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核技术应用现状及发展趋势

2022-07-08 16:58     来源:科技导报     核技术

核技术应用是指非动力民用核技术,又称为同位素与辐射技术,是利用同位素或射线产生装置释放产生的各类射线与物质发生相互作用,通过分析或者利用与物质相互作用产生的各类物理、化学、生物等效应,进而用于众多实际应用,探索自然、造福人类的一门学科。

当前,美国将核技术列为优先支持的22项重大技术发展方向之一,核技术应用产业的年产值在美国国民经济总产值的占比长期保持在4%~5%。

日本和欧洲核技术应用产业的年产值占其国民经济总产值的比例为2%~3%。

射线产生装置发展现状

射线产生装置主要应用于工业领域的无损检测、辐照加工,医疗领域的辐射消毒灭菌、放射性医用同位素生产、癌症治疗等,农业领域的辐照育种等。

电子加速器

电子加速器主要以电子直线加速器和高压型加速器为主。

用于辐照加工杀菌的加速器能量一般为5~10 MeV,用于射线无损检测的加速器能量范围一般为2~16 MeV,用于癌症治疗的能量范围为6~20 MeV,用于同位素生产的电子直线加速器能量则需要达到30~50 MeV。

在X射线照相和医学治疗中广泛使用的低功率加速器,必须与适用于材料辐照的大功率直线加速器(通常限制在10 MeV能量)进行区分。

电子治疗加速器

放疗用电子直线加速器的能量大多在6~20 MeV,其中6 MeV能量的加速器是最广泛使用的机型。

国际市场规模大约为每年50亿~60亿美元,预期在未来5年增长30%左右。

随着信息技术、数字成像技术的快速发展,相关放疗产品都要求电子加速器具有高剂量率和高稳定性,部分场合还需要小型化、能量可调节以及闪疗的研究。

辐照和无损检测用电子直线加速器

辐照用的电子直线加速器通常采用射频加速结构,能量2~10 MeV,束流功率一般在10~150 kW。

无损检测领域,电子加速器是产生高能X射线的主流设备,能量从0.5~15 MeV不等。

比利时亿比亚公司研制的高能、高功率的单腔多次加速结构辐照加速器技术处于国际领先;美国L-3公司等研制出了自屏蔽S波段高能电子直线加速器辐照装置;加拿大Triumf实验室研制出30~60 MeV/100 kW 电子辐照加速器用于放射性核素研发、辐照效应研究等。

美国目前仍是世界上高能工业CT技术研究及设备研制最先进的国家。基于技术敏感性,射线能量高于2 MeV的无损检测加速器及其工业CT至今仍被列为发达国家限制出口的高技术严格禁运。

辐照用电子高压型加速器

这类加速器加速电子的能量一般不超过6 MeV,主要用途为材料辐照改性和烟气脱硫脱硝等,类型主要有高频高压(地那米)型和绝缘芯变压器型。

美国、俄罗斯、日本等国已研发了不同能量和功率的系列产品,此外,近年来出现了一种新型的电子工业加速器——梅花瓣型加速器,具有能量可调、连续波、束流功率高等优点。

质子/重离子加速器

质子和重离子加速器,主要用于癌症治疗和放射性同位素生产。

质子和重离子放疗加速器

质子和重离子放疗凭借其布拉格峰和生物学效应上的优势,成为国际放疗领域的研究热点。

应用于癌症治疗的70~250 MeV能区的质子加速器主要为同步加速器和回旋加速器两种类型。目前国际上商业应用的加速器中,73%以上的质子放疗设备采用回旋加速器方案。

医用放射性同位素生产用加速器

医用核素制造加速器主要以质子回旋加速器为主。

全球约1500多台回旋加速器用于医用同位素生产,其中大部分加速器集中在20 MeV以下,主要用于生产正电子发射计算机断层扫描(PET)的短寿命同位素。

20世纪八九十年代以来,国际上大约有20多家厂家先后研制医用小型回旋加速器。

能量为50~100 MeV的同位素生产加速器,大多存在于核物理实验室,除基础研究外提供束流生产医用同位素。

加拿大和美国等也研发了35~50 MeV强流电子加速器生产99Mo。

硼中子治疗(BNCT)加速器

目前,世界首套医院专用基于30 MeV/1 mA的强流回旋加速器BNCT系统率先在日本投用。此外,多国正在开展基于强流加速器的BNCT研发活动。

用于BNCT的加速器主要为2~3 MeV/10 mA以上的强流质子直线加速器和高压型质子加速器,10~30 MeV/1 mA以上的强流质子回旋加速器。

中子发生器

在紧凑型中子发生器方面,美国劳伦斯伯克利国家实验室开发的高功率同轴紧凑型中子发生器,其氘氘(D-D)和氘氚(D-T)反应的中子产额分别达到了1011 n/s和1013 n/s量级,代表了紧凑型中子发生器的世界最高水平。

美国LBNL实验室已使中子产额达到1014 n/s,平均使用寿命超过4000 h。

放射性同位素技术国际发展现状

放射性同位素为核技术应用的源头之一,其应用遍及国防、工业、农业、医学和科学研究等领域。

放射性同位素制备技术

放射性同位素按用途可分为医用同位素、工业用同位素等;按生产方式分为反应堆产同位素、加速器产同位素、从高放废液中提取的同位素、发生器产同位素。

反应堆产同位素制备

全球范围内,主要依托核研究机构的反应堆进行放射性同位素生产,几个主要的生产商进行14C、89Sr、99Mo、125I、131I、177Lu等同位素的大规模商业化生产并向全球市场供应,用于疾病的诊断与治疗,每年创造数百亿元的经济价值。

99Mo(99mTc)是最重要的医用放射性同位素。美国是医用99Mo的最大使用者,其使用量占全球使用量的50%,在2018年前,医用99Mo完全依赖于进口。

而由于高浓铀(HEU)使用受“核不扩散条约(NPT)”的制约,采用低浓铀(LEU)靶件生产医用99Mo为全球发展趋势。

此外,连续循环回路法与间歇循环回路法是生产医用125I的主要技术。

无载体177Lu是一种有临床应用前景的治疗放射性同位素,已有多个国家先后攻克其制备技术。

166Ho、47Sc、161Tb等新型放射性同位素目前仅限于工艺研究,尚未形成批量生产能力。

加速器产同位素制备

国际上专用于医用同位素制备的回旋加速器以PET小型回旋加速器为主。加速器产同位素中,18F使用量约占核医学诊断用同位素用量的20%,主要在医疗单位自行制备。

随着PET的推广,国际上加速器产同位素制备技术发展非常迅速。而新型靶向诊断和治疗放射性药物不断进入市场,则促进了加速器产新型医用同位素的制备技术的发展。

日本、美国、芬兰等具有64Cu、89Zr等新型PET同位素的批量生产能力。日本掌握加速器生产治疗用同位素67Cu的技术。加拿大、美国、俄罗斯等具备223Ra、225Ac等的成熟制备技术。

放射性药物制备与应用

放射性药物是由放射性同位素搭配专门定位特定器官及组织的分子试剂组成的医药制剂,按用途分为诊断用与治疗用放射性药物。

99mTc药物仍是临床上使用最广泛的放射性药物,全球范围内超过3000万人次使用99mTc药物进行疾病诊断。

迄今,美国食品药品监督管理局(FDA)已累计批准上市放射性药物58种,其中诊断类药物为45种,治疗类药物13种。2018—2022年,共有10种放射性药物获得FDA批准上市。此外,目前一批放射性新药正处于临床研究阶段,有望在近几年内上市。

近年,国际上放射性药物研发呈现加速态势,且治疗用放射性药物展现了很好的应用前景,预计2030年放射性药物市场规模将达到300亿~400亿美元,其中治疗放射性药物有望达到240亿美元。

放射源制备与应用

使用放射性同位素制成的放射源已广泛应用于工业、农业、医学、科研和国防等各个领域:

采用241Am、137Cs、60Co放射源制成的同位素仪表用于在线非破坏性测量;采用137Cs、60Co、192Ir等作为射线源的无损检测设备用于现场检测;60Co辐照源是最重要的工业放射源,用60Co等制作的γ辐照装置在全球已有300座左右;医用放射源主要包括远距离治疗源和近距离治疗源,当前国际上医用放射源的研究主要集中在放射性粒子和放射性微球等近距离治疗源。

国外同位素热源和电源的研发以美国和俄罗斯起步早,技术水平处于国际领先,到2021年美国已在28空间任务中应用了47个同位素电源。国外同位素光源,尤其是氚光源已形成批产供货能力,且外形尺寸规则,发光稳定性较高。

核探测技术

得益于核辐射探测器材料、制备工艺技术、微电子学器件技术以及信息处理技术等方面的突破,涌现了一系列性能优异的探测器。

在气体探测器领域,电离室探测器仍然是核反应堆芯、堆外重要的中子探测器以及厂区环境剂量监测用探测器,球形电离室、重离子电离室等新产品相继研制成功。

在闪烁体探测器领域,为配合高能物理和X、γ射线成像方面的应用,在原来的NaI(Tl)、CsI(Tl)、BGO、CdWO4基础上又研制了氯化镧(LaCl3)、溴化镧(LaBr3)、铝酸镥(LuAP,LuAlO3)、硅酸镥(LSO,Lu2SiO3)、硅酸钆(SCD,Gd2SiO4)、硫氧化钆(GOS,Gd2O2S)和铝酸钇(YAP,YAlO3)。

在半导体探测器领域,切割型高纯锗探测器的进展显著,可以应用于伽马径迹谱仪、辐射源成像、天体物理和核医学、低本底计数装置、核爆炸监测系统等领域;宽禁带半导体探测器发展迅速,金刚石、SiC等新型探测器器件的研制和应用具有一定基础。

本文作者:刘蕴韬,安世忠,梁积新

作者简介:刘蕴韬,中国原子能科学研究院核技术综合研究所,研究员,研究方向为核技术应用。

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