【南方日報】國之重器加持灣區(qū)再添“科技航母”
中科院在惠州建設(shè)強(qiáng)流重離子加速器和加速器驅(qū)動嬗變研究裝置
在惠州市惠東縣黃埠鎮(zhèn)，群山之巔，中科院兩大科學(xué)裝置項目裝置區(qū)配套工程正加快建設(shè)。作為總投資約68億元的“國之重器”，惠州在建的強(qiáng)流重離子加速器裝置（HIAF）和加速器驅(qū)動嬗變研究裝置（CiADS）是“十二五”國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，也是國內(nèi)為數(shù)不多的兩個緊密相連的大科學(xué)裝置“雙子星”。在兩大科學(xué)裝置、廣東太平嶺核電等“巨無霸”項目引領(lǐng)下，惠州稔平半島將崛起成為大灣區(qū)能源科技創(chuàng)新中心。
中國科學(xué)院近代物理研究所負(fù)責(zé)人透露，HIAF項目將成為國際上脈沖束流強(qiáng)度最高的重離子加速器裝置，CiADS項目將成為國際上第一個ADS（加速器驅(qū)動次臨界系統(tǒng)）研究裝置。預(yù)計2025—2026年建成投用后，將可集聚國內(nèi)外約1500名科學(xué)家等科研人才。加上謀劃中的其他項目，未來有望在惠州形成大科學(xué)裝置集群，并逐步建成具有重大影響的國際核科學(xué)與技術(shù)研究中心。
●南方日報記者 周歡
強(qiáng)流重離子加速器
既探索物理極限，又服務(wù)民生經(jīng)濟(jì)
從惠州市區(qū)驅(qū)車向東南行駛約兩個小時，便來到惠東縣黃埠鎮(zhèn)東頭村。巍峨的大山頂上，有一個施工面積達(dá)81萬平方米的“超級工程”。中國科學(xué)院近代物理研究所副所長胡正國告訴南方日報記者，強(qiáng)流重離子加速器裝置（HIAF）和加速器驅(qū)動嬗變研究裝置（CiADS）兩大科學(xué)裝置就落戶在這里。
“重離子加速器是世界上極少數(shù)國家擁有的大科學(xué)裝置，我國蘭州也有一臺，從重離子能量來看，排在全球第四、亞洲第一。”專家介紹，位于惠州的HIAF建成后，將成為全球脈沖束流強(qiáng)度最高的重離子加速器裝置。“這個建設(shè)周期長達(dá)7年的‘國之重器’，將集成超導(dǎo)直線加速器和環(huán)形同步加速器最先進(jìn)的技術(shù)，其系統(tǒng)包括強(qiáng)流超導(dǎo)離子源、超導(dǎo)直線加速器、增強(qiáng)器等；實驗終端包括低能核結(jié)構(gòu)譜儀、強(qiáng)流離子束輻照終端、放射性束流線、外靶實驗終端等。”
HIAF是用人工方法產(chǎn)生高速離子束流的裝置。高流強(qiáng)、高能量、高束團(tuán)功率是重離子加速器的發(fā)展趨勢，束流指標(biāo)越先進(jìn)，就越有可能引領(lǐng)相關(guān)科學(xué)研究并取得重大成果。而隨著高能粒子物理的逼近極限以及新材料和新能源的研究需求，近年來世界范圍內(nèi)掀起了大型加速器的新建和升級計劃：今后10年，德國、美國等國際上新一代重離子加速器裝置將陸續(xù)投入運行；HIAF在設(shè)計上集成了新一代重離子加速器裝置的優(yōu)點，能夠提供高流強(qiáng)、寬能量范圍、種類豐富的穩(wěn)定核和放射性離子束流以及高功率重離子束團(tuán)。
中國工程院院士、中國科學(xué)院近代物理研究所副所長夏佳文表示，在元素周期表上，比鐵更重的元素，如金、銀、銅以及鈾，在宇宙中是怎么形成的，科學(xué)家還不清楚。建設(shè)強(qiáng)流重離子加速器主要是為了弄清楚類似的科學(xué)問題，“主要目標(biāo)是解決原子核物理前沿科學(xué)問題，進(jìn)一步研究原子核內(nèi)部的結(jié)構(gòu)、元素的起源和宇宙能量的起源。”
事實上，“高大上”的HIAF不僅可以探索物理極限，其離日常生活也并不遙遠(yuǎn)，相關(guān)技術(shù)成果可應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)社會眾多領(lǐng)域，并有巨大的產(chǎn)業(yè)化推廣空間。中科院近代物理研究所負(fù)責(zé)人介紹，被譽(yù)為“治癌利器”的醫(yī)用重離子加速器可治療腫瘤、殺死癌細(xì)胞。此外，利用重離子輻照還可以育成玉米、甜高粱、馬鈴薯等新品種，培育特色農(nóng)作物以及中藥材、名貴花卉等經(jīng)濟(jì)作物新品系；精密篩分材料重離子微孔膜可廣泛應(yīng)用于電池隔膜、醫(yī)療、食品飲料、安全識別、防偽等行業(yè)領(lǐng)域。
核廢料克星
把核燃料“吃干榨盡”，大幅縮減放射性壽命
強(qiáng)流重離子加速器裝置的鄰居，是另一個“國之重器”——加速器驅(qū)動嬗變研究裝置（CiADS），而就在直線距離一兩公里的山腳下，是在建的總投資估算約1200億元的廣東太平嶺核電項目。
“CiADS是一個用于開發(fā)先進(jìn)核能技術(shù)的基礎(chǔ)實驗平臺，是加速器和反應(yīng)堆的結(jié)合體。兩個大科學(xué)裝置都與核科學(xué)研究相關(guān)，建在一起，科研人才隊伍可以共享，能夠形成協(xié)同集聚效應(yīng)。”參與項目選址的專家介紹，當(dāng)初在全國各地考察選址，之所以“相中”惠州市惠東縣黃埠鎮(zhèn)，除了因為這里地質(zhì)等條件符合要求，還考慮到可與核能等能源科技產(chǎn)業(yè)形成配套，促進(jìn)園區(qū)化、集約化、集群化發(fā)展。“兩大科學(xué)裝置特別是CiADS與能源科技緊密相關(guān)，未來還將聯(lián)動先進(jìn)能源科學(xué)與技術(shù)廣東省實驗室，努力突破能源領(lǐng)域的‘卡脖子’核心關(guān)鍵技術(shù)。”
中科院近代物理研究所負(fù)責(zé)人透露，CiADS建設(shè)周期為6年，建成后將成為世界上首個兆瓦級加速器驅(qū)動次臨界系統(tǒng)研究裝置，可為未來商用的加速器驅(qū)動先進(jìn)核能系統(tǒng)（ADANES）探索和驗證可行、優(yōu)化的技術(shù)路線。
這一類研究裝置，被國際公認(rèn)為核廢料處理最有前景的技術(shù)途徑。簡單地說，其能夠利用加速器產(chǎn)生的高能強(qiáng)流質(zhì)子束轟擊重核產(chǎn)生寬能譜、高通量中子作為外源來驅(qū)動次臨界堆芯中裂變材料發(fā)生持續(xù)的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，使得長壽命放射性核素最終變?yōu)榉欠派湫缘幕蚨虊勖暮怂兀⒕S持反應(yīng)堆運行。夏佳文說，該裝置通過將核廢料放到一個特殊爐子里，再建造一個強(qiáng)流加速器產(chǎn)生很多的中子，使核廢料繼續(xù)燃燒、繼續(xù)發(fā)電。
早在2011年，中科院就批準(zhǔn)實施A類戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項“未來先進(jìn)核裂變能—ADS嬗變系統(tǒng)”。經(jīng)過6年多艱苦攻關(guān)，目前關(guān)鍵技術(shù)方面已取得突破性進(jìn)展，并不斷優(yōu)化完善CiADS的方案設(shè)計，為建成國際上首個ADS嬗變技術(shù)的集成驗證裝置打下堅實基礎(chǔ)。
“這是一件‘吃螃蟹’的事情。”上述負(fù)責(zé)人告訴記者，商用的ADANES未來可使核電站燃燒的鈾資源利用率大幅提升，最大程度“吃干榨盡”，而核廢料的放射性壽命則可大幅縮短，是一種低排放、安全可靠、高性價比的新型核能系統(tǒng)。
胡正國介紹，HIAF和CiADS項目有很多技術(shù)具有通用性，所以作為一個園區(qū)來建設(shè)。“未來還將進(jìn)行升級，把兩個裝置有機(jī)結(jié)合在一起，形成一個新的、更大系統(tǒng)的核科學(xué)研究平臺。”
■廣東省內(nèi)大科學(xué)裝置一覽（部分）
惠州強(qiáng)流重離子加速器裝置
高流強(qiáng)放射性核束、高功率重離子束團(tuán)和寬能區(qū)重離子束流是探索原子核存在極限和研究原子奇特性質(zhì)必不可少的手段。該裝置主要包括強(qiáng)流離子源、超導(dǎo)直線加速器、大接受度放射性束流線、冷卻儲存環(huán)同步加速器和物理實驗終端等。項目建成后將是國際上脈沖束流強(qiáng)度最高的重離子加速器裝置，將為研究原子核存在極限、核結(jié)構(gòu)新現(xiàn)象和新規(guī)律、宇宙中重元素起源等重大科學(xué)問題提供重要支撐。
惠州加速器驅(qū)動嬗變研究裝置
加速器驅(qū)動次臨界反應(yīng)系統(tǒng)利用散裂中子嬗變核廢料，從而大幅降低核廢料放射性壽命，是安全處理核廢料的最佳手段之一。該裝置主要包括強(qiáng)流質(zhì)子直線加速器、高功率中子散裂靶、液態(tài)金屬冷卻次臨界反應(yīng)堆三大子系統(tǒng)。項目建成后將成為國際上首臺加速器驅(qū)動次臨界系統(tǒng)研究裝置，將滿足我國長壽命高放核反應(yīng)堆廢料安全、妥善處理處置的研究需求，為我國核能可持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)支撐。
大亞灣中微子實驗站
中微子是組成物質(zhì)世界的基本粒子之一，也被稱為“幽靈粒子”。2012年全面建成的大亞灣中微子實驗站的主要目標(biāo)是利用核反應(yīng)堆產(chǎn)生的電子反中微子來測定一個具有重大物理意義的參數(shù)——中微子混合角θ13。當(dāng)年，發(fā)現(xiàn)了第三種中微子振蕩模式并精確測量到其振蕩概率，成功入選《科學(xué)》雜志評選的“2012年度十大科學(xué)突破”，并獲得2016年度國家自然科學(xué)一等獎。
江門中微子實驗站
中微子的質(zhì)量順序，是國際中微子研究的核心問題。江門中微子實驗將打造一個國際領(lǐng)先的中微子實驗站，以測定中微子質(zhì)量順序、精確測量中微子混合參數(shù)等。江門中微子實驗站包括位于地下700米的洞室、大型水池、一個裝滿2萬噸液體閃爍體和光電倍增管的中微子探測器以及少量配套的設(shè)施。
東莞中國散裂中子源
物質(zhì)結(jié)構(gòu)決定了物質(zhì)性質(zhì)，散裂中子源就像“超級顯微鏡”，是研究物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的理想“探針”，幫人類揭開微觀世界的神秘面紗。位于東莞的中國散裂中子源是全國首臺、全球第四臺脈沖型散裂中子源，于2018年建成。項目包括一臺直線加速器、一臺快循環(huán)同步加速器、一個靶站，以及一期三臺供科學(xué)實驗用的中子散射譜儀，為我國材料科學(xué)技術(shù)、物理、化學(xué)化工、生命科學(xué)、資源環(huán)境和新能源等提供科研平臺。
■延伸
大科學(xué)裝置支撐
大灣區(qū)國際科創(chuàng)中心建設(shè)
大科學(xué)裝置在全球范圍內(nèi)發(fā)揮著“科技航母”的關(guān)鍵作用，直接促進(jìn)大批原始創(chuàng)新成果及核心關(guān)鍵技術(shù)的產(chǎn)生，最典型的就是歐洲核子研究中心（CERN）發(fā)明的互聯(lián)網(wǎng)。
《粵港澳大灣區(qū)發(fā)展規(guī)劃綱要》明確提出，支持重大科技基礎(chǔ)設(shè)施、重要科研機(jī)構(gòu)和重大創(chuàng)新平臺在大灣區(qū)布局建設(shè)。環(huán)顧今天的大灣區(qū)，深圳、東莞、惠州、江門等地，國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施和大科學(xué)裝置加快布局，世界一流的重大科技基礎(chǔ)設(shè)施集群呼之欲出。
目前，中科院已在廣東布局散裂中子源、深圳大亞灣中微子實驗站、江門中微子實驗站、加速器驅(qū)動嬗變系統(tǒng)研究裝置、強(qiáng)流重離子加速裝置等多個大科學(xué)裝置。
這些“國之重器”都是面向科技前沿的大型復(fù)雜科學(xué)研究系統(tǒng)，將成為國際領(lǐng)先的科學(xué)設(shè)施。其共同的特點是為探索未知世界、發(fā)現(xiàn)自然規(guī)律、實現(xiàn)技術(shù)變革提供極限研究手段，是突破科技前沿、解決經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和國家安全重大科技問題的物質(zhì)技術(shù)基礎(chǔ)。它們都聚焦微觀領(lǐng)域，不僅能夠揭秘微觀物質(zhì)、探索宇宙起源和演化，也可以在交叉學(xué)科和國民經(jīng)濟(jì)各相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)行成果轉(zhuǎn)化，應(yīng)用前景和空間廣闊。
“粵港澳大灣區(qū)建設(shè)，需要大科學(xué)裝置。”中國科學(xué)院院士、中國散裂中子源項目經(jīng)理陳和生此前在接受南方日報記者采訪時表示，隨著大灣區(qū)建設(shè)，珠三角的大科學(xué)裝置迅速增加，廣東進(jìn)入大科學(xué)裝置黃金發(fā)展期。包括惠州在內(nèi)，廣東將成為國家大科學(xué)新中心。
胡正國也告訴南方日報記者，包括惠州兩大科學(xué)裝置在內(nèi)的珠三角重大科技基礎(chǔ)設(shè)施集群，將為粵港澳大灣區(qū)國際科技創(chuàng)新中心建設(shè)起到重要支撐作用，“重大科技基礎(chǔ)設(shè)施集群的形成，可使各裝置聯(lián)動協(xié)同、優(yōu)勢互補(bǔ)，不僅將為大灣區(qū)集聚一大批頂尖科研人才，也可共同提升廣東以及我國相關(guān)基礎(chǔ)科學(xué)研究和源頭創(chuàng)新能力。”胡正國舉例說，東莞的中國散裂中子源與惠州的加速器驅(qū)動嬗變研究裝置都是產(chǎn)生中子的裝置，原理也類似，都通過打靶產(chǎn)生中子，但裝置服務(wù)的對象不同，是兩個互補(bǔ)的方向，未來可以進(jìn)行一些聯(lián)動。
兩大科學(xué)裝置規(guī)劃建設(shè)歷程
2009年
中國科學(xué)院近代物理研究所提出HIAF的概念設(shè)計并不斷優(yōu)化，同時對部分關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行預(yù)研。相關(guān)技術(shù)人員開始在全國范圍內(nèi)選址。
2010年
科研人員開始在全國范圍內(nèi)進(jìn)行實地踏勘調(diào)研，為CiADS項目選址。
2014年
選定廣東省惠州市惠東縣東南沿海地區(qū)為HIAF和CiADS建設(shè)地址。
2014年6月
中國科學(xué)院與廣東省人民政府簽署HIAF項目和CiADS項目共建框架協(xié)議，標(biāo)志著這兩個大科學(xué)裝置正式落戶廣東惠州。
2015年12月31日
國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施“強(qiáng)流重離子加速器”和“加速器驅(qū)動嬗變研究裝置”由國家發(fā)改委批準(zhǔn)立項。
2017年12月
HIAF和CiADS配套工程項目可行性研究報告獲得了廣東省發(fā)改委批復(fù)。配套工程合計總用地面積72.67萬平方米，總建筑面積10萬平方米，項目估算總投資23.54億元。
2018年1月18日
HIAF和CiADS項目可行性研究報告獲得國家發(fā)改委批復(fù)，這標(biāo)志著兩大科學(xué)裝置正式進(jìn)入設(shè)計建造階段。
2018年5月15日
HIAF項目初步設(shè)計方案獲得中國科學(xué)院批復(fù)。
2018年6月13日
CiADS項目初步設(shè)計方案獲得中國科學(xué)院批復(fù)。
2018年7月30日
中科院近代物理研究所與香港大學(xué)理學(xué)院簽署合作備忘錄協(xié)議。雙方將依托蘭州重離子加速器裝置以及在惠州HIAF和CiADS成立核物理聯(lián)合實驗室，并在科學(xué)研究、人才培養(yǎng)、師生互訪、學(xué)科建設(shè)、基金申報等方面進(jìn)一步開展合作。
2018年9月
HIAF和CiADS項目配套設(shè)施建設(shè)中的場平工程啟動建設(shè)。
2018年12月23日
HIAF項目開工建設(shè)啟動會在惠州市順利召開，標(biāo)志著項目啟動建設(shè)。
2019年8月29日
廣東省政府召開第三批省實驗室建設(shè)啟動會，為先進(jìn)能源科學(xué)與技術(shù)廣東省實驗室授牌。該實驗室由惠州市政府委托中科院近代物理研究所建設(shè)。
2019年12月26日
中科院兩大科學(xué)裝置項目總部區(qū)工程動工建設(shè)。該總部區(qū)由廣東省和惠州市共同為兩大科學(xué)裝置配套建設(shè)，也是先進(jìn)能源科學(xué)與技術(shù)廣東省實驗室總部的核心承載區(qū)。
2020年6月底
兩大科學(xué)裝置項目裝置區(qū)配套工程(土石方工程)完成投資約4.65億元，約占總量的85.9%。其中，場平工程完成98%，邊坡工程完成65%，隧道工程完成23%。
策劃統(tǒng)籌 柯鴻海 張志超
