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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(下)

发布:2020-06-05 10:23:47     来源:中国核能行业协会

中国民用核技术发展现状与前景(下)

03核技术在工业中的应用

3.1工业应用

辐射加工

中国辐射加工产业经过半个多世纪的发展形成了庞大的辐射加工产业,年增长率保持在15%左右。辐照材料改性、医疗卫生用品辐照灭菌等辐射加工服务以及辐射技术装备领域实现了产业化发展。其中,辐照材料改性产业化程度最高,医疗保健产品灭菌发展迅速。

表3  辐射加工产业分布情况            (单位:亿美元)

(1)辐照材料改性产业化程度最高

中国材料改性产业已经非常成熟,是产业化程度最高的工业应用,已经形成了以辐照交联线缆和热缩材料及制品为主,半导体改性材、发泡材料、膜材料、涂料、超吸水材料、新型复合材料逐步上规模的产业格局。2015年,材料改性产值72.1亿美元,其中线缆和热缩材料占70%以上的份额。国内用于线缆辐射加工的电子加速器200余台,总功率接近15000kW。用于热缩材料的辐射加工的电子加速器40余台,总功率约为3000kW左右。仅辐射交联电线电缆一项,年产值已超过40亿美元。最主要的生产商有沃尔核材料、中广核达胜、上海长园电子材料有限公司、无锡爱邦等。

(2)医疗保健产品灭菌发展迅速

中国医疗器具辐照灭菌近年来也得到迅速发展,已广泛用于卫生材料、医用乳胶手套、一次性使用医疗器械、药品包装材料、医疗保健产品及药械组合产品、疫苗和组织库的辐照等领域,成为中国辐射加工发展最快的领域。目前中国从事医疗器械灭菌的运营单位都获得TUV或相关第三方认证公司的认证,部分获得FDA的注册号,相关标准日益完善。

据统计,中国目前每年共有约75万立方的医疗器械采用辐照灭菌,年产值约为26亿美元。即便如此,辐照灭菌的医疗器械量仅占总量的10%左右。与欧美发达国家医疗器械消毒灭菌中60%左右使用辐射法相比,发展潜力巨大。

工业无损检测应用

中国工业无损检测装置近年来的发展成果以工业CT为代表,整体技术水平大幅度提高,应用日益广泛。在高能X射线工业CT检测方面,中国已能完全自主开发和生产2~15MeV的工业CT/DR系统,形成了以同方威视、重庆大学等多家单位为技术核心的工业CT系统开发和制造企业。

中国工程物理研究院的6MeV高能CT检测系统,空间分辨率可达2.0Lp/mm,密度分辨率0.8%,同方威视高能工业CT,主要技术指标:射线能量2~15MeV,密度分辨率0.3%~1%,空间分辨率1~2.5Lp/mm。

在低能X射线工业CT检测方面,中国工程物理研究院450kV双源双探测器工业CT系统在常规CT模式下,空间分辨率达到3.0Lp/mm,密度分辨率达到0.8%。在显微CT模式下,最大放大比可达400倍,细节分辨力为1μm;

重庆大学CD系列低能工业CT系统具有检测精度高、检测速度快等特点,射线源能量20~450kV,空间分辨率1~3.0Lp/mm,密度分辨率优于0.2%。

3.2大型科研设施提供强大支撑

经过近60年的发展,核农学已广泛应用于植物辐射诱变育种、农产品辐射加工、农业核素示踪、昆虫辐射不育等领域,对中国农业生产发展和农业科学技术进步产生了深刻的影响,已经成为改造、革新传统农业和促进农业现代化的重要科学技术。

辐射育种取得显著成绩

中国在粮食作物辐射诱变育种方面取得了显著成绩,在45 种植物上育成800多个突变品种,占世界辐射诱变育成品种的26.85%,成为名符其实的核农学大国。在全国作物耕种面积中,辐射诱变育成的品种占到二成。育成的突变品种最高年种植面积在1.3 亿亩以上,每年为国家增产粮食35~40亿公斤。辐射诱变育成的油料作物每年产量10多亿公斤,年产值约为14.4~17.3 亿元。

航天诱变育种研究在空间环境的诱变机理和新品种选育方面也取得重要进展。17次太空搭载和2006年9月9日第一颗星都选育出一批优异新种质、新材料,包括水稻、小麦、番茄、青椒和芝麻等26个农作物新品种。

农产品、食品辐射加工量占全球一半

中国农产品、食品辐照的基础研究、辐照品种、辐照数量、法规体系建设和产业化应用等方面取得了多项新进展,已在抑制农产品发芽、杀虫、防霉以及保障农产品食用安全性等方面,发挥出了重要和不可替代的作用。根据相关统计,2015年辐照量超过40万吨,占全球总量70万吨的一半以上,年产值超过26亿元。

但目前中国辐照农产品年加工量仅为农产品总量的万分之一,加工潜力颇大。中国已经制定和发布辐照食品卫生标准和工艺标准,确保辐照食品的安全.此外,农业核素示踪已广泛应用于农业生产,包括农产品原产地同位素溯源、农产品污染物溯源等研究领域。

重离子辐照诱变在生物农业中的应用

中科院近代物理研究所利用兰州重离子加速器提供的12C6+,36Ar18+离子束对玉米自交系种子进行辐照试验,发现重离子辐照能产生多种有益突变体,有利于品种改良和种质创制,是玉米遗传性能改良的一种有效手段。

2003年育成的小麦新品种陇辐2号,增产12%,推广面积,达到800余万亩,成为河西走廊地区小麦主栽品种之一。

3.3医学领域应用

国产医疗设备取得新突破

(1)医用直线加速器增幅明显。中国医用直线加速器增幅较大,从1986年的71台到2015年的1931台,增长26倍,2006年以来数量翻了一翻(图5)。中国在医用加速器研制生产上发展迅猛。在粒子直线加速器,磁控管和新加速器研制上也取得了明显的进步。可稳定运行在2.8兆瓦的磁控管比同型号国际产品功率更高;X波段医用加速管和6MV/0.7MV的同源双束加速器也已面世。

 

图5 1986~2015年我国医用直线加速器的增长情况

(2)质子和重离子治疗加速器取得重要进展

质子和重离子治疗技术取得重要进展,强流质子回旋加速器等指标和性能优越,使中国成为少数拥有新一代放射性核束加速器的国家,是中国医疗发展特别是肿瘤治疗水平的重要标志。

继重离子束辐射癌症治疗2006年12月进入临床研究阶段并收到显著疗效后,中国已成为国际上第4个有能力进行重离子治癌临床研究的国家。

在质子治疗方面,中国已经掌握了回旋加速器核心技术,研发出了具有自主知识产权的100MeV回旋加速器,生产出了PET医用回旋加速器样机,并将实现产业化;230MeV质子治疗专用加速器已完成关键技术研发,进入整机研制阶段,预计两年内可具备应用条件。

(3)国产医学影像诊断设备得到国际同行认可

国产医学影像诊断设备近几年异军突起,上海联影生产的医学影像诊断新品——112环数字光导PET-CT、动态多极3.0TMR、实时多维全息mrCT,得到国际同行认可。112环数字光导PET-CT以其高灵敏度、高分辨率、大轴向视野,使得用药量比传统产品减少一半,检查时间缩短一半以上。112环数字光导PET-CT与将要推出的一体式全数字PET-MR作为无创伤性高性能影像诊断设备,可提供详尽的功能与代谢等分子层面信息,有望将精准诊断推向全新的高度。

上海联影以其卓越的研发能力赢得美国顶尖分子影像团队“探索者”联盟的青睐,其近期将携手联影,打造世界首台全景扫描PET-CT“探索者”,以40倍于传统PET设备的灵敏度与颠覆性的实时全身动态扫描技术呈现人体内所有器官的动态代谢过程。

(4)国产放疗设备治疗率大幅提高

国产放疗设备,包括医用加速器以及一些放疗辅助设备均取得重大进展。例如,上海联影自主研发的CT影像引导直线加速器(uRT-linac506c)(图6)采用了首次采用了CT-Linac一体化技术,直线加速器机架后集成了一台16排诊断CT,达到了放疗IGRT高清化和低剂量化,提高了临床精度。506c内置自主研发的120片多叶准直器配合驻波加速管,治疗束能量6MeV,剂量率1400MU/min,治疗效率大幅提高。

图6 联影uRT-linac506c

一些放疗辅助设备,如CT模拟定位机、三维远/近治疗计划系统、X-刀和后装治疗机等放疗设备研发进展顺利,攻克了一大批关键技术,取得了一批具有自主知识产权和重要市场应用价值的成果。

如苏州雷泰医疗科技有限公司生产的基于等中心下2mm薄叶片的电动多叶准直器系统(MLC),基于154μm分辨率的a-Si高能影像引导系统(MVIGRT)和基于GPU加速的Monte Carlo放疗计划系统(TPS)等产品已远销美国、欧洲、亚洲和拉丁美洲等数十个国家和地区。

医学领域应用全面拓展

中国核医学显像诊断和治疗技术发展迅速,全面拓展,形成了完整的临床应用体系。根据中华医学会核医学分会2016年发表的《全国核医学现状普查结果简报》统计,截至2015年12月31日,全国SPECT和符合线路SPECT数量超过600台,PET和PET/CT258台,核医学显像诊210万人次/年,诊断费用近7.2亿美元。

在核医学治疗方面,中国的肿瘤治疗机构在过去的30年里大幅增长,从1986年264家增长到2015年的1413家,详见图7。中国放疗市场由2008年的8.4亿元增长至2015年的38.8亿元,年复合增速为24.42%,且放疗市场增长呈现加速迹象。

图7 我国放射医疗单位增长的情况

3.4公众安全应用

在公众安全领域,X射线、γ射线、中子等探测技术已广泛地应用于航空、铁路、海运、公路等边境口岸的客运和货运安全检查中。近年来发展起来的核磁共振、核四极共振和宇宙线μ子散射等“指纹式”高精度检测技术应用前景也十分看好。大型集装箱/车辆检查系统等安检设备赢得了良好的国际声誉。

大型集装箱/车辆检查系统享誉海外

威视的大型集装箱检测系统采用先进的X射线成像或快中子/交替双能X射线成像技术,可以近似的确定材料的质量吸收系数和有效原子序数,具有强大的物质识别能力以及优质的扫描图像(图8),连续4年占据国际市场份额第一位,2015年国际市场占有率达到31.6%。该系统多次参与世界重要活动,服务于首脑峰会、奥运会、世博会、博鳌亚洲论坛年会等多项国际重大活动的安保工作,装备到全球140多个国家的海关和边防口岸。

图7 我国放射医疗单位增长的情况

国产CT型行李/物品检查系统(图9)融合了双能材料识别技术和螺旋CT扫描技术等尖端科技,可分别获取彩色高清三维图像、切片图像和透视图像,探测固体爆炸物/液体爆炸物/毒品/检疫性违禁品等多种类型的违禁品,实现自动报警,检出率更高,误报率更低。

图9  双能螺旋CT技术带来高清晰的彩色三维图像、
切片图像和透视图像

3.5环保领域的应用

除了在医学、工业、农业和公众安全领域的广泛应用,近年来核技术在环保领域的应用也在逐步拓展,已经应用到环境污染监测和三废处理中。

中国第一个电子束辐射处理烟气废气示范工程建于成都;利用电子加速器处理工业废水步入产业化的初级阶段,示范工程针对生物处理后的废水进行深度处理,实现高标准直接排放,规模为2000 m3/d,印染废水经过生物处理后,COD为150mg/L~250mg/L,色度32~64倍。再经过电子束辐照深度处理以后,COD为25mg/L~50mg/L,色度2~8倍。连续运行结果表明处理效果稳定,满足严格的排放要求。

最新研制的2000m3/d的印染废水深度处理示范装置已在浙江投入试运行,可使废水的COD从200mg/L降至60mg/L以下,出水色度低于10倍,处理费用为2.45RMB/m3,出水水质满足当地直排标准。

国内外长期的研究和实践证明,通过电子束对废水进行辐照处理,能够高效去除废水中的多种污染物,在难降解废水预处理及深度处理等领域具有独特的优势,被国际原子能机构(IAEA)列为“21世纪原子能和平利用的主要研究方向之一”。示范工程-电子束深度处理印染废水-运行效果见图10。

表4  GB4287-2012纺织染整工业水污染物排放标准

水处理电子加速器           印染废水处理前后外观对比
图10  示范工程-电子束深度处理印染废水-现场实况

04中国民用核技术发展的前景

4.1需求牵引前景广阔

传统技术的升级改造和人民生活水平的提高在很大程度上和核技术发展紧密相关,中国有三分之一的行业与核技术紧密相关。

正如IAEA 2009年核技术评价报告所指出的:“就应用的广度而言,只有现代电子学与信息技术才能与之相提并论。

”辐射科学和技术的这种高度渗透性、产业关联性及其本身的技术优势为其发展提供了广阔空间,以美国为例,该应用领域的年产值占GDP比例达3%~4%,日本和欧洲约为2%~3%,而中国仅为0.3%。与发达国家相比,中国核技术应用产业发展潜力巨大,前景广阔。

4.2要在传统技木的升级改造中发挥作用

核技术的许多应用在很多情况下是运用它本身具有的特点和特有的能力,去解决其它领域或学科中的需求和问题。这就要求核技术的科技工作者要跨出自已的领域去和其它领域工作的专家相结合,一方面把核技术运用在那些领域中,另一方面要把其它领域的先进东西(如信息技术,大数据,人工智能等)学习过来,以进一步发展和提高核技术。

4.3坚持自主创新的精神

中国民用核技木60多年发展的历程也就是坚持自主创新发展的历程,核工业部门,中科院,高校在核科学与技术上所建立起来的设备装置,尤其是一些大科学工程装置,国内研发加工的制造业技木和能力都为未中国核技术自主创新发展创造了很好的基础。

4.4鼓励民营资本和企业加入核技术应用市场

核技术应用投资规模一般不太大,建设周期比较短,收效比较快,绝大部分都是中小企业,应鼓励民营企业家积极加入,並给以优惠政策。

4.5加强政策保障和资金支持

我国政府相继出台了多项促进民用核技术应用发展的政策和法规,持续推进民用核技术应用的健康发展。

2015年,国家“十三五”规划将核技术纳入加强前瞻布局的战略性新兴产业。国家《“十三五”国家战略新兴产业发展规划》提出超前布局战略性产业,在核技术等核心领域取得突破。加快发展非动力核技术,支持发展离子、中子等新型射线源;研究开发高分辨率辐射探测器和多维动态成像装置;发展精准治疗设备、医用放射性同位素、中子探伤、辐射改性等新技术和新产品;持续推动核技术在工业、农业、医疗健康、环境保护、资源勘探、公共安全等领域应用。未来,在我国实施创新驱动战略的背景下,要进一步加大对原始创新的支持力度,持续增加对辐射科学基础研究的投入,进而促进核技术应用产业的标准化、集约化与国际化。

05结束语

核技术行业经过几十年的发展,已达到年产值432.5亿美元的规模,涉及20多个行业领域。

作为国家重点支持的战略性新兴产业,核技术本身在不断发展,应用领域的范围也在不断扩大。在国家力推“核电出海”和中国核电建设快速发展的背景下,与其密切相关的核技术应用将随着国民对核科技认知的不断提升,逐步渗透到经济社会的更多领域,迎来跨越式发展。

在政府的大力推动和业界的不懈努力下,中国核技术有望被打造成为继核电之后,中国核技术“走出去”的第二张“国家名片”。(文章刊载结束)

注:本文系作者2018年10月17-19日在中国国际核技术应用产业大会(广东东莞)的演讲稿,本文有删节。文章主要基于中国同位素与辐射行业协会2018年学术年会上的报告《中国民用核技术(辐射科学和技术)应用现状与趋势》。

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