我國核數據研究現狀與發展

葛智剛，陳永靜

(中國原子能科學研究院 核數據重點實驗室，北京 102413)

核數據廣義上是描述原子核基本性質、核衰變以及原子核與其他粒子發生反應過程等方面信息的總稱。這些核數據是核能開發、核技術應用以及核基礎研究相關的重要基礎參數。核數據應用領域涵蓋了核能源、核醫學、核不擴散、軍備控制、核安全等幾乎所有重要核科學與核技術領域。因此，核數據是連接核物理基礎研究與核工程及核技術應用的重要橋梁，其準確性和可靠性直接關系到核工程產品及核技術應用的質量。目前應用中最重要、最廣泛的是中子誘發原子核發生反應的數據，簡稱中子核數據，而關注的中子入射能量一般在20 MeV以下。近年來由于新型核能研究、聚變反應研究以及核技術應用的不斷拓展，入射粒子的種類及能區也在不斷地擴展。

本文回顧我國核數據研究的發展歷程，總結國內外核數據發展現狀以及新形勢下國民經濟發展與核科學研究對核數據的新需求，并探討我國核數據研究的未來發展。

1 我國核數據研究的發展歷程

國際核數據研究始于20世紀40年代，我國核數據研究起步相對較晚。從20世紀50年代末開始，根據我國原子能事業的發展需求，我國開展了部分裂變反應和輕核反應截面的調研和實驗測量研究，有力支持了我國原子能工業的初期發展。其后，我國核數據研究一直緊緊圍繞國民經濟建設與基礎科學研究發展的需要進行。特別是1975年中國核數據中心成立后，在朱光亞先生提出的“小規模、高水平、有特點”方針的指導下，通過全國核數據工作協作網各成員單位的共同努力，先后完成了多期國家核數據研究任務，取得了許多重要成果，初步形成了由實驗測量、理論計算和評價建庫等構成的核數據研究能力。建立了《中國評價核數據庫》(CENDL)和多個重要的專用核數據庫，這不僅有力支持了國民經濟建設和核基礎科學研究和核技術應用的發展，也奠定了我國作為國際上主要核數據大國的地位。到目前為止，我國核數據研究已走過50多年，這個發展過程大體可分為下述3個階段。

第1階段是1960—1985年，這個階段主要應我國原子能工業發展的緊迫需求而測量評價了一些關鍵核素的核數據，完成了中國評價核數據庫第1版(CENDL-1)的建設。CENDL-1包含H、D、T等輕核，235,238U、239Pu等錒系核素以及10B、23Na、Mg、Si等21個結構材料核，共37個核素，中子能區為1 keV～20 MeV，數據類型包含共振參數、中子截面、次級中子角分布和次級中子能量分布等。中國評價核數據庫第1版獲得了國家科學技術進步獎二等獎。這階段的核數據研究滿足了國家的急需，初步建立了核數據測量與評價系統的框架，成立了我國核數據評價和測量隊伍，一些研究成果接近國際水平。

第2階段是1985—2000年，這個階段在繼續完成國民經濟建設所需的核數據評價和測量任務的同時，逐步建立了較為完整的、具有我國特色的核數據測量、評價的方法和手段。還兼顧滿足了我國核電建設發展對核數據的需求。在測量、評價、建庫、宏觀檢驗等方面協調發展，建立了通用數據庫和各種專用數據庫，完成了中國評價核數據庫第2版(CENDL-2和CENDL-2.1)的建設，且CENDL也成為了國際上主要五大評價核數據庫之一，獲得了國家科學技術進步獎二等獎。中國評價核數據庫第2版包含輕核、結構材料核以及錒系核，共計69個核素，中子能區為10-5～20 MeV，不僅包含共振參數、中子截面、次級中子角分布和次級中子能量分布數據，其中有14個主要核素還包含雙微分截面數據，49個核素包含了光子產生數據的多重性、光子產生截面、光子角分布和光子能譜，11個核素還評價給出了中子截面協方差數據。

第3階段是從2000年至今，這個階段主要任務是提高核數據精度，增加核素數目與核數據的種類。在這期間，裂變后數據的實驗測量研究取得了重要進展，并開始了裂變過程微觀理論的研究；建立了核反應截面協方差數據的評價方法和程序；初步建立了評價數據庫宏觀檢驗系統，開始了評價核數據庫的系統性宏觀檢驗；完成了各種專用核數據庫以及中子評價核數據庫第3版(CENDL-3.1)。該版核素數目擴展到246個，增加了大量裂變產物核以及次錒系核的數據；除核素數目增加以外，所有核素均增加了次級中子能量分布數據；輕核增加了雙微分截面數據；增加了光子數據(文檔12～15)和緩發中子數據。通過這一階段的努力，我國核數據研究整體水平進入了國際先進行列、部分研究成果達到了國際領先水平，如在國際上首次在輕核評價數據中給出了雙微分截面評價數據。

經過近60年的發展，我國完成了大量、關鍵的核數據測量與評價研究，滿足了我國原子能工業發展的急需，填補了大量核數據空白，澄清了部分關鍵核數據的分歧；發展了具有自主知識產權的核數據測量、評價與建庫系統；支持了我國經濟建設、原子能工業和核科學研究的快速發展，特別是全國核數據工作協作網的成立帶動了一大批核物理基礎研究的發展，并取得了較高水平的研究成果，與此同時，也培養、鍛煉了一批精干的核數據研究隊伍。

2 核數據研究發展現狀

2.1 國際核數據研究現狀

由于核數據是核事業發展的基礎數據，一直受到核發達國家的高度重視。美國、俄羅斯、歐洲、日本均建立和發展了各自的評價核數據庫，特別是與中子相關的核數據，且不斷持續更新再版，擴大核數據規模、拓寬能區、豐富核數據類型、提高各評價核數據庫的質量，以滿足核能發展與核科學技術發展的需要。

圖1 洛斯阿拉莫斯國家實驗室 關于核數據評價體系示意圖[8]Fig.1 Schematic diagram of nuclear data evaluation in Los Alamos National Laboratory[8]

進入21世紀后，國際核數據研究呈現出新的發展勢態。在核數據測量方面，新型測量設備與方法不斷涌現，中子源強度不斷提高使得關鍵核數據測量精度不斷提高，如對關鍵鈾钚核素的重要反應數據開展深入、仔細的測量，獲取了一大批較之前更為精確的測量數據。以美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室LANSCE/WNR[1]和歐洲CERN n-TOF裝置的散裂中子源為代表的核數據測量平臺[2]已成為目前核數據測量最先進的平臺。在探測器方面，各種新型探測器及相關的技術不斷出現，極大提高了探測效率及信號處理能力。在實驗方法方面，出現了如替代反應法[3]、漸近歸一系數法[4]、質譜法[5-7]等新方法，使得原先無法實現的一些對不穩定核的數據測量成為現實。在核數據評價建庫方面，美國、日本、歐洲等主要核數據大國一直在積極提高自己的評價核數據庫的水平，包括評價核素范圍、數據種類、數據質量以及數據庫的更新頻率等，已建立完整的核數據評價體系(圖1)[8]，包括用于核數據評價的先進的理論模型與計算程序，完整的核數據建庫與檢驗技術，面向用戶的完善的核數據加工與制作技術，核數據靈敏度分析、不確定度分析、核數據調整技術等。

目前國際核數據研究總體發展動向是關鍵核數據精確化、核數據種類完整化、核數據應用多樣化、核數據庫建設維護專業化、關鍵核數據不確定度量化。核數據發展規模不斷擴大是目前國際核數據的發展態勢。

2.2 我國核數據研究現狀

我國核數據研究已在測量、理論、評價、宏觀檢驗等方面建立了自己的體系，核數據研究也在一定程度上滿足了國內用戶對核數據的需求。但隨我國核技術應用、基礎科研、能源發展等領域不斷深入研究，對核數據的需求呈現出新的趨勢，主要有下面幾點。

1) 數據精度的提高。核數據研究已進入高精度時代，如先進核能系統的研發要求關鍵燃料核的裂變截面精度達1%～3%，而現有數據精度是3%～8%；要求非彈性散射截面精度達5%，而現有數據精度是10%～20%；要求(n,2n)反應截面精度是5%，而現有數據精度是8%～20%。此外，要求給出量化的核數據不確定度，即給出重要核素的協方差數據。

2) 核素多。目前核數據應用需要的核素范圍從錒系核擴展到次錒系核，從穩定核擴展到不穩定核。第4代核反應堆、ADS的研究除需要精確的錒系核的各種反應截面，還需要精確的次錒系核的中子數據。核廢料的嬗變也需要反應堆內生成的各種長壽命產物核的中子反應截面數據，核裝置的精確設計要求壽命更短的不穩定核的數據。

3) 能區寬。之前我國的核數據研究中子能量一般只到20 MeV，目前ADS研究、核醫學研究、空間輻射研究、航天及航空電子器件的抗輻射加固研究等需要更高能量的核數據，需從原先的20 MeV以下擴展到150 MeV甚至更高。

然而目前現有的很多核數據在種類、能區及精度方面遠不能滿足這些新需求，這對核數據的測量和評價研究提出了極大的挑戰，推動人們在新的形勢下開展核數據的深入研究。

依托上述這些需求背景，針對我國核數據研究的薄弱環節，我國的相關科研院所也進行了一些重點布局，在核數據基礎研究、核數據測量和核數據評價等方面均開展了深入研究。

在中子源技術方面，中國原子能科學研究院、蘭州大學和中國科學院核能安全技術研究所均在建設新的強流高壓倍加器，中國先進研究堆(CARR)也已投入運行[9]。同時，隨著中國散裂中子源(CSNS)[10]以及國內一些其他高性能中子源的陸續建成，我國的核數據研究平臺得到較大改善。在探測技術發展方面，國內相關單位發展了HPGe探測器陣列、4π氟化鋇球等高效率陣列譜儀以及TPC等探測器技術。在核數據測量技術方面，我國核數據測量除傳統的中子飛行時間、活化等測量手段外，積極開展替代法、加速器質譜法[11-12]等技術研究，初步獲得較好的效果。

在核數據評價技術方面，隨著核數據的應用領域不斷拓展和需求的不斷提高，需進一步提高全套中子評價核數據庫中關鍵核素的質量，特別是引入國外的同時評價技術提高錒系核素的核數據質量；積極拓展能區范圍，計劃由原來的最高20 MeV向150 MeV甚至更高拓展；計劃增加不穩定核素的核反應數據并給評價核數據添加不確定度(協方差數據)。在核數據理論研究方面，需通過改進核反應理論模型提高錒系核核反應評價數據的質量。裂變后數據的理論研究近年來也取得了較大進展，基于宏觀和微觀方法實現了五維集體變形坐標下的位能曲面的真實計算。用“灌水法”獲取了位能面上的所有點、位能極小點、位能谷線和脊線[13-14]；發展了描述核裂變的雙中心殼模型理論，研制了朗之萬方程計算裂變碎片質量分布的程序，取得了與實驗符合很好的結果[15]。此外，基于約束Hartree-Fock-Bogoliubov平均場和與時間有關的生成坐標方法描述鈾、钚等重核裂變過程的研究也正在起步，基于相對論能量密度泛函描述裂變動力學過程已取得一定的成果[16]。

另外，國內相關單位對核數據研究的關注度也逐漸加強，并積極開展核數據相關研究，這也必將促進我國的核數據整體研究水平進一步發展和提升。預計在未來10～20年內，我國的核數據研究將會躍上一個新的臺階。

3 我國核數據研究展望

目前，我國核數據研究得到了國家自然科學基金委員會、科技部及國家原子能機構等部門的大力支持。通過全國核數據工作協作網的協同攻關，已取得了許多成就，解決了國家急需。但相對于國外日益蓬勃發展的核數據研究，我國核數據研究需重點關注下述幾個方面的問題。

1) 加強人才隊伍建設。現有核數據研究人才隊伍無法滿足日益增長的核數據需求，表現為整個核數據隊伍逐漸縮小，年輕的骨干力量缺乏。未來需進一步加強高水平核數據人才隊伍建設，吸引年輕一代的高水平科研人才加入到核數據研究隊伍。

2) 加強先進核數據測量平臺的建設、增加核科學基礎研究的投入。因為核數據進一步提高質量需攻克核數據的一些關鍵基礎問題，如實驗核物理研究是核數據測量的基礎，而這依賴于大型的、高水平的實驗裝置和測量手段及設備。核數據高水平的基礎來源于核科學的基礎研究成果，因此，對核科學基礎的持續投入是提高核數據基礎的關鍵之一。在這方面我國與國際上主要發達國家存在較大的差距。

3) 積極加強基礎理論研究，突破核數據關鍵問題。如圖1所示，核物理基礎理論是核數據模型理論的產生基礎。近年來，隨著實驗數據的不斷豐富，對核反應與結構理論模型的發展提供了很好的支撐，許多核數據模型理論程序已可很好再現實驗測量數據并廣泛用于核數據的評價和計算(如歐洲的TALYS程序[17]和美國的EMPIRE程序[18])。但仍有許多方面的核反應和核結構理論有待完善，如輕核反應理論、裂變理論、不穩定核中子反應理論等，目前這些理論在計算輕核反應數據、裂變數據及不穩定核數據方面仍存在明顯不足。這些基礎理論的發展對于提高核數據理論模型預言能力，進而提高核數據庫質量十分重要。

4) 鼓勵加強國際合作、引進先進技術、通過國際合作研究以突破一些技術難點。自從20世紀80年代，我國正式加入國際原子能機構后，國際交流不斷增多，在我國核數據研究取得的研究成果逐步得到國際同行認可的同時，也吸收國際相關領域專家學者的先進經驗和技術方法為我所用。因此不斷拓展國際交流渠道，獲取先進的核數據研究方法和更多核數據信息，是不斷提升我國核數據研究水平并最終走向國際領先的重要支撐之一。