發(fā)展反應(yīng)堆和加速器事業(yè)建設(shè)核工業(yè)強(qiáng)國(guó)

侯德義 / 文

我國(guó)第一座重水反應(yīng)堆

今年是新中國(guó)成立70 周年，新中國(guó)成立時(shí)我國(guó)沒有一座反應(yīng)堆，沒有一臺(tái)加速器，反應(yīng)堆和加速器事業(yè)是從零開始，經(jīng)過六十多年艱苦創(chuàng)業(yè)到蓬勃發(fā)展，為鑄就核強(qiáng)國(guó)做出了重要貢獻(xiàn)。反應(yīng)堆又稱為核反應(yīng)堆，是指能夠通過裝載核燃料維持可控自持鏈?zhǔn)胶肆炎兎磻?yīng)，以實(shí)現(xiàn)核能和中子利用的裝置；加速器全名為帶電粒子加速器，是指用人工辦法加速帶電粒子，提供各種高能粒子束或輻射線的現(xiàn)代化裝備。反應(yīng)堆和加速器是人們認(rèn)識(shí)原子核深層結(jié)構(gòu)和探討基本粒子特性的重要工具，是一個(gè)科研院所乃至一個(gè)國(guó)家發(fā)展原子能事業(yè)最為基礎(chǔ)、最為核心的研究設(shè)施。在國(guó)防建設(shè)和能源安全方面，在核物理、生命科學(xué)、材料科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、考古學(xué)等基礎(chǔ)研究領(lǐng)域及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、離子注入、同位素生產(chǎn)和醫(yī)療衛(wèi)生等核技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域都有著極其廣泛的應(yīng)用。現(xiàn)在，新一代反應(yīng)堆和加速器正在如火如荼地建設(shè)，它們的建成和使用將帶領(lǐng)我們邁入嶄新的核時(shí)代。

“一堆一器”奠定我國(guó)反應(yīng)堆和加速器事業(yè)基礎(chǔ)

1955 年，黨中央作出了集中力量發(fā)展核事業(yè)的重要指示，決定從蘇聯(lián)引進(jìn)一座7000 千瓦的重水型實(shí)驗(yàn)性重水反應(yīng)堆和一臺(tái)直徑1.2 米的回旋加速器。中國(guó)原子能科學(xué)研究院（以下簡(jiǎn)稱原子能院）在極其簡(jiǎn)陋的條件下開始了“一堆一器”的建造工作。1956 年5月26 日，重水反應(yīng)堆和回旋加速器動(dòng)工興建；1958 年6 月10 日，回旋加速器調(diào)試出束； 6 月13 日，重水反應(yīng)堆達(dá)到臨界。同年9 月27 日，在我國(guó)第一座重水反應(yīng)堆、第一臺(tái)回旋加速器移交使用典禮現(xiàn)場(chǎng)，國(guó)務(wù)院副總理兼外交部部長(zhǎng)陳毅為典禮剪彩，國(guó)務(wù)院副總理聶榮臻發(fā)表重要講話。《人民日?qǐng)?bào)》盛贊：它們的建成，標(biāo)志著我國(guó)已經(jīng)跨進(jìn)原子能時(shí)代。“一堆一器”的建成，為我國(guó)反應(yīng)堆和加速器事業(yè)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)、培養(yǎng)了大批核工業(yè)技術(shù)人才。六十多年來，我國(guó)反應(yīng)堆和加速器事業(yè)一直在蓬勃地發(fā)展壯大，新一代反應(yīng)堆和加速器正在如火如荼地建設(shè)，它們的建成和使用將帶領(lǐng)我們邁入嶄新的核時(shí)代。以“一堆一器”積累的技術(shù)和培養(yǎng)的人才為基礎(chǔ)，帶動(dòng)了我國(guó)反應(yīng)堆和加速器事業(yè)的發(fā)展，原子能院反應(yīng)堆和加速器事業(yè)的發(fā)展就是一個(gè)縮影。以“一堆一器”為主要設(shè)備的綜合性研究基地，是中國(guó)原子能事業(yè)取得輝煌成就的基礎(chǔ)和先行。

以第一座重水反應(yīng)堆為基礎(chǔ)的反應(yīng)堆事業(yè)發(fā)展

我國(guó)人口眾多，能源消耗量大，面對(duì)資源枯竭和環(huán)境的日趨惡化，作為煤炭和石油的替代，中國(guó)將大力發(fā)展?jié)崈舻暮四堋Ｎ覀冎溃穗娬镜暮诵氖欠磻?yīng)堆。作為中國(guó)反應(yīng)堆起步的搖籃，我國(guó)最早建立的反應(yīng)堆研究基地與核燃料生產(chǎn)研究基地，原子能院為實(shí)現(xiàn)核能利用的美好前景，在核電的人才培養(yǎng)、基礎(chǔ)研發(fā)，包括核電建設(shè)和運(yùn)行方面發(fā)揮著重要的作用。先后開展了先進(jìn)堆工程技術(shù)、快堆工程建設(shè)、新燃料元件、堆物理、核電安全、乏燃料處理、核燃料循環(huán)及潔凈能源等圍繞核能工程長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展的課題研究，取得了顯著的成績(jī)。

原子能院自行設(shè)計(jì)建造了重水、輕水、快中子、固態(tài)零功率和游泳池式反應(yīng)堆，承擔(dān)了高通量堆的設(shè)計(jì)和科研任務(wù)，自行研制了微型中子源反應(yīng)堆，成功對(duì)外援建了一座重水研究堆、一座重水零功率堆和多座微堆。還為我國(guó)生產(chǎn)堆和核電廠的設(shè)計(jì)建造和運(yùn)行完成了大量的科研工作。中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆、中國(guó)先進(jìn)研究堆研制成功使我國(guó)反應(yīng)堆技術(shù)達(dá)到國(guó)際水平。

著名物理學(xué)家費(fèi)米說過一句話：“首先發(fā)展快中子增殖堆的國(guó)家，將得到原子能方面競(jìng)爭(zhēng)的利益。”中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆被列入國(guó)家“863”計(jì)劃重大項(xiàng)目。這個(gè)從20 世紀(jì)60 年代就開始孕育的項(xiàng)目?jī)A注了快堆事業(yè)開創(chuàng)者們太多的酸甜苦辣，歷史不會(huì)忘記他們?yōu)橹袊?guó)實(shí)驗(yàn)快堆建設(shè)嘔心瀝血做出的巨大貢獻(xiàn)。目前，在中國(guó)實(shí)驗(yàn)快堆建造成功的基礎(chǔ)上，示范快堆各項(xiàng)建設(shè)工作正全面開展。

重水研究堆和60 年代建成的試驗(yàn)性游泳池式反應(yīng)堆已超期服役運(yùn)行了多年，一座代替舊堆、繼續(xù)完成中國(guó)核事業(yè)光榮使命的新堆——中國(guó)先進(jìn)研究堆在科技工作者們的努力下建成。此堆采用了許多新的設(shè)計(jì)理念和技術(shù)，安全性能、技術(shù)指標(biāo)達(dá)到當(dāng)前的國(guó)際水平。它可以充分利用反應(yīng)堆產(chǎn)生的強(qiáng)中子源開展科研工作，對(duì)核物理基礎(chǔ)研究、核技術(shù)應(yīng)用發(fā)揮著重要作用。

微堆投資小，建設(shè)周期短，具備安全、便宜、簡(jiǎn)單，便于操作的優(yōu)點(diǎn)，從1988 年到1996 年，先后在北京、深圳、濟(jì)南和上海建了四座，并向加納、巴基斯坦、伊朗、敘利亞和尼日利亞出口了五座，為援助發(fā)展中國(guó)家開展和平利用原子能做出了突出貢獻(xiàn)。習(xí)近平主席對(duì)微堆低濃化十分關(guān)注。在華盛頓核安全峰會(huì)上，習(xí)近平主席莊嚴(yán)承諾中國(guó)將協(xié)助加納完成微堆低濃化改造工作，并正式提出了“加納模式”。2017 年8 月，原子能院完成加納微堆低濃化改造，這是我國(guó)自主創(chuàng)新的標(biāo)志性技術(shù)突破，也是我國(guó)政府在防止核擴(kuò)散方面做出的一項(xiàng)重要貢獻(xiàn)，被評(píng)為2017 年度中國(guó)十大核科技進(jìn)展。

“燕龍”泳池式低溫供熱堆可用來實(shí)現(xiàn)區(qū)域供熱。2017 年11 月28 日，中核集團(tuán)在原子能院?jiǎn)?dòng)的供熱演示項(xiàng)目49-2 泳池式反應(yīng)堆實(shí)現(xiàn)安全連續(xù)供熱168小時(shí)，充分驗(yàn)證了可行性和安全性，為后續(xù)低溫供熱堆型號(hào)設(shè)計(jì)研發(fā)，提供了有力技術(shù)支持，標(biāo)志著中核集團(tuán)在核能供熱技術(shù)領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，入選2017年度國(guó)防科技工業(yè)十大新聞。

以第一臺(tái)回旋加速器為基礎(chǔ)的加速器事業(yè)發(fā)展

加速器是核物理研究和核技術(shù)應(yīng)用不可缺少的工具，它的發(fā)展歷程和原子能院核物理、核技術(shù)應(yīng)用事業(yè)的發(fā)展過程緊緊聯(lián)系在一起。在引進(jìn)“一堆一器”的同時(shí)，我國(guó)科研人員自行研制成功50 臺(tái)儀器設(shè)備，其中，趙忠堯和楊澄中主持建成了我國(guó)第一臺(tái)700KeV 大氣型質(zhì)子靜電加速器，楊澄中設(shè)計(jì)建成的400KV 高壓倍加器，在趙忠堯、李正武領(lǐng)導(dǎo)下，主持研制成功2.5MeV 的高壓型質(zhì)子靜電加速器都先后投入運(yùn)行。謝家麟用8 年時(shí)間技術(shù)攻關(guān)，克服了一系列技術(shù)難題，于1963 年建成了我國(guó)第一臺(tái)可向高能發(fā)展的30MeV 的電子直線加速器。這幾項(xiàng)研究成果，開創(chuàng)了我國(guó)粒子加速器的技術(shù)研究工作，對(duì)我國(guó)的核事業(yè)具有舉足輕重的作用。

1996 年，新一代30MeV 強(qiáng)流回旋加速器在原子能院研制成功，這是我國(guó)第一臺(tái)自主研制的回旋加速器，被兩院院士投票評(píng)為“1996年中國(guó)重大科技事件”。強(qiáng)流質(zhì)子回旋加速器的建成結(jié)束了我國(guó)不能用加速器批量生產(chǎn)中短壽命放射性同位素的局面，標(biāo)志著我國(guó)回旋加速器的研制能力達(dá)到了一個(gè)新水平。2016 年，100MeV 質(zhì)子回旋加速器研制成功，使我國(guó)強(qiáng)流質(zhì)子加速器技術(shù)水平達(dá)到國(guó)際前列，入選中國(guó)十大科技進(jìn)展新聞。在此基礎(chǔ)上230MeV 超導(dǎo)質(zhì)子回旋加速器正在研制。

回旋加速器在原子能院不斷發(fā)展的同時(shí)，串列加速器也在積極發(fā)展。20 世紀(jì)70 年代末，國(guó)家批準(zhǔn)從美國(guó)引進(jìn)HI-13 串列加速器，頭部高壓13MV，可以加速輕重離子。1987 年8 月，通過國(guó)家驗(yàn)收正式交付使用，1988 年建成北京串列加速器核物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室。串列加速器的建成所起的作用，正如王淦昌先生1986年5 月在北京國(guó)際串列加速器核物理討論會(huì)上致辭所說：“串列加速器的建成，是我國(guó)核物理發(fā)展史上的里程碑。”“為我國(guó)低能核物理基礎(chǔ)研究創(chuàng)造了一個(gè)可以追求國(guó)際水平的平臺(tái)，成為我國(guó)低能核物理對(duì)外開放的窗口。”30 年來，在HI-13 串列加速器上建設(shè)了多個(gè)實(shí)驗(yàn)終端，開展了許多技術(shù)改造，成功實(shí)現(xiàn)主要部件國(guó)產(chǎn)化，節(jié)約了大量經(jīng)費(fèi)；在串列加速器上開展的核物理基礎(chǔ)研究、應(yīng)用研究、核數(shù)據(jù)研究以及輻射物理與輻射生物研究取得重要成果。

北京放射性核束裝置是作為原子能院“四大工程”之一的串列加速器升級(jí)工程，將100MeV 的回旋加速器和現(xiàn)有的13MV 串列加速器以及超導(dǎo)直線加速器連接起來，為我國(guó)的資源、環(huán)境、材料、生命等學(xué)科的發(fā)展提供重要的支撐。它是我國(guó)21 世紀(jì)的一臺(tái)核科技的綜合性研究設(shè)施。主要可以應(yīng)用在核物理基礎(chǔ)研究、核技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)研究，對(duì)多個(gè)學(xué)科有輻射作用的研究工作，應(yīng)用非常廣泛。

加速器技術(shù)在核技術(shù)應(yīng)用方面也取得了豐碩成果。廣泛應(yīng)用于工業(yè)探傷、食品保鮮、醫(yī)療用品消毒、海關(guān)檢疫等領(lǐng)域，可以產(chǎn)生十分可觀的經(jīng)濟(jì)效益。利用郵件、郵包散布炭疽菌等病菌病毒危害社會(huì)，造成人員傷亡和破壞通郵系統(tǒng)運(yùn)行，是恐怖分子經(jīng)常使用的手法。原子能院針對(duì)這一情況，利用加速器和電子輻照技術(shù)研究成功一種能殺滅在郵件中的炭疽菌及其孢子、霍亂、天花、鼠疫等病菌病毒的電子直線加速器。這套裝置日處理郵件1 萬封，是中國(guó)首臺(tái)自屏蔽滅菌加速器裝置，也是目前世界上重量最輕的自屏蔽滅菌加速器裝置。2007 年，由原子能院自主設(shè)計(jì)研制的國(guó)內(nèi)首臺(tái)高能大功率電子輻照加速器裝置開始運(yùn)行。該裝置是中國(guó)目前能量最高、功率最大，具備產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用條件的電子輻照加速器裝置。到目前為止，原子能院已經(jīng)研制生產(chǎn)了30 多臺(tái)用于工業(yè)無損探傷、輻照和集裝箱檢測(cè)加速器。

回顧我國(guó)反應(yīng)堆和加速器事業(yè)的發(fā)展歷程，在六十多年反應(yīng)堆發(fā)展技術(shù)積累的基礎(chǔ)上，我國(guó)反應(yīng)堆建設(shè)發(fā)展迅速，反應(yīng)堆事業(yè)日漸壯大起來，華龍1 號(hào)核電站、高溫氣冷堆核電站、600MW 示范快堆核電站、多用途模塊化小堆和海上浮動(dòng)核電站，ADS 先進(jìn)核能系統(tǒng)，中國(guó)聚變工程實(shí)驗(yàn)堆等許多型號(hào)反應(yīng)堆將研發(fā)建成。在六十多年加速器發(fā)展的基礎(chǔ)上，我國(guó)核物理基礎(chǔ)研究應(yīng)用加速器平臺(tái)發(fā)展路線圖已經(jīng)明晰，從1986 年建成的北京串列加速器、1988 年建成的蘭州回旋加速器，到2014年建成的北京放射性核束裝置、2018 年建成的蘭州儲(chǔ)存環(huán)，再到2021 年即將建成的強(qiáng)流重離子裝置和2026 年即將建成的北京ISOL 裝置。新時(shí)代反應(yīng)堆和加速器事業(yè)的發(fā)展壯大，將為我國(guó)建設(shè)核工業(yè)強(qiáng)國(guó)做出更大的貢獻(xiàn)。