核技术-1概论

IntroductiontoNuclearTechnologyanditsApplication（核技术应用概论）,核技术是现代科学技术的重要组成部分，是当今世界重要的高科技领域之一，许多发达国家都把核技术视为科技制高点，并进行大力开发应用。时至今日，核技术已越来越多地进入人类的生活，解决或正在解决人类面临的一些难题，成为影响当今人类生存发展的重要因素之一。,核能已成为人类所需能源的重要来源之一；核医学诊断和治疗传统医学难以诊治的疾病；核辐射加工制造出了许多高质量的产品；核技术帮助航空公司侦破恐怖炸弹，帮助人们制造新的材料、新的器件等，这一切都在改善着人类的工作条件和生存质量，人类现在以及未来的生存发展都需要核科学技术。正因为如此，在科学技术高度发达的社会里，了解和掌握核科学技术的基本知识已成为我们学习、工作和生活的必需。,比如：,核技术的发展历程核技术的内涵、基本概念和术语核技术应用及发展,核科学技术，简称核技术。以1896年贝克勒尔发现铀的天然放射性为标志，至今已经历110多年。核技术是现代科学的重要组成部分，20世纪人类文明史上的一个重要里程碑。广泛应用于国防、科研、工农业生产、医学等领域，被纳入世界高科技角逐的竞技场。核技术一般分为：核武器技术、核动力技术、同位素与辐射技术（非动力核技术）,1.1核技术的发展历程,1896年，贝克勒尔发现放射性。1898年，居里夫妇发现放射性元素钋和镭，大大促进了放射性的研究。贝克勒尔与居里夫妇因发现放射性荣获1903年诺贝尔物理学奖。1898年，卢瑟福揭示铀辐射组成复杂，把“软”的成分称为射线，“硬”的成分称为射线。1900年，维拉德发现镭射线中除、外，还有射线。1931年，劳伦斯等人建成第一台回旋加速器。1932年，考克拉夫特和瓦尔顿发明高压倍加器，用以加速质子，实现人工核反应。,贝克勒尔与居里夫妇,1932年，查德威克发现中子。中子成为科学家进行科学研究的重要工具。1934年，约里奥-居里夫妇发现人工放射性。210Po的轰击铝箔（27Al），用化学方法分离出30P（不稳定），通过EC衰变为30Si。1938年，德国物理学家贝特和德国天文学家魏茨泽克各自独立发现核聚变反应。1939年，奥地利物理学家迈特纳和她侄子弗里施等人一起发现铀核裂变现象。,1942年，在费米主持下美国建成世界上第一座裂变反应堆。1945年7月16日，美国试验爆炸了第一颗原子弹“大男孩”，爆炸当量相当于2万吨TNT。1952年11月1日，美国在太平洋的一个珊瑚岛上（马绍尔群岛）爆炸了世界上第一颗氢弹。1954年1月21日，美国第一艘核动力潜艇“鹦鹉螺”号下水。,1954年，前苏联建成世界上第一个核电站。电功率5000kW。1957年，美国瑞侃（Raychem）公司首次用加速器辐照生产热缩材料，开创了辐射化工产业的历史。美国凡士通（Firestone）用加速器辐照硫化技术生产汽车轮胎。1972年，X射线计算机断层扫描装置（CT）面世。1974年，第一台PET（PositronEmissionTomography正电子发射计算机断层显像)问世。,1976年，JohnKeyes研制出第一台多用途SPECT。1981年，J.P.Mach发表第一个肿瘤显像的单株抗体放射性药物。1991年，Cytogen公司推出第一个经FDA同意的肿瘤显像的单株抗体放射性药物。总之，随着人工放射性的发现、核聚变、核裂变现象的发现，以及加速器和反应堆的成功建成运转，为核技术的诞生奠定了坚实的科学基础。,1.2核技术的内涵、基本概念和术语,核技术的内涵：核技术是以核物理、辐射物理、放射化学、辐射化学和核辐射与物质相互作用为基础，以加速器、反应堆、核辐射探测器和核电子学为支撑技术而发展起来的综合性现代技术学科。从技术应用角度可分为：射线技术同位素技术支撑技术,基本术语、定义,1、元素、核素和同位素元素具有相同质子数的一类原子统称。核素具有确定质子数和中子数的原子核。分稳定核素和放射性核素两类。放射性核素包括天然及宇生放射性核素和人工放射性核素。T1/2100d（长寿命放射性核素），T1/2=100d（短寿命放射性核素）同位素原子序数相同，质量数不同的一类核素。,基本术语、定义,2、射线与辐射辐射物质发出射线的现象称为辐射。电离辐射电磁辐射、带电粒子辐射、非带电粒子辐射非电离辐射如红外线、微波等,可见光、红外线、紫外线等是由外层电子跃迁引起的；X射线是由内层电子跃迁引起的；射线是由原子核跃迁引起的。,基本术语、定义,3、基本量与概念放射性活度A=N/t，单位Bq=1次衰变/s。1Ci=3.71010Bq“核衰变数并不总是同发射的粒子数相符合”比活度单位质量的某种放射性物质的放射性活度。最大比活度无载体情况下的放射性比活度。吸收剂量物理点上单位物质吸收的能量。1J/kg=1Gy=100rad电离辐射吸收剂量在所关心的位置上由致电离辐射授予单位质量物质的能量。吸收剂量率,基本术语、定义,剂量当量组织中某一点处的吸收剂量与该点处的辐射品质因数的乘积。表示1kg人体或生物组织吸收1J辐射所发生的生物效应。单位：Sv（希沃特），1Sv=1J/kg=100rem（雷姆）当量剂量辐射在组织或器官中产生的平均吸收剂量与该处的辐射权重因子的乘积。单位：Sv核跃迁核系统从一种量子能态转变为另一种量子能态的过程。切伦科夫辐射当带电粒子在介质中以大于光在该介质中的速度运动时所发射的电磁辐射，也称“蓝光辐射”。多普勒效应由辐射源相对于观察者运动而引起的观察到辐射波长改变。,基本术语、定义,4、核衰变与核反应（1）核衰变也称放射性衰变。某些原子核通过放出射线转变成另一种核素或另一能态的核素。主要包括衰变、衰变、衰变衰变原子核自发放出粒子衰变原子核自发放出粒子。包括：+、-、EC。天然放射性核素的衰变主要是-。衰变原子核自发放出光子过程，原子核的质量数和电荷数不变，只是能量发生变化。内转换将原子核的激发能转换成壳层电子的激发能进行退激，是与衰变相竞争的一种核跃迁过程。俄歇效应处于激发态的原子，外壳层电子填充内壳层空穴时发射轨道电子而不是发射X射线的退激过程。,基本术语、定义,穆斯堡尔效应辐射的无反冲发射和无反冲共振吸收。核衰变规律指数衰变规律衰变能给定的核衰变所释放的能量衰变纲图详细标明能级、辐射类型和半衰期等核数据的放射性核素衰变图式。,半衰期在单一的放射性衰变过程中，放射性活度降至其原有值一半时所需时间。放射性平衡在一个衰变链中，只有前驱核素的半衰期比该衰变链中任何一代子体的半衰期长时，才可能达到放射性平衡。长期平衡、暂时平衡,基本术语、定义,4、核衰变与核反应（2）核反应原子核与原子核，或原子核与粒子相互作用导致原子核发生变化的现象。链式反应产物之一能引起同类作用核聚变反应轻原子核结合成一个较重原子核核裂变重原子核分裂成两个（少数情况下三个或更多个）质量在同一数量级的碎片现象。通常伴随n和发射，少数发射轻带电粒子。散裂能量足够高的粒子与原子核发生反应，反应产物碎裂成较多碎片的过程。阈能引起某种核反应所需入射粒子的最小动能（实验室系）。,基本术语、定义,截面入射粒子与单位面积上一个靶核发生作用的概率。1barn=10-28m2=10-24cm2裂变能原子核裂变时释放的能量裂变碎片裂变过程中产生的具有一定动能的各种核素。裂变产额裂变过程中，产生某一给定种类裂变产物的份额。核能核反应（尤指裂变或聚变）或核跃迁时释放的能量。,基本术语、定义,5、射线与物质作用主要是、n与物质相互作用（1）射线与物质相互作用核衰变发射的粒子能量一般在4-9MeV。电离与原子周围的壳层电子发生库仑作用，电子脱离原子束缚成为自由电子。是粒子损失能量的主要方式。初级电离、次级电离。比电离：射线在单位路程上产生的离子对数目，也称电离密度。激发壳层电子未脱离原子束缚，从低能级跃迁到高能级，原子处于激发态。粒子和物质作用发生激发效应的概率低于电离效应。散射受原子核及核外电子的库仑场和核力场的相互作用，粒子运动方向改变。粒子通过物质时的散射以弹性散射为主，但远小于电离和激发效应发生的概率。核反应粒子引起核反应的概率相当小。与Be、B、F、Li、Na等元素发生（，n）反应产生中子，是目前制备同位素中子源的主要方法。,基本术语、定义,（2）射线与物质相互作用核衰变发射的粒子能量一般在4MeV以下。电离能量相同的粒子比粒子的比电离小很多。激发散射容易被散射，多次散射后散射角会出现反散射。次级辐射轫致辐射、特征X射线、可见光、紫外光，总称荧光。粒子与高原子序数物质作用时，产生轫致辐射的概率较大。,基本术语、定义,（3）射线与物质相互作用射线是高能电磁波，产生于原子核的退激过程。不同于带电粒子与物质的相互作用：不能直接引起物质原子电离或激发，而是先把能量传递给带电粒子；与物质的一次相互作用可以损失其能量的大部分或全部，而带电粒子则是通过许多次相互作用逐渐损失其能量；入射到物体时，其强度随穿透物质厚度近似呈指数衰减，而带电粒子有确定的射程，在射程之外观察不到带电粒子。主要作用形式：光电效应、康普顿效应、电子对效应，其它有瑞利散射、光核反应等，但作用截面小得多。,基本术语、定义,（4）中子与物质相互作用轨道电子和原子核库仑场对中子不起作用，只有当中子射入核内或处于核力作用范围，才和原子核作用。主要作用形式：散射、俘获、核反应、核裂变散射弹性散射：是中能中子和快中子与物质作用的主要形式。特点是散射前后，入射中子和靶核组成的系统总动能和总动量不变，核不被激发。靶核质量愈小从入射中子获得的动能愈多，水和石蜡是最好的中子屏蔽材料。非弹性散射：是能量大于10MeV的快中子与物质作用的主要形式。特点是入射中子动能的一部分使反冲核激发，反冲核退激时发射射线。,基本术语、定义,辐射俘获是慢中子与物质作用的主要形式。靶核吸收一个中子，生成处于激发态复合核，当复合核退回基态时，发射能量达几MeV的射线。一些同位素与超热中子发生这种反应的概率极大，称为共振俘获或共振吸收。（n，）、（n，p）、（n，d）反应发射带电粒子的反应不如辐射俘获反应普遍。带电粒子逃离核时需要克服库仑吸力，所以轻核和快中子发生这种过程的概率较大。核裂变反应重核与中子相互作用分成两个质量相差不多的碎片（偶尔分成三块或多块），同时发射一个或几个中子。热中子与233U、235U、239Pu作用，快中子与重核作用都有可能发生这种裂变反应。以上四种中子与物质相互作用，除弹性散射之外，其余各种现象都会产生次级辐射。,基本术语、定义,6、放射分析与标记将化学技术应用于核研究，将放射性物质用于研究化学问题。（1）放射分析化学通过测定放射性或核现象进行微量分析的一门学科，也称核分析化学。常用的两类方法：用放射性同位素作指示剂。如放射分析法、放射化学分析、同位素稀释法等。用粒子轰击样品，然后测定样品中放出的各种特征辐射的性质和强度。如活化分析、粒子激发X荧光分析、穆斯堡尔谱、核磁共振、正电子淹没和同步辐射等。,基本术语、定义,（2）标记用示踪原子或基团取代原化合物分子中的一个或多个原子、化学基团。按标记物分：放射性标记化合物如，Na18F稳定核素标记化合物人为改变化合物中某一元素的稳定同位素丰度到可以观测的程度的一类化合物。如15NH3，15N的天然丰度约0.4%非同位素标记化合物如，用75Se取代半胱氨酸分子中的S原子，制成硒标记的半胱氨酸。多标记化合物在化合物中引入两种或多种示踪原子。,基本术语、定义,按标记位置分：定位标记标记原子处在分子中的特定位置上，且标记原子的数目是一定的。均匀标记如，用14CO2通过植物光合作用制得带标记的葡萄糖分子，其中14C被统计性的均匀分布在葡萄糖分子的6个碳原子上。名义定位标记根据标记化合物的制备方法，理应获得定位标记分子，但实际在指定位置上分布的标记原子低于化合物中总标记原子含量的95%。全标记所有被标记原子都可能被标记原子取代，但由于被标记原子在分子中的位置不同，使得被取代的程度也可能不同。,基本术语、定义,7、放化分离核反冲核碰撞、核转变或核辐射作用赋予剩余核的运动。放射性标准源放射性活度在某一确定的时间内是已知的，可用作参考或比对。放射性纯度在含有某种特定放射性核素的物质中，该核素及其短寿命子体的放射性活度对该物质中总放射性活度的比值。放射化学纯度样品中以某种特定化学态形式存在的放射性核素所占百分含量。冷却通过放射性衰变使物质的放射性活度减弱。去污用物理、化学或生物的方法去除或降低放射性污染的过程。分为初步去污、深度去污、在役去污、退役去污、事故去污。用去污前后的放射性水平比值（去污因数）评价去污效果。载体以适量数量载带微量物质共同参与物理或化学过程的另一种物质。离子交换膜含离子基团的，对溶液里的离子具有选择透过能力的高分子膜。同位素效应由于质量数的不同而造成同一元素的同位素原子或分子之间物理和化学性质的差异。,基本术语、定义,8、辐射加工辐射交联高分子材料的微观线性长链在射线作用下，由二维结构变为三维网状结构。显著提高材料的物理、化学和机械性能，是目前高分子材料改性的主要手段之一。“热缩管”、“耐热电线”辐射接枝射线作用于基材产生自由基，与不饱和单体分子发生反应，将单体分子接枝在基材上，从而赋予基材某种特定的功能或性能。例如，丝绸接枝上丙烯酸或丙烯酸酯，可以显著改善丝绸的外观、力学强度、着色性能等，并保持丝绸本身的天然优点。辐射聚合将不饱和的单体配制的聚合体系进行辐照，引发自由基或离子聚合。优点：无需化学引发剂，不存在引发剂残基和片段，对生物和医药产品非常重要。还具有“冷聚合”的优点。辐射降解高分子链在射线作用下，产生自由基引发分子链重排，这种重排导致高分子主链断裂，形成小分子链，使高分子的性质发生变化。应用：生产聚四氟乙烯粉末，添加到油墨、涂料、耐磨油中；纤维素降解制成葡萄糖，海洋生物甲壳降解制成甲壳素。辐射灭菌和消毒利用高能射线破坏细菌或病毒的蛋白质分子结构和遗传物质，达到灭菌消毒目的。主要应用：医疗器械和药物消毒灭菌；食品保鲜。,基本术语、定义,9、辐射防护对核技术及相关行业的从业人员十分重要。辐射防护的目的：防止因电离辐射引起非随机性效应，同时限制随机性效应的发生概率，使之达到可接受的水平。我国规定：职业照射剂量限值为20mSv.a-1；公众照射剂量限值为1mSv.a-1.外照射防护原则：时间、距离、屏蔽；内照射防护原则：围封隔离、净化处理、密闭包容、废物处置。屏蔽防护：对，一般选用Pb等高密度金属、混凝土；对，选择有机玻璃和Al材料；对快中子，用原子序数较低的物质，尤其是含氢多的物质。如，B，水，石蜡。,1.3核技术应用及发展,目前，除军事用途外，核技术在能源安全、工业检测与加工、农业与林牧渔业、医学与生命科学、环境保护与治理、食品保鲜与物品消毒等诸多领域得到广泛应用。体现了核技术以下基本功能：获取信息；进行物质改性和材料加工；利用衰变能；,核技术在能源方面的应用,在民用能源方面，核能利用主要包括以下三个方面：利用重核裂变放出的巨大能量。如建造核电站、空间堆电源、核供热堆；用于船舶或潜艇的核动力装置。使用235U裂变能的核电，尽管较火力发电更加经济和环保，但也面临235U资源有限和乏燃料元件后处理等问题。利用轻核聚变放出更加巨大的能量。开发聚变堆，希望最终解决人类面临的能源危机。海洋中的2H储量估计可供人类使用109a。利用衰变能做成电池，如238Pu电池，用于宇宙探测器、人造卫星等。目前，核能发电约占世界总发电量的20%，其中法国核能发电量已占其总发电量的70%以上，接近80%。中国，不足2%。,核技术在工业领域中的应用,主要体现为生产过程中的分析检测、辐射加工、同位素示踪等。工业过程信息源各种同位素监控仪器仪表：核测井装置、测厚仪、核子秤、射线探伤机、集装箱检测系统、离子感烟火灾报警器等，用于资源勘探、监控生产流程、实现无损检测、探知火情等。辐射加工是核技术应用的重要领域，已在交联线缆、热缩材料、橡胶硫化、医疗用品消毒灭菌、食品辐照保鲜，以及废水、废气处理等领域取得显著成效。在发达国家，医疗卫生用品的辐射消毒约占钴源装量的80%，中国不足10%，发展前景远大；全世界用于集成电路的离子注入机约有3000多台，用于辐射加工的电子加速器超过1000台，钴源辐照装置约250座。,核技术在农业领域中的应用,主要的应用：辐射育种、辐射不育防治虫害、利用示踪技术改进作物施肥技术等。辐射育种利用射线诱发农作物种子基因突变，获得有价值的新突变体，进而培育成农作物的优良品种。我国辐射突变培育的新品种约占世界培育农作物新品种总数的四分之一，成就突出。辐射不育防治虫害利用射线对有害的昆虫进行适当放射剂量的照射，使其丧失生殖能力，不仅达到防治虫害目的，还避免因使用农药造成的环境污染。这种方法也叫“雄性不育法”。日本曾在久米岛对螺旋蝇运用过这一方法。利用核素示踪技术与有关技术结合如，采用核素示踪技术研究农作物的肥料吸收情况，改进施肥技术，增加农作物的产量。核技术为改造传统农业，促进农业发展走上环境友好之路发挥重要作用。,核技术在医学领域中的应用,主要的应用：核医学诊断、治疗及生命科学研究。核医学诊断主要采用辐射（多为X射线）和放射性核素，其中放射性核素诊断应用最广泛。体内显像诊断是将放射性药物引入体内，用仪器进行脏器显像或功能测定，目前已由单一SPECT、PET诊断发展到将SPECT、PET与