吞下一顆小小的尿素膠囊，半個(gè)小時(shí)后，對準(zhǔn)集氣袋長呼一口氣，等待片刻，是否感染幽門螺旋桿菌便一目了然。這種檢測方法無痛、無創(chuàng)、快速、簡便，已成為幽門螺旋桿菌檢驗(yàn)的“金標(biāo)準(zhǔn)”。
該檢驗(yàn)背后，一種名叫碳-14的放射性同位素起著至關(guān)重要的作用。但長期以來，我國碳-14嚴(yán)重依賴進(jìn)口，全球僅有少數(shù)國家掌握碳-14量產(chǎn)技術(shù)。
“為填補(bǔ)這項(xiàng)空白，中核集團(tuán)秦山核電組建研發(fā)團(tuán)隊(duì)矢志攻關(guān)，歷時(shí)5年多，在全球首次實(shí)現(xiàn)應(yīng)用商用重水堆機(jī)組批量生產(chǎn)碳-14。”秦山核電總經(jīng)理尚憲和告訴科技日報(bào)記者，日前，首批產(chǎn)品從秦山核電基地正式發(fā)運(yùn)投放市場，標(biāo)志著我國碳-14實(shí)現(xiàn)從自主研發(fā)、自主生產(chǎn)到市場化供應(yīng)全產(chǎn)業(yè)鏈貫通。
自主計(jì)算中子能量
我們的生活與“碳”密切相關(guān)。在自然界中，作為碳元素的同位素之一，碳-14占比微乎其微，卻用途廣泛。
自2010年起，碳-14市場出現(xiàn)缺口，6年間價(jià)格上漲5—10倍，需求仍與日俱增。
要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模供應(yīng)，只有依賴人工生產(chǎn)，采用反應(yīng)堆進(jìn)行輻照是目前最主要的生產(chǎn)手段。由于生產(chǎn)周期長、產(chǎn)量少，國內(nèi)大部分碳-14來自國外，供應(yīng)常常會被制約。
自2019年起，秦山核電探索利用商用重水堆核電機(jī)組批量生產(chǎn)碳-14。
借助反應(yīng)堆生產(chǎn)碳-14，需要發(fā)生中子輻照俘獲后釋放質(zhì)子(n,p)反應(yīng)。秦山核電所屬浙江秦山科技有限公司副總經(jīng)理孟智良將晦澀難懂的反應(yīng)過程比作打臺球：一個(gè)中子與一個(gè)含有7個(gè)質(zhì)子、7個(gè)中子的氮-14原子核發(fā)生“碰撞”，中子被氮-14原子核吸收，然后“彈”出一個(gè)質(zhì)子。這時(shí)候，氮-14就變身具有8個(gè)中子和6個(gè)質(zhì)子的碳-14了。
要實(shí)現(xiàn)(n,p)反應(yīng)，中子能量必須達(dá)到一定的閾值。
從理論上講，重水堆的中子密度高，在相同輻照時(shí)間下，更容易發(fā)生核反應(yīng)，可以生產(chǎn)更多碳-14。
然而，重水堆中子雖多，但都是能量較低的熱中子，距離閾值要求相差甚遠(yuǎn)。這種低能量的中子能否引發(fā)(n,p)反應(yīng)，大家看法不一。為了尋找答案，研發(fā)團(tuán)隊(duì)一頭扎進(jìn)浩如煙海的文獻(xiàn)堆里。
秦山核電的兩臺重水堆為國外引進(jìn)的堆型，以“交鑰匙”的方式建設(shè)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)、分析模型以及同位素生產(chǎn)等關(guān)鍵信息都是“黑匣子”。信息碎如星光，團(tuán)隊(duì)成員化身信息拼圖大師，一點(diǎn)點(diǎn)拼湊與碳-14生產(chǎn)沾邊的研究報(bào)告和技術(shù)檔案。
“數(shù)月時(shí)間轉(zhuǎn)瞬即逝，大家精力已快耗盡，關(guān)鍵的中子能量數(shù)據(jù)卻依舊躲在重重迷霧之中。”孟智良回憶，無路可退時(shí)，團(tuán)隊(duì)下定決心，“自己算!”
沒有現(xiàn)成的模型，就自己搭建。建模不易，驗(yàn)證更難。他們唯一能依靠的參照物，是文獻(xiàn)中的數(shù)據(jù)。每一個(gè)模型參數(shù)都需要經(jīng)過數(shù)據(jù)的反復(fù)“拷問”和校準(zhǔn)。經(jīng)歷十余輪計(jì)算、比對、分析、調(diào)整、再計(jì)算后，他們最終確定了可靠的模型。
當(dāng)呈現(xiàn)在屏幕上的計(jì)算結(jié)果清晰顯示熱中子可以引發(fā)反應(yīng)時(shí)，大家終于長吁一口氣：從原理上講，在商用重水堆生產(chǎn)碳-14完全可行!
獨(dú)立開發(fā)分析方法
確認(rèn)原理可行后，一個(gè)更重要的問題擺在項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)面前：碳-14靶件入堆后，如何保證反應(yīng)堆安全?
重水堆是一個(gè)非常精密復(fù)雜的系統(tǒng)，每一項(xiàng)設(shè)計(jì)都經(jīng)過嚴(yán)格論證。
“如果將堆芯比作筆筒，堆芯中的燃料棒就像一支支筆。”秦山核電專項(xiàng)工程處項(xiàng)目支持科副科長樊申打了個(gè)形象的比方，“為確保反應(yīng)堆安全穩(wěn)定運(yùn)行，筆的擺放位置都是經(jīng)過嚴(yán)格計(jì)算的。”
將碳-14靶件這支新“筆”插進(jìn)“筆筒”后，會不會給反應(yīng)堆運(yùn)行帶來擾動?
要打消疑慮，必須反復(fù)論證。
受制于種種因素，聯(lián)系外方開展分析計(jì)算并不現(xiàn)實(shí)。面對困難，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)只能再次下決心——自己干!
他們從消化以往的計(jì)算報(bào)告開始，自行開展安全分析評價(jià)，核心就是評估靶件入堆及輻照對堆芯停堆參數(shù)的影響。
“經(jīng)過一周左右的頭腦風(fēng)暴，我們梳理出8種基本堆芯狀況。在此基礎(chǔ)上，再對每種基本堆芯狀況進(jìn)行小變動的影響分析。”樊申說，每種基本堆芯狀態(tài)要開展的小變動計(jì)算多達(dá)700多種，并且每次計(jì)算都涉及物理和熱工耦合，難度極大。
在始終燈火通明的機(jī)房內(nèi)，團(tuán)隊(duì)按期完成了近6000種工況的計(jì)算模擬，積累了大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)。接下來，大家又馬不停蹄地對過往的計(jì)算報(bào)告進(jìn)行還原與復(fù)現(xiàn)，逐個(gè)工況、逐個(gè)數(shù)據(jù)比對有無靶件情況下，各項(xiàng)安全控制參數(shù)是否對得上。
周而復(fù)始的計(jì)算模擬、數(shù)據(jù)比對……直至每一種工況都符合安全要求。奮戰(zhàn)6個(gè)多月后，論證終于迎來收官階段。依托充分的工況模擬、翔實(shí)的數(shù)據(jù)分析，經(jīng)過反復(fù)論證，團(tuán)隊(duì)證明了靶件入堆后安全可靠。
創(chuàng)新建立驗(yàn)證體系
原理可行，安全有保證，研制碳-14靶件成為最后一塊“硬骨頭”。
“靶件入堆后，要經(jīng)歷長時(shí)間的輻照，一旦破裂，其內(nèi)部的輻照材料就會散入堆芯，形成異物風(fēng)險(xiǎn)。”孟智良說，因此靶件研制必須通盤考慮制造、輻照安全以及后端處理便利性等因素。
要生產(chǎn)靶件，首先要解決原材料問題。
研發(fā)團(tuán)隊(duì)聯(lián)合上海核工程研究設(shè)計(jì)院股份有限公司、中核北方核燃料元件有限公司，開展工程設(shè)計(jì)和靶件研制，并向從事過碳-14生產(chǎn)的單位進(jìn)行專題咨詢，最終確定了以氮化鋁粉末作為靶材、以鋯合金作為包殼的靶件設(shè)計(jì)方案。
該方案對雜質(zhì)含量等指標(biāo)控制極為嚴(yán)格，甚至個(gè)別參數(shù)根本沒有經(jīng)過驗(yàn)證的檢測方法，這里面就包括化學(xué)性質(zhì)活潑的游離鋁。
團(tuán)隊(duì)似乎遇到了一座難以逾越的“高山”。
怎么辦?他們沒有氣餒，沒有現(xiàn)成的檢測方法，就從基本原理出發(fā)，從零開始想辦法。
一個(gè)寂靜的深夜，在大家百思不得其解，會議室氣氛近乎凝固之際，角落里的一個(gè)聲音打破僵局：“我們是否可以通過置換法，將游離態(tài)鋁轉(zhuǎn)變?yōu)殡x子態(tài)鋁，然后再使用質(zhì)譜法進(jìn)行檢測。”
這個(gè)想法瞬間激起所有人的靈感。
經(jīng)過幾輪頭腦風(fēng)暴，大家認(rèn)為，這條路雖然艱難，但一定可行。此時(shí)，另外一個(gè)問題被擺到桌面——作為置換材料的鹽類物質(zhì)家族成員浩繁，誰最合適?
在暫時(shí)無法通過理論找到明路時(shí)，就嘗試用“笨辦法”來“大海撈針”。大家沒有猶豫，說干就干。經(jīng)過反復(fù)排列、組合、嘗試、比較、排除，一款性能優(yōu)異的置換鹽從萬千候選者中脫穎而出。
緊接著，團(tuán)隊(duì)又先后破解其他雜質(zhì)元素的檢測難題，曾經(jīng)橫亙在精確檢測路上的“攔路虎”被一一掃清!靶件順利面世，碳-14批量生產(chǎn)的最后一個(gè)環(huán)節(jié)被打通。
目前，碳-14被廣泛應(yīng)用于考古、農(nóng)業(yè)、化學(xué)、醫(yī)學(xué)和生物學(xué)等領(lǐng)域。
“秦山核電的碳-14產(chǎn)能可充分滿足國內(nèi)需求，將有力帶動我國同位素應(yīng)用產(chǎn)業(yè)鏈集聚發(fā)展。”尚憲和告訴記者，“下一步，我們將加強(qiáng)原創(chuàng)性、引領(lǐng)性科技攻關(guān)，以同位素產(chǎn)業(yè)為支點(diǎn)，全力撬動千億級核技術(shù)應(yīng)用市場。”
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