核科学与技术系的核技术方向是国内率先开展基于加速器的离子束物理与应用技术研究的核心单位之一，自上世纪70年代末期依托自建的4MV质子静电加速器和从美国NEC公司引进的9SDH-2x3MV串列静电加速器，先后建立了微米束探针系统、质子激发X射线荧光分析系统、离子束分析系统、离子束辐照系统、双离子束协同作用系统以及强流离子FLASH生物学辐照系统等。聚焦于国防安全、先进核能、生命健康等国家重大需求，开展了核能材料、生物医学、科技考古、热工水力学等方面的研究工作，并相继建立了核材料、辐照生物医学、反应堆热工水力实验室及研究平台。在聚变堆等离子体与壁相互作用效应及第一壁材料设计、反应堆结构材料辐照损伤与新材料设计、离子束生物医学物理、跨尺度和多维度离子束分析及应用、核科技考古、反应堆物理与安全等方面取得了一些重要成果，其中一些研究工作取得突破性进展，发表在Natural Materials、 Natural Communication、Science Advances 等顶级期刊上。本方向现有研究与技术人员11名，其中正高级职称5位，副高级职称4位，包含3名国家级青年人才。

研究方向：

1. 核能关键材料前沿研究

核能关键材料的性能是制约先进反应堆（如聚变堆、第四代裂变堆）研发与现有反应堆延寿安全的关键瓶颈。材料在极端辐照、高温、应力等复杂环境下的使役行为，已成为国际核科技竞争的焦点。复旦大学核科学与技术系依托基于加速器的离子束分析及辐照装置、材料实验室等平台，已构建起国内独具特色的核能材料研究平台，形成了从材料设计、制备、辐照到微观结构和成分表征、以及性能评估的全链条研究能力。本方向致力于下列方面的研究：

 1）聚变能关键材料设计及性能研究： 聚焦面向等离子体材料、第一壁结构材料、阻氚涂层等，研究材料在聚变等离子体各种粒子与射线辐照环境下的作用及效应，如损伤、氚滞留、溅射与渗透等行为，为未来聚变堆的工程实现提供材料科学与技术解决方案。

 2）四代堆等先进反应堆结构材料设计研究： 开展新型合金、高熵陶瓷等新型抗辐照材料的高通量计算设计与实验验证，旨在获得兼具高强度、高韧性、耐腐蚀及优异抗辐照性能的先进结构材料。

 3）先进核材料辐照损伤前沿基础科学研究：开展材料辐照损伤的理论基础和实验研究，利用离子束辐照模拟中子损伤，结合原位电镜、力学性能表征等技术和多尺度模拟计算，揭示辐照缺陷的产生、演化规律及其对宏观性能的影响机制，推动辐照损伤理论的创新，为新材料设计和寿命预测提供理论基石。

 4）反应堆材料服役性能评价与延寿： 针对在运核电站，发展先进的材料性能评价体系，发展老化机理研究方法及延寿方法，为反应堆长期安全运行与延寿提供科学依据和技术支撑。

 5）新型射线屏蔽材料的研发：中子和γ射线的高效屏蔽是实现聚变堆和裂变堆小型/微型化的关键障碍。聚焦于新型”轻质、高效、多功能”的屏蔽材料的研究，满足材料在高强度辐射、高温、化学腐蚀等多重挑战下的长期稳定运行要求。

2、离子束生物医学物理

依托基于离子加速器（如复旦大学3 MV串列加速器、复旦大学附属肿瘤医院医用同步加速器、中国原子能院BRIF大科学装置）的离子微束及宽束辐照装置、细胞实验室、粒子探测器实验室等，开展离子束技术与生物医学的交叉研究：

 1）新型生物医学放射线辐照分析平台：发展基于加速器的质子/氦离子/碳离子细胞辐照平台、新型X射线亚细胞微束/宽束辐照终端，开展MRgRT/FLASH/MRT放疗物理与技术研究。

 2）先进放疗医学物理：开展质子/重离子放疗的生物效应模型研究、纳米材料介导的放射增敏微观剂量学及机理模拟研究。

 3）基于新材料的离子辐射探测：开展基于新型闪烁体和半导体材料的离子探测研究，研究材料的探测下限（单粒子灵敏度）、探测上限（超高剂量率）及机理，应用场景包括质子重离子治疗精准剂量控制、FLASH、质子成像和质子CT等。

 4）质子辐射增敏效应新途径：结合新型纳米药物，研究质子辐射增敏的新策略和微观机理，在质子治疗中用来增强质子的相对生物学效应（RBE）。

 5）单光子色心的离子注入法制备及量子传感应用：利用离子微束技术，在高纯CVD金刚石及SiC材料中制备NV色心、SiV色心，这些色心作为量子传感器，能够对活细胞生理生化活动中产生的微弱磁信号进行检测和成像。

3、反应堆物理与热工学

该方向依托核反应堆热工水力实验室相关试验装置及仿真平台，重点开展核反应堆物理、核反应堆热工水力等方向的教学及科研研究。具体研究内容包括：

 1）先进反应堆物理与安全：针对压水堆、铅基堆、熔盐堆与加速器驱动系统，开展中子学设计、瞬态安全分析与物理计算。

 2）先进反应堆热工水力：研究小型模块化压水堆、铅基堆、熔盐堆、热管堆的堆芯、关键设备及系统内的热质传输行为。

 3）多物理场数值模拟：主要开展基于高性能计算的中子-热工-机械耦合分析程序开发与高保真数值方法研究。

 4）核燃料循环技术：主要开展乏燃料后处理中放射性碘的高效捕集等关键技术研究。

4、离子微束分析技术及应用

该方向依托实验室先进离子微束装置（束斑尺寸2μm）和国际顶尖的离子纳米束装置（束斑尺寸<100 nm），重点开展微纳尺度分析/辐照和新型离子束分析技术研究。具体包括：

 1）基于微束离子束分析，发展离子束三维重构成像技术，如三维透射离子显微镜技术（STIM Tomography, or STIM-T）、三维质子诱导X射线发射成像技术（PIXE-T）、三维卢瑟福背散射成像技术（RBS-T）等。

 2）激光聚变靶丸中掺杂元素（如W）或杂质元素（如O、N）等的高精度空间分布及定量分析。

 3）单细胞或生物组织切片的高分辨生物成像。

 4）半导体芯片及元器件的微区辐照效应。

5、核技术考古

该方向依托串列加速器实验室相关试验装置及仿真计算平台，结合穆斯堡尔谱实验室，重点开展古陶瓷、古玻璃等材料的核技术考古研究。具体研究内容包括：

（1）离子束科技考古：主要开展PIXE、RBS、ERD和IBIL等离子束分析技术在古陶瓷等文物中的技术创新和应用，建立无损、微区、高灵敏度的元素组成与结构分析方法。

（2）考古材料的产地与工艺溯源研究：针对原始瓷产地争议、青瓷烧制工艺的起源和演变等考古学关键问题，主要开展主微量指纹元素特征分析、矿物相分析，结合机器学习等分类算法程序开发与模型评价，构建文物特征数据库和产地分类体系。

（3）古陶瓷烧制工艺和呈色机理：主要利用核技术揭示陶瓷的烧制温度、烧制气氛以及着色元素的价态及局域结构，结合物理场数值模拟，研究非晶釉层着色背后的物理机制。

6、离子束分析技术及应用研究

该方向依托实验室研发的毫米离子束分析装置（束斑尺寸>0.2mm）以及离子束分析与低能离子辐照耦合系统，重点开展核能材料与其他功能材料中的元素成分分布和定量分析研究，具体包括：

1. 离子束分析的物理基础及新技术发展：包括离子与固体相互作用基础研究（截面、阻止本领），以及核反应分析、弹性散射分析等方法中的新技术发展。

2. 聚变等离子体与壁相互作用效应（滞留、溅射）的动态原位分析。

3. 核靶材料中氢氦同位素及其它轻元素（如Li、B、C、O等）的高分辨定量分析。

4. 在其它功能材料（如半导体材料、超导材料、环境等）中的应用。