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核技术在国民经济发展中应用前景广阔

核技术在国民经济发展中应用前景广阔
时间: 2005-3-17 12:37:36 作者: 王乃彦

　　当前，核技术应用已在国防现代化建设、工业、农业 (含粮食)、生命科学、材料科学、信息科学、环境保护和人民健康等方面发挥着重要作用。但与国外比，我国核技术应用情况存在着明显差距。

　　据统计，美国和日本的国民经济总产值中，核技术的贡献约占3-4%。美国核技术产生的年产值约为3500亿美元 (其中核能部分约占20%，非核能部分约占80%)，日本约为1500亿美元 (核能和非核能各占一半)。如果我国也按3-4%的比值测算，核技术应用的年产值应达到3000-4000亿人民币。这与我国当前核技术应用的产值相比，差约一个数量级。据不完全统计，我国核技术应用产业为386亿人民币 (其中核能约86亿，非核能部分约为300亿)。这说明，我国核技术应用，有着一个很大的市场和很好的发展前景。因此，我们应大力发展核技术，加速推动其应用。

　　一、 核技术在信息、微电子学、半导体材料、材料改性等方面应用广泛

　　射线束加工是注入离子束或中子束于材料的表面以改变固体表面层的性质。用12Mev电子加速器对硅整流器件 (可控硅)的辐射改性已经得到了广泛的应用；用金属离子源 (MEVA) 注入到材料表面，增强材料表面的力学强度和耐摩擦性等已广泛地应用于刀具加工；汽车工业与航空航天工业，在核反应堆上运用中子嬗变掺杂 (NTD) 制造的N型高阻硅，电阻率已达30kΩ/cm以上，少子寿命可达到1000μs，均匀性好，成品率高，适宜于制备优质高阻材料。

　　在七十年代，离子注入已成为微电子线路加工的手段之一，八十年代该技术应用于超大规模集成电路制备，离子束刻蚀相对于光束和电子束刻蚀具有分辨率高 (可以达到0.01μm)，曝光时间短的优点。由于器件的尺度要求愈来愈小，芯片加工过程中能量的积聚要求愈来愈小，用低温等离子体刻蚀方法取代高温沉积法，成为大规模集成电路生产精细图案高保真转移的唯一经济可行的办法。现在微电子工业的全球销售额已达1600亿美元，其中三分之一的微电子器件设备采用等离子体技术处理，以“奔腾”芯片为代表的半导体微处理器的复杂生产过程中的三分之一和等离子体技术有关。

　　目前，全世界用于集成电路生产方面的离子注入机就有3000多台。离子束注入半导体的年产值，全世界为1000亿美元。美国为600亿美元 (美国核电产值每年为700亿美元)，我国为200亿人民币，预计本世纪将会有更大的发展。

　　把氧离子注入到半导体硅片上，在很薄的单晶硅层下，形成绝缘的SiO2层，这种半导体材料称为SOI (Silicon on Insulator)。它具有功耗小、时间响应快、体积小等优点，在军用和民用上都有很好的发展前景。

　　二、辐射加工作为原子能工业的轻工业在世界各地发展迅速

　　辐射加工在世界各地发展迅速，并形成产业，年产值约为200亿美元，每年以百分之二十左右的速度增长，年总产值占国民经济总产值的千分之一左右，用于辐射加工的电子加速器超过1000台，其总功率为45MW，Co60放射源的辐照装置多于200座，强度已达一亿居里。

　　与辐射加工有关的反应是辐射交联、辐射固化、辐射接枝和辐射裂解。主要是高分子化合物的辐射化学反应过程，由于受辐照时发生化学反应量，在很宽的温度和剂量率范围内正比于吸收剂量，因此较容易做到控制聚合物中发生化学和物理变化的程度。一般来说，高分子化合物的相对质量为105以上，而在每一个高分子化合物中，平均只要有一个化学键发生了交联或解裂，就会对其物理性质产生重要的影响，而所需的辐照剂量并不大。

　　到2002年，我国用于辐照加工方面，有64座装源能力为30万居里以上的辐照装置，分布在20个省市自治区的41个市县中，实际装源量约为1700万居里，比1994年增长百分之183%，有56台功率为5KW的电子束加速器，其中进口33台，总功率为3532KW，有22台用于热缩材料的生产，34台用于辐照电线电缆，功率为5KW以下的工业用加速器8台，主要用于聚乙烯发泡、聚合物接技和涂层固化等生产。国际上，辐照加工业几乎以每三年翻一番的速度在增长，国内也发展迅速，中科院首家股份制企业，长春热缩材料股份有限公司是亚洲热缩材料综合能力最强的企业，是中国热缩材料研究基地，控制着全国的热缩母料，2002年由科技部认定为重点高新技术企业。由中国工程物理研究院主办的久远科技股份有限公司拥有精良的加工设备，专门从事辐射加工产业的应用研究和产品开发，年生产能力超过亿元，在辐射加工领域已形成雄厚的基础。

　　和发达国家相比，我国的辐射加工产业差距较大，主要是产品品种少，产业规模小，许多重要的产业领域尚属空白，不适应市场的需要，因此存在着很大的发展空间。以辐照电线电缆为例，随着城市电网改造的加快，国内每年需要1-10mm2的阻燃电线就达200万公里，航天航空、海上石油开采、通讯、核电等领域需要大量的特种线缆，而且在耐温性、耐环境老化、耐开裂性方面都提出了更高的要求。经辐射交联后，其耐温性，耐化学试剂性显著提高，力学性能和耐开裂性也获得改善，电学性能也有好的变化。200万公里的线缆如果每米按5元计算，总产值约100亿元，其中一部分产值应算做辐射加工的贡献。

　　高分子聚合物的辐射交联的应用尤为广泛，聚乙烯、聚氯乙烯和橡胶经过辐照后，阻热性、防止化学腐蚀性和力学强度方面得到明显改善。下表列举了高分子聚合物的辐射交联的商业产品。

　　交联的阻热性的高分子绝缘线，已广泛地应用于汽车工业、航天航空工业、电讯行业和家用电器， 在日本、法国、美国、巴西、韩国、印尼都应用橡胶分子的辐射交联，显著改善汽车轮胎的物理性能。辐射交联后的价格要贵好几倍。

　　三、食品辐射有利于储藏和保鲜

　　1980年，FAO/IAEA/WHO在日内瓦开会宣布“任何食品当其总体平均吸收剂量不超过10KGy时，没有毒理学危险，不再要求做毒理学实验，同时在营养学和微生物学上也是安全的”。目前全世界已有42个国家批准辐照食品200多种，年市场销售总量达30万吨，食品辐照加工已列为国际重点推广项目。

　　食品辐照与其他众多的食品保藏方法相比的优点在于： 第一，可以杀菌、消毒，降低食品病原菌的污染。第二，食品的辐照处理是在常温下进行，特别适用于要保持原有风味的食品和含芳香性成分食品的杀菌和消毒。第三，能耗低，无毒物残留，无污染。第四，辐照鲜活食品可以促进早熟，抑制发芽，减少农产食品腐烂和损失。辐照相对于二溴乙烯化学保鲜方法有很大的优点，因为二溴乙烯会破坏臭氧层，在不久的将来将要被禁止使用。

　　我国食品辐照于1958年开始，先后批准了18种辐照食品管理方法，制定了17种产品的辐射加工工艺标准。据不完全统计，我国累计辐照食品数量已近60万吨，年辐照的产品达10万吨左右，并且发展迅速，辐照食品已进入了商业化应用阶段。板栗是中国出口量很大的一种农产品，但是每年发霉、生虫造成的损失达50%，用加速器对板栗进行辐照， 可使板栗不再发霉、生虫，在板栗产区建立辐照中心，一个辐照中心就可使板栗每年增收260万元，而投资只要280万元。我国有600个种植板栗的乡镇，市场需求很大。比板栗产量大得多的红枣、核桃等农产品同样有霉变、虫害的问题，在农业方面辐照加速器有着很大的市场。据估计，它的发展空间相当于我国汽车工业产值总和。

　　四、核医学发展极为迅速

　　辐射灭菌消毒的医疗用品种类很多，包括金属制品、塑料制品以及一次性使用的高分子材料医疗用品等共计上千种，中西药与化妆品也都可以采用辐射消毒灭菌，辐射消毒灭菌将取代常规的化学消毒方法，因为化学方法所采用的消毒剂环氧乙烷具有强的致癌效应，而要去掉这些残留物将大大提高成本，从而丧失市场竞争能力。美国从2000年开始停止使用化学消毒法，欧共体及其贸易伙伴自1991年起就明文禁止在医疗保健行业采用环氧乙烷、溴甲烷熏蒸法进行灭菌处理。我国也是1989年保护环境的“蒙特利尔议定书”的签约国。随着我国加入WTO，用辐射消毒彻底取代化学消毒灭菌法要在2005年完成，辐射消毒灭菌将成为主流，全世界医疗器械消毒年产值约为1200亿美元，其中美国占500亿美元，在发达国家中，医疗卫生用品的辐射消毒约占钴源装量的80%，而中国不足10%。2001年美国邮政部购买8台电子束加速器，每台价值500万美元，对每天通向政府重要机关的文件进行“杀毒”。俄罗斯、印度等国家，在“非典”发生期间，用紫外光和X射线来杀死SARS病毒已得到应用，美国已有单位研制出低能电子束加速器，它是可移动式，成本为几万美元，估计将来可降低为几千美元一台。

　　核医学产业可以分为两个方面：第一，放射性药物，包括体内和体外的诊断药物和治疗药物。第二，放射性治疗和诊断装置，包括加速器、钴源装置、CT、NMR、PET等，诊断药剂约有100多种，其中最常用的是同位素Tc-99m，1996年在美国市场销售额为5.31亿美元，2000年为7亿美元，估计2020年可达160亿美元，核治疗药剂在美国1996年为0.48亿美元，2000年为0.62亿美元，预计2020年可达60亿美元。

　　根据国内主要几家放射性药物生产单位所提供的数据统计，我国1998年核诊断药物的产值为1.5亿元，治疗药物约为3000万元，这两项与美国相差30倍以上。1995年全国正式注册生产和销售同位素的厂家有43家，生产70 多种核素的800多个品种 (主要是放射性药品，放射免疫试剂盒，放射性示踪剂和放射源)。2002年产值为4亿元，其中放射免疫盒为2亿元。在放射免疫药盒市场中面临着国外企业的很大的竞争对手。例如美国DPC公司在天津的德普公司，专门从事免疫药盒的分装，年产值7000万元，占领了三分之一的国内市场，预计2003年该公司的产值将达到1亿元。

　　装源机 (Brachytherapy)发展极为迅速，用于治疗癌症，将高比活度、小尺度的放射源 (Ir-192，直径1mm)嵌入癌组织处，可以使治疗的时间从10-20小时减短为10-20分钟，并减少对其他正常组织的破坏。

　　核医疗器械和装置在发达国家中也在不断完善、增加和更新。用于癌症放射治疗的装置，在发达国家中大约为100万人平均有一到两台，全世界约有2000台Co-60装置和6000台加速器，用于治疗处于人体内部深部位的癌组织，用直线加速器产生大于20Mev的电子和X射线杀伤癌组织。最新的治癌方法是采用质子和重离子，它的优点是可以更有效地破坏癌组织和减少副作用。如，用C-14离子束治癌已取得很好的效果，日本放射科学国立研究所对1100个骨、肝、肾癌的病例进行治疗，都获得了很好的治疗效果。

　　据1990年统计，美国采用放射性药物的医院已有7000多个，共有γ相机和单光子断层扫描11000多台，每年接收放射性药物诊断和治疗的病人为2000万人次。日本采用放射性药物的医院有1100多个，共有γ相机和单光子断层扫描1700多台，每年约150万人次使用放射性药物。我国使用放射性药物的单位约为1000个，共有γ相机和单光子断层扫描约120台，每年病人约有100万人次左右。在全世界每年耗用的放射性药物中，美国约占1/3、日本1/25、中国1/200。 医用电子直线加速器在全世界已接近1万台，美国有900多台，每年创造产值180亿美元；日本有2000多台；我国目前大约有400万癌症患者，拥有医用直线电子加速器尚不到100台；医学专家估计，我国至少需500台。核医疗器械至今还在继续发展，γ刀用于肿瘤的切除，手术精度可达到0.1mm。

　　核医疗器械的国内市场绝大部分被国外产品占领，如不采取有力措施，情况会更为严重。

　　五、核技术在农业中的应用

　　发展与环境友好的农业以增产更多的粮食。核技术在农业中大有作为。辐射育种已经获得了1000多种新的农作物，在全世界播种面积达几千万公顷，产生了巨大的经济效益和社会效应。20世纪50年代辐射育种只占农作物新品种的9%，而现在已上升到50%以上，辐射源除了采用γ射线以外，越来越多地采用中子、离子束、激光和等离子体辐射源。

　　我国早在1996年就成功培育出首批主要粮食作物和棉花的新品种，如“原丰早”水稻、“鲁棉1号”棉花、“鲁原早4号”玉米、“太辐1号”小麦等。我国已经在40多种种植物上培育和推广新的农作物品种513个，约占世界的1/4， 辐射诱变育种的年种植面积保持在900万公顷以上，约占我国各类作物种植面积的10% ，每年为国家增产粮、棉、油30-40亿公斤，社会经济效益近60亿元。

　　采用昆虫的辐射不育技术代替农药控制病虫害的生长。据保守估计，由于虫害造成世界粮食每年减产25%到30%，虽然已经用了大量的农药，即每年已用了约250亿美元的农药，这样大量的使用农药带来了环境的严重污染，在许多国家已经用昆虫不育技术来取代杀虫剂。人工大量繁殖昆虫时，用辐射使雄性昆虫失去繁殖能力，然后放回自然，雌性昆虫和不育的雄性昆虫交配，产生的卵不能繁衍后代，最终可导致这种昆虫的灭绝。这种技术曾成功地用于杀灭果蝇、新大陆螺旋蝇。在墨西哥、美国、智利、阿根廷和秘鲁等国已成功地用来杀灭和控制地中海蝇，在坦桑尼亚也成功地消灭tsetse蝇，tsetse蝇能传播锥虫病，它对动物危害很大，并造成人的思睡病。在非洲的许多国家严重地限制了农业的发展，埃塞俄比亚正在开展一个控制和消灭tsetse蝇的大计划。

　　我国也曾用这一技术控制棉花的棉铃虫的生长，并取得了很好的效果。棉铃虫的灾害可以造成棉花20%减产。1992年我国棉铃虫灾害严重，5000万亩棉田受害，棉花减产40%， 防治费用和受害损失约1000亿元。完善大规模人工饲养棉铃虫的技术和辐射技术，建立具有周产500万头以上生产能力的棉铃虫养虫工厂，在10万亩以上的范围内释放辐射过的棉铃虫，可以使棉铃虫危害下降到1%，并大量地减少化学杀虫剂的使用，保护了环境，减少了污染。

　　采用核素示踪技术研究肥料 (特别是新型生长素微量元素)的吸收，改进施肥技术，增加农作物的产量。微量的稀土元素在生物体内新陈代谢过程中起着重要的生理作用，可以增加植物体内叶绿素的含量，提高光合作用效率，增加农作物的结实率。如，可使小麦增产1.7%-8.5%，玉米增加双穗率，增加穗长和粒重，甜菜增加产量和含糖量。

　　核分析技术，核径迹探测技术可用来研究微量元素在农作物中的分布、吸收、蓄积、迁移等新陈代谢的规律。在分子生物学水平上，研究微量元素的生物效应，同时还应该开展这些微量元素通过食物链最后进入人体内可能产生的生物效应研究，尤其是稀土Se、Zn等微量元素的效应。

　　核农业技术的发展会成为改造传统农业，促进农业科学技术进步的一种高新技术，也是使我国农业发展走上和环境更为友好，又能增加产量的路子。

　　六、核技术在环境治理中的应用

　　核技术在21世纪的环境科学、环境监测和保护方面会遇到最大的机遇和挑战。

　　首先在环境监测方面，可以充分应用现有核分析技术所具有的高灵敏度、高准确度、恶劣条件的适应性，对环境进行实时、远距离监测，对环境污染物化学种态及其效应进行分析和评估，对新型污染物进行鉴别和溯源分析，应该说核分析技术已成为环境监测分析的质量保证体系中的重要组成部分。

　　核技术已广泛用于治理环境污染。利用辐射处理污染、废水和其他生物废弃物的方法与传统的填埋、投海、焚烧等处理方法相比有显著的优点。它不会造成环境的二次污染，美国已有半生产性的辐射处理废水工厂40多座，经处理后的水的各项指标，几乎都优于常规处理法，运用辐射处理污泥的技术也已成功运行十多年，处理费用低，处理后的污泥，仍保持有其原来的养分。

　　针对燃煤电厂排放的SO2和NOX对大气造成的污染，采用电子束烟气脱硫脱硝技术是一条切实可行的办法，电厂排烟中的N2、O2和所含水分，经电子束辐照后，产生大量的OH、O、HO2等氧化自由基，这些自由基与烟气中的SO2或NOX相互作用，发生氧化反应，并生成H2SO4和HNO3，所生成的雾状H2SO4和HNO3与注入反应器中的NH3相互作用生成白色粉状的硫铵和硫硝铵，这些副产物可以直接用作化肥。这些方法的优点在于同时脱除SO2和NOX的效率高，分别可达90%和80%，无二次污染，无需废水处理，副产物可用作农业化肥。该项技术从七十年代才开始，经过了20多年的努力，现已从实验室研究发展到中试装置，并获得成功，可以认为建设工业规模的电子束烟气治理示范性工程的条件已经成熟。日本荏原制作所和我国电力部合作，1997年在成都建成世界上第一台大型示范试验装置。日本荏原制作所和日本中部电厂合作，还有日本名古屋建造处理62万标方/小时的烟气净化装置。

　　目前全世界15个国家和地区的火电厂采用烟气脱硫，装机总容量达24000万KW，其中80%为湿法，即传统的湿石灰石——石膏法脱除烟气中的SO2，10%为喷雾干燥法，10%为其它方法。这些方法产生二次污染大，大量废水还要进一步处理。目前日本拥有1800套装置，总处理能力超过5000万KW，美国为8000万KW，德国也在4000万KW以上。将来都有被新的方法所取代的趋势。

　　等离子体技术处理三废具有技术优势，它可把有害物质分解、城市垃圾的高温焚烧、废水废气等处理。

　　在化学工业中乙炔有“有机合成工业之母”的称号，仅60年代全世界乙炔产量已达到1000多万吨，但传统煤乙炔化工逐步被石油-乙稀化工所取代，这是因为煤制乙炔工艺会造成严重的环境污染，由于氢等离子体技术的发展，为煤转化为乙炔研究创造了条件，煤在氢等离子体条件下，在37000K左右与氢离子相互作用生成乙炔，这不仅可以减少污染，还可以达到资源的综合利用。

来源：(中国科学院院士 王乃彦)


文章分类： 辐照基础知识
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