20世紀(jì)中國知名科學(xué)家學(xué)術(shù)成就概覽·能源與礦業(yè)工程學(xué)卷·核科學(xué)技術(shù)與工程分冊
定 價:189 元
叢書名:20世紀(jì)中國知名科學(xué)家學(xué)術(shù)成就概覽
- 作者:總主編錢偉長
- 出版時間:2015/4/1
- ISBN:9787030261663
- 出 版 社:科學(xué)出版社
- 中圖法分類:K826.1
- 頁碼:576
- 紙張:膠版紙
- 版次:1
- 開本:16K
國家重點(diǎn)圖書出版規(guī)劃項(xiàng)目《20世紀(jì)中國知名科學(xué)家學(xué)術(shù)成就概覽》,以紀(jì)傳文體記述中國20世紀(jì)在各學(xué)術(shù)專業(yè)領(lǐng)域取得突出成就的數(shù)千位華人科學(xué)技術(shù)和人文社會科學(xué)專家學(xué)者,展示他們的求學(xué)經(jīng)歷?學(xué)術(shù)成就?治學(xué)方略和價值觀念,彰顯他們?yōu)榇龠M(jìn)中國和世界科技發(fā)展?經(jīng)濟(jì)和社會進(jìn)步所做出的貢獻(xiàn)。
《20世紀(jì)中國知名科學(xué)家學(xué)術(shù)成就概覽·能源與礦業(yè)工程卷》記述了200多位能源與礦業(yè)工程技術(shù)專家的研究路徑和學(xué)術(shù)生涯,分五冊出版。《20世紀(jì)中國知名科學(xué)家學(xué)術(shù)成就概覽·能源與礦業(yè)工程卷·核科學(xué)技術(shù)與工程分冊》以突出學(xué)術(shù)成就為重點(diǎn),力求對學(xué)界同行的學(xué)術(shù)探索有所鏡鑒,對青年學(xué)生的學(xué)術(shù)成長有所啟迪。
能源與礦業(yè)工程卷??核科學(xué)技術(shù)與工程分冊收錄了49位專家,卷首簡要回顧20世紀(jì)中國核科學(xué)技術(shù)與工程發(fā)展簡史,卷尾附20世紀(jì)中國核科學(xué)技術(shù)與工程大事記。這與傳文兩相映照,力圖反映出中國核科學(xué)技術(shù)與工程領(lǐng)域的百年發(fā)展脈絡(luò)。
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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)的一個重要層次,是研究微觀世界運(yùn)動規(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)的一個重要的應(yīng)用領(lǐng)域,宣告了一種劃時代的新能源,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,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年的時間內(nèi),我國先后成立了三個原子核物理研究機(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,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,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。我國潛艇核動力裝置的研究設(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);l(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,激光驅(qū)動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力技術(shù)持續(xù)提升,形成了軍用?民用良性互動的核技術(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射線吸收能譜時獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了硬γ射線通過重物質(zhì)時的反常吸收現(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產(chǎn)生的半衰期為3.5小時的類似鑭的放射性同位素β射線譜,支持了當(dāng)時物理學(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。
從20世紀(jì)20年代開始,在回國留學(xué)人員的帶動下,中國開始建立專門的物理學(xué)研究機(jī)構(gòu)。當(dāng)時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)