北京ISOL：從“必然王國”向“自由王國”的核物理探索

龔遠(yuǎn)會

被稱為“夢想裝置”的北京ISOL，建成后在未來20年將是國際上最具競爭力的新一代放射性束流裝置。

從“必然王國”向“自由王國”的飛躍是人類歷史發(fā)展的總趨勢，這一馬克思恩格斯的哲學(xué)判定，同樣適用于科學(xué)研究領(lǐng)域。從核物理、尤其是中國核物理發(fā)展的特殊背景來看，中國目前已經(jīng)走過了追趕世界核物理科學(xué)的“必然王國”階段，那么，在向核科學(xué)“自由王國”探索的路徑上，我們何處覓高峰？或許，北京豐中子核束流裝置（英文縮寫B(tài)ISOL，以下簡稱“北京ISOL”）能在某些領(lǐng)域開辟新的路徑。

北京ISOL：香山科學(xué)會議定奪

120多年前的1896年，法國科學(xué)家貝可勒爾發(fā)現(xiàn)天然放射現(xiàn)象，人類便啟動了核物理探索的神秘之門。120年間，人類在原子核裂變與聚變等一系列重大核物理發(fā)現(xiàn)中，取得了豐碩的成果。核科技魔鬼與天使的雙面性，對人類生存發(fā)展和國家安全發(fā)揮了重大影響，成為大國戰(zhàn)略地位的重要基石。進(jìn)入21世紀(jì)以來，以興建若干大科學(xué)工程為標(biāo)志，核科學(xué)蓬勃發(fā)展并面臨重大突破，將在各國的基礎(chǔ)科學(xué)、能源、國防、技術(shù)應(yīng)用等領(lǐng)域起到重要作用。

然而，當(dāng)理論的探索或者預(yù)言越走越深又得不到實驗證實時，很多理論的預(yù)測與判斷就成為20世紀(jì)留下來的重大物理學(xué)謎團(tuán)之一。而解開這些謎團(tuán)，成為半個世紀(jì)以來科學(xué)家夢寐以求的夢想：比如對滴線區(qū)新物理、鐵以上重元素的天體合成過程、超重穩(wěn)定島核素等關(guān)鍵科學(xué)問題的突破，就需要高強(qiáng)度的極端豐中子核束。

極端豐中子核束的獲得需要一臺超“?！钡膶嶒炑b置，該裝置需要集合在線同位素分離法（ISOL）和入射粒子碎裂法（PF）兩大主要實驗設(shè)備的優(yōu)勢。當(dāng)今美國、法國、加拿大等國擁有水平一流的ISOL型裝置，美國、德國、俄羅斯、日本等國擁有PF型裝置，各自都無法單獨產(chǎn)生高強(qiáng)度的極端豐中子核束。ISOL+PF結(jié)合型裝置，利用ISOL形成的豐中子裂變束流搭了一個橋，再經(jīng)過PF就可以到達(dá)極端豐中子的區(qū)域，該方法目前只有歐洲各國正在聯(lián)合設(shè)計，稱之為EURISOL，官方給出的時間進(jìn)度是2030年之后?？紤]到歐洲各國目前經(jīng)濟(jì)停滯的不樂觀狀態(tài)，這項投資巨大的未來最頂尖的裝置何時能面世，還是一個未知數(shù)。

這恰恰給已經(jīng)掌握關(guān)鍵技術(shù)并具備一定實驗設(shè)備基礎(chǔ)，比如先進(jìn)研究堆、同位素分離器、PF次級束流線與放射線核束試驗裝置的中國留下了巨大的超越發(fā)展空間。國內(nèi)有兩支主要的科研隊伍，來自中國核工業(yè)的發(fā)祥地——中國原子能科學(xué)研究院，聯(lián)合中國最高學(xué)府之一的北京大學(xué)，早在2011年就為建設(shè)一座可在中重核區(qū)產(chǎn)生高強(qiáng)度極端豐中子離子束裝置而積蓄力量。雙方力圖在中國原子能科學(xué)研究院建造一臺新型的北京ISOL。而且，這兩支國內(nèi)主要的核物理科研隊伍和國際同類裝置的研究團(tuán)隊如EURISOL有較好合作；同時旨在推動中美核物理界的合作研究、受到美國能源部資助的中美奇特核物理理論研究所已在2013年成立，并列入中美科技合作計劃。這一切，都為北京ISOL創(chuàng)造了良好的國內(nèi)外學(xué)術(shù)研究環(huán)境。

在2012年10月召開的北京ISOL國際咨詢委員會會議上，國際專家評論，“北京ISOL以獨特的組合方式，可望成為世界領(lǐng)先水準(zhǔn)的放射性核束裝置?！痹擁椖吭?014年8月召開的第502次香山科學(xué)會議上被列入我國核物理大科學(xué)裝置發(fā)展路線圖，并于2016年列入國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施中長期發(fā)展規(guī)劃。眾所周知，香山科學(xué)會議是中國科學(xué)界專門就基礎(chǔ)性、前瞻性和戰(zhàn)略性，特別是涉及原創(chuàng)性問題的科學(xué)大討論。被如此高規(guī)格會議重視，北京ISOL項目對未來科技發(fā)展舉足輕重的作用何在？

擴(kuò)大核物理版圖：從“必然王國”向“自由王國”的跨越

人類對未知的渴望從未停止，并對實現(xiàn)這些渴望總是葆有十分的熱情且不失理智的追求。北京ISOL項目就是國內(nèi)頂尖的核物理科研機(jī)構(gòu)和頂尖高校珠聯(lián)璧合的產(chǎn)物。

世界核技術(shù)應(yīng)用，已經(jīng)從國防戰(zhàn)略領(lǐng)域轉(zhuǎn)向民用領(lǐng)域，也就是我們熟知的核電站。中國經(jīng)過多年努力，也在核能和平利用領(lǐng)域不斷突破，目前已成為在建機(jī)組最多、多技術(shù)、多堆型的核電大國。擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的“華龍一號”三代核電技術(shù)已成為中國走向國際的“中國名片”。

中國核物理研究在短短60多年，已經(jīng)從迫于現(xiàn)實需要向技術(shù)的理想王國進(jìn)軍。當(dāng)然這也是每一個有理想的科學(xué)家的夢想：就是在科學(xué)技術(shù)的自主創(chuàng)新上，實現(xiàn)從“必然王國”向“自由王國”的跨越。

北京ISOL生而為成就此夢想，向核物理科學(xué)的“自由王國”進(jìn)軍，探索核科學(xué)發(fā)展的無限潛能。

簡而言之，北京ISOL是一臺大型的核科學(xué)裝置，是一個可在中重核區(qū)產(chǎn)生比國內(nèi)外現(xiàn)有裝置強(qiáng)度高1～2個量級的極端豐中子離子束的新一代裝置。它將在相當(dāng)長時間內(nèi)為放射性核束物理、核天體物理和超重核尋找等前沿研究提供國際最高水平的試驗平臺?！斑@是一臺超級加速器，如果按照既定指標(biāo)建成，二三十年內(nèi)世界上不會有任何一個設(shè)備能達(dá)到中國的水平?！敝袊幽芸茖W(xué)研究院核物理所加速器專家崔保群研究員，跟我們分享了國際加速器學(xué)術(shù)會議上專家的反饋。

放射性核束物理的創(chuàng)新研究，是世界核物理研究的基礎(chǔ)與前沿科學(xué)。北京ISOL將具體研究當(dāng)前核物理研究的三個前沿?zé)狳c問題：滴線區(qū)新物理、鐵以上重元素的天體合成過程和超重穩(wěn)定島核素。

滴線區(qū)核物理的研究，將使人們了解原子核存在的極限，并發(fā)現(xiàn)大量原子核的新結(jié)構(gòu)、新現(xiàn)象。眾所周知，穩(wěn)定原子核集中了自然界99%以上的可探測質(zhì)量和能量，是過去上百年人類認(rèn)識強(qiáng)作用及復(fù)雜量子體系的基礎(chǔ)；與此同時，原子核之間的相互作用，裂變能和聚變核能的釋放，對人類的生存發(fā)展和國家安全產(chǎn)生了重大影響。最近20多年的研究發(fā)現(xiàn)，原子核的版圖可以大大擴(kuò)張，實驗室和天體環(huán)境中可能產(chǎn)生的不穩(wěn)定原子核多達(dá)8000～10000個，而理論預(yù)言存在的核素可一直延伸到原子核的滴線。不穩(wěn)定核具有許多新的奇特性質(zhì)，例如在初期研究中發(fā)現(xiàn)的暈和集團(tuán)等奇異結(jié)構(gòu)、新幻數(shù)與殼演化、三體力和張量力等的突出作用、軟巨共振、連續(xù)態(tài)強(qiáng)關(guān)聯(lián)、核反應(yīng)中的多步過程與多道耦合等。可以預(yù)見，在靠近滴線的原子核穩(wěn)定性邊界區(qū)，將出現(xiàn)更多的奇特現(xiàn)象，引起傳統(tǒng)核理論的根本性變革。樂觀謹(jǐn)慎地預(yù)言這一科研領(lǐng)域的美好前景，國際核物理界公認(rèn)：“全面而系統(tǒng)地改寫原子核結(jié)構(gòu)的圖譜，擴(kuò)充原子核存在的版圖，是一個充滿了想象的科學(xué)高峰?！敝袊幽芸茖W(xué)研究院核物理基礎(chǔ)研究室李志宏研究員用一個充滿了想象的比喻為我們打開了原子核版圖擴(kuò)充的前景，“牛頓發(fā)現(xiàn)的萬有引力有精確的計算公式，但是對于原子核之間的相互作用力，也就是核力，迄今為止人們還沒有找到精確的計算公式，只能通過一些唯象近似來描述核相互作用?；蛟S，對滴線區(qū)核物理的探索，會啟迪人們對核力的新認(rèn)識。”

作為20世紀(jì)留下來的重大物理學(xué)謎團(tuán)之一的鐵以上重元素的天體合成過程，主要是在遠(yuǎn)離穩(wěn)定線的路徑上以爆發(fā)的方式實現(xiàn)的。

攀登超重穩(wěn)定島是人類半個世紀(jì)以來的夢想，過去十幾年超重核合成技術(shù)突飛猛進(jìn)，但登上超重穩(wěn)定島依然任重道遠(yuǎn)。通過強(qiáng)流豐中子核素的熔合反應(yīng)或重大質(zhì)量轉(zhuǎn)移機(jī)制的研究，為探索“超重核穩(wěn)定島”開辟了新路徑。

這三個核科學(xué)熱點問題的研究都依賴于高強(qiáng)度極端豐中子離子束。在目前國際上已建成和計劃建造的大型核科學(xué)裝置都無法產(chǎn)生這樣高強(qiáng)度束流的情況下，北京ISOL的立項、開工并加快實施進(jìn)度，在搶得一定時間先機(jī)的前提下，將使我國成為具有世界最先進(jìn)水平的核物理基礎(chǔ)研究的國際研究中心。

科學(xué)理論的預(yù)研、預(yù)判需要一定的實驗平臺來驗證并推動、修正理論向新的方向進(jìn)一步拓展，這是人類認(rèn)識世界從“必然王國”向“自由王國”邁進(jìn)的必經(jīng)之路，也是北京ISOL將要推動的三個研究領(lǐng)域的重要意義?！霸谏鲜鋈齻€研究方向，北京ISOL建成后在未來20年將是國際上最具競爭力的新一代放射性束流裝置?！庇袑＜以u述，除了理論研究的突破，不穩(wěn)定核物理涉及眾多新的核素樣本和核數(shù)據(jù)，有可能在新型核材料、新型核能裝置等方面引發(fā)目前還難以估量的重大應(yīng)用。

科技大國必爭之地，中國豈能慢人一拍？

正如誰能想到1896年放射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)會導(dǎo)致半個世紀(jì)后原子彈和氫彈的出現(xiàn)一樣，科學(xué)理論研究的終極目的，還是對技術(shù)飛躍的顛覆性變革，只是這一轉(zhuǎn)化過程或長或短。

雖然北京ISOL推動的滴線區(qū)新物理、鐵以上重元素的天體合成過程和超重核穩(wěn)定島的影響還需要假以時日，但基于現(xiàn)有科研理論的掌握，伴隨北京ISOL運行所產(chǎn)生的實際應(yīng)用效果，至少在如下兩方面已經(jīng)有比較清晰的圖景。

第一、實現(xiàn)聚變堆材料抗輻射性能的測評。中國現(xiàn)在是世界上核電發(fā)展最快的國家，迫切需要核能材料輻照測評裝置。國際熱核聚變材料輻射裝置（IFMIF）進(jìn)展太慢，故國內(nèi)核能界（包括聚變界）對自主建設(shè)核能材料輻照測評裝置的呼聲一直很高。隨著國際熱核聚變實驗堆計劃（ITER）國內(nèi)配套項目的啟動、中國聚變工程實驗堆（CFETR）的提出及裂變電站新型容錯燃料與燃料組件國產(chǎn)化的迫切需要，國內(nèi)包括科研院所和高校在內(nèi)的近50家單位近千名研究人員，都迫切需要一個能從事核能材料輻照損傷機(jī)理研究與抗輻照材料研發(fā)與測評的實驗平臺。由于核能材料的輻照所需時間長，有時甚至需要獨占整臺裝置，國內(nèi)正在籌建的其他裝置遠(yuǎn)不能滿足需求，因此北京ISOL項目的建設(shè)，是中國先進(jìn)核能發(fā)展、尤其是聚變研究的必然要求。

北京ISOL的建成將使中國早于IFMIF在國際上首先實現(xiàn)聚變堆材料抗輻照性能的測評，成為聚變材料研發(fā)的國際科學(xué)中心，并與“中國聚變工程實驗堆”一起在國際上率先實現(xiàn)聚變能的實際利用。

第二、多種粒子束應(yīng)用研究。在不影響核物理研究和核能材料輻照測評的同時，北京ISOL可以提供脈沖離子束開展多種應(yīng)用研究。北京ISOL同時是一個高精度核數(shù)據(jù)研究與測量平臺，可以進(jìn)行粒子活化分析、核反應(yīng)分析、中子成像、核醫(yī)學(xué)及核藥物制備、中子單粒子效應(yīng)研究等，可用于國家安全研究感興趣的裂變產(chǎn)物核相關(guān)的反應(yīng)、結(jié)構(gòu)及衰變性質(zhì)的研究，并提供一系列非常重要的數(shù)據(jù)，為國家安全研究提供必要的技術(shù)基礎(chǔ)。

綜上所述，北京ISOL建成后，具有技術(shù)指標(biāo)先進(jìn)、運行方式靈活、兼顧挑戰(zhàn)性與可靠性、科學(xué)前沿探索與國家重大需求結(jié)合的優(yōu)點。

“北京ISOL是‘高大上和‘接地氣結(jié)合起來的夢想裝置：既可進(jìn)行原始創(chuàng)新的基礎(chǔ)研究，也可開展與國家需求密切結(jié)合、與能源發(fā)展直接聯(lián)系的核技術(shù)應(yīng)用研究。”中國原子能科學(xué)研究院副院長、核物理專家柳衛(wèi)平極其看好“夢想裝置”前景。

當(dāng)前，包括中國原子能科學(xué)研究院、北京大學(xué)、中科院近代物理研究所、上海應(yīng)用物理研究所在內(nèi)的放射性核束物理研究團(tuán)隊，大約有數(shù)百人。這些團(tuán)隊每年都要到國外申請束流時間，而國際核物理基礎(chǔ)研究實驗研究人員約為4000～5000人，國外的束流裝置也十分緊張。因此，建成中國自己的新一代核束流裝置平臺，是迫在眉睫的事情。

北京ISOL開工后建設(shè)周期約為7年，2025年前后建成后預(yù)計每年提供束流時間約為8000小時，可提供百余個基礎(chǔ)與應(yīng)用平臺，可滿足千人以上的科研人員的實驗需求?！斑@個平臺，不僅對國內(nèi)其他科研院所、高校和工業(yè)部門分層次免費開放，我們的目標(biāo)是建成世界級大型核科學(xué)平臺，吸引國內(nèi)外最優(yōu)秀的團(tuán)隊前來開展基礎(chǔ)前沿和重大應(yīng)用研究，形成強(qiáng)大的用戶群體。特別是考慮到未來最頂尖的裝置EURISOL可能因為歐洲經(jīng)濟(jì)停滯而擱淺，北京ISOL裝置將可能成為國際核物理研究的中心?！崩钪竞杲榻B。

正是這些激動人心的科學(xué)目標(biāo)和潛在應(yīng)用的牽引，國際上所有科技大國均把不穩(wěn)定核物理和技術(shù)作為必爭之地作出重點部署，包括美國、歐洲、日本、韓國等都在建設(shè)此類新一代大科學(xué)裝置。日本于2010年前后建成-的當(dāng)前世界功能最強(qiáng)大的強(qiáng)流質(zhì)子加速器（J-PARC）和國際上不穩(wěn)定核束流最強(qiáng)的重離子加速器（RIBF），吸引了世界頂尖的核物理學(xué)家在這個平臺上做實驗，日本儼然已成為國際核物理研究中心。

中國“夢想裝置”前景明晰，豈能慢人一拍？

必然王國

在馬克思恩格斯哲學(xué)中，“必然王國”是指“從物質(zhì)生產(chǎn)是人類生存和發(fā)展的必要性、不可或缺性方面來看，人類受自然力量的支配，對物質(zhì)的探索階段，活動是為了滿足現(xiàn)實需求”。

自由王國

在馬克思恩格斯哲學(xué)中，“自由王國”是指“人們生存活動的目的就在于自身，人的發(fā)展成了目的，勞動和其他一切人類活動都是為了實現(xiàn)主體自身的內(nèi)在需要”。