HIAF and CiADS National Major Science and Technology Infrastructure: Progress and Prospect

国家重大科技基础设施(又称“大科学装置”)是提升原始创新能力和支撑重大科技突破的“国之重器”、“科技利器”，其建设和运行应用了大量新科学原理和先进前沿技术，能够提供人类从事前沿研究所必需的极限、综合的研究手段，是支撑战略性、基础性、前瞻性基础科学研究的重要平台，为促进经济社会的全面协调可持续发展提供了重要保障。近年来，国家先后发布《国家重大科技基础设施建设中长期规划(2012—2030年)》、《国家创新驱动发展战略纲要》、《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划纲要》等，对国家重大科技基础设施发展做出重要部署。2023年2月21日，习近平总书记在中共中央政治局加强基础研究进行第三次集体学习时强调：“要科学规划布局前瞻引领型、战略导向型、应用支撑型重大科技基础设施，强化设施建设事中事后监管，完善全生命周期管理，全面提升开放共享水平和运行效率”。

当前世界已进入大科学时代，我国在建和运行的重大科技基础设施项目总共58项，在各自领域发挥着关键作用，部分装置综合水平迈入全球“第一方阵”，产出了一大批具有国际影响力的重大科学成果。强流重离子加速器装置(High Intensity heavy-ion Accelerator Facility, HIAF)及加速器驱动嬗变研究装置(China Initiative Accelerator Driven System, CiADS)是由中国科学院近代物理研究所作为法人单位承担建设的2项国家重大科技基础设施建于广东省惠州市，广东省及惠州市两级政府提供配套支持，两装置建设效果图如图1所示。

HIAF科学目标是：研究原子核幻数和壳层结构在远离稳定线核区的演化、奇特原子核的晕结构和集团结构等，确定有效相互作用中三体力、张量力和同位旋相关的成分，探索核内有效相互作用的新形式；利用极强低能重离子束流合成新元素和超重新核素、研究超重元素化学性质、探索理论预言的超重核稳定岛；产生丰中子核素，系统测量质量和寿命以及相关反应率，探索快中子俘获的路径、时间标度、物理环境和天体场所，理解宇宙中从铁到铀重元素的来源；利用宽能量范围的重离子束流，解决与粒子辐射相关的关键技术难题^[1−4]。

HIAF工程目标是：建成一台国际领先水平的下一代强流重离子加速器装置，具备产生极端远离稳定线核素的能力，可提供国际上峰值流强最高的低能重离子束流，代表性指标见表1。对于N=Z的离子，HIAF可提供最高能量达4.25 GeV/u的脉冲重离子束流。HIAF也将建设国际上测量精度最高的原子核质量谱仪，这为新核素鉴别、核素版图扩展、弱束缚核结构和反应机制研究、特别是远离稳定线短寿命原子核质量的精确测量提供国际领先的实验研究条件。同时，HIAF在航天元器件检测、核能材料、精准放疗、辐照育种、离子束精密加工等国家重大需求及人民生命健康领域也将发挥重要作用，进一步推动相关产业发展^[1−4]。HIAF装置的验收指标见表2。

HIAF于2018年底开工，建设周期7年，国拨经费16.71亿元(含中国科学院匹配5 000万元)，广东省、惠州市为HIAF及CiADS提供配套支持约23.54亿元。HIAF项目建设内容主要包括加速器系统、实验终端系统、相关配套设施及土建工程等，HIAF的布局见图2。加速器系统以直线加速器iLinac、同步加速器Bring(Booster Ring)、储存环SRing(Spectrometer Ring)为主体，提供高流强、高能量、高品质的重离子束流，产生极端远离稳定线的放射性核素。实验终端系统围绕HIAF可提供的束流布局，为核物理、原子物理、核天体物理基础科学研究及材料、生物等应用技术研究提供国际领先的实验平台。

HIAF已全面进入批量加工与测试、进场安装与调试阶段。核心关键技术实现重要创新与突破，解决了一批强流重离子加速器核心技术难题和挑战，成功完成核心关键技术首台套设备的研制和测试；85%常规技术设备开展批量生产，部分设备完成测试并开始进场安装；水风电等配套系统进场安装调试，部分开始试运行；国家投资土建施工已完成准备验收，加速器设备陆续进场安装调试，部分开展联合测试。

HIAF各系统的核心关键技术见图3，目前，已完成国际首台45 GHz超导ECR离子源六极线圈、高功率注入/引出组件加工及测试，真机冷体开展三次集成与低温冷测。成功研制国际首台变前励全储能快循环大功率磁铁电源，实现了52 000 A/s非谐振国际最快电流上升速率，批量化首台电源单元测试满足需求，已开展全部台套电源的加工。首创钛合金内衬大截面极高真空薄壁真空室方案，实现好于1×10⁻¹⁰ Pa水平的极高真空度，首套4台BRing二极铁真空室成功研制并完成工艺样段安装。突破国外封锁与禁售，攻克高性能大尺寸纳米晶磁合金环工艺难题，成功研制国内首套高梯度、快响应、油冷大功率磁合金高频系统，核心指标在最具挑战的百千赫兹低频段超越国际同行，实现领先。攻克斜螺线管型线圈(简称CCT)超导磁铁技术，成功研制四、六、八极组合线圈，实现大孔径、高磁场、小冷质量下好于5×10⁻⁴的磁场均匀度，正在开展三组合磁铁低温恒温器组装测试。

常规技术设备在首台套测试验收基础上全面开展批量加工，部分设备已完成测试并准备进场。项目组严格落实加工过程质量控制、强化驻厂、重视巡检、严格测试、提高设备研制质量。

HIAF工程实施工艺样段安装与测试，验证设备与配套接口，优化配套工艺系统安装工序与布线流程，预制管线安装连接件，并最后测试联合运行的可靠性，以期实现加速器系统安装的标准化、流程化，从而保证隧道内现场安装的质量，提升安装效率。按照惠州现场安装要求，BRing弧区样段全部完成安装与测试，正在开展系统间长期可靠性稳定性测试。

工艺冷却水与通风空调系统、高低压配电、桥架与综合布线、低温系统等公用配套系统已全部进场安装与调试，现场具备配电条件，部分设备开始试运行。

HIAF项目批复新建建筑面积33 124 m²，建设内容包括地下加速器隧道、直线设备楼、综合站房、运行楼等。HIAF土建工程于2021年9月进场施工，原计划2023年12月完成建设并交付使用。建设过程中，受疫情等的影响，工程建设延期约4个月，目前已进入收尾阶段，现场建设情况见图4。针对土建工程延期的问题，项目团队优化安装流程，重新制定了进场安装、设备调试等计划，保证项目整体进度不受影响。

CiADS的科学目标：开展加速器驱动系统中超导直线加速器、高功率散裂靶、次临界反应堆芯/包层各单项系统稳定、可靠、长期运行的科学研究，逐渐实现加速器驱动系统从低功率到高功率的耦合运行，开展次锕系元素嬗变原理性实验探索，开发具有自主知识产权的加速器驱动嬗变系统设计、控制软件系统，为未来建设加速器驱动嬗变工业示范装置奠定基础^{[1, 5−6]}。

CiADS的工程目标：建设全球首个实现高功率耦合运行的兆瓦级加速器驱动嬗变研究装置。全超导加速器驱动系统热功率10 MW，包含束流功率约2.5 MW，次临界反应堆芯/包层热功率约7.5 MW，可以实现单次大于24 h满功率耦合运行^{[1, 5−6]}。CiADS工程竣工验收指标见表3，具体分为三个阶段：1) 超导直线加速器：束流能量>250 MeV，束流功率>25 kW；2) 高功率散裂靶：单质子中子产额大于1.0 n/p；3) CiADS系统：在大于250 kW质子束流驱动下稳定耦合运行1 h以上，散裂靶承受质子束流功率>250 kW，次临界堆芯功率约30 kW。CiADS在竣工验收后，基于国际上首台ADS原理验证装置将充分开展系统耦合运行的各项研究工作，逐步提高系统耦合功率到设计目标。

CiADS项目于2021年7月开工，建设周期6年，国拨经费28.16亿元(含中国核工业集团建设资金10亿元，中国科学院匹配5 000万元)，项目参建单位为中国原子能科学研究院。建设内容主要包括超导直线加速器、高功率散裂靶、次临界反应堆芯/包层、总控制系统以及配套设施等，如图5所示。具体包括：超导直线加速器主要建设质子源、低能传输线、射频四极加速器、中能传输线、超导加速器段、高能传输线和束流收集终端等；高功率散裂靶主要建设靶体、颗粒提升装置、颗粒纯化装置、靶回路系统、换热系统、测控系统、器靶耦合系统以及辅助配套系统等；次临界反应堆芯/包层主要建设堆靶耦合界面、次临界包层控制、冷却回路系统等；总控制系统主要建设支撑装置系统人机交互、过程控制、状态监测、安全保护和信息存储等软硬件系统；配套设施主要建设加速器隧道、设备厅、厂房以及电气系统、给排水系统、通风与空调系统、低温系统、压缩空气系统以及辐射防护体系及三废系统等。

CiADS项目于自开工建设以来，按照计划有序推进工程进度，各工艺系统已取得了阶段性的进展。

超导直线加速器是国际上首台驱动嬗变研究装置的高功率连续波运行超导加速器。其设计流强为5 mA，能量为500 MeV，未来的升级要求为10 mA和1 GeV。基于总体束流参数要求，完成物理设计方案的确定，相关硬件系统研发已经进入样机加工测试阶段。超导直线加速器以高可靠性、高可用性为目标，以数字化加速器为核心，完成了多项关键技术的标准化模块化，为最终高可用性的加速器奠定了坚实的基础。2022年12月25日，超导直线加速器常温前端成功调试出束，测试情况如图6，束流流强超过5 mA，能量2.18 MeV，均达到设计指标；同时，项目团队完成了国内首个铜铌复合腔体的加工研制；完成了功率源、数字化板卡的标准化样机研制，性能参数行业内国际领先；完成了HWR010底部支撑的低温恒温器工艺设计；完成了HWR010超导螺线管的批量生产和样机测试。

高功率散裂靶按照进度计划包含四个关键的任务节点见图7，分别是：散裂靶热工样机(2022年完成热工关键技术验证任务)；散裂靶靶窗样机(2023年完成低功率器靶耦合验证任务)；热试终端散裂靶(2025年完成250 kW器靶耦合验证任务)；堆靶大厅散裂靶(2027年完成10 MW器靶堆耦合验证任务)。当前散裂靶工程取得的主要进展如下：1) 散裂靶热工样机已于2022年度研制成功并投入运行，于2022年9月18日通过专家验收，已在散裂靶热工样机上开展了一系列热工流体实验。2) 靶窗样机已完成设备加工以及系统装配工作，包括铅铋回路、电磁泵的加工安装，控制系统的调试以及核测系统的开发。目前已完成了低功率器靶耦合验证实验。3) 热试终端的物理设计已经完成，工艺设计基本完成。正在进行土建提资，并于2024年年底前启动靶体回路、换热系统、保护气系统等主设备的加工制造。4) 堆靶大厅散裂靶将联合加速器和反应堆开展器靶堆高功率耦合运行实验。目前已经完成包括散裂靶设计准则、事故清单等设计文件的起草工作，基本确定了器靶堆耦合运行方案。

2021年8月，中国科学院近代物理研究所与中国原子能科学研究院签订了《关于联合建设加速器驱动嬗变研究装置(CiADS)的合作协议》。CiADS次临界反应堆核岛主工艺部分由中国核工业集团公司中国原子能科学研究院负责设计、建造，现已完成核岛主工艺系统的总体设计，正在开展初步设计工作，并完成了反应堆初步安全分析报告的编制。同时，中国原子能科学研究院与近代物理研究所工程团队不断强化协作、开展联合设计，持续攻关堆靶耦合等难题并已取得了初步成果。同时，为了研究铅铋次临界快堆主设备的设计技术、运行特性、加工技术以及主设备与全系统热工安全特性和运行特性，近代物理研究所团队开展了反应堆主设备样机的研制工作。现已完成主容器、顶盖、堆内构件、主换热器、铅铋主泵等反应堆主设备样机、非核集成验证装置熔料罐及储料罐的概念设计和详细设计，并进入制造阶段，部分设备已开始安装。

公共配套设施方面，完成了高低压配电系统、工艺循环冷却水系统、工艺通风空调系统、压缩空气系统均的设计，并进行了设备的招标采购。

CiADS项目批复建筑面积42 570 m²，建设内容包括加速器及器靶耦合隧道、加速器设备厅、器靶耦合设备厅、束流收集终端与散裂靶热态调试试验区、超导综合测试与维护大厅、反应堆厂房及附属配套厂房、低温中心大厅、加速器测试厅、保护区主出入口。

根据项目特点，结合工程建设进度和工艺的需求，CiADS项目的土建工程分两部分建设。第一部分已于2022年10月进场施工，包含加速器隧道、加速器设备厅、超导综合测试与维护大厅、低温中心大厅、加速器测试厅等，占工程总建筑面积的43.4%。各单体建筑建设已基本完成，正在进行内部装修等收尾工作，装置区现场情况见图8。第二部分的工程正在进行接口提资相关工作，即将启动施工招标。

目前，广东省是我国重大科技基础设施规划布局最多的省份，以在粤国家重大科技基础设施的发展为契机，将助力粤港澳大湾区综合性科学中心及粤港澳国际科技创新中心建设。

为充分发挥HIAF及CiADS的优势及其在科学研究方面的效益，在两装置设计、建造过程中，已充分考虑了将来升级的空间和能力，未来将进一步建造缪子束产生装置+双离子束装置、国际领先的高流强在线同位素分离(ISOL)型放射性核束装置以及高亮度极化电子离子对撞机(EicC)等，建成后将有可能成为世界上性能领先的用于核物理和核科学技术研究的大型粒子加速器集群装置, 是世界最高束流强度重离子同步加速器、世界最强放射性束装置、世界最高功率连续波重离子超导直线加速器及世界亮度最高的中低能EIC装置，最终将打造成为国际核物理科学与技术研发中心^[7]。

同时，在实施中国科学院战略性先导科技专项(A类)“未来先进核裂变能—ADS嬗变系统”过程中，中国科学院近代物理研究所原创提出了集乏燃料嬗变、核燃料增殖及核能发电于一体的先进核燃料闭式循环方案—加速器驱动先进核能系统(Accelerator Driven Advanced Nuclear Energy System, ADANES)，可将铀资源的利用率由现在不到1% 提高到约95%，产出的核废料的放射性寿命(衰变到天然铀矿的放射性水平所需的时间)相比于商业压水堆乏燃料，从数十万年缩短到约几百年。ADANES是具有完整自主知识产权的一种变革性技术体系，不仅能高效处理现有商业核电积存的乏燃料，与现有技术和工业体系“无缝”衔接，还可以直接利用天然铀构建完整的闭式循环，实现对现有核裂变能的升级换代。作为波动性可再生能源的“稳定电源”，ADANES可成为碳中和能源体系的重要组成部分。基于该系统的特点，尤其可为胡焕庸线以西开发一批人造绿洲以及沿海建人工岛提供低碳、基荷电力。未来将依托CiADS装置进一步开展ADANES再生燃料嬗变增殖验证^[8−9]。

致谢 感谢国家发展改革委员会、国家自然科学基金委员会、科技部等国家部委，广东省、惠州市政府及各职能部门，中国核工业集团有限公司等企业，中国原子能科学研究院、先进能源科学与技术广东省实验室、惠州离子科学研究中心、中国科学院高能物理研究所、清华大学、北京大学等单位在项目推进过程中给予的大力支持和帮助，感谢中国科学院近代物理研究所同仁对项目建设给予的支持和理解，感谢HIAF及CiADS项目团队的努力工作和辛勤付出。