韩国原子能研究院(以下简称“韩原研”)于19日宣布，将于今年3月在韩国境内首次启动铁(Fe)离子束辐照服务，旨在支持核能和核聚变材料的相关研究。
核反应堆和核聚变反应堆在运行过程中会发射高能中子，这些中子会对核燃料包壳、结构材料等关键部件造成不同程度的损伤。因此，对材料损伤程度的研究显得尤为重要。然而，利用研究反应堆或中子发生器进行直接中子辐照试验不仅耗时长，而且成本高昂。为了克服这些局限性，国内外科学家们正在积极探索利用离子的物理性质来模拟中子辐照效应的研究方法。
离子是原子失去或获得电子后形成的带电粒子。通过高温蒸发原子并使用电场加速，可以获得高速运动的离子束。当这些离子束照射到材料上时，可以产生类似于中子辐照损伤的效果，从而为材料损伤研究提供了一种快速、经济的方法。
考虑到重离子在辐照过程中能够更快地造成更大的破坏，韩原研于2019年建造了重离子辐照设施(KAHIF)。自2022年起，该设施已开始提供氩(Ar)、氦(He)等重离子束辐照服务。而此次推出的铁离子束辐照服务，则是针对广泛应用于核电站、下一代核反应堆、核聚变反应堆以及工业领域的钢铁材料的一种快速、准确的损伤评估方法。
铁离子束辐照能够消除与其他离子束照射时可能发生的不必要的物理和化学反应，从而实现对辐照损伤效果的纯粹评估。这一优势使得铁离子束在核能和核聚变领域的需求持续增长。然而，由于铁难以变为气体，离子难以提取，使得铁离子束技术的实施面临诸多挑战。
为了满足这一需求，韩原研的研究团队成功建造了能够电离和加速金属元素的金属离子源装置，并在韩国首次实现了铁离子束的加速和照射。他们利用双极电磁铁成功提取并研究了每秒1000亿个铁离子(Fe13+)，并利用这些离子束对材料进行了辐照试验。
试验结果显示，加速铁离子的能量和材料受到的损伤程度均符合预期，且能够在一天内测试出轻水反应堆全循环运转时产生的损伤水平3dpa(每个原子的位移：辐射损伤单位)。这一水平在国内其他中子辐照设施中处于领先地位。
据韩原研介绍，铁离子束辐照服务的申请将于3月份开始在韩原研网站上开放。此外，他们还计划基于已获得的铁离子束辐照技术，建立中子辐照和离子束辐照的比较数据库(DB)，这将有助于开发核电站运行以及小型模块化反应堆(SMR)、熔盐反应堆(MSR)和固态燃料反应堆(SFR)等下一代反应堆和核聚变反应堆的关键材料。
核物理应用研究部主任李东源表示：“这项研究将成为过去完全依赖海外设施的国内研究人员的福音。”他还透露，韩原研将继续努力，从铁离子扩展到镍等其他高难度离子源，并确保高温测试环境，从而提供世界一流的离子束辐照服务。
