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北京ISOL:从“必然王国”向“自由王国”的核物理探索
日期: 2017-08-22  信息来源: 军工文化

从“必然王国”向“自由王国”的飞跃是人类历史发展的总趋势,这一马克思恩格斯的哲学判定,同样适用于科学研究领域。从核物理、尤其是中国核物理发展的特殊背景来看,中国目前已经走过了追赶世界核物理科学的“必然王国”阶段,那么,在向核科学“自由王国”探索的路径上,我们何处觅高峰?或许,北京丰中子核束流装置(英文缩写BISOL,以下简称“北京ISOL”)能在某些领域开辟新的路径。

被称为“梦想装置”的北京ISOL,建成后在未来20年将是国际上最具竞争力的新一代放射性束流装置。

北京ISOL:香山科学会议定夺

2014年第502次香山科学会议上,北京ISOL被列入我国核物理科学装置发展路线图。

120多年前的1896年,法国科学家贝可勒尔发现天然放射现象,人类便启动了核物理探索的神秘之门。120年间,人类在原子核裂变与聚变等一系列重大核物理发现中,取得了丰硕的成果。核科技魔鬼与天使的双面性,对人类生存发展和国家安全发挥了重大影响,成为大国战略地位的重要基石。进入21世纪以来,以兴建若干大科学工程为标志,核科学蓬勃发展并面临重大突破,将在各国的基础科学、能源、国防、技术应用等领域起到重要作用。

然而,当理论的探索或者预言越走越深又得不到实验证实时,很多理论的预测与判断就成为20世纪留下来的重大物理学谜团之一。而解开这些谜团,成为半个世纪以来科学家梦寐以求的梦想:比如对滴线区新物理、铁以上重元素的天体合成过程、超重稳定岛核素等关键科学问题的突破,就需要高强度的极端丰中子核束。

极端丰中子核束的获得需要一台超“牛”的实验装置,该装置需要集合在线同位素分离法(ISOL)和入射粒子碎裂法(PF)两大主要实验设备的优势。当今美国、法国、加拿大等国拥有水平一流的ISOL型装置,美国、德国、俄罗斯、日本等国拥有PF型装置,各自都无法单独产生高强度的极端丰中子核束。ISOL+PF结合型装置,利用ISOL形成的丰中子裂变束流搭了一个桥,再经过PF 就可以到达极端丰中子的区域,该方法目前只有欧洲各国正在联合设计,称之为EURISOL,官方给出的时间进度是2030年之后。考虑到欧洲各国目前经济停滞的不乐观状态,这项投资巨大的未来最顶尖的装置何时能面世,还是一个未知数。

这恰恰给已经掌握关键技术并具备一定实验设备基础,比如先进研究堆、同位素分离器、PF 次级束流线与放射线核束试验装置的中国留下了巨大的超越发展空间。国内有两支主要的科研队伍,来自中国核工业的发祥地——中国原子能科学研究院,联合中国最高学府之一的北京大学,早在2011年就为建设一座可在中重核区产生高强度极端丰中子离子束装置而积蓄力量。双方力图在中国原子能科学研究院建造一台新型的北京ISOL。而且,这两支国内主要的核物理科研队伍和国际同类装置的研究团队如EURISOL有较好合作;同时旨在推动中美核物理界的合作研究、受到美国能源部资助的中美奇特核物理理论研究所已在2013年成立,并列入中美科技合作计划。这一切,都为北京ISOL创造了良好的国内外学术研究环境。

在2012年10月召开的北京ISOL国际咨询委员会会议上,国际专家评论,“北京ISOL以独特的组合方式,可望成为世界领先水准的放射性核束装置。”该项目在2014年8月召开的第502次香山科学会议上被列入我国核物理大科学装置发展路线图,并于2016年列入国家重大科技基础设施中长期发展规划。众所周知,香山科学会议是中国科学界专门就基础性、前瞻性和战略性,特别是涉及原创性问题的科学大讨论。被如此高规格会议重视,北京ISOL项目对未来科技发展举足轻重的作用何在?

扩大核物理版图:从“必然王国”向“自由王国”的跨越

人类对未知的渴望从未停止,并对实现这些渴望总是葆有十分的热情且不失理智的追求。北京ISOL项目就是国内顶尖的核物理科研机构和顶尖高校珠联璧合的产物。

世界核技术应用,已经从国防战略领域转向民用领域,也就是我们熟知的核电站。中国经过多年努力,也在核能和平利用领域不断突破,目前已成为在建机组最多、多技术、多堆型的核电大国。拥有完全自主知识产权的“华龙一号”三代核电技术已成为中国走向国际的“中国名片”。

中国核物理研究在短短60多年,已经从迫于现实需要向技术的理想王国进军。当然这也是每一个有理想的科学家的梦想:就是在科学技术的自主创新上,实现从“必然王国”向“自由王国”的跨越。

北京ISOL生而为成就此梦想,向核物理科学的“自由王国”进军,探索核科学发展的无限潜能。

简而言之,北京ISOL是一台大型的核科学装置,是一个可在中重核区产生比国内外现有装置强度高1~2个量级的极端丰中子离子束的新一代装置。它将在相当长时间内为放射性核束物理、核天体物理和超重核寻找等前沿研究提供国际最高水平的试验平台。“这是一台超级加速器,如果按照既定指标建成,二三十年内世界上不会有任何一个设备能达到中国的水平。”中国原子能科学研究院核物理所加速器专家崔保群研究员,跟我们分享了国际加速器学术会议上专家的反馈。

放射性核束物理的创新研究,是世界核物理研究的基础与前沿科学。北京ISOL将具体研究当前核物理研究的三个前沿热点问题:滴线区新物理、铁以上重元素的天体合成过程和超重稳定岛核素。

滴线区核物理的研究,将使人们了解原子核存在的极限,并发现大量原子核的新结构、新现象。众所周知,稳定原子核集中了自然界99%以上的可探测质量和能量,是过去上百年人类认识强作用及复杂量子体系的基础;与此同时,原子核之间的相互作用,裂变能和聚变核能的释放,对人类的生存发展和国家安全产生了重大影响。最近20多年的研究发现,原子核的版图可以大大扩张,实验室和天体环境中可能产生的不稳定原子核多达8000~10000个,而理论预言存在的核素可一直延伸到原子核的滴线。不稳定核具有许多新的奇特性质,例如在初期研究中发现的晕和集团等奇异结构、新幻数与壳演化、三体力和张量力等的突出作用、软巨共振、连续态强关联、核反应中的多步过程与多道耦合等。可以预见,在靠近滴线的原子核稳定性边界区,将出现更多的奇特现象,引起传统核理论的根本性变革。乐观谨慎地预言这一科研领域的美好前景,国际核物理界公认:“全面而系统地改写原子核结构的图谱,扩充原子核存在的版图,是一个充满了想象的科学高峰。”中国原子能科学研究院核物理基础研究室李志宏研究员用一个充满了想象的比喻为我们打开了原子核版图扩充的前景,“牛顿发现的万有引力有精确的计算公式,但是对于原子核之间的相互作用力,也就是核力,迄今为止人们还没有找到精确的计算公式,只能通过一些唯象近似来描述核相互作用。或许,对滴线区核物理的探索,会启迪人们对核力的新认识。”

作为20世纪留下来的重大物理学谜团之一的铁以上重元素的天体合成过程,主要是在远离稳定线的路径上以爆发的方式实现的。

攀登超重稳定岛是人类半个世纪以来的梦想,过去十几年超重核合成技术突飞猛进,但登上超重稳定岛依然任重道远。通过强流丰中子核素的熔合反应或重大质量转移机制的研究,为探索“超重核稳定岛”开辟了新路径。

这三个核科学热点问题的研究都依赖于高强度极端丰中子离子束。在目前国际上已建成和计划建造的大型核科学装置都无法产生这样高强度束流的情况下,北京ISOL的立项、开工并加快实施进度,在抢得一定时间先机的前提下,将使我国成为具有世界最先进水平的核物理基础研究的国际研究中心。

科学理论的预研、预判需要一定的实验平台来验证并推动、修正理论向新的方向进一步拓展,这是人类认识世界从“必然王国”向“自由王国”迈进的必经之路,也是北京ISOL将要推动的三个研究领域的重要意义。“在上述三个研究方向,北京ISOL建成后在未来20年将是国际上最具竞争力的新一代放射性束流装置。”有专家评述,除了理论研究的突破,不稳定核物理涉及众多新的核素样本和核数据,有可能在新型核材料、新型核能装置等方面引发目前还难以估量的重大应用。

科技大国必争之地,中国岂能慢人一拍?

正如谁能想到1896年放射现象的发现会导致半个世纪后原子弹和氢弹的出现一样,科学理论研究的终极目的,还是对技术飞跃的颠覆性变革,只是这一转化过程或长或短。

虽然北京ISOL推动的滴线区新物理、铁以上重元素的天体合成过程和超重核稳定岛的影响还需要假以时日,但基于现有科研理论的掌握,伴随北京ISOL运行所产生的实际应用效果,至少在如下两方面已经有比较清晰的图景。

第一、实现聚变堆材料抗辐射性能的测评。中国现在是世界上核电发展最快的国家,迫切需要核能材料辐照测评装置。国际热核聚变材料辐射装置(IFMIF)进展太慢,故国内核能界(包括聚变界)对自主建设核能材料辐照测评装置的呼声一直很高。随着国际热核聚变实验堆计划(ITER)国内配套项目的启动、中国聚变工程实验堆(CFETR)的提出及裂变电站新型容错燃料与燃料组件国产化的迫切需要,国内包括科研院所和高校在内的近50家单位近千名研究人员,都迫切需要一个能从事核能材料辐照损伤机理研究与抗辐照材料研发与测评的实验平台。由于核能材料的辐照所需时间长,有时甚至需要独占整台装置,国内正在筹建的其他装置远不能满足需求,因此北京ISOL项目的建设,是中国先进核能发展、尤其是聚变研究的必然要求。

北京ISOL的建成将使中国早于IFMIF在国际上首先实现聚变堆材料抗辐照性能的测评,成为聚变材料研发的国际科学中心,并与“中国聚变工程实验堆”一起在国际上率先实现聚变能的实际利用。

第二、多种粒子束应用研究。在不影响核物理研究和核能材料辐照测评的同时,北京ISOL可以提供脉冲离子束开展多种应用研究。北京ISOL同时是一个高精度核数据研究与测量平台,可以进行粒子活化分析、核反应分析、中子成像、核医学及核药物制备、中子单粒子效应研究等,可用于国家安全研究感兴趣的裂变产物核相关的反应、结构及衰变性质的研究,并提供一系列非常重要的数据,为国家安全研究提供必要的技术基础。

综上所述,北京ISOL建成后,具有技术指标先进、运行方式灵活、兼顾挑战性与可靠性、科学前沿探索与国家重大需求结合的优点。

“北京ISOL是‘高大上’和‘接地气’结合起来的梦想装置:既可进行原始创新的基础研究,也可开展与国家需求密切结合、与能源发展直接联系的核技术应用研究。”中国原子能科学研究院副院长、核物理专家柳卫平极其看好“梦想装置”前景。

当前,包括中国原子能科学研究院、北京大学、中科院近代物理研究所、上海应用物理研究所在内的放射性核束物理研究团队,大约有数百人。这些团队每年都要到国外申请束流时间,而国际核物理基础研究实验研究人员约为4000~5000人,国外的束流装置也十分紧张。因此,建成中国自己的新一代核束流装置平台,是迫在眉睫的事情。

北京ISOL开工后建设周期约为7年,2025年前后建成后预计每年提供束流时间约为8000小时,可提供百余个基础与应用平台,可满足千人以上的科研人员的实验需求。“这个平台,不仅对国内其他科研院所、高校和工业部门分层次免费开放,我们的目标是建成世界级大型核科学平台,吸引国内外最优秀的团队前来开展基础前沿和重大应用研究,形成强大的用户群体。特别是考虑到未来最顶尖的装置EURISOL可能因为欧洲经济停滞而搁浅,北京ISOL装置将可能成为国际核物理研究的中心。”李志宏介绍。

正是这些激动人心的科学目标和潜在应用的牵引,国际上所有科技大国均把不稳定核物理和技术作为必争之地作出重点部署,包括美国、欧洲、日本、韩国等都在建设此类新一代大科学装置。日本于2010年前后建成的当前世界功能最强大的强流质子加速器(J-PARC)和国际上不稳定核束流最强的重离子加速器(RIBF),吸引了世界顶尖的核物理学家在这个平台上做实验,日本俨然已成为国际核物理研究中心。

中国“梦想装置”前景明晰,岂能慢人一拍?(文章来源:《军工文化》第5期)

编辑:山石


   
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