人类离不开的核技术应用

2022-07-25 13:32  来源:嘿嘿能源heypower    同位素  辐照  海水淡化  核工程与核技术  核能综合利用  核动力  核能制氢

20世纪50年代,第一座利用铀原子分裂产生热量发电的电站开始运行。今天,大多数人都已经意识到,核能在提供世界低碳电力中占很大比例,也做出了重要贡献。不过,核技术在民用电力之外的应用鲜为人知。放射性同位素、核电工艺热和非固定动力反应堆在多个部门都有重要用途,包括消费品、食品和农业、工业、医药和科学研究、运输、水资源和环境。


20世纪50年代,第一座利用铀原子分裂产生热量发电的电站开始运行。今天,大多数人都已经意识到,核能在提供世界低碳电力中占很大比例,也做出了重要贡献。不过,核技术在民用电力之外的应用鲜为人知。放射性同位素、核电工艺热和非固定动力反应堆在多个部门都有重要用途,包括消费品、食品和农业、工业、医药和科学研究、运输、水资源和环境。

1、放射性同位素


玻尔(左一)乔治·德·海维西(右一)

同位素的原子核具有相同数量的质子,但中子数量不同。

有些同位素较为“稳定”,随时间不发生变化。另一些 “不稳定”或具有放射性,因为原子核随着时间的推移会随着α和β粒子的丢失而变化。

这就称为“放射性同位素”,自然衰变原子的属性,使这些原子在现代生活的许多方面有了多种应用。

1911年,匈牙利人乔治·德·海维西(George de Hevesy)首次实际应用放射性同位素。

当时,德·海维西是一名年轻的学生,在曼彻斯特工作,研究天然放射性物质。由于没有太多的钱,他住在简陋的住处,由房东太太提供餐食。

在吃了几次后,他开始怀疑,一些经常出现的饭菜可能是用前几天甚至几周的剩菜做的,但他也不能确定。为了证实他的怀疑,德·海维西在一顿饭的残留物中加入了少量放射性物质。

几天后,当同一道菜再次上菜时,他用一种简单的辐射检测仪器——金叶验电器——来检查食物是否有放射性。

是的,德·海维西的怀疑得到了证实。

历史已经忘记了房东夫人,但乔治·德·海维西在1943年获得了诺贝尔奖,1959年获得了原子和平奖。

他第一次使用了放射性示踪剂——现在已成为环境科学常用工具。

2、同位素供应

主要同位素供应商为马林克罗特制药公司(Mallinckrodt Pharmaceuticals)(爱尔兰)、MDS Nordion(加拿大)、IRE(欧洲)、NTP(南非)、Isotop-NIIAR(俄罗斯)和澳大利亚核科学技术组织(ANSTO)(澳大利亚)。

核反应堆中制造的大多数医用放射性同位素,来自相对较少的研究反应堆,包括:

荷兰佩腾的HFR(通过IRE和Mallinckrodt提供);

比利时Mol的BR-2(通过IRE和Mallinckrodt提供);

波兰的Maria(通过Mallinckrodt提供);

法国萨克雷的Orphee(通过IRE提供);

德国尤利希的FRJ-2/FRM-2(通过IRE提供);

捷克共和国Rez的LWR-15;

中国成都的HFETR;

南非Safari(由NTP提供);

澳大利亚OPAL(由ANSTO供应至国内市场,2016年出口);

埃及ETRR-2(即将上市:供应国内市场);

俄罗斯的Dimitrovgrad(Isotop-NIIAR)。

在裂变放射性同位素中,绝大多数需求是钼-99(Tc-99m),世界市场每年约5.5亿美元。

其中约40%由MDS Nordion提供,25%由Mallinckrodt(前Covidien)提供,17%由IRE提供,10%由NTP提供。

超过一半的钼-99是在两个反应堆中生产的:加拿大的NRU(30-40%,但于2016年10月停止生产)和荷兰的HFR(30%)。其余来自比利时的BR-2(10%)、波兰的Maria(5%)、南非的Safari-1(10-15%)、澳大利亚的Opal(从2016年年中增加到20%),直到2015年底,法国的Osiris(5%)。

由于维护计划的不同,每个系统的产量也不同。

俄罗斯渴望增加其在世界供应中的份额,2012年,其放射性同位素生产的66%左右出口。

对于碘-131,75%来自IRE,25%来自NTP。

2012年,全世界对钼-99的需求量为23,000 TBq,但从那时起,需求量明显下降到19,500左右。

钼-99主要由核研究反应堆中的铀-235靶裂变产生,其中大部分(2016年为75%)使用高浓缩铀靶。

然后对靶进行处理以分离钼-99并回收碘-131。

OPAL、Safari和越来越多的其他反应堆(如Maria)使用低浓缩铀(LEU)靶,这将增加约20%的生产成本。

然而,在医学成像中,钼-99本身的成本相对于医院成本而言很小。

钼-99也可以通过在反应堆中用中子轰击钼-98来制造。然而,这种活化钼-99的活度相对较低,最大为74 GBq/g(取决于反应堆中可用的中子通量),而传统裂变产生的钼-99的比活度为185 TBq/g或更高。

3、食品和农业中的放射性同位素

IAEA总干事格罗西访问太平洋共同体太平洋作物和树木中心(SPC),
IAEA和FAO正在那里与实验室合作,通过一种称为突变育种的核技术提高作物对气候变化的适应能力。(图源:D.Candano/IAEA)

联合国粮食及农业组织(FAO)估计,2014-2016年,约有7.95亿人(九分之一)患有慢性营养不良。

食品和农业中使用的放射性同位素和辐射正在帮助减少这些数字。除了直接改善粮食生产外,农业还需要长期可持续发展。

FAO与国际原子能机构(IAEA)合作,在核技术和相关生物技术的协助下,实施提高粮食可持续性的项目。

植物突变育种

植物突变育种是将给定植物的种子或插条暴露于辐射(如伽马射线)以引起突变的过程,然后培养辐照材料以产生植株。

如果植株表现出所需的性状,则对其进行选择和繁殖。标记辅助选择(或分子标记辅助育种)过程用于基于基因识别所需性状。

辐射的使用从本质上增强了自发基因突变的自然过程,大大缩短了所需的时间。

利用植物突变育种的国家经常实现巨大的社会经济效益。

在孟加拉国,通过诱变育种生产的水稻新品种在过去几十年中作物产量增加了三倍。

在人口快速增长的时期,核技术的使用使孟加拉国和亚洲大部分地区能够实现粮食安全和改善营养。

化肥

化肥价格昂贵,如果使用不当,可能会破坏环境。

用特定同位素(例如氮-15)标记肥料,可以确定植物吸收了多少,从而更好地管理肥料的使用。尽可能多的肥料被“固定”在植物物质中,并将最低限度的肥料流失到环境中。

昆虫控制

作物因昆虫造成的损失估计各不相同,但通常意义重大。

尽管广泛使用杀虫剂,但全球损失可能达到10%左右,在发展中国家往往更高。

减少农业中昆虫的方法,使用转基因作物,可以使用更少的杀虫剂。另一种方法是昆虫不育技术。通过辐射造成昆虫不育技术(SIT)用于控制昆虫种群。

SIT涉及饲养大量通过辐射(伽马射线或X射线)灭菌的昆虫,并将其引入自然种群,不育昆虫仍然具有性竞争,但不能产生后代。

SIT技术是一种环境友好型技术,即使在大规模施用农药失败的情况下,也已证明是一种有效的害虫管理手段。

《国际植物保护公约》承认SIT的好处,并将该种昆虫归类为有益生物。

SIT最早在美国开发,已经成功使用了60多年。

目前,SIT应用于六大洲。自引入以来,SIT已成功控制了许多知名昆虫的种群,包括蚊子、蛾、螺旋虫、舌蝇和各种果蝇(地中海果蝇、墨西哥果蝇、东方果蝇和甜瓜蝇)。

SIT最近一次引人注目的应用是在巴西和更广泛的拉丁美洲和加勒比地区抗击致命的寨卡病毒。

三个联合国组织——IAEA、FAO、世界卫生组织(WHO)——以及相关政府正在许多国家推广新的SIT项目。

4、消费品和食品

许多常见消费品依赖于少量放射性物质使用。烟雾探测器、钟表和不粘材料等都在其设计中利用了放射性同位素的自然特性。

如今,放射性同位素最常见的用途之一是在家用烟雾探测器中。其中含有少量镅-241,这是源自核反应堆钚-241的衰变产物。

镅-241发射α粒子,使空气电离,并在两个电极之间产生电流。

如果烟雾进入探测器,它会吸收α粒子并中断电流,从而触发警报。

食品辐照

大约25-30%收获的食品在食用前因变质而损失。这个问题在炎热潮湿的国家尤为普遍。

食品辐照是将食品暴露于γ射线下,以杀死可引起食源性疾病的细菌,并延长保质期的过程。世界各地越来越多地使用辐照技术来保存食品。

全世界有60多个国家出台了允许在食品中使用辐照的法规。

除了抑制腐败外,辐照还可以延缓水果和蔬菜的成熟,使其具有更长的货架期,并有助于控制害虫。

它控制害虫和缩短所需检疫期的能力,是许多国家采用食品辐照做法的主要因素。

5、工业示踪剂和仪器

放射性同位素被制造商用作示踪剂,用于监测流体流动和过滤,检测泄漏,并测量发动机磨损和工艺设备的腐蚀。

在环境中没有残留的同时,可以检测到少量短寿命同位素。

通过向各种工艺中使用的材料中添加少量放射性物质,可以研究各种材料(包括液体、粉末和气体)的混合和流速,并确定泄漏位置。

检查和仪器

放射性材料用于在一些行业中检查金属零件和焊缝的完整性。

例如,新的石油和天然气管道系统是通过将放射源放置在管道内和焊缝外的薄膜来检查的。

在所有必须检查气体、液体和固体水平的行业中,广泛使用含有放射(通常为伽马)源的仪表。

它们测量材料中吸收的辐射源的辐射量。当热量、压力或腐蚀性物质(如熔融玻璃或熔融金属)导致无法或难以使用直接接触式仪表时,这些仪表最为有用。

使用放射性同位素精确测量厚度的能力广泛用于生产板材,包括金属、纺织品、纸张、塑料等。

6、碳定年和海水淡化

碳定年

马耳他文物局负责保护该国所有具有文化价值的文物。
马耳他文物局越来越多地转向辐射技术,既可以分析古代文物,又可以保护文物。(图源:Heritage Malta)

分析特定天然放射性同位素的相对丰度,对于地质学家、人类学家、水文学家和考古学家等测定岩石和其他材料的年龄至关重要。

海水淡化

饮用水是可持续发展的主要优先事项。如果无法从溪流和含水层中获得,则需要对海水、矿化地下水或城市废水进行脱盐。

如今,大多数海水淡化都使用化石燃料,因此导致温室气体排放量增加。

综合核海水淡化厂的可行性已被150多年的反应堆经验证明,主要在哈萨克斯坦、印度和日本。

在商业基础上大规模部署核脱盐,并主要为此目的建造反应堆,这将取决于经济因素

7、医学

辐射和放射性同位素在医学中已经广泛使用,特别是在各种疾病的诊断(鉴定)和治疗(治疗)中。

在发达国家,每年约50人中有一人使用诊断性核医学,放射性同位素治疗约为这一数字的十分之一。

诊断

放射性药物是指含有少量放射性同位素的药物,用于诊断和治疗疾病,
需要在仔细控制的条件下生产,并在给患者服用之前进行质量测试。(图源:S.Slavchev/IAEA)

核医学中的诊断技术使用从体内发射伽马射线的放射性药物(或放射性示踪剂)。

这些示踪剂通常是短命同位素。根据检查类型,放射性示踪剂要么注入体内,要么吞咽,要么以气体形式吸入。

放射性示踪剂的发射由成像设备检测,成像设备提供图像和分子信息。

核医学图像与计算机断层扫描(CT)或磁共振成像(MRI)扫描的叠加,可以为医生提供全面的视图,以帮助诊断。

与X射线技术相比,核技术的一个优点是可以非常成功地对骨骼和软组织进行成像。

最广泛使用的诊断放射性同位素是锝-99m,其半衰期为6小时,给患者带来非常低的辐射剂量。

这种同位素非常适合追踪许多身体过程,同时尽量减少患者的不适感。

它们广泛用于指示肿瘤,并研究心脏、肺、肝脏、肾脏、血液循环和体积以及骨骼结构。

治疗

核医学也用于治疗。最常见的是,少量使用放射性碘-131治疗癌症和其他影响甲状腺的疾病。

放射性同位素在治疗中的应用相对较少,但很重要。癌细胞生长对辐射损伤很敏感,辐射可能是外部的(使用钴-60源的伽马射线),也可能是内部的(使用小型伽马或β辐射源)。

短程放射治疗被称为近距离治疗,已成为主要的治疗手段。许多治疗程序通常是为了缓解疼痛。

靶向α治疗(TAT)是一个新的领域,特别是用于控制分散的癌症。

组织中高能α辐射的短程意味着,一旦载体(如单克隆抗体)将发射α的放射性核素精确地带到正确的位置,辐射能量的很大一部分就会进入靶向癌细胞。

消毒

医院使用伽马辐射对医疗产品和用品进行消毒,如注射器、手套、衣物和器械,高温消毒容易造成损坏。

今天,许多医疗产品都是用钴-60源的伽马射线进行灭菌的,这种技术通常比蒸汽热灭菌更便宜、更有效。一次性注射器是伽马射线灭菌产品的一个例子。

由于这是一个“冷”过程,辐射可用于消毒一系列热敏物品,如粉末、药膏和溶液,以及用于组织移植的生物制剂,如骨、神经、皮肤等。

辐射灭菌对人类的好处是巨大的,更安全、更便宜,因为它可以在物品包装后完成。如果包装没有破损,那么物品的无菌保质期实际上是无限期的。

除注射器外,经辐射灭菌的医疗产品还包括棉花、烧伤敷料、手术手套、心脏瓣膜、绷带、塑料和橡胶板以及手术器械。

8、能源运输

核动力船舶

核能这种清洁动力特别适用于需要在海上长时间不加油的船舶,或用于强大的潜艇。

大约140艘由小型核反应堆提供动力的船舶中,大多数是潜艇,但应用范围从破冰船到航空母舰不等。

外太空探索

使用隔离式光电管热发电机(RTG)的核反应堆,放射源衰变产生热量,通常是钚-238,用于发电。

旅行者号太空探测器、卡西尼号土星探测器、伽利略号木星探测器和新视野号冥王星探测器均由RTG提供动力。

勇气号和机遇号火星探测器混合使用了太阳能电池板发电和RTG供热。

最新的火星探测器“好奇号”要大得多,由于太阳能电池板无法提供足够的电力,它使用RTG进行加热和供电。

9、其他

核能制氢


高温气冷堆碘硫循环制氢原理

在未来,核电站的电或热可以用来制造氢。氢可以用在燃料电池中为汽车提供动力,也可以燃烧以代替天然气提供热量,而不会产生会导致气候变化的排放物。

水资源与环境

据估计,到2025年,海洋中每三吨鱼将含有一吨塑料,到2050年,海洋中的塑料可能比鱼多。(图源:Naja Bertolt Jensen/Unsplash)

环境示踪剂放射性同位素在检测和分析污染物方面发挥着重要作用。

核技术已被应用于一系列污染问题,包括烟雾形成、大气中的二氧化硫污染、海洋排污口的污水扩散和石油泄漏。

水资源

饮用水对生命至关重要,然而,在世界许多地方,淡水一直稀缺。

同位素水文学技术能够准确追踪和测量地下水资源的范围。这些技术为管理和保护现有供水以及识别新水源提供了重要的分析工具。

它们测得有关地下水的来源、年龄和分布,以及地下水和地表水之间的相互联系,以及含水层补给系统的问题。结果允许对这些水资源进行规划和可持续管理。

对于地表水,可以提供有关大坝和灌溉渠道渗漏、湖泊和水库动态、流速、河流流量和沉积速率的信息。

中子探测器可以非常准确地测量土壤湿度,从而更好地管理受盐度影响的土地,尤其是在灌溉方面。

野生资源保护

白俄罗斯Polesie国家辐射生态保护区的麋鹿幼崽,一个新的IAEA协调研究项目(CRP)旨在
改进关于陆地生物群剂量测定的科学建议,并促进环境保护。(图源:M.Kudin)

Rhisotope项目正在调查放射性同位素在预防犀牛偷猎中的应用。

威特沃特斯兰德大学与澳大利亚核科学技术组织(Ansto)、科罗拉多州立大学、Rosatom和南非核能公司(Necsa)合作,正在研究向犀牛角注入微量稳定同位素的可能性,制止偷猎,增加识别和逮捕走私者的机会。

2021年,该项目启动时,Rosatom表示:“全球各入境口岸安装了10,000多台辐射检测设备,专家们相信,该项目将使犀角等违禁品运输变得异常困难,并将大大增加识别和逮捕走私者的可能性。”



图为技术

深圳核博会

中国核电网


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