放射性同位素应用发展的现状与趋势

同位素与辐射技术是指利用核发出的以及加速器产生的粒子和射线，与物质相互作用来研究和改造物质的技术，是核技术的重要组成部分，是当代重要的尖端技术之一。

同位素与辐射技术的应用几乎涵盖了国民经济的各个领域，特别是放射性同位素应用，在医学、农学、脉冲功率应用和核测试分析中应用尤为引人注目。
1. 放射性同位素应用进展快速

随着国际上几个主要的放射性同位素制备用反应堆接近寿期和对核不扩散的限制越来越重视，国际原子能机构（IAEA）和经济合作与发展组织（OECD）都在关注高浓铀生产裂变产物钼-99的替代技术，包括用低浓铀直接堆照生产和用加速器制造。目前已有荷兰（建设反应堆）、德国（建设反应堆）、澳大利亚（扩大产能）、比利时（研究低浓铀技术）、韩国（建设专用同位素反应堆）、加拿大（使用加速器）在开展相关工作。美国为满足航天用同位素电池制备需要，启动了恢复钚-238生产的项目，计划每年生产5公斤。

近年来锝标记药物的研究得到了极大的关注，出现了一系列基于锝配合物的新型标记药物。不过在实际应用时这些化合物也存在一些问题，如螯合基团过大、中心金属原子价态易被氧化、标记物稳定性不好等。发展新的锝配合物，设计新的配体，寻求新的标记手段和方法，有可能找到性能更加优良的标记药物分子。

国际上核素治疗出现了使用发射α射线的核素，美国食品药品监督管理局（FDA）批准了223Ra应用于Ra晚期前列腺癌患者的治疗。正电子放射性药品方面，FDA还批准了三个诊断阿尔茨海默病（AD）的氟-18药品，其中18F-AV45比较成功，说明中枢神经系统（CNS）退行性疾病是研究的热点。

在放射免疫技术方面，国外临床检测项目已达二百余项。固相包被技术在放射免疫分析（RIA）的应用已占整个检测项目的90%左右。韩国和德国已实现从加样到测量的整个实验检测过程的自动化。

放射性同位素应用进展快速。目前，国际上同位素技术工业应用研究热点集中在γ-CT无损检测、辐射成像安全检查、新型核测控仪器仪表研发、环境污染监测与治理、辐射加工等方面。

2. 辐射技术在多方面得到广泛应用

辐射加工是利用γ射线或加速器产生的电子束、X射线辐照被加工物体，使其品质或性能得以改善的过程。在发达国家，辐射加工已经发展为一门新兴高科技产业，在工业、农业、医疗卫生、食品、环境保护等多方面有着广泛用途，并取得了巨大的经济效益和社会效益。据统计，全世界辐射技术产业化规模已达到年产值数千亿美元。美国作为该产业的发展大国，其规模达6000亿美元，占国民经济总值的3~4%。日本的辐射加工技术应用着力于其产业结构的优化升级、资源的高效利用以及环境保护。

近年来，国外核技术应用产业的概况如下：

（1）全世界大型钴源辐照装置约250座，装源量2.5亿居里，而用于辐照的加速器超过1000台，总功率45MW；
（2）辐射化工产品年产值超过1000亿美元；
（3）用于集成电路的离子注入机3000多台，产值1470亿美元；
（4）全世界辐照食品的销售量30万吨；
（5）70个国家在186种植物上诱变新品种2252个；
（6）全世界半数以上国家采用辐射雄性不育法对200多种害虫进行杀灭处理；
（7）全世界每年有3~4亿人次接受放射性诊断和治疗；
（8）94座生产同位素的反应堆，49台同位素生产专用加速器；
（9）核医学（PET）专用回旋加速器数百台；
（10）生产3000多种放射性同位素及其制品；

国外的加速器装置在数量上再度增加的同时，在产品质量上也不断提高。装置结构紧凑，易操作，维修方便，长期运行稳定性和可靠性、智能化水平等有明显提高，如地那米型加速器从低能到高能的完整系列，电子帘加速器从80~300keV完整系列。加速器的控制系统已发展到计算机智能控制、远程诊断、电器插件更换自动调整、信息采集和储存等，自动化水平很高。

3. 核医学显像得到飞跃发展

进入21世纪，核医学显像仪器得到了飞跃发展，形成了以多模式影像为特征的分子功能影像时代。20世纪90年代末，以GE公司的Hawkeye为代表的SPECT/CT及其符合线路成像的广泛应用，随后西门子公司和飞利浦公司也相继推出SPECT/CT，其CT配置也由早期的X线球管发展到现在的4-16排CT为主导的诊断级CT，使核医学影像的质量大为改善，定位更加准确。2009年美国GE公司推出了半导体晶体的心脏专用SPECT、乳腺显像专用机等，常规的显像仪器质量也在不断提高。18F-FDG也成为21世纪最有价值的显像剂之一，此外一些新的分子影像探针也陆续试用于临床。2012年，美国GE医疗集团推出将PET/CT与MR于不同房间的复合型机型，称之为PET/CT-MR模式。

进入21世纪，新的显像剂研究也获得进展，除了常规的单光子放射性药物和18F-FDG外，放射性核素标记的奥曲肽生长抑素受体显像、RGD整合素受体显像、雌激素受体显像、乏氧显像以及正电子核素标记的乙酸、胆碱、FLT都相继用于临床，丰富了学科内容，提高了疾病诊断和鉴别诊断的能力。

4. 核农学应用广泛

国外核农学起步较早，已发展为一门成熟技术在世界各地广泛应用。目前全球已经有100多个国家利用该技术来改良粮食作物、经济作物和花卉苗木等。联合国粮农署（FAO）协同国际原子能机构（IAEA）致力于核与生物技术的开发，以保持世界粮食的稳定持续增长。据不完全统计，运用此项技术，全球范围内共培育了3218个突变作物品种。

农产品辐照加工呈快速发展趋势。到目前为止，已经有42个国家批准538种农产品和食品的辐照加工，全球年辐照农产品的总量已近50万吨。近年来，在FAO/IAEA/WHO三个国际组织的积极倡导下，辐照农产品和食品逐步转向商业化，农产品辐照技术正在加快向农产品和食品工业领域转移。

农业核素示踪已广泛用于农业生态环境保护、农产品原产地溯源等领域。在病虫害控制方面，美国、加拿大、澳大利亚等世界上超过2/3的国家已对200多种害虫利用昆虫辐射不育技术开展研究和防治。

5. 脉冲功率应用前景广阔

脉冲功率技术是在电气科学基础上发展起来的一门新兴学科，是研究高功率电脉冲的产生和应用的科学。脉冲功率技术已被广泛应用于国防（核武器、电磁轨道炮、高功率微波武器、高能激光武器等研究）、聚变能源、材料、环境保护、医疗和生物等领域。现在，脉冲功率技术已发展成为涉及粒子加速器、等离子体物理、可控热核聚变、高电压工程、电介质物理、力学、材料科学等多个学科的新型交叉学科，成为当代高科技的主要基础学科之一，有着非常广阔的发展和应用前景。在五个核大国中，脉冲功率技术处于重要的战略地位。

2010年，美国建造的双轴闪光照相流体动力学试验设施（DARHT）成功进行了第一次双轴X光照相流体动力学试验，对核武器研究极有价值。

2012年末，美国波音公司公布了一种微波炮与巡航导弹集成的新概念电磁脉冲导弹，被称为CHAMP（反电子设备高功率微波先进导弹项目）。CHAMP首次成功解决了脉冲功率装置的小型化、HPM天线设计、紧凑型HPM源以及导弹的自防护等关键技术，具有重要的应用前景。美国有可能在近期实现初步部署。

2014年，美国海军委托英国航空航天公司（BAE）和美国通用原子公司（GA）分别研制的32MJ炮口动能的工程化原型样机已经完成，成功进行了多次测试和发射。在紧凑脉冲功率源和弹丸设计方面取得突破。美国海军的目标大致是2020—2025年初步部署电磁轨道炮。

美国海军实验室的高功率准分子激光研究世界领先。研制的KrF激光ELECTRA装置采用两束500keV/100kA/100ns电子束双向泵，实现了300J/1Hz、250J/5Hz和700J/1Hz重频运行，电插头效率达7.4%。美国启动了准分子激光能源驱动器研究规划，计划2022年建立聚变实验装置（FTF，5Hz/0.5MJ），2031年建立聚变电厂原型装置。

6. 核测试与分析广泛应用于多个领域

（1）中子散射技术

目前，世界范围内谱仪装置超过400台[6]，中子散射向着探测速度更快、空间分辨更高和能量范围更大的高水平前沿学科应用迅速拓展。美国的MaRIE中提出利用中子散射为微米尺度上的先进材料研究。欧盟在2013年启动了1600万欧元为期5年的“欧盟加速原子尺度先进材料未来科学家的培养计划”，核心内容就是鉴于中子散射和μ介子光谱两大新兴关键技术。

（2）中子照相技术

中子成像技术广泛用于军事、工业制造及核能材料等领域，同时在朝着小尺度样品高空间分辨与大尺度样品强穿透的两极发展。瑞士PSI、德国HZB等机构已将低能中子分辨率提升至10微米左右，利用加速器、散裂源或反应堆产生高能与裂变中子开展大尺度样品检测；借助晶体单色器和斩波器，实现冷中子Bragg限成像，eV能区共振成像以及MeV能区元素成分较精确共振测量。美国爱达荷国家实验室尝试开展了放射性元件的间接层析成像；近年还发展极化中子成像实现磁场的图像化，全息中子成像实现晶体内原子占位精确测量。

（3）核设施退役检测分析技术

当前，国际上的发展趋势是利用成熟技术开发联合测量设备和方法。现场检测方面，法国原子能委员会（CEA）开发了包括γ成像（α成像）-γ剂量率探测-γ谱仪分析的组合技术。英国研究人员于2011年开发了能够同时探测α、β、γ粒子的组合式探测技术，有望在核设施退役中使用。此外，近年来研发的桶装废物非破坏测量技术、管道内表面α活度监测技术、长距离α测量（LRAD）技术、乏燃料破损检测技术等已逐步在核设施退役中得到应用。实验室分析方面，国外研发了核设施退役样品前处理技术和注入技术，以满足ICP-MS对Th、U、Pu同位素的分析；为满足堆退役废物管理的要求，丹麦里瑟国家实验室研发了混凝土、石墨、铝、铅、钢材中3H、14C、36Cl、55Fe、63Ni、41Ca、129I的分析方法；为满足加速器生物屏蔽层退役要求，瑞士Schuman等研发了加速器混凝土屏蔽层样品放化分析方法，对屏蔽层中的152Eu、60Co、44Sc、133Ba、154Eu、134Cs、144Ce、22Na、129I、10Be、36Cl、239/240Pu、238U等核素进行了分析。

（4）放射性核素的分离分析技术

美国国家核取证溯源中心（NTNFC）在痕量核材料锕系及易裂变核素的快速分离分析技术处于世界领先水平。铀、钚核材料主同位素分析精度达10-5，低丰度同位素分析精度＜0.1%，氧同位素分析精度＜0.01%。美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（LLNL）研发了加速器质谱及激光共振电离质谱等先进设备，分析灵敏度已达108原子水平，可实现天然铀中236U探测（10-12），63Ni中＜10-11的63Cu探测，Pu的探测灵敏度达10-15g。该实验室建立了10-12钚的热表面电离同位素质谱分析技术，相对标准偏差≤0.4%，与标称值偏差≤0.7%。

目前，分离功能材料和放化快速分析方法也有了新的突破。国外近年报道的有机金属框架结构的放化分离新材料的比表面积高达6240m2/g，有望在惰性气体裂片核素分离得到广泛应用。