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核测井、固体材料辐射改性、固体径迹探测技术

材料改性无损检测 核测井 辐射改性 示踪剂 中子辐照
发布:2021-02-24 08:59:04     来源:娱核熊掌

一、核测井技术

核测井、声学测井与电学测井共同构成地球物理三大测井技术,在油田、煤田、金属资源与水资源勘探与开发中发挥着不可替代作用。中国原子能院核测井技术研究始于 20 世纪 70 年代后期,核测井主要方法有以下几种。

(一)低温半导体测自然伽马能谱法

1986 年,中国原子能院申报的用高纯锗的自然伽马能谱测井项目,经石油部与核工业部专家评审后,由核技术所测井室承担。科技人员在大庆奋战 3 个冬天,因油井深、温度高等因素,得到低温半导体在 1 100 米深的浅井中只能工作 3 小时(包括探管下降和上升的时间)的结论,说明高纯锗在油井测量中基本上是不能用的。进入 21 世纪,室温半导体碲锌镉研制成功,并成功用于石油测井。

目前,测井常用的还有溴化镧探测器,因溴化镧高低温性能均很好,在能量分辨率上可与常温碲锌镉媲美,尺寸也可做得比碲锌镉大,二六一厂已掌握井下高温 PMT 生产技术,因此应用溴化镧进行测井研究也是一种方法。

(二)示踪剂测井技术

“七五” ( 1986 一 1990 年)期间,中国原子能院同位素所为适应我国核测井和核分析的发展需求,兴建 241Am-Be 中子源生产线,解决中子源供应问题。与大庆油田合作,研发了适合我国陆相油田吸水剖面的钡-131 微球测井示踪剂,建立具有中国特色的钡-131 微球测井技术,满足全国各个陆相大油田的测井需求。

1996 年,受 IAEA 委派,中国原子能院有关专家分别到马来西亚、巴基斯坦、越南、阿尔及利亚、印度尼西亚、肯尼亚、墨西哥、缅甸等国 9 次讲学,讲授和协助开展油田地热井间示踪工作。

2001 年,在 IAEA 支持下,原子高科公司建成同位素示踪剂研制生产、配套测试和现场服务的完整技术体系;与中国石油天然气集团公司共同完成 IAEA 资助项目“井间放射性示踪技术监测注水油藏剩余油饱和度的研究与应用”。

2008 年,国防科工委民用专项工程(军转民技术开发专项)批准“石油工业先进放射性示踪技术开发”立项。经过三年多研究开发和试验推广,研制多种新型示踪剂和示踪砂,其中,钡-131 微球、铟-113m ,测井示踪剂,水驱、气驱和蒸汽驱氢-3、硫-35、铬-51、钴-57、钴-58、钴-60、碘-125 等井间测井示踪剂,以及钪-46、铱-192 或铱-191 示踪砂的研制生产及配套的测试和现场服务,解决了多井组一多示踪剂一多层位井间示踪检测和水力压裂中裂缝形态的检测和压裂效果的评价难题。

2011 年,首次利用放射性示踪砂跟踪支撑砂的压裂示踪技术,测量油井壁裂缝形态,评价水力压裂效果,在长庆油田试验成功,填补国内空白。该技术已在大庆、长庆等十余家石油石化单位应用,共开展油田示踪服务 300 多井次,为油田石化用户带来数亿元经济效益。

截至 2014 年,油田示踪、石化伽马射线扫描技术等,一直走在国内前列,收到良好的社会效益与经济效益。该项目获得多项发明专利,2014 年被评为国防科技进步奖三等奖和中核集团科技进步奖二等奖。

二、固体材料辐射改性技术

(一)离子注入技术应用

离子注入技术已超出半导体工业应用范围,成为材料科学中强有力的研究手段。20世纪 80-90 年代,核工业西南物理研究院(简称核西物院)对离子注入技术应用做过深入研究,取得重要成果。核西物院在等离子体应用技术成果转化中,研制了具有自主知识产权的复合渗注镀技术集成试验平台,开发出多种等离子体复合表面处理工艺,形成离子镀膜、离子注入和纳米粉末制备等优势项目。

这些新技术、新工艺、新产品已广泛应用于工业、科研与日常生活等领域,创造了良好的经济效益和社会效益。例如,泥浆泵缸套经过离子注入表面改性后使用寿命提高2倍;对金属进行离子注入后,金属材料表面物理、化学性能得到很大改善。

(二)中子嬗变掺杂单晶硅技术的应用

用核反应堆产生的热中子,照射半导体原料实现掺杂生产半导体材料,叫做中子嬗变掺杂(NTD)。中国原子能院堆工所在 101 堆和 49-2 堆上建立了中子辐照掺杂生产线,并配备有先进的辐照损伤恢复的热处理技术。1985 年,反应堆辐照单晶硅中子掺杂工艺研究,形成年产 10 吨生产能力。

1988 年,中国原子能院堆工所与河北工学院、洛阳单晶硅厂合作完成“大规模、超大规模集成电路用中子辐照直拉硅技术”及“功率器件 NTD 及技术应用”两项科研任务,并通过鉴定。其中“大规模、超大规模集成电路用中子辐照直拉硅技术”获得部级科技进步奖二等奖。1991 年“探测器级特高阻区熔硅单晶中子擅变掺杂”获得部级科技进步奖三等奖。1995 年“直拉硅片缺陷的控制与利用”获得国家发明奖四等奖。

在同一时期开展中子嬗变掺杂工作的还有中国核动力院。该院利用中子通量亚洲第一、世界第三的高通量工程试验堆(HFETR)和与之配套的岷江堆(MJTR) ,开展中子嬗变掺杂单晶硅辐照和宝石(黄玉)辐照改色研究。硅单晶辐照最大孔道直径达 230 毫米,具有最大可辐照 8 英寸的大直径、高目标电阻率硅的能力,年辐照产量 30 吨,辐照加工能力和辐照质量达到国际水平。

三、固体径迹探测技术

20 世纪 60 年代以来,中国原子能院开始固体径迹探测器研究,掌握用晶体、玻璃、塑料记录和显示重带电粒子径迹的技术并用于我国核科学及相关领域。由于固体径迹探测器具有能克服强本底干扰,可探测质子、? 粒子、重离子、裂变碎片和宇宙线中的原子核等,而且具有灵敏度高、探测径迹小、稳定性好等优点,在各个研究领域中广泛应用。在我国神舟号飞船上载有固体径迹探测器,用于对轨道空间各种带电粒子进行监测。

(一)在科研中应用

20 世纪 80 年代中期,利用裂变径迹法进行大面积铀矿普查,获得成功。利用该方法在江西省发现新的矿化区域和铀矿。该方法为全国地质构造、矿藏勘察、防灾减灾、月球岩石研究和我国探月工程提供了数据和技术储备。裂变径迹法铀矿普查获得 1985 年国防科工委重大科技成果奖。

1995 年,利用裂变径迹法测定广西百色古人类遗址年代,证明早在 73.2 万年前,我国广西百色居住的古人类能够制造双面石斧,是世界上同期智力发展最高的人群之一,这一研究得到国际公认。

(二)核孔膜的研制与应用

当高能核粒子穿过高分子聚合物时,在粒子经过的路径上留下一条狭窄的损伤通道径迹。如果高分子聚合物是塑料薄膜,则当带电粒子完全穿过薄膜时,化学蚀刻后就形成通孔。控制辐照强度和化学蚀刻条件,就可以控制孔多少和孔径大小。这种微孔薄膜称为核径迹蚀刻膜,国外商品名为 Nuclepore,在我国称为核孔膜。

1985 年,中国原子能院开始核孔膜研究,在串列加速器上建造核孔膜照射装置和蚀刻装置。生产的核孔膜用于国内一些厂家生产精密输液过滤器,多家医院使用核孔滤膜过滤灰尘、微生物、细胞、血球和细菌等。另外还实验成功用核孔膜测定各种溶液物质浓度的方法。

(三)在其他领域应用

1 .在军控核查中应用

进入 21 世纪以来,通过在工作环境中搜集含铀微粒或含铀气溶胶,测定其铀-235 丰度,成为最准确的军控核查手段之一。

中国原子能院在 1992 年研制成 CR-39 固体径迹探测器,并建立整套操作方法:把有大量微粒的样品与固体径迹探测器片叠放在一起,放人核反应堆内照射;如果微粒中有一个含铀微粒,热中子会引起微粒中铀-235 裂变,裂变碎片打在固体径迹探测器上,形成一个径迹星。径迹星中心位置对应的就是含铀微粒的位置。用直径为 1-2 微米的尖针(或用其他方法)把微粒拾起,转移到质谱仪中,测定铀-235 同位素丰度。

2 .在激光加速研究中应用

进人 21 世纪以来,利用激光打靶产生等离子体,进而产生重离子,并能对产生的重离子加速,即所谓激光加速。根据这个原理,将来建造的加速器称为台面加速器,即可以放在桌子上的加速器。固体径迹探测器是研究激光加速最好的探测器之一。

3 .在其他领域应用

在核技术应用领域及放射治疗领域,固体径迹探测器已经广泛用于辐射剂量监测、反应堆物理、微堆中子治癌、医用加速器中子剂量测量等领域,是核工业广泛采用的探测器之一。

4 .基础研究

利用固体径迹探测器研究裂变碎片角分布,发现几种核素裂变碎片的角分布有异常现象,固体径迹探测器应用技术开发有着广阔的应用空间。

在发达国家,核技术应用已形成一个巨大的产业,经济规模对 GDP 的总量有着重要贡献。以美国核技术应用产业为例,据美国核科学顾问委员会专家评估报告 《 国家同位素未来需求 》 介绍,2009 年美国同位素与辐射技术的产值达到 6 000 亿美元,占其当年 GDP 的比例为 3% 左右。

据中国同位素与辐射行业协会测算 1 000 亿元,仅占当年 GDP 0.3%。2010年中国核技术应用年产值约为发达国家相比,在农业、医学、在核技术应用领域,我国与美国、日本等在应用水平与经济规模方面,还有不小的差距。随着核技术工业等领域的推广应用,中核集团核技术应用产业还有巨大的发展与提升空间。

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