(深圳學(xué)院化學(xué)大學(xué)核化學(xué)與核技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)
本文選自《物理》2022年第11期
摘要核裂變的發(fā)覺深刻地影響了人類社會。核裂變的研究還在不斷深入，一方面核裂變有新的應(yīng)用需求，另一方面核裂變是一個復(fù)雜的量子多體動力學(xué)過程。近些年來，核裂變理論和實(shí)驗(yàn)研究有很大進(jìn)展，人們對核裂變概率、裂變產(chǎn)物和裂變機(jī)制都獲得了新的認(rèn)識，這有助于澄清一些唯象模型的經(jīng)驗(yàn)假定。據(jù)悉，機(jī)器學(xué)習(xí)的應(yīng)用為開掘借助不精確不完整的核數(shù)據(jù)提供了可能。期盼未來更精確更自洽的核裂變理論可以更好地支撐應(yīng)用創(chuàng)新。
關(guān)鍵詞核裂變，先進(jìn)核能，裂變機(jī)制
1.引言
1939年2月，與首次闡明了鈾原子核像液滴一樣發(fā)生了分裂，并用這個詞來描述核裂變。更重要的是，她們基于玻爾的液滴模型計(jì)算出一次核裂變會釋放約200MeV的能量。實(shí)際上一詞最早是指生物學(xué)中的細(xì)胞分裂。核裂變釋放的能量是這么之巨大，很快就導(dǎo)致了科學(xué)家們的極昌平趣。1942年12月，費(fèi)米在紐約學(xué)院實(shí)現(xiàn)了可控的鏈?zhǔn)胶肆炎兎磻?yīng)，開啟了和平借助原子能的時代。1945年7月，日本成功爆燃了第一顆原子彈，深刻地改變了人類歷史。核裂變的發(fā)覺是一個坎坷的傳奇故事，一些大科學(xué)家曾與之失之交臂，它生動地詮釋了科學(xué)認(rèn)識積累到一定程度后靈光一現(xiàn)的思想突破。
核裂變的發(fā)覺至今早已80多年，它深刻地影響了人類社會。人們推測月球內(nèi)核就是一個巨大的核裂變反應(yīng)堆，仍然保持著人類生存的溫暖。核裂變一方面會釋放巨大的能量惠及人類，另一方面倘若控制不好會帶來災(zāi)難性的影響。這須要我們進(jìn)一步研究核裂變，更精準(zhǔn)地認(rèn)識核裂變，更好地借助核裂變。成都學(xué)院胡濟(jì)民先生所著的《核裂變化學(xué)》一書對核裂變研究進(jìn)行了全面系統(tǒng)的論述。近些年來，核裂變的理論和實(shí)驗(yàn)研究取得了明顯進(jìn)展，形成了一些新的認(rèn)識，這為核裂變的應(yīng)用帶來了新的可能。
2.為何我們還要研究核裂變？
因?yàn)樵虑蛏蟄儲量有限，發(fā)展先進(jìn)的可持續(xù)、更安全、更清潔的核裂變能將越來越重要。目前主流的核能是壓水堆，其中裂變形成的中子經(jīng)過慢化后弄成能量很低的熱中子。第四代先進(jìn)核能(圖1(a))的一個主流方向是快中子堆，快中子堆無需中子慢化劑，可以更緊湊。快中子堆可以通過增殖反應(yīng)將U弄成易裂變的Pu，將鈾資源的借助率從1%提高到60%。同時快中子堆大幅度地降低了核廢渣的放射性壽命。相比于壓水堆，發(fā)展快中子堆須要更精確的、中子能量連續(xù)的核裂變數(shù)據(jù)。而目前國際上主要核數(shù)據(jù)庫的核裂變產(chǎn)物的產(chǎn)額只有熱中子、0.5MeV與14MeV三個能量點(diǎn)的評價數(shù)據(jù)。更精確的核模型與核數(shù)據(jù)也有助于設(shè)計(jì)更精密緊湊的專用核動力(船用、月基、空間，圖1(b))和更好的支撐國防研究。
圖1核裂變的新應(yīng)用，包括先進(jìn)核能(a)、空間核動力(b)、同位素電瓶(c)、天體環(huán)境下R-過程中的核裂變(d)、同位素抗生素(e)、超重元素的合成(f)、反應(yīng)堆中微子的研究(g)等
不僅借助核裂變釋放的巨大能量以外，裂變產(chǎn)物核的循環(huán)借助將是一個巨大的機(jī)遇。通過核裂變形成的Mo可以獲得Tc，Tc是用于核醫(yī)學(xué)確診的重要核素，早已有廣泛成熟的應(yīng)用(圖1(e))。德國科學(xué)家借助核廢渣常年放射性的特性，通過磚石包裹制成了才能穩(wěn)定供電兩千多年的核電板，創(chuàng)新性地實(shí)現(xiàn)了變廢為寶。借助反應(yīng)堆還可以生產(chǎn)Pu，早已將其制成核素電瓶用于中國的火星車和地球車，而且其生產(chǎn)還很高昂(圖1(c))。反應(yīng)堆內(nèi)的核反應(yīng)網(wǎng)路非常復(fù)雜，這也為實(shí)現(xiàn)先進(jìn)核能提供了新的可能。通過核裂變可以形成數(shù)百種核素核，大部分裂變產(chǎn)物核是不穩(wěn)定的。通過加速核裂變碎片可以產(chǎn)生放射性束流，國際上新一代放射性束流裝置的主要科學(xué)目標(biāo)是研究極端條件下的獨(dú)特核物質(zhì)，如英國的稀有核素束流裝置(FRIB)，中國的強(qiáng)流重離子加速器裝置(HIAF)等，這將極大地?cái)U(kuò)充核化學(xué)的研究范圍。長壽命放射性同位素在反應(yīng)堆內(nèi)會大量積累上去，對反應(yīng)堆設(shè)計(jì)、核廢渣處理、裂變產(chǎn)物循環(huán)借助都非常關(guān)鍵。
核裂變對一些重要的基礎(chǔ)問題，例如超重新元素的合成、宇宙中元素的演進(jìn)過程、反應(yīng)堆中微子的研究，也不可或缺。實(shí)驗(yàn)上偏析反應(yīng)合成的超重核處于高迸發(fā)態(tài)，它的存活幾率取決于中子蒸發(fā)與裂變之間的競爭。實(shí)驗(yàn)上合成超重核非常困難，常常一年才觀測到1—2個例子，須要可靠的理論指引(圖1(f))。在雙中子星并和與超新星爆發(fā)的噴射物中，會發(fā)生R-過程快中子打動反應(yīng)，進(jìn)而形成重元素(圖1(d))。月球上的鈾、钚都起源于天體環(huán)境下的R-過程，并且R-過程到了極端豐中子超重核區(qū)因?yàn)榱炎兌兄梗齻兞炎兊漠a(chǎn)物又循環(huán)參與R-過程因而明顯地影響最終宇宙元素的產(chǎn)率。據(jù)悉，在核反應(yīng)堆中裂變產(chǎn)物的β衰變會形成大量的反中微子(圖1(g))，對其能譜的觀測將闡明一個基本數(shù)學(xué)問題，即是否存在第4種中微子——惰性中微子。這種新的應(yīng)用和基礎(chǔ)研究都依賴更可靠的核裂變的概率與產(chǎn)物產(chǎn)額。
圖2核裂變過程示意圖。其中縱軸是隨著裂變核拉長的形變降低，紅線表示裂變位壘，曲率表示位勢的彎曲程度
核裂變其實(shí)是一個老問題，并且從微觀角度看，核裂變是一個非常復(fù)雜的非平衡非絕熱的量子多體動力學(xué)過程，如圖2所示。傳統(tǒng)的唯象裂變模型通過引入一些參數(shù)，對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較多的核區(qū)能較好地描述，并且無助于深刻理解核裂變以及外推到實(shí)驗(yàn)很難達(dá)到的核區(qū)。原則上微觀核裂變理論可以自洽地描述多種裂變觀測量，并且微觀模型離應(yīng)用需求的精度還有一定的距離。近些年來，隨著超級計(jì)算機(jī)的發(fā)展，科學(xué)家對核裂變機(jī)制獲得了一些新認(rèn)識。發(fā)展能描述多種裂變觀測量，包括碎片產(chǎn)額、釋放動能、釋放γ光子數(shù)、釋放中子數(shù)、裂變概率與裂變截面等觀測量的綜合可靠的微觀裂變理論是一個重要科學(xué)目標(biāo)，可以更深刻地理解核裂變過程，并對很難精確檢測的核數(shù)據(jù)和空白核數(shù)據(jù)提供關(guān)鍵的補(bǔ)充。據(jù)悉人工智能與機(jī)器學(xué)習(xí)的應(yīng)用可以幫助我們更好地模擬核裂變和挖掘核數(shù)據(jù)。近些年來實(shí)驗(yàn)上提供了前所未有的精確的裂變觀測量，為進(jìn)一步驗(yàn)證、約束和發(fā)展新的裂變理論提供了機(jī)遇。
3.核裂變概率
核裂變的壽命或則裂變概率是一個關(guān)鍵的觀測量。重核的自發(fā)裂變是裂變位壘的量子隧穿過程，這是一個非常平緩的過程。裂變位壘是指原子核結(jié)合能隨著核形狀拉長而變化的曲線或多維曲面。原子核的多維集體形狀空間因?yàn)榱孔託ば?yīng)而呈現(xiàn)復(fù)雜的裂變位壘。當(dāng)原子核處于高迸發(fā)態(tài)，量子效應(yīng)(對關(guān)聯(lián)、殼效應(yīng))漸漸消失，裂變概率可以由統(tǒng)計(jì)模型描述，裂變壽命為10—10s。隨著迸發(fā)能降低，裂變壽命先是增長很陡，到了高迸發(fā)時弄成平緩增長，所以裂變的機(jī)制是能量相關(guān)的。
傳統(tǒng)的玻爾—惠勒統(tǒng)計(jì)模型，也叫過渡態(tài)理論，在核裂變壽命的估算中有廣泛的應(yīng)用，但依賴較多唯象參數(shù)。為了描述裂變位壘的能量相關(guān)性，唯象模型一般引入一個參數(shù)，來描述殼修正能隨迸發(fā)能降低而指數(shù)衰減的因子。而高迸發(fā)態(tài)的裂變位壘可以通過微觀的有限體溫的能量密度泛函計(jì)算給出。微觀估算可以自洽地考慮量子效應(yīng)隨氣溫降低而漸漸消失的過程。日本重離子研究中心(GSI)與美國的理物理研究所(RIKEN)通過冷偏析合成了107至113號元素，俄國的杜布納聯(lián)合核子研究所(Dubna)通過熱熔合合成了114至118號元素。我們的微觀估算結(jié)果表明，超重復(fù)合核的裂變位壘隨迸發(fā)能降低而降低的因子在不同核區(qū)非常不同。熱熔合區(qū)比冷偏析區(qū)的裂變位壘增長要慢，在高迸發(fā)時仍有一定的位壘，這是唯象模型所沒有預(yù)想到的。相對于冷偏析所呈現(xiàn)的趨勢來說，通過熱熔合生成超重元素有很大的截面，這在當(dāng)時是一個讓人疑惑和指責(zé)的問題。我們在2009年的理論工作對澄清和促進(jìn)后續(xù)熱熔合實(shí)驗(yàn)作出了貢獻(xiàn)。據(jù)悉微觀估算可以描述位壘形狀隨能量的變化，熱熔合區(qū)復(fù)合核在高迸發(fā)時的位谷曲率比通常重核的曲率要小4—5倍，而裂變機(jī)率反比于位谷曲率。其實(shí)基于微觀估算，熱熔合超重復(fù)合核有明顯的存活機(jī)率，闡明了114—118號超重元素合成的關(guān)鍵誘因。我們理論預(yù)言合成119、120號新元素的存活機(jī)率與118號相像。據(jù)悉，我們通過微觀估算的復(fù)合核裂變位壘可以解釋西安近代化學(xué)所的豐質(zhì)子重核區(qū)的新同位素實(shí)驗(yàn)。
基于微觀估算的裂變位壘的能量相關(guān)性也可以解釋實(shí)驗(yàn)觀測的裂變產(chǎn)物分布的能量相關(guān)性。隨著迸發(fā)能降低，裂變模式從不對稱裂變漸漸演變到對稱裂變。如鈾、钚的第二個裂變位壘的高度在引入反射不對稱形變后可以增加2.5MeV，說明低迸發(fā)時由不對稱裂變主導(dǎo)，并且它們的差異隨著迸發(fā)能降低而漸漸降低。
在熱浴環(huán)境下，核裂變概率可以用虛自由能法(ImF)來估算。該方式在物理反應(yīng)中有廣泛的應(yīng)用。我們推論了玻爾—惠勒模型與ImF方式之間的聯(lián)系，發(fā)覺它們的主要區(qū)別是位壘與位谷的基態(tài)密度參數(shù)的區(qū)別。當(dāng)處于極高的濕度時，量子殼效應(yīng)消失，玻爾—惠勒模型的裂變概率與虛自由能法只相差一個因子大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)密度測量實(shí)驗(yàn)報告，即
。統(tǒng)計(jì)模型非常依賴位谷與位壘的基態(tài)密度。原子核的基態(tài)密度與核的形狀和迸發(fā)能有關(guān)，微觀估算基態(tài)密度還是一個很大的挑戰(zhàn)。隨著復(fù)合核迸發(fā)能的降低，可能出現(xiàn)發(fā)射中子后的裂變。這一定程度上反映了低溫核物質(zhì)有較大的耗散系數(shù)和粘滯性，會減緩裂變動力學(xué)過程。通過檢測裂變前中子發(fā)射多重?cái)?shù)可以推斷出高迸發(fā)核的耗散系數(shù)在降低。
4.核裂變產(chǎn)物
核裂變會產(chǎn)生好多不同碎片產(chǎn)物的組合，這種裂變產(chǎn)物核的產(chǎn)額分布是十分重要的裂變觀測量。據(jù)悉，裂變碎片會攜帶很大的動能，這是核能釋放的主要方式。裂變碎片處于迸發(fā)態(tài)，會迅速釋放中子而冷卻。不同裂變碎片釋放的中子數(shù)、攜帶的動能和角動量也不同。常常輕質(zhì)量碎片釋放兩個中子，而重碎片釋放一個中子，這與我們的想像不一樣。裂變碎片會通過β衰變產(chǎn)生最終的累積產(chǎn)額。裂變產(chǎn)物的產(chǎn)額與其他裂變后的觀測量是關(guān)聯(lián)在一起的。
理論上描述裂變產(chǎn)物的產(chǎn)額分布主要基于多維裂變位能面的形狀演變，例如基于多維朗之萬方程求解可以合理地描述裂變碎片的質(zhì)量分布。與花粉在水底的布朗運(yùn)動相像，在朗之萬方程中，核裂變是原子核在集體形變空間的平緩演變，而核的單粒子運(yùn)動作為隨機(jī)背景在快速的變化，這是一個精典的動力學(xué)等式，考慮了漲落—耗散效應(yīng)。據(jù)悉基于微觀裂變位壘的時間相關(guān)的生成座標(biāo)法(TD-GCM)也能大致描述裂變產(chǎn)物的分布。TD-GCM主要是基于裂變位能勢的驅(qū)動，原則上微觀估算多維位能面可以更合理地描述裂變產(chǎn)額，并且估算量極大。那些基于靜態(tài)的裂變位壘的形狀演變本質(zhì)上是絕熱動熱學(xué)，不能自洽考慮碎片迸發(fā)。基于時間相關(guān)的密度泛函(TD-DFT)可以描述裂變的非絕熱非平衡的動力學(xué)過程。TD-DFT是基于微觀的單粒子波函數(shù)隨時間的自洽演變，不須要估算裂變位能面。TD-DFT能自洽估算多種裂變觀測量的平均性質(zhì)，但TD-DFT常年存在的一個問題是難以給出足夠紊流的分布，這是由于TD-DFT缺少集體自由度的漲落。為了解決這一問題，我們提出了裂變過程上單粒子基態(tài)隨機(jī)躍遷的圖象。在TD-DFT中，單粒子運(yùn)動與集體運(yùn)動是交織在一起的，隨著有效體溫降低，隨機(jī)躍遷的效應(yīng)降低，經(jīng)過長時間的演進(jìn)累積而得到有紊流的分布。此前國際上提出了隨機(jī)平均場模型來描述產(chǎn)額分布，是基于很大的初始漲落，然而這與自發(fā)裂變矛盾。
圖3(a)基于Brosa模型對裂變產(chǎn)物分布的描述；(b)微觀估算的Pu核裂變動力學(xué)演變路徑(其中單位b表示10m)
唯象的Brosa模型從裂變產(chǎn)物的質(zhì)量分布出發(fā)，覺得存在兩種不對稱的裂變模式(圖3(a))，并覺得不同的不對稱裂變模式的起源是遭到裂變位壘的影響。Brosa模型還通過腹部隨機(jī)破裂來描述裂變觀測量的紊流，背部越長分布越寬。Brosa模型可以合理地解釋裂變產(chǎn)額分布、總動能分布、中子發(fā)射多重?cái)?shù)之間的關(guān)聯(lián)，是數(shù)學(xué)直覺的很大成功，并且仍然缺少微觀理論的支持。我們的結(jié)果闡明了動力學(xué)漲落效應(yīng)正是Brosa模型中的S1、S2兩種不對稱裂變模式的起源。如圖3(b)所示，隨著漲落降低，長頸部S2裂變道的成份在降低，這與實(shí)驗(yàn)是一致的。這兩種模式的裂變路徑相像，不大可能是靜態(tài)位壘的影響。
圖4(a)基于貝葉斯機(jī)器學(xué)習(xí)對U的不完整裂變產(chǎn)額的評價；(b)對U裂變碎片Xe的產(chǎn)額—能量關(guān)系的評價
近些年來人工智能與機(jī)器學(xué)習(xí)在好多學(xué)科中的交叉應(yīng)用獲得了很大關(guān)注。實(shí)驗(yàn)上檢測的裂變產(chǎn)物的產(chǎn)額常常是不完整的，有偏差或存在分歧。非常是能量相關(guān)的裂變產(chǎn)額，在中子入射能量處于2MeV與14MeV之間的數(shù)據(jù)比較少見。在這些背景下，我們提出基于貝葉斯機(jī)器學(xué)習(xí)來學(xué)習(xí)補(bǔ)充缺位的裂變產(chǎn)額數(shù)據(jù)(圖4(a))，展示了機(jī)器學(xué)習(xí)的實(shí)際應(yīng)用價值和優(yōu)勢。據(jù)悉通過輸入碎片的電荷奇偶信息，以及在學(xué)習(xí)中引入負(fù)值懲罰等，將化學(xué)信息和化學(xué)約束與機(jī)器學(xué)習(xí)進(jìn)行了嘗試結(jié)合。近來我們提出通過數(shù)據(jù)融合來更好地評價不完整、有分歧、有偏差的核裂變產(chǎn)額。在反應(yīng)堆中，裂變產(chǎn)物Xe有很大的中子吸收截面，是反應(yīng)堆的“毒物”，會明顯增加反應(yīng)堆運(yùn)行功率，其產(chǎn)額的評價很重要。圖4(b)是我們基于貝葉斯機(jī)器學(xué)習(xí)對Xe產(chǎn)額的評價。當(dāng)一種裂變數(shù)據(jù)在個別能區(qū)很少見時，它與別的數(shù)據(jù)在其他能區(qū)的關(guān)聯(lián)有助于這些數(shù)據(jù)的推測。數(shù)據(jù)融合可以考慮潛在的、高維的、非局域的關(guān)聯(lián)，可以給出綜合的偏差傳播，可以開掘出不精確的裂變數(shù)據(jù)的最大價值，有望產(chǎn)生新的核數(shù)據(jù)評價方式。
5.核裂變機(jī)制
核裂變是一個非常復(fù)雜的非平衡非絕熱的量子多體動力學(xué)過程，裂變后碎片之間存在量子糾纏。更深入地認(rèn)識裂變機(jī)制有助于發(fā)展精確的裂變理論。TD-DFT理論最適宜研究核裂變的微觀機(jī)制。近些年來，超級計(jì)算機(jī)的應(yīng)用為微觀裂變動力學(xué)的發(fā)展提供了挺好的機(jī)遇，使我們有可能澄清或則更新一些唯象的裂變模型的經(jīng)驗(yàn)圖象。
在TD-DFT的基礎(chǔ)上，對關(guān)聯(lián)是最重要的剩余互相作用，對裂變機(jī)制有重要影響。人們認(rèn)識到對關(guān)聯(lián)相當(dāng)于裂變的“潤滑劑”，可以加速裂變過程。靜態(tài)對關(guān)聯(lián)也會造成裂變位壘的稍為增加，這會明顯降低自發(fā)裂變的壽命。當(dāng)核的密度平緩變化時，動力學(xué)對關(guān)聯(lián)有快速的漲落。當(dāng)對關(guān)聯(lián)特別大時，核體系產(chǎn)生一個超流的集體態(tài)，漲落效應(yīng)被壓制。在TD-DFT估算中，當(dāng)對關(guān)聯(lián)弱時，可能出現(xiàn)三分裂核裂變，而對關(guān)聯(lián)強(qiáng)時則是二分裂。當(dāng)對關(guān)聯(lián)很弱時，裂變路徑常常走短頸部的S1裂變道，與實(shí)驗(yàn)不符。當(dāng)復(fù)合核處于低溫迸發(fā)時，對關(guān)聯(lián)會很快衰減，漲落也更迅速。
核物質(zhì)的耗散系數(shù)或則粘滯系數(shù)究竟有多大呢？在知名的瀝青滴漏實(shí)驗(yàn)中，因?yàn)闉r青有很大的粘滯性，產(chǎn)生一個腦袋拉伸很長的液滴，約10年才滴出一滴，如圖5(a)所示。我們覺得核物質(zhì)的粘滯性比瀝青小，而且比水大。通過把微觀動力學(xué)裂變路徑映射到精典動力學(xué)多項(xiàng)式，可以提取出形狀相關(guān)的耗散系數(shù)。這個估算須要提取出動力學(xué)的裂變位勢，相比于靜態(tài)位壘，動力學(xué)的裂變斷點(diǎn)更遠(yuǎn)，碎片間的庫侖能更小。這意味著相比于非絕熱裂變，絕熱估算的總動能會明顯偏大，這也驗(yàn)證了非絕熱裂變的合理智。我們的結(jié)果表明，裂變過程中耗散系數(shù)也在發(fā)生變化，通常在2×10—4×10s，這有助于約束唯象模型的耗散參數(shù)。耗散系數(shù)隨著迸發(fā)能降低而降低，隨對關(guān)聯(lián)降低而降低。隨著迸發(fā)能降低，因?yàn)楹軓?qiáng)的耗散，裂變動力學(xué)演變時間越來越長。這時漲落效應(yīng)成為裂變的主要驅(qū)動機(jī)制大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)密度測量實(shí)驗(yàn)報告，這與漲落—耗散定律是一致的。很強(qiáng)的耗散和粘滯性將造成一個拉長的裂變頭部構(gòu)象(圖5(b))，進(jìn)而使庫侖能減少，造成裂變釋放的總動能降低。因?yàn)槟芰渴睾悖倓幽軠p少，造成碎片的迸發(fā)能降低，進(jìn)而發(fā)射更多中子。微觀TD-DFT估算能合理地解釋裂變機(jī)制的能量相關(guān)性。
圖5(a)瀝青滴漏實(shí)驗(yàn)展示出有拉長手臂的液滴；(b)微觀TD-DFT估算給出的Pu裂變的斷點(diǎn)構(gòu)象
裂變分裂成的兩個碎片之間存在很強(qiáng)的動力學(xué)糾纏，主導(dǎo)著碎片之間的能量分配、核子數(shù)分配、角動量關(guān)聯(lián)等。因?yàn)槠屏训乃槠芸祜w開，以至于部份的動力學(xué)糾纏還來不及塌縮。圖6分別展示了不同裂變碎片發(fā)射中子數(shù)的平均值隨碎片質(zhì)量變化的分布、碎片中的中子與質(zhì)子的平均比值，以及不同碎片所攜帶的平均角動量的分布。碎片發(fā)射中子的機(jī)率主要由碎片的迸發(fā)能決定。TD-DFT估算得到的輕碎片迸發(fā)能小于重碎片迸發(fā)能，且它們的差異隨迸發(fā)能降低而降低。實(shí)際上碎片發(fā)射中子的多重?cái)?shù)分布是一個型的鋸齒結(jié)構(gòu)(圖6(a))，其能量分配機(jī)制還有待微觀理論的解釋。裂變是頭部隨機(jī)破裂還是量子糾纏主導(dǎo)呢？唯象Brosa模型覺得是隨機(jī)破裂主導(dǎo)的。基于碎片之間的糾纏，兩個碎片的核子數(shù)分配和能量分配具有不確定性。微觀估算通過粒子數(shù)投影也能獲得有紊流的分布。近些年來美國實(shí)驗(yàn)組取得了很大的進(jìn)展。實(shí)驗(yàn)上可以獲得所有碎片的產(chǎn)額分布，其中碎片的中子與質(zhì)子的比值也具有鋸齒結(jié)構(gòu)(圖6(b))，但與中子多重?cái)?shù)的鋸齒結(jié)構(gòu)相反，這為進(jìn)一步認(rèn)識裂變破裂機(jī)制提供了觀測量。據(jù)悉近來實(shí)驗(yàn)上獲得了裂變碎片的角動量分布(圖6(c))，這是一種新的觀測量，導(dǎo)致了理論上很大的關(guān)注。日本一些理論組很快對裂變碎片角動量分布提出了多個解釋。須要強(qiáng)調(diào)的是，英國在裂變理論模型方面有常年積累的優(yōu)勢。裂變碎片角動量的獲得是與破裂模式(例如舌頭的扭曲或彎曲破裂)有關(guān)呢，還是破裂后獲得的？碎片的角動量分布也有相像的鋸齒結(jié)構(gòu)，可能主要由能量分配機(jī)制主導(dǎo)。原則上TD-DFT可以描述多種裂變觀測量之間的關(guān)聯(lián)，并且還需額外考慮趕超平均場的效應(yīng)，最終產(chǎn)生一個綜合、自洽、可靠的微觀裂變理論。
圖6(a)實(shí)驗(yàn)上觀測的裂變碎片的平均發(fā)射中子數(shù)的分布；(b)碎片中平均的中子/質(zhì)子比；(c)碎片所攜帶的平均角動量
6.總結(jié)與展望
核裂變是一團(tuán)強(qiáng)關(guān)聯(lián)的量子物質(zhì)分裂成兩塊的奇特的量子動力學(xué)過程。核裂變的發(fā)覺至今早已有80多年，并且核裂變過程十分復(fù)雜，對它的認(rèn)識還有待進(jìn)一步深入。裂變過程中既有單粒子自由度，也有集體自由度、集團(tuán)自由度，還有漲落—耗散效應(yīng)等交織在一起。裂變破裂前的舌頭構(gòu)象對裂變后觀測量有重要影響。裂變斷點(diǎn)既有隨機(jī)性，也存在碎片之間的量子糾纏。破裂前體系的裂變位壘、能級密度、耗散系數(shù)也具有能量相關(guān)性，再者對關(guān)聯(lián)對裂變機(jī)制有重要影響。我們看見微觀的TD-DFT可以成功地解釋裂變機(jī)制，有助于澄清或更新一些唯象的裂變模型的圖象。基于BBGKY框架，進(jìn)一步考慮更高階的關(guān)聯(lián)動力學(xué)，可以更現(xiàn)實(shí)地描述裂變。隨著估算能力的降低，考慮高階關(guān)聯(lián)的裂變動力學(xué)將是一個重要方向。目前微觀核裂變理論基于有效核力，存在一定的不確定性，包括裂變位壘的預(yù)言也存在偏差。從現(xiàn)實(shí)核力出發(fā)，發(fā)展從頭估算(ab)核結(jié)構(gòu)是核化學(xué)的前沿方向。基于ab估算重核裂變過程還很遙遠(yuǎn)，而且可以為發(fā)展更精確的有效核力和有效伊寧頓量提供指引。
無疑，核裂變的研究有很強(qiáng)的應(yīng)用背景。為了應(yīng)對氣候變化，先進(jìn)核能的發(fā)展將遭到更大的注重。發(fā)展更精確可靠的核裂變理論，對升級核能應(yīng)用非常重要，對一些重大的基礎(chǔ)研究也很關(guān)鍵，例如超重元素合成、天體環(huán)境中的R-過程、中微子研究等。核裂變的研究既是誘人的量子多體問題，也有很強(qiáng)的交叉應(yīng)用需求。隨著超級估算、機(jī)器學(xué)習(xí)、量子估算的應(yīng)用以及實(shí)驗(yàn)裝置的發(fā)展，核裂變的基礎(chǔ)研究迎來了新的機(jī)遇，將為核裂變應(yīng)用提供新的線索。近些年來，加拿大、法國等在核裂變基礎(chǔ)研究方面取得系列進(jìn)展，中國在核裂變的基礎(chǔ)研究方面還有很大的發(fā)展空間和前景。
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