理论教育 中国物理学院士的研究领域发展趋势及成长之路

中国物理学院士的研究领域发展趋势及成长之路

时间:2023-11-04 理论教育 版权反馈
【摘要】:图7.5中国原子核物理学院士研究领域的发展趋势通过对中国原子核物理学院士研究内容的梳理,发现中国原子核物理学的发展呈现显明的时代特征。通过分析21世纪以来中国原子核物理学增选院士的研究领域和原子核物理学获得国家自然科学奖二等奖的项目,发现近些年原子核物理学的发展侧重重离子核物理这一分支,可见中国重离子核物理学得到了崛起式发展,这是顺应国际原子核主流发展方向的结果。

中国物理学院士的研究领域发展趋势及成长之路

图7.5 中国原子核物理学院士研究领域的发展趋势

通过对中国原子物理学院士研究内容的梳理,发现中国原子核物理学的发展呈现显明的时代特征(图7.5)。20世纪30年代原子核物理学在欧洲萌芽,由于它在军事领域的广泛应用,产生后不久即得到了迅速发展。中国第二代物理学家赵忠尧在美国、英国接触到了当时最前沿的原子核物理知识,回国后在清华大学首开核物理课程,培养了一批中国原子核物理的核心骨干;20世纪40年代,随着实验核物理学家钱三强、何泽慧等陆续回国,他们试图在中国建立一个联合原子核物理研究中心;1954年,朱光亚、胡济民、卢鹤绂等在北京大学中子物理教研室培养了中华人民共和国第一代核物理高级人才;钱三强领导的中科院近代物理研究所在20世纪50年代广揽人才迅速扩张;1958年,在苏联的支持下,中科院原子能研究所建成了中国第一台回旋加速器和第一座重水反应堆,这为我国发展原子核物理学提供了实验设施;但1959年后中苏关系恶化迫使中国独立自主发展原子核物理学,中国从20世纪30—50年代培养的原子核物理学人才有了真正的用武之地;20世纪60年代,中国大批原子核物理学人才分属理论设计、实验验证、工程技术3个领域,一次次实现关键原理和技术难题的突破,终于在1964年10月16日下午3时,中国的第一颗原子弹试验成功;1967年6月17日,中国第一颗氢弹空爆试验成功,标志着我国原子核物理达到国际先进水平,这个过程同时成就了一个强有力的原子核研究团队,诞生的“两弹一星”精神影响着一代代中国科学家奋发图强;“两弹”研制任务完成后,中国原子核物理学进入了常规发展时期,中国物理学院士在原子核理论研究、中子物理学研究、核聚变核裂变的实验研究、原子能的和平利用、核辐射防护等领域均取得了一定的成就,推动了我国原子能利用由军事向民用的转化。通过分析21世纪以来中国原子核物理学增选院士的研究领域和原子核物理学获得国家自然科学奖二等奖的项目,发现近些年原子核物理学的发展侧重重离子核物理这一分支,可见中国重离子核物理学得到了崛起式发展,这是顺应国际原子核主流发展方向的结果。1988年,兰州重离子加速器的建成开拓了我国重离子物理研究的新领域。20世纪90年代以来,中国放射性核束物理在中科院兰州近代物理研究所与中科院上海应用物理研究所的努力下,取得了世界先进水平的成就。

1)中国原子核物理学的萌芽与人才培养

20世纪30年代以来,赵忠尧、王淦昌、卢鹤绂等向国内引进了原子核物理学,在国内开设原子核物理课程、进行原子核理论及实验研究,促进了中国原子核物理学的萌芽和原子核物理人才的培养。钱三强组织筹建了中国科学院原子能研究所,并推动其发展成为中国首个综合性的原子能科学技术研究基地。

1931年,赵忠尧前往英国剑桥大学卡文迪许实验室,向卢瑟福学习了原子核物理方面的知识,同年回到清华大学担任物理系教授。当时中国的核物理研究几乎是空白,他在清华大学首开核物理课程和进行中国第一个核物理实验室建设。在如此简陋的条件下,他进行了一系列γ射线与原子核的相互作用、中子物理学等核物理实验研究,培养了一批中国原子核物理的核心骨干,例如王淦昌、钱三强、彭桓武、邓稼先、朱光亚、周光召、程开甲、唐孝威等。1946年,赵忠尧被委派至美国考察原子核物理进展和采购相关实验器材;1950年回国后,在从美国携带回国的实验器材基础上,完善了清华大学核物理实验室;1958年,负责筹建中国科学技术大学原子核物理与工程系(后改称为近代物理系),继续培养中国原子能科技人才[1]

1934年,王淦昌回国从教以来,直到核武器的研制过程中,他指导培养了周光召、邓稼先、于敏、程开甲、杜祥琬、胡仁宇、胡思得、唐孝威、吕敏、丁大钊、王乃彦、贺贤士等原子核物理学院士。1960年,王淦昌从苏联回国后,受命进行核武器实验研究,领导完成了核爆炸工艺研究和原子弹炸药组装任务,同时指导了中国多次地下核试验、爆炸物理试验、近区核爆炸探测和激光模拟核爆炸试验等;1964年,提出利用激光打靶实现核聚变的设想,倡导了中国激光惯性约束核聚变的理论和实验研究;1978年,开始关注原子能的和平利用,倡导中国核电站的建设,王淦昌有关原子核物理学的研究历程几乎与中国原子核物理学同步。

1941年,卢鹤绂获得美国明尼苏达大学博士学位后,回到正处于抗日战争中的祖国,教书育人与继续进行原子核物理的理论研究;1945年,首次在国际上公开了“估算铀235原子弹和费米型原子堆的临界体积的简易方法”,被称为“第一个公开原子弹秘密的人”;1949年,提出了最早期的原子核壳模型和计算核半径的新公式;1952年,与曹萱龄在国内首次观测到铀核裂变,研究出源厚度外推法,测量出铀核半衰期及铀核裂块在氧化铀层的射程;1954年,用费米气统计模型估算了铀235核裂变发出的中子数;同年,与朱光亚、胡济民等一起筹备北京大学中子物理教研室,这个研究室实质是培养中国第一代核物理高级人才的机密培训班,卢鹤绂自编教材、讲义,开设多门核物理重要课程,卢鹤绂虽未亲自参加中国首颗原子弹的研制,但1999年授予的11位“两弹”元勋中,有7位在该培训班中受教于卢鹤绂。

1947年,尚在法国留学的钱三强主张在中国建立一个联合原子核物理研究中心;1948年,钱三强回国后负责组建北平研究院原子学研究所;1949年,中华人民共和国成立后担任清华大学物理系主任,并参与提议设立中国科学院;1950年初,在中国科学院成立了近代物理研究所(1958年更名为原子能研究所),该研究所以原子物理学和放射化学为主要研究方向,并大力集聚原子核物理研究人才;1956年,近代物理研究所由初创时的十几人扩大到638人的大规模,形成了中国第一支核物理研究队伍,组成了中国原子核科学的研究中心,据1959年的统计,钱三强领导的原子能所全所职工达到3 586人,是全国第一大研究技术机构;1955年,国家层面作出了研制核武器的战略决定;1956年11月16日,设立了第三机械工业部(1958年2月,改为第二机械工业部),钱三强被任命为副部长,12月底,钱学森领导制定出中国原子能科学远景规划;1958年7月,二机部九局(第二机械工业部核工业局)成立,为了集中力量独立自主地突破原子弹技术难关,钱三强起到了“点将排兵”、“知人善任”的关键作用;从1960年初至1962年10月,钱三强推荐集聚了邓稼先、王淦昌、彭桓武、郭永怀、程开甲、陈能宽、朱光亚、王承书、于敏等多名科学家组成我国最精锐的核武器研制团队,推动了我国首颗原子弹、氢弹的成功研制[2]

2)“两弹”工程推动了中国原子核物理学的迅速发展

1964年10月16日下午3时,中国的第一颗原子弹试验成功;1967年6月17日,中国第一颗氢弹空爆试验成功,“两弹”的研制成功凝聚着大量中国原子核物理学家的心血,原子核物理学的发展集理论、实验、应用为一体,在每个领域,中国物理学院士均做出了杰出的贡献。

(1)“两弹”研制中物理学院士对原子核理论的贡献。

“两弹”工程研制中,中国物理学院士对原子核理论物理的贡献卓越,“两弹一星”元勋中涉及中国理论物理学院士的有邓稼先、彭桓武、程开甲、周光召、于敏、黄祖洽等。邓稼先院士是中国原子弹理论设计的总负责人,选定中子物理、流体力学和高温高压下的物理性质作为研制中国第一颗原子弹的理论主攻方向,按照“邓-于方案”(邓稼先-于敏)指导了中国第一颗氢弹的理论设计,邓稼先还亲自参与指导核爆轰模拟试验。彭桓武院士凭借自己深厚的理论物理功底,完成了原子弹反应过程的粗估计算,在氢弹理论研究中完成热核弹头的理论设计,并参与了我国地下核试验的理论领导工作。程开甲院士负责原子弹试验的总体工作,创立了我国自己的系统核爆炸及其效应理论。周光召院士在原子弹理论设计方案陷入困境时,从物理理论上证明了,采用特征线法进行计算的正确性。于敏院士发现了热核材料自持聚变反应的关键物理因素和方法,提出了研制氢弹从原理到构形基本完整的设想,在氢弹理论设计中起到了关键作用。黄祖洽院士组织领导了核潜艇用压水堆的初步理论设计和石墨堆、元件堆的理论研究和设计,其导出的带中子的辐射流体力学方程和反应动力学方程组,成为核弹理论研究常用重要方程组之一,此外在氢分子激发态的相互作用、浸润相变理论等方面也做了大量研究。在这些核物理学院士和其他科研人员的共同努力下,1962年9月,原子弹的理论设计工作完成,1966年12月氢弹装置的成功起爆标志着氢弹理论设计的正确性。

(2)“两弹”研制中物理学院士对原子核物理实验的贡献。

钱三强、何泽慧和杨澄中等留学期间主要从事原子核实验研究。1946年,钱三强和何泽慧在法兰西学院核化学实验室工作期间,与其他同事们一起发现了铀的三分裂变,钱三强对“三分裂”机制作了科学解释,由此获得法国科学院授予的“亨利·德巴微物理学奖”。1946年11月22日,何泽慧俘获了一个慢中子引起的铀的四分裂,成为四分裂径迹的首先发现者。杨澄中和戴传曾20世纪40年代末均留学于英国利物浦大学,杨澄中在霍尔特(J.R.Holt)教授的指导下,用自制的微分电离室开展了轻核削裂反应机制的研究;戴传曾在诺贝尔物理学奖获得者查德威克(James Chadwick)的指导下,与同学R.Middleton合作做氘核轰击其他原子核引起的中子角分布实验研究,产生了研究削裂反应的首批成果,同时采用黄昆在利物浦理论组提出的削裂反应理论计算方案,算出了很多原子核能级的宇称和自旋。他们回国后纷纷致力于相关原子核物理实验研究,为我国开展原子核物理实验创造了技术条件,为我国“两弹一星”的研制做出了贡献。

在“两弹”研制中,1960年,何泽慧负责组织点火中子源即合成氚化铀的研制,为首颗原子弹的爆炸成功做出了贡献;1965年初,何泽慧带领研究队伍用不到半年的时间,完成了氘-锂同位素反应截面测量的紧急任务,在首颗氢弹研制中起到了重要作用[3]。杨澄中院士在“两弹”研制中,领导完成了一批重要热核材料轻核数据的测量任务。戴传曾领导完成了大型电磁分离器等多种仪器的研制,并参与了核潜艇动力堆和核反应堆的设计工作。

(3)“两弹”研制中物理学院士对原子核工程技术的贡献。

在原子核理论设计与核物理实验的基础上,“两弹”的研制还需工程技术的支持,这涉及原子能技术的突破、相关仪器设备的制造、核物理试验诊断、同位素铀分离等工作,各部门相关任务的完成才能实现一次完整的原子核物理试验。据相关数据统计,从1964年我国开始首次核试验算起,到1996年共进行了45次核试验。

1962年9月,邓稼先、彭桓武领导的理论部完成原子弹的设计方案后,程开甲负责原子弹试验的总体工作。程开甲与彭桓武均受教于英国爱丁堡大学的马克思·玻恩,博士期间用正则运动方程导出狄拉克方程,提出了凝聚态的新的电子理论——TFDC(Thomas-Fermi-Dirac-Cheng,即托马斯—费米—狄拉克—程开甲)理论,与玻恩共同提出超导电的双带模型;1950年回国后,历任浙江大学、南京大学教授;1960年,担任第二机械工业部核武器研究院副院长,参加“原子弹”的研制工作,创立了我国自己的系统核爆炸及其效应理论,随后开展核试验技术研究工作,在全国、全军各有关单位的大力协同下,他们终于研制出1 000多台核试验需要的测试、取样、控制用的仪器设备,为首次核试验的成功奠定了坚实的技术基础;随后又参与了氢弹、第一枚导弹核武器等的爆炸试验研究。在这个过程中彭桓武也培养了一支高水平的核试验队伍[4];20世纪80年代,程开甲开创了中国抗辐射加固技术研究领域,先期利用核试验提供的辐射现场进行辐射效应和加固方法的研究,后来开始建造中国自主设计的核辐射模拟设施开展相关研究,推动了中国抗辐射加固技术的持续发展;2017年7月28日,国家授予程开甲同志“八一勋章”;2018年3月27日,程开甲院士获得2017—2018年度影响世界华人盛典“终身成就奖”。

原子能技术在核武器的研制中起着重要作用,“两弹一星”元勋获得者朱光亚院士为中国核武器事业的创建与发展做出重大贡献。1946年,朱光亚进入美国密歇根大学研究生院,在核物理学家M.L.Wiedenbeck的指导下从事核物理学的学习和研究。1949年取得博士学位,牵头与51名留美同学联名撰写了《给留美同学的一封公开信》,呼吁海外中国留学生回国参加中华人民共和国的建设。1950年回国后在北京大学从事核物理、原子能技术方面的教学与科学研究工作;1959年7月起,担任“两弹”研制的技术总负责人,负责确定中国原子弹、氢弹研究的主攻方向和关键技术及解决问题的技术途径等工作;1962年,主持编写了《原子弹装置科研、设计、制造与试验计划纲要及必须解决的关键问题》和《原子弹装置国家试验项目与准备工作的初步建议及原子弹装置塔上爆炸试验大纲》,这是我国核武器发展史上的“纲领性”文件,有效推动了原子弹等核武器的研制进程;20世纪70年代,进行了核燃料加工技术和核放射性同位素应用等项目的研究,并指导了数次竖井地下核试验;20世纪80年代,领导了我国潜地核导弹与中子弹的研制工作;1996年9月29日,我国在联合国签署《全面禁止核试验条约》后,朱光亚组织领导了“禁试”核试验条件下的中国核武器技术的革新工作;他同时还培养了陈佳洱、宋家树、王世绩等物理学院士[5]

在进行原子核试验的过程中,相关仪器设备的研制不可或缺,杨嘉墀院士指导研制了原子弹爆炸试验中所需的一些检测设备,例如火箭发动机试验用的仪器仪表及导弹加热、加载、测量系统等仪器设备;在中国第一颗人造地球卫星研制中,参加了人造卫星姿态控制和测量分系统的研究,杨嘉墀主持研制的三轴稳定姿态控制系统在返回式卫星和科学探测卫星的发展中贡献很大。

核试验物理测试及物理诊断提供的数据可以反映核武器的反应过程,是检验核武器性能的重要参数。王乃彦院士在核武器试验中的物理测试方面贡献突出,对探测器系统的响应函数、测试数据的解卷积复原处理等重要问题进行了创造性研究,为我国核武器测试技术的不断改进提供了重要的实验数据。核武器工程专家胡思得院士,在突破原子弹、氢弹及核试验的近区物理测试中,负责多个型号的核装置设计,攻克了一些重要关键技术,并提出了核试验中新的物理诊断项目。1964年5月,乔登江院士负责中国首次核试验场区的安全参数预测、核防护和核效应等工作,后来参加了地面、空中、地下、竖井等方式的20多次核试验,为取得准确的实验数据及保障科研人员和测试设备的安全做出了贡献,同时他对核爆炸效应也做了相关研究。吕敏院士在核物理诊断领域,做了大量的系统性、开创性的研究工作,1962年,在第一次核试验中,吕敏具体负责测量核链式反应动力学参数,后不断改进和完善了核装置链式反应动力学过程诊断的技术和方法,为“两弹”的研制提供了大量重要的实测数据,为我国初步建立核试验诊断体系和提高我国的核试验物理诊断水平做出了重大贡献。

20世纪50年代末,铀同位素分离是获得裂变核燃料的唯一途径,要成功研制“原子弹”,必须掌握铀同位素分离技术。王承书、吴征铠、钱皋韵和刘广均等组成精锐研究团队,先后解决了铀同位素分离领域数百个理论、技术、材料和工艺问题,为制成合格的核燃料做出了杰出贡献。1956年底,王承书负责组织领导铀同位素分离工作,为我国铀同位素分离的理论研究奠定了基础,推动了中国第一座铀浓缩气体扩散工厂的分批启动。1953—1955年,中国工程院院士钱皋韵在莫斯科大学进修,20世纪60年代初,领导研制出了气体扩散机中的核心元件分离膜,推进了铀同位素分离中气体扩散法的实现;后来主持并参与了包括离心机和辅助系统研制在内的一整套离心机研制体系的建立,推动了我国铀浓缩技术向离心法的过渡;接着筹建了离心机小批量生产线,促进了科研成果的迅速工业化。1956—1958年,刘广均前往苏联进修铀同位素分离专业,回国后在清华大学筹建了中国大学中首个铀同位素分离专业,1963年参与到铀同位素分离一线的工作中,在铀同位素分离理论的研究、气体扩散法的应用、气体分子运动论等方面成就突出,提高了浓缩铀的生产效率

3)和平年代中国原子核物理学各领域的平稳发展

20世纪60年代原子弹、氢弹的研制成功使我国原子核物理学接近了世界先进水平,同时在这个过程中也培养了大量的核物理人才。“两弹一星”研制任务完成后,这些人员有的依然奋斗在核武器制造领域,有的继续进行原子核理论研究,有的转入核聚变研究领域,有的开创了中子物理学与裂变物理实验研究,有的从事原子能的和平利用及核辐射防护等研究。

(1)物理学院士继续推动中国原子核理论物理发展。

杨立铭院士从20世纪70年代起,开展了原子核集体运动的微观研究,1974年,他与人合作提出了相互作用玻色子模型(IBM)的唯象理论,在国际上掀起了研究原子核低激发态的热潮,后提出了系统的IBM微观理论,受到国际同行的重视。1964年,卢鹤绂的学生杨福家院士,在玻尔研究所留学期间,证实了“玻尔-莫特逊模型”的预言,1965年回国后,推导出了“核级联衰变一般公式”,这一公式迅速成为测试环境污染程度的一个基本的计算公式。(2)物理学院士在中国中子物理学发展中的贡献。

在原子反应堆中,中子是释放原子能的媒介,在维持链式反应中起着重要的决定性作用,中子物理学作为研究中子的性质及中子与物质相互作用的一门学科,是原子核物理学的重要组成部分。

中科院原子能研究所的何泽慧、戴传曾等人开拓了中国中子物理学实验领域。在何泽慧的指导下,顾以藩研究小组研制出了应用飞行时间法的快中子能谱仪,开创了我国快中子测量领域的研究。何泽慧又指导完成了用乳胶方法测量快中子束能谱的实验,同时建立了中国自己的中子源强度和中子通量的标准,进一步推动了我国中子物理学的进步。在戴传曾的领导下,包括张焕乔在内的研究小组在核反应堆上建立了中国第一台“东风一号”中子晶体谱仪,测得了国内首批中子截面数据。1960年,戴传曾、张焕乔等人将一台中子晶体谱仪改建成中子衍射仪,该设备完成了中国首颗原子弹使用的点火中子源均匀性检验等任务。

1958年,胡仁宇研制成功中子发生器,并建立了快中子物理实验室进行中子物理学实验研究;20世纪60年代,胡仁宇提出通过测量核爆回收微尘样品裂变碎片中的铀和超铀同位素相对原子数,来测定中子能量范围的研究方法,以此诊断核装置爆炸的性能。1965年,丁大钊开展了中子核反应研究;20世纪70年代以来,参与了中子核数据系统的创建,负责开辟快中子核反应γ谱学分支学科,同时领导了热中子辐射俘获与原子核巨共振研究。(www.daowen.com)

1958年,魏宝文调入兰州中科院近代物理研究所,在杨澄中院士的指导下,完成了γ射线和快中子闪烁探测方法的研究;在兰州1.5 m回旋加速器上主持完成了9~12 MeV中子对的非弹性碰撞截面测量,在取得相关数据的基础上,采用快中子输运理论的Sn方法,对聚变反应堆再生区的中子分布进行了理论研究。中国工程院院士杜祥琬主要对核武器中子物理学有所研究,他对中子物理学计算精度的规律性进行了研究与改进,实现了核武器中子学理论计算的精确化,得到了数套高精确度的新参数,进而形成了基本完整且实用的系统核试验诊断理论,为新一代核武器的设计与试验成功提供了重要保证。

(3)物理学院士对中国裂变物理学的贡献。

裂变物理学是原子核物理学的基础学科,黄胜年院士在裂变物理学领域做了大量开创性的工作,开展了不同能量的中子引起的铀、钚、钍等10多个裂变体系的物理实验,进而测定了中国第一颗原子弹金属铀部件的本底中子;1979年后,与合作者一起对某种典型的低激发能裂变进行了系统详细的实验,首次观察到了轻带电粒子能量较低时中子与γ发射产生的一系列新现象,并得出氚和α粒子伴随裂变(三分裂)的各种关联特性。张焕乔院士于20世纪70年代中期转入裂变物理学的研究,对超铀核自发裂变的瞬发中子平均数和中子数目分布做了精确测量,该实验也推动了超钚核的测量研究;20世纪90年代末,张焕乔提出在质子滴线附近寻找质子晕核以及用转移反应作为探针研究稳定核的激发态中子晕的实验计划。此外,北京大学技术物理系的胡济民院士在我国核数据编评和核数据库的建立工作中,领导了裂变核数据计算和裂变机制的研究工作,后来提出了新的原子核宏观模型,并主编出版了《原子核理论》、《原子核的宏观模型》、《核裂变物理学》等专著[6]

(4)物理学院士与中国聚变物理学的发展。

核聚变是原子核反应的一种形式,中国和平利用核聚变主要集中于“惯性约束核聚变”和“磁约束核聚变”的应用。

1964年,王淦昌提出了利用激光打靶实现核聚变的设想,在他的引导下,我国原子核物理学院士在核聚变研究领域取得了一些成果。胡仁宇负责筹建了惯性约束聚变实验室。王乃彦院士在我国开辟并发展了粒子束惯性约束聚变研究。杜祥琬院士在有关强激光物理规律和关键技术研究中获重要成果,推动了中国氧碘化学激光等新型强激光技术跨入世界先进行列。王世绩院士研制出一系列设备进行激光打靶实验,创造性地提出并实现了双靶对接方案,并参加了“神光Ⅱ”高功率激光实验装置的研制。

在磁约束核聚变领域,李正武院士是该领域的奠基人之一。留美期间主要从事轻原子核反应实验研究;1955年回国后,协助赵忠尧研制完成了中国第一台2.5 MeV质子静电加速器和第一台电子静电加速器;20世纪60年代以后,李正武转入受控磁约束核聚变研究领域,在核工业西南物理研究院,参与我国自主设计的第一个大型托卡马克实验装置(中国环流器一号HL-1)的研制工作;1986年,指明了中国环流器一号的物理实验研究方向;1988年,提出了中国环流器二号(HL-2A)的概念设计框架,为中国环流器二号的成功建成奠定了基础。中国工程院院士潘垣是我国核聚变电磁工程的主要开拓者,先期负责制造“凌云”等中小型核聚变等离子体实验研究装置,后参与建造中国环流器一号(HL-1),同时负责完成了HT-6M托卡马克装置的脉冲电源与控制系统的升级改造。2002年底,核工业西南物理研究院严建成带领研究团队建成了中国环流器二号A装置(HL-2A),该项目获得2005年国家科学技术进步奖二等奖,为我国开展核聚变领域的前沿物理课题及工程技术研究提供了实验基础。

(5)物理学院士在中国原子核能和平利用中的作用。

1978年,王淦昌担任中国原子能科学研究院院长以来,开始关注原子能的和平利用。在他的倡导下,我国相继建设了秦山核电站与大亚湾核电站,朱光亚院士组织和指导中国第一座核电站——秦山核电站的筹建。1979年,戴传曾在赴美访问期间,受美国密苏里大学对单晶硅进行中子嬗变掺杂磷技术的启发,回国后即刻组织并指导民用微型中子源反应堆的研制,在此基础上研制出我国第一批中子嬗变掺磷的单晶硅,为中国原子能从军用走向民用迈出了重要的一步,戴传曾后来在建立中国核电安全研究体系方面也做出了突出贡献。

20世纪60年代,清华大学的王大中院士领导了屏蔽试验反应堆的设计、建造和运行,并建成了清华大学反应堆热工试验基地;20世纪70年代中期以来,积极发展高温气冷堆的研究,提出“模块式高温气冷堆”的新概念,领导研究和设计出了10 MW模块式高温气冷堆;20世纪80年代以来,又领导了低温核供热堆研究,在中国开创了核能供热应用新领域,并主持设计与研制成功了5 MW低温核供热堆,该堆是世界上首座建成运行的壳式核供热堆;王大中院士在我国开创的高温气冷堆和低温核供热堆研究,对我国开发与和平利用核能具有重要的作用。2015年8月,华能山东石岛湾核电厂发布建成了高温气冷堆核电站示范工程,这将带领中国核电站发展的进一步革新。

(6)物理学院士在中国核辐射防护研究方面的成果。

原子核辐射防护研究对保护研究人员的身体和抑制核辐射的消极影响等具有重要作用。李德平院士是我国核辐射防护研究的主要奠基人,1958年,李德平领导完成了中科院原子能研究所重水反应堆运行前的环境放射性本底测量工作,在此基础上研制出零功率反应堆剂量监测系统,这是我国自行设计的第一套核反应堆剂量监测系统,随后逐步建立了原子能研究所个人剂量、现场勘测和环境监测体系;1964年,李德平调入核工业部第七研究所(现中国辐射防护研究院)工作,为辐射防护和保健物理领域的科研工作做出了令世界公认的贡献,曾于1985—1997年连任三届国际放射防护委员会(ICRP)主委会委员。

20世纪80年代,程开甲院士开创了中国抗辐射加固技术研究领域。1987年,吕敏院士、乔登江院士等也从核武器研究一线转入抗辐射加固技术的研究。胡仁宇院士组织科技人员对快速脉冲辐射场测试技术进行了改进,这些工作均促进了中国抗辐射加固技术的持续发展。

4)20世纪70年代以来中国重离子核物理学的崛起

重离子束在原子核物理学中的应用开拓了重离子核物理学的研究领域,带动了大型重离子加速器的研制。在重离子核物理学发展的基础上,20世纪90年代末,放射性核束物理逐渐兴起,成为近20年来原子核物理学最具发展潜力的研究领域之一,我国物理学院士在这些领域近些年做出了突出成绩。

(1)物理学院士对中国重离子核物理学的贡献。

1957年,杨澄中院士带领中科院原物理研究所选调的20多名科技人员共同创建了中国科学院兰州物理研究室,1962年,与二机部“613”工程处合并为兰州近代物理研究所,致力于“两弹”等国防科研任务的执行;1973年,在国际重离子物理学迅猛发展的形势背景下,中科院兰州近代物理研究所将研究重点转向低能重离子核物理和重离子的应用等研究,经过60多年的发展,该研究所已成为在国际上有重要影响的重离子科学研究中心。

1958年,杨澄中率领团队开始筹建我国1.5 m经典回旋加速器的研制,在该加速器上进行了轻核反应实验,为中国氢弹的研制做出了贡献;20世纪70年代初,为发展我国的重离子核物理研究,研究团队将1.5 m回旋加速器改造成重离子加速器,在中国率先开展了低能重离子物理基础研究。在第二任所长魏宝文院士的领导下,1988年建成我国第一台大型重离子加速器(HIRFL),其主要技术指标达到了当时国际先进水平,并获得1992年国家科技进步奖一等奖,开拓了我国中能重离子物理研究的新领域;1991年,成立了兰州重离子加速器国家实验室,魏宝文提出了在兰州重离子加速器上,开展放射性束物理研究、电子回旋共振(ECR)离子源和续建冷却存储环的计划,这些设想引导了近30年来兰州重离子加速器的研制历程。

詹文龙是魏宝文院士提出设想的主要践行者,1997年,近代物理研究所的研究人员在兰州重离子加速器上建成了中能放射性束流线(RIBLL),为我国开展放射性束物理研究创造了条件;2006年,赵红卫、詹文龙主持建成了“超导高电荷态ECR(电子回旋共振)离子源”,使兰州重离子加速器的束流强度显著提高,同时使兰州重离子加速器的运行水平进入国际先进行列,该项目也获得了2008年国家科学技术进步奖二等奖;2008年,詹文龙负责进行的国家大科学工程“兰州重离子加速器冷却储存环”(HIRFL-CSR)通过国家验收,冷却储存环(CSR)的投入使用为中国重离子核物理、放射性束物理、核天体物理等基础研究以及生命科学、航天科技等应用研究,提供了先进的实验条件,该项目获得了2012年国家科技进步二等奖;近年来,詹文龙院士致力于重离子治癌临床研究。

(2)物理学院士对中国放射性核束物理的贡献。

中国科学院上海应用物理研究所是我国进行放射性核束物理的研究中心,20世纪70年代,该研究所的沈文庆院士与合作者在实验中证实了低能核反应中存在大质量转移反应引起的α粒子发射现象,后来在德国重离子研究中心实验测得4个新核素,并分析了这些新核素对合成超重核的影响,提出了适用于低能和中能的核反应截面参数化公式。沈文庆主持的“重离子核反应的集体效应和奇异核产生及其性质研究”获得2001年国家自然科学奖二等奖。该研究所的马余刚院士,首次提出了用核的输运理论研究核反应总截面的新方法,在放射性核束物理方面,与沈文庆一起进行了奇异核的结构、性质和奇异核的反应研究,同时把核技术和核分析手段引入同步辐射装置的应用中,利用上海同步辐射光源(SSRF)得到1~25 MeV准单色极化γ束,以建成“上海激光电子伽玛源”(SLEGS),进而开创中国光核物理研究的新领域。马余刚主持的“重离子碰撞中的反物质探测和夸克物质的强子谱学与集体性质研究”获得2016年国家自然科学奖二等奖。

1997年,兰州重离子加速器国家实验室建成了中能放射性束流线(RIBLL);2006年完成了“超导高电荷态ECR(电子回旋共振)离子源”的改造;2008年建成的“兰州重离子加速器冷却储存环”(HIRFL-CSR)已投入使用。1999年,丁大钊院士担任北京串列静电加速器核物理国家实验室主任,负责串列静电加速器的建造,在HI-13串列加速器上建成了次级束流线装置(GIRAFFE);2014年,HI-13串列加速器升级工程(BRIF)的关键实验设施建成,100 MeV质子回旋加速器首次调试出束,这些都将为放射性核束物理和核天体物理的进一步研究提供更加完善的实验条件。

【注释】

[1]段治文,钟学敏.核物理先驱——赵忠尧传[M].杭州:浙江人民出版社,2007.

[2]葛能全.魂牵心系原子梦——钱三强传[M].北京:中国科学技术出版社,2013.

[3]刘晓.卷舒开合任天真——何泽慧传[M].北京:中国科学技术出版社,2013.

[4]熊杏林.程开甲的故事[M].北京:人民出版社,2018.

[5]顾迈男.朱光亚与新中国核科技事业[J].百年潮,2011(11):67-71.

[6]钟云霄.核物理学家——胡济民传[M].北京:北京大学出版社,1997.

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