核物理学科前沿及发展战略
原标题：核物理学科前沿及发展战略


一、科学背景与发展趋势

物质结构以层次划分，复杂性与简单性交替，根源于相互作用（含有效相互作用）的种类和层次内外的既显著区别又密切关联。原子核和强子是物质结构的微观层次，是典型的量子多体复杂体系（图1）。微观体系的结构和相互作用，又与宇宙大爆炸之后的宇观过程密切相关，制约着宇宙的演变历史（图2）。原子核中包含了丰富的内秉自由度与多种基本相互作用，储存着宇宙间绝大部分已知的可释放能量。近百年来，核物理处于物质科学的前沿，对人类的生存与发展和国家的地位与安全产生了重大影响，成为衡量综合国力的一项重要标志。核物理在自身发展的同时，还为其他学科提供了重要的理论基础和研究手段。进入21世纪，核能和核安全在国家核心利益中的地位愈加显著。在基础研究方面，以兴建若干大科学工程为标志，国际上核物理研究正在继续蓬勃发展并面临重大的突破，并对各国的国防、能源、交叉领域等的发展起了重要的推动作用。


图1 物质的层级结构与核物理的研究前沿


图2 宇宙的历史与核过程

核物理发展的一个重要特点是依靠大科学装置，这是由于探索微观体系需要极短波长（对应高能量）的探针所决定的。反过来，大科学装置的发展又极大地拓展了人类探索微观世界的范围和深度，许多重大突破来自于利用新手段的偶然发现。除了宇宙射线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学问题的主要大科学装置。与粒子加速器配套的大型实验探测设备，是探索物理过程、开展核物理研究必不可少的工具。

核物理研究涉及国家安全、清洁能源、医疗健康、多学科交叉等一系列重大应用，因此一直以来受到各科技强国的高度重视，是必争的战略高地。各国在基础前沿研究开放合作的同时，对核物理研究中涉及战略高技术的部分又有十分严格的相互限制。因此，在大力加强国际交流合作的同时，我们还必须保持和发扬自力更生的优良传统，立足国内发展核心知识和技术。

二、主要研究领域及其发展思路和建议

核物理研究涉及前沿基础和重大应用两个方面。基础研究方面包括强子物理、核物质性质和相变、核结构和动力学、核天体物理等领域；重大应用方面包括大型加速器装置、核技术应用、先进核裂变能装置、核数据等领域。基于各国的学术传统、装置和技术发展、队伍传承等，这些领域的研究在不同国家和地区各有侧重，下面分别对其进行阐述。

1. 核物理前沿研究

1）强子物理

强子，包括介子和重子，是能从物质中分离出来的、已观测到的具有内部结构的最小单元。强子内部的夸克–胶子结构以及可能存在的新强子态是当今人类正在探索的物质世界的最微观部分，是中高能核物理和粒子物理共同关心的交叉前沿热点。

2）核物质性质和相图

得益于现代加速器和探测器技术的高速发展，高能核物理在过去几十年取得了巨大的成功。国际社会和政府的持续高投入，使得大科学装置的建设和连续运行得到保障。一些重大的前沿学科问题也正在得到逐步的攻克。然而要彻底搞清楚核物质在不同温度、密度下的性质和相图，仍有一些关键的科学问题没有解决，这些问题将成为今后研究的热点和难点。

3）核结构和动力学

当今核结构与动力学的前沿研究主要针对不稳定原子核，称为放射性核束物理或稀有同位素物理等（可通称RIB物理）。自1896年核科学诞生以后直到20世纪80年代初，人类研究的原子核（核素）只有几百个（其中稳定核不到300个），这些核通常有比较大的结合能（平均每个核子若干MeV），因此可称为深束缚原子核（或稳定原子核），它们的结构基本上可以通过平均场、壳模型等加以描写。自1985年在美国伯克利国家实验室的放射性束实验开始，人类研究的核素数目迅速扩大，目前实验上已产生了近3000种，而理论预言总共有8000～10000个核素。不稳定线原子核的结合能逐渐减小，直到最后一个核子结合能为0的边界（滴线）。在滴线区，原子核成为弱束缚的开放体系（opensystem），体积可以大大扩张，结构形态和有效相互作用的性质发生显著变化，传统核理论的描写面临根本性变革。在初期的研究中已有的重大发现包括：三体力和张量力等在非稳定核有效相互作用中的突出作用；幻数和壳层在非稳定核区发生系统演变；晕和集团等新的结构自由度在滴线区明显加强；软巨共振等新的集体运动模式；核反应中的多步过程和强耦合效应；同核异能素大量出现，等等。但受实验装置条件的限制，过去的研究还集中在较轻核的范围，质子滴线到Z=30左右，中子滴线只到Z=8左右。大部分滴线区域，特别是丰中子一侧，仍然难以企及。可以期待随着研究区域继续向更重和更靠近滴线的弱束缚区域扩展，还会发现更加丰富的科学宝藏。

远离稳定线核的研究，又与平稳和爆发性天体过程以及核物质状态方程密切相关，涉及当今国际重要前沿交叉科学问题。合成超重元素、登上“超重核稳定岛”，是人类半个多世纪以来的梦想。非稳定丰中子核的大量产生和深入研究，特别是关键丰中子核的熔合反应或大质量转移反应机制的研究，有可能提供进入“超重核稳定岛”的新途径，实现重大突破。在原子核稳定性极限区域探索新现象、新规律的基础研究，必然产生众多新的核样本和核数据，引起实验方法和技术的重大变革和创新，从而有可能在核材料、核能装置、核探测等方面带来难以估量的重大应用。

4）核天体物理

浩瀚无垠的宇宙中无数闪闪发光的恒星都有形成、演化和死亡的过程。由于恒星内部热核反应释放出来的辐射能量形成向外的压力抗衡引力收缩，导致恒星流体静力学平衡的演化过程非常缓慢。一颗类似太阳的恒星一旦形成，在大约1010年的时间内不会发生人们可直接观测到的显著变化。这些核反应不仅是恒星的能源，也是宇宙中除氢以外所有化学元素赖以合成的唯一机制，在原始大爆炸后最初几分钟至恒星寿命终结的宇宙和天体演化过程中起着极为重要的作用。核天体物理是研究微观世界的核物理与宇观世界的天体物理相融合形成的交叉学科，主要目标是宇宙中元素的合成与核反应如何控制恒星的演化和结局。这个充满神秘的交叉学科一直受到国际物理学界的高度重视，被列为基础科学研究的前沿领域之一。美国和欧洲的核科学长程发展规划中均将核天体物理列为核科学研究的前沿方向之一。

目前对于恒星演化和元素起源复杂过程的认知是核物理学家、天体物理学家和天文学家近一个世纪密切合作的结果，至今已有多项成果先后获得了诺贝尔物理学奖。核天体物理虽然取得了显著进展，但关于元素起源及恒星演化仍存在很多亟待破解的难题。

5）基本相互作用与对称性

原子核可以作为一个“实验室”来精确检验标准模型中的基本对称性和寻找超出标准模型的新物理。在核物理中的基本相互作用与对称性研究通常依靠一些特殊的微弱过程和特殊手段，我国过去在这方面的研究开展较少，目前正在逐步加强力量，形成重要的研究方向。例如，在强子物理领域开展核子–核子过程宇称破坏方面的研究；利用双β衰变研究中微子质量；探测不为0的电偶极矩（EDM）以研究CP破缺等。

2. 核物理相关的重大应用

1）大型加速器装置

粒子加速器大科学装置是研究核物理前沿科学问题的主要工具。利用粒子加速器装置提供的不同能量、不同种类、高品质的粒子束流（如稳定核离子束、放射性核束、极化和非极化粒子束等）开展相关研究，不断深化对物质微观结构和宇宙演化的认识。反过来，核物理重要前沿领域的研究对粒子加速器大科学装置也提出了迫切的需求。

2）核技术应用

核技术应用范围很广，在能源、医学、材料、生命、环境、地质考古、农业、国防、安全等领域都有十分重要的应用。核技术及应用涉及国家安全和经济发展，具有十分重要的地位，属战略高技术。基于核技术已形成众多的交叉学科，如核医学、辐射化学、放射性药物化学、辐射生物学、放射生态学、环境放射化学、核农学等。

3）先进核裂变能装置

核裂变能是一种安全清洁且经济性好的能源。在未来相当长的时间内，核裂变能在能源体系中的作用难以替代。核裂变能的长期可持续发展面临着诸多挑战，如核废料的处置、铀资源的稳定供给、核不扩散等问题。尤其是在福岛事故之后，公众对于核能安全性有更高的要求。从2001年成立了第四代核能系统国际论坛（GenerationⅣ International Forum，GIF）组织并签署了相关协议，国际核工程领域就发展未来先进核能系统达成了广泛的一致性意见：未来先进核裂变能系统必须对核燃料循环中的一个或者几个环节进行进一步优化，能够促使整个核燃料循环向着更安全、更经济和更易防止核扩散的方向发展。为此，GIF组织推荐的六种第四代堆型（超高温气冷堆、熔盐堆、超临界水堆、钠冷快堆、铅冷快堆和气冷快堆）。同时，世界上的核大国都积极致力于发展先进燃料循环技术，包括提出了新型的嬗变系统——加速器驱动的次临界系统（ADS系统）等。

考虑到我国先进裂变能装置相关的高温气冷堆、钠冷快堆已经建成了研究装置，熔盐堆和面向核废料处理的ADS系统也已在中国科学院战略性科技先导专项以及国家发展改革委项目的支持下进入了实质性的研发阶段，应重点支持这几个装置的研发，并完善我国的核燃料循环发展路线图，统筹安排燃料循环各环节中的关键技术或工艺的预先研究，以确保我国核裂变能的可持续发展。

从核燃料供应和核废料处理发展的潜力的角度，特别提请关注加速器驱动的先进核裂变系统（ADANES）相关装置和钍基熔盐核能系统（TMSR）相关装置的研发。就ADANES，如果得到国家及时和稳定的支持，可望在2022年左右基本完成燃料闭式循环验证、ADS燃烧器原理样机（10MW热），引领国际核裂变能的创新发展，2030～2035年基本实现工业示范。就TMSR，可望在2020年左右建成世界上首座TMSR仿真装置（TMSR-SF0）、世界上首座10MW固态燃料TMSR实验装置（TMSR-SF1）与世界首座具有在线干法后处理功能（示踪级）的2MW液态燃料TMSR实验装置（TMSR-LF1），形成支撑未来发展的若干技术研发能力，实现关键材料和设备产业化，总体达到国际领先水平。到2030年左右全面实现掌握TMSR相关科学与技术，基本完成固态和液态两类工业示范堆的建设，发展小型模块化技术，开展商业化推广。

先进核裂变能装置的发展必须结合本国实际，以国家的核燃料循环战略为出发点来考虑，必须能够促进核燃料循环体系向着更安全、更经济和可持续的方向发展。为此建议：形成一个清晰的含燃料的生产、堆型的选择、乏燃料的处理策略到高放废料的处置的国家核燃料循环发展策略和路线图。在此基础上，选择重点部署未来核能装置的研发。

4）核数据

核数据包括入射粒子与原子核相互作用的核反应数据，以及反映核素基本性质的核质量、结构与放射性衰变数据。一切与原子核自身特性、原子核反应过程相关的核科学研究、核设施建设以及核技术应用都离不开核数据。核数据精度与可靠性直接关系着各种与核相关的装置和产品的有效性、安全性和经济性。近年来，能源的短缺对核能的需求日益增长。新一代核能系统如钍基熔盐堆、钠冷快堆、高温气冷堆、加速器驱动次临界洁净核能系统（ADS）和聚变装置等新型研究项目在我国以及世界领域内不断开展和深入，这些新型装置均对核数据提出了新的、更高的要求，促使人们在新的形势下开展核数据的深入探索研究。

核数据的主要研究内容包括：①利用核物理实验相关方法测量关键核反应以及原子核自身特性；②结合核反应、结构理论模型计算完整地描述各类反应截面、角分布、双微分截面、γ产生率等数据，以及描述单个核素基本性质、核结构与放射性衰变数据；③为各种核装置、工程及核技术应用提供配套的评价核数据库与多群常数库。

为了适应我国新时期原子能事业发展的要求，核数据未来5～10年需要重点发展：

（1）建设先进的核数据实验测量设施平台与方法。当今的核物理基础研究工作，特别是实验核物理的研究强烈依赖于大型的科学装置（如加速器、反应堆、散裂中子源等设施），在这方面我国与发达国家仍存在非常大的差距。在未来发展规划中建议首先重点关注先进核数据测量平台的建设，如建立适合开展共振能区及快中子能区中子核数据测量的高性能白光中子源、用于关键数据精确测量的强流高压倍加器等。发展新型核数据测量探测器系统与新的核数据测量方法，如替代反应、谱因子法、质谱法等，积极解决裂变系统不稳定过程核数据测量，填补国内空白。

（2）开展关键中子核数据精确测量。随着中国散裂中子源以及国内一些其他高性能中子源的陆续建成，我国的核数据研究平台条件将得到较大改善。依托这些条件，发展相应的测量手段和方法，配合即将运行的中子源开展高水平的中子核数据实验研究，对提升我国核数据的整体研究能力将有极大的帮助。

（3）促进基础理论研究，突破核数据关键问题。伴随着实验核物理的迅猛发展，近年来理论核物理也取得了非常多的优秀成果，大大提高了对核反应与结构数据理论预言的可靠性。特别是多年来，微观核多体理论方法在我国核物理基础研究中已经储备了丰富的技术手段，可应用于解决裂变、轻核与裂变不稳定过程核等当今世界核工程设计中广泛关注的数据。我国将重点开展：描述裂变现象的裂变势能曲面和裂变唯象模型；不稳定过程核光学势、能级密度和反应截面系统学；R矩阵方法应用于重要轻核数据的评价；法捷耶夫方程应用于轻核三体反应数据的评价等研究。

（4）拓展核数据评价与应用研究。核数据评价、应用研究与核工程设计有直接关系。针对目前国际关键科学问题，依托我国现有的核数据发展条件，应重点开展以下研究：①核数据群常数以及可靠性研究；②多元化的核数据协方差评价技术研究；③发展宏观检验计算方法，促进宏观检验的自动化和信息化；④多维装置的积分参数（包括Keff、表面/泄漏中子谱、反应率/比值、反应性价值、燃耗参数）S/U分析方法与调整方法的研究；⑤共振自屏相关计算方法的研究。此外，实验数据的分析评价、核数据同时评价以及智能化的核数据评价系统等也都需要完善。

（5）加强高水平核数据人才队伍建设。我国核数据研究初期凝聚了一大批核物理研究高水平人才，他们为我国核数据的基础研究做出了重要的贡献，在多种类核数据测量平台、方法，核反应理论，特别是轻核、统计以及裂变理论等方面做出了具有国际水平的研究成果，同时也培养了一大批研究骨干。但经过近50年的时间，这批骨干已逐渐离开了这些基础研究领域。随着我国近年核事业的蓬勃发展，现有人力远远无法满足需求。因此，急需培养更多与核数据紧密相关的人才，培养高水平的研究队伍，力争将我国核数据研究推向国际先进行列。

（6）加大原子分子数据的研究力度。随着我国经济的快速发展和科学技术水平的普遍提高，我国的原始创新、知识创新水平将不断提高，相关领域必将对原子分子数据提出更多、更高的要求。为此，应继续加强原子分子数据评估研究，提升推荐数据的权威性；应加强需求分析，开发专用原子分子数据库；扩大国内的原子分子数据协作网络建设，加强国际数据交流与合作；积极利用国内现有实验条件，开展原子分子物理难点科学问题的探索，提高数据质量。

（7）在短寿命核素质量测量方面继续取得突破，在数据应用中考虑完整协方差矩阵。精确测量短寿命原子核的质量，是目前原子核研究的前沿之一。依托储存环在短寿命核素质量测量方面继续取得突破十分必要。在得到的质量数据表中，数据间会有非常复杂的关联。目前，这些关联信息在国际上众多质量测量研究中常常被忽略。新一期AME应在数据的关联方面有较大改进。同时加强网络建设，使AMDC成为国际原子质量数据交流的重要平台。

核物理与等离子体物理：学科前沿及发展战略

核物理与等离子体物理发展战略研究编写组编

北京：科学出版社，2017. 5

ISBN 978-7-03-051621-3

责任编辑：钱 俊 周 涵

中国科学院根据中国科技发展战略布置各学部按专业研究学科前沿及发展战略，在面临我国由大国走向强国的背景下，核物理与等离子体物理作为现代物理学的重要组成部分，其发展战略尤为重要。本书分析学科构成、前沿布局，同时用一定的笔墨描述了我国的学科基础和发展愿景。目前，我国在这个学科处于国际同行的第二方阵，有个别方向的突破成为国际同行的范例，列入新发展规划的研究也显现一定的先机。

本战略研究考虑到核与等离子体在物质层次相交，涉及共同的新兴交叉前沿，如高能量密度物质（核、原子），在能源和国家安全领域应用和研究有机衔接，因此形成一个战略研究报告，本书包括核物理与等离子体物理两卷。

上册核物理卷，共八章。前五章为强子、核物质、核结构、核天体物理及大科学研究装置，其中，首次根据国际划分方法把强子物理列入核物理学科。后三章为核技术与应用及学科交叉，根据我国能源发展重点把先进核裂变能突出为第七章。

（本文编辑：王芳）

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