洛斯阿拉莫斯同位素生产设施投入试运行

【英国《国际核工程》2004年1月刊报道】
美国能源部部长宣布,美国最新的同位素生产设施已投入试运行。该设施位于洛斯阿拉莫斯中子科学中心,建造工作历时5年,耗资2300万美元。如果该设施能在未来几个月内投入满功率运行,将能保证短寿命医用同位素(例如铜-67、砷-73、锗-68和锶-82)的供应。该设施可生产30多种需求量大的同位素,并能在加速器持续运行时进行靶的插入和回取作业。

截至2012年3月12日,秦山三期核电站两台机组累计实现安全发电1000亿千瓦时,相当于为国家节约标准煤3200万吨,减排二氧化碳9900万吨,创造了良好的经济效益和环境效益!

【国际原子能机构网站2002年报道】
据美国核能研究院估计,2001年,放射性材料(不包括与核电相关的产品)的销售额为3307亿美元,日本为695亿美元。因为用于聚合的离子束处理和辐射加工的加速器技术在汽车轮胎和半导体工业中是关键的加工技术。
1. 研究堆
现在世界上有277座运行中的研究堆和多于17座计划中和建造中的研究堆。发达国家运行中的研究堆数目在1975年达到最高值,为328座,现在大约有192座。发展中国家的研究堆数目一直呈增长趋势,现在为85座。研究堆的用途从最初30年为核物理研究提供重要信息,支持核电发展转变到教育、材料研究开发和同位素生产。因为核能基础研究的需要在逐渐减少,大部分运行中的反应堆已经变为服务收费设施,主要工作是为多种用户进行放射性同位素生产、放射线照相、半导体掺杂和中子活化分析。同时这些研究堆还继续承担传统的教学和培训工作。
研究堆的设计是多种多样的,所使用的燃料元件类型也是多样的。现在世界上运行中的研究堆的热功率大部分在100
kW以下。如图1所示,在发展中国家,85座研究堆中的33座均在此范围内。图2表明发展中国家研究堆的堆龄分布。小型反应堆的堆芯不需要频繁换料,所以乏燃料的处置便显得不那么重要。为了减少并最终消除高浓铀在研究堆中的应用,美国建立了研究和试验堆燃料低铀化计划,这个计划自创建之始即得到了国际原子能机构的大力支持。现在俄联邦也是该项目的一个合作伙伴。
同位素生产主要在1
MW或功率更高的研究堆中进行。现在,世界上73座反应堆可以生产同位素,其中6座是高通量(>5×1014
n/cm2/sec)堆。一些动力堆也可以进行同位素生产(主要进行钴-60的生产)。图4表明经济合作与发展组织成员国和非成员国的同位素生产反应堆的功率分布。由图可看出,大约一半的反应堆功率在5
MW~30
MW之间,其中一半的寿期已超过35年,但30%已经进行了升级改造。澳大利亚和法国境内的两座反应堆将被关闭,新的反应堆将取而代之。加拿大计划新建一座高通量研究堆(3×1015
n/cm2/sec),预算费用为4.66亿美元,目的是用来进行材料研究。
随着研究人员继续使用具有最高中子注量的束流线和冷中子源,未来高品质研究堆的应用将非常广泛。许多中等性能的研究堆也可以进行一些专门的和地区性的研究,如半导体掺杂、模拟核动力堆工况的测试回路、同位素生产和中子活化分析等。同时,许多研究堆继续为核电站培训科技工作人员和工程师。一些老的反应堆将被关闭,许多已关闭的反应堆需要资金进行退役(如一座功率为1
MW的TRIGA反应堆需要100~200万美元的退役经费)。现在有9座反应堆处于建设中,多于8座的研究堆处于计划中,其中包括澳大利亚的一座多用途反应堆和德国的一座FRM
II反应堆(主要用于中子束研究)。加拿大新建的Maple反应堆主要用来生产同位素钼-99。
2. 加速器
尽管粒子加速器当初是用来进行核和粒子物理的研究,但是现在加速器被用于很多科技研究领域。现在全世界共有加速器约15000台。新加速器的安装速率为700台/年。图5为加速器的用途分类。由图5可看出加速器的主要应用于离子注入/表面加工和癌症的治疗。电子直线加速器广泛用来进行癌症的治疗,每年这种加速器可增加400~500台。电子加速器也可用于高等级聚合物工业,同时在医疗用品消毒、食品辐照方面的应用也越来越广泛。现在世界上有243台加速器用来生产同位素,其中211台位于OECD国家。这些加速器中56台用于普通的同位素生产,159台生产正电子发射断层技术用同位素,另外28台回旋加速器是多用途的。
高能电子加速器可作为同步光的光源。同步辐射方面的研究工作在过去20年中急剧增长,现在欧洲有5000名研究人员从事同步辐射方面的研究。世界容量由1970年的零增长到现在的200万束流线小时/a。1999年,世界上有45台加速器作为同步光源。另外有13台处于建造中,有19台处于设计和规划中。未来几年,发展中国家将至少有7台加速器运行,预计这些加速器将用于同步辐射。这些加速器主要用于生物科学研究,如了解基因和病毒的结构。
全世界大约200台加速器用来进行材料研究,另外,一些小型加速器系统可用来探测爆炸物和毒品。
展望未来,运行的加速器数目将稳步增长,应用领域将逐步扩展。这些有前途的领域包括开发新材料、环境污染研究、生物医学研究、地质学和考古定年学。加速器质谱学是现有的最灵敏的径迹分析技术。预计,未来AMS将广泛用于海洋学、古气候学和地下水文学进行径迹分析研究。
基于高能质子加速器的散裂中子源是加速器的又一个增长领域。预计,随着对强中子源的需求越来越大,散裂中子源的数目将不断增长。现在世界上处于运行中的散裂中子源有5台,另外还有3台处于建设和规划中。
3. 放射性同位素
在800种已知的放射性同位素中,有150多种可广泛用于各种用途。全世界有73座反应堆和243台加速器可生产这些同位素,生产的方法是辐照合适的靶件,然后在专用的放射化学设施中进行处理,制成具有多用途的成品。表1给出同位素及其主要用途。一些特定的放射性标记化合物可用于人体健康研究,这些化合物可集中于选定器官,帮助医生发现一些器官和骨骼中的病变或转移。基于放射性同位素的免疫方法可广泛用于测定血液和其他体液中激素和药品的浓度。同位素对医学研究也非常重要。大约30%的生物医学研究要使用同位素。美国食品和药物管理局批准的药物中的80%是通过使用同位素手段研究制成。展望未来,同位素对工业和卫生保健的影响将越来越大,随着全世界运行中研究堆数目的减少,同位素供应的可持续性和同位素的安全性将越来越受到关注。在可预见的未来,锝-99m在(成像领域仍将保持主导地位。分子生物学的发展将越来越关注同位素在疾病治疗方面的应用。急性白血病现在可以使用以放射性同位素(例如碘-131和铋-213治疗。另外,越来越广泛地用于疾病治疗的同位素是
钇-90。同位素钯-103的需求也非常旺盛,这种同位素可以用于治疗前列腺癌。铼-188也是一种非常有前途的同位素,尽管其生产难度较大。基于a和b发射体的放射性药物能够向癌组织投射比远距疗法高得多的剂量。常规外部照射治疗的上限为6000
rad,由放射性药物进行的目标治疗可达百万rad,并对胰腺癌这样的疾病是非常必要的。越来越多的a和b放射性同位素正在被用于治疗当中。
4. 核聚变
每年全世界用于聚变相关科学和技术研究方面的经费为15亿美元。商业聚变电站的最可能的燃料为比例是50∶50的氘氚混合物。因为这种混合物在最低温度发生聚变,所释放的能量较其他聚变反应都大。聚变能的另一个优点为资源丰富,尤其是氘,因为氘可以从海水中提取。
聚变反应物发生反应需要的反应温度大约为1亿℃(较太阳内部的温度还要高),在此温度下可以发生自持聚变反应,能量输出为能量输入的数倍,物质为等离子体态。这需要特殊的技术来对等离子体进行约束,因为没有什么材料可以承受如此高的温度。有3种方法可以实现等离子体约束:重力约束、磁约束和惯性约束。现在最成功的方法是使用托卡马克磁环,这种强磁场可以将圆环形的等离子体与反应堆的结构分开。在世界上许多国家运行着大约25座大型和中型的托卡马克。
现在大部分的实验和理论研究工作均集中于国际热核实验反应堆项目。国际热核实验反应堆项目基于托卡马克的概念,是一个国际合作项目。该项目的目的是研究等离子体的燃烧,并证明利用聚变产生电能是安全的,并且对环境非常有利。未来,聚变反应产生的高强度中子流可以用来燃烧长寿命裂变产物。最近ITER取得的成果包括完成了一座聚变反应堆的工程设计工作。这项工作由ITER联合组和ITER成员国(欧洲、日本、俄罗斯和美国)共同合作完成,国际原子能机构提供赞助。这种设计预计每个脉冲可产生500
MW的聚变能,并可持续数分钟。输出与输入能量的比率大于10。1992年开始的工程设计活动,在技术研发方面已经花费了8.3亿欧元。
为了共同合作完成ITER项目,已经开始进行政府间讨论,包括费用分担和场址选择。加拿大提供的一处场址位于安大略湖的达灵顿核电站附近,另外提供的场址还包括位于法国的卡达拉希,日本也提供了场址。预计ITER项目将耗资35亿美元,建造工作最早在2003年开始。
其他的等离子体约束方法也正处于研究中,包括非托卡马克磁性约束装置和惯性约束装置。最早的一个例子是仿星器项目,现在正在德国的Greifswald建造,将耗资3.25亿欧元。法国、日本和美国均在建造大型的惯性约束装置。例如正处于建造中的美国国家点火装置将花费数十亿美元,192束1.8
MJ的激光设施正由加利福尼亚的利弗莫尔实验室建造。