20世紀(jì)的中國核科學(xué)技術(shù)與工程
引言
19世紀(jì)和20世紀(jì)之交，相對論和量子力學(xué)的創(chuàng)立，突破了經(jīng)典物理學(xué)的局限，揭示了物體在高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的規(guī)律，打開了微觀世界的大門，宣告了現(xiàn)代物理學(xué)的誕生�，F(xiàn)代物理學(xué)在更深的物質(zhì)結(jié)構(gòu)層次和更廣闊的時(shí)空領(lǐng)域內(nèi)擴(kuò)展了人類對自然界的認(rèn)識。
原子核作為物質(zhì)結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要層次，是研究微觀世界運(yùn)動(dòng)規(guī)律的內(nèi)容豐富的對象。原子核物理的發(fā)展，從100多年前發(fā)現(xiàn)天然放射性開始，到20世紀(jì)30年代以前，大體上確立了原子核?核反應(yīng)和核衰變等基本事實(shí)。30年代，以正電子和中子的發(fā)現(xiàn)?人工放射性的獲得和裂變現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)為標(biāo)志，使原子核物理成為一門新興學(xué)科。隨著加速器技術(shù)的進(jìn)步，入射粒子能量的不斷提高和粒子品種的更趨豐富，又將原子核物理對于物質(zhì)世界結(jié)構(gòu)的研究引向更小的物質(zhì)基石，導(dǎo)致了50~60年代粒子物理學(xué)科的興起。兩者在分流多年后又在更深的層次上重新組合，產(chǎn)生了高能核物理學(xué)。原子核物理與其他學(xué)科相結(jié)合，也形成了許多門類的交叉學(xué)科。原子核物理開發(fā)的許多實(shí)驗(yàn)技術(shù)和理論方法，已廣泛地應(yīng)用于現(xiàn)代物理學(xué)的其他學(xué)科，如原子物理?分子物理和凝聚態(tài)物理等。
還應(yīng)指出的是，1938年鈾核裂變的發(fā)現(xiàn)，開辟了原子核科學(xué)技術(shù)的一個(gè)重要的應(yīng)用領(lǐng)域，宣告了一種劃時(shí)代的新能源，即核能的誕生。1942年核裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的實(shí)現(xiàn)，使核能的實(shí)際利用成為可能。但在第二次世界大戰(zhàn)的特殊歷史背景下，核能技術(shù)被率先用于研發(fā)核武器。在愛因斯坦等科學(xué)家的建議和推動(dòng)下，美國總統(tǒng)羅斯福批準(zhǔn)實(shí)施研制原子彈的“曼哈頓計(jì)劃”。1945年7月，美國在阿拉莫戈多沙漠爆炸了第一顆原子彈。同年8月，又將兩顆原子彈相繼投向日本廣島?長崎，使這兩座城市瞬間變?yōu)閺U墟。核武器從此登上歷史舞臺，并且對戰(zhàn)后世界政治?經(jīng)濟(jì)和軍事產(chǎn)生了極為深遠(yuǎn)的影響。
戰(zhàn)后，核能和其他核技術(shù)的和平利用被提上日程，并受到廣泛關(guān)注。很多國家都開展了相關(guān)技術(shù)的探索。1954年，蘇聯(lián)建成世界上第一座利用核裂變能量的核電站，開拓了核能技術(shù)和平利用的前景。70年代，隨著核電站進(jìn)入了商業(yè)運(yùn)行，核能逐步成為世界經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的重要能源之一。與此同時(shí)，科學(xué)家還不斷探索利用核聚變能源的技術(shù)途徑，以期更有效地解決能源問題。此外，放射性同位素?核輻射和粒子束也已被廣泛地用于工業(yè)?農(nóng)業(yè)?醫(yī)學(xué)和環(huán)境保護(hù)。
我國核科學(xué)技術(shù)和工業(yè)起步較晚，直到新中國成立后，才得到了迅速的發(fā)展。到20世紀(jì)末，我國在涉核主要領(lǐng)域的科學(xué)技術(shù)水平都已進(jìn)入國際先進(jìn)行列，建立起了較完整的核基礎(chǔ)工業(yè)體系，造就了一支宏大的科技專家隊(duì)伍，不僅有力地支持了核武器?潛艇核動(dòng)力的發(fā)展，為維護(hù)國家安全?提升國際地位做出了重要貢獻(xiàn)，還推進(jìn)了核電事業(yè)的快速發(fā)展和核技術(shù)在經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展中的廣泛應(yīng)用。
我國核科學(xué)技術(shù)和工業(yè)就其發(fā)展進(jìn)程而言，大體可劃分三個(gè)互有交叉的階段。20世紀(jì)20~50年代，可視為初創(chuàng)階段。其中，從20~40年代，我國核科學(xué)技術(shù)的先驅(qū)者們懷著“科學(xué)救國”?“教育救國”的宏愿大志，或遠(yuǎn)赴歐美留學(xué)，積極參與當(dāng)時(shí)世界核科學(xué)前沿的研究工作，或在國內(nèi)十分困難的條件下堅(jiān)持開展原子核物理和放射化學(xué)的研究。他們的工作為我國核科學(xué)技術(shù)的起步?發(fā)展做出了貢獻(xiàn)。
新中國成立后，我國核科學(xué)技術(shù)出現(xiàn)了前所未有的發(fā)展機(jī)遇。特別是1955年，黨中央做出我們也要搞原子能的戰(zhàn)略決策后，原子能事業(yè)開始加速發(fā)展。從1950年中國科學(xué)院成立近代物理研究所起，在不到10年的時(shí)間內(nèi)，我國先后成立了三個(gè)原子核物理研究機(jī)構(gòu)，形成了一支老中青相結(jié)合的科研人才隊(duì)伍，在開展原子核物理?放射化學(xué)和宇宙射線等研究的同時(shí)，建設(shè)起一批實(shí)驗(yàn)研究的設(shè)施，初步形成了滿足當(dāng)時(shí)需要的研究能力。鈾礦資源勘查工作也取得了突破性進(jìn)展，為首批鈾礦的建設(shè)提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。與此同時(shí)，20余所高等院校設(shè)立了原子核科學(xué)技術(shù)的專業(yè)，陸續(xù)向核科學(xué)技術(shù)研究單位和工礦企業(yè)輸送了大批人才。這樣，就為轉(zhuǎn)入下一個(gè)發(fā)展階段做好了準(zhǔn)備。
50年代后期，我國核科學(xué)技術(shù)進(jìn)入了以軍事應(yīng)用為主要牽引的發(fā)展階段。1958年核武器研究所和核試驗(yàn)基地的成立，標(biāo)志著我國核武器研制工作開始起步。1959年，蘇聯(lián)毀約停援后，核武器研制完全轉(zhuǎn)入自力更生的軌道。在全國有關(guān)部門的大力協(xié)同下，經(jīng)過科研人員30多年艱苦卓絕的努力，先后實(shí)現(xiàn)了原子彈?氫彈?中子彈?核武器小型化等一系列里程碑式的突破，以遠(yuǎn)少于其他核武器國家核試驗(yàn)的次數(shù)，使我國的核武器性能達(dá)到了與先進(jìn)核大國相當(dāng)?shù)乃�平。我國潛艇核�?dòng)力裝置的研究設(shè)計(jì)也是于1958年起步的，并于1971年完成研制并裝艇。其間，先后突破了裝置設(shè)計(jì)，燃料元件制造和堆內(nèi)?外考核，設(shè)備材料和專用儀器儀表的研制，陸上模式堆建造等關(guān)鍵技術(shù)。其后的試航表明，核動(dòng)力裝置各項(xiàng)性能均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，使我國成為世界上第五個(gè)擁有核潛艇的國家。核科學(xué)技術(shù)在軍事上的成功應(yīng)用不僅有力地帶動(dòng)了鈾礦資源的勘查?鈾水冶和轉(zhuǎn)化?鈾濃縮?乏燃料后處理?鈾和钚冶金以及輕核材料生產(chǎn)等技術(shù)的研發(fā)?完善以及相應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)線的建設(shè)，也促進(jìn)了核物理?核探測?加速器?核反應(yīng)堆?核聚變?放射化學(xué)和核化工等方面理論和技術(shù)的發(fā)展。
80年代初，隨著我國核工業(yè)實(shí)現(xiàn)“軍轉(zhuǎn)民”的戰(zhàn)略調(diào)整，我國核科學(xué)和技術(shù)進(jìn)入了以軍?民應(yīng)用共同牽引為特征的發(fā)展階段。我國核電事業(yè)按照周恩來總理生前提出的“安全?適用?經(jīng)濟(jì)?自力更生”的方針，自主研發(fā)和國外引進(jìn)?消化?吸收?再創(chuàng)新兩種發(fā)展模式并舉，取得了長足的進(jìn)展，不僅實(shí)現(xiàn)了“零的突破”，也為后續(xù)的規(guī)模化發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。到20世紀(jì)末，已自主設(shè)計(jì)和建造了兩型壓水堆型核電站(30萬千瓦原型堆核電站，2×60萬千瓦商用核電站)，由法?俄和加(拿大)等國分別引進(jìn)了三座大型壓水堆型核電站和一座重水堆型核電站，其中，秦山30萬千瓦和大亞灣2×100萬千瓦兩座核電站已建成，并實(shí)現(xiàn)了安全?高效的商業(yè)運(yùn)行，30萬千瓦核電站還成套出口到巴基斯坦。此外，還開展了具有我國特色的二代改進(jìn)壓水堆型和非能動(dòng)安全壓水堆型電站的設(shè)計(jì)?研究和試驗(yàn)，先進(jìn)核電用堆型的技術(shù)探索也取得重大進(jìn)展。在聚變能利用方面，圍繞著HL-2A，EAST等托卡馬克裝置研制開展的研究和技術(shù)攻關(guān)，取得了高水平的成果，使我國磁約束聚變技術(shù)進(jìn)入國際先進(jìn)行列；與此同時(shí)，激光驅(qū)動(dòng)的慣性約束聚變也取得重大進(jìn)展。在此期間，同位素和輻射技術(shù)在工?農(nóng)?醫(yī)等領(lǐng)域的應(yīng)用更為廣泛，規(guī)模和水平持續(xù)提升。核科學(xué)技術(shù)，特別是核能技術(shù)的和平利用，促進(jìn)了反應(yīng)堆物理?輻射物理?輻射化學(xué)等學(xué)科的發(fā)展，也推動(dòng)了鈾礦冶?鈾同位素分離?燃料元件/組件制造?乏燃料后處理等技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。這些進(jìn)展又直接支持了軍用核動(dòng)力技術(shù)持續(xù)提升，形成了軍用?民用良性互動(dòng)的核技術(shù)發(fā)展新格局。
第一章核科學(xué)技術(shù)
一?新中國成立前我國的核科學(xué)技術(shù)
我國核科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，起步較西方發(fā)達(dá)國家晚。由于當(dāng)時(shí)的國情，早期的發(fā)展對外依賴性很大。但許多重要的科學(xué)家都在20世紀(jì)20~40年代(國際上核科學(xué)技術(shù)發(fā)展的黃金時(shí)代)在國外師從這一領(lǐng)域的名家，做出了許多前沿性的工作。1913年，胡剛復(fù)在美國留學(xué)期間參加了鐳的提取工作。1921年，葉企孫在美國哈佛大學(xué)杜安的指導(dǎo)下，與他人合作用X射線方法精確測定了普朗克常數(shù)，這一數(shù)值被物理學(xué)界沿用達(dá)16年。1924~1926年，吳有訓(xùn)在美國芝加哥大學(xué)康普頓的指導(dǎo)下，完成了一系列X射線散射的研究，做了7種物質(zhì)的X射線散射曲線，全面驗(yàn)證了康普頓效應(yīng)，為該效應(yīng)最終得到國際物理學(xué)界公認(rèn)做出了重要貢獻(xiàn)。1930年，趙忠堯在美國加州理工學(xué)院密立根的指導(dǎo)下研究γ射線吸收能譜時(shí)獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了硬γ射線通過重物質(zhì)時(shí)的反常吸收現(xiàn)象；進(jìn)一步的研究還首次觀測到伴隨著反常吸收存在一種特殊輻射，其能量約等于一個(gè)電子的質(zhì)量，角分布大致為各向同性。這一輻射后來被確認(rèn)為正負(fù)電子的湮沒輻射，對確立正電子?正負(fù)電子對的概念起了重要作用。1930~1934年，王淦昌在德國柏林大學(xué)邁特納指導(dǎo)下進(jìn)行鐳?釷等β射線能譜的實(shí)驗(yàn)研究，為β衰變理論的研究提供了有價(jià)值的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。在此期間，他建議利用云室重做α粒子轟擊鈹核實(shí)驗(yàn)以澄清該實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的強(qiáng)貫穿“鈹輻射”的本質(zhì)，后來查特威克發(fā)現(xiàn)中子正是用的這一方法。1935~1938年，張文裕在英國劍橋大學(xué)與他人合作首次用天然α射線轟擊鋁靶生成了放射性同位素磷-30，并觀察到了磷-30的共振能級；用高壓倍加器產(chǎn)生的高能γ射線和中子生成了多種放射性同位素。1949年，他在美國利用云室研究μ-子在鉛?鐵和鋁中的吸收時(shí)最早觀測到μ介原子及其軌道躍遷發(fā)射的γ射線，也從實(shí)驗(yàn)上證明了μ子為弱相互作用粒子。1939~1941年，盧鶴紱在美國提出了扇形磁場對入射帶電粒子聚焦作用的普適原理，并據(jù)此研制了新型60o磁聚焦質(zhì)譜儀。1939年，錢三強(qiáng)在法國居里實(shí)驗(yàn)室與伊萊娜??約里奧??居里合作，利用云室測定了中子轟擊鈾和釷時(shí)產(chǎn)生的半衰期為3.5小時(shí)的類似鑭的放射性同位素β射線譜，支持了當(dāng)時(shí)物理學(xué)上剛提出不久的“核裂變概念”。1946年，他和何澤慧等又在鈾原子核裂變實(shí)驗(yàn)研究中利用核乳膠發(fā)現(xiàn)了鈾核三分裂?四分裂現(xiàn)象。該項(xiàng)研究成果被居里實(shí)驗(yàn)室列于1947年度報(bào)告的首條。彭桓武在英國留學(xué)工作期間，先后從事固體物理?介子物理?量子力學(xué)?分子運(yùn)動(dòng)論?場論等方面的研究工作。1943年他與哈密頓?海特勒合作提出介子理論，即HHP理論，首次系統(tǒng)地解釋了宇宙線的能量分布和空間分布。1948~1950年，梅鎮(zhèn)岳在美國印第安納大學(xué)完成了砷?碘?釕?鈀?銀等多種放射性核素的核譜學(xué)研究。1949~1951年，虞福春在美國斯坦福大學(xué)與他人合作精確測定了20多個(gè)穩(wěn)定原子核的磁矩，支持了原子核結(jié)構(gòu)的研究；其中首次測得氧-17磁矩的數(shù)值與符號與中子的磁矩相同，支持了當(dāng)時(shí)剛提出的核殼層模型；他還與他人合作發(fā)現(xiàn)了核磁共振化學(xué)移位和核自旋耦合劈裂兩種效應(yīng)，為核磁共振應(yīng)用奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。1951年，肖倫在美國攻讀博士學(xué)位期間，在鎢的(γ，p)和(γ，n)反應(yīng)中發(fā)現(xiàn)了新核素鉭-183?鎢-183和鎢-185。
1946年中國曾委派吳大猷?曾昭掄?華羅庚和他們的助手李政道?朱光亞等赴美國學(xué)習(xí)考察原子彈研制事宜，美國以核科研機(jī)構(gòu)“不準(zhǔn)外國人進(jìn)入”為由予以拒絕。其后李政道?朱光亞留在美國學(xué)習(xí)。朱光亞主要從事β衰變方面的實(shí)驗(yàn)研究。李政道則從事理論物理研究，1956年他與楊振寧共同提出了弱相互作用中宇稱可能不守恒的理論預(yù)期，后被吳健雄等完成的極化鈷-60β衰變電子角分布實(shí)驗(yàn)所證實(shí)，獲得了1957年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
從20世紀(jì)20年代開始，在回國留學(xué)人員的帶動(dòng)下，中國開始建立專門的物理學(xué)研究機(jī)構(gòu)。當(dāng)時(shí)的中央研究院和北平研究院都成立了物理研究所，清華大學(xué)等一批高等學(xué)校的物理系也先后成立了研究部。其中，原子核方面的研究機(jī)構(gòu)有:成立于1931年的北平研究院鐳學(xué)研究所(與中法大學(xué)合作創(chuàng)辦)，主要從事放射性和X射線研究(1948年，又以該所的一部分為基礎(chǔ)成立了原子學(xué)研究所)；1947年中央研究院設(shè)立的原子核物理實(shí)驗(yàn)室；此外，清華大學(xué)也于30年代建立了X射線研究室。這些機(jī)構(gòu)的規(guī)模都很小，只有為數(shù)不多的幾位研究員，且經(jīng)費(fèi)拮據(jù)?儀器設(shè)備匱乏，但吳有訓(xùn)?鄭大章?趙忠堯?王淦昌等還是堅(jiān)持開展科學(xué)研究工作，培養(yǎng)人才，為后來的發(fā)展盡量創(chuàng)造條件。30年代初，吳有訓(xùn)對X射線在氣體中散射的研究?趙忠堯?qū)τ拨蒙渚�與原子核相互作用的研究，都處于當(dāng)時(shí)國際上相關(guān)領(lǐng)域的前沿。1936年，霍秉權(quán)在國內(nèi)首次建成了威爾遜云室，并用于研究鐳E的β射線譜。王淦昌在浙江大學(xué)任教期間，研究提出用測量輕原子核k電子俘獲過程中的核反沖來驗(yàn)證中微子存在的構(gòu)想，有關(guān)論文?關(guān)于探測中微子的建議?于1942年1月在美國?物理評論?上發(fā)表。美國物理學(xué)家阿倫按該文的思路進(jìn)行了鈹-7k俘獲反沖實(shí)驗(yàn)，為中微子的存在提供了有力證據(jù)。
二?新中國成立后我國核科學(xué)技術(shù)的發(fā)展
1950年5月19日，中國科學(xué)院近代物理研究所(1953年改為物理所，1958年改為原子能研究所，1998年又更名為中國原子能科學(xué)研究院，以下簡稱“原子能所”)成立，邁出了新中國核科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重要一步。該所是由當(dāng)時(shí)分散在全國各地的不足20名核科學(xué)研究和技術(shù)人員組成，由吳有訓(xùn)任所長，錢三強(qiáng)任副所長。1951年，錢三強(qiáng)