核科技前沿十问——面向未来的核科技关键科学问题

核科技前沿十问

——面向未来的核科技关键科学问题

核科技作为研究微观物质世界的利器，处理的是尺度比纳米的100万分之一还要小的微观物质，是人类向“极微观”深入探索的重要平台。在中国科学院马余刚院士的主持下，《核技术（英文版）》（Nuclear Science and Techniques）和《核技术》编委会通过向海内外顶尖编委团队广泛征集、反复论证，后经中国核物理学会常务理事会审定，最终确定了“核科技前沿十问”。这十大问题涵盖六项基础研究核心议题和四项应用与产业关键方向，以“基础研究”与“产业驱动”双轮驱动的思路，锚定核科技前沿探索的关键坐标，既是对核科技前沿的聚焦，也是向全球核科技研究者发出的学术邀约。

01

强相互作用与质量起源之谜

核心问题：量子色动力学如何决定核子质量？核子之间的相互作用、手征对称性与色禁闭如何在多尺度上体现？

在日常经验中，质量似乎是物体天然具有的属性，但从现代物理学的观点看，质量的来源远比直觉所见更为深刻。构成可见宇宙的大部分物质，其基本单元是核子（质子和中子），而核子的质量并不主要来自组成它们的夸克或希格斯粒子赋予的基本质量。事实上，夸克的静质量只占核子质量的很小一部分，更主要的来源是夸克与胶子之间强烈而复杂的相互作用所产生的束缚能与运动能。按照质能方程，这些能量共同构成了核子的主体质量。换言之，我们周围世界之所以“有质量”，在很大程度上源于微观世界中最强基本相互作用的动态结果。

这一问题的核心在于理解量子色动力学如何在不同尺度上支配物质的结构。量子色动力学是描述夸克和胶子行为的基本理论，它告诉我们，夸克之间通过胶子交换相互作用，并被永久束缚在“无色”的复合粒子内部，这就是所谓“色禁闭”。与此同时，强相互作用还伴随手征对称性自发破缺等重要机制，它们共同影响了核子的质量、介子的性质及核子之间残余相互作用的形成。科学家希望进一步回答：核子内部的质量分布如何形成？核子之间的相互作用怎样从夸克层面的规律中涌现出来？这些问题既属于粒子物理的核心，也构成核物理最深层的理论基础。

对这一问题的研究不仅关乎几个抽象概念的解释，更关系到人类是否能够真正理解可见物质的起源。目前，借助高能散射实验、格点量子色动力学计算和多尺度有效理论，科学家正不断逼近这一问题的答案。谁能够更加清晰地揭示强相互作用与质量起源之间的联系，谁就更接近对微观世界本质的把握。

02

极端条件下的核物质性质

核心问题：在高温、高密度和强磁场环境下，核物质的相结构与输运规律如何？夸克-胶子等离子体与中子星物质能否统一描述？

在通常环境下，原子核中的质子和中子以相对稳定的方式结合在一起，形成我们熟悉的核物质。然而，一旦把核物质置于极高温、极高密度或超强磁场的环境中，它的性质就会发生显著变化。大型重离子对撞实验可以在极短时间内创造出温度高达数万亿摄氏度的微小火球。在宇宙深处，中子星内部则存在远高于普通核物质密度的极端环境。这些条件虽远远超出地球日常经验，却为认识核物质在极限状态下的行为提供了独特窗口。

科学家关心的一个关键问题是核物质是否会在极端环境下经历相变，形成全新的物质形态。例如，当温度足够高时，原本被束缚在核子内部的夸克和胶子可能不再局限于单个核子之中，而是形成一种被称为夸克-胶子等离子体的状态。这被认为与宇宙大爆炸后极早期的物质状态密切相关。另一方面，在极高密度下，特别是在中子星内部，物质可能呈现超流、超导甚至更奇异的相结构。如何绘制核物质在不同温度和密度条件下的“相图”，并确定是否存在相变临界点，是当前国际研究的热点问题。

更具挑战性的是能否建立统一理论，同时解释对撞机中的高温核物质和中子星内部的高密核物质。前者短暂而炽热，后者稳定而致密，看似属于完全不同的体系，却可能受同一套微观规律支配。对这一问题的深入理解，将使我们把实验室中的极端核反应与宇宙中最致密天体的内部结构联系起来，从而推动人类对物质极限形态的整体认识。

03

核结构的多尺度演化

核心问题：从单个核子到重核、超重核，壳结构、团簇结构及集体运动如何自洽统一？超重核稳定岛是否存在？

原子核是一个典型的量子多体系统，其内部既包含单个核子的运动，又体现出多个核子协同作用所产生的复杂集体现象。对轻核而言，若干核子可能自发形成团簇结构；对中等质量核和重核而言，壳层结构、形变、转动和振动等现象则更加突出；而在更重的区域，库仑排斥增强、壳结构重组和多体关联效应使问题变得更加复杂。因此，如何在同一理论框架中自洽描述这些跨尺度、跨类型的结构特征，是核结构研究的长期核心任务。

这一问题之所以重要，在于原子核并不是“许多质子和中子的简单相加”。核子在平均场中的独立运动形成壳结构，而壳结构又会受到核子间关联、配对作用和集体自由度的影响，从而表现出丰富多样的物理图景。科学家不仅希望解释已知核素为何呈现某种结构，更希望建立具有预测能力的理论，以描述尚未观测到的原子核，特别是位于核素图边缘的重核与超重核。只有真正理解核结构在不同质量区间、不同能量尺度上的演化机制，才能把看似分散的核现象统一为一幅完整图景。核结构多尺度演化的研究，既关乎基础理论的统一，也关系到人类对元素世界极限的探索。

在这一研究方向中，最引人注目的问题之一是“超重核稳定岛”是否存在。有理论预言，当某些超重元素的质子和中子恰好填满特定壳层时，原子核会获得额外稳定性，其寿命可能明显长于周边核素。如果这一预言能够得到实验验证，不仅将拓展元素周期表的边界，也将检验我们对核力和核结构的理解是否足够深刻。

04

奇特原子核与核反应机制

核心问题：远离β稳定线的奇特原子核中，是否存在新现象、新规律和新机制？

在自然界中稳定存在的原子核只是核素世界中相对有限的一部分。沿着中子数和质子数不断偏离稳定比例的方向延伸，人们会遇到大量寿命极短、性质异常的核素，它们通常被称为奇特原子核或稀有同位素。这些原子核虽然难以制备、稍纵即逝，却常常表现出稳定核中难以观察到的新现象，是当代核物理最具活力的研究前沿之一。

β稳定线是核素图上由稳定核素排列形成的曲线，其位置由质子数和中子数的关系决定。远离β稳定线后，原子核的性质会发生深刻变化。传统壳模型中的某些幻数可能减弱甚至消失，而新的壳层闭合则可能出现；个别核素的最外层核子分布极为弥散，形成所谓“晕核”结构，使核半径明显增大；某些核素还会表现出新的衰变模式和不同于稳定核的反应机制。造成这些现象的原因在于中子与质子比例极度失衡之后，核力中与同位旋有关的部分、连续谱耦合效应以及弱束缚特性都会变得更加显著。换言之，奇特原子核为我们提供了一个检验核力极限表现和多体理论可靠性的天然实验场。

研究奇特原子核并不仅仅是为了“多认识一些不稳定核素”。更重要的是，这些核素在宇宙元素合成中扮演着关键角色。快速中子俘获过程等极端天体核合成途径，会经过大量远离稳定线的短寿命核素。如果我们不了解这些奇特核的质量、寿命、结构和反应截面，就无法准确重建宇宙中重元素的形成历程。随着新一代稀有原子核束流装置和先进探测系统的发展，人类正以前所未有的能力进入这片“未知核素大陆”，而其中蕴藏的新规律极可能推动核物理理论框架的进一步更新。

05

核天体物理与元素起源

核心问题：r过程、s过程等核合成途径在平稳与爆发性天体环境中，如何塑造宇宙的元素丰度？中微子在其中发挥了怎样的作用？

“宇宙中的元素从何而来”是现代科学中最富吸引力的基本问题之一。氢和氦主要形成于宇宙诞生早期，而更重的元素则是在恒星内部及其剧烈演化过程中通过核反应逐步生成的。核天体物理正是研究原子核性质与天体环境如何共同决定元素起源和丰度分布的交叉学科。它把实验室中的核反应数据、理论计算与天文观测联系起来，试图重建宇宙的“元素制造史”。

在恒星演化过程中，不同的核合成机制塑造了不同区域的元素丰度。较为平稳的恒星环境中，可以通过慢中子俘获过程生成一部分重元素；而在中子星并合、超新星爆发等极端事件中，则可能发生快速中子俘获过程，在极短时间内提供大量中子，使原子核沿着丰中子方向迅速演化，随后再经β衰变回到稳定区，最终形成金、铂、铀等更重元素。近年来，多信使天文学的发展使人们越来越清楚地看到，这些剧烈天体事件正是宇宙重元素的重要来源。

在核合成网络中，中微子也发挥着不可忽视的作用。尽管它与物质相互作用极弱，却能够改变环境中的中子-质子比例，从而影响核反应路径和最终元素丰度。要真正解释宇宙中观测到的元素分布曲线，既需要掌握大量不稳定核素的性质，也需要理解复杂天体环境中的动力学过程。因此，核天体物理不仅是在解释恒星如何“炼制”元素，更是在回答我们自身所依赖的物质究竟经历了怎样漫长而壮阔的宇宙历史过程。

06

先进核能与聚变能发展

核心问题：新一代裂变堆与受控核聚变如何成为安全、清洁、可持续能源体系的重要支柱？

在全球能源转型和应对气候变化的大背景下，如何建立安全、清洁、可持续的能源体系，已成为各国共同面对的重大课题。核能因其高能量密度、低碳排放量和稳定供能能力，被普遍视为未来能源结构中的重要组成部分。然而，未来的核能发展并非简单延续传统模式，而是要通过新一代裂变技术和受控核聚变技术的持续突破，推动核能体系向安全性更高、资源利用效率更优和环境适应性更强的方向演进。

先进裂变技术的一个重要目标是从源头上提高反应堆的固有安全性，并尽可能减少高放废物的产生。例如，第四代核能系统和快中子反应堆强调更高的燃料利用率与更强的事故容错能力，小型模块化反应堆则强调灵活部署和标准化建造。与传统核电技术相比，这些新方案除了着眼于“能发电”，更强调全生命周期的安全、经济与可持续性。另一方面，受控核聚变被视为更具长远意义的目标。它模仿太阳内部的能量产生机制，通过让轻核在极端条件下聚变释放能量，理论上具有燃料丰富、碳排放低和安全性较高等显著优势。

当然，无论是先进裂变还是受控核聚变，都面临诸多关键挑战。裂变技术需要在工程、材料、燃料循环和公众接受度等方面不断完善；核聚变技术则要解决高温等离子体长期稳定约束、材料耐辐照及能量净增益等难题。正因为如此，先进核能的发展不仅是单一技术的竞争，更是科学、工程、产业和治理能力的综合体现。谁能在这一领域实现关键突破，谁就可能为未来人类能源体系提供更加可靠的支柱。

07

核技术跨界应用新前沿

核心问题：核探测、核成像、放射医学、核化学、核光钟、同位素应用如何与量子技术、人工智能（AI）、材料科学等交叉融合？

长期以来，公众对核科技的印象往往集中在核能或大型科研装置上。然而，从更广阔的视角看，核技术早已深入医学、工业、材料、计量和信息等众多领域，并且正在与AI、量子技术和先进制造等方向加速融合。今天的核科技已经不再只是单一学科内部的专业工具，而正在成长为推动多领域创新的重要底层能力。

在医学领域，核技术的跨界价值尤为突出。以PET-CT为代表的核成像技术，能够借助放射性示踪剂实现对人体代谢和病灶活动的精准观察，已成为肿瘤等疾病早期诊断的重要手段。放射性药物的迅速发展，使某些疾病的治疗方式发生了深刻变化。在工业和材料科学中，核探测、同步辐射、中子散射、离子束分析等技术能够对复杂结构进行高灵敏、无损伤的检测与表征，从而服务于先进材料、精密制造和环境监测等多个方向。

更值得关注的是，核技术正与信息技术和量子技术形成新的交汇点。AI可用于优化加速器运行参数、分析海量实验数据、提升图像识别与诊断效率；高精度核钟，特别是核光钟等前沿方向，则有望在未来重塑时间频率测量的精度极限。可以预见，随着更多学科边界被打通，核技术将在生命健康、先进制造、国家安全和基础研究等方面持续释放新的价值。这种跨界融合不仅拓展了核科技的应用场景，也将不断催生新的科学问题、技术路线和产业机会。

08

核安全与核废物处理的终极方案

核心问题：高放废物处置、核燃料循环和核应急管理能否形成系统性、长期性的有效解决途径？

核能的和平利用要真正实现长期可持续发展，安全始终是前提，而核废物处置则是绕不开的关键问题。与化石能源相比，核能在减碳和稳定供能方面具有独特优势，但其技术体系必须建立在严格的安全保障之上。无论是反应堆运行、燃料循环、废物后处理，还是事故预防和应急管理，每一个环节都直接关系到公众信任、产业前景与社会可接受性。因此，处理好核安全与核废物处理问题，本质上是核科技稳定服务社会的根本支撑。

高放废物之所以受到广泛关注，是因为其中某些核素寿命极长，必须在极长时间尺度上与人类环境有效隔离。国际上较为公认的技术路线是深地质处置，即将经过固化与屏蔽处理的高放废物深埋于地质条件长期稳定的地下岩层之中，并依靠工程屏障和天然屏障的多重保护，实现长期安全隔离。这一方案看似朴素，实则涉及材料科学、地球科学、工程技术和风险评估等多个领域的深度协同。

与此同时，科学界也在探索更加主动的解决思路，如通过闭式燃料循环、快堆和加速器驱动嬗变系统等技术，尽可能减少长寿命放射性废物的生成，或将其转化为寿命更短、危害更低的核素。未来，真正有效的“终极方案”不会是单一技术，而应是燃料循环优化、深地质处置、先进嬗变技术和核应急治理体系等多方面能力的系统整合。只有形成科学、工程与治理相互支撑的整体方案，核能的长远发展基础才会更加稳固。

09

先进加速器复合体与先进探测系统的颠覆性创新

核心问题：如何突破能量、亮度和分辨率的极限？AI驱动的智能实验平台是否将重塑核科技的研究范式？

核物理的发展历程反复表明，重大科学发现往往离不开实验能力的跨越式提升。从原子核结构的揭示，到新粒子、新核素和新反应机制的发现，背后都依赖于更高性能的加速器与探测系统。可以说，先进实验平台不仅是开展研究的工具，更是决定研究边界和发现可能性的关键基础设施。面向未来，如何突破能量、亮度、时间分辨率和空间分辨率等方面的极限，已成为核科技继续向前发展的重要命题。

先进加速器复合体强调多种能力的协同提升。一方面，更高能量和更高亮度意味着科学家可以更有效地寻找新粒子和研究极为稀有的物理过程；另一方面，更高品质的束流、更稳定的运行控制及多装置联动能力，又能显著提升实验效率和测量精度。与此相伴，先进探测器技术也在迅速发展。高时间分辨探测器能够捕捉更快速的物理过程，高空间分辨探测器则有助于更清晰地重建粒子轨迹和相互作用细节，从而把复杂相互作用的微观过程呈现得更加完整。

当前，尤为引人注目的趋势是AI开始深度嵌入实验平台。从实验控制、实时触发和背景抑制，到数据重建、模式识别和理论拟合，AI正在改变科学家获取和理解数据的方式。这意味着未来的核科技实验可能不再只是“更大、更强”的设备叠加，而会逐步演化为智能化、自适应的科研系统。谁能够率先实现先进加速器、先进探测器与智能算法的深度融合，谁就更有可能在下一轮核科技竞争中把握主动。

10

核科技的国际合作与战略格局

核心问题：在全球合作与竞争并存的格局中，中国如何在大科学装置建设、国际大型实验、核能发展和安全治理中实现合作共赢？

核科技是一项高度依赖长期积累和大型平台支撑的“大科学”事业。无论是基础研究中的大型对撞实验、可控聚变装置和稀有原子核束流平台，还是裂变能的发展、核医学应用与核安全治理，都往往需要跨学科、跨机构乃至跨国家的协同推进。因此，核科技天然具有鲜明的国际合作属性。同时，由于其深刻关联国家安全、能源安全、科技竞争和产业体系建设，它又始终具有重要的战略意义。正是在这种合作与竞争并存的背景下，全球核科技格局不断演化。

回顾当代核科技的发展，许多具有里程碑意义的大科学装置和国际合作计划，都是多国共同参与、共同推进的结果。例如，国际热核聚变实验堆、大型强子对撞机、重离子和中子科学装置等，都体现出开放合作对重大科学突破的重要作用。通过国际合作，各方可以共享成本高昂的实验平台，促进数据开放、人才流动与方法交流，从而提高科研效率并加速知识积累。与此同时，围绕关键核心技术、标准制定和产业能力的竞争也在不断加剧，使核科技不仅成为学术前沿，也成为国家综合实力的重要组成部分。

在这一格局中，中国正在通过建设具有国际影响力的大科学装置、加强原始创新和深化国际参与，逐步从“跟跑者”向“重要参与者”和“部分领域引领者”转变。未来，如何在坚持开放合作的同时提升自主创新能力，如何在核能发展与安全治理中贡献更具影响力的中国方案，如何在全球核科技体系中实现合作共赢，将是值得长期思考的重要命题。核科技的国际合作，既是知识共同体的建设，也是战略能力与责任担当的体现。

欢迎引用：马余刚.核科技前沿十问——面向未来的核科技关键科学问题[J].科学画报,2026,87(7):6-13.

作者介绍

马余刚，中国科学院院士，美国物理学会会士，华东师范大学校长。主要从事重离子核物理实验与唯象研究，在原子核的液气相变研究、反物质原子核研究、夸克胶子等离子体物理等领域取得一系列创新成果。主持的成果两次入选“中国科学十大进展”，曾获国家自然科学奖二等奖、何梁何利基金科学与技术进步奖、全球华人物理与天文学会“亚洲成就奖”等多项荣誉。目前兼任《核技术（英文版）》与《核技术》主编、《中国科学：物理学 力学 天文学》（Science China - Physics, Mechanics and Astronomy）和《中国物理快报》（Chinese Physics Letters）副主编、国家自然科学基金委员会第二届咨询委员会委员等。

文章转载自"核技术NST"公众号