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中国科学院院士王乃彦:中国民用核技术发展现状与前景(上)

发布:2020-06-05 10:17:19     来源:中国核能行业协会

王乃彦,中国原子能科学研究院研究员,中国科学院院士,知名核物理学家。长期从事核物理和核技术应用的研究工作。曾任核工业研究生部主任,中国核学会理事长,国家自然科学基金委员会副主任。获2003年度何梁何利基金科学与技术进步奖物理学奖,2004年度“世界核科学理事会全球奖”,2015年度中国“十大科学传播人”称号。

经过几十年的发展,我国非动力核技术应用取得了巨大成就,在提高人民生活水平、促进社会经济发展中发挥了不可替代的重要作用。本文概述了核技术在工业、农业、医学、环保等领域的应用情况。

中国民用核技术发展现状与前景(上)

01概况

中国非动力核技术及应用起步于上世纪50年代,历经了科研开发的起步阶段、应用开发的产业化阶段以及快速发展三大历史阶段,现已步入高速发展期。

1999~2016年民用非动力技术应用产值如图1所示。截至2016年12月底,中国已有400多家单位直接从事民用非动力核技术研发与生产,相关应用单位数千家,民用非动力核技术应用年产值超过432.5亿美元,是2010年的3倍,年增长率保持在20%左右,为全社会提供近10万个就业岗位,在提高人民生活水平、促进社会经济发展中发挥了不可替代的重要作用。

图1 1999~2016年民用非动力核技术应用年产值增长情况

与工业化发展阶段相适应,中国核技术的应用领域不断拓展,广泛应用于工业、农业、医学、环保等领域,并已在辐照材料改性、辐照加工服务、辐射技术装备、公共安全、公众健康、环境保护等方面形成一定的产业规模(见图2)。

图2  中国民用非动力核技术2016年各应用领域产值分布情况

美国核技术应用创造的产值占总GDP的3%(2000年);中国只占0.38% (2016年)。

2016年我国GDP达到744127亿人民币,按3% (来估算,中国核技术应用的年产值应达到2.2万亿人民币,但实际情况只有2800亿人民币左右。这说明中国核技术应用产业的发展空间还很大。

02核技术研发与装置发展现状

截止2016年底,中国从事核技术研发的科研机构和高校约有80多家,取得了丰硕的成果,据不完全统计,国内外论文年发表量万余篇,专利拥有量近万件。辐射化学、辐射物理等辐射科学领域在大型科研设施的支撑下蓬勃发展,为核技术的产业化发展奠定了基础。

2.1大型科研设施提供强大支撑

在中国,加速器、反应堆、同辐光源等一批科学装置的建成和投运有力支撑了辐射科学和技术的发展(表1)。

100兆电子伏强流质子回旋加速器和兰州重离子加速器(HIRFL)在批量生产放射性同位素和核医学与放射医学等方面的应用研究中发挥了重要作用。

肿瘤治疗用介质壁质子加速器和PET配套质子回旋加速器为辐射科学和技术在医疗方面的应用和研究搭建了非常好的平台。

20MW中国绵阳研究堆(CMMR)和60MW中国先进研究堆(CARR)促进了中子成像技术及应用的开发,并生产出多种医用和药用放射性同位素。

合肥同步装置、上海同步辐射光源等大型光源为辐射物理、辐射化学、材料科学、核医学、放射性药学等多学科的前沿基础研究,以及医疗诊断等技术的开发应用研究提供了强有力的手段。

表1 中国辐射科学研究相关的大型科研设施情况

2.2辐射化学新成果为辐射技术应用奠定了基础

中国于上世纪60年代起开展辐射化学及辐射加工技术研究,北京大学、中国科学技术大学、北京师范大学、上海大学、华东化工学院、中国科学院长春应用化学研究所、中国科学院上海应用物理研究所,中国工程物理研究院、中国原子能科学研究院等单位开展了相关研究。在辐射化学基础研究、高分子辐射化学与辐射加工及环境治理中的辐射化学等方面取得了一系列重要研究成果。为辐射交联电线电缆、辐射交联热缩材料、辐射交联发泡材料、聚合物基PTC材料、辐射交联橡胶微纳材料、辐射交联水凝胶辅料、辐射接枝电池隔膜、辐射聚合聚丙烯酸酯粘合剂、辐射降解聚四氟乙烯润滑剂、辐射降解天然高分子饲料添加剂等领域的工业应用铺平了道路。

2.3大型科研设施提供强大支撑

中国的电子辐照加速器技术起步于上世纪60年代,取得了长足的进步。电子辐照加速器装置数量增长迅猛,已具备相当规模,并以优异的性价比赢得欧美等国际市场的青睐。

电子辐照加速器技术研发取得长足进步

中国电子辐照加速器主要研制单位有10多家,成功研发了不同类型、多能量段的加速器数十种,基本满足国内需求。

工业用电子辐照加速器的研发和生产以1~5MeV的中能辐照电子加速器为主。其中,高频高压(地那米)型加速器为主要产品。近期研制成功的5.0MeV/30mA电子辐照加速器,能量和束流不稳定度小于3%;在3.0MeV至5.0MeV能量下扫描不均匀度小于10%,标志着中国已全面掌握了高频高压型加速器的核心技术。

以中科院上海应用物理研究所技术为依托的中广核中科海维科技发展有限公司(简称中广核中科海维)、中广核达胜加速器技术有限公司(简称中广核达胜)、无锡爱邦辐射技术有限公司(简称无锡爱邦)等都有多种类型的加速器提供。

绝缘芯变压器型中能电子辐照加速器的主要生产单位为中科院近代物理研究所,研发的DG系列无铁芯高压变压器型加速器,能量范围从0.3~2.5MeV,最强束流200mA,最大输出功率120kW,工作稳定,故障率低,电能转换效率高,深受用户好评。

能量大于5MeV的中国高能辐照电子直线加速器技术也取得了突破性进展。“S波段10MeV/20kW电子直线加速器”和“L波段10MeV/40kW工业辐照电子加速器”在2011年和2013年相继研发成功,为中国辐射材料改性、新材料研发制造、环境保护等领域的发展提供了更为有效的。

电子辐照加速器数量增长迅猛

专业化、规模化的电子辐照加速器生产基地初具规模,装备数量迅猛增长。如图3所示,中国加速器数量从2008年底的140台/套发展到现有的500余台/套(表2),占全球电子辐照加速器总量2000台的近1/4,总功率超过3.5万千瓦,占全球总功率8.0万千瓦的43.8%,年增长率在20%以上。国产加速器的国内市场占有率达到80%以上。

图3   中国电子辐照加速器发展的情况

表2  中国现有电子辐照加速器及科研生产单位

国产电子辐照加速器具备国际供货能力

国产电子辐照加速器性能得到国际认可,部分产品出口海外,其中最具代表性的是中广核技,旗下中科海维和达胜的加速器产品已出口海外18台,销往日本、韩国、印度、印尼、泰国、巴基斯坦等国,并于2016年2月成功进入美国市场。另一龙头企业无锡爱邦的产品也远销韩国、印度、土耳其、俄罗斯、印度尼西亚等国。

2.4大型科研设施提供强大支撑

钴-60源成功实现国产化

2010年,中国同辐公司成功掌握了完全自主知识产权的万居里级钴-60辐照源生产技术,形成了年产600万居里钴-60辐照源的能力,产品的各项技术指标和质量水平达到甚至超过了国外同类产品水平,可满足中国约75%的市场需求。

2016年,国产钴源实现销售收入2000万美元,中国同辐公司一举跃升为全球第三大工业钴源供应商,不仅占据了中国市场,还出口至巴基斯坦等国。在医用钴-60源开发方面,重水堆大批量生产医用钴-60于2017年3月获批,首批成品预计2019年上市。

γ辐照装置设计建造能力大幅度提升

γ辐照装置一直是是推动中国辐射科学和技术科研开发,进入产业化发展的主要力量。

相关科研生产单位,特别是北京三强核力辐射工程技术有限公司和北京核二院比尼新技术有限公司坚持自主创新,创造出四大类新的γ辐照装置,完成了三大国家强制性标准,使中国γ辐照装置的设计建造能力得到大幅度提升。成为国际承认的γ辐照装置政绩供货商。

为此, 北京三强核力辐射工程技术有限公司和北京核二院比尼新技术有限公司辐照所的创始人在2011年获得国际辐射加工最高奖--劳伦斯奖。

γ辐照装置和工业用加速器的发展速度在国际上被公认是世界上最快的。总设计装源能力超过1.7亿居里,实际装源量约7000万居里,占全球的23%。

2015年底,设计装源能力为30万居里以上的钴源辐照装置130多台,与2003年相比,装源量增长5倍多,占全球总量300台的40%。除了2台是进口装置之外,其余均为国产。主要用于食品辐照、中药辐照和医疗器械的辐照消毒灭菌以及部分材料改性。国产γ辐照装置的发展情况见图4。

图4 中国γ辐照装置的发展情况

2.5大型科研设施提供强大支撑

2008年至今,中国放射性同位素制备技术取得多项新进展,已具备几乎所有医用放射性同位素的制备能力。掌握了百万居里级钴-60同位素技术,具备了产业化的生产能力;建成了十居里级制备碘-125的间歇循环回路和居里级碘-123气体靶制备系统;建成高浓铀制备裂变同位素钼-99的平台,具备了医用同位素Mo-99mTc的规模化生产能力,产品质量与国际接轨,销售额超亿元人民币;形成了镥-177、铜-64和锗-68以及砹-211的批量生产能力。

中国早在80年代末就建立了较完整的同位素科研、生产供应体系。经过近30年的发展,技术能力和水平大幅度提升,建立了包括反应堆、加速器、放射性同位素研究生产设施等在内的完备的放射性同位素研制与生产平台,拥有近万人的科研生产队伍,在同位素制备、放射性药物研制领域均取得重大进展,2015年销售额突破5.8亿美元。

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