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1、,四川省金核辐照技术有限公司,核技术的应用王 维,什么是核技术？,核技术（nuclear technique）是指以核性质、核反应、核效应和核谱学为基础，以反应堆、加速器、辐射源和核辐射探测器为工具的现代高新技术。具有高的灵敏度、特异性、选择性、抗干扰性、穿透性等特点。广泛应用于国民经济各个领域，亦为自然科学的深入发展提供了可能性。开拓的重要交叉学科有核农学、核医学、同位素地质学等。此外，它在国家安全中占有重要位置。,1895年德国物理学家伦琴发现X射线，并拍摄了他夫人的左手指骨照片，开创了人类核技术应用的先河。,核技术发展概论,1896年，法国物理学家贝克勒尔发现了铀(U)放射现象，从此人类
2、进入了原子能的时代。,核技术发展概论,1896年，法国物理学家贝克勒尔发现了铀(U)放射现象，从此人类进入了原子能的时代。,The Neutron,核技术发展概论,1938年，德国物理学家哈恩发现核裂变现象。,核技术发展概论,链式反应：以中子为媒介而维持的自持的裂变反应。例如235U核吸收一个中子后发生裂变，同时平均放出23个中子，除去损耗，如果还有一个中子能引起另一个235U核发生裂变，则可使裂变自持地进行下去。,核技术发展概论,核技术诞生于20世纪初，自1895年伦琴发现了X射线和1986年H.贝克勒尔发现了铀盐的放射性后，随着镭和钚以及人工放射性的发 现，原子核模型的建立，同位素示踪概念
3、的引入等，随即将核科学技术的开创性知识投入应用，如夜光粉用于钟表业，X射线用于医学诊断，同位素示踪用于分析化学，镭应用于癌症治疗等。20世纪3040年代，反应堆、加速器和各种新型辐射探测器的研制成功，核技术得到迅速发展。军事上制成了原子弹和氢弹；能源工业方面，世界各国建造了大量的核电站；工业、农业、医学、地质、材料、考古、法学等领域都有核技术的贡献。到20世纪70年代，由于受到一些发达国家反核力量的抵制以及公众对放射性的非理性恐惧，核技术的发展及其应用受到一定程度的影响。然而，由于核技术的不可取代性及其重大的经济效益和社会效益，到了20世纪末又恢复了发展的势头。,核技术发展概论,然而整个二十世
4、纪，核技术、核物理不断地从理论和实验研究，互相依托，互相依存，不断发展。在发现天然放射性后，人们开始寻找可以产生不同能量离子束的装置，加速器应运而生。对于不同射线、不同能量的粒子探测鉴别、定性、定量，发展了相应的探测技术及电子学设备和技术。研究射线与带电粒子与物质的相互作用，对于有机体则产生生物变化、物理变化、化学变化，因而产生了辐射物理学、辐射生物学、放射化学、辐射化学以及辐射防护等等；同时还涉及到机械、射频技术、计算机技术、控制技术、成像技术等多项学科技术的交叉与融合，是现代科学技术的组成部分，也是当代高科技之一，是具有很强生命力和影响力且发展十分迅速的学科之一。,核技术发展概论,核技术发
5、展概论,广义上讲：指不包括理论研究的所有核科学技术的活动。其中人们常常把军用核技术，即发展核武器以及利用核能发电的核电站（核能工程）这两大领域单列出来。,狭义上讲：同位素技术辐射加工技术核分析技术核仪器仪表技术亦称：非动力核技术,核技术应用定义,核技术发展概论,核武器是当今有核国家外交政策的基石保持核威慑力量，防止核扩散，进行核裁军谈判。核武器仍然是不可替代的杀手锏。,核武器,核武器的分类及工作原理,1、核武器分类核武器可从释放能量原理、作战使用目的、运载（投送）方式等角度分类。（1）运载（投送）方式分类核导弹 核航弹 核炮弹 核地雷 核鱼雷 核深弹 核水雷,2、爆炸方式（1）大气层核爆炸（2
6、）高空核爆炸（爆炸高度大于30千米）（3）地（水）下核爆炸,核武器的分类及工作原理,3、核武器的杀伤破坏因素:瞬时杀伤因素：（1）光辐射（2）冲击波（3）早期核辐射（4）核电磁脉冲剩余核辐射：（5）放射性沾染,核武器的分类及工作原理,16,核电站,核电站又称核电厂，它指用铀、钚等作核燃料，将它在裂变反应中产生的能量转变为电能的发电厂。核电厂由核岛（主要是核蒸汽供应系统）、常规岛（主要是汽轮发电机组）和电厂配套设施三大部分组成。,由于核反应堆的类型不同，核电厂的系统和设备也不同。压水堆核电厂主要由压水反应堆、反应堆冷却剂系统（简称一回路）、蒸汽和动力转换系统（又称二回路）、循环水系统、发电机和输
7、配电系统及其辅助系统组成,核电站,1954年在库尔恰托夫的主持下，苏联建成了世界上第一座核电站奥布灵斯克核电站。从此，核电站便在世界各地蓬勃发展起来。,1942年，以费米为首的一批科学家在美国建成了世界上第一座“人工核反应堆”，首次实现了人类历史上铀核的可控自持链式裂变反应。,建造核裂变反应堆的目的,“中子源”,开展科学研究及实验,供热、发电或提供动力,核反应堆是使核能以可控方式释放的装置,1985年，我国第一座自行设计建造的核电站是秦山核电站,位于浙江省海盐县杭州湾口岸,优点：原料少；污染少。目前核电在全国电力中的比重只有1%强。2020年可望达到4%（4000万千瓦）。目前和今后几十年核电
8、的发展是以压水堆为主的核裂变能发电。(东南沿海各省)21世纪下半叶，受控热核聚变能有可能开始作贡献。,核电站,反应堆的分类,19,反应堆的功能：1 热能利用：发电，供热，或者动力2 生产新的核燃料3 生产放射性同位素4 进行中子的其它应用和科研,20,按使用目的分类,生产堆动力堆研究堆发电增值两用堆,反应堆的分类,21,按引起核裂变的中子能量分类,快中子堆中能中子堆热中子堆,反应堆的分类,22,按冷却剂、慢化剂分类,轻水堆（压水堆，沸水堆）重水堆石墨气冷堆石墨水冷堆钠冷堆,反应堆的分类,23,按核燃料在堆内分布形式分类,均匀堆：核燃料、慢化剂、冷却剂均匀混合在一起 非均匀堆：绝大多数堆型,反应
9、堆的分类,24,压水堆核电厂原理图,压水堆核电厂,25,三环路压水堆一回路系统,压水堆核电厂,26,沸水堆核电厂原理图,沸水堆核电厂,27,压水堆安全壳内纵剖面图,EPR核岛布置,特点：4个安全子系统，每个安全系统都可以独立完成安全功能每个安全系统有相互独立的厂房采用堆芯熔融物扩展区，防止安全壳底部融穿双层安全壳内层：预应力混凝土外层：钢筋混凝土,堆芯熔融物扩展区,安全厂房,反应堆厂房,EPR厂房布置浏览,特点：防飞机撞击主控室在两厂房之间安全厂房的两个分开布置，两个有足够厚的墙两个应急柴油机分开布置防震底部混凝土6m厚,主控室,乏燃料厂房,应急柴油机,EPR电厂布置,大亚湾核电站安注系统,高
10、压安注p100pa,低压安注p10pa,安注箱p60pa,秦山一期安注系统模拟图（ECCS）,大亚湾核电站化容系统,秦山一期 化容系统（CVCS）模拟图,大亚湾核电站给水系统,秦山一期给水系统模拟图,多重安全屏障和安全设施的关系,燃料芯块,燃料元件包壳,压力容器,安全壳,应急堆芯冷却系统,ECCS,安全阀,安全壳喷淋,可燃气体浓度控制系统,停堆系统,防止过热破损,过压保护,防止过热过压破损,防止氢气爆炸等,农业应用,“农业的根本出路在科技进步”，这既是西方发达国家已走过的道路，也符合我国人多、地少、科技落后这一国情。核技术在农业的应用包括辐照育种，食品保鲜，病虫害防治，低剂量辐照增产、农用同位
11、素示踪和核分析技术等。,辐照育种,辐照育种相对于传统育种的优点是突变率比自然变异率高100一1000倍；方法简便，且育种周期短；由于利用中子，离子束，射线等辐射，可引起生物体遗传器官的某些变异，从而达到高产、早熟、增强抗病能力、改善营养品质的目的；可改变作物的孕性，使自交不孕植株变为自交可孕的变异植株。,食品辐照储藏与保鲜,粮食、果蔬、肉食在制作、运输、储存与销售过程中，常因病虫害侵蚀、腐败、霉烂、高温发芽等而变质。据统计，由此引起的损失可高达20%30%。优点：节约能源；具有保鲜能力，冷加工技术，保持原有的色香味；穿透力强；安全卫生；改善食品品质；操作简便，易于实现自动化。食品辐照不需化学添
12、加剂，不存在化学保存法带来的残留毒性；保存时间长，辐照处理过的食品在密封条件下几乎可无限期保存；由于杀茵效果好，辐照食品特别适用于航天员、野外作业人员，以及特护病人，作为无菌食品食用。达到效果：抑制发芽、杀菌、杀灭害虫、保鲜。,病虫害防治,昆虫辐射不育是一种采用核辐射防治病虫害的有效技术。昆虫辐射不育技术的原理是：在电离辐射作用下，昆虫会丧失繁衍能力。现在全世界已有几十个国家对上百种害虫进行了辐射不育研究，用辐照处理使其不育，然后放飞到大田，使果蝇无法繁衍后代而绝种。由此每年带来的经济效益，据国际原子能机构统计，可达数十亿美元。,低剂量照射增产,一定剂量的辐射可促进生物体的生长发育，这种现象称
13、为辐射刺激生长作用。一些作物的种子、鱼卵和蚕蛹经辐照处理后，可具有早熟、抗病、增产等特点，运用这一核辐射技术可在相同的栽培或饲养条件下达到优质高产目的。,同位素示踪,定义：将可探测的放射性核素添入化学、生物或物理系统中，标记研究材料，以便追踪发生的过程、运行状况或研究物质结构等的科学手段。,1923年，Hevesy 在丹麦玻尔实验室工作期间，将豆科植物浸泡在含有天然放射性核素210Pb(RaD)和212Pb(ThB)的铅盐溶液中，研究植物吸收铅的机制(分布和转移)。结果发现：铅全部被吸附在根部。,1949年，Calvin用14C揭示了光合作用,同位素示踪,同位素示踪与核分析技术：（1）微肥与微
14、施技术（2）光合作用与固氮机理研究（3）农业生物工程（4）植物营养代谢及肥效研究,工业应用,辐射加工,辐射加工技术是利用电离辐射与物质相互作用产生的物理学、化学和生物学效应，对物质和材料进行加工处理的一种核技术。几种辐射效应：交联、聚合、接枝、降解。交联：辐射交联电线线缆，优点与应用领域，美国应用情况；电子束硫化处理橡胶，优点。聚合：聚甲基丙烯酸甲酯（防弹玻璃）、聚丙烯酰胺（絮凝剂、增稠剂、减阻剂、分散剂）接枝：离子交换膜、生物医学工程中的应用。降解：交联逆过程，聚四氟乙烯应用,润滑油配方。,辐射加工,高分子聚合物辐射交联的商业产品,辐射加工,辐照电缆,辐照塑料制品,此外还有人造皮肤、隐形眼镜
15、（辐射交联水凝胶）、涂层表面固化、超级吸水材料等也都用到辐射加工技术提高材料性能。,133Xe-地下管道检漏,ICT的应用,无损检测 质量控制、物件的组成、结构、材料等 精密器件的内部探伤安全检测 集装箱安全检测 航空箱检测 打击走私,集装箱CT,探测器,阵列探测器说明：采用超高压气体阵列电离室，共512个探测单元，用来测量射线穿透集装箱后的射线强度。呈扇形排列在以放射源为圆心的弧线上，并与经准直器准直的射线束精确对准。,福来尔轿车透视图上图：水平透视图；下图：垂直透视图,汽车内部结构扫描,CT 截面扫描图左图：前轮部位；右图：后轮部位,从中可以清晰看出前轮部位减震器弹簧、轮胎等的结构截面，后
16、轮部位的备胎、车厢等截面也很清晰。,集装箱检测,集装箱和车辆检测系统,安全检测,物性判别：汽油、炸弹等危险物品例如，同是液体的水和汽油的密度分别是1.0 和0.7，很容易区分。,航空箱的断层图像,箱中有3个塑料瓶子,里面灌满了汽油(左瓶)、水(中瓶)或是一半汽油一半水(右瓶)。从图中可以清晰看到瓶中不同性质液体的灰度明显不同。此外,在一盒黄油脂内埋藏一块肥皂,利用断层图像也能轻易分辨出来。图中两个灰度不同的圆分别显示聚乙烯棒和聚四氟乙烯棒的截面。此图像充分表明CT 检测系确实具备了物性判别的功能。,小型X射线检测系统,安全控制,质量控制,核检测技术,核子密度计,例如：选矿工艺中矿浆和浮选液浓度
17、的在线检测和控制；油田和石油化工过程中油品含水率的测定；选煤厂选煤液密度的检测和控制；化工厂酸、碱、盐的浓度以及各种成分配比的在线检测；造纸厂纸浆浓度的测定和控制；江河中水流含沙量的测定。,用途：各种料液浓度的在线检测和控制。也可通过密度而间接测定出料液中某种成分的含量、以及两种物料的本比等。,核子(皮带)秤,原理：利用物料对射线的吸收原理。放射源发出的射线穿过穿透输送机上的物料后，强度减弱，物料越多，减弱的程度越大，探测器接受的射线强度也减少，根据探测器输出脉冲数变化，就可以测出输送机上物料的多少。如果同时测出输送速度，则物料 对速度之积分就是单位时间传送 物料的重量。,料位计及料位开关,原
18、理：检测射线穿透料仓或管道中物料后的强度，根据射线强度的变化来计算、判断物料的料面水平，控制物料的输送。放射源安装在料仓或管道的一侧，探测器安装在另一侧。,料位计及料位开关,用途：用于工业过程中对料位和液位进行定点检测和报警控制，适合于各种恶劣环境下长期使用。也可用于对运动状态的设备和工件进行定位检测或定位控制。更可推广应用到对运动物体的速度和长度、宽度进行非接触式检测。如可用于矿山、煤炭、电力、钢铁、冶金、水泥、化肥、化工等系统进行料位上下限的检测和报警控制；可用于矿车、料斗油罐等的灌装控制，运输车、斗的遥控定位。高温、高压、腐蚀性液体的液位控制。食品、饮料自动生产线的罐装自动控制等。,射线
19、测厚仪,接触式测厚机械测厚法。非接触式测厚射线测厚法、超声波测厚法、光学测厚法，等等。,射线测厚仪,(1)射线测厚仪,(2)X射线荧光测镀锌板的镀层厚度,原理：利用241Am放射源产生的射线直接照射在镀锌的薄板上，激发出锌和铁的特征X荧光。X荧光经正比计数管探测后得到Zn和Fe的能谱曲线，根据谱线的峰面积大小求出锌层的顶部、底部及平均厚度。,射线测厚仪,美国EMC公司研制X-RAY在线测厚仪,矿石品位仪,(1)原理：采用电子对效应和散射光子联合测定方法。当铁原子和高能射线发生相互作用时，产生电子对的几率远远大于矿石中的其他元素，对湮没辐射和散射光子的混合谱进行分析，就可得到铁的品位值。,(2)
20、用途：用于矿石或矿粉输送过程中铁品位的在线连续检测。,(3)特点：用电子对效应测量铁矿石(或矿粉)中铁的品位，不受矿石的颗粒度、密度、疏松度、环境等外界因素的影响。,矿浆品位仪,原理：多能量吸收法，选取合适的射线能量，使测量不受矿石粒度、浓度和成分变化的影响。用途：铁矿石处理工艺中原矿、精矿、尾矿液流中的铁品位和沙石含量的在线检测和控制；,煤质及灰分测量,煤灰份是煤的品质的重要指标。现在通用的方法是化学检验法，但化学检验法存在着比较大的滞后性，无法在线检验，这样就给生产或使用造成不可避免的损失。,核测井,石油核测井：搞石油的工作者伸向地层深处的眼睛,核技术+医学=核医学，放射性药物、核医学成像
21、、放射治疗。放射性药物：包括体内和体外放射性药物，体内药物用于诊断治疗，体外药物用于放射免疫分析和受体放射分析。“生物导弹”、锝99的应用 微量元素测量、“核酸探针”。诊断药剂约有100多种,2000年美国市场销售额为为7 亿美元,估计2020年可达160 亿美元,核治疗药剂在美国2000 年的销售额为0.62亿美元,预计2020年可达60 亿美元。,医学应用,核成像技术,医学CT(MCT)X射线断层扫描(XCT)核磁共振CT(NMR-CT)正电子发射CT(PET)同位素单光子发射CT(SPECT)康普顿散射CT(CST)穆斯堡尔效应CT工业CT(ICT)X射线CT 伽玛射线CT,核成像技术,
22、核成像技术的共同原理：利用与核有关的物理量在被测对象中的衰减规律或分布情况，获得物体内部的详尽信息，通过电子计算机对这些信息作快速处理，最终重建被测物的内部图象。它们的数据获取部分，从物理原理到具体结构均可相距甚远；但它们的数据处理部分则都基于计算机信息处理和图象重建技术。,相机,相机,相机是一次成像的医疗设备，它主要由探测器（包括准直器，闪烁晶体光电倍增管等），电子学读出系统和图像显示纪录装置等几部分组成。,CT的基本原理,计算机断层成像技术(CT)Computerized Tomography：是一种重要的无损检测技术，是物理学与计算机科学的发展产物。基于射线与物质的相互作用原理，通过投影
23、重建方法获取被检测物体的数字图像。通过测量在不同的方位角下射线穿透被检测物件后的投影强度，计算出物件横截面上的衰减系数分布，转换成像屏显示的断层成像。CT装置所得到的是被检客体的断层图像。在此图像上，客体内各部分是分离的，而图像的灰度值正比于物质的密度。由于各种物质都有自己特定的密度，因而可能由CT图像灰度值来确定被检客体的材料性质。,医疗器械的灭菌消毒,日本过去曾是肝炎高发区，但自从采用一次性医疗器械辐照消毒灭菌技术后，近年来已基本消灭了肝炎交叉感染，肝炎患者大为减少。受1989年保护环境的“蒙特利尔议定书”规定的制约：常规的化学ETO灭菌法因具有强致癌效应并污染环境被禁用。2015年以后化
24、学灭菌方法被彻底从医疗用品消毒灭菌中排除后，辐射灭菌消毒必将成为主流。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用化学熏蒸法进行灭菌。,射线消毒,医用电子直线加速器,放射性显影诊断肝病,射线诊断,CT,铱源治疗机,用光子刀治疗,三维CT模拟定位计划系统,将放疗专用螺旋CT、激光定位系统和三维治疗计划系统通过网络相连接，就形成了集影像诊断、肿瘤定位、剂量计算和治疗计划为一体化的三维CT模拟定位计划系统。,核年代学(同位素测年),地质时代考古文物鉴定,核技术的其它应用,光刻与微加工,辐射线,光刻微加工示意图,同步辐射光的准直性好、强度高和衍射极小的优点，大大缩小光刻线的线宽。,光刻：,掩膜,基底,抗蚀结构,显影,同步辐射已经可以制造0.07mm的芯片。,抗蚀剂,美国IBM公司光刻线宽为0.25微米的芯片,超微加工,微型齿轮与蚂蚁,微型齿轮高度:150m直径:260m,上世纪80年代发展了一种叫做LIGA的技术，它可以制作微齿轮、微马达、微泵、微照明灯具、微传感器等。这种微机械加工可得到线条宽度为几个或几十个微米、高度为几十到几百微米的机件。,民用核技术的应用,谢 谢！,
