核科學

核科學由自然科學與技術科學交叉形成的核科學技術始於20世紀前半葉，它是國家科技水平和綜合國力的標誌。核科學技術始終保持旺盛的生命力。

基本介紹

• 中文名：核科學
• 開始時間：20世紀前半葉
• 重要性：國家科技水平和綜合國力的標誌
• 形成：自然科學與技術科學交叉形成
• 主要領域：核發展
• 發展狀況：發展比較成熟

簡介

核科學發展特點：一是深入探索物質深層次結構，另一是各種核技術（如核武器、核能、加速器、同位素與核輻照等）得到廣泛套用。核科學技術研究是核事業生存與發展的先導和基礎，更是核能利用、核燃料循環、核技術套用三大產業發展的技術支撐。核科學技術已形成幾十個分支學科。本報告重點研究發展較為成熟、與國計民生密切相關且反映國內外核科技水平的若干分支學科。 核科學由自然科學與技術科學交叉形成的核科學技術始於20世紀前半葉，它是國家科技水平和綜合國力的標誌。核科學技術始終保持旺盛的生命力。發展特點：一是深入探索物質深層次結構，另一是各種核技術（如核武器、核能、加速器、同位素與核輻照等）得到廣泛套用。核科學技術研究是核事業生存與發展的先導和基礎，更是核能利用、核燃料循環、核技術套用三大產業發展的技術支撐。核科學技術已形成幾十個分支學科。本報告重點研究發展較為成熟、與國計民生密切相關且反映國內外核科技水平的若干分支學科。

學科概況

核科學是一門由基礎科學、技術科學及工程科學組成的綜合性很強的尖端學科。本學科主要研究核能科學與工程、核燃料循環與材料、核技術及套用、輻射防護及環境保護。核工業要形成體系必須包括核燃料循環以及研製滿足特殊要求的材料。前者是以許多新型的化工和特殊的工藝過程為基礎的。這些過程包括放射性和穩定同位素的分離、核燃料元件製造、輻照燃料的後處理、放射性廢物的處理等。後者要滿足對核燃料和核反應堆的結構部件所應具有的特殊核性能要求，形成了特殊的核材料科學和技術領域。核能是世界能源結構中的一個不可缺少的組成部份，在國民經濟中占有重要的地位。

本學科研究核能的產生，有效的利用及其安全性和有關的核技術問題，是一門由基礎科學、技術科學和工程科學組成的具有重大生產實踐意義和理論發展前景的綜合性學科。核燃料循環與材料研究核裂變和核聚變燃料循環各個過程中的科學和技術問題，包括：核裂變和核聚變燃料、輻照核燃料的後處理、放射性廢物的處理、放射性和穩定同位素的分離、核工程材料等。本學科是一門和物理學、化學、材料科學與工程、化學工程與技術、冶金工程等學科有關的，由基礎科學、技術科學和工程科學組成的綜合性學科。環境保護是我國的一項基本國策。輻射防護及環境保護涉及放射性和有毒有害物質的防護與污染控制。本學科對保護人體健康和人類生存環境有重要意義，對促進核科學與技術的發展 起著重要作用。本學科主要研究輻射防護，核廢物及危險廢物的處理技術，廢物資源化技術，核廢物及危險廢物處置技術，放射性物質及有毒有害物質在地表水、地下水、包氣帶和大氣環境中的遷移、轉化、擴散規律，核廢物和危險廢物管理的環境影響評價與安全分析，核技術在環境科學與工程中的套用。

在核能中裂變能的利用已獲得廣泛的發展，核能已成為經濟、安全、可靠而又潔淨的能源。中國的核電已進入蓬勃發展階段，核供熱反應堆正由試驗堆向商用堆發展。快中子堆、高溫氣冷堆、聚變一裂變混合堆已列入我國高技術發展計畫，有的已開始投入建造。脈衝堆及高通量試驗堆也在一些特定領域發揮了重要作用。現在正致力於發展具有更高安全性和經濟性的先進核反應堆堆型及核能的綜合利用。在受控熱核聚變方面，聚變電漿物理與核聚變的理論與實驗研究，在世界範圍內已取得了較大進展，它的成功必將為人類最終解決能源問題作出重大貢獻。

發展

20世紀40年代實現由輻照後燃料中提取裂變物質及建成大規模分離鈾同位素的工廠以來，世界上的有核國家在此領域發展很快。粒子加速器和核探測技術是研究核科學、發展核技術的重要手段。多種大型加速器和同步輻射光源的建成，醫用和工業加速器的成批生產，同位素的套用，射線探測技術、核電子學與計算機的發展，使核技術廣泛套用到理、工、農、醫、生物、地質等各個領域，推動了科學技術的發展，產生了可觀的社會效益和經濟效益。人們在廣泛利用核能和核技術的同時必須面對特殊的人身安全和環境問題。為此，要研究和解決對放射性和有毒有害物質的防護和污染控制；要確保核設施的安全，同時妥善解決放射性廢物的最終安全處置；不但要解決核設施工作人員的輻射安全防護問題，而且要使核設施周圍的公眾受到的環境輻射劑量達到合理的儘可能低的水平，以保護人體健康和生態環境。本學科所屬的二級學科有：核能科學與工程，核燃料循環與材料，核技術及套用，輻射防護及環境保護。目前，我國已形成一整套核工業生產、科研與教學體系，核能和核技術套用已發展到工業規模的階段。本學科在向深度和廣度發展的同時也促進了其他學科與高科技的發展。

中國的核事業已取得輝煌的成就：①成功地研製出核子彈、氫彈、核潛艇等武器裝備；②核電建設取得初步成就；③建成獨立完整的核科技與工業體系；④核技術套用領域不斷擴大；⑤培養和造就了高素質的人才隊伍。20世紀50年代中，中國開始發展核工業。1964年10月16日爆炸第一顆核子彈；1967年6月17日進行首次氫彈試驗；1971年9月第一艘核動力潛艇下水。“兩彈一艇”的偉業標誌中國已初步建立完整的核工業體系，跨入世界核大國行列。

改革開放後，開發核電掀開了中國核工業發展的新篇章。中國自主設計建設的秦山核電站於1991年投產。秦山二期、秦山三期、大亞灣核電站、嶺澳核電站、田灣核電站已陸續投入商業運行；已形成門類齊全、專業配套的核科學技術體系。在核電技術研發、工程設計、設備製造、工程建設、營運管理等方面具備了相當的基礎和實力，能自主設計建設30萬千瓦和60萬千瓦壓水堆核電機組，也具備“以我為主、中外合作”建設百萬千瓦級機組的能力。中國還積極開展其他形式核能利用研究：建成多個核聚變試驗裝置；啟動串列加速器重點實驗室研究計畫；完成低溫核供熱工程試驗研究；高溫氣冷堆達到臨界；實驗快堆正在建造之中；先進研究堆等重大科學工程進展良好。

在核電發展帶動下，通過引進和自主開發，對核燃料循環工業體系進行技術改造，在某些關鍵環節實現工藝技術更新換代。其他核技術已廣泛套用於工業、農業、醫療衛生、環境保護、礦產勘探、公共安全、科研等諸多領域，取得顯著社會經濟效益。中國還建立了相對完整的核安全與環境保護、核應急等保障體系，以及與國際接軌的安全法規監督體系、組織管理體系；各核設施保持良好安全運行記錄。

國際核科學技術發展的現狀與趨勢

（一）核基礎研究領域

核物理研究提高了核多體計算的精確度。在核反應和核結構研究方面，主要目標是發展高同位旋、高角動量的極端條件。高能加速器在高能量前沿、高亮度前沿和新技術、新原理3個方面有發展。超導磁鐵和超導高頻腔在加速器中廣泛套用。雷射加速、電漿尾場加速和雙束加速器等研究取得突破性進展。以國際熱核實驗堆（ITER）計畫的啟動為標誌，磁約束核聚變研究已經完成科學（電漿物理學）可行性驗證。已建立先進核臨界安全研究設施和實驗平台，形成並公布了許多臨界安全基準數據。在核安全方面，重點研究嚴重事故、數位化控制與保護系統、人因工程、非能動安全、老化管理、機率安全評價、防恐怖和防核擴散等技術。

（二）核能技術領域

世界核電發展正處於復甦時期，在役核電站要儘量延壽運行，同時大力開展新堆型研發。先進壓水堆技術已形成以非能動安全系統、先進反應堆芯、模組化設計、數位化儀表與控制等為代表的新潮流。第三代壓水堆已形成EPR和AP-1000兩種設計；已提出以高放廢物最小化、核能可持續發展和強化核不擴散為目標的第四代（共6種）先進核能系統，其中有3種是快堆（鈉冷快堆、鉛冷快堆和氣冷快堆）。快堆技術發展逾30年，主要核電已開發國家都已掌握快堆技術。高溫氣冷堆已建成2個實驗堆並完成3個商業示範電站設計。軍用核動力技術重點向自然循環能力強、體積小、重量輕的一體化布置目標發展。在空間堆方面著重空間核反應堆電源的研究，提高軍事衛星的攻防能力和生存能力。

(三)核燃料循環技術領域

探明鈾資源儲量可滿足全球核工業發展需求。數位化鈾礦山與循環經濟是國際鈾礦開採的總體發展趨勢；地浸采鈾技術已獲發展和推廣套用。國際鈾濃縮技術由氣體擴散法向更有效、經濟與可靠的氣體離心法發展。研究試驗堆的燃料轉向低濃化；提高壓水堆燃料元件生產效率和製造能力，改進自動化和數位化控制水平，增加其在堆內的安全運行可靠性。在核燃料循環後段方面，多數國家走核燃料閉式循環（後處理）之路；部分國家選擇 “一次通過”（直接處置）方式；少數小國 “等著瞧”。用於後處理的水法PUREX流程已經成熟，一段時期內仍是後處理工藝的主體；對未來的先進反應堆乏燃料，傾向於乾法處理。放射性廢物處理與處置的改進目標是：實現廢物最小化，提高淨化效果，延長設備使用壽命，減少維修和降低工作人員受照劑量。

培養目標

1．博士學位應在數學、物理、熱工、材料、力學和核工程方面應具有堅實寬廣的理論基礎和系統深入的專業知識，對本學科的現狀與發展方向具有系統深入的理解。至少掌握一門外國語，能閱讀本專業的外文資料，具有一定的寫作能力和進行國際學術交流的能力。熟練套用計算機。作風嚴謹，具有獨立從事科學研究的能力，並作出創造性成果。能從事高等學校教學，參與和承擔重大項目的設計、建造、運行和管理工作。

2．碩士學位應在數學、物理、熱工、材料、力學和核工程方面具有堅實的理論基礎和系統的專業知識。比較熟練地掌握一門外國語。熟練套用計算機。具有從事本學科的科學研究、教學、工程設計、建造、運行、管理等方面的工作能力。

套用領域

歐共體開展BRITE研究與發展計畫，推動高分子材料的輻射改性；日本和美國制定“推進輻射技術計畫”。全球現有近300台放射性同位素生產裝置，包括約100座研究堆和180台加速器。約50個國家擁有同位素生產設施，大部分屬於經濟合作和發展組織。主要的同位素生產國還有中國、印度、俄羅斯和南非。放射損傷診斷技術正實現自動化和系統化。輻射技術也得到較快發展，並滲透到經濟社會的許多領域。

1．裂變堆工程技術

（1）動力堆，已掌握用於先進壓水堆的物理、燃料組件、熱工水力設計程式，具備對大型壓水堆含釓可燃毒物長循環低泄漏堆芯和燃料管理的設計能力。對應付全廠斷電工況非能動餘熱排出、主冷卻劑和主蒸汽管道破口工況的非能動安全殼冷卻和安注等系統做了重點研究。研製出核電站儀控系統用計算機原理樣機，建立先進控制室開發平台和半實物仿真系統。

（2）研究試驗反應堆，已開工建設兩座新研究堆（CMRR和CARR），並正籌建一座新的工程試驗堆。

（3）快中子堆，正在建設採用鈉冷堆型的中國實驗快堆，大部分設備由本國生產，預計2008年建成並達臨界。

（4）高溫氣冷堆，自主設計、建造的10MW高溫氣冷實驗堆已滿功率運行且併網發電；高溫氣冷堆核電示範工程也已啟動。

（5）加速器驅動次臨界潔淨核能系統（ADS），建立世界第一個ADS次臨界反應堆實驗平台、配套專用計算機軟體系統及專用中子、質子微觀數據評價庫，開展工程概念最佳化方案計算。

2．核聚變工程技術與電漿物理學，已建成HT-6B、HT-6M和超導HT-7、EAST等托卡馬克裝置。在HL-2A和HT-7上開展國際前沿物理研究；完成不同堆型（磁鏡、托卡馬克）、不同用途（混合堆、工程實驗堆、商用堆、D-3He聚變堆）的托卡馬克聚變堆系列設計研究；加入國際熱核試驗堆計畫；開始慣性約束雷射核聚變裝置（神光Ⅲ）的建造；“快點火”技術和軟體平台建設取得較大進展。