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至真探索 · 核反应

散裂反应与碎裂

2026-06-03

一个高速质子撞进铅靶。它没有优雅地穿过，而是像保龄球打进了排列紧密的球瓶堆——砸碎几个，撞飞一堆，最后留下一个坑。

这个过程在核物理里叫散裂。它发生在质子能量超过一两百兆电子伏的时候。每颗质子可以在靶里敲出二十到三十个中子。这些中子可以用来驱动一个次临界核反应堆，把长寿命的核废料"烧掉"——从存几十万年变成几百年。

这就是加速器驱动嬗变系统，ADS。比利时在建 MYRRHA，中国在惠州建 CIADS。后者是全球第一个兆瓦级 ADS 装置，预计 2027 年建成。它的核心是一束 500 兆电子伏的质子，轰击一柱流动的钨颗粒，产生的中子灌进一座铅铋冷却的次临界反应堆。这套系统把核废料里最麻烦的东西——镎-237、镅-241、锔-244 这些次锕系核素——劈成短寿命或稳定的东西。

但你要先把散裂这件事搞清楚。质子到底打出了多少中子？剩下的核碎片是什么？如果有放射性靶（比如你正想嬗变的镎-237 本身），截面又是什么？这些都是核数据。没有它们，你连 ADS 的靶应该做多厚都不知道。

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2024 年的一件事，改变了这个领域的底层认知。

Rodríguez-Sánchez、Cugnon、David 和 Hirtz 四个人——分别来自西班牙拉科鲁尼亚大学、比利时列日大学和法国 CEA Saclay——在 Physics Letters B 上发了一篇论文。他们在散裂模型 INCL 里加了一样之前没人加进去的东西：核子之间的"短程关联"。

短程关联是什么？在原子核里，质子和中子不是均匀分布的。偶尔会有两个核子挨得特别近——近到 1.6 飞米以内——形成一对高度关联的伙伴。这两个伙伴之间的相对动量能达到费米动量的两倍。这对关联几乎全是中子-质子对（大约 90%），由核力的张量分量驱动。电子散射实验（用杰斐逊实验室 CLAS 探测器的 A(e,e'p)X 数据）早就看到了这种高动量尾部。

但这些短程关联对散裂反应有什么影响？在 Rodríguez-Sánchez 的工作之前，没有人把这件事写进级联模型里。

他们做了。结果解决了领域里横了十年的一个谜题。

2000 年代到 2010 年代，密歇根州立大学的 Tostevin 和 Gade 整理了大量的单核子敲出截面实验数据——所谓"敲出"，就是你用高速核弹轰靶核，直接打掉它一个质子或中子。他们发现一个奇怪的趋势：截面缩减因子——也就是实验值除以理论值——对"中子-质子分离能不对称参数"ΔS 有强烈的系统性依赖。中子越过剩的核，理论越低估敲出截面。偏差可以到 30% 到 100%。

这不合理。如果你用的是正确的核结构波函数和正确的反应理论，这个缩减因子应该是普适的——不依赖于靶核的同位旋不对称。所以问题出在哪？

INCL+SRC 给出的答案是：问题出在没有短程关联。一旦你把 np 关联对加入级联动力学，敲出截面的缩减因子回到 1.0 附近——散射值落在 0.5 到 1.3 之间，碎裂值在 0.75 到 1.15 之间，没有任何系统性趋势。修正量从对称核的大约 5% 到极端不对称核的大约 65%。

这意味着 Tostevin-Gade 的 ΔS 依赖性不是核结构的秘密——它是旧反应模型缺失 SRC 动力学的人为产物。这件事的意义不只在基础物理。它直接关系到 ADS 靶的核数据：如果你不能正确预测散裂留下的每一种核素，你就不知道靶里会产生多少放射性毒物、活度有多高、靶材料寿命有多长。

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散裂模型之间有分歧。而且是公开的、有基准测试记录的那种分歧。

IAEA 在 2008 到 2010 年组织了一场大型的散裂模型基准测试。十七个模型参加。用四个一致性因子（R、D、F、H）平等加权排名。第一梯队是 CEM02、CEM03、PHITS/JAM、Cascade/ASF、PHITS/Bertini。第二梯队包括 Bertini/Dresner、Cascade-4、INCL4/ABLA、INCL4/SMM 和 Geant4/Binary Cascade。第三梯队是 Geant4/Bertini、Isabel/ABLA、INCL4/GEMINI、CASCADeX-1.2、PHITS/JQMD。INCL4/GEMINI 排进第三梯队——这说明 GEM2 退激发模型严重拖了 INCL 级联的后腿。

这个排名后来被补充了：在残留核同位素分布这个 ADS 最关心的可观测量上，INCL4.5+ABLA07 被 IAEA 会议报告评为最佳组合之一。INCL 的表面聚结机制——能让级联阶段发射从氘到 ⁸Be 的轻团簇——是其他模型没有的能力。Bertini 级联在中子产额上表现好，但在轻带电粒子上"严重不足"。

没有哪个模型在所有地方都是最好的。INCL 在 400 MeV 的质子加铅-208 上，高估蒸发残核截面两到三倍，同时低估裂变碎片——因为那个能区刚好跨在蒸发和裂变的陡坡上，激发能分配差一点点就翻车。Geant4 的 Bertini 级联和 Binary Cascade 在碳等轻靶上可靠度集体下降。CEM03.03 的系统性偏倚是残核中子太少——出来的同位素都往缺中子方向偏。

所以你要用 INCL 加 ABLA 的组合来做 ADS 靶的精细核数据。这是在 IAEA 基准里反复验证过的结论。但你要知道它在 400 MeV 重靶上有系统偏差，在轻靶和中等质量碎片上有预测盲区，在反粒子和奇异粒子产生上实验验证覆盖率只有大约 17%。

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这里有一个你会觉得意外的不对称。

全球散裂模型的核心代码 INCL，是比利时列日大学和法国 CEA Saclay 开发的。Joseph Cugnon 从 1980 年代开始写第一行。最新的 INCL++6 版本由 Jason Hirtz 博士（伯尔尼大学，2020 年完成）加入了完整的奇异粒子处理——K⁺、K⁰、K⁻、K̄⁰、Λ、Σ 都在里面了。同时加入了 2024 年那篇著名论文的短程关联。

但全球第一个兆瓦级 ADS 装置在中国——CIADS，在惠州。IMP 近物所主导，詹文龙院士任总指挥。500 MeV 质子束，颗粒流钨靶（国际首创），铅铋共晶冷却次临界反应堆，2027 年底建成。中国是目前在 ADS 工程推进上走在最前面的国家。

但中国没有参与 INCL 核心代码的开发。中国的散裂社区主要使用 Geant4 里的 INCLXXHP 物理列表（这是 INCL 的 C++ 版本在 Geant4 中的接口），配合 FLUKA 做靶设计。他们验证了 INCLXXHP 在 256 MeV 质子散裂中子谱上与 FLUKA 最佳吻合，验证了 MEGAPIE 基准——但他们是在用别人的模型，不是改别人的模型。

不是没有中国自己的输运代码。冯兆庆——原来在 IMP，现在在华南理工大学——开发了 LQMD（兰州量子分子动力学）模型。覆盖从 5 MeV 每核子到 5 GeV 每核子的能量范围。能够模拟重离子碰撞、强子诱发反应、散裂反应，甚至超核产生。但 LQMD 在国际散裂基准里的知名度远不及 INCL。

西安交通大学吴宏春团队的 NECP-SARAX 程序系统，专做 ADS 中子学分析。建立了 SARAXLIB-HE 高能中子数据库。这在 ADS 工程设计层面是真正自主的东西。但如果拿来做散裂产物截面的基础核数据评价——它依赖的是上游模型的精度。

这就是缺口：中国建全球最先进的 ADS，但散裂反应最底层的那块砖——预测每个反应道出多少产物——最好的模型是欧洲人写的。

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散裂不只是核工程的事。它还有两个前沿。

一个是超核。你在散裂反应里砸出的碎片，有时候会"抓"住一个奇异重子——比如 Λ 超子——形成超核。

GSI 的 HypHI 合作组（由 Takehiko Saito 领导）在 2009 年用锂-6 束打碳-12 靶，成功产生了 ³_ΛH、⁴_ΛH 和 ⁵_ΛHe——这是人类第一次通过重离子碎裂反应产生超核。截面极小：每个 Λ 超核只有大约 0.1 到 0.5 微靶恩。

但他们同时报告了一个爆炸性的声索：在 dπ⁻ 和 tπ⁻ 末态里发现了大约 5σ 显著的增强——他们解释为 Λnn（兰姆达双中子，³_Λn）束缚态，即一个 Λ 超子绑住了两个中子形成的纯中性超核。

所有独立理论计算一致说：不可能。日本 RIKEN 的 Hiyama 用高斯展开法加 ΛN-ΣN 耦合算了，没发现任何束缚态。以色列希伯來大学的 Gal 和 Garcilazo 用 Faddeev 方程加 A=4 超核数据约束，明确排除了它——要束缚 Λnn，你需要 Λp 散射截面是实际测值的五倍，而且会同时让 ³_ΛH 绑得过紧。杰斐逊实验室的 E12-17-003 用完全不同的反应机制（电子打氚靶，出射 K⁺）没看到任何 Λnn 信号。2022 年的 WASA-FRS 实验——数据量是原 HypHI 的一百倍，动量分辨率高一千倍——已经完成了初步分析，Λnn 结果至今没有公布。

科学共识很清楚：³_Λn 不束缚。HypHI 的信号大概率是统计涨落或者实验系统误差。但这个争议本身是有意义的——它推动了超核实验从"有没有"到"怎么有、有多少"的升级。

另一个前沿是短程关联本身。清华大学 Ye 等人 2024 年在 EPJ A 上发了长篇综述，论证 HIAF（惠州的强流重离子加速器，2025 年 10 月束流全线贯通）是一个全新的 SRC 物理平台。利用逆运动学质子-核散射——高速离子束打氢靶——可以探测二核子甚至三核子短程关联在高同位旋不对称核中的行为。这是杰斐逊实验室的电子散射做不到的——电子散射需要稳定靶，而最有趣的短程关联恰恰在那些中子严重过剩的不稳定核里。

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预平衡发射——散裂三阶段里最有争议的那个中间阶段。

你打完保龄球（级联阶段，大约 10⁻²² 秒），核已经被砸出了一个高激发态。它不会立刻蒸发中子——中间还有一个"预平衡"阶段，一部分高能核子在正式统计平衡之前就逃出去了。

怎么处理这个阶段，不同模型族各有底线。激子模型用粒子-空穴对（激子）的数量追踪系统演化——它在中能区（20 到 100 MeV）不错，但到了 200 MeV 以上就会低估高能中子谱的尾部——实验测量值比它高 20% 到 40%。量子分子动力学（QMD）用高斯波包描述每个核子——好处是自然产生碎片，坏处是预平衡发射对波包宽度参数极端敏感。BUU（玻尔兹曼-于伦贝克-乌伦贝克方程）严格推导，但在数值实现时缺少对涨落的自然描述。

三个方法在最关键的能区——200 到 400 MeV 每核子，恰好是 ADS 靶的工作区间——分歧最大。高能区轻团簇（d、t、³He、⁴He）能谱在不同模型间差出因子 5 到 10。这不是学术争论——对 ADS 靶材料损伤评估来说，这种精度不可接受。

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ADS 本身面临着比模型分歧更根本的问题：靶材料的寿命。

OECD/NEA 在 2019 年做了一个冷冰冰的计算。在 600 MeV、6 毫安的典型 ADS 条件下，铅铋靶窗口材料的辐照损伤率是每年大约 210 dpa（displacements per atom，每个原子被撞出晶格位置的次数）。其中 85% 来自中子，不是质子。而这个窗口的候选材料 T91 铁素体-马氏体钢，可接受的累积损伤大约 80 dpa。

算一下：每 5 到 6 个月需要换一次靶窗。这不是研究堆的操作模式。这是商用发电不能接受的维护周期。

还有液态金属脆化——铅铋共晶（LBE）会让 T91 钢的低周疲劳寿命降低 25% 到 70%。还有散裂产物污染——真实的 LBE 靶液里包含了周期表上几乎所有元素，其中硫、磷、钋-210 这些腐蚀性和毒性的东西在纯 LBE 腐蚀实验里从来没有被模拟过。辐照损伤和液态金属脆化有没有协同效应？不知道。没有实验做过。

SNS（橡树岭国家实验室）2023 年的辐照后检验发现了一些动摇既有范式的东西——316L 靶容器出现了行波形变带，Inconel 718 质子束窗竟然随剂量增加变得更韧了。这两件事都不在标准预测里。

所以 ADS 的可行性问题不在嬗变物理——在中子学上它确实好。问题在材料。比利时 MYRRHA 的 Phase 1（100 MeV 加速器，MINERVA 阶段）在 2024 年 6 月奠基，但全系统（Phase 3，亚临界反应堆）的原定 2036 年目标是"过于乐观"的。日本 J-PARC 的 TEF 嬗变设施在 2023 年的国际顾问委员会审查里，被明确指出 2022 年起人力资源"显著减少"。

这些都是真实的技术-政治交叉风险。不是某一个发现会推翻 ADS——而是多个未解决的工程问题叠加在一起，使项目进度不断右移。

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中国在做什么？

HIAF 在 2025 年 10 月 28 日实现了束流全线贯通——磁刚度 34 Tm 的增强器环（BRing）可以把质子加速到 9.3 GeV 每核子，铀加速到 2.45 GeV 每核子。脉冲流强世界最高。用了"数字孪生驱动"安装模式，安装周期从 2-3 年缩短到 8 个月。

CIADS 在同一个园区——惠州惠东县黄埠镇——设备正在安装。瞄准 2027 年底。它将是世界上第一台可以验证"加速器驱动嬗变是不是真的能解决核废料问题"的装置。

但不要误解"第一"的含义。中国在散裂反应的基础数据积累上——相比瑞士 PSI 在 590 MeV 质子上的数十年、美国 LANL 在 800 MeV 质子上的连续实验、德国 GSI 在 GeV 级重离子上的系统性测量——起步晚了至少二十年。CSNS 一期只有 100 kW（相比之下 SNS 已经 1.4 MW，J-PARC 1 MW），在高功率靶工程上的经验积累差距与束流功率成正比。预平衡发射机制的专用实验设施——类似欧洲 n_TOF 或 NFS（GANIL/SPIRAL2）——中国没有同级别的。

所以在"硬件比别人大"和"理解比别人深"之间，是有距离的。

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最后说三件事。

一是 2024 年 INCL+SRC 的工作不只是一个模型补丁。它解决的是一个被当成"核结构问题"研究了十年的"反应模型问题"。这件事牵连着你在 ADS 里需要的最基本的数据。

二是 CIADS 的颗粒流散裂靶是真正的原始创新。用流沙一样的钨珠取代一块板，兼得液靶的流动散热和固靶的材料稳定。IMP 已经建成了原理样机。如果它能在兆瓦级质子束下撑过第一轮辐照，这就是 ADS 工程上最大的中国原创贡献。

三是超核、SRC 和散裂这三条线的交点在中国。HIAF 建成后，高频次的重离子束撞击靶核，不仅产生散裂碎片，还能同时产生超核——而且数据量将远超 GSI HypHI。HIAF 高能实验站的设计里估计 ²⁰Ne 加 ¹²C 每周可以产生大约六千万个单超核和六千个双超核。这是从"有没有"到"统计学够不够"的跳跃。

中国目前在底层模型代码和系统核数据积累上是追赶者。但在两个新设施（CIADS、HIAF）和一个新方案（颗粒流靶）上，它是并跑者。在储存环质谱精度上，它已经领先。

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参考文献

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