以HIAF和CiADS为基础建设中国先进核物理研究装置CNUF，将分三个阶段进行：第一阶段，首先完成HIAF 和CiADS 建设，并投入实验运行。第二阶段，分别对HIAF和CiADS装置升级，提高其性能；升级后的HIAF实现与CiADS装置的有效融合，利用在线同位素分离方法(ISOL)产生种类更多、束流更强的放射性次级束，并升级完善实验探测装置。第三阶段，增建极化电子离子对撞机(EicC)等研究装置。在各个实施阶段，逐步新建一批创新设计的先进实验探测设施、实验平台和示范装置。

强流重离子加速器装置HIAF由一台重离子超导直线加速器(iLinac)作注入器,一台重离子常温同步加速器(BRing-N)作增强器,一台常温重离子冷却储存环(SRing)作为实验谱仪,在BRing-N 和SRing之间是一条高磁刚度的放射性次级束流线(HFRS),HIAF 共有6 个实验终端,HIAF 总体布局如图2 所示。从氢到铀的强流离子束由两台28~45 GHz 超导ECR离子源产生，产生的强流重离子束通过低能量束流传输线注入到注入器iLinac。iLinac 主要由射频四极加速器RFQ、中能传输线和由低β射频超导腔构成的直线加速器组成,可以把铀离子加速到能量17(²³⁸U³⁵⁺)-22 (²³⁸U⁴⁶⁺) MeV/A，被加速铀离子束最高脉冲束流强度可达到28 粒子微安。iLinac 加速制备的重离子束通过垂直双向四维相空间涂抹注入方法，多次多圈注入到常温同步加速器BRing-N中，经过束流累积、纵向堆积和加速等过程，使重离子束达到设计的束流强度和能量，最终通过慢引出或快引出方式从BRing-N环中引出。BRing-N设计周长570 m，磁刚度34 Tm。BRing-N同步加速器有两种工作模式，低能量高流强模式和高能量低流强模式。在低能量高流强模式下，可以把²³⁸U³⁵⁺铀离子束加速到0.8 GeV/A, BRing-N引出铀离子束束流强度可以达到(0.5~2.0)×10¹¹ppp；在高能量低流强模式下，电荷剥离后²³⁸U⁷⁶⁺经过BRing-N可以加速至能量2.45 GeV/A、引出束流强度5.0×10¹⁰ppp。储存环SRing 和BRing-N之间的传输线既是两环之间的传输线,又是一条高磁刚度(25 Tm)的放射性次级束流线(HFRS)。从BRing-N中引出的稳定核重离子束打靶产生放射性次级束，经过HFRS分离选择后可直接用于实验测量,也可把分离出的不稳定核次级束注入到实验谱仪SRing 中，通过电子冷却制备出高品质次级束流，用于高精度实验测量，例如短寿命原子核质量测量。从BRing-N中引出的一定能量的强流重离子束也可以在HFRS束流线上再剥离至全裸重离子束，例如可产生²³⁸U⁹²⁺铀离子束，全裸的铀离子束注入到SRing 中，经过纵向堆积、纵向压缩和束流冷却后,可以从SRing 中引出高能量、高功率的极短脉冲重离子束,用于高能量密度物理研究,铀束能量可达到0.8~1.1 GeV/A，引出束流强度可达到5.0×10¹¹ppp，束团脉冲宽度50~100 ns，脉冲束流功率可达到20~25 kJ。SRing 储存环周长277 m，环内配置有电子冷却、随机冷却、双TOF 探测器和用于高离化态原子物理研究的电子靶以及气体喷射内靶装置。目前HIAF 设计有6 个实验终端，主要包括：位于注入器iLinac末端的低能量核结构研究谱仪和强流离子束辐照终端；位于BRing-N引出端的高能量综合终端,包含QCD与核物质性质研究实验探测器、超核研究实验探测器和高能量辐照终端；位于BRing-N和SRing 之间的次级束流线HFRS和高能量密度物理研究实验终端；位于HFRS后方的外靶实验终端以及SRing 高精度环形谱仪和电子-离子复合共振谱仪。

图2 强流重离子加速器装置HIAF布局

加速器驱动的嬗变研究装置CiADS 由高功率质子超导直线加速器、散裂靶、次临界反应堆和高功率靶及材料辐照实验终端等部分组成，总体布局如图3 所示。由离子源产生的强流质子束经RFQ低能量加速后，由两种类型5 个β总数量157 只射频超导腔和32 套低温恒温器以及高能量束流传输线构成的超导直线加速器，逐步把质子束加速到500MeV，连续波质子束流强度5 mA，束流功率2.5MW，超导直线加速器长约300 m。强流高功率质子束轰击散裂靶，产生用于维持次临界反应堆持续进行裂变反应的高通量散裂中子，这些高通量的中子与次临界反应堆里的乏燃料中的核素发生持续的链式核反应，将长寿命高放射性核素嬗变成为短寿命核素或者稳定核素，从而达到嬗变核废料的目的。CiADS 散裂靶采用铅铋冷却靶和原创的颗粒流靶,可承受2.5 MW质子束流功率。次临界快中子反应堆核热功率约10 MW(包含约2.5 MW束流功率)。

图3 加速器驱动嬗变研究装置CiADS

HIAF 和CiADS 两装置正在广东惠州建设,基建已基本完成。HIAF目前已完成了设备批量加工和离线测试，已进入设备现场安装阶段，预计2025~2026 年完成装置束流调试并开始运行。CiADS 超导直线加速器部分设备已进入批量加工和离线测试，通用基础设施已开始现场安装，安全分析报告和建造许可证批复后，次临界反应堆土建将开始建设，反应堆设备将开始加工。预计2027 年器靶堆将联合调试，2027~2028 年开始运行。图4 是HIAF和CiADS两装置在惠州建设现场照片。

图4 HIAF和CiADS两装置建设现场照片

CNUF将是在有效结合HIAF和CiADS建设成果，充分发挥其优势基础上，拓展建设的集多运行模式、高精度束流操控于一身的国际高功率、高亮度、高精度粒子加速器装置，总体布局如图5所示。

图5 中国先进核物理研究装置CNUF布局

CNUF将分阶段建设由直线加速器、同步加速器、储存环、电子离子对撞机和各类大型实验探测设施及平台终端组成的大科学装置集群。主要建设内容包括：

(1) HIAF加速器升级工程。注入器iLinac 的能量升级至200 MeV/A，在BRing-N隧道内建造磁刚度86 Tm的全超导同步加速器BRing-S，通过这样的升级工程，iLinac 既可作为BRing-N高能量高流强注入器,又可通过分时或分束作为独立的高功率重离子加速器同时为核物理实验供束，而且使HIAF同步加速器BRing 引出重离子束流强度大于1×10¹²ppp，最高能量达到9.1 GeV/A，每脉冲重离子束功率达到0. 5~1.0 MJ。同时在SRing 储存环隧道内建造全超导重离子储存环MRing。升级后的HIAF-iLinac束流强度和束流功率将高于美国MSU的FRIB 加速器，HIAF- BRing 束流强度将高于德国GSI 的FAIR-SIS100。通过升级工程使HIAF 成为国际上束流强度和束流功率等指标领先的强流重离子加速器装置。

(2) CiADS 超导直线加速器升级工程。将CiADS装置质子超导直线加速器从500 MeV/5 mA升级至2.0 GeV/10 mA。利用CiADS超导直线加速器制备的高功率质子束轰击在线同位素(ISOL)靶产生丰中子核素，并与HIAF 加速器相结合，利用HIAF 注入器iLinac 或者同步加速器BRing 后加速丰中子放射性核束，建造成新一代ISOL 型放射性束装置HIAF-ISOL，可以为放射性束核物理研究提供高产额的丰中子核束,在放射性束产生种类、放射性束流强度和束流功率等方面将处于世界领先。

(3) 基于HIAF 加速器装置建造海夸克能区高亮度极化电子离子对撞机及测量谱仪(EicC)，质子束流能量25 GeV，极化率达到70%，电子束流能量5 GeV，极化率达到80%。EicC 可能成为世界上第一台运行在海夸克能区的电子离子对撞机。

(4) 分阶段新建一批创新设计的先进实验探测设施、实验平台和示范装置，分别用于开展高能量密度物理、重离子驱动的惯性约束聚变前期物理及技术、核物质和超核、强场QED效应、缪子物理和基于缪子束的应用、以及离子加速器驱动的先进核裂变能关键技术和示范等领域的研究工作。

核物质和超核实验探测设施将建设由超导螺线管，径迹探测器、粒子鉴别探测器、电磁量能器等组成的探测谱仪。谱仪可探测质心系中心快度区带电粒子并进行π、K、p、轻核等粒子鉴别，其中90%以上粒子动量分辨率好于5%。电磁量能器在0.1~10 GeV能量范围内对γ光子的能量分辨率好于5%/√(E)。利用BRing-S 提供的高品质离子束流轰击固定靶，可开展核物质相变、超核、η物理、Λ极化测量等研究。后期更可通过对靶、径迹探测器、电磁量能器等探测系统，以及新型高速探测器电子学和数据获取系统的升级，大幅提升事例率至100 MHz量级，开展η介子稀有衰变高精度测量等研究。

极化电子离子对撞机EicC 将基于快循环增强器BRing-S 的满能量束团快速替换亮度新模式，通过PRing 高品质离子束流持续更新，以及基于ERL与电子储存环的高能束团冷却技术，使对撞峰值亮度达到(5~6)×10³³cm^-2s^-1，积分亮度达到(150~200)fb^-1(美国EIC 装置100 fb^-1)。配合由超导螺线管、高精度径迹探测器、高性能粒子鉴别系统、量能器系统等组成的实验探测谱仪，可对反应产物整体接近全立体角覆盖，实现动量分辨好于1%@1 GeV 和15 GeV/c 的pi/K 分辨能力，在海夸克能区开展核子结构与强相互作用性质的国际前沿问题研究。

强场QED效应实验平台将建设创新设计的正负电子测量谱仪，高精度测量正负电子能量和发射角，鉴别真空自发电子对产生。结合SRing和MRing两台储存环中全裸重离子束实现独特的并束碰撞，在质心能量4~10 MeV/A可调、亮度大于4×10²⁶ cm^-2s^-1条件下获得超过施温格极限值的超强电磁场低本底实验环境，将是国际上灵敏度最高的极端强电磁场条件下QED效应研究装置。

ISOL 放射性束流装置依托CiADS超导直线加速器提供的10~20 MW高功率连续波质子束，可产生并快速在线分离丰中子核素，通过iLinac 和快循环增强器BRing-N实现最高到几百MeV/A 的后加速，获得高流强极丰中子次级束流，为核素存在极限和超重核稳定岛探索等问题研究提供最具优势的实验条件。

高能量密度物理实验平台利用iLinac、BRing-N、BRing-S 和MRing 加速器级联组合提供的2MJ高功率、纳秒量级短束团，通过精确操控实现独特的“双束协同打靶”和“多束复合打靶”,获得大尺寸、状态均匀、能量密度精确控制的高能量密度物质，首次将研究范围从温稠密物质区拓展到强冲击波区，也将为探索重离子驱动惯性约束聚变物理提供当前唯一的高功率束流条件。通过研发先进的诊断技术，从时间、空间、谱学(能量)等五个维度实现对极端物态参数的高精度测量，这将成为该领域国际领先的研究平台。

缪子物理与应用研究平台包括依托CiADS 超导直线加速器10~20 MW强流高功率质子束流,建设下一代高通量强聚焦低能缪子物理与技术综合研究平台，以及依托BRing-N与BRing-S 高能量强流离子束建设的高通量高能缪子物理与技术前沿研究平台。两者结合，可开展高能μ束成像，超出标准模型新物理探索，μSR 技术，特别是基于慢缪的μSR技术，在凝聚态物理、能源材料、化学等领域的交叉应用，μ束冷却等物理、应用和新技术研究。

加速器驱动的先进核裂变能关键技术和示范设施以CiADS装置为基础，逐步建设相关工艺试验平台，研究乏燃料中长寿命强放射性核素的嬗变、乏燃料裂变产物分离与再生制备、铀钚燃料循环利用与核废料嬗变、再生燃料组件制备、再生燃料嬗变增殖等关键技术与工艺。相关核心技术与工艺突破后，适时建设集核燃料增殖、乏燃料嬗变及核能发电于一体的铀钚燃料循环利用的百兆瓦核能系统示范装置。

随着科技创新驱动经济社会发展的推进和高质量现代化的建设，相信我国经济实力会进一步增强，在基础研究领域以及国家需求的关键核心技术研发方面的投入将稳步增长。在重要科技领域抢占制高点、成为“领跑者”是我们科技工作者面临的核心问题，也是我们努力的方向。只要按照计划与设计建设并运行好HIAF 和CiADS 两装置，不断取得预期的重要成果，逐步突破相关核心技术，在经费和时间方面确保规划的实施，持之以恒布局和落实CNUF 装置各个阶段的建设与运行，努力使CNUF成为世界上性能领先的以核物理研究为主的国际旗舰型多学科综合装置，依托该装置形成在国际上具有重大影响的领跑型核物理及其应用研究中心，相信是有可能实现的；路虽远，行则将至，事虽难，做则必成。（完）

致谢：

本文是作者根据近年来参与中国科学院重大科技基础设施战略研究组—核物理领域大科学装置规划报告编写。感谢核物理大科学装置设施建设项目建议书CNUF装置撰写组！感谢中国科学院重大科技基础设施战略研究—高能物理领域报告撰写组！特别感谢众多专家对CNUF装置的规划提出的建议与意见！感谢詹文龙院士对CNUF装置提出的设想和一系列新思想。感谢《现代物理知识》编辑部邀请作者撰写此文。

本文选自《现代物理知识》2024年第1期 YWA编辑

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