以及事故工况下下材料的行为。此外，BR2 还可生产各种各样的医用和工业放射性同位素，并拥有全球最大的 Mo-99 生产能力。虽然 BR2 在满足世界对这些同位素的需求方面起着关键作用，但它无法提供 HFIR 生产的几种关键同位素。例如，在生产 Re-188（最常用核医学显像剂Tc-99m 的治疗类似物）的发生器 W-188 时，BR2 生产 W-188 的最大比活度约为 1 Ci/g，而 HFIR 生产 W-188 的最大比活度约为100 Ci/g。若要使这种有希望的同位素从研究走向临床应用，则要求研究堆生产同位素的比活动更高。

    BR2 有一个积极的翻新计划，希望翻新后能够运行至 2026年，并计划继续运行至 2036 年。之后如果还想继续保持运行，这就得取决于其压力容器的使用寿命。