20世紀的中國核科學(xué)技術(shù)與工程
引言
19世紀和20世紀之交，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。現(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)擴展了人類對自然界的認識。
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。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)的許多實驗技術(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年核裂變鏈式反應(yīng)的實現(xiàn)，使核能的實際利用成為可能。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)羅斯福批準實施研制原子彈的“曼哈頓計劃”。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)濟和軍事產(chǎn)生了極為深遠的影響。
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，隨著核電站進入了商業(yè)運行，核能逐步成為世界經(jīng)濟和社會發(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。
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世紀末，我國在涉核主要領(lǐng)域的科學(xué)技術(shù)水平都已進入國際先進行列，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伍，不僅有力地支持了核武器?潛艇核動力的發(fā)展，為維護國家安全?提升國際地位做出了重要貢獻，還推進了核電事業(yè)的快速發(fā)展和核技術(shù)在經(jīng)濟和社會發(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)展進程而言，大體可劃分三個互有交叉的階段。20世紀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，或遠赴歐美留學(xué)，積極參與當時世界核科學(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。
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構(gòu)，形成了一支老中青相結(jié)合的科研人才隊伍，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)起一批實驗研究的設(shè)施，初步形成了滿足當時需要的研究能力。鈾礦資源勘查工作也取得了突破性進展，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)展階段做好了準備。
50年代后期，我國核科學(xué)技術(shù)進入了以軍事應(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基地的成立，標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，以遠少于其他核武器國家核試驗的次數(shù)，使我國的核武器性能達到了與先進核大國相當?shù)乃�平。我國潛艇核動力裝置的研究設(shè)計也是于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，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，核動力裝置各項性能均達到設(shè)計要求，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)實現(xiàn)“軍轉(zhuǎn)民”的戰(zhàn)略調(diào)整，我國核科學(xué)和技術(shù)進入了以軍?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?自力更生”的方針，自主研發(fā)和國外引進?消化?吸收?再創(chuàng)新兩種發(fā)展模式并舉，取得了長足的進展，不僅實現(xiàn)了“零的突破”，也為后續(xù)的規(guī)�；�發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。到20世紀末，已自主設(shè)計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，并實現(xiàn)了安全?高效的商業(yè)運行，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壓水堆型和非能動安全壓水堆型電站的設(shè)計?研究和試驗，先進核電用堆型的技術(shù)探索也取得重大進展。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)進入國際先進行列；與此同時，激光驅(qū)動的慣性約束聚變也取得重大進展。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)的進一步發(fā)展。這些進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)達國家晚。由于當時的國情，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)界公認做出了重要貢獻。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為正負電子的湮沒輻射，對確立正電子?正負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)下進行鐳?釷等β射線能譜的實驗研究，為β衰變理論的研究提供了有價值的實驗數(shù)據(jù)。在此期間，他建議利用云室重做α粒子轟擊鈹核實驗以澄清該實驗產(chǎn)生的強貫穿“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，也從實驗上證明了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，錢三強在法國居里實驗室與伊萊娜??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驗研究中利用核乳膠發(fā)現(xiàn)了鈾核三分裂?四分裂現(xiàn)象。該項研究成果被居里實驗室列于1947年度報告的首條。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，美國以核科研機構(gòu)“不準外國人進入”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衰變方面的實驗研究。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衰變電子角分布實驗所證實，獲得了1957年諾貝爾物理學(xué)獎。
從20世紀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)研究機構(gòu)。當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)立的原子核物理實驗室；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行了鈹-7k俘獲反沖實驗，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，錢三強任副所長。1951年，錢三強