20世纪的中国核科学技术与工程

引

19世纪和20世纪之交，相对论和量子力学的创立，突破了经典物理学的局限，揭示了物体在高速运动状态下的规律，打开了微观世界的大门，宣告了现代物理学的诞生。现代物理学在更深的物质结构层次和更广阔的时空领域内扩展了人类对自然界的认识。

原子核作为物质结构的一个重要层次，是研究微观世界运动规律的内容丰富的对象。原子核物理的发展，从100多年前发现天然放射性开始，到20世纪30年代以前，大体上确立了原子核?核反应和核衰变等基本事实。30年代，以正电子和中子的发现?人工放射性的获得和裂变现象的发现为标志，使原子核物理成为一门新兴学科。随着加速器技术的进步，入射粒子能量的不断提高和粒子品种的更趋丰富，又将原子核物理对于物质世界结构的研究引向更小的物质基石，导致了50~60年代粒子物理学科的兴起。两者在分流多年后又在更深的层次上重新组合，产生了高能核物理学。原子核物理与其他学科相结合，也形成了许多门类的交叉学科。原子核物理开发的许多实验技术和理论方法，已广泛地应用于现代物理学的其他学科，如原子物理?分子物理和凝聚态物理等。

还应指出的是，1938年铀核裂变的发现，开辟了原子核科学技术的一个重要的应用领域，宣告了一种划时代的新能源，即核能的诞生。1942年核裂变链式反应的实现，使核能的实际利用成为可能。但在第二次世界大战的特殊历史背景下，核能技术被率先用于研发核武器。在爱因斯坦等科学家的建议和推动下，美国总统罗斯福批准实施研制原子弹的"曼哈顿计划"。1945年7月，美国在阿拉莫戈多沙漠爆炸了及时颗原子弹。同年8月，又将两颗原子弹相继投向日本广岛?长崎，使这两座城市瞬间变为废墟。核武器从此登上历史舞台，并且对战后世界政治?经济和军事产生了极为深远的影响。

战后，核能和其他核技术的和平利用被提上日程，并受到广泛关注。很多国家都开展了相关技术的探索。1954年，苏联建成世界上及时座利用核裂变能量的核电站，开拓了核能技术和平利用的前景。70年代，随着核电站进入了商业运行，核能逐步成为世界经济和社会发展的重要能源之一。与此同时，科学家还不断探索利用核聚变能源的技术途径，以期更有效地解决能源问题。此外，放射性同位素?核辐射和粒子束也已被广泛地用于工业?农业?医学和环境保护。

我国核科学技术和工业起步较晚，直到新中国成立后，才得到了迅速的发展。到20世纪末，我国在涉核主要领域的科学技术水平都已进入国际先进行列，建立起了较完整的核基础工业体系，造就了一支宏大的科技专家队伍，不仅有力地支持了核武器?潜艇核动力的发展，为维护国家安全?提升国际地位做出了重要贡献，还推进了核电事业的快速发展和核技术在经济和社会发展中的广泛应用。

我国核科学技术和工业就其发展进程而言，大体可划分三个互有交叉的阶段。20世纪20~50年代，可视为初创阶段。其中，从20~40年代，我国核科学技术的先驱者们怀着"科学救国"?"教育救国"的宏愿大志，或远赴欧美留学，积极参与当时世界核科学前沿的研究工作，或在国内十分困难的条件下坚持开展原子核物理和放射化学的研究。他们的工作为我国核科学技术的起步?发展做出了贡献。

新中国成立后，我国核科学技术出现了前所未有的发展机遇。特别是1955年，党中央做出我们也要搞原子能的战略决策后，原子能事业开始加速发展。从1950年中国科学院成立近代物理研究所起，在不到10年的时间内，我国先后成立了三个原子核物理研究机构，形成了一支老中青相结合的科研人才队伍，在开展原子核物理?放射化学和宇宙射线等研究的同时，建设起一批实验研究的设施，初步形成了满足当时需要的研究能力。铀矿资源勘查工作也取得了突破性进展，为首批铀矿的建设提供了物质基础。与此同时，20余所高等院校设立了原子核科学技术的专业，陆续向核科学技术研究单位和工矿企业输送了大批人才。这样，就为转入下一个发展阶段做好了准备。

50年代后期，我国核科学技术进入了以军事应用为主要牵引的发展阶段。1958年核武器研究所和核试验基地的成立，标志着我国核武器研制工作开始起步。1959年，苏联毁约停援后，核武器研制转入自力更生的轨道。在全国有关部门的大力协同下，经过科研人员30多年艰苦卓绝的努力，先后实现了原子弹?氢弹?中子弹?核武器小型化等一系列里程碑式的突破，以远少于其他核武器国家核试验的次数，使我国的核武器性能达到了与先进核大国相当的水平。我国潜艇核动力装置的研究设计也是于1958年起步的，并于1971年完成研制并装艇。其间，先后突破了装置设计，燃料元件制造和堆内?外考核，设备材料和专用仪器仪表的研制，陆上模式堆建造等关键技术。其后的试航表明，核动力装置各项性能均达到设计要求，使我国成为世界上第五个拥有核潜艇的国家。核科学技术在军事上的成功应用不仅有力地带动了铀矿资源的勘查?铀水冶和转化?铀浓缩?乏燃料后处理?铀和钚冶金以及轻核材料生产等技术的研发?完善以及相应工业生产线的建设，也促进了核物理?核探测?加速器?核反应堆?核聚变?放射化学和核化工等方面理论和技术的发展。

80年代初，随着我国核工业实现"军转民"的战略调整，我国核科学和技术进入了以军?民应用共同牵引为特征的发展阶段。我国核电事业按照总理生前提出的"安全?适用?经济?自力更生"的方针，自主研发和国外引进?消化?吸收?再创新两种发展模式并举，取得了长足的进展，不仅实现了"零的突破"，也为后续的规模化发展奠定了基础。到20世纪末，已自主设计和建造了两型压水堆型核电站(30万千瓦原型堆核电站，260万千瓦商用核电站)，由法?俄和加(拿大)等国分别引进了三座大型压水堆型核电站和一座重水堆型核电站，其中，秦山30万千瓦和大亚湾2100万千瓦两座核电站已建成，并实现了安全?高效的商业运行，30万千瓦核电站还成套出口到巴基斯坦。此外，还开展了具有我国特色的二代改进压水堆型和非能动安全压水堆型电站的设计?研究和试验，先进核电用堆型的技术探索也取得重大进展。在聚变能利用方面，围绕着HL-2A，EAST等托卡马克装置研制开展的研究和技术攻关，取得了高水平的成果，使我国磁约束聚变技术进入国际先进行列；与此同时，激光驱动的惯性约束聚变也取得重大进展。在此期间，同位素和辐射技术在工?农?医等领域的应用更为广泛，规模和水平持续提升。核科学技术，特别是核能技术的和平利用，促进了反应堆物理?辐射物理?辐射化学等学科的发展，也推动了铀矿冶?铀同位素分离?燃料元件/组件制造?乏燃料后处理等技术的进一步发展。这些进展又直接支持了军用核动力技术持续提升，形成了军用?民用良性互动的核技术发展新格局。

及时章核科学技术

一?新中国成立前我国的核科学技术

我国核科学技术的发展，起步较西方发达国家晚。由于当时的国情，早期的发展对外依赖性很大。但许多重要的科学家都在20世纪20~40年代(国际上核科学技术发展的黄金时代)在国外师从这一领域的名家，做出了许多前沿性的工作。1913年，胡刚复在美国留学期间参加了镭的提取工作。1921年，叶企孙在美国哈佛大学杜安的指导下，与他人合作用X射线方法测定了普朗克常数，这一数值被物理学界沿用达16年。1924~1926年，吴有训在美国芝加哥大学康普顿的指导下，完成了一系列X射线散射的研究，做了7种物质的X射线散射曲线，验证了康普顿效应，为该效应最终得到国际物理学界公认做出了重要贡献。1930年，赵忠尧在美国加州理工学院密立根的指导下研究γ射线吸收能谱时独立发现了硬γ射线通过重物质时的反常吸收现象；进一步的研究还首次观测到伴随着反常吸收存在一种特殊辐射，其能量约等于一个电子的质量，角分布大致为各向同性。这一辐射后来被确认为正负电子的湮没辐射，对确立正电子?正负电子对的概念起了重要作用。1930~1934年，王淦昌在德国柏林大学迈特纳指导下进行镭?钍等β射线能谱的实验研究，为β衰变理论的研究提供了有价值的实验数据。在此期间，他建议利用云室重做α粒子轰击铍核实验以澄清该实验产生的强贯穿"铍辐射"的本质，后来查特威克发现中子正是用的这一方法。1935~1938年，张文裕在英国剑桥大学与他人合作首次用天然α射线轰击铝靶生成了放射性同位素磷-30，并观察到了磷-30的共振能级；用高压倍加器产生的高能γ射线和中子生成了多种放射性同位素。1949年，他在美国利用云室研究μ-子在铅?铁和铝中的吸收时最早观测到μ介原子及其轨道跃迁发射的γ射线，也从实验上证明了μ子为弱相互作用粒子。1939~1941年，卢鹤绂在美国提出了扇形磁场对入射带电粒子聚焦作用的普适原理，并据此研制了新型60o磁聚焦质谱仪。1939年，钱三强在法国居里实验室与伊莱娜??约里奥??居里合作，利用云室测定了中子轰击铀和钍时产生的半衰期为3.5小时的类似镧的放射性同位素β射线谱，支持了当时物理学上刚提出不久的"核裂变概念"。1946年，他和何泽慧等又在铀原子核裂变实验研究中利用核乳胶发现了铀核三分裂?四分裂现象。该项研究成果被居里实验室列于1947年度报告的首条。彭桓武在英国留学工作期间，先后从事固体物理?介子物理?量子力学?分子运动论?场论等方面的研究工作。1943年他与哈密顿?海特勒合作提出介子理论，即HHP理论，首次系统地解释了宇宙线的能量分布和空间分布。1948~1950年，梅镇岳在美国印第安纳大学完成了砷?碘?钌?钯?银等多种放射性核素的核谱学研究。1949~1951年，虞福春在美国斯坦福大学与他人合作测定了20多个稳定原子核的磁矩，支持了原子核结构的研究；其中首次测得氧-17磁矩的数值与符号与中子的磁矩相同，支持了当时刚提出的核壳层模型；他还与他人合作发现了核磁共振化学移位和核自旋耦合劈裂两种效应，为核磁共振应用奠定了技术基础。1951年，肖伦在美国攻读博士学位期间，在钨的(γ，p)和(γ，n)反应中发现了新核素钽-183?钨-183和钨-185。

1946年中国曾委派吴大猷?曾昭抡?华罗庚和他们的助手李政道?朱光亚等赴美国学习考察原子弹研制事宜，美国以核科研机构"不准外国人进入"为由予以拒绝。其后李政道?朱光亚留在美国学习。朱光亚主要从事β衰变方面的实验研究。李政道则从事理论物理研究，1956年他与杨振宁共同提出了弱相互作用中宇称可能不守恒的理论预期，后被吴健雄等完成的极化钴-60β衰变电子角分布实验所证实，获得了1957年诺贝尔物理学奖。

从20世纪20年代开始，在回国留学人员的带动下，中国开始建立专门的物理学研究机构。当时的中央研究院和北平研究院都成立了物理研究所，清华大学等一批高等学校的物理系也先后成立了研究部。其中，原子核方面的研究机构有:成立于1931年的北平研究院镭学研究所(与中法大学合作创办)，主要从事放射性和X射线研究(1948年，又以该所的一部分为基础成立了原子学研究所)；1947年中央研究院设立的原子核物理实验室；此外，清华大学也于30年代建立了X射线研究室。这些机构的规模都很小，只有为数不多的几位研究员，且经费拮据?仪器设备匮乏，但吴有训?郑大章?赵忠尧?王淦昌等还是坚持开展科学研究工作，培养人才，为后来的发展尽量创造条件。30年代初，吴有训对X射线在气体中散射的研究?赵忠尧对硬γ射线与原子核相互作用的研究，都处于当时国际上相关领域的前沿。1936年，霍秉权在国内首次建成了威尔逊云室，并用于研究镭E的β射线谱。王淦昌在浙江大学任教期间，研究提出用测量轻原子核k电子俘获过程中的核反冲来验证中微子存在的构想，有关论文?关于探测中微子的建议?于1942年1月在美国?物理评论?上发表。美国物理学家阿伦按该文的思路进行了铍-7k俘获反冲实验，为中微子的存在提供了有力证据。

二?新中国成立后我国核科学技术的发展

1950年5月19日，中国科学院近代物理研究所(1953年改为物理所，1958年改为原子能研究所，1998年又更名为中国原子能科学研究院，以下简称"原子能所")成立，迈出了新中国核科学技术发展的重要一步。该所是由当时分散在全国各地的不足20名核科学研究和技术人员组成，由吴有训任所长，钱三强任副所长。1951年，钱三强