香山科学会议第502次学术讨论会综述

　　放射性核束物理是国际上原子核物理的学科前沿。从八十年代中期开始放射性束的实验后，人类研究的核素范围就迅速扩大，发现了许多新现象和新效应。远离稳定线核的性质与多类天体过程、核物质的状态方程密切相关，是前沿交叉科学的重要问题。合成超重元素，登上“超重稳定岛”是人类半个多世纪以来的梦想，丰中子核的熔合反应和大质量转移反应有可能提供进入“超重稳定岛”的新途径。这些方面都有望实现重大突破。另一方面，按照国家核能发展的战略,我国的核能须走出自主创新的道路。核能系统的安全性、经济性及服役寿命与核能材料密切相关。目前国内外都缺乏能够用于核能材料耐辐照性能检验的中子辐照装置。多用途的加速器装置，可应用于核能、航天、辐照、核反应数据等广泛应用领域的研究。因为上述广泛的基础和应用前景，各科技强国均投入了大量力量建造新一代大型放射性核束的实验装置，如美国的FRIB、欧洲的FAIR、日本RIBF、法国SPIRAL2，韩国RAON和欧洲未来的EURISOL等。我国正在启动的HIAF装置和正在筹备的北京ISOL装置是在国际上具有开创性和很强竞争力的计划，目标是在10-15年左右建成，实现中国核物理研究的根本性跨越，进入国际核物理领域的领先集团，同时支撑核科技重大应用。

　　 为明确核物理前沿和国内先进核能发展对核科学大型装置的需求，在核科学领域落实我国大型基础科学设施2030规划，梳理我国核物理研究和技术基础，提出未来20年我国核物理大装置的发展路线图，形成对核物理及相关科学技术发展趋势和路线的共识，为我国政府部门决策提供依据，以“我国核物理和核科学装置发展研讨”为主题的香山科学会议第502次学术讨论会于2014年8月28-29日在北京香山饭店召开。会议聘请柳卫平研究员（中国原子能科学研究院）、叶沿林教授（北京大学）、王乃彦研究员（中国原子能科学研究院）、沈文庆研究员（中科院上海应用物理研究所）、肖国青研究员（中科院近代物理研究所）担任执行主席，来自高等院校、科研院所和管理部门的40多位专家学者应邀出席了讨论会。与会专家围绕大型核基础科学装置发展技术前沿、放射性核束物理与核天体物理前沿科学问题、大型核基础科学装置涉及的重大需求和应用等三个中心议题进行了深入交流和讨论。

　　一、 主题评述报告与讨论

　　 叶沿林教授作了题为“核物理前沿科学问题”的主题评述报告。他介绍了当前核物理的主要前沿，着重分析和说明了放射性核束（RIB）物理可能有重大突破的三个方面：滴线区新物理、攀登超重岛和铁以上元素的天体合成过程。我国基于过去30年的持续发展和积累，在放射性核束物理领域将面临难得的实现历史性跨越的机遇。他具体分析了国外某些大装置和相关研究工作在过去15年实现关键跨越的发展路线和经验启示，探讨了未来15年左右我国核物理装置上的研究从有选择的主流方向走向引领的前景和重点。他从走向引领的角度分析了本领域高水平青年人才培养的紧迫性，以及开展服务于国内发展需要的国际合作的重要性。

　　 柳卫平研究员做了题为“我国核物理装置发展及路线图建议”的主题评述报告，他概述了国内外加速器核物理大科学平台的发展历史。上世纪40年代以来，核物理研究以稳定核束加速器为开端，依次发展了回旋、静电/串列、直线和同步加速器，目前这些加速器中有些仍在运行。从90年代开始，在先进物理目标的驱动下，不稳定核束（即放射性核束）的加速器装置逐渐增多。他比较了产生不稳定核束的在线同位素分离（ISOL）方法与弹核碎裂（PF）方法，并介绍了将两个方法结合产生高强度不稳定束流的北京ISOL思路。他综述了国内外已有、在建和计划中的核物理不稳定核束装置情况，他针对未来放射性核束装置高流强、高品质、多用途的发展方向，提出了以HIAF和北京ISOL为标志的我国未来核物理装置发展的路线图。

　　 上述两个主题评述报告引起与会专家的热烈讨论。与会专家们一致认为HIAF和北京ISOL这两个装置具有先进性和互补性，建成后能使我国在核物理领域走到世界第一集团，并提供多学科多领域重大应用支撑。北京ISOL装置在获得丰中子核束上具有非常好的创新性和很大的应用前景，我国应当抓住这个难得的机遇。与会专家还建议：要加大对核物理的宣传和人才吸引力度，加强与科研管理部门的沟通，得到更好支持。建议科技部、基金委、中科院等加强对核科技重大仪器的建设。考虑到像北京ISOL这样的大科学工程的研究周期比较长，可以先就关键技术进行预先研究，突破关键技术，建立原理性样机，为工程建设打下基础，在这方面应该给予专项经费支持。

　　二、 大型核基础科学装置发展技术前沿

　　 题为“国内外大型核基础科学装置发展技术前沿”的中心议题评述报告中指出，为了提升加速器的束流指标和性能并降低建造成本，人们一直在致力于发展加速器技术。尾场加速原理、超导技术、射频超导加速腔、随机冷却技术、激光冷却等新原理和新技术为下一代重离子加速器获得纳秒级超短脉冲高功率束团奠定了技术基础。报告有针对性地评述了国内外的核物理大科学工程的技术特点和进展情况。

　　 与会专家指出，中国是大国，和欧洲相比，中国核物理装置是少而不是多。如果没有一流的装置，就不能出一流的科学家和取得国际一流的研究成果。对于大科学装置，我们要使用一个，建设一个，再酝酿一个，这样才能跟上国际发展，才能实现从“紧跟”走向“并行”、并逐步实现“引领”。

　　 与会专家认为，两个科学工程要布局为建成之日还有先进性，所以指标要有前瞻性，还要有继续升级的空间；北京 ISOL 在双源驱动在运行上具备灵活性，提供的中子场和同位素范围与 HIAF 装置形成很好互补；他建议两个装置的科学目标作为用户装置，可以有更广的覆盖性。双源驱动是一个很好的考虑，两个驱动源在使用时间上、产生的碎片种类上、应用上都是互补的，北京ISOL从技术上总体来说是可行的。装置指标要有前瞻性，保证建成后不落后，所以应该有升级的计划，同时科学目标要有一定的覆盖性，以便吸引更广泛的用户群体。除了使用铀做靶，还可以使用超铀元素等做靶，这样产生的束流种类和强度会有不同。

　　三、 放射性核束物理前沿科学问题

　　 题为“放射性核束物理前沿科学问题”的中心议题评述报告指出，产生远离稳定线原子核深入理解原子核的结构和性质，是放射性核束物理的基础目标。通过先进的核物理大科学工程，核物理学家将合成比较重的中子滴线核素并认识这些区域的新物理，攀登超重岛，认识重元素的天体合成机制。这些研究任重而道远。核物理是实验科学，涉及到重大科学装置和仪器，国际合作已变成常态。

　　 北京ISOL建成以后产生的国际最高强度的丰中子核素，应同时布局建设相关实验测量终端，测量这些核的质量、衰变特性、能级结构和中子辐射俘获反应截面等，这对人们研究原子核壳结构的演化、天体r过程的核合成路径及走向，破解重元素产生的重大疑难问题具有重要的意义。北京ISOL装置基于比较实际的计算得出，丰中子束流强度比国际当前最好的装置高一个量级，这已经很不容易，可以保持装置的先进性领先很长时间。HIAF的能量范围更宽，北京ISOL提供的丰中子束流强度更高，各自有优势的物理研究目标和不稳定核素区域，如前者在质量测量方面的优势，后者在近滴线核衰变和反应测量的优势，结合起来有利于全面开展远离稳定线原子核的新物理研究。对于攀登超重岛的反应机制，HIAF有利于开展大质量转移机制的研究，而北京ISOL有利于开展采用丰中子束流的融合反应研究，实现互补。在应用方面，HIAF在重离子治癌等方面，北京ISOL在产生聚变中子谱等方面，也各自具有独特的优势。

　　四、 大型核基础科学装置的需求和应用

　　 与会专家认为，要大力发展辐照模拟技术,积极开展相应的材料筛选与辐照机理的研究,缩小我国核燃料和材料辐照性能研究与先进国家的差距。要通过大科学工程的建设，抓住当前核材料与核燃料专业领域发展的重大机遇期,努力赶超世界先进水平。HIAF在产生远离稳定线原子核、精确测量短寿命原子核质量、重离子驱动产生高能量密度物质方面极具优势。不同能谱的中子，可用于测量核燃料循环和核安全领域感兴趣的中子引起的核反应数据。采用踢束技术还可以在不影响其它实验的同时进行核反应模型和核天体物理研究，以及粒子活化分析、中子成像、核医学及核药物制备、航天器件单粒子效应等更为广泛的应用研究。若建成北京ISOL对新一代先进核能系统的研究将是非常好的支撑。聚变里面很大的问题也是材料，其中材料测评是个挑战，到现在也没有解决。材料的辐照损伤是国际上普遍关注的问题，北京ISOL可以积极地为核能系统材料提供核能结构材料的辐照效应数据，为材料生产的工艺改进提供依据，制备高性能的抗辐射新材料。

　　五、 会议总结与专家建议

　　 与会专家经过广泛交流和深入讨论，形成了共识并提出了建议。

　　1. 核物理基础研究的主流前沿之一是放射性核束物理与核天体物理，该领域酝酿着多方面重大发现的机遇并与核科技应用密切相关，因此已成为各科技强国均重点部署的必争之地。基于过去几十年国际发展状况和国内长期积累的分析，未来15年左右是我国在这一主流领域实现历史性跨越、进入国际第一集团、在若干主要方面实现引领的关键机遇期。该领域的高水平研究对强流加速器装置有强劲的需求。由此发展出的强流中子源是先进核能系统材料研发中急需和必不可少的装置。

　　2.会议形成以下关键科学问题与共识

　　 1)放射性核束物理前沿科学有三方面重大发现的机遇：（1） 滴线区新物理；（2） 攀登超重岛的新机制；（3） 铁以上元素的天体形成过程。

　　 2)HIAF在产生远离稳定线原子核、精确测量短寿命原子核质量、重离子驱动产生高能量密度物质和高能电子离子碰撞等方面具有优势。

　　 3)北京ISOL建成以后，能够在Ni 到 Sn的中子滴线区域产生高强度的极丰中子核素，束流强度比当前国际上建成和在建的最先进的三代放射性束装置强度高1-2个量级，这对研究远离稳定线原子核的奇异结构和壳演化、核反应机制与超重元素合成、天体r过程的核合成路径与走向等重大科学问题具有重要的意义。

　　 4)核科学平台对我国核能发展将会起到很好支撑作用，应大力发展辐照模拟技术，积极开展相应的材料筛选与辐照机理的研究，研发先进的有自主知识产权的核燃料和抗辐照新材料。

　　 5)北京ISOL和 HIAF 都是多用途的加速器装置，可以用于核能材料辐照测评，还可用于航天抗辐射加固、中子核反应数据、中子成像和核效应分析等领域的研究。上述方面需求强劲，两个装置各有侧重，可为我国核科学发展提供必要的基础实验平台。

　　 6)CIADS工程技术发展中积累的强流加速器和靶源技术为上述两个工程提供了很好的技术参考和支撑。

　　 7)北京ISOL和 HIAF两个工程在基础科学目标和满足国家重大需求方面优势互补，各有侧重，与国际潮流和布局的方向一致。

　　 3.会议对今后发展的建议

　　 1)加强核物理领域、加速器领域与相关应用领域的沟通与合作，有计划有步骤有重点地建设下一代国际高水平的核物理大科学装置，在10到15年实现我国核物理基础研究和应用的大跨越，进入国际第一集团。

　　 2)在大装置建设的同时，应当持续加强物理研究的学术基础、理论指导、实验路线、队伍建设、话语权积累等，形成引领性的方向，逐步吸引国际优秀团队参与和贡献，并带动和帮助发展中国家在核物理领域的进步。中国的下一代大型科学研究平台应成为高水准的国际科学研究中心和真正的国际化用户装置。

　　 3)大力促进与国内发展紧密配合的国际合作，包括有计划的人才培养和对国际核科学发展的贡献。

　　 4)基于国际比较，希望国家加大大科学装置的总的建设费用。大科学装置建设费用还应充分考虑实验终端的建设费用。

　　 5)北京ISOL提供了我国核科学发展难得的机遇，其加速器和探测器关键技术研究要预先部署，应该启动预先研究，争取尽快立项。