核物理學科前沿及發展戰略

一、科學背景與發展趨勢

物質結構以層次劃分，複雜性與簡單性交替，根源於相互作用（含有效相互作用）的種類和層次內外的既顯著區別又密切關聯。原子核和強子是物質結構的微觀層次，是典型的量子多體複雜體系（圖1）。微觀體系的結構和相互作用，又與宇宙大爆炸之後的宇觀過程密切相關，制約著宇宙的演變歷史（圖2）。原子核中包含了豐富的內秉自由度與多種基本相互作用，儲存著宇宙間絕大部分已知的可釋放能量。近百年來，核物理處於物質科學的前沿，對人類的生存與發展和國家的地位與安全產生了重大影響，成為衡量綜合國力的一項重要標誌。核物理在自身發展的同時，還為其他學科提供了重要的理論基礎和研究手段。進入21世紀，核能和核安全在國家核心利益中的地位愈加顯著。在基礎研究方面，以興建若干大科學工程為標誌，國際上核物理研究正在繼續蓬勃發展並面臨重大的突破，並對各國的國防、能源、交叉領域等的發展起了重要的推動作用。

圖1 物質的層級結構與核物理的研究前沿

圖2 宇宙的歷史與核過程

核物理髮展的一個重要特點是依靠大科學裝置，這是由於探索微觀體系需要極短波長（對應高能量）的探針所決定的。反過來，大科學裝置的發展又極大地拓展了人類探索微觀世界的範圍和深度，許多重大突破來自於利用新手段的偶然發現。除了宇宙射線提供的某些天然特殊可能性之外，粒子加速器是研究核物理前沿科學問題的主要大科學裝置。與粒子加速器配套的大型實驗探測設備，是探索物理過程、開展核物理研究必不可少的工具。

核物理研究涉及國家安全、清潔能源、醫療健康、多學科交叉等一系列重大應用，因此一直以來受到各科技強國的高度重視，是必爭的戰略高地。各國在基礎前沿研究開放合作的同時，對核物理研究中涉及戰略高技術的部分又有十分嚴格的相互限制。因此，在大力加強國際交流合作的同時，我們還必須保持和發揚自力更生的優良傳統，立足國內發展核心知識和技術。

二、主要研究領域及其發展思路和建議

核物理研究涉及前沿基礎和重大應用兩個方面。基礎研究方面包括強子物理、核物質性質和相變、核結構和動力學、核天體物理等領域；重大應用方面包括大型加速器裝置、核技術應用、先進核裂變能裝置、核數據等領域。基於各國的學術傳統、裝置和技術發展、隊伍傳承等，這些領域的研究在不同國家和地區各有側重，下面分別對其進行闡述。

1. 核物理前沿研究

1）強子物理

強子，包括介子和重子，是能從物質中分離出來的、已觀測到的具有內部結構的最小單元。強子內部的夸克–膠子結構以及可能存在的新強子態是當今人類正在探索的物質世界的最微觀部分，是中高能核物理和粒子物理共同關心的交叉前沿熱點。

2）核物質性質和相圖

得益於現代加速器和探測器技術的高速發展，高能核物理在過去幾十年取得了巨大的成功。國際社會和政府的持續高投入，使得大科學裝置的建設和連續運行得到保障。一些重大的前沿學科問題也正在得到逐步的攻克。然而要徹底搞清楚核物質在不同溫度、密度下的性質和相圖，仍有一些關鍵的科學問題沒有解決，這些問題將成為今後研究的熱點和難點。

3）核結構和動力學

當今核結構與動力學的前沿研究主要針對不穩定原子核，稱為放射性核束物理或稀有同位素物理等（可通稱RIB物理）。自1896年核科學誕生以後直到20世紀80年代初，人類研究的原子核（核素）只有幾百個（其中穩定核不到300個），這些核通常有比較大的結合能（平均每個核子若干MeV），因此可稱為深束縛原子核（或穩定原子核），它們的結構基本上可以通過平均場、殼模型等加以描寫。自1985年在美國伯克利國家實驗室的放射性束實驗開始，人類研究的核素數目迅速擴大，目前實驗上已產生了近3000種，而理論預言總共有8000～10000個核素。不穩定線原子核的結合能逐漸減小，直到最後一個核子結合能為0的邊界（滴線）。在滴線區，原子核成為弱束縛的開放體系（opensystem），體積可以大大擴張，結構形態和有效相互作用的性質發生顯著變化，傳統核理論的描寫面臨根本性變革。在初期的研究中已有的重大發現包括：三體力和張量力等在非穩定核有效相互作用中的突出作用；幻數和殼層在非穩定核區發生系統演變；暈和集團等新的結構自由度在滴線區明顯加強；軟巨共振等新的集體運動模式；核反應中的多步過程和強耦合效應；同核異能素大量出現，等等。但受實驗裝置條件的限制，過去的研究還集中在較輕核的範圍，質子滴線到Z=30左右，中子滴線只到Z=8左右。大部分滴線區域，特別是豐中子一側，仍然難以企及。可以期待隨著研究區域繼續向更重和更靠近滴線的弱束縛區域擴展，還會發現更加豐富的科學寶藏。

遠離穩定線核的研究，又與平穩和爆發性天體過程以及核物質狀態方程密切相關，涉及當今國際重要前沿交叉科學問題。合成超重元素、登上「超重核穩定島」，是人類半個多世紀以來的夢想。非穩定豐中子核的大量產生和深入研究，特別是關鍵豐中子核的熔合反應或大質量轉移反應機制的研究，有可能提供進入「超重核穩定島」的新途徑，實現重大突破。在原子核穩定性極限區域探索新現象、新規律的基礎研究，必然產生眾多新的核樣本和核數據，引起實驗方法和技術的重大變革和創新，從而有可能在核材料、核能裝置、核探測等方面帶來難以估量的重大應用。

4）核天體物理

浩瀚無垠的宇宙中無數閃閃發光的恆星都有形成、演化和死亡的過程。由於恆星內部熱核反應釋放出來的輻射能量形成向外的壓力抗衡引力收縮，導致恆星流體靜力學平衡的演化過程非常緩慢。一顆類似太陽的恆星一旦形成，在大約1010年的時間內不會發生人們可直接觀測到的顯著變化。這些核反應不僅是恆星的能源，也是宇宙中除氫以外所有化學元素賴以合成的唯一機制，在原始大爆炸後最初幾分鐘至恆星壽命終結的宇宙和天體演化過程中起著極為重要的作用。核天體物理是研究微觀世界的核物理與宇觀世界的天體物理相融合形成的交叉學科，主要目標是宇宙中元素的合成與核反應如何控制恆星的演化和結局。這個充滿神秘的交叉學科一直受到國際物理學界的高度重視，被列為基礎科學研究的前沿領域之一。美國和歐洲的核科學長程發展規劃中均將核天體物理列為核科學研究的前沿方向之一。

目前對於恆星演化和元素起源複雜過程的認知是核物理學家、天體物理學家和天文學家近一個世紀密切合作的結果，至今已有多項成果先後獲得了諾貝爾物理學獎。核天體物理雖然取得了顯著進展，但關於元素起源及恆星演化仍存在很多亟待破解的難題。

5）基本相互作用與對稱性

原子核可以作為一個「實驗室」來精確檢驗標準模型中的基本對稱性和尋找超出標準模型的新物理。在核物理中的基本相互作用與對稱性研究通常依靠一些特殊的微弱過程和特殊手段，我國過去在這方面的研究開展較少，目前正在逐步加強力量，形成重要的研究方向。例如，在強子物理領域開展核子–核子過程宇稱破壞方面的研究；利用雙β衰變研究中微子質量；探測不為0的電偶極矩（EDM）以研究CP破缺等。

2. 核物理相關的重大應用

1）大型加速器裝置

粒子加速器大科學裝置是研究核物理前沿科學問題的主要工具。利用粒子加速器裝置提供的不同能量、不同種類、高品質的粒子束流（如穩定核離子束、放射性核束、極化和非極化粒子束等）開展相關研究，不斷深化對物質微觀結構和宇宙演化的認識。反過來，核物理重要前沿領域的研究對粒子加速器大科學裝置也提出了迫切的需求。

2）核技術應用

核技術應用範圍很廣，在能源、醫學、材料、生命、環境、地質考古、農業、國防、安全等領域都有十分重要的應用。核技術及應用涉及國家安全和經濟發展，具有十分重要的地位，屬戰略高技術。基於核技術已形成眾多的交叉學科，如核醫學、輻射化學、放射性藥物化學、輻射生物學、放射生態學、環境放射化學、核農學等。

3）先進核裂變能裝置

核裂變能是一種安全清潔且經濟性好的能源。在未來相當長的時間內，核裂變能在能源體系中的作用難以替代。核裂變能的長期可持續發展面臨著諸多挑戰，如核廢料的處置、鈾資源的穩定供給、核不擴散等問題。尤其是在福島事故之後，公眾對於核能安全性有更高的要求。從2001年成立了第四代核能系統國際論壇（GenerationⅣ International Forum，GIF）組織並簽署了相關協議，國際核工程領域就發展未來先進核能系統達成了廣泛的一致性意見：未來先進核裂變能系統必須對核燃料循環中的一個或者幾個環節進行進一步優化，能夠促使整個核燃料循環向著更安全、更經濟和更易防止核擴散的方向發展。為此，GIF組織推薦的六種第四代堆型（超高溫氣冷堆、熔鹽堆、超臨界水堆、鈉冷快堆、鉛冷快堆和氣冷快堆）。同時，世界上的核大國都積極致力於發展先進燃料循環技術，包括提出了新型的嬗變系統——加速器驅動的次臨界系統（ADS系統）等。

考慮到我國先進裂變能裝置相關的高溫氣冷堆、鈉冷快堆已經建成了研究裝置，熔鹽堆和面向核廢料處理的ADS系統也已在中國科學院戰略性科技先導專項以及國家發展改革委項目的支持下進入了實質性的研發階段，應重點支持這幾個裝置的研發，並完善我國的核燃料循環發展路線圖，統籌安排燃料循環各環節中的關鍵技術或工藝的預先研究，以確保我國核裂變能的可持續發展。

從核燃料供應和核廢料處理髮展的潛力的角度，特別提請關注加速器驅動的先進核裂變系統（ADANES）相關裝置和釷基熔鹽核能系統（TMSR）相關裝置的研發。就ADANES，如果得到國家及時和穩定的支持，可望在2022年左右基本完成燃料閉式循環驗證、ADS燃燒器原理樣機（10MW熱），引領國際核裂變能的創新發展，2030～2035年基本實現工業示範。就TMSR，可望在2020年左右建成世界上首座TMSR模擬裝置（TMSR-SF0）、世界上首座10MW固態燃料TMSR實驗裝置（TMSR-SF1）與世界首座具有在線干法後處理功能（示蹤級）的2MW液態燃料TMSR實驗裝置（TMSR-LF1），形成支撐未來發展的若干技術研發能力，實現關鍵材料和設備產業化，總體達到國際領先水平。到2030年左右全面實現掌握TMSR相關科學與技術，基本完成固態和液態兩類工業示範堆的建設，發展小型模塊化技術，開展商業化推廣。

先進核裂變能裝置的發展必須結合本國實際，以國家的核燃料循環戰略為出發點來考慮，必須能夠促進核燃料循環體系向著更安全、更經濟和可持續的方向發展。為此建議：形成一個清晰的含燃料的生產、堆型的選擇、乏燃料的處理策略到高放廢料的處置的國家核燃料循環發展策略和路線圖。在此基礎上，選擇重點部署未來核能裝置的研發。

4）核數據

核數據包括入射粒子與原子核相互作用的核反應數據，以及反映核素基本性質的核質量、結構與放射性衰變數據。一切與原子核自身特性、原子核反應過程相關的核科學研究、核設施建設以及核技術應用都離不開核數據。核數據精度與可靠性直接關係著各種與核相關的裝置和產品的有效性、安全性和經濟性。近年來，能源的短缺對核能的需求日益增長。新一代核能系統如釷基熔鹽堆、鈉冷快堆、高溫氣冷堆、加速器驅動次臨界潔凈核能系統（ADS）和聚變裝置等新型研究項目在我國以及世界領域內不斷開展和深入，這些新型裝置均對核數據提出了新的、更高的要求，促使人們在新的形勢下開展核數據的深入探索研究。

核數據的主要研究內容包括：利用核物理實驗相關方法測量關鍵核反應以及原子核自身特性；結合核反應、結構理論模型計算完整地描述各類反應截面、角分布、雙微分截面、γ產生率等數據，以及描述單個核素基本性質、核結構與放射性衰變數據；為各種核裝置、工程及核技術應用提供配套的評價核資料庫與多群常數庫。

為了適應我國新時期原子能事業發展的要求，核數據未來5～10年需要重點發展：

（1）建設先進的核數據實驗測量設施平台與方法。當今的核物理基礎研究工作，特別是實驗核物理的研究強烈依賴於大型的科學裝置（如加速器、反應堆、散裂中子源等設施），在這方面我國與發達國家仍存在非常大的差距。在未來發展規劃中建議首先重點關注先進核數據測量平台的建設，如建立適合開展共振能區及快中子能區中子核數據測量的高性能白光中子源、用於關鍵數據精確測量的強流高壓倍加器等。發展新型核數據測量探測器系統與新的核數據測量方法，如替代反應、譜因子法、質譜法等，積極解決裂變系統不穩定過程核數據測量，填補國內空白。

（2）開展關鍵中子核數據精確測量。隨著中國散裂中子源以及國內一些其他高性能中子源的陸續建成，我國的核數據研究平台條件將得到較大改善。依託這些條件，發展相應的測量手段和方法，配合即將運行的中子源開展高水平的中子核數據實驗研究，對提升我國核數據的整體研究能力將有極大的幫助。

（3）促進基礎理論研究，突破核數據關鍵問題。伴隨著實驗核物理的迅猛發展，近年來理論核物理也取得了非常多的優秀成果，大大提高了對核反應與結構數據理論預言的可靠性。特別是多年來，微觀核多體理論方法在我國核物理基礎研究中已經儲備了豐富的技術手段，可應用於解決裂變、輕核與裂變不穩定過程核等當今世界核工程設計中廣泛關注的數據。我國將重點開展：描述裂變現象的裂變勢能曲面和裂變唯象模型；不穩定過程核光學勢、能級密度和反應截面系統學；R矩陣方法應用於重要輕核數據的評價；法捷耶夫方程應用於輕核三體反應數據的評價等研究。

（4）拓展核數據評價與應用研究。核數據評價、應用研究與核工程設計有直接關係。針對目前國際關鍵科學問題，依託我國現有的核數據發展條件，應重點開展以下研究：核數據群常數以及可靠性研究；多元化的核數據協方差評價技術研究；發展宏觀檢驗計算方法，促進宏觀檢驗的自動化和信息化；多維裝置的積分參數（包括Keff、表面/泄漏中子譜、反應率/比值、反應性價值、燃耗參數）S/U分析方法與調整方法的研究；共振自屏相關計算方法的研究。此外，實驗數據的分析評價、核數據同時評價以及智能化的核數據評價系統等也都需要完善。

（5）加強高水平核數據人才隊伍建設。我國核數據研究初期凝聚了一大批核物理研究高水平人才，他們為我國核數據的基礎研究做出了重要的貢獻，在多種類核數據測量平台、方法，核反應理論，特別是輕核、統計以及裂變理論等方面做出了具有國際水平的研究成果，同時也培養了一大批研究骨幹。但經過近50年的時間，這批骨幹已逐漸離開了這些基礎研究領域。隨著我國近年核事業的蓬勃發展，現有人力遠遠無法滿足需求。因此，急需培養更多與核數據緊密相關的人才，培養高水平的研究隊伍，力爭將我國核數據研究推向國際先進行列。

（6）加大原子分子數據的研究力度。隨著我國經濟的快速發展和科學技術水平的普遍提高，我國的原始創新、知識創新水平將不斷提高，相關領域必將對原子分子數據提出更多、更高的要求。為此，應繼續加強原子分子數據評估研究，提升推薦數據的權威性；應加強需求分析，開發專用原子分子資料庫；擴大國內的原子分子數據協作網路建設，加強國際數據交流與合作；積極利用國內現有實驗條件，開展原子分子物理難點科學問題的探索，提高數據質量。

（7）在短壽命核素質量測量方面繼續取得突破，在數據應用中考慮完整協方差矩陣。精確測量短壽命原子核的質量，是目前原子核研究的前沿之一。依託儲存環在短壽命核素質量測量方面繼續取得突破十分必要。在得到的質量數據表中，數據間會有非常複雜的關聯。目前，這些關聯信息在國際上眾多質量測量研究中常常被忽略。新一期AME應在數據的關聯方面有較大改進。同時加強網路建設，使AMDC成為國際原子質量數據交流的重要平台。

核物理與等離子體物理：學科前沿及發展戰略

核物理與等離子體物理髮展戰略研究編寫組編

北京：科學出版社，2017. 5

ISBN 978-7-03-051621-3

責任編輯：錢 俊 周 涵

中國科學院根據中國科技發展戰略布置各學部按專業研究學科前沿及發展戰略，在面臨我國由大國走向強國的背景下，核物理與等離子體物理作為現代物理學的重要組成部分，其發展戰略尤為重要。本書分析學科構成、前沿布局，同時用一定的筆墨描述了我國的學科基礎和發展願景。目前，我國在這個學科處於國際同行的第二方陣，有個別方向的突破成為國際同行的範例，列入新發展規劃的研究也顯現一定的先機。

本戰略研究考慮到核與等離子體在物質層次相交，涉及共同的新興交叉前沿，如高能量密度物質（核、原子），在能源和國家安全領域應用和研究有機銜接，因此形成一個戰略研究報告，本書包括核物理與等離子體物理兩卷。

上冊核物理卷，共八章。前五章為強子、核物質、核結構、核天體物理及大科學研究裝置，其中，首次根據國際劃分方法把強子物理列入核物理學科。後三章為核技術與應用及學科交叉，根據我國能源發展重點把先進核裂變能突出為第七章。

（本文編輯：王芳）

一起閱讀科學!

科學出版社│微信ID：sciencepress-cspm

專業品質 學術價值

原創好讀 科學品味

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！