國之重器加持 灣區再添“科技航母”

位於惠州市惠東縣的中科院兩大科學裝置項目工地航拍場景。受訪者供圖

中科院兩大科學裝置規劃效果圖。

在惠州市惠東縣黃埠鎮，群山之巔，中科院兩大科學裝置項目裝置區配套工程正加快建設。作為總投資約68億元的“國之重器”，惠州在建的強流重離子加速器裝置（HIAF）和加速器驅動嬗變研究裝置（CiADS）是“十二五”國家重大科技基礎設施，也是國內為數不多的兩個緊密相連的大科學裝置“雙子星”。在兩大科學裝置、廣東太平嶺核電等“巨無霸”項目引領下，惠州稔平半島將崛起成為大灣區能源科技創新中心。

中國科學院近代物理研究所負責人透露，HIAF項目將成為國際上脈衝束流強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（加速器驅動次臨界系統）研究裝置。預計2025—2026年建成投用後，將可集聚國內外約1500名科學家等科研人才。加上謀劃中的其他項目，未來有望在惠州形成大科學裝置集群，並逐步建成具有重大影響的國際核科學與技術研究中心。

強流重離子加速器

既探索物理極限，又服務民生經濟

從惠州市區驅車向東南行駛約兩個小時，便來到惠東縣黃埠鎮東頭村。巍峨的大山頂上，有一個施工面積達81萬平方米的“超級工程”。中國科學院近代物理研究所副所長胡正國告訴南方日報記者，強流重離子加速器裝置（HIAF）和加速器驅動嬗變研究裝置（CiADS）兩大科學裝置就落戶在這裡。

“重離子加速器是世界上極少數國家擁有的大科學裝置，我國蘭州也有一台，從重離子能量來看，排在全球第四、亞洲第一。”專家介紹，位於惠州的HIAF建成後，將成為全球脈衝束流強度最高的重離子加速器裝置。“這個建設週期長達7年的‘國之重器’，將整合超導直線加速器和環形同步加速器最先進的技術，其系統包括強流超導離子源、超導直線加速器、增強器等；實驗終端包括低能核結構譜儀、強流離子束輻照終端、放射性束流線、外靶實驗終端等。”

HIAF是用人工方法産生高速離子束流的裝置。高流強、高能量、高束團功率是重離子加速器的發展趨勢，束流指標越先進，就越有可能引領相關科學研究並取得重大成果。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，近年來世界範圍內掀起了大型加速器的新建和升級計劃：今後10年，德國、美國等國際上新一代重離子加速器裝置將陸續投入運作；HIAF在設計上整合了新一代重離子加速器裝置的優點，能夠提供高流強、寬能量範圍、種類豐富的穩定核和放射性離子束流以及高功率重離子束團。

中國工程院院士、中國科學院近代物理研究所副所長夏佳文表示，在元素週期表上，比鐵更重的元素，如金、銀、銅以及鈾，在宇宙中是怎麼形成的，科學家還不清楚。建設強流重離子加速器主要是為了弄清楚類似的科學問題，“主要目標是解決原子核物理前沿科學問題，進一步研究原子核內部的結構、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，其離日常生活也並不遙遠，相關技術成果可應用於經濟社會眾多領域，並有巨大的産業化推廣空間。中科院近代物理研究所負責人介紹，被譽為“治癌利器”的醫用重離子加速器可治療腫瘤、殺死癌細胞。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，培育特色農作物以及中藥材、名貴花卉等經濟作物新品係；精密篩分材料重離子微孔膜可廣泛應用於電池隔膜、醫療、食品飲料、安全識別、防偽等行業領域。

核廢料剋星

把核燃料“吃幹榨盡”，大幅縮減放射性壽命

強流重離子加速器裝置的鄰居，是另一個“國之重器”——加速器驅動嬗變研究裝置（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是一個用於開發先進核能技術的基礎實驗平臺，是加速器和反應堆的結合體。兩個大科學裝置都與核科學研究相關，建在一起，科研人才隊伍可以共用，能夠形成協同集聚效應。”參與項目選址的專家介紹，當初在全國各地考察選址，之所以“相中”惠州市惠東縣黃埠鎮，除了因為這裡地質等條件符合要求，還考慮到可與核能等能源科技産業形成配套，促進園區化、集約化、集群化發展。“兩大科學裝置特別是CiADS與能源科技緊密相關，未來還將聯動先進能源科學與技術廣東省實驗室，努力突破能源領域的‘卡脖子’核心關鍵技術。”

中科院近代物理研究所負責人透露，CiADS建設週期為6年，建成後將成為世界上首個兆瓦級加速器驅動次臨界系統研究裝置，可為未來商用的加速器驅動先進核能系統（ADANES）探索和驗證可行、優化的技術路線。

這一類研究裝置，被國際公認為核廢料處理最有前景的技術途徑。簡單地説，其能夠利用加速器産生的高能強流質子束轟擊重核産生寬能譜、高通量中子作為外源來驅動次臨界堆芯中裂變材料發生持續的鏈式反應，使得長壽命放射性核素最終變為非放射性的或短壽命的核素，並維持反應堆運作。夏佳文説，該裝置通過將核廢料放到一個特殊爐子裏，再建造一個強流加速器産生很多的中子，使核廢料繼續燃燒、繼續發電。

早在2011年，中科院就批准實施A類戰略性先導科技專項“未來先進核裂變能—ADS嬗變系統”。經過6年多艱苦攻關，目前關鍵技術方面已取得突破性進展，並不斷優化完善CiADS的方案設計，為建成國際上首個ADS嬗變技術的整合驗證裝置打下堅實基礎。

“這是一件‘吃螃蟹’的事情。”上述負責人告訴記者，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“吃幹榨盡”，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。

胡正國介紹，HIAF和CiADS項目有很多技術具有通用性，所以作為一個園區來建設。“未來還將進行升級，把兩個裝置有機結合在一起，形成一個新的、更大系統的核科學研究平臺。”

廣東省內大科學裝置一覽（部分）

惠州強流重離子加速器裝置

高流強放射性核束、高功率重離子束團和寬能區重離子束流是探索原子核存在極限和研究原子奇特性質必不可少的手段。該裝置主要包括強流離子源、超導直線加速器、大接受度放射性束流線、冷卻儲存環同步加速器和物理實驗終端等。項目建成後將是國際上脈衝束流強度最高的重離子加速器裝置，將為研究原子核存在極限、核結構新現象和新規律、宇宙中重元素起源等重大科學問題提供重要支撐。

惠州加速器驅動嬗變研究裝置

加速器驅動次臨界反應系統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。該裝置主要包括強流質子直線加速器、高功率中子散裂靶、液態金屬冷卻次臨界反應堆三大子系統。項目建成後將成為國際上首臺加速器驅動次臨界系統研究裝置，將滿足我國長壽命高放核反應爐廢料安全、妥善處理處置的研究需求，為我國核能可持續發展提供技術支撐。

大亞灣中微子實驗站

中微子是組成物質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是利用核反應爐産生的電子反中微子來測定一個具有重大物理意義的參數——中微子混合角θ13。當年，發現了第三種中微子振蕩模式並精確測量到其振蕩概率，成功入選《科學》雜誌評選的“2012年度十大科學突破”，並獲得2016年度國家自然科學一等獎。

江門中微子實驗站

中微子的品質順序，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先的中微子實驗站，以測定中微子品質順序、精確測量中微子混合參數等。江門中微子實驗站包括位於地下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施。

東莞中國散裂中子源

物質結構決定了物質性質，散裂中子源就像“超級顯微鏡”，是研究物質微觀結構的理想“探針”，幫人類揭開微觀世界的神秘面紗。位於東莞的中國散裂中子源是全國首臺、全球第四台脈衝型散裂中子源，于2018年建成。項目包括一台直線加速器、一台快迴圈同步加速器、一個靶站，以及一期三台供科學實驗用的中子散射譜儀，為我國材料科學技術、物理、化學化工、生命科學、資源環境和新能源等提供科研平臺。

延伸

大科學裝置支撐

大灣區國際科創中心建設

大科學裝置在全球範圍內發揮著“科技航母”的關鍵作用，直接促進大批原始創新成果及核心關鍵技術的産生，最典型的就是歐洲核子研究中心（CERN）發明的網際網路。

《粵港澳大灣區發展規劃綱要》明確提出，支援重大科技基礎設施、重要科研機構和重大創新平臺在大灣區佈局建設。環顧今天的大灣區，深圳、東莞、惠州、江門等地，國家重大科技基礎設施和大科學裝置加快佈局，世界一流的重大科技基礎設施集群呼之欲出。

目前，中科院已在廣東佈局散裂中子源、深圳大亞灣中微子實驗站、江門中微子實驗站、加速器驅動嬗變系統研究裝置、強流重離子加速裝置等多個大科學裝置。

這些“國之重器”都是面向科技前沿的大型複雜科學研究系統，將成為國際領先的科學設施。其共同的特點是為探索未知世界、發現自然規律、實現技術變革提供極限研究手段，是突破科技前沿、解決經濟社會發展和國家安全重大科技問題的物質技術基礎。它們都聚焦微觀領域，不僅能夠揭秘微觀物質、探索宇宙起源和演化，也可以在交叉學科和國民經濟各相關領域進行成果轉化，應用前景和空間廣闊。

“粵港澳大灣區建設，需要大科學裝置。”中國科學院院士、中國散裂中子源項目經理陳和生此前在接受南方日報記者採訪時表示，隨著大灣區建設，珠三角的大科學裝置迅速增加，廣東進入大科學裝置黃金髮展期。包括惠州在內，廣東將成為國家大科學新中心。

胡正國也告訴南方日報記者，包括惠州兩大科學裝置在內的珠三角重大科技基礎設施集群，將為粵港澳大灣區國際科技創新中心建設起到重要支撐作用，“重大科技基礎設施集群的形成，可使各裝置聯動協同、優勢互補，不僅將為大灣區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基礎科學研究和源頭創新能力。”胡正國舉例説，東莞的中國散裂中子源與惠州的加速器驅動嬗變研究裝置都是産生中子的裝置，原理也類似，都通過打靶産生中子，但裝置服務的對象不同，是兩個互補的方向，未來可以進行一些聯動。

兩大科學裝置規劃建設歷程

2009年

中國科學院近代物理研究所提出HIAF的概念設計並不斷優化，同時對部分關鍵技術進行預研。相關技術人員開始在全國範圍內選址。

2010年

科研人員開始在全國範圍內進行實地踏勘調研，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為HIAF和CiADS建設地址。

2014年6月

中國科學院與廣東省人民政府簽署HIAF項目和CiADS項目共建框架協議，標誌著這兩個大科學裝置正式落戶廣東惠州。

2015年12月31日

國家重大科技基礎設施“強流重離子加速器”和“加速器驅動嬗變研究裝置”由國家發改委批准立項。

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改委批復。配套工程合計總用地面積72.67萬平方米，總建築面積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改委批復，這標誌著兩大科學裝置正式進入設計建造階段。

2018年5月15日

HIAF項目初步設計方案獲得中國科學院批復。

2018年6月13日

CiADS項目初步設計方案獲得中國科學院批復。

2018年7月30日

中科院近代物理研究所與香港大學理學院簽署合作備忘錄協議。雙方將依託蘭州重離子加速器裝置以及在惠州HIAF和CiADS成立核物理聯合實驗室，並在科學研究、人才培養、師生互訪、學科建設、基金申報等方面進一步開展合作。

2018年9月

HIAF和CiADS項目配套設施建設中的場平工程啟動建設。

2018年12月23日

HIAF項目開工建設啟動會在惠州市順利召開，標誌著項目啟動建設。

2019年8月29日

廣東省政府召開第三批省實驗室建設啟動會，為先進能源科學與技術廣東省實驗室授牌。該實驗室由惠州市政府委託中科院近代物理研究所建設。

2019年12月26日

中科院兩大科學裝置項目總部區工程動工建設。該總部區由廣東省和惠州市共同為兩大科學裝置配套建設，也是先進能源科學與技術廣東省實驗室總部的核心承載區。

2020年6月底

兩大科學裝置項目裝置區配套工程(土石方工程)完成投資約4.65億元，約佔總量的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%。（記者 周歡）