極端條件下輻射與物質相互作用(MaRIE)研究裝置概況

焦曉靜，馬 鋒，馮寒亮

(西北核技術研究所，陜西西安710024)

極端條件下輻射與物質相互作用(MaRIE)研究裝置概況

焦曉靜，馬 鋒，馮寒亮

(西北核技術研究所，陜西西安710024)

極端條件下的輻射與物質相互作用實驗裝置，是洛斯·阿拉莫斯國家實驗室針對美國核武器庫存維護計劃需要，正在建設的旗艦級實驗裝置，其主要任務是促進對核武器相關材料的鑒定、認證和評估。本文從建設目的、組成部分和發展規劃等方面簡述了該裝置的概況，并結合美國核庫存維護目前面臨的挑戰，分析了該裝置的建設對美國核庫存維護的重要意義。

輻射；核武器；材料；MaRIE

洛斯·阿拉莫斯國家實驗室在美國的核材料研究領域多年來一直處于領先地位。實驗室研究人員指出，與材料相關的問題與挑戰幾乎無處不在，特別是，亟須可在各種極端環境下能以穩定狀態工作的材料。目前在核武器、核動力堆和先進能源系統中使用的一些復雜材料，通常僅發揮了其固有功能的很小一部分[1]。在認識材料失效機理、提升材料性能與壽命(以滿足特定任務需求)方面，研究人員還缺少必要的預測知識與能力，因此必須加強材料研究相關能力的建設。

極端條件下的輻射與物質相互作用(Matter-Radiation Interactions in Extremes，MaRIE)實驗裝置，是美國洛斯·阿拉莫斯國家實驗室根據核庫存維護計劃的需要，在其第53技術區(TA-53)正在建設的旗艦級實驗裝置，主要用于介觀尺度材料研究，其目標任務是促進對核武器相關材料的鑒定、認證和評估[2]。該裝置將綜合運用多種成像診斷方法(質子、光子、中子)，進行各種極端溫度、壓力和輻射條件下的材料原位表征，實現對材料狀態和相變的實時測量，用于研發可耐受各種極端環境的新型材料，并提高對材料性能的預測能力，為新型核系統的認證提供支持。

MaRIE裝置建成后，將作為國家用戶裝置對外開放，供美國其他科學研究機構共同使用[1]。借助利用MaRIE裝置所獲得的對極端條件下材料性能的認知，將有望使美國更好地應對許多重大的國家安全與能源安全挑戰，如建設更可靠的核庫存、發展更高效的清潔能源技術等。就美國核庫存維護而言，MaRIE裝置將填補核庫存維護實驗裝置在介觀尺度材料研究方面的空白，促進新型材料的快速發展，推動對核武器庫存狀況的了解和對核彈頭的延壽，為先進制造技術、次臨界實驗、钚材料戰略、艾級計算(計算機浮點運算能力達百萬萬億(1018)次)等的發展提供支持[3]。

1 MaRIE裝置的組成部分

針對使材料在極端環境下達到良好性能這一目標，MaRIE裝置將建立所需的綜合實驗能力，其中規劃建設的三個主要實驗區分別為：材料制備、測試與建模設施(M4設施)、多探針測試診斷間(MPDH)以及裂變與聚變材料設施(F3設施)，見圖 1[4]。M4設施將提供一流的材料合成與表征能力，MPDH測試診斷間將提供動態極端實驗環境，F3設施將提供材料輻照環境。

圖1 MaRIE裝置總體概貌Fig.1 Aerial view of MaRIE experimental facility

在MaRIE實驗裝置中將使用多種類型的診斷射線束對極端環境下的材料性能進行動態、瞬時的原位測量，這些診斷射線束在各個實驗區的布局設置如表 1所示[5]，從中可以看出，M4設施中將用到X射線和離子束診斷，MPDH測試診斷間將用到X射線、電子束、質子束和激光診斷，F3設施將用到X射線和質子束診斷。

表 1 多種診斷射線束在MaRIE裝置各個實驗區的布置情況

注：1. 50 keV X射線從測試點到探測器的總發散度為7°。 2. 材料制備、測試與建模設施實驗區硬X射線的能量為20～50 keV，軟X射線的能量為0.5～1.5 keV。

1.1 材料制備、測試與建模設施

材料制備、測試與建模設施(Making，Measuring，and Modeling Materials Facility)簡稱M4設施(見圖2[6])，將高效集成多種獨特的材料合成與表征工具，來促使材料的設計與發現從觀察、驗證轉為預測、控制，以研制出多種能在極端環境下更好、更長壽命運行的固態復合材料，同時該設施也可用來研制能在可再生能源和輻射探測領域應用的新一代集成固態材料。

圖 2 材料制備、測試與建模設施Fig.2 Making, Measuring, and Modeling Materials facility

M4設施將基于洛斯·阿拉莫斯國家實驗室的綜合能力構建實驗環境[1]，例如，利用綜合納米技術中心(CINT)進行納米系統研究、利用超級計算能力進行微米尺度的建模、利用Sigma裝置進行大尺度處理、利用钚裝置進行放射性材料研究、利用國家強磁場實驗室的脈沖場裝置構建極端磁場環境、利用Lujan中子散射中心提供基于中子的表征技術，等等。

M4設施的核心是一種“協同設計(co-design)”能力，即將不同尺度上的理論研究與實驗工作相結合的能力。在M4設施中，有一個獨立的可視化中心，可用來對實驗數據和計算結果進行同步分析，向用戶提供對復雜數據的解讀并將數據與預測模擬結果進行對比。在表征實驗室中，利用所構建的可視化平臺，可實現對材料合成與處理方法的實時評估，并可直接進行參數調整以加強對材料樣品的控制。

1.2 多探針測試診斷間

MaRIE裝置多探針測試診斷間(MPDH：Multi-Probe Diagnostic Hall)的設計是為了研究材料在極端動態環境下的性能。MPDH致力于實現介觀尺度上的多類型成像，可為多種應用提供支持，如：極端環境下原位、實時、三維的實驗微結構檢驗、多尺度流體動力學和強電磁場與物質的相互作用等。通過對微結構的動態觀察，有助于實現對材料的控制，從而降低核庫存與先進核能系統的成本、并提高其置信度。

MPDH測試診斷間中的極端環境由以下設施產生：高能炸藥驅動的氣炮與飛片、強磁場與高功率激光器系統。MPDH測試診斷間將同時提供X射線散射成像和帶電粒子成像，對動態極端環境下的輻射與物質相互作用進行時間分辨、空間分辨和光譜分辨測量。X射線、電子束(12 GeV)和質子束(0.8 GeV)在多束閃光照相區域交叉穿過樣品進行診斷(其中質子閃光照相能力由洛斯·阿拉莫斯國家實驗室現有的LANSCE質子加速器提供)，如圖 3所示[7]。

MPDH測試診斷間中的診斷射線束有三個特點[8]：高能量(用于介觀尺度研究和高原子序數材料研究)、高重頻(記錄微結構發展演化過程)、多類型(獲取盡可能多樣的測量數據)。三種診斷射線束的參數如下[8]：

圖 3 多探針測試診斷間中三種診斷射線束示意圖Fig.3 Three probe beams in Multi-Probe Diagnostic Hall

? X射線自由電子激光(XFEL)：42～126 keV(3Ω)；300 ps幀速率，30幀，2×1010光子@50fs/pulse，>0.1m分辨率；

? 電子閃光照相(eRad)：12 GeV，25 ns幀速率，30幀，>1m分辨率，2 nC/pulse；

? 質子閃光照相(pRad)：800 MeV，5～50 ns 幀速率，30幀，20～30m分辨率。

MaRIE裝置介觀尺度實驗的時間、空間分辨率是根據對診斷能力的分析確定的，對診斷能力的具體參數要求如表 2、表 3所示[8]。

表 2 MaRIE裝置在不同應用下的診斷能力要求

表 3 三種診斷射線束對不同樣品的診斷能力

1.3 裂變與聚變材料設施

裂變與聚變材料設施(Fission and Fusion Materials Facility，簡稱F3設施)中集成了獨特散裂中子源驅動的中子輻照環境(與核反應堆內部環境類似)和精密的原位診斷工具，可為材料輻照研究提供所需環境，并以及時、高效的方式最大化地收集樣品在極端輻射環境下的輻照效應數據——包括不同時間尺度和空間尺度的實驗數據；更重要的是，該設施將推動材料輻射損傷研究從輻照后測量向原位診斷發展。

F3設施將以能源部核能辦公室建設的材料試驗臺為基礎，并將現有的1 MW、800 MeV質子加速器的功率提高至2 MW，來實現聚變及其他先進核能系統的輻照條件。此外，F3設施還將使用基于MaRIE裝置光子、質子和電子診斷的一套無損診斷工具，對材料進行4種不同類型的表征[1]：

? 原位測量：對接受輻照的樣品進行原位測量；

? 近原位測量：對接受長時輻照的樣品，暫時將其移出輻照環境，進行近原位測量；

? 離位測量：比近原位測量更加詳細和全面；

? 輻照后測量：利用典型的熱室工具進行樣品測量。

2 MaRIE裝置的發展規劃與建設現狀

2009年，為了討論對極端環境下的材料性能進行預測所涉及的科學挑戰與研究方向，洛斯·阿拉莫斯國家實驗室召集80多家研究機構的225名科學家，主辦了5次研討會。最后一次會議于2009年12月舉辦，主題為“極端條件下材料性能的預測與控制之未來十年挑戰”。此外，洛斯·阿拉莫斯國家實驗室MaRIE裝置研究團隊還進行了一項“首批實驗(First Experiments)”程序，召集了來自10個國家60個機構的170名科研人員，根據“十年挑戰”的內容確定了利用MaRIE裝置可能開展的具體實驗。隨后，通過確定“首批實驗”所需要的裝置功能、評估裝置能力現狀與功能要求之間的差距，最終確定了裝置的參數指標要求。

MaRIE裝置的初步規劃主要有[1]：發展新的12 GeV電子直線加速器及能產生50～100 keV X射線的高強度、低平均功率X射線自由電子激光器(XFEL)——最終確定XFEL的能量指標是42 keV(該指標是綜合權衡了衍射彈性散射的最大化、熱吸收的最小化與钚材料樣品的厚度后確定的[8])，重復頻率為吉赫茲[9]；將LANSCE質子加速器的功率從1 MW提高至2 MW；建造能夠在動態、極端輻射條件下進行多類型射線束原位成像診斷的測試間；建造材料合成、制備與表征綜合設施。

MaRIE裝置的建設是一項成本高、耗時長的系統工程，實現MaRIE裝置的全部功能大約需要花費20億美元。2012年2月，美國國家核安全管理局要求洛斯·阿拉莫斯國家實驗室先完成MaRIE裝置的初級版本，即MaRIE 1.0[10]，主要用來滿足核武器庫存維護的相關需求[11]。MaRIE 1.0的建設重點是將多探針測試診斷間投入運行，在MPDH中，將新建驅動42 keV XFEL的12 GeV電子直線加速器。XFEL是MaRIE 1.0的基石，可滿足MaRIE裝置三個實驗區的光子診斷需求。無論是從XFEL的光子能量來說，還是從脈沖重復頻率來說，MaRIE 1.0在現有的和計劃建設的光源設施中都具有獨特優勢，如圖4所示[12]。

圖4 MaRIE 1.0裝置與其他設施的關鍵功能比較Fig.4 Comparison of key facility functional requirements of MaRIE in multi-pulse repetition rate and photon energy to alternative facilities present or planned

洛斯·阿拉莫斯國家實驗室制定了MaRIE 1.0裝置的發展規劃(見圖5[3])，即：

? 2015財年：前期概念設計與替代方案分析；

? 2016-2021財年：開展相關工作來降低技術風險與項目風險，以確定項目工作內容及成本范圍，并為下一階段項目節點的通過提供支持；

? 2021財年：開始初步工程與設計；

? 2023財年：確定性能基準、完成設計、開始先期采購；

? 2024財年：開始建設；

? 2027財年：先行使用，開始試運行；

? 2030財年：項目完成，開始正式運行。

圖 5 MaRIE 1.0裝置發展規劃Fig.5 The notional timeline for MaRIE 1.0 Project

3 MaRIE裝置的意義

3.1 對材料科學研究的意義

目前，材料學研究主要集中在納米(1 nm=10-9m) 材料研究，即在原子或分子尺度研究材料的性質，在這一尺度上，量子力學效應主導著材料的行為，此時材料會表現出一些特殊性能。但要理解和利用材料行為，還需要對微米(1m =10-6m)尺度的材料科學開展研究，微米尺度材料科學研究，就是要對材料固有的和人為導致的缺陷、界面與非均質性進行研究，介于在原子尺度上理解材料性能和在塊體尺度(宏觀尺度)上驗證材料性能之間(見圖6[1])。材料在微米尺度上的特性即為通常所指的材料微結構，加深對材料微結構的理解能促進對材料功能的進一步發展。無論是從實驗上還是從理論上來說，微米尺度對先進材料研究都至關重要，但卻是目前研究得最少的領域。

圖 6 介于原子尺度和宏觀尺度之間的介觀尺度Fig.6 Mesoscale lying between atomic-scale and macroscale

當前美國的國家安全科學挑戰要求對材料進行精細測試，以材料為中心的國家安全科學的核心是“控制科學”這一重大挑戰。傳統的新型材料發現，往往需要經歷多次反復的合成制備、測試表征與性能改進嘗試，在很大程度上取決于研究人員的經驗、直覺和運氣，具有一定的偶然性。該方法曾取得過顯著成功，但目前出現了可使研究人員在原子尺度上對材料進行處理的新一代合成工具、可實現原位表征的診斷工具以及能預測材料在極端條件下的性質與性能的理論，為新型材料的發現創造了新的機遇。MaRIE裝置的核心能力是同時應用多種原位診斷來實時、高分辨地觀察材料在各種核武器相關極端條件下的瞬時現象。盡管在MaRIE裝置上使用的各項技術，在美國及其他國家的一些現有實驗裝置中都已有了不同程度的應用，但是，目前還沒有哪一種裝置將這些技術集成在一起[13]。在MaRIE裝置建成后，將其實驗數據與各種先進理論、模擬和信息理論工具相結合，將可在單一裝置上首次實現多種射線束對材料微結構與物理性質的快速、完整表征[13]，極大地提升研究人員對極端條件下材料行為的有效認知、預測和控制，促進材料設計與發現方式從傳統的實驗觀察與驗證轉變為理論預測與制備控制，從而大大促進新型材料從概念設計到制備、表征及應用的快速發展。

3.2 對美國核庫存維護的意義

在禁核試條件下，美國對核武庫的認證依賴于建立在歷史試驗數據基礎上的專家判斷和目前正在開展的“庫存維護計劃(SSP)”。庫存維護計劃，就是要發展高保真的、基于物理原理的模擬能力，以在禁核試條件下進行核武器的預測、評估、認證與設計。當前，美國核武庫面臨著四方面的壓力[14]：首先，由于老化和壽命問題，必須進行部件更換和材料替換，彈頭延壽達到了歷史上所從未有過的數量；其次，新《削減戰略武器條約》要求裁減現役庫存彈頭的數量，同時，美國核庫存維護現狀也要求減少非現役核彈頭的數量；第三，為了提高核武器的安全性，要求在整個核武庫中盡可能用鈍感高能炸藥取代傳統高能炸藥；第四，美國核武器的發展方向是使用更多的通用部件和互操作系統，以構建一個更加標準化的核武庫。以上這四個方面的壓力都對核武器性能預測能力提出了更高要求。

研究核武器材料在各種武器條件下的行為是庫存維護計劃中的一個重要部分。在核爆炸過程中，核武器材料處于極端壓力、應變、應變率和溫度環境中，這些極端環境參數往往比正常環境條件高數個量級，材料的相應載荷范圍可能會跨越6個量級甚至更多。在核武器庫存維護計劃中，要發展對核武器性能的預測能力，需要徹底研究影響材料(包括金屬、陶瓷、聚合物、電子元件等各種材料)在環境條件到極端條件下動態行為的基礎物理學。就完整核武器(包括非核部件在內)來說，要理解材料在正常、異常和敵對環境下的響應行為，需要開展包括理論建模、小尺度實驗和大型綜合實驗在內的完整材料科學研究。不過，很難在實驗室中或利用非核爆炸系統營造材料研究所需的極端條件，在某些情況下，必須借助某些大型實驗裝置，如雙軸X光照相流體動力學試驗裝置(DARHT)、國家點火裝置(NIF)和Z脈沖功率裝置等。

目前，由于在對介觀尺度材料行為的基礎理解方面還存在著空白，導致了這方面武器材料模擬能力的欠缺。這造成了對特定材料行為的預測存在不確定性；同時，在材料制造方面，無法判斷處理工藝是如何影響材料微結構直至最終的武器整體性能的；此外，還導致難以有效預測核武器部件的失效。MaRIE裝置的建成，將有望填補美國核庫存維護實驗裝置在介觀尺度材料研究方面的空白，為在雙軸X光照相流體動力學試驗裝置(DARHT)、U1a綜合體進行的綜合實驗研究與在國家點火裝置(NIF)、Z脈沖功率裝置進行的小尺度實驗研究提供補充數據[8]。MaRIE裝置所得到的測量數據，可用于為武器模擬代碼構建新的或改進現有的高保真材料模型，增進對高能炸藥和钚材料在內爆動力機制和初級助爆條件下的材料行為的理解，由此將提高延壽武器性能預測的置信度。MaRIE裝置在核武器庫存管理中的作用主要有兩個[14]，一是通過對動態材料性能的研究，幫助了解核武庫的狀況，二是通過建立“過程感知”制造能力，來幫助延長核彈頭的壽命，如圖 7所示[3]。此外，MaRIE裝置還將有助于現代化美國國家核安全管理局的基礎設施和加強其科學、技術與工程基礎[14]。MaRIE裝置初級版本MaRIE 1.0的任務需求如表 4所示[14]。

圖 7 MaRIE裝置在核武器庫存管理中的作用Fig.7 Function of MaRIE facility in nuclear weapons stockpile management

表 4 MaRIE 1.0的任務需求

4 結束語

MaRIE裝置的建設是一項持續數十年的系統工程，目前已完成前期概念設計與替代方案分析，正在進行初步工程與設計之前的相關技術研發，預計到2030年左右將投入運行。MaRIE裝置建成后，將集成一流的材料合成與表征能力、動態極端環境、材料輻照環境以及先進的診斷能力，突破材料研究在介觀尺度方面的局限，促進新型材料的快速發展，對于美國材料科學研究和核庫存維護都具有重大意義。為了在材料科學研究這一領域跟上一流國家的水平，我國相關機構也應盡快著手開展相關研究。

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OverviewofMatter-radiationInteractionsinExtremes(MaRIE)Facility

JIAOXiao-jing,MAFeng,FENGHan-liang

(Northwest Institute of Nuclear Technology, Xi’an of Shanxi Prov. 710024, China)

According to the requirements of the Stockpile Stewardship Program, the Los Alamos National Laboratory is now building a flagship experiment facility of Matter-Radiation Interactions in Extremes. The mission of this facility is to provide qualification, certification, and assessment of materials in the nuclear deterrent stockpile. In this paper, the purpose, constitution, and development planning of this facility is outlined, and its significant implication to nuclear stockpile stewardship of America is analyzed, which is faced with several severe challenges.

Radiation; Nuclear weapons; Material; MaRIE

2016-12-29

焦曉靜(1980—)，女，河南許昌人，工程師，碩士，現從事核技術及應用科技信息研究方面研究

TJ91+0.4

：A

：0258-0918(2017)04-0628-10