黄祖洽

        黄祖洽,理论物理学家。1924年10月2日生于湖南长沙。抗日战争期间就读于当时已搬迁到江西铅山县的九江中学。1943年毕业后,考入西南联合大学物理系。1946年西南联大恢复为原来的北大、清华、南开三校,分别迁回北平和天津。黄祖洽选入清华。1948年毕业后又考入清华研究院作研究生,先在钱三强和何泽慧教授的指导下从事核乳胶的研究工作,后来又跟随彭桓武教授完成《氟化氢分子的量子力学计算》的硕士论文。毕业后,他被分配到中国科学院近代物理研究所工作,继续随彭桓武教授作关于核子和核子散射的研究。随着该所的更名和改组,黄祖洽先后在物理研究所和原子能研究所从事核理论和反应堆理论的研究工作,历任助理研究员、副研究员、研究员。1961年开始半时(1965年后全时)在二机部九院理论部工作,任副主任(后改为北京九所副所长)。1980年当选为中国科学院学部委员(院士),同年被调至北京师范大学低能核物理研究所任教授兼所长(1984年后改为名誉所长),并兼任原子能研究所副所长至1983年。1981年被聘为国务院学位委员会学科评议组成员。1983年开始兼任《物理学报》及其海外版主编。黄祖洽的科研工作主要是对输运理论,特别是中子输运理论作了某些发展,并将它对核能开发的若干方面,如对核反应堆和核弹的设计方面,作了重要的应用。作为《原子弹氢弹设计原理中的物理力学数学理论问题》的主要作者之一,曾获1985年国家自然科学奖一等奖。作为《中子和稀薄气体的非平衡输运和弛豫过程》的第一作者,曾获1991年国家教委科学技术进步一等奖。
        核反应堆中,为控制反应堆的功率,必须在反应堆中配置若干可以移动的、吸收中子能力特别强的控制棒,控制棒的效率取决于它对周围中子场所产生的影响。为定量地计算吸收棒在中子场中的影响,1955年初黄祖洽研究了输运理论中无限长黑圆柱情形下的Milne问题,并用球谐函数展开法求出了它直到P5阶的近似解。l955年底至1956年中,在参加接受苏联援助我国重水反应堆的理论设计的同时,他结合反应堆结构复杂的实际情况,认真考虑了非均匀性对堆中中子输运的影响,发现结果和苏联提供的设计中所给出的临界尺寸数据不同。以后在该反应堆启动时的临界实验中,黄祖洽的理论计算结果得到了证实。回后国,他协助彭桓武举办了反应堆理论学习班,为我国培养了第一代反应堆理论研究人才。1958年参与并领导了核潜艇用压水堆的初步理论设计。后来又参与和组织了石墨堆和元件堆的理论研究和设计。1983年,黄祖洽编写的《核反应动力学基础》(原子能出版社)一书获得当年的全国优秀科技图书奖。
        在研究核弹,特别是热核弹爆炸中所牵涉到的物理过程时,黄祖洽考虑到所研究的对象是一个在极高温度下起核反应的,包含轻核、重核、电子、中子和光子等粒子的混合系统,不能沿用通常气体分子运动论中使用的波耳兹曼方程,而必须加以推广,使方程中能正确反映粒子间有可能起各种反应的事实。1961年,他作出了《关于起反应的粒子混合系统的运动论》,写下了包含多体相互作用和反应的广义运动论方程组。并在这方程组的基础上导出了带中子的辐射流体力学方程和反应动力学方程组。后者是核弹理论研究中经常用到的重要方程组之一。
        在高温高压热核反应系统中,不管是从系统外射进来的中子,还是系统内部由于热核反应而产生的中子,它们的输运必然受到介质的流体运动和其中轻核的热运动的影响。1961年11月,在《关于高温高压热核反应系统中的中子输运方程》一文中,黄祖洽从上述广义运动论方程组出发,把带电粒子(轻核和电子)的运动和中子在系统中的输运有条件地分开来处理,在一级近似中把带电粒子看作随时都处在局域热平衡的状态,再计算系统中介质的流体运动和轻核的热运动对中子输运方程中代表中子源、中子吸收和中子散射等各项所产生的影响。
        对于高速运动介质(例如,爆炸飞散中的星体或核装置)中的中子输运,介质的流体运动速率可以和慢中子在其中的运动速率相比,远大于核的热运动速率,这时流体力学运动对中子输运的影响必须加以考虑。在《高速运动介质中中子输运的新处理方法》一文中,黄祖洽提出了一种新的作法,对这问题加以研究。结果表明,对于具速度场 ( ,t)的流体,在随流体运动的坐标系(其中中子的运动速度为公式 )中,中子就好象是在一等效力场(记住m是中子质量)作用下输运一样。
        1962年,在《轻核反应装置中轻核的能谱和有关的问题》一文中,黄祖洽探讨了热核弹中轻核的能量分布(能谱),发现可以合理地定出一由高能能谱过渡到麦克斯韦分布的过渡能量Ec,建立了决定高能区(E>Ec)中能谱的微分方程(能量输运方程的一种简化形式),得出了该方程的通解,并讨论了定态和指数上升单能源两个特例。结果表明:
        (1)缝合能的引入在有兴趣的实际情况下是合理的。一般Ec~10—20kT;
        (2)热能的反应率(和平均寿命θ成反比)和温度关系很大,而高能区的平均反应时间T则几乎是一个和温度无关的常数;
        (3)与T基本上是常数相应,氚核在慢化过程中引起反应的几率基本上和慢化时间ε成正比,它们又随着温度的升高而加大(比成正比稍微慢一些);
        (4)在定态情形下,氚核在慢化中引起反应的几率相对于热能区的反应几率来说不过百分之几;
        (5)在指数上升源的非定态情形,慢化区中反应的相对重要性却大为增加;
        (6)由于氚核的慢化时间ε约比高能区的平均反应时间T小两个数量级,因此平均在几十到上百个氚核的慢化过程中才有一个能引起反应。
        为保证核燃料生产和加工中的临界安全,二机部成立了临界安全小组进行研究。彭桓武和黄祖洽先后任组长。黄祖洽用中子输运理论解决了核工业生产中的某些临界安全问题。为适应对临界安全性能作出快速估计的需要,1965年他写出了《铀水系统安全质量的简易估算法》一文。其中介绍了一种估算铀水系统(或铀与其他含氢介质的均匀混合系统)的“安全质量”,即不会产生临界安全事故的铀-235质量的简易方法。1966年,黄祖洽带领临界安全小组的部分人员在详细了解一个燃料生产厂的有关生产过程后,提出了保证临界安全的一系列措施,并制定了操作规程,这个规程已由二机部正式形成文件,付诸实施。
        1982年以后,黄祖洽指导博士研究生丁鄂江对稀薄气体的非平衡输运和弛豫过程进行了研究。发现在与速度变量相应的傅氏空间中,波耳兹曼方程可以通过奇异扰动方法求解,而且在所得的对小Knudsen数的展开式中,可以找到一种消去久期项的方法,从而解决了波耳兹曼方程求解时久期项难以消去这一历史难题。另外,该方法在各级近似中都导致Navier-Stokes流体力学方程组,而不会引到物理意义上有问题的Burnett方程。原则上,可以利用他们的这一方法去研究非平衡系统中随时间的弛豫行为。在《球对称无限空间中稀薄气体的一种驰豫》一文中,则具体应用这一方法,通过一个简单的物理模型,论讨了当气体中某处(取为球面坐标的中心)发生一个爆炸过程,以至产生大量高速气体分子和热辐射时,气体在初始阶段的驰豫。计算表明,在这远离平衡的初始阶段,许多只在近平衡处有效的经验定律不再是正确的。例如,按照通常的热传导经验定律,系统中任一处的热流大小应当与该处的温度梯度成正比,而方向则与梯度的方向(从低温到高温)相反,即由高温处流向低温处。但是计算结果却表明,在距爆炸中心点r≈rc处,热流在开始的某一段时间内,其方向与温度梯度的方向一致,都取向心方向,也就是说,热量是从低温处流向靠近中心的高温处。黄祖洽与丁鄂江合作编写了《输运理论》专著,由科学出版社在1987年出版。

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