2018-2020 核技术应用学科发展报告 - 国家原子能机构

2018-2020 核技术应用学科发展报告

中国核学会编著

中国科学技术出版社

目录

序

0.前言综合报告.......................................................................................... 1

1.研究实验堆............................................................................................ 67

2.粒子加速器............................................................................................ 97

3.放射性同位素技术.............................................................................. 119

4.核探测与核电子技术.......................................................................... 143

5.核仪器与仪表及其应用...................................................................... 164

6.核技术在工业领域的应用.................................................................. 179

7.核技术在医学领域的应用.................................................................. 202

8.核技术在农学中的应用...................................................................... 223

9.核技术在社会安全领域的应用.......................................................... 236

10.大科学装置........................................................................................ 252

前言

科技是国家强盛之基，创新是民族进步之魂。党的十九

届五中全会提出“坚持创新在我国现代化建设全局中的核心

地位，把科技自立自强作为国家发展的战略支撑”。核技术应

用这一学科与物理学、放射化学、医学、农学等学科有密切

的联系，涉及电子技术、射频技术、计算机技术、控制技术、

成像技术等多种技术的综合运用，不仅对我国科技发展有较

强带动作用，而且在推动产业转型升级、提高人民健康水平、

维护社会安全稳定、加强生态环境保护等方面发挥重要作用。

掌握核技术应用发展态势和规律，明确学科发展的重点领域

和方向，培育具有竞争新优势的战略支点和突破口，对促进

核技术应用创新发展具有重要意义。

2020 年 3 月，中国核学会正式立项开展“2018-2020 核

技术应用学科发展”的研究工作。为了更好地完成此项工作，

中国核学会成立了由百余位长期从事核技术应用学科研究

的专家、学者组成的编写团队，以及由周永茂、李冠兴、叶

奇蓁、柴之芳、欧阳晓平、李建刚、邓建军、赵振堂、罗琦

组成的院士指导团队。

我国核技术应用产业自“十三五”正式纳入国家加强前瞻

布局的战略性新兴产业后，展现了巨大的发展潜力和经济效

益，以及不可估量的社会效益。2020 年新冠肺炎疫情突然而

至，核技术“临危受命”，在疫情防控、辐射灭菌消毒和医疗

废物处理等方面都发挥了重要的作用，为打赢疫情防控阻击

1

战提供保障。“十四五”以及今后更长时期，核技术将为我国

扩大内需、保持经济长期持续健康发展以及满足人民日益增

长的美好生活做出突出贡献，成为我国深度融入全球经济、

顺畅国内国际循环联通不可或缺的重要力量。

《 2018—2020 核技术应用学科发展报告》是继

《2016—2017 核技术应用学科发展报告》之后，中国核学会

撰写的第二份核技术应用学科发展报告。该报告在院士指导

团队的建议下，增加了“大科学装置”和“研究堆”两个新专题，

由综合报告和 10 个专题报告组成，重点展现了近三年国内

外核技术应用学科及产业的发展现状、动态和趋势，力图充

分反映核技术应用发展的新成果、新突破和新趋势，为各位

读者提供一本实用性和可读性强的学科发展报告。

在本报告的研究和编撰过程中，受到了许多专家、学者

的关心，收到了诸多中肯和有益的意见或建议，谨向他们表

示感谢。

由于编者水平有限，本报告涉及内容颇多，挂一漏万等

不足之处在所难免，敬请读者批评指正。

中国核学会

2021 年 2 月

2

2018-2020 核技术应用学科发展报告：综合报告

2018-2020 核技术应用学科发展综合报告

一、引言

核技术是以核科学研究中所揭示出的原子核结构与变化规律及

其固有和伴随产生的物理现象为基础，研发反应堆、加速器、放射性

同位素、核探测器和核仪器仪表等，并以这些装置为工具开展实际应

用的现代高技术。核技术一般分为核武器技术、动力核技术、非动力

军用核技术和非动力民用核技术（亦称核技术应用）。本报告中所述

核技术应用主要指非动力民用核技术，分为加速器技术、放射性同位

素技术、核探测与核电子学技术、核仪器仪表以及核技术在医学、农

学、工业、社会安全领域的应用。鉴于大科学装置和研究实验堆是我

国核科研基础设施水平和装备制造能力的集中体现，在核科技发展过

程中起到无可取代的作用，本报告对其发展现状与趋势亦有介绍。

核技术应用涉及多学科的交叉融合以及多种技术的综合运用，促

进工业技术改造和产业转型升级，成为推进新技术、新材料、新工艺、

新方法不断取得创新发展的趋动力之一；推动环保事业发展，应用于

大气污染物监测、水体和各类环境样品分析以及辐照净化废气、废水、

废物等方面；提高医疗技术水平，粒子束治疗设备、核诊断仪器、放

射性药物等在疾病的预防、诊断和治疗中发挥着不可取代的作用；深

化绿色农业革命，植物辐射诱变育种、农产品和食品辐射加工、同位

素示踪和溯源技术、昆虫辐射不育等技术促进农业现代化发展；保障

社会安全，X 射线、γ射线、中子等探测技术为航空、铁路、海运、

3


公路等客运和货运安全检查提供“火眼金睛”。核技术应用已经成为

当前国防建设与国民经济发展不可或缺的重要领域，其发展深刻影响

着世界各国的科技进步、经济发展和人民健康，是世界大国必争的战

略制高点和优先发展的重要产业方向。

国际原子能机构（IAEA）曾在一份报告中指出：“就应用的广度

而言，只有现代电子学和信息技术才能与同位素及辐射技术相提并

论。”目前全球已有近 150 个国家和地区开展了核技术应用的研究与

开发，其中美国、日本等发达国家的核技术应用产业规模均已超过了

核电产业规模，成为推动其经济增长的重要力量。美国核科学顾问委

员会发布的《国家同位素未来需求》显示，美国 90 年代中期产值已

超过 2000 亿美元，是核电产值的 3.5 倍；创造就业岗位 370 万个，

是核电产业的 9.3 倍；2009 年美国仅同位素与辐射技术产值已达到

6000 亿美元，占当年 GDP 比例的 3%左右。韩国辐射应用行业正在

积极从事大型设施和放射源技术的开发，2014 年应用辐射及放射性

同位素产生的收入（经济规模）总计约 16.53 万亿韩元，约占当年

GDP 的 1.11%，相比于 2013 年增加了 1.7%[1]。2015 年，日本的辐射

应用经济规模约为 43 700 亿日元，约占当年 GDP 的 0.86%[2]。据韩

国辐射应用协会的研究人员预计，2011 年至 2020 年全球辐射及放射

性同位素应用的产业规模增长约 2.7 倍。此外，材料、设备和药品行

业涵盖了全球辐射应用市场的 75%以上，并预计以 11.7%的年平均增

长率增长[1]。

我国核技术经过几十年的技术积累，经历了科研开发、产业化和

4


快速发展三个阶段，不断与各行各业融合渗透，已进入高速发展期，

嵌入到国民经济各个领域，创造了许多新模式、新业态，深刻改变了

我国的经济社会发展面貌。截至 2019 年底，全国从事生产、销售、

使用放射性同位素和射线装置的单位共 78 802 家，较 2015 年增长

20.25%；在用放射源 146 291 枚，各类射线装置 198 321 台，分别较

2015 年增长 19.50%和 44.43%[3-7]。根据涉及核技术应用核心企业的

增长速度估算，2019 年，我国核技术应用产业的年产值保守估计约

为 5000 亿元（约占当年 GDP 的 5‰），是 2010 年的 5 倍，年增长率

保持在 15%~20%，按照此增长速度计算，我国核技术应用产业的年

产值有望于 2023 年突破万亿。

图1.1 2015-2019年全国从事生产、销售、使用放射性同位素和射线装置的单位数量

-通用格式 -通用格式

第第

0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

70000

80000

90000

2015 2016 2017 2018 2019

生产、销售、使用放射性同位素和射线装置的单位

生产、销售、使用放射性同位素的单位

生产、销售、使用射线装置的单位

5


图 1.2 2015-2019 年全国在用放射源及各类射线装置数量

图 1.3 2002～2019 年核技术应用年产值增长情况

我国核技术应用产业自“十三五”正式纳入国家加强前瞻布局的

战略性新兴产业，展现了巨大的发展潜力和经济效益，以及不可估量

的社会效益。“十三五”期间，核技术应用研发水平和自主化能力不

断提高，在工业辐照钴源及加速器、安检产品等一些领域已经改变进

口依赖的局面，主导制定的国际标准《IEC 62976-2017 工业无损检

测设备——电子直线加速器》《IEC 62963-2020 辐射防护仪器——瓶

0

50000

100000

150000

200000

250000

2015 2016 2017 2018 2019

在用放射源各类射线装置

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

2002年 2006年 2010年 2015年 2020年

年产值（亿元人民币）

6


罐液体 X 射线 CT 检测系统》先后发布；核技术应用产业化进程显著

提速，在加速器制造、放射性同位素制备等领域形成了一定规模的生

产能力，在公共健康、辐照加工、公共安全等领域出现了迅速增长和

明显加速的可喜势头；核技术应用受关注程度提升趋势明显，在中核

集团 2020 年举办的首届科技创新大赛中，867 个参赛项目中涉及核

技术应用参赛项目过半，多个项目受到社会资本青睐，实现对接或达

成合作意向，体现了核技术应用事业蓬勃的发展势头。

特别是在 2020 年抗击新冠肺炎时期，核技术在疫情防控、辐射

灭菌消毒和医疗废物处理等方面都发挥了重要的作用。中核集团发挥

核技术在辐照消毒等方面的优势，将原来需要 7 到 14 天的消毒灭菌

时间缩短至 1 天以内，所属辐照站为 228 万套医用防护服、2011 万

副医用乳胶手套提供了免费辐照灭菌服务；为切实防止新冠病毒通过

冷链物流渠道传播，中核集团联合军事科学院、清华大学等科研高校，

共同开展冷链食品新冠病毒防控辐照消毒技术攻关，利用 2 种模拟新

冠病毒开展了系列辐照灭活工艺实验，模拟实验表明较低的辐射吸收

剂量就可以达到灭活效果，且对食品安全不构成影响，辐照技术有望

用于进口食品新冠病毒消杀的工业化应用。中电科研发的全过程无接

触测温安检安防一体机，为科学防控疫情发挥了重要作用。中广核联

合清华大学核能与新能源技术研究院紧急为湖北十堰研发污水处理

设备和建设电子束处理医疗废水科技示范工程，5 月中旬项目建成投

产，日均处理污水能力为 400 吨，有效降解污水中的抗生素结构，突

破了常规标准对医院污水中抗生素去除的要求。

7


我国核技术应用产业已成为当前国防建设与国民经济发展不可

或缺的重要领域，经济规模显著提升并超过日本和韩国，取得了令人

瞩目的成就。但于我国人口众多，基层核技术应用还很薄弱，一些先

进设备和检查项目人均占有量与发达国家相比还有较大差距，核心技

术、关键零部件、重要原材料受制于人的情况仍然存在，作为世界第

二大经济体，我国核技术应用无论是在学科发展还是在产业开发上应

更有作为。

党的十九届五中全会把科技自立自强作为国家发展的战略支撑，

并提出以推动高质量发展为主题，以深化供给侧结构性改革为主线，

以改革创新为根本动力，以满足人民日益增长的美好生活需要为根本

目的，统筹发展和安全，加快建设现代化经济体系，加快构建以国内

大循环为主体、国内国际双循环相互促进的新发展格局。核技术应用

对我国科技发展有较强带动作用，在推动产业转型升级、提高人民健

康水平、维护社会安全稳定、加强生态环境保护等方面发挥重要作用。

“十四五”以及今后更长时期，核技术将为我国扩大内需、保持经济

长期持续健康发展以及满足人民日益增长的美好生活需要做出突出

贡献，成为我国深度融入全球经济、顺畅国内国际循环联通不可或缺

的重要力量。

二、国际核技术应用发展现状与趋势

2.1 国际加速器发展现状与趋势

2.1.1 医用加速器技术高速发展

国际电子直线加速器放疗设备的市场规模大约为每年 50～60 亿

8


美元且仍处于快速发展之中，预期未来五年市场规模将增长 30%左右。

目前国际上放疗设备市场主要由瓦里安与医科达主导，西门子虽然在

21 世纪初关闭了放疗相关的业务，但在 2020 年收购瓦里安后又重新

回到放疗市场。在小型化的需求促使下，X 波段加速器因能够大幅降

低设备整机重量、简化机械设计等优点成为研究热点，但目前相关加

速结构和磁控管的研制还不够成熟。

世界范围内共有约 110 台质子和重离子治疗装置，主要集中在美

国、欧洲和日本等发达国家。在装置研发方面，核磁引导的质子治疗

装置研发趋向成熟，超高剂量率的 FLASH 研究逐渐成为热点。据国

际离子治疗联合会数据，截至 2019 年底，全球共有近 26 万例患者接

受了离子治疗，全年增长 3875 例，其中质子治疗占总数的 85.5%，

碳离子治疗占 13.1%。

短寿命同位素生产回旋加速器主要是采用能量大约 30MeV 的强

流质子回旋加速器，生产企业包括 IBA、加拿大 Ebco 和住友等；能

量为 50~100MeV 的同位素生产加速器，大多存在于核物理实验室，

在基础研究之外提供束流生产医用同位素，如南非的 200MeV 分离扇

回旋加速器、美国 LANL 的 800MeV 质子直线加速器等。

2.1.2 辐照加速器技术深度发展

辐照电子直线加速器的研制主要在向高能高功率、自屏蔽和电子

束转换 X 射线技术三个方面集中发展。俄罗斯开展了能量 10 MeV、

束流功率 100 kW 多腔型电子直线加速器研制；加拿大可设计提供 10

MeV 80kW S 波段电子直线加速器；美国高功率速调管的研发处于国

9


际领先地位，L-3、TitanScan 公司研制出的自屏蔽 S 波段高能电子直

线加速器辐照装置，加速器能量 5～10 MeV,电子束平均功率 4～6 kW；

比利时、俄罗斯研制电子束转换 X 射线技术用于辐照加工，7.5MeV

电子直线加速器电子束转换 X 射线效率在 60 度内不到 14%，有待进

一步提高。

美国、俄罗斯、日本、比利时和法国等国根据辐照加工产业的需

求，研发了不同能量和功率的高压型加速器，产品逐渐向低能段和高

能段拓展，功率、功率转换效率以及产品质量、自动化程度不断提高，

6 MeV 的地那米型加速器和“宽束机”全新型多灯丝电子帘加速器等

特色新产品涌现。IBA 推出了能量为 10 MeV、束流功率从 45 kW 到

150 kW 的梅花瓣型辐照加速器，具有能量可调、连续波、束流功率

高等优点。

2.1.3 各类应用型加速器技术稳中有进

无损检测在国外的发展与应用趋于稳定，主要在加速器小型化、

自屏蔽技术等方面不断改进，电子束能量范围降至 0.5～4MeV 以提

高分辨能力，或将电子束能量提高（大于 9 MeV）以提升对特定物质

的高分辨率。

强流中子发生器 D-T 中子产额大于 1013

n/s；密封中子管技术在

发达国家已达到了较高的水平，并实现了小批量生产，代表性的厂家

有法国的 SODERN 公司、美国的 MF Physics、德国的 NSD Fision 等；

紧凑型中子发生器近年来高速发展，美国的劳仑斯伯克利国家实验室

开发多种型号的紧凑型强流中子发生器，D-D 和 D-T 中子产额的最

10


高指标别达到了 1011

n/s 和 1013

n/s 量级。

离子注入机技术日趋成熟并高度产业化，各种类型的高精度和高

自动化离子注入机早已实现批量生产，主要发展趋势是束流性能的进

一步提高、超低能注入技术和一些特殊注入技术的发展，瓦里安、

AXCELIS 和 AMAT 等均研发了注入能量最低可到 0.2 keV 的机型；

应用于二维材料离子注入的能量可低于 100 eV 的超低能注入技术目

前也受到越来越多的关注；离子注入机-电镜联机、超大剂量金属改

性注入、高能量多电荷态注入以及 SiC 注入等特殊注入技术也在不断

发展之中。

2.2 国际放射性同位素发展现状与趋势

2.2.1 全球或将面临同位素严重短缺

全球范围内，一直主要依托核研究机构的反应堆进行同位素生产，

如加拿大 CNL 的 NRU、荷兰 NRG 的 HFR、比利时 IRE 的 BR2、南

非 NTP 的 SAFARI-1、澳大利亚 ANSTO 的 OPAL、俄罗斯 WWR-TS

与 BOR60 等，主要进行 14C、89

Sr、99Mo、125

I、131I、177

Lu 等同位素

的大规模商业化生产并向全球供应。除加拿大 NRU 已经于 2018 年 3

月关停外，未来几年里，几个重要的反应堆即将关停，从而将减少同

位素的供给。荷兰 HFR 堆将于 2024 年关停（99Mo 堆照能力 4500 Ci/

周），比利时 BR-2 堆将于 2026 年关停（99Mo 堆照能力 3500 Ci/周），

南非SAFARI-1堆（99Mo堆照能力 3000 Ci/周）与波兰MARIA堆（99

Mo

堆照能力 2700 Ci/周）将分别于 2030 年关停。这四个反应堆生产的

裂变 99Mo 目前占全球裂变 99

Mo 市场供应 65%。

11


到 2030 年，预计国外将仅有 3 座反应堆 OPAL（2057 年退役）、

FRM-Ⅱ（2054 年退役）与 RSG-GAS（2037 年退役）可用。其中印度

尼西亚 RSG-GAS 只生产少量 99Mo 满足本土需要，届时只有澳大利

亚 OPAL 与德国 FRM-Ⅱ仍具备向全球供应 99Mo 的能力，两座反应堆

周生产能力为 6500 Ci/周，而市场预测 2030 年医用 99Mo 全球需求为

16900 Ci/周，因此将约有 10000 Ci/周的市场缺口[8]。与此同时，随着

四个堆的关停，其所具备的 14C、89

Sr、125I、131

I、177Lu 等同位素产能

也将消失，导致这些重要同位素面临短缺风险。如果不新建新反应堆

或开发新技术进行同位素生产的话，全球均将面临同位素严重短缺。

2.2.2 低浓铀靶件生产裂变 99Mo 成为发展趋势

国外 70%的裂变 99Mo 生产商包括南非 NTP、澳大利亚 ANSTO、

荷兰 CURIUM、比利时 IRE、阿根廷 CENA 等已经完成了 LEU 转化，

少数生产商如俄罗斯 KARPOV 等正在进行 LEU 转化。自 2009 年以

来，美国一直致力于非高浓铀生产 99Mo 的技术研究。近年来，为促

进美国 99Mo 的本地化，美国政府资助多家公司研发新型 99

Mo 生产技

术，同时也加快了 99Mo 生产能力建设。2016 年美国核管会批准了

SHINE 医疗技术公司建设使用加速器驱动次临界装置辐照 LEU 溶液

生产 99Mo 的生产设施，计划于 2021 年开始 99

Mo 的商业生产。2018

年 1 月，领先的核医学解决方案提供商 Curium 公司已完成只用低浓

铀生产 99Mo 转换靶件的制造，使目前世界上销售的 99

Mo 中不使用高

浓铀生产的比例达到 75%。加拿大 TRIUMP 在政府支持下研发了质

子轰击 100Mo 靶件生产 99m

Tc 的技术。美国北极星医用放射性同位素

12


公司在 2018 年开始使用非高浓铀靶生产 99Mo。

2.2.3 加速器同位素制备技术发展迅速

国际上加速器同位素制备技术发展非常迅速，从经典的 18F、15

O、

13N 和 11

C 的生产，到 64Cu、89

Zr、124I、68

Ge(68

Ga)、47Sc 等同位素研

发，其中潜在的治疗用放射性同位素种类非常多。放射性治疗同位素

包括发射 β-、α、俄歇电子、X-射线的同位素，目前只有有限数量的

得到应用。由于大部分的 α同位素生产价格昂贵，其特定的衰变链和

加速器束流等条件使其生产方式受到限制，而相对很低的同位素丰度

又导致其在分离纯化时很困难，因此，到目前为止大部分 α同位素还

处于标记物制备及动物实验阶段，225Ac、211

At、213Bi 等进入临床试

验阶段，只有 223Ra 获得 FDA 批准上市。

国外专用于放射性同位素制备的回旋加速器以 PET 专用小型加

速器为主。在加速器生产的同位素中，18F 使用量约占核医学诊断用

同位素用量的 20%，主要在医疗单位自行制备。日本、美国、芬兰等

具有 64Cu、89

Zr 等新型 PET 同位素的批量生产能力。加拿大、美国、

俄罗斯等具备 223Ra、225

Ac 等加速器生产治疗用同位素的成熟制备技

术。

2.3 国际核探测与核电子学发展现状与趋势

2.3.1 各类性能优异的新型探测器不断涌现

得益于核辐射探测器材料、制备工艺技术、微电子学器件技术以

及信息处理技术等方面的突破，涌现了一系列性能优异的探测器。在

气体探测器领域，电离室探测器仍然是核反应堆芯、堆外重要的中子

13


探测器以及厂区环境剂量监测用探测器，球形电离室、重离子电离室

等新产品相继研制成功。在闪烁体探测器领域，为配合高能物理和 X、

γ射线成像方面的应用，在原来的 NaI（Tl）、CsI（Tl）、BGO、CdWO4

基础上又研制了氯化镧（LaCl3）、溴化镧（LaBr3）、铝酸镥（LuAP，

LuAlO3）、硅酸镥（LSO，Lu2SiO3）、硅酸钆（SCD，Gd2SiO4）、

硫氧化钆（GOS，Gd2O2S）和铝酸钇（YAP，YAlO3）。在半导体探

测器领域，切割型高纯锗探测器的进展显著，可以应用于伽马径迹谱

仪、辐射源成像、天体物理和核医学、低本底计数装置、核爆炸监测

系统等领域；宽禁带半导体探测器发展迅速，金刚石、SiC 等新型探

测器器件的研制和应用具有一定基础。

2.3.2 核电子技术和抗辐射加固性能取得长足进步

核电子技术的发展得益于微电子技术迅猛发展的带动，集成度与

性能得到了大幅提高，抗辐射加固性能也取得了长足的进步。随着微

电子技术的发展，核电子朝向更高性能、更高集成度的方向发展。在

国防和宇航电子方面的供应上，即便美国也面临着技术更新太快、军

用电子生产线相对商用电子生产线而言更陈旧等问题，随着商用电子

迁移到更新的商用工艺上，军用电子生产线的维护成本上升，投产减

少，使得生产线的稳定性、良率、可获得性都面临巨大压力。在核电

子系统中，除核探测传感器之外的放大器、滤波器、信号处理电路等

需要进行辐射防护，及采取必要的辐射屏蔽等被动防护之外，可以从

软件、硬件、设计、工艺等各方面主动提高电路的抗辐射性能。尤其

是空间核辐射探测系统中，电子系统的辐射加固性能是最重要的考核

14


指标，传感器之外的电路性能退化或功能失效，同样会引起探测系统

的失效。

2.4 国际核技术在应用领域的发展现状与趋势

2.4.1 通用核仪器仪表已全面实现系列化、智能化

国外核仪器厂家众多，其中凭借多年“垄断式”的发展，美国

CANBERRA公司和ORTEC公司已成为全球通用核仪器行业的翘楚，

其他知名的国外核仪器厂家包括：美国 AMETEKORTEC 公司生产高

纯锗（HPGe）探测器、核电子学仪器及 NIM 插件等；Thermo Fisher

Scientific 公司主要生产类型齐全的便携、污染、辐射环境测量仪表和

热释光（TLD）剂量产品；法国 MGP 公司、德国 Berthold 公司、

AUTOMESS 公司等。上述知名公司产品几乎覆盖了所有通用仪器设

备，且具有高指标、高稳定性、高集成度的特点，基本上全面实现了

系列化、智能化、数字及网络化以及现场化。

2.4.2 国际核设施仪器仪表发展呈现退缩状态

福岛事故以后，国外核电的发展受到抑制，对核设施仪器仪表的

需求不旺，但对主要核设施仪表的研发和改进仍在进行，主要体现在：

一是堆内核测仪器仪表由间断测量向在线连续测量方向发展；二是堆

外核测仪器仪表主要采用三个量程探测器以覆盖热中子通量变化超

过 10 个量级的测量；三是核测量系统逐渐从模拟量控制向全数字化

控制方向发展，其数据处理部分基本上实现数字化。国外核电仪控厂

商有阿海珐、西门子、三菱、西屋、英维思等。随着国内核电 DCS

产品的开发与应用，国外核电仪控厂商在国内核电市场处于退缩状态，

15


技术上也没有明显的改进。

2.4.3 辐射加工完全实现产业化

根据 IAEA 相关统计，全球 50 多个国家共有约 300 座 γ 辐照装

置，总计装源活度约为 4 亿居里（1 居里=3.7x1010 贝克），此外还有

超过 2500 台工业辐照电子加速器，总功率超过 100 MW[9]。工业 γ

辐照装置的生产国主要有加拿大、中国、印度、匈牙利等，在欧美等

发达国家发展成熟且市场饱和度高，将逐步向泰国、印度、越南、马

来西亚等发展中国家逐步转移。工业辐照加速器的生产国主要有比利

时、俄罗斯、中国、日本、美国、加拿大、瑞士、法国等，9.11 恐怖

袭击之后有逐步取代 γ辐照装置的趋势。

图 2.1 全球γ辐照装置分布

16


图 2.2 电子加速器数量的分布图

辐射材料改性在欧美等发达国家已经完全实现产业化，且在印度、

土耳其、泰国等国发展迅速。日本每年生产 120 万千米辐射交联电缆，

27 万千米的热缩管 1.5 万吨发泡材料，子午线轮胎辐射预硫化技术的

普及率达 90%以上，辐射电池隔膜材料已实现工业化生产。马来西亚

年产辐照天然胶乳 6000 吨以上。美国已实现辐射聚合木材塑料复合

材料工业化生产。美国、欧洲的辐射固化技术发展迅速，主要应用于

涂漆、印刷等领域。

辐射消毒灭菌是辐射加工领域最为成熟的应用，广泛应用于食品、

卫生用品、实验室器材、包装材料、化妆品等的消毒灭菌。据 IAEA

报告，2018 年全球约有 140 万吨辐照食品，较 2015 年的 70 万吨增

长了 100%。

2.4.4 辐照处理废气、废水、废物技术进展缓慢

在电子束烟气净化方面，日本、德国、波兰等国在净化机理方面

开展实验室研究。但自 2000 年波兰 Pomorzany 电站电子束烟气净化

示范工程建成后，电子束辐射净化烟气的研究处于停滞的状态，并无

新的研究成果呈现。

17


在电子束辐射处理废水方面，1998 年韩国大邱建成一座电子束

辐照和生化技术联用处理印染混合废水的中试装置，后期并未真正的

运行。土耳其、匈牙利、波兰、巴西等一些国家和地区也在开展污水

的辐射处理技术的研究和开发，但大部分的结果及数据仅建立在小试

或中试阶段，并未成功实现大规模的污水处理工程验证。

在辐射处理污泥方面，多国开展相关研究和中试。美国环保署将

污泥辐照处理技术作为推荐技术，并规定污泥经过 10 kGy 的处理，

可以作为无害化生物固体无限制的使用（Solid A）。污泥辐照厂先后

在德国慕尼黑、印度 Gujarat 州等地建成并稳定运行，但近年来无更

新进展。

2.4.5 射线无损检测技术应用广度和深度不断提高

射线检测技术广泛应用在航空航天、核工业、船舶、兵器、铁路

等行业，随着材料科学、计算机技术和电子技术的发展，促使射线技

术向着精细化、综合化、信息化、智能化的数字射线技术检测方向发

展，应用的广度和深度不断提高。美国目前仍然是世界上高能工业

CT 技术研究及设备研制最先进的国家。2018 年,美国计量中心研制出

3 MeV 高能 X 射线锥束 CT，分辨率达到 6 Lp/mm；日本开发出 3.5

MeV 高能 X 射线锥束 CT，焦点尺寸 0.1 mm，分辨率达到 7 Lp/mm。

在加速器小型化方面，2016 年瓦里安发布了全球体积最小的高能便

携式工业直线加速器——新款 LinatronXp，该设备基于 X 波段加速结

构，能量在 1 MeV 左右，重量 113 kg，仅为普通工业加速器的十分

之一，能够轻易装进两个箱子，极大地提高了便携性，可广泛应用于

18


管道检测、公共安防、车辆检查以及其他安全检查和应急需求的场合。

2.4.6 放射性药物进展喜人

全球共有 100 多种放射性同位素应用于医学领域，其中 30 余种

医用同位素用于放射性疾病的诊断和治疗，目前常用于临床诊断和治

疗的医用同位素主要有 8 种，包括 99Mo/

99mTc、125

I、131I、14

C、177Lu、

18F、90

Sr/90

Y、89Sr 等。2018 年以来美国 FDA 批准了两个放射性药物，

分别是专门用于治疗胃肠胰腺神经内分泌肿瘤（GEP-NETs）的药物

Lutetium Lu-177 Dotatate（177Lu-dotatate）；第二个是 2020 年 5 月 28

日美国 FDA 批准备的 Flortaucipir F-18（T807）用于临床 Tau 显像，

它与目前诊断 A-beta 的药物结合，是诊断 AD 的重点方法，为 AD 的

治疗评价提供客观依据。2018 年德国报道了 68Ga 标记的纤维细胞活

化蛋白抑制剂（FAPI），初步研究表明可以弥补 FDG 的不足。2019

年在欧洲核医学年会上报导了 18F 标记的 FAPI-04 并将之应用于临床

研究。同时，采用 225Ac 和 177

Lu 标记的 FAPI 的核素治疗药物用于动

物研究，预计该类核素治疗可能成为下一个热点。

2.4.7 核医学显像成像设备市场竞争态势清晰

根据 2019 年世界银行发布的《医疗诊断成像设备采购》报告，

医学诊断成像设备主要由四个供应商（通用电气 23%、西门子 21%、

飞利浦 18%和东芝 13%）主导。医学诊断成像设备市场格局和份额

可能与技术的成熟度和复杂性相关，成熟技术的市场份额更加分散，

新兴技术的市场份额更加集中。医学诊断成像设备与互联网科技的结

合成为发展趋势，预计到 2020 年，联网医疗产品的市场规模估计将

19


达到 2850 亿美元。

全球 X 射线成像设备市场由四大供应商主导，分别是西门子医

疗（18.7%）、通用医疗（18.4%）、飞利浦医疗（18.2%），如图 2.3 所

示。核磁共振成像设备市场主要由通用电气医疗（28%）和西门子医

疗（27%）占据，其余由东芝医疗系统（18%）、飞利浦医疗（11%）

和日立医疗公司（6%）等占据，如 2.4 图所示。CT 成像设备市场主

要由通用电气医疗（23%）、西门子医疗（21.5%）、东芝医疗系统（19%）、

飞利浦医疗公司（12%）和日立医疗公司（7.5%）五家公司占据，如

图 2.5 所示。全球核成像设备（主要是指正电子发射断层成像（PET）

和单光子发射计算机断层成像（SPECT）设备）市场主要由西门子医

疗占 33%，飞利浦医疗占 31%，通用医疗占 29%三家公司主导，如

图 2.6 所示[10]。

图 2.3 X 射线成像设备市场份额图 2.4 磁共振成像设备市场份额

图 2.5 CT 成像设备市场份额图 2.6 核成像设备市场份额

20


2.4.8 医学诊断成像设备的市场规模逐年扩大

2015 年，全球医学成像设备市场规模为 247.23 亿美元，并以每

年 6%的速度增长至 2020年；亚太地区将会以 7.2%的速度增长至 2020

年。2015 年，北美的市场占比为 33.4%，欧洲的市场占比为 30%，

亚太的市场占比为 25.4%，其他地区的市场占比为 11.2%。预计到 2020

年，全球医学成像设备的市场规模将增长到 334.20 亿美元。其中，X

射线设备增长最快，增长率约为 50%，预计增长至 45.25 亿美元；核

磁共振设备和 CT 设备预计增长 25%；核成像设备市场规模最小，预

计将增长 20%。图 2.7、表 2.1 所示为 2015 和 2020 年（预计）医学

成像设备市场规模对比。可以预计全球医学成像设备市场主要增长来

源于新兴市场，例如印度、拉丁美洲、俄罗斯和中国，亚太地区和包

括非洲在内的世界其他地区将是增长水平最高的地区[11]。

图 2.7 2015 和 2020 年（预计）医学成像设备市场规模对比柱状图

表 2.1 2015 和 2020 年（预计）医学成像设备市场规模对比数据图（百万美元）

21


X 射线

成像系统

核磁共振

成像系统

超声波

成像系统

CT

成像系统

核成像

设备

2015 年 8498.4 5338.0 4865.8 4292.5 1737.2

2020 年 13014.1 6802.7 6159.3 5356.2 2088.1

2.4.9 数字堆成为研究设计新工具

国际上核发达国家建设研究堆的高峰期在上世纪七八十年代以

前，这些研究堆不仅为陆上核电站、舰船核动力，甚至空间核动力的

发展提供了重要的技术支撑，也为放射性同位素生产、材料嬗变等非

动力核技术应用产业的发展提供了重要保障。根据 IAEA 研究堆数据

库（RRDB）统计（截止 2020 年 10 月），全球共建成 818 座研究堆，

其中 220 座仍在运行，分布在 67 个国家和地区，其中美国共有 307

座，俄罗斯有 124 座；另外，正在建设有 11 座，计划建设有 15 座。

与上世纪建设研究堆高峰期形势有所不同，一是计划/在建的主要集

中在发展中国家，二是数量大大减少，除非真正的新一代核能系统及

同位素生产需要，而更多地转向数字堆开发。欧美等核先进国家数字

堆研发已从最初的重点项目支持到目前国家战略层面的安排部署，在

先进压水堆、四代快堆、反应堆燃料与材料等领域都已逐步发展出了

各自成体系软件系统。

2.4.10 大科学装置成为核技术应用研究“利器”

大科学装置始终是国际科技发展前沿和重点竞争领域之一，不仅

在前沿科学探索方面发挥了重要作用，对核技术应用研究方面也有诸

多贡献。例如：同步辐射光源广泛应用于物理、化学、材料科学、生

22


命科学、信息科学、力学、地学、医学、药学、农学、环境保护、计

量科学、光刻和超微细加工等众多基础研究和应用研究领域，世界上

在运行的同步辐射装置有 50 多台，迄今已经历了三代的发展历程且

正在处于第四代光源的建设热潮中；基于激光聚变大科学装置开展了

大量应用技术研究，积极的探索了辐射源在生物医疗、无损检测方面

的应用，实现了针对活体生物样品的相衬 CT 检测，并且已初步进入

产业化发展阶段；利用高功率激光技术可产生强光子、离子和中子源，

可用于航空航天无损检测、大型物体的辐射成像、辐射加工制备智能

功能材料以及敏感核材料的有源中子探询等，本世纪以来，已有 10

台高增益自由电子激光装置相继建设或建成；兆电子伏加速器产生的

高聚焦离子束为以低于 100 纳米空间分辨率看到全细胞内部图像结

构提供了机会，有机会在药物递送、辐射生物学和粒子束治疗等领域

应用。

三、我国核技术应用发展现状与趋势

3.1 我国加速器技术发展现状与趋势

3.1.1 医用电子直线加速器开发能力进一步加强

国内电子治疗加速器的研制与生产能力比较全面，能够开发所有

医用能量档的电子直线加速器。随着国家对医疗科技发展的重视和社

会资本的投入，不少研制生产放疗设备的企业涌现，关键部件和新型

加速器研发取得进展，加速管剂量率超过 1500 cGy/min，磁控管可以

稳定运行在 2.8～3.1 MW，固态调制器可输出峰值功率超过 4 兆瓦的

脉冲，多页光栅 MLC、气体电离室、成像板以及治疗计划系统 TPS

23


上取得了较好的突破，X 波段医用加速管研制成功，与国际主流厂商

的技术差距逐步缩小。

3.1.2 质子和重离子治疗技术取得阶段进展

山东万杰医院、上海质子治疗中心的质子/重离子加速器治疗装

置已用于临床治疗，山东肿瘤医院、广东中山、合肥离子等医疗机构

设备已经开始安装。中科院兰州近代物理所建立的武威碳离子治疗装

置于 2019 年获“第三类医疗器械”注册证，已开始治疗病人。中科

院上海应用物理研究所建立的基于同步加速器的质子治疗装置，已经

开始临床试验。中国原子能科学研究院研制的 230 MeV 超导质子回

旋加速器质子束能量已达到 231 MeV，360°旋转机架各项机电指标

已达到设计要求，等中心度好于 0.3 mm。

3.1.3PET 小型回旋加速器尚未摆脱进口依赖

中国大陆共有 PET 小型医用回旋加速器 200 多台（含已定货、

未安装以及安装后尚未使用的），主要依赖进口，其中以 GE 公司产

品为主，西门子、住友重工、IBA 和 Ebco 次之。中国原子能科学研

究院成功研制了 30 MeV 回旋加速器以及 10 MeV 和 14 MeV 的小型

回旋加速器用于 PET 核素生产，已分别为北京大学和中国同辐各建

造 1 台 14 MeV 医用回旋加速器，并为加拿大和意大利提供设计。对

于能量高于 30MeV 质子回旋加速器，中国原子能科学研究院的 100

MeV 回旋加速器，开展了 Ac-225 等药物的试生产，但尚未投入医用

同位素生产，其为国家空间中心建造的 50 MeV 回旋加速器尚在安装

之中。

24


3.1.4 辐照加速器产业化和国产化进程不断加快

截至 2019 年底，我国共有辐照加速器约 630 台，总设计功率约

45 000 kW，数量较 2016 年增长了 26%，主要用于消毒灭菌和材料改

性等领域。我国多种类型辐射加工用电子加速器已实现产业化，且大

部分已实现国产化，国产数量约占 85%，进口仅约占 15%左右。

图 3.1 我国电子辐照加速器发展历程

其中，高能电子加速器 80 余台，并在继续以每年 15%左右的速

度增加，主要型号是 10 MeV/20 kW 的 S 波段直线加速器，核心器件

高功率速调管、波导窗主要从美国或法国进口，中科院电子所、昆山

国力电子公司研制的高功率速调管刚投入使用。中能电子加速器 550

余台，且每年仍有 30～40 台的增长量，绝大部分为国产的高频高压

型。我国已经具备了各类高压型加速器的研发生产能力和专业化、规

模化的生产基地，全面掌握高频高压型加速器核心技术，形成的系列

化产品能量从 0.5 MeV到 5.0 MeV，能量和束流不稳定度一般小于 3%，

在 3.0 MeV 至 5.0 MeV 能量下扫描不均匀度小于 10%，技术创新水

25


平大幅度提升，并且凭借不断提高的产品质量占领了一半以上的国内

市场。

3.1.5 无损检测加速器基本实现核心器件国产化

我国无损检验加速器产品不仅满足了国内的需求，在国际市场上

也占有相当大的份额。近年来，在科技部等政府部门的支持下，国内

各机构基本实现了核心器件国产化，并且相关技术与指标达到世界先

进水平，摆脱了加速器设备可能面临部分部件禁运的风险并降低了成

本。在 C 波段和 X 波段加速管方面，为实现加速器小型化并减小靶

点提高空间分辨率，国内研究机构投入高频率波段加速管的研发，成

功研制 6MV-X 波段加速管，性能处于世界领先水平。在能量可调加

速管方面，国内学者通过相位调节实现能量连续可变并快速调节（0.5

MeV～1.5 MeV），能够在较快时间对获得较高的物质分辨率；清华大

学研究了通过改变微波频率实现加速器能量的切换，已申请专利。

3.1.6 中子发生器综合技术水平仍存在较大差距

近年来，我国在中子发生器领域有了新的发展，但综合技术水平

与国际相比仍有差距。在强流中子发生器领域，中国科学院合肥核能

安全技术研究所建成了 D-T 中子产额达到 6×1012

n/s 的强流中子发

生器，兰州大学正在安装调试的强流中子发生器的 D-T 中子产额设

计指标大于 5×1012

n/s。在密封中子管领域，D-T 中子产额最高为 109

n/s 量级，使用寿命只能达到 300 小时左右，且各单位研制的结构类

似，缺乏创新，关键元件技术水平没有突破，控制自动化水平不高，

中子产额偏低，使用寿命短，市场占有率低。在紧凑型中子发生器领

26


域，中国原子能研究院研究的紧凑型中子发生器的 D-D 中子产额达

到了 107 n/s 量级；兰州大学完成了三台紧凑型 D-D 中子发生器样机

的研制，D-D 中子产额已达到了 108 n/s 量级，已具备 D-D 中子产额

大于 1010

n/s 的潜力。

3.1.7 离子注入机具备较强的研发和生产能力

目前，我国离子注入机已形成较强的研发和生产能力，从关键技

术到系统设计均具备了自主创新能力，已经从消化吸收跟踪跨越到同

步发展阶段，某些机型已经逐步达到国际先进技水平，在低能大束流

机、小型化的高能离子注入机、聚焦离子束装置等方面不断取得重要

进展。中信科公司成功开发出适用极大规模集成电路 12 英寸生产线

90-65 纳米工艺的大角度中束流离子注入机，实现了核心零部件国产

化与整机制造工程化，成功进入 300 mm 晶片主流生产线。凯世通公

司的离子注入机在国际上拥有较高的市场占有率，其推出的低能大束

流集成电路离子注入机已实现量产。超低能离子注入技术目前也得到

我国一些研究单位的高度重视。

3.2 我国放射性同位素技术发展现状与趋势

3.2.1 医用放射性同位素研制与生产体系日趋完善

2018 年以来，我国研究堆开始恢复部分医用放射性同位素的生

产，中国工程物理研究院的绵阳研究堆（CMRR）可自主生产 131I 和

小批量 177Lu；中国核动力研究设计院的高通量工程试验堆（HFETR）

实现了 89Sr 小批量生产；中国原子能科学研究院在中国先进研究堆

（CARR）上建成了百居里级 125I 间隙循环回路生产系统并进行了系

27


统验证，在 2020 年底恢复了游泳池反应堆（SPR）生产 125I 的系统。

此外，我国有百余台专用加速器用于 18F 等同位素的生产，基本

满足大中城市综合性医院临床需要；自主研发掌握了 13C 分离的核心

技术，正在实施 13C 分离产业化生产装置建设；自主开发的稳定同位

素 18O同位素产品成功应用于 PET-CT肿瘤诊断药物 18

F-FDG的研制，

实现了国产化替代；15N 基本满足国内科研领域需求并部分出口国外；

高丰度 13CO气体富集生产技术研发及生产设施建设已于 2018年启动，

计划于 2021 年投入生产；引进 68Ge-

68Ga 发生器和无载体 177

Lu 的批

量化技术，计划 2022 年实现产品上市。

表 3.1 我国可用于生产医用同位素实验堆一览表

序号反应堆名称所在地运行功率可生产的常用核素

1 中国先进研究堆（CARR）北京 60 MW 131

I,125

I,99

Mo,89

Sr, 90

Y

2 游泳池反应堆（SPR）北京 3.5 MW 131

I,125

I,99

Mo

3 高通量工程试验堆

（HFETR）四川夹江 125 MW

14C,

131I,

125I,

89Sr

4 岷江试验堆（MJTR）四川夹江 5 MW 131

I,125

I

5 中国绵阳研究堆（CMRR）四川绵阳 20 MW 131

I,177

Lu99

Mo,14

C, 90

Y

3.2.2 医用放射性同位素生产严重不足

我国可用于医用同位素生产的设施运行单位均以军工任务为重，

受能力条件、束流孔道和束流时间等因素影响，仅中国工程物理研究

院利用 CMRR 开始批量生产 131I 和小批量 177

Lu，而其他反应堆因种

种原因实际上均未进行放射性同位素的批量化生产，我国堆照医用同

位素生产严重不足。另外，我国从高放废液中提取医用同位素处于技

28


术验证阶段，尚未形成生产能力，且用于医用同位素生产的加速器大

部分依靠进口。

上述原因导致我国医用同位素产业技术研发基本处于停滞状态，

创新能力不足，原有的相关制备技术缺乏工程转化和应用，自主生产

的 131I、89

Sr 仅满足国内 20%的需求，177Lu 仅满足国内 5%的需求，

常规核医学诊断所需 99mTc 的原料 99

Mo 以及用于粒子植入治疗的 125I

核素等基本依赖进口。国内放射性药物生产企业的主业以对放射性药

物进行进口和分装为主，同位素售价成倍攀升，增加了医疗负担，制

约了临床发展。

3.2.3 同位素制备与分离研究取得部分突破

中国工程物理研究院在国内率先恢复了高纯 233U 的制备，单批

次 233U 制备能力达数十毫克量级，丰度大于 99%，具备基本解决国

内急需的能力。中国原子能科学研究院完成了铀箔和铀铝合金 LEU

靶制备千居里级裂变 99Mo 工艺研究，利用 100 MeV 加速器试制出

225Ac。中科院近代物理研究所利用现有的强流超导直线加速器开展了

医用同位素研发工作，已完成 211At、68

Ga、99mTc、99

Mo、131I 等多种

同位素的加速器辐照分离实验。厦门大学完成了加速器固体靶核素

64Cu、124

I 和 89Zr 的工艺探索，其中 64

Cu 产量可达 200 mCi 以上。四

川大学基于 CS-30 回旋加速器开展了多种加速器同位素的制备及应

用研究，在国际上首次获得微克量级、丰度大于 99%的 98Tc 同位素

产品；在国内率先开展了 209Po 和 54

Mn 的加速器制备研究，获得的

54Mn 其放射性核素纯度大于 99.9%；建立了 89

Zr 的规模化生产工艺，

29


已提供给中国工程物理研究院、西南医科大学、成都纽瑞特等用于正

电子显像药物的研究。兰州大学通过材料的功能化研究，研发了从复

杂基体中分离放射性同位素如 137Cs、90

Sr、99Tc、241

Am 的新型材料，

同时开展了与海水提铀相关的工作。

3.3 我国核探测与核电子学发展现状与趋势

3.3.1 各类核探测器及核电子学技术水平有所提升

在气体探测器领域，微结构气体探测器 MPGD 近年来在国内发

展迅速，气体电子倍增器（GEM）、Micromegas 等在质子、中子能谱

测量等核领域都有新的应用；高时间分辨的阻性板室 MRPC/RPC 探

测器研究取得了长足的进步，高计数率 MRPC 探测器指标国际领先，

已在国际上多个大型实验中得到了应用。

在闪烁体探测器领域，NaI 闪烁体、BGO、硫化锌等已经实现批

量化生产，塑料闪烁体、液体闪烁体等方面形成规模化产能，新型闪

烁晶体成功应用于伽马/中子谱仪、X 射线成像以及康普顿成像等系

统中。

在半导体探测器领域，原子能院开展了 GaAs、CdTe、CZT、TlBr、

SiC 等化合物半导体探测器研究；西北工业大学成立迪泰克公司实现

CZT 晶体产业化，探测器材料销往国外。

在核电子学方面，针对不同的核辐射探测器研制了多种 ASIC 芯

片，所采用的半导体工艺已经从 0.35 μm进入到 0.25 μm和 0.18 μm，

明显提升了探测器的研制水平。

30


3.3.2 先进核辐射探测器整体发展水平较落后

国内结构复杂的先进核辐射探测器依赖进口的局面仍未得到扭

转，整体发展水平较国外还有相当大的差距。半导体探测器尚未形成

规模化发展，高分辨率能谱型探测器方面与国外有差距，X 荧光分析

用 PIN、SDD 依赖进口；高纯锗探测器产品仍主要从美国阿美泰克、

堪培拉公司进口，每年花费超过亿元人民币；抗辐射加固电子器件研

究和产业体系尚未形成，关键材料、工艺方面投入不足，产业链上下

游不畅，重复投资、低端竞争严重，这些都严重制约着产业体系的健

全与可持续发展。

3.4 我国核仪器仪表及其应用发展现状与趋势

3.4.1 核设施仪器仪表国产化、数字化转型取得突破性进展

近年来我国核设施仪器仪表发展迅速，正经历以模拟线路为主向

数字化系统转化阶段，且核岛核安全级仪控系统国产化率不断提高。

特别是中美关系恶化后，自主化、国产化成为业界共识，后续核电新

建机组，将基本以国内仪控厂商为主，为我国核仪器仪表的自主发展

提供了良好的契机。

核电厂数字化监测和控制系统(DCS)已取得重大突破，三大核电

集团打破国外垄断，都推出了各自的 DCS 产品平台，技术性能已接

近或超越国外同类产品，全部覆盖了非安全级和安全级 DCS。2018

年 12 月，中国核动力研究设计院发布了安全级 DCS 平台龙鳞系统，

随后联合中核控制系统工程有限公司签订了中国示范快堆 DCS 系统

供货及服务合同。国核自仪系统工程有限公司联合美国洛克希德·马

31


丁公司研发的 NuPAC 平台和 CAP1400 反应堆保护系统（简称 RPS

系统）计划应用于 CAP1400 示范工程以及 CAP 系列核电站。

随着快堆等新型反应堆在国内的发展，特殊需求的仪器仪表也取

得了可喜进展。中国原子能科学研究院开发的用于钠冷快堆池内核探

测系统的高温裂变电离室（500℃）已通过堆上考验，钠冷快堆特有

的钠介质测量仪表如钠流量计、钠液位计等也基本开发完毕，即将应

用于示范快堆。

3.4.2 辐射监测核仪器性能水平取得显著进步

我国对辐射监测非常重视，已初步形成了由国家、省和部分地市

三级组成的辐射监测组织体系。随着国际局势的变化，核行业的发展

受到了较大冲击，实现辐射防护仪器的国产化已刻不容缓。近年来，

国内辐射检测仪器性能水平较以往取得显著进步，部分产品与国外先

进产品性能当。其中，便携式核仪器和表面污染监测仪的发展势头迅

猛，在智能化、数字化和网络化方面取得了不俗的成就，但国内个人

剂量计在近些年的发展并不显著。2018 年 8 月，由中船重工七一九

所研制的 PING 监测仪设备首次应用于商用核电站，标志着国内唯一

的国产化 PING 监测仪设备在商用核电站开始替代进口产品。西安中

核核仪器有限公司在 2017 年～2019 年，实现了 1E 级离线低放液体

活度监测仪、Ⅰ型 γ剂量率仪、Ⅱ型 γ剂量率、低量程惰性气体 β监测

仪、高量程惰性气体 β监测仪的核级取证。

32


3.5 我国核技术在工业领域的发展现状与趋势

3.5.1 辐射加工产业处于世界先进国家行列

辐射加工产业为我国国民经济和社会发展做出了突出贡献，已在

材料改性、食品辐照、医疗卫生用品辐照灭菌等领域实现了产业化发

展。截至 2019 年底，我国共有伽玛辐照装置 130 座，总设计装源能

力 1.7 亿居里，实际装源量约 7000 万居里，钴源辐照装置单座设计

能力已达 600 万居里，要用于食品辐照、中药辐照和医疗器械的辐照

消毒灭菌以及部分材料改性；多种类型辐射加工用电子加速器已实现

产业化。此外，国外辐照加工企业也先后进入中国，如美国 Sterigenics

就在上海设立了高能电子加速器消毒灭菌中心，日本 Nipro 在合肥建

设了用于其生产的医疗器械消毒灭菌的 γ辐照装置，还有多家日本轮

胎企业在中国的轮胎生产线上设置低能电子加速器用于其轮胎的辐

照硫化。辐照制备热缩制品、交联电线电缆和化工材料是我国辐射化

工的核心产品。我国辐射加工产业的产值分布见下表。

表 3.2 辐射加工产业分布情况单位：亿元

门类 2005 年 2008 年 2010 年 2015 年 2020 年

辐射加工服务 90 160 180 400 800

辐射材料改性 52 75 110 500 1000

辐射技术装备 30 35 60 100 200

合计 172 270 350 1000 2000

33


图 3.2 γ辐照装置的发展历程图

3.5.2 辐射材料改性产业发展较为成熟

我国已经形成了以辐照交联线缆和热缩材料及制品为主，半导体

改性材料、发泡材料、膜材料、涂料、超吸水材料、新型复合材料逐

步上规模的产业格局。2015 年，材料改性产值 72 亿美元，其中线缆

和热缩材料占 70%以上的份额。国内用于线缆辐射加工的电子加速器

200 余台，总功率接近 15000 kW。用于热缩材料的辐射加工的电子

加速器 40 余台，总功率约为 3000 kW，市场规模约为 1 亿美元左右。

仅辐射交联电线电缆一项，年产值巳超过 40 亿美元；采用电子加速

器进行薄膜辐照的电子加速器近 30 台；电子辐照技术已在在我国电

子行业逐步推广，用于提高电子器件成品率和产品质量，据不完全统

计，被加工产品产值超过 50 亿[12]。但我国材料改性上的技术应用主

要集中在早期研究成果基础上，如电线电缆以及热缩材料方面，而在

轮胎辐照、木塑材料以及辐射固化领域方面的应用与欧美发达国家还

有较大的差异。

34


3.5.3 辐射技术在环保领域的应用发展迅速

我国在辐射处理废气、废水、废物等方面，虽然起步较晚但发展

迅速。世界上第一座电子束处理烟气的工业化应用装置在中国成都建

成。中广核达胜在广东建成国内第一个工业规模的电子加速器辐照处

理印染废水工程项目已于 2020 年 6 月份正式投入运营，采用 7 台电

子加速器联机运行，设计处理能力达到 30000 m3／d。2020 年 7 月中

广核达胜加速器技术有限公司联合新疆川宁生物科技有限公司，在新

疆伊犁建设完成了我国第一个电子束无害化处理抗生素菌渣示范工

程，设计处理抗生素菌渣 100 t/d，为电离辐照在固体废弃物领域的应

用开辟了新方向。

电子束处理医疗废水技术作为一种高新工艺，针对医疗废水中残

留抗生素、微生物或病毒和其他难降解有毒物质具有其独特而显著的

效果。在2020新冠疫情爆发期间，中广核联合清华大学核能与新能源

技术研究院，当得知湖北十堰西苑医院（十堰市新型冠状病毒感染的

肺炎防控指挥部统指定的救治医院）急需污水处理设备后，立即着手

研发污水处理设备和建设电子束处理医疗废水科技示范工程，电子加

速器、屏蔽室、水处理束下反应器等系统于3月19日抵达十堰，5月中

旬项目建成投产，日均处理污水能力为400吨，满足《医疗机构水污

染物排放标准》，有效降解污水中的抗生素结构，突破了常规标准对

医院污水中抗生素去除的要求。该技术对于提高医疗机构排污的安全

性，保障医疗机构的正常运行和我国的生态环境安全具有积极意义。

35


3.5.4 尖端射线无损检测技术领域摆脱受制于人的局面

我国自主开发的大型及高能工业 CT 系统的研制成功，能检测直

径 2m、高 6m、重达数十吨的物体，几何测量精度达 0.02mm；国产

微焦点 CT 的空间分辨力可达 250~500nm，检测工件直径 1~5mm。

在工业 CT 系统主要核心部件方面，已完全掌握电子直线加速器系统

的设计、生产技术。2017 年 5 月由中国原子能科学研究院主导制定

的我国通用核仪器首个国际标准《IEC 62976-2017 工业无损检测设

备——电子直线加速器》正式发布，标志我国无损检测加速器产品技

术处于国际领先水平。但是，我国工业 CT 用 X 射线机基本完全依赖

进口，主要被美国 Varian、瑞士 Comet、法国 Thales 等少数几家公司

垄断。

3.6 我国核技术在医学领域的发展现状与趋势

3.6.1 辐照消毒灭菌在医学领域发展潜力巨大

虽然卫生部早于 1997 年就发布了中药辐照试行标准并明确了可

辐照中药的种类和剂量，国家食品药品监管总局于 2015 年颁布《中

药辐照灭菌技术指导原则》，同时国家药典也已经将辐照灭菌方法列

入，但是我国每年采用辐照方法处理的中药仅 30 余万吨。而且，根

据相关统计，我国每年采用辐照灭菌方法的医疗器械约有 100 万立方，

仅占我国医疗器械产量的 10%左右，远低于欧美发达国家医疗器械消

毒灭菌使用辐射法 50%~60%的比例。可喜的是，目前我国从事医疗

器械灭菌的运营单位大多获得 TUV 或相关第三方认证公司的认证，

部分获得美国食品药品管理局的注册号，相关标准日益完善，国产医

36


疗器械生产企业如威高集团和驼人集团已经配备高能电子加速器用

于其自产医疗卫生用品的消毒灭菌。由于具备无损伤、无残留等技术

优势，辐照消毒灭菌在医学领域的发展潜力巨大。

3.6.2 放射性药物使用量及市场规模逐年上升

2019 年，全国具有 I、II、III、IV 类放射性药品使用许可证的单

位分别为 20、419、333 和 65 家，使用非正电子药物的医疗机构 777

个，其中 277 个单位以自己制备药物为主，500 个单位由药物中心提

供药物。据不完全统计，钼锝发生器使用量由 2018 年 12558 Ci 上升

至 13540 Ci，锝标药物使用量也由 566428 针上升至 629713 针；

18F-FDG 使用量由 3393 Ci 上升至 4315 Ci；正电子放射性药物临床检

查量仍以 18F-FDG 为主，占检查量的 99%，全国共 87.64 万例。全国

开展核素治疗的医疗机构为 770 个，较 2017 年增加 108 家（增幅

16.3%），共设有病床 2544 张。全国有 394 个科室开展体外分析检测，

共检测样本数 40863821，检测量 179885413；全国共有体外分析类设

备 1364 台，其中国产设备 678 台，进口设备 686 台[13,14]。据弗若斯

特莎莉文公司（Frost&Sullivan）数据显示，2017 年国内放射性药物

市场规模达到 43.82 亿元人民币，2013～2017 年期间年复合增长率约

为 12.1%，同时预计到 2022年市场规模有望达到 106.34亿元人民币，

对应 2017～2022 年期间年复合增长率 19.4%。

37


图 3.3 2017 年-2019 年全国部分放射性药物临床用量统计

3.6.3 放射性药物制备硬件设施及管理水平取得长足进步

随着放射性药物市场规模增长，我国放射性药物制备生产、质量

控制等硬件设施及管理水平也取得长足的进步，放射性药物生产企业

已建成 10 余条 GMP 级放射性药物生产线、30 余个 99mTc-即时药物及

18F-FDG 药物生产配送中心。2020 年 5 月，中国辐射防护研究院建立

了国内第一个放射性药物临床前安全评价实验室（GLP）。中国工程

物理研究院开发了效率高、规模大、废物量小的 131I 及碘[

131I]化钠口

服液生产工艺，建立了连续稳定运行的规模化干法 131I 及 Na

131I 口服

溶液生产线，年产能达 5000 Ci，实现了 Na131

I 口服溶液从原料到成

品的全部批量化和国产化。中核海得威公司掌握了碳[13

C]-尿素原料

药制备技术，2018 年 12 月取得国家药监局注册批件，填补了国产碳

[13

C]-尿素原料药的空白。

3.6.4 核医疗装备研发、生产及应用水平显著提升

我国扫描机、γ照相机和功能测定仪等核医学设备是以自行生产

为主，性能已达国际水平。CT 模拟定位机、三维远/近治疗计划系统、

X—刀和后装治疗机等放疗设备研发进展顺利，攻克了一大批关键技

38


术，取得了一批具有自主知识产权和重要市场应用价值的成果。虽然

高端核医疗装备由国外企业占据主导地位的现象尚未得到根本扭转，

但是应用推广水平显著提升。截至 2019 年，全国制备正电子放射性

药物的回旋加速器 120 台，同比 2017 年增加 10 台（增幅 9.1%）；

大陆地区共有 391 家正电子设备单位，其中 PET/CT404 台、PET/MRI

23 台，较 2017 年增长 120 台（增幅 39.1%），PET 检查总数 86.4 万

例/年，较 2017 年增加 65.2％，国产 PET/CT 在市场占有率低，远不

如 GE、西门子、飞利浦；我国大陆地区共安装单光子显像设备 903

台，较 2017 年增长 46 台（增幅 5.4%），单光子显像总数 251.4 万例

/年，较 2017 年增加 19.88％[13,14]。

图 3.4 全国核医学检查数量情况

39


图 3.5 全国核医学检查设备数量及分布情况

3.7 我国核技术在农业领域的发展现状与趋势

3.7.1 核农学领域国际合作日益深化

2019 年，中国农业科学院-国际原子能机构协作中心正式成立了，

设立了植物核辐射育种技术协作中心、土壤和水管理核技术协作中心

等 5 个分中心基本覆盖核农学的重要应用领域，未来将进一步推动全

国以及亚太地区核技术在农业生产中的广泛应用，发挥核农学科技创

新在农业农村发展中的促进作用，为未来核技术推动全球农业发展和

粮食安全做出贡献；在国际原子能机构（IAEA）和国家原子能机构

（CAEA）的支持和指导下，中国农业科学院作物科学研究所牵头成

立了亚太植物突变研究协作网（AOAPM）和亚太植物诱变育种协作

网（MBN），以推进亚太地区植物诱发突变新种质创制、突变机制研

究和科研人才培养，促进核辐射诱变育种深入健康发展。

40


3.7.2 辐射诱变育种规模世界居首

我国在农作物诱变育种研究方面较国外起步虽晚，但发展较快并

具有鲜明特点和优势，即在研究和发展诱变技术的同时，将技术密切

地与作物改良相结合，并通过组织全国农、科、教大联合、大协作形

成了一支国家核辐射诱变技术育种研发队伍，辐射诱变育成的品种数

量超过世界总量的 25%，是世界上利用核技术诱变育种规模最大的国

家。近年来，育成的广适、高产、稳产的小麦新品种“鲁原 502”，累

计推广应用 7700 万亩，是目前全国第二大小麦推广品种；强筋高产

广适小麦新品种新春 37 号，大面积亩产可以达到 630 公斤以上，累

计种植近 400 万亩，成为新疆春小麦主栽品种和年种植面积最大品种；

“Ⅱ优 D069”等高产抗病亚种间杂交水稻新品种，累计推广应用 1400

多万亩；“扬蕙梅”、“扬蕙蝶”、“广陵仙子”、“少女白雪”等 20 余个通

过诱变育种育出的花卉新品种通过了省级鉴定或国际登录；糖尿病专

用、赏食兼顾、池塘专用等特色水稻新品种不断开拓，其中，基于高

抗性淀粉糖尿病专用新品种“宜糖米”于 2020 年 3 月捐赠支援武汉

感染新冠状肺炎重症的糖尿病患者，助力抗疫。

3.7.3 农产品、食品辐照加工产业化进程提速

辐射技术在减少食品中含菌量、防控食源性疾病和降解农产品中

有毒有害物质方面发挥重要作用，为现代农业的发展和农产品出口贸

易做出了巨大贡献。我国已就食品辐照建立了一整套标准，成为全球

食品辐照加工的第一大国。国内现有约 240 台辐照装置用于农产品和

食品辐照业务。截至 2018 年，保守估计全国辐照食品（包括食品添

41


加剂等）产量超过 80 万吨（2005 年约 14 万吨，2015 年 40 万吨），

占全球总量的一半以上。除此之外，全国每年约有 10～20 万吨的宠

物食品采用辐照方法处理并出口。目前，我国刚刚开始辐照检疫处理

的中试，而国际上已经有多个国家签订了双边协议将辐照检疫处理作

为热带水果检疫处理的重要手段。农产品、食品辐照加工有望成为当

前经济环境下新的投资和产业转型升级的热点，并带动辐照装置的发

展。

3.7.4 同位素示踪、溯源技术为农产品质量安全保驾护航

围绕同位素示踪开展多位置、多核素标记合成研究，构建标记前

体和标记农药化合物库，从源头打破国内放射性标记农药及关键中间

体长期依赖进口的局面；综合运用核素示踪动力学理论与技术，将同

位素示踪与高分辨质谱等仪器分析技术有机结合，溯源追踪有机污染

物在五大类农作物、畜禽和环境中的代谢途径与演变规律，有效解决

我国农药创新发展的“卡脖子”问题，为我国农药登记管理新政的落

地实施提供强有力技术支撑。围绕稳定同位素溯源数据库构建、标准

和标准样品制定等方面开展了创新性工作，针对地理标志产品如鲁西

黄牛、盐池滩羊等开展了基于稳定同位素的产地溯源研究，完成了我

国首个牛奶稳定同位素数据库构建，奠定了我国在农产品稳定同位素

溯源方面的领先地位；2019年颁布了同位素组成质谱分析方法通则，

为进行农产品稳定同位素分析提供了标准依据；2019 年在国内首次

研制成功生物基质的碳氮稳定同位素国家标准样品 2 项，并于 2020

年获得稳定同位素国家标准样品立项 10 项，有利于打破我国农产品

42


溯源领域稳定同位素所用的标准样品均采购自国外的局面。上述同位

素示踪、溯源技术的探索，切实为保障我国农产品质量安全、生态环

境安全与人类健康做出了突出贡献。

3.8 我国核技术在社会安全领域的发展现状与趋势

3.8.1 安检技术不断更新并推广应用

X 射线、γ射线、中子等探测技术已广泛应用于我国航空、铁路、

海运、公路等边境口岸的客运和货运安全检查中，核磁共振、核四极

共振和宇宙线 μ 子散射等“指纹式”高精度检测技术应用前景也十分

看好。新一代车辆/货物检测产品不断推出，智轨车辆/货物检查系统

可实现精准的运行轨迹控制，从而具备多种扫描方式；多视角小车检

查系统，可呈现 6 个不同视角下的 X 射线透射图像，减少单一视角

下物体重叠的影响，可帮助检查人员更加精准地发现隐藏在小型车辆

内的违禁物品；基于宽能谱成像技术的查验系统生成图像质量高，为

实现图像智能分析和判别提供了优良的素材，结合智慧判断系统可减

轻图像查验人员的劳动强度、减少人为因素的干扰、提升图像查验效

率；毫米波全息成像人体安全检查仪于 2018 年获得民航颁发使用许

可认证，已在国内多个机场实现批量使用；世界首套以加速器为辐射

源、利用 CT 技术的大型货物/车辆检查系统，已于 2019 年 10 月底在

深圳莲塘口岸完成安装调试并投入运行；太赫兹人体安检成像仪在港

珠澳大桥、广州白云机场、乌鲁木齐海关等地投入试用，已帮助用户

查获携带超额现金、未税物品和易燃违禁物品等案例 60 多起。

43


3.8.2 大数据、图像识别、人工智能等技术助力核安保

随着大数据、图像识别、人工智能等技术的飞速发展，国内积极

开展相关技术应用有效提升大型公共活动核安保能力。例如：利用大

数据技术对重点人群进行管控，对其建立活动轨迹异常报警模型，智

能化管控代替传统的人工盯防；利用人脸识别技术，在重点区域进行

布控，实现在逃人员、重点人员触发报警，机器识别代替人工识别；

利用人工智能技术，自动化查验人车信息，机器检索代替人工查验，

提升了工作效率。此外，加大对大型公共活动核安保指挥系统的研发

力度，提供最优化指挥决策信息，通过先进的核安保分析技术对失去

监管的核及其他放射性物质进行追踪溯源，为大型公共活动核安保事

件调查提供有力保障。

3.9 我国研究堆与大科学装置的发展现状与趋势

3.9.1 研究堆及其应用水平总体并跑

经过数十年的努力，我国研究堆科研队伍和科技水平有了长足的

进步，总体上已实现并跑，已成为我国核技术应用产业的重要组成部

分。据不完全统计，我国共有 7 家企事业单位从事研究堆的运行与实

验应用，在役研究堆有 20 座，有 5 座研究堆在建/计划建设，从业人

员约 2500 人，近年年均科研投入达到 2500 万元/堆，2018~2020 年总

科研投入（含燃料费及大型设施运行补贴）达到 13.6 亿元。

我国自主设计建造了多座多用途研究堆、材料工程试验堆、同位

素生产堆、微型中子源反应堆、物理特性研究堆、模式试验堆，包括

ESR901 堆、SPR IAE（又称 49-2 堆）、SPRR-300、中国先进研究堆

44


（CARR）、中国绵阳研究堆（CMRR）、高通量工程试验堆（HFETR）、

实验快堆（CEFR）等。基于上述反应堆，不仅基本形成了医用同位

素制品与药物、工业用放射源与示踪剂等在内的放射性同位素及其制

品的比较完整的研制生产体系，还开展了屏蔽效应、核数据、中子活

化分析和燃料、材料考验、单晶硅中子掺杂、核孔膜辐照、供暖反应

堆开发，以及黄玉、托帕石（宝石）、珍珠辐照改色等研究。基于秦

山 CANDU 堆生产工业用 60Co 技术，建成百万居里级 60

Co 生产线，

满足国内 70%的需求，且正在开发高比活度的医用 60Co 技术。

3.9.2 微堆实现商用并用于硼中子俘获治疗

我国于上世纪 80 年代初，在戴传曾院士领导下完全依靠自己的

力量在原子能院建成了原型微堆，并于 1988~2004 年，先后建成深圳

微堆、济南微堆、巴基斯坦微堆、上海微堆、伊朗微堆、加纳微堆、

叙利亚微堆及尼日利亚微堆等 8 座商用微堆。原型微堆已累计完成约

15 万中子活化分析（NAA）样品辐照分析，并与央视、清西陵及北

京市法医检验鉴定中心等共同揭开了困扰史学界的百年谜案——清

光绪帝之死因。基于微型中子源反应堆（MNSR）技术，在周永茂院

士的领导下，北京凯佰特科技有限公司携手中国中原对外工程有限公

司及原子能院，联合开发出医用 MNSR，即医院中子照射器（IHNI）

---世界首台专门用于硼中子俘获疗法（BNCT）的放射治疗装置，并

先后成功试治了 3 例恶性黑色素瘤患者。

3.9.3 大科学装置水平基本处于国际前列

综合来看，我国已建及在建大科学装置的技术水平上基本处于国

45


际前列，在前沿科技探索和应用技术开发方面做出了具有特色的研究

工作。

在粒子物理和核物理领域，北京正负电子对撞机（BEPC）和

BEPCII 的成功建设和高效运行；兰州重离子加速器（HIRFL）是目

前亚洲能量最高、规模最大的重离子加速器大科学装置；北京串列加

速器升级工程(BRIF)建成使我国跻身少数几个拥有新一代放射性核

束加速器的国家；强流重离子加速器装置（HIAF）及其升级工程、

加速器驱动嬗变研究装置(CIADS)等正在建设。

在同步辐射光源方面，北京、合肥、上海的三个同步辐射光源正

在运行，北京高能同步辐射光源（HEPS）、瞄准低能区的合肥先进光

源（HALF）等第四代光源也在抓紧布局和建设。

在自由电子激光、散裂中子源装置方面，上海深紫外自由电子激

光(SDUV-FEL)试验平台等已运行并发挥作用，上海高重复频率硬 X

射线自由电子激光装置（SHINE）正在建设；中国散裂中子源（CSNS）

综合性能进入国际同类装置先进行列。

在聚变装置方面，“EAST 超导托卡马克核聚变实验装置”处于国

际先进水平，聚变堆主机关键系统（CRAFT）重大基础设施已于 2019

年启动；神光系列激光装置、中物院的星光Ⅲ激光装置等装置已经跻

身世界一流水平；2020 年 12 月 4 日，中国环流器二号 M 装置(HL-2M)

在成都建成并实现首次放电，标志着中国自主掌握了大型先进托卡马

克装置的设计、建造、运行技术，为我国核聚变堆的自主设计与建造

打下坚实基础。

46


在核能及次临界嬗变装置方面，建成国际首台 25 MeV ADS 超

导质子直线加速器示范样机；“未来先进核裂变能—钍基熔盐堆核能

系统（TMSR）”专项已组建全球最大的研发队伍，未来将建成 2 MWt

液态燃料熔盐实验堆，是美国之外唯一从事过国家级钍基熔盐堆研发

工作的国家。

四、国内外对标分析与启示

4.1 加速器领域的对标分析与启示

在医用加速器领域，我国具备所有医用能量档直线加速器的开发

能力，已经掌握了医用回旋加速器的核心技术，具备成套装备技术；

在辐照加速器领域，S 波段直线加速器的综合性能达到国际先进水平

且已出口到国外，各类高压型电子辐照加速器的产品质量不断提高并

形成了系列化产品；在无损检测加速器领域，研制水平引领国际发展，

相关设备不仅满足国内需求，在国际市场上占有相当大的份额；在离

子注入机领域，从关键技术到系统设计均具备了自主创新能力，已经

从消化吸收跟踪跨越到同步发展阶段，某些机型已经逐步达到国际先

进技水平。

但是，在放疗设备方面，国产设备的核心部件水平与国际差距较

大，导致市场占有率低，高端装备依赖进口，进而导致医用电子加速

器研发投入以及工艺技术上积累不足；在质子和重离子治疗加速器方

面，国产设备刚研制成功或正在研发的过程中，技术成熟度尚不能与

国外设备抗衡，进入国内高端医疗市场的困难很大；在辐照加速器领

47


域，国内在电子直线加速器的功率和自屏蔽与国外差距较大，且核心

器件主要从美国或法国进口，国产器件性能有待进一步验证和考验；

在中子发生器领域，综合技术指标与国际水平相比仍有差距，密封中

子管的结构和工艺缺乏创新、稳定性差、寿命短，紧凑型中子发生器

的中子产额指标落后，极大地限制了推广应用。

因此，我国应加强加速器技术的研发投入、工艺积累和人才队伍

培养，特别是加强放疗设备的关键核心部件的研发，注重设备研制与

临床研究的紧密结合；提高国产质子及重离子设备的综合质量，加强

超导技术、旋转治疗装置和治疗软件系统等关键核心技术研究，重视

治疗软件系统的研究、开发和应用，并在政策上推动国产质子和重离

子治疗装置占据医疗市场；积极推进自主化小型回旋加速器的应用与

示范推广，形成中高能回旋加速器研制和批量生产能力；创新发展

50～100kW 更大功率的电子直线加速器技术；继续加大对无损检测

技术的投入，加强产学研结合，力争引领世界无损检测加速器领域的

发展；进一步加强中子发生器在强流离子束产生、加速与传输及大功

率旋转靶等方面的研究，发展强流 ns 脉冲中子发生器，逐步提升密

封中子管的整体水平和紧凑型中子发生器的中子产额；提高离子注入

机的自动化程度，提高产品的可靠性和市场占有率。

4.2 放射性同位素领域的对标分析与启示

我国建立了以反应堆、加速器为主的放射性同位素研制与生产平

台，掌握了多种同位素的制备技术，加速器生产 18F、123

I、64Cu 以及

反应堆生产裂变 99Mo（高浓铀生产）、123

I（干法生产）、高比活度 89Sr、

48


高比活度 177Lu、工业用 60

Co、医用 60Co、210

Po 等技术自主可控；放

射源制备技术进步显著，工业 60Co 实现规模化出口，医用钴靶件顺

利出堆打破医用 60Co 全部依赖进口的局面；放射性同位素制品技术

（体内放射性药物、体外免疫诊断试剂盒、放射源、标记化合物、放

射性示踪剂、放射性医疗器械等）取得了巨大进步。

但是，我国大部分常用堆照医用同位素仍赖进口，用于医用同位

素生产的加速器大部分依靠进口，高放废液提取医用同位素处于技术

验证阶段，尚未形成生产能力。急需加快促进我国医用同位素及其药

物自主保障体系建设，扭转医用同位素卡脖子局面，建立稳定自主保

障体系。

因此，我国应提升现有研究堆能力及新建同位素生产堆，开展堆

照同位素生产配套能力建设，实现主要医用同位素的自主化供给；提

升高放废液分离提取设施能力，建立乏燃料后处理高放废液、高/低

浓铀生产同位素的配套能力。加大技术研发，开展常用医用同位素工

程化技术研究或规模化制备技术研发；开展具有良好应用前景的医用

同位素辐照及分离制备关键技术研发；掌握加速器制备新型医用同位

素的辐照及分离制备关键技术研发；建立有效支撑同位素相关行业审

评、促进产品应用的标准体系；开展医用同位素研发、生产、贮存、

销售、运输、使用等各环节的标准规范适用性、有效性、关联性研究。

4.3 核探测与核电子学领域的对标分析与启示

我国探测器经过多年的发展，取得了一定的成绩，微结构气体探

测器 MPGD 近年来在国内发展迅速，NaI 闪烁体、BGO、硫化锌等

闪烁体已经实现批量化生产，塑料闪烁体、液体闪烁体等方面形成规

49


模化产能，半导体探测器研究部分达到国际先进水平。在生产制造工

艺方面，我国已建立了探测器研制的工艺间和转配平台，其工艺可靠。

在测试分析技术方面，也建立了相关测试方法和手段。

但是，我国探测器与核电子学整体发展缓慢、技术落后，结构复

杂的先进探测器、核探测器研发用模拟仿真设计软件、探测器生产用

关键材料依赖进口。

因此，加大探测器材料研发以及探测器制备工艺研究硬件和资金

投入，建立国家级闪烁体探测器、半导体探测器的新材料和探测器、

抗辐射加固集成电路工艺实验室中心等，发挥国家优势，集中力量突

破探测器材料和探测器制备、抗辐射加固集成电路工艺关键技术，提

升我国核辐射探测器与核电子学研发创新能力。开展各类小规模探测

器的实验室研制和高性能探测器关键材料研发，加快核电子学器件发

展步伐，满足新型探测器的要求。

4.4 核仪器仪表及其应用领域的对标分析与启示

我国核仪器的发展经历了以仿制为主、自行设计研制和扩大品种、

提高质量及逐步形成系列等几个阶段。目前，我国通用核仪器仪表发

展初具规模，核岛核安全级仪控系统国产化率不断提高，核电厂数字

化监测和控制系统(DCS)取得重大突破，特殊需求的仪器仪表也取得

了可喜进展，辐射检测仪器性能水平比以往有较大进步，部分产品与

国外先进产品性能当，可以取代国外产品。

但是，我国核仪器仪表的性能指标偏低，可靠性、精度以及外形

美观较差，在产品的小型化、轻便化、系列化、自动化、智能化和多

50


功能等方面发展慢，缺少竞争力，尤其是大型高端分析仪器严重依赖

进口，国内产品性能差且空心化现象严重。在辐射监测和使用环境要

求更高的使用场合以及在乏燃料后处理领域，国产设备在可靠性、精

度上尚存在差距。

因此，我国应加大核仪器仪表科研投入，形成我国自主的核心技

术；建立健全系统的核仪器仪表行业标准体系，实现研发与制造的深

度融合；以“品质革命”引领核仪器仪表制造，去除山寨化、低端化

的形象。党的十九届五中全会提出，发展数字经济、建设数字中国。

核仪器仪表是核工业数字化革新的重要载体，应着力推动核仪器仪表

的数字化、智能化发展，推动核工业产业与大数据、人工智能、5G

等高新技术融合发展，实现核工业的优化升级、生产力整体跃升。

4.5 核技术在工业领域的对标分析与启示

我国的辐照装置数量大、分布广，是世界上年处理食品辐照总量

最大的国家之一；辐射技术在环境领域的应用水平处于国际先进水平，

国际首个电子束辐射处理烟气废气示范工程建在中国成都，电子加速

器辐照处理印染废水工程项目设计处理能力达到 30000 m3／d；工业

CT 整体技术已接近国际先进水平，部分性能指标已处于国际领先。

但是，在辐射加工领域，我国平均每座辐照装置的装源活度较低，

平均每座装源活度不足 60 万居里与美国平均每座装源活度 300 万居

里存在巨大差距；部分类型辐照加速器仍需进口；我国辐射灭菌所占

比例约为 10%且辐照品种少，而国际上早在上世纪 90 年代初期辐射

灭菌比例就达到了约 50%，多个国家已经签订了双边协议将辐照检疫

51


处理作为热带水果检疫处理的重要手段。在材料改性领域，我国材料

改性的应用还是集中在电线电缆以及热缩材料等早期研究成果基础

上，而在轮胎辐照、木塑材料以及辐射固化领域方面的应用与欧美发

达国家还有较大的差异。在工业 CT 方面，国产 X 射线在能量、焦点

等方面与国际先进水平有较大的差距；微焦 CT 在技术指标、产品可

靠性、成熟度、产品多样性等方面与国外差距较大。

因此，我国应加强辐射技术的基础和应用研究，培育辐照加工领

域新的增长点，如子午线轮胎辐照硫硫化、电子束涂层固化、辐射检

疫处理；积极发展环保产业，包括电子束脱硝技术及装备、城市垃圾

无害化处理及再利用及重污染废水处理技术及装备；加强新型辐射成

像机理及相关基础研究；开展高功率微焦点 X 射线源研制及商品化，

满足工业 CT 及射线无损检测对 X 射线源小(微)焦点、高射线强度(高

功率)、低成本、高效率要求；开展针对超临界锅炉、高铁等大型复

杂构件的 CT 成像检测技术的研究，以及基于物联网和大数据的工业

CT 检测系统。

4.6 核技术在医学领域的对标分析与启示

我国核医学总体上水平较高且近年来发展迅速。2019 年，全国

从事核医学专业相关科(室)1148 个，较 2017 年增长了 23.8%；核医

学工作者 12578 人，较 2017 年增长 38.4%[13]。我国扫描机、γ照相

机和功能测定仪等核医学设备性能已达国际水平；在放射性药物制备

生产、质量控制等硬件设施及管理水平取得长足的进步；在 PET、

SPET 等设备使用情况、核素治疗、体外分析检测等方面都有显著的

52


提升，2019年接受离子治疗患者总数 6635例，较 2018年底增长 23.4%，

远高于世界平均增长水平。

但是，由于我国人口众多，基层条件较差，我国人均核医学影像

设备、人均放射性药物用量、人均核医学科数量、人均核医学工作人

员仅为欧美等发达国家的二十分之一左右，我国约 35%的三级医院、

1.2%的二级医院有核医学科，远远不能满足人民群众的卫生健康需求。

2015 年全球核医学诊疗人次约 4800 万，其中欧美超过 3000 万，按

欧美等发达国家 15 亿人口计算，普及率 2%左右，中国人口 14 亿，

普及率仅 0.15%，显著低于发达国家，与全球第二大经济体严重不匹

配[14]。据国际离子治疗联合会数据，截至 2019 年底，全球共有近 26

万例患者接受了离子治疗，其中，我国离子治疗患者总数仅占全球离

子治疗患者总数的 2.55%。从设备数量来看，截至 2019 年底，我国

核医学显像设备 PET（PET/CT，PET/MRI）为 427 台，SPECT（SPECT，

SPECT/CT）为 903 台，以每百万人拥有设备数量计算，美国、日本、

韩国是我国的十倍甚至数十倍，详见图 4.1[14]。

此外，我国放射性药物研发、安全评价、生产、临床应用还处于

发展的初级阶段，相关研究和产业化水平与美国等发达国家相比有很

大差距，主要表现在药物研制进展缓慢，原始创新能力弱，处在仿、

创的结合阶段，放药数量少，自主原创性放射性药物缺乏。从事放射

性药物研制的企业大多处于“散兵游勇”状态，几家规模相对较大的

企业主要以从事进口分装分销或简单加工后销售放射性药品为主。

53


图 4.1 2016 全球各地区的 PET/CT 保有量（台/ 百万人）

因此，我国应开展核医学科推广计划，科学合理设定核医学科在

我国医疗体系发展中的定位和布局，推动实现“一县一科”。扩大放

射性药物医保覆盖范围，优化临床应用管理流程，推动医用放射性同

位素及放射性药物临床应用范围不断扩大，受众人群逐步增多。加大

高端诊疗设备自主研发力度，重点针对双探头可变角人体 SPECT/CT、

快速成像 PET/CT、PET/MR 等高端诊疗设备，加快放射性成像系统、

CT 球管、复杂电路读出系统等关键核心零部件以及整机的国产化进

程，推动国产放射性诊疗设备在临床上的推广和应用。加强放射性新

药研发，获得一批具备自主知识产权的放射性新药，开展具有精准靶

向性、生物活性的多肽、抗体类放射性新药研发。

4.7 核技术在农学领域的对标分析与启示

我国农产品、食品辐照加工研究与产业化水平在国际上已处于领

先地位，是全球食品辐照加工的第一大国；辐射诱变育成的品种数量

5.32

4.39 4.18

3.11

2.13 2.1

1.51

0.7 0.5

0.17 0.09

0

1

2

3

4

5

6

54


超过世界总量的 25%，是世界上利用核技术诱变育种规模最大的国家，

每年为国家增产粮、棉、油 10 亿～15 亿千克，为社会贡献经济效益

超过 20 亿元；在农业核素示踪方面，初步具备自我合成标记农药等

化合物的能力；在稳定同位素溯源方面，我国开始建立数据库，已具

备标准品的制备能力和资质。

但是，我国核农学基础研究和应用基础研究较为薄弱，农产品溯

源领域稳定同位素所用的标准样品、国内放射性标记农药及关键中间

体均采购自国外。

因此，我国应巩固已有的核农学研究队伍，完善农业系统辐照装

置和实验室建设，基于推进农业科学的原始创新、提升核技术和平利

用的创新能力和维护中国核农学的国际地位与影响力三大国家核心

利益，择地建立国家级核农学创新平台，形成国家级共享科研平台或

国家重点实验室。抓住诱变育种发展的战略机遇期，继续在功能和抗

病等品种的培育做出贡献，引领国际特别是亚太地区国家诱变育种的

研究。争取食品辐照方面的国家政策支持，保持应用领先的地位。提

高合成标记同位素的能力，满足我国研发的需求及开发新型环境友好

的农药需求。继续提高稳定同位素溯源方面标准品制备能力和数据库

水平，保护我国优质农产品的良性竞争。

4.8 核技术在社会安全领域的对标分析与启示

我国安检设备整体水平接近国际先进，在出入口放射性物质检测、

大型货物检测、行李检测、整机领域可自主研发，以同方威视为代表

的国内企业占据了国内的绝大部分市场以及部分国际市场，具有完善

55


的科研、生产与产业队伍，科研、生产以及应用均居世界前列，在国

内多个海关口岸、大型活动场所均有大规模的装备与应用。

但是，与发达国家相比我国的反恐核探测技术仍存在一定的差距，

主要表现为基础研究水平不够高，核心技术创新能力不强，高端反恐

侦查装备尚需进口。

因此，我国应适应世界反恐形势发展的需要，抓住国内技术领先

的机遇，大力加强安检技术和产品的开发。积极开展多能谱 X 射线

成像技术、碳纳米 X 射线成像技术研发，利用中子源的各种成分检

测技术研发，以及集装箱及大型车辆成像检测的双能成像检测向成像

检测和成分检测相结合的技术研发。

4.9 研究堆与大科学装置的对标分析与启示

近十年来，多座高性能多用途研究堆、模式试验堆以及中国散裂

中子源等大科学装置相继建成，HIAF、CIADS、北京 ISOL、SHINE

等启动布局和建设，使得我国研究堆与大科学装置在规模数量、装置

水平都取得了长足的进步，在某些前沿科学探索和应用技术研究领域

居于领先地位，整体上能够与国际先进水平比肩。但是，我国研究堆

及大科学装置的运行及应用情况与国际先进水平还有较大差距，部分

研究堆年运行时间不足、对外开放较少。

因此，我国应做好现有研究堆的优化升级、功能拓展和运行保障，

尽快推动建设同位素专用生产堆，加速微堆的应用推广，重视数字堆

开发，抢占未来核反应堆甚至核科学与技术发展的战略高地；继续加

强大科学装置的发展战略及布局研究，深入开展装置的设计和技术研

56


究，不断提高运行性能，加强开放共享，力争取得更多研究成果。

五、结论和建议

5.1 我国核技术应用取得的主要进展

在加速器领域，主导制定我国通用核仪器领域首个国际标准《IEC

62976-2017 工业无损检测设备——电子直线加速器》；具备所有医用

能量档电子直线加速器的开发能力，多台质子和重离子治疗加速器应

用于临床或正在安装，230MeV 超导质子回旋加速器质子束能量已达

到设计要求；辐照加速器综合性能达到国际先进水平，国产高功率速

调管投入使用；无损检验加速器技术和产品已进入国际领先行列，产

品不仅满足国内的需求，而且在国际市场占有相当大的份额。

在同位素领域，研究堆开始恢复部分医用放射性同位素的生产，

具有小批量生产 89Sr、125

I、131I、177

Lu 的能力；医用放射性同位素制

品的研制生产体系已初步形成，一百多台专用加速器用于 18F 等同位

素的生产，基本满足大中城市综合性医院临床需要；高纯 233U 的制

备的恢复具备解决国内急需的能力；2019 年，我国首个医用钴靶件

经辐照后在秦山核电重水堆 1 号机组顺利出堆，这标志着我国通过自

主研发成功掌握了医用 60Co 生产技术，成功实现国产化，为伽马刀

产业的持续发展提供了坚实保障，为全国癌症患者带来福音。

在核探测与核电子学领域，微结构气体探测器MPGD发展迅速，

高计数率 MRPC 探测器指标国际领先，NaI 闪烁体、BGO、硫化锌等

闪烁体探测器实现批量化生产；针对不同的核辐射探测器研制了多种

ASIC 芯片，所采用的半导体工艺已经从 0.35μm 进入到 0.25μm 和

57


0.18μm、0.13μm乃至 65nm。

在核仪器仪表领域，三大核电集团打破国外垄断，分别推出了各

自的 DCS 产品平台，核设施仪器仪表国产化、数字化转型取得突破

性进展；高温裂变电离室（500℃）、钠流量计、钠液位计等应用于新

型反应堆的特殊仪器仪表即将示范应用；PING 监测仪设备首次应用

于商用核电站替代进口产品。

在核技术的工业应用领域，辐射加工产业处于世界先进国家行列，

已在材料改性、食品辐照、医疗卫生用品辐照灭菌等领域实现了产业

化发展，共有伽玛辐照装置 130 座，钴源辐照装置单座设计能力已达

600 万居里，辐照加工用电子加速器约 630 台，总设计功率约 45000

kW；辐射材料改性产业形成了以辐照交联线缆和热缩材料及制品为

主，半导体改性材料、发泡材料、膜材料、涂料、超吸水材料、新型

复合材料逐步形成规模的产业格局；国内第一个工业规模的电子加速

器辐照处理印染废水工程项目已于 2020 年 6 月份在广东正式投入运

营，第一个电子束无害化处理抗生素菌渣示范工程于 2020 年 7 月在

新疆伊犁建设完成；自主开发的大型及高能工业 CT 系统的研制成功，

尖端射线无损检测技术领域彻底摆脱受制于人的局面。

在核技术的医学应用领域，10 余条 GMP 级放射性药物生产线、

30 余个 99mTc-即时药物及 18

F-FDG 药物生产配送中心建成，国内第

一个放射性药物临床前安全评价实验室（GLP）于 2020 年 5 月建立；

国产 PET/CT 生产投入应用。

在核技术的农业应用领域，在植物辐射诱变育种领域继续保持国

58


际领先的地位，农产品辐照加工装置和辐照食品的量均居世界前列；

建立了核技术与现代前沿仪器分析技术结合的技术体系应用于农业

核素示踪，为我国具有自主知识产权的高效-环境友好型农药尽早进

入市场提供技术支撑；开始建立稳定同位素溯源数据库，具备标准品

的制备能力和资质，为我国名优农产品保驾护航。

在核技术的安全应用领域，世界首套以加速器为辐射源、利用

CT 技术的大型货物/车辆检查系统于 2019 年 10 月底在深圳莲塘口岸

完成安装调试并投入运行，毫米波全息成像人体安全检查仪于 2018

年获得民航颁发使用许可认证并实现批量使用，太赫兹人体安检成像

仪在港珠澳大桥、广州白云机场、乌鲁木齐海关等地投入试用；主导

制定国际标准《IEC 62963-2020 辐射防护仪器——瓶罐液体 X 射线

CT 检测系统》，核技术应用产品质量和标准化体系建设逐步完善。

在研究堆及大科学装置领域，HFETR 中子通量居亚洲第一、世

界第三，以 CARR、CMRR 为代表的多用途研究堆已进入国际一流行

列，首座数字微堆完成开发，快堆、高温气冷堆、铅基快堆、专用供

热堆等相应的模式试验堆设计建造迅速开展；中国环流器二号 M 装

置(HL-2M)在成都建成并实现首次放电；BEPC 和 BEPCII 的建设运行

使我国在陶粲物理领域居于领先地位；宇宙线观测、中微子实验等非

加速器粒子物理大科学装置总体进入国际前列；质子滴线区域新核素

合成和短寿命原子核质量精确测量等研究方向上处于国际领先；高增

益自由电子激光新原理和关键技术已处于国际前沿；中国散列中子源

成为我国多学科研究重要创新平台；自主掌磁约束聚变装置关键技术

59


且在低温与超导、高热负荷部件偏滤器等方面达到国际先进水平；建

成国际首台 25 MeV ADS 超导质子直线加速器示范样机，钍基熔盐

堆研发国际领先。

5.2 制约我国核技术应用学科和产业发展的因素分析

5.2.1 行业发展缺少顶层规划，相关标准规范不健全

我国核技术应用的整体规划和引导较为欠缺，完全按照市场化的

方向发展，相关企业和科研院所长期处于各自为战状态，难于形成规

模与产业化发展，国内市场占有率低，新产品特别是具有自主知识产

权的产品较少。而且，由于我国核技术应用很多领域都处于起步阶段，

相关标准、指引都是空白，标准引领产业发展的作用不足。我国核电

项目辐射监测设备相关应用标准尚不完善，部分标准仍然使用国外核

电厂的标准，致使国内广家在竞争中处于弱势地位。辐照法规和管理

相对滞后，食品和医疗器械辐射加工的管理法规和技术标准尚不完善，

对促进辐照技术的发展和保证产业化健康发展所急需的一些标准规

范尚未制定。

5.2.2 基础研究及科研平台投入不足，研发创新能力薄弱

核技术应用具有知识密集性、交叉渗透性，与物理学、化学、医

学、农学等学科有密切联系，其发展离不开基础研究的孕育。我国在

核技术应用领域的基础研究投入和稳定支持不足，研发创新能力薄弱，

与发达国家在原创性的物理思想以及加速器和探测器的新原理、新方

法等方面存在较大差距，对行业发展原创性贡献不足，难以成为引领

核技术应用行业发展的主要力量。此外，基础研究的发展和突破离不

60


开大科学装置和综合性实验平台的建设，我国已建及在建的研究堆和

大科学装置的数量较发达国家仍存在一定的差距，而且大科学装置的

配套及后续运行经费的保障不足，开放共享不够，导致大型科研平台

未能发挥应有的作用，“独有独创”能力不强的现状尚未得到根本改

变。

5.2.3 部分核心技术及材料受制于人，科技自立自强任务紧迫

当今世界正经历百年未有之大变局，我国正处于实现中华民族伟

大复兴的关键时期，国际安全形势错综复杂，美国技术封锁形势严峻，

“逆全球化”风险在不断加大。但是我国核技术应用领域仍存在部分

核心技术、关键材料、重要软件等受制于人的情况。例如：辐照加速

器高功率速调管、波导窗以及无损检测加速器磁控管等加速器核心器

件，部分常用同位素及医用同位素生产用加速器，结构复杂的高端探

测器、核探测器研发用的模拟仿真设计软件、高纯锗晶体等探测器生

产关键材料等都仍依赖进口。加速器、同位素和探测器是核技术应用

行业的重要基础，而加速器核心部件、X 射线/伽马探测器等设备已

经面临或有可能面临禁运风险，重要同位素面临断供风险和昂贵的价

格，这些都不利于核技术应用行业的发展，科技自立自强任务紧迫。

5.2.4 部分高端装备依赖进口，产业发展严重受阻

由于基础研究投入不足，研发创新能力薄弱，部分核心技术及材

料受制于人，进而导致部分高端装备仍依赖进口。同时，由于国内产

品工艺水平、智能化水平、设计技术距国外有一定差距，国内用户对

国产化技术缺乏信心，大量的高端核仪器仪表、核医疗装备、安防仪

61


器等充斥国内市场，不仅威胁事关我国人民健康、社会安全等领域的

自主可控发展，而且导致我国医用同位素、放射性治疗设备、核电建

设成本等居高不下，先进设备很难普惠于民。在这种情况下，我国核

技术应用厂商沦为国际厂商的低端代工和分销商，缺少资金和经验积

累，自主创新能力进一步受阻，形成恶性循环，严重制约产业发展。

5.2.5 核技术应用产值规模小，具有极大提升空间

我国核技术应用产业初具规模，已广泛应用于工业、农业、医学、

环保等领域，渗透到人民生活的方方面面，但产值仅占 GDP 的千分

之五，与美日韩等发达国家仍然存在一定的差距，尤其是在应用的广

泛性方面。国际上辐照灭菌已成为行业标准，大规模使用，在医疗器

械消毒灭菌中的比例达到了约 50%，但我国这一比例仅为 10%；我

国材料改性的应用主要集中在电线电缆以及热缩材料方面，轮胎辐照、

木塑材料以及辐射固化领域的应用与欧美发达国家还有较大的差异；

我国是世界上年处理食品辐照总量最大的国家之一，但辐照食品占比

偏低且品种较少；我国人均同位素制品消耗量不及世界水平的 1%，

核医学普及率 0.15%远不及欧美等发达国家的 2%，等等。

5.3 发展建议

5.3.1 加强顶层规划，完善制度、法规及标准建设

统筹规划，合理布局，及早制定符合国情、利于技术革新的核技

术应用产业发展总体规划。完善相关制度、法规，加强标准建设工作，

引进国际相关国家和组织的标准规范，缩短标准制定周期，用规划和

标准推动并引领产业发展。加强核技术应用的科学监管，在保证安全

62


的前提下，促进核技术应用产业的发展，在生产、运输、使用等环节

中区别对待不同危害性的放射性物质监管，避免对放射性物质不必要

的交叉和重复监管，减少非必须的审批环节。

5.3.2 加强原始创新，稳定支持基础研究和应用基础研究

要在国家层面对核技术应用的重点发展方向设立重大专项，建立

核技术应用基础研究和应用基础研究的稳定支持机制。规划和统筹协

调好现有研究堆和大科学装置资源，实现能力、地缘优势互补，合理

安排各平台运维时间，充分释放各平台潜力。在国家层面出台研究堆

安全监管、运维保障相关政策，依靠政策活力，全面保障现有大科学

装置的长期稳定运行，为各项应用奠定全面基础。通过加强国际合作，

在新型加速器、探测技术等重大前沿科学问题上与国外同行开展实质

性合作研究，争取重大国际合作活动的组织和主办权，全球性与区域

性合作并重，双边合作和多边合作并举，推进全方位、多层次、高水

平、宽领域、重实效的国际合作，提升我国在核技术应用领域的基础

科研能力。

5.3.3 引导关键核心技术举国攻关，破解“卡脖子”难题

关键核心技术要不来、买不来、讨不来，由政府组织和引导靠市

场自发力量搞不起来的“卡脖子”技术，聚集不同领域、单位的优质

资源，发挥新型举国体制优势，通过重点工程的拉动技术突破，不断

增强我国核技术应用产业自身的科技创新能力。组建一批国家级重点

实验室、工程技术研究中心、创新团队、创新联合体、研发基地等各

类科技创新平台，集中优势力量，对行业发展的共性关键技术、工艺

63


进行攻关，掌握更多具有自主知识产权的核心科技，构建自主、开放、

可控的核技术应用全产业链技术生态。加大对国产化及进口替代技术、

产品的政策扶持和资金支持，进行采购国内产品优先级调控，推动国

产核医疗设备纳入医保，有效刺激技术创新及设备国产化，彻底打破

某些领域国外技术、设备占领市场的被动局面。

5.3.4 引导核技术交叉融合发展，构建有利于产业化的体制机制

核技术应用本身的发展离不开在工业、医学、农业、社会安全等

领域的应用，也离不开材料技术、电子技术、计算机技术、控制技术、

成像技术等多种技术的综合运用。近年来，大数据、人工智能在核领

域的前沿应用也是核技术应用的主要发展方向之一。应引导和鼓励核

技术的交叉融合发展，培养和引进复合型人才，促进核技术在非核领

域的应用及非核技术在核领域的推广。应该加强高校、科研院所与企

业的合作，形成以企业需求为牵引，高校、科研院所为创新主体，产

学研用相互融合的发展模式和产业生态环境，建立有利于核技术应用

产业化的体制机制。组建专门的核技术应用成果转化基金，充分利用

我国科技体制改革、国企改革政策红利，调动企业、研究机构人员积

极性，加快我国核技术应用领域的科技成果转化进程，促进成熟技术

的产业化应用。

5.3.5 加大科普宣传，为核技术应用发展构建良好环境

当前我国各地普遍缺乏对核技术应用的系统科普知识宣传，包括

对辐射技术在食品保鲜保藏等方面的应用，很多人仍存在顾虑。应加

强对核技术应用认知的引导，使大众对造福社会的核技术更加了解和

64


接受，通过国家、地方和相关企业的紧密合作，减少和消除公众存在

的核恐惧和阴影。以涉核科研平台为基础建立一批核科学知识科普基

地，鼓励和支持业内专家和企业举办“开放日”、讲座宣传、实地参

观等活动，向全民普及核能知识，向社会公众打开核科学技术的窗口，

让公众了解核、认识核、接受核。通过现代新媒体，以通俗易懂、喜

闻乐见的方式，对辐射育种、辐照食品等基本概念、环境安全性评价

以及对我国经济社会的突出贡献大力宣传，积极消除民众的顾虑。

65


参考文献

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Utilization[J]. Journal of Radiation Protection and Research, 2017, 42(1):1-8.

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[3] 中华人民共和国国家核安全局. 2019 年报[R/OL]. 2020. http://nnsa.mee.gov.cn/ztzl/haqnb/





[8] 罗志福, 吴宇轩, 梁积新. 用于医用核素钼-99 的制备方法[J]. 同位素, 2018,31(03):

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[10]世界银行.医疗诊断成像设备采购报告[R/OL].2019.www.worldbank.org

[11]世界银行.医学诊断成像设备市场分析报告[R/OL].2019.pubdocs.worldbank.org

[12]朱南康，俞章华. 工业辐射加工的新进展[M].北京：中国原子能出版社, 2020:38-40.

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[14] 李思进 . 中国核医学现状及临床应用报告

[R/OL].https://www.sohu.com/a/445153664_655053

撰稿人：薛岳赵志祥

66

http://nnsa.mee.gov.cn/ztzl/haqnb/

http://www.worldbank.org/

2018-2020 核技术应用学科发展报告：研究实验堆

研究实验堆

Abstract

As infrastructure for providing neutrons, gamma rays and neutrinos for multi-purpose

applications, research reactors are not only used in basic research fields such as

nuclear physics, nuclear chemistry and radiochemistry, and materials science, but

have also been widely used in industry, medicine, agriculture, forensics, archaeology

and environmental science, and are a very important and indispensable scientific

research platform for nuclear energy and nuclear technology applications. Generally

speaking, the peak period of research reactor construction in nuclear developed

countries was before 1980s. These research reactors not only provide important

technical support for the development of land-based nuclear power plants, naval

nuclear power and even space nuclear power, but also provide essential support for

the development of non-power nuclear technology applications such as radioisotope

production and material transmutation. Although China's research reactor started not

much late, the number of research reactors in China is relatively small, and there is

still a huge gap between the domestic application level and the advanced world level.

This situation remained unchanged until the coming of the 21st century, especially in

the past ten years, a number of high-performance multi-purpose research reactors and

prototype test reactors have been built, which is in line with China's grand

development plan for nuclear energy and non-power nuclear technology applications.

The design and operation of each research reactor have distinctive peculiarities and

specific targets, research reactors have been designed in a variety of ways based on

their special purposes and uses. In this topic, each type of research reactor and the

progress of its applications will be presented, and existing problems and suggestions

will be described.

67


一、引言

研究实验堆是用于研究、开发、教育和培训的核反应堆，又称研究堆。不像

核电站反应堆关注能量的应用，研究堆关注中子的应用。为此，体现研究堆设计

水平的首要指标是中子注量率及单位功率的中子注量率（又称研究堆优点指标或

品质因子）；其它指标如：较宽的中子能谱、较大的可利用空间、辐照样品取放

便捷性及安全性等。

研究堆的主要应用分为束流应用、材料/燃料辐照考验、同位素生产、材料

嬗变、中子物理特性研究、创新核能系统验证及教学培训等七类。为实现这些应

用，需配套建设垂直孔道、水平孔道、回路及热室等应用设施。按应用可将研究

堆归为以下几类：束流堆、材料工程试验堆、同位素生产堆（包括材料嬗变）、

物理特性研究堆、微型中子源反应堆、模式试验堆及多用途研究堆。因各类型研

究堆均具有教学培训功能，因此，本专题不专门介绍。另，束流堆也可用来生产

同位素及燃料或材料考验,本专题也不专门介绍。

根据国际原子能机构（International Atomic Energy Agency，以下简称 IAEA）

研究堆数据库（RRDB）统计（截止 2020 年 12 月），全球共建成 819 座研究堆，

其中 223 座仍在运行。它们分布在 67 个国家和地区，其中美国共有 307 座，俄

罗斯有 124 座。另外，正在建设有 11 座，计划建设有 16 座。这与上世纪建设研

究堆高峰期形势有所不同，一是计划/在建的主要集中在发展中国家，二是数量

大大减少，除非真正的新一代核能系统及同位素生产需要，而更多地转向虚拟反

应堆（也叫数字堆）开发。数字堆依托于超级计算机，是实际反应堆“外在”和“内

在”的镜像，实际上就是基于高精度模拟技术、大数据应用技术和高速度数据传

输技术，应用全堆芯中子物理、热工水力、结构力学，以及燃料和材料等的多物

理、多尺度耦合高精细模拟分析及三维结构虚拟演示，可为反应堆设计优化、虚

拟建造、高效运行、事故预测和应急、退役处置，以及燃料和材料研发提供数字

试验验证平台。某种角度代替传统的研究堆角色和功能，为创新核能系统研发和

定型提供强有力的技术支撑，又能减少技术风险，缩短研发周期，降低建造和运

行成本。欧美等核先进国家在其雄厚的自主软件体系基础上，数字堆研发已从最

初的重点项目支持到目前国家战略层面的部署，在先进压水堆、四代快堆、反应

68


堆燃料与材料等领域都已逐步发展出了各自成体系数字系统。

经过数十年的努力，我国研究堆研究队伍和科技水平有了长足的进步，总体

上已实现并跑，已成为我国核技术应用产业的重要组成部分。据不完全统计，我

国共有 6 家企事业单位从事研究堆的运行与实验应用，在役研究堆有 20 座，有

5 座研究堆在建/计划建设,从业人员约 2500 人，近年年均科研投入达到 2500 万

元/堆。详见表 1.1。

表 1.1 研究实验堆数据统计基础表

目录数值备注

年产值 1.5 亿元

从事单位 6 6 家法人单位（运行与实验）

从业人员： 2500 个

（其中从事科研人员） 1200 个

科研投入 13.6（2018~2020）亿元，包括燃料费及大型设施

运行补贴

设备及装置

中子谱仪 22 台，高温高压回路 3 条，

中子活化分析装置 4 套，材料考验

装置 5 套

如设备种类不一样，可分开罗

列（含进口及国产）

国家级、省部级研发平台国家能源快堆工程研发中心、中核

集团核临界安全中心

国家级实验室

院士工作站 8 个

地方级科研中心 5 个

博士后科研工作站 8 个

行业标准国家 19 个

团体 250 个

科技

成果

国家奖 8 个

省部级奖 126 个

专利

国际 0 件

国内发明专利 200 件

国内实用新型 300 件

国内外观设计 0 件

论文

总数所有正式发表 1500 包含会议论文/篇

创新

成果

其他关

键数据

69


二、研究堆

多用途研究堆就是集中子束流应用、燃料与材料辐照考验、放射性同位素生

产及教学培训等多种用途于一体的研究堆。其典型特征是既有垂直孔道用于装载

燃料、材料、同位素辐照样品、嬗变材料辐照样品，又有水平孔道引出中子束流

用来开展中子散射、中子照相、在线中子活化分析、核泵浦激光、核数据测量、

核孔膜生产等基础或应用基础研究以及核技术应用。

多用途研究堆按堆型分为池式和罐式两种。按中子注量率大致归为三档：低

通量堆（小于 51013

n/cm2.s），中通量堆（大于 510

13n/cm

2.s），高通量堆(大于

51014

n/cm2.s)。

2.1 国际发展现状与趋势

从上世纪 90年代以来，国际上升级改造和新建的多用途研究堆有 10 多座，

如德国建成了 FRM-II（20MW）、韩国建成了 KMRR(30MW)、HANARO(30MW)、澳大

利亚建成 OPAL(20MW)、日本升级改造了 JRR-3M(20MW)、约旦建成 JRTR(5MW)、

阿尔及利亚建成 ES-SALAM(15MW)、法国正在建设 JRH(100MW)、俄罗斯正在建设

PIK(100MW)和 IRV-2M（4MW）、阿根廷正在建设 RA-10(30MW）。从这些多用途研

究堆看，有以下规律：

（1）高性能指标

一是追求更高的中子注量率和研究堆品质因子。如德国 FRM-II最高热中子

注量率达到 81014n·cm-2·s-1，品质因子达到 41013n/cm2·s/MW,法国 RJH 的最

高热中子注量率达到 5.51014 n·cm-2·s-1，而快中子注量率达到 5.51014

n·cm-2·s-1，俄罗斯 PIK堆最高热中子注量率达到 41015 n·cm-2·s-1，快中子

注量率为 81014n·cm-2·s-1；二是追求更宽中子能谱范围。从冷中子、热中子、

超热中子至快中子以满足不同应用需求，如 FRM-II、JRR-3M、HANARO、OPAL 及

JRH、PIK 等均配备了冷中子源系统，实现全能谱。

（2）多用途

70


在传统的用途：如同位素生产、中子嬗变掺杂(Neutron Tranmutation

Dopping,NTD)硅、中子活化分析(Neutron Activation Analysis,NAA)、中子散

射实验技术、中子照相、燃料及材料辐照考验、核仪器仪表考验、人员培训等的

基础上，拓展一些新的用途，如：核孔膜生产、核泵浦激光研究、聚变堆氚生产

及工艺研究等。另外，寻求更大的应用空间，以满足大样品、小样品及微样品等

同时辐照的要求、放射性同位素量产要求、大尺寸嬗变材料要求等。如 FRM-II、

OPAL、JRH、PIK等均采用高度紧凑反中子阱堆芯设计，有大应用空间。

（3）高安全性

通过各种优化设计，增设安全设施，满足纵深防御和多重屏障的安全原则，

从技术上切实消除大规模放射性释放，降低厂址和环境的核辐射风险，确保从业

人员以及公众的辐射安全。主要包括：数字化、智能化技术的应用，降低人误概

率及劳动强度；固有安全及非能动安全措施采用确保停堆、冷却及放射性包容三

大安全功能落实。

（4）防核扩散

为了满足核不扩散的要求，新建多用途研究堆一般采用低浓铀 (Low

Enrichment Uranium,LEU)燃料，在役研究堆也在实施 RERTR 计划(降低研究试验

堆铀浓缩度计划），逐渐进行低浓化改造。生产裂变钼 -99 的高浓铀 (High

Enrichment Uranium,HEU)靶件也在 RERTR 计划内。

上述需求也促进了研究堆本身及相关技术的进步：

（1）先进的堆芯设计技术。反中子阱型紧凑堆芯成为首选堆型，该堆型对

于获得中子能谱的空间分离、高中子注量率、大利用空间等方面独具特色，

FRM-II、HANARO、OPAL 及 RJH、PIK 等均采用该堆型。

（2）高性能燃料技术。高铀密度的非棒状燃料如平板型、渐开线板、十字

螺旋型、套筒型成为多用途高性能研究堆的候选燃料，无论是 U3SI2Al，还是 UAl、

UMo 等，高铀密度弥补了低浓化后铀装量及临界质量，板状燃料增加了换热面

积，为实现高热负荷、高中子注量率提供保障。如 FRM-II 采用渐开线，HANARO、

OPAL、JRR3M 采用平板型，RJH 采用曲板，PIK 采用十字螺旋型。

71


（3）高性能软件及数值仿真验证技术。随着计算机及数值仿真技术的快速

发展，过去常需要建零功率装置、流量分配实验装置、流致振动实验台架等，现

在均可省去，节省了建造成本，缩短了建设周期。

2.2 我国发展现状与趋势

我国第一座多用途研究堆（101堆）于 1958年 7月 1日在中国原子能科学

研究院（简称原子能院）建成（前苏联援建）。101堆运行了近 50年于 2007 年

进入永久停闭状态。

以 101堆为原型，出口到阿尔及利亚，于 1992年 2月 17日建成了一座 15MW

多用途重水研究堆(ES-SALAM)，该项目被誉为“南南合作”的典范。

上世纪六七十年代我国多用途研究堆发展进入第二阶段。自主设计建造了多

座池式多用途研究堆。于 1964年 10月建成 1MW的 ESR901堆，同年 12月建成

3.5MW 的 SPR IAE（又称 49-2堆），1979 年 6月建成 3MW的 SPRR-300。这 3座

堆同为池式反应堆，采用相同的 UO2与 Mg弥散燃料，并配套建设数量不等的垂

直/水平孔道，先后开展了屏蔽效益、核数据、中子活化分析等中子束流应用，

开展了燃料、材料考验，并在国内率先开展了单晶硅中子掺杂、黄玉辐照改色、

核孔膜辐照等。尤其是 49-2反应堆，已安全运行 56年，是我国寿命最长的反应

堆。该堆于 2017年 11月 28日为原子能院近 10000m2办公大楼实现核能供暖，

为我国核能供暖迈出了坚实的一步，以该堆为原型开发了燕龙系列供暖反应堆。

表 2.1给出了 49-2堆主要设计参数。

表 2.1 49-2 堆主要设计参数

参数名称参数值

功率 3.5 MW（加强 5MW）

最大热中子注量率 7.4×1013 n/cm2·s

最大快中子注量率 1.4×1014 n/cm2·s

235U 装载量约 5.6kg

水平孔道 5 个，其中 1 个热柱，1 个切向孔道

垂直孔道 20 个，活性区内、外各 10 个

上世纪末，因 101 堆、SPRR300 等超期服役，国内启动了新的多用途研究

堆的建设。2010 年 5 月 13 日中国先进研究堆（CARR）达到首次临界，2013 年

72


9 月 1 日中国绵阳研究堆（CMRR）实现首次临界。

CARR 为池内罐式反中子阱型多用途高通量堆，其综合性能指标亚洲第一、

世界前列。CARR 的主要设计参数表 2。已建成 12 台谱仪，正在建设 7 台，计

划建设 4 台，届时将拥有世界上最完备的谱仪。建成了液氘为慢化剂、液氦冷却

的冷中子源系统，0.6nm 波长冷中子的增益达为 15，达到国际先进水平。

CARR 目前处在试运行阶段，应用终端设施陆续建成，并已取得多项研究成

果。建成了中子照相测试平台及中子活化分析研究平台，依托平台完成了航空发

动机脱芯、国产燃料元件包壳 N36、锂离子电池、燃料电池、火药、颗粒材料、

矿石、植物、昆虫等样品的研究工作，产出 10 多项高水平的研究成果，发布了

我国第一个中子照相国家标准；建成了聚变堆固态氚增殖剂辐照考核实验研究平

台（CIPITISE），完成了氚增殖剂球床 1147MWd 的考核，并获取了热导率、辐

照性能等重要数据。正在建设北京在线同位素分离丰中子束流装置（ISOL）平

台，将用于原子核稳定极限区新物理、超重稳定岛核素合成、铁以上重元素的天

体合成等重大基础科学前沿研究，也可满足先进核能系统，特别是聚变堆材料的

辐照测评与考验等国家重大需求； 14C 辐照靶件正在堆内辐照，正在建设 125

I、

裂变 99Mo、63

Ni 辐照装置及回路；正在建设高温高压回路，完成了銠/钒自给能

探测器及非补偿电离室等考验及标定，完成了秦山、大亚湾全尺寸燃料元件（包

括破损）的热室检验。

表 2.2 CARR 主要设计参数

核功率 60 MW

反射层最大热中子注量率 8×1014 n/cm2/s

活性区最大热中子注量率 1×1015 n/cm2/s

最大快中子注量率 6×1014 n/cm2/s

冷却剂堆芯入口/出口温度 35/56.2℃

燃料组件形式平板型

燃料芯体材料 U3Si2-Al 弥散体

235U 富集度 19.75 wt%

重水反射层内/外直径 479/2200mm

控制棒吸收体材料铪

垂直/水平孔道数量 22/9

堆内辐照设施/回路 4/4

73


CMRR 为池式、轻水冷却、重水慢化、铍反射中子阱型多用途研究堆，采

用平板燃料组，富集度 19.75%、铀密度为 3.6g/cm3 的 U3Si2-Al 弥散型燃料芯体，

6061-T0 合金铝为包壳材料。反应堆功率为 20MW，最大热中子注量率为 2.4×1014

n/cm2·s，最大快中子注量率为 3.7×10

14 n/cm

2·s。设有 9 根水平孔道，17 个垂直

孔道及 8 个堆内辐照装置，近年来开展了中子散射、中子照相、中子活化分析等

研究，开展了 99Mo，133

I 等放射性同位素小批量生产，年运行时间为 200 天左右，

运行情况良好。

2.3 国内外发展对比

将国际上比较先进的高性能多用途研究堆及其应用进行了列表比较，从表

2.3 中可以看出，CARR 的综合性能指标仅次于德国的 FRM-Ⅱ，在使用低浓铀的

研究堆中名列世界第一，CMRR 综合性能指标也处在世界先进水平。另外，CARR

和 CMRR 均配置数目众多的束流孔道和辐照孔道，具有较大的可利用空间，而

且，均建设了冷中子源系统，可利用快中子、超热中子、热中子、甚至冷中子，

有很宽的能谱范围。

表 2.3 国际先进的多用途研究主要指标

堆名国家燃料类型富集

度%

功率 P

(MW)

反射层中子

注量率

最大中子注

量率

品质因子

HFIR 美国渐开线板 93.1 100 1E15 2.5E15 2.5E13

HFR(ILL) 德意法渐开线板 93 57 1.2E15 1.5E15 2.63E13

HFBR 美国曲板型 93 30 7E14 7E14 1.83E13

ORPHEE 法国平板型 93 14 3E14 3.0E14 2.14E13

FRM-Ⅱ 德国渐开线板 93 20 8E14 8.0E14 4.0E13

OPAL 澳平板型 20 20 4E14 4.0E14 2.0E13

RJH 法国曲板型 20 100 - 5.5E14 5.5E12

PIK 俄十字螺旋 90 100 1E15 1E13

JRR-3M 日本平板型 19.75 20 2.3E14 2.7E14 1.15E13

HANARO 韩国平板型 19.75 30 5.0E14 5.0E14 1.67E13

CARR 中国平板型 19.75 60 8.0E14 2.1E15 3.5E13

CMRR 中国平板 19.75 20 2.4E14 1.2E13

74


中子注量率量纲为 n/cm

2·s; 品质因子量纲为 n/cm

2·s·MW

2.4 结论与建议

从 CARR、CMRR 的设计、建造情况看，我国多用途研究堆已进入国际一

流的行列。但我国多用途研究堆的运行及应用情况与国际先进水平还有较大差距，

首先年运行时间不足，国外大多在 250 天以上，有的接近 300 天，而我国 CMRR

年运行时间为 200 天，而 CARR 年运行时间不到 100 天；其次共享程度较低，

国外多用途研究堆大多属于面向全世界开放的科研平台，而我国的 CMRR 平台

和 CARR 平台，虽然已与国内高校、科研院所开展一些合作，但其定位基本属

于本单位，更谈不上面向国际；最后，成果与产出有限，高水平的基础研究及应

用基础研究成果很少，就连国内需要放射性同位素，如 99Mo、125

I、133I 等基本

依赖进口。

CMRR、CARR 的性能指标非常先进，其利用率需进一步提升，应考虑将其

建设成为国家重点实验室或研发中心，足额的经费保障，面向全世界开放。

三、材料工程试验堆

专用于核燃料和核工程材料辐照考验的研究堆，称为高通量材料工程试验堆。

其热中子及快中子注量率不低于 1014

n /cm2 ·s，热中子用于考验核燃料的积累燃

耗，而快中子用于考验核工程材料的辐照损伤。要求高中子注量率以缩短辐照考

验时间，同时要求用于辐照的空间大，并配套建设高温高压回路、瞬态实验回路，

以模拟各种核电站反应堆的运行及瞬态工况，方便高效地完成辐照考验及安全试

验。同时配套建设用于非破坏性和破坏性辐照后检验的热室、半热室及手套箱等。

3.1 国际发展现状及趋势

工程试验堆是发展核电站及核动力装置的关键设施，各发达国家都拥有一座

甚至几座这样的试验堆, 上世纪五六十年代是建造这种堆的高峰。目前世界上正

在运行的工程试验堆包括比利时的 BR-2(120MW)，捷克 LVR-15 REZ(10MW)，

法国 OSIRIS(70MW)，印度 DHRUVA(100MW)，日本 JMTR(50MW)，荷兰

HFR(45MW)，挪威 HBWR(20MW)，俄罗斯的 SM-3(100MW)，BOR-60(60MW)

及 MIR.M1(100MW)，美国的 ATR(250MW)。在建的有俄罗斯 MBIR（150MW），

75


计划中有比利时的 MYRRHA(100MW)，印度的 HFRR(30MW)。

近年核电发展出现了一些新趋势，如延长换料周期提高卸料燃耗；核电站延

寿至 60 年甚至 80 年；核电站跟踪负荷的高效经济运行；开发 IV 代核电及其它

新型核能系统。这些趋势的核心是燃料及核工程材料，作为开发和验证新燃料与

材料的工具堆自然应满足这些新发展的要求。

在役核电以压水堆(PWR)、沸水堆(BWR)及坎杜堆(CANDU)为主，这些堆均

属于热中子堆，因此，过去的工程试验堆也以考验热堆且 UO2 燃料为主要任务。

而在建的主要服务于 IV 代堆，如 MBIR 侧重钠冷快堆燃料，RJH 侧重各种 IV

代核电燃料， MYRRHA 侧重铅铋快堆燃料，HFRR 侧重重水堆钍基燃料。

（1）高耐辐照的材料。IV代核电要求达 150dpa，聚变堆最高达到 200dpa，

对工程试验堆的快中子通量水平提出了新的要求。工程试验堆 BOR-60及 SM3 都

有高快中子通量水平（ 5 ），可以实现高达 25dpa/年的辐

照考验能力，而 HFIR、RJH分别有 14dpa/年和 16dpa/年的辐照考验能力。

（2）高温、高压及新型冷却剂环境。能够承受更严酷的堆内环境，包括

高γ通量（高达 15W/g），高中子通量（ 5 ），高温（>600℃

甚至 1000℃）以及高压（>25MPa）；液态金属（钠、铅、铅铋、锂等）、熔盐、

超临界水或 CO2、氦气等。

（3）高性能在线仪表化组件。过去的考验更多地为“黑匣子”，设计考

验装置时依赖计算，获取燃料或材料的性能依赖辐照后检验，从而导致对考验组

件的实时状态（温度、压力、线功率密度、热流密度等）了解甚少，也出现了多

次考验组件事故。因此，高性能、多参数仪表化组件的设计成为了趋势。当然，

恶劣环境及狭窄空间中布置在线仪表也带来了挑战。国际上美、俄、法、日等国

的工程试验堆均实现了仪表化组件在线考验。

（4）瞬态及事故安全试验。长周期换料设计、负荷跟踪运行等对工程试

验堆的考验提出了新的要求，不再局限于过去的稳态工况、中燃耗水平，而是加

深燃耗考验，功率骤变、工况交变等瞬态考验，最高燃耗已达 70000MWd/tU。

76


（5）考验组件或考验样品的结构、大小及制样方法的演变。一方面，从

小样品到小组件（如 33），再到全尺寸组件，将使得运行工况更逼真，考验结

果更有说服力；另一方面，从传统的大试样到小试样，再到微试样，使得一些特

殊部件（小、薄）取样成为可能，也可增加样品数量同时还能减少放射性废物。

为了实现上述考验目标，工程试验堆本身及相关技术也得到发展：

（1）独特的堆芯设计以获得不同的能谱，既有热谱、超热谱，也有快谱，

而且高的中子通量，可改变的大考验空间。

如 ATR的堆芯构型像四叶草，使得 ATR有四个独立的核心区域进行操作，每

个区域的四周的燃料元件和控制棒排列不同，可得到不同线功率，以适应多种试

验参数。

BR-2的堆芯由带有中心通道的六边形铍块组成。这些通道形成了一个扭曲

的双曲面棒束，因此，棒束在中部相距很近，但在下上端相距较远。通过这种阵

列，在堆芯的中间部分实现了高燃料密度和中子通量。

SM-3 堆芯中心有一个方形的中子阱(420×420×350mm)。由于该空间周围

的燃料富集度高，通量极高，可达5 5 s 。反应堆堆芯周围有金

属铍侧反射层。在反射层中，有 30 个垂直的圆柱形孔，位于离堆芯不同的距离，

用于放置实验通道和辐照装置。

（2）考验回路与考验装置并举以实现不同的试验需要，既配备适当数量

的考验回路（轻水、重水、氦气、钠、铅铋），以开展不同堆型燃料及材料综合

考验要求；还配备数量更多的辐照考验装置，以开展特种单项试验，如有功率骤

增装置、裂变气体测量装置、蠕变装置、热导率装置等。

如 ATR的活性区有六个高压水回路和一个高温氦气冷却回路，堆内还有若干

个高温氦气特种照射罐 , 以考验高温气冷堆结构材料（石墨、热解碳、高

温合金钢等），而且照射罐装有多种传感器 , 它能在辐照过程中或功率变化过程

中测示样品伸长、蠕变、断裂和温度等数据。

法国 OSIRIS 堆有一个水回路、一条钠回路及七个考验装置。考验研究了

MOX 燃料、UC-PuC 燃料，以及在钠沸腾、堵塞等情况下燃料的安全性能等。

77


日本 JRTM堆有三条考验回路，分别用于 PWR、BWR及高温气冷堆燃料及材料

考验，堆内有多种照射装置 , 它能满足各种材料辐照温度（45~1500℃）的要

求，研究功率骤变（通过调整氦-3）及压力容器钢韧性等。

3.2 我国发展情况及趋势

1980 年 12 月我国高通量工程试验堆（HFETR）在核动力研究设计院（简

称核动力院）实现满功率运行。堆芯采用规则六角形栅元的三角点阵布置，燃料

采用富集度为 90%UAl 为芯体，Al 为包壳的多层薄壁套管燃料元件，轻水冷却

和慢化、铍为反射层。反应堆设计功率 125MW，活性区最大热中子注量率为 6

× 1014

ncm-2

s-1 ，最大快中子注量率为 .7 5 s 。活性区内有

Φ150 的辐照孔道 5 个,Φ63 的辐照孔道 2 个。反射层内有 Φ230 和 Φ120 的辐照

孔道各 2 个, 材料辐照罐和同位素辐照靶件可在栅格上任意布置。配有功能齐全

的 “ 热室” 和“半热室” 。2007 年 11 月，经过了四个周期过渡后，HFETR 最终

实现了全堆低浓化装载。

1994 年建成了我国第一条高温高压考验回路（500kW），1998 年建成我国第

二条考验回路（2MW）。依托 HFETR 及其考验回路，不仅完成了我国在役 II 代

大型 PWR 燃料元件的相关考验，为我国自主 III 代 PWR 燃料组件（CF2、CF3）

完成了燃料棒及小组件考验，而且开展了 U3Si2ALx 板状元件、各种 ATF 燃料元

件考验，以及压力容器钢、反应堆工程材料的考验。通过不断优化改造，不仅实

现了 II、III 代 PWR 燃料元件辐照考验要求，也可满足未来聚变堆用温度达到

900℃、中子剂量高达 50dpa 的材料辐照要求。HFETR 在完成燃料及材料考验任

务的同时，也开展了高比活度的医用放射性同位素（凝胶型 Mo-Tc、90Sr、125

I）

及 NTD 硅辐照。


我国自主建成了工程试验堆（HFETR），而且安全稳定运行了 40年。与国际

先进水平比，中子通量居亚洲第一、世界第三，有 11个辐照孔道、11个辐照装

置及 2条高温高压水回路，可利用空间大；每年大修时间压缩到 30天以内，换

料时间控制在 10天以内，运行时间保持在 240天以上，实现了高可利用时间。

78


但 HFETR 基本局限于压水堆燃料的考验，对于钠冷快堆、铅冷快堆、高温气冷堆

等没有相应的考验回路，且考验基本上针对稳态工况，很少开展瞬态安全试验。

3.4 结论与建议

为了更好地满足我国核能发展的要求，首先应尽可能对 HFETR 进行优化升

级改造，挖掘其潜力，开发功能强大的数字化仪表化的辐照装置，开展各种瞬态

实验及基础性能实验，夯实我国 PWR 燃料及材料的基础；其次，我国要从核大

国走向核强国，作为研究反应堆的核心---燃料及材料的工具堆仅有一座是不够的，

好在从 2010 年开始，核动力院开始设计新的高性能、多用途、高安全性的工程

试验堆---中国工程试验堆(CENTER)，目前正在建设中。

四、放射性同位素生产堆

主要用来生产放射性同位素的称为放射性同位素生产堆，简称生产堆，当然

此处专指生产民用同位素。理论上所有反应堆都可以生产同位素，一般说来，生

产同位素热中子注量率不应低于 1012

n/s.cm2，规模生产同位素要求中子注量率大

于 8×1013

n/s.cm2，而对于超钚元素 (如 252

Cf)的生产要求中子注量率大于

1015

n/s.cm2，只能在高通量工程试验堆，如 HFIR、SM-3 上生产。本文专指规模

生产同位素生产堆。生产堆一般还需配套建设同位素生产线，用于分离纯化目标

同位素。当然，生产堆也可同时进行 NTD 硅等材料嬗变。

虽然生产同位素的途径有加速器和反应堆两种，但反应堆是同位素生产的主

要途径，目前已被利用的放射性核素有 200 余种，这些中的大部分均可通过反应

堆生产，其中需求最大、使用最广的放射性同位素为 99Mo 和 60

Co，60Co 一般通

过 PWR、CANDU 及高通量研究堆生产，而 99Mo 由于寿命短，需要连续供应，

且用量大，只能通过专用或相对专用的反应堆生产才能满足应用要求，为此，本

文重点介绍 99Mo 生产堆。

4.1 国际发展现状与趋势

据 IAEA 统计，国际上能生产同位素的反应堆多达 96 座，但规模化生产 99Mo

的生产堆数量并不多（见表 4.1）。到 2030 年后，仅有 OPAL、FRM-II 及 RIAR

79


等可用。

表 4.1 国际上主要 99Mo 研究堆

反应堆国家周最大辐照能力

(6-dayCi 99Mo)

当前国际

市场份额计划关闭时间

HFR 荷兰 6200 26% 2026

OPAL 澳大利亚 3500+3000 16% 2055

BR-2 比利时 6500 15% 2025

SAFARI-1 南非 3000 14% 2030

LVR-15 捷克 3000 10% 2028

MARIA 波兰 2200 9% 2030

FRM-II 德国 1950+3000 8% -

RIAR 俄罗斯 890+1000 5% -

MURR 美国 750 4% 2030

RA-3 阿根廷 400 2% 2027

设计之初上述反应堆均不是专用的生产堆，国际上有识之士提出了专用生产

堆的概念，其中最为著名就是功率为 200kW 的医用同位素生产堆 MIPR

（Medical Isotope Production Reactor），该方案于 1992 年由美国 Babcok &

Wilcox 公司提出，其突出特点是不以固体燃料棒为核燃料，而是以硝酸铀酰或

硫酸铀酰溶液为燃料，溶液中的铀既是反应堆运行所需的核燃料，同时也是生成

99Mo、

131 I、89

Sr 等的靶材。溶液堆具有生产周期短、产量大、操作简便、铀利

用率高、废物量小等显著优势。IAEA 也推荐了 MIPR 技术，但至今公开报告的

只有俄罗斯的 ARGUS 堆。ARGUS 堆是俄库尔恰托夫研究院设计的 20kW 均匀

溶液堆，1981 年开始运行，2014 年完成了低浓化改造。

加拿大 AECL 开发了 MAPLE 堆，它是一种低压、低温、池内罐式研究堆，

它以 LEU 为燃料，设计功率为 10～40 MWt。堆芯放置在池底。MAPLE 结构紧

凑，采用轻水冷却和慢化。堆芯周围是一个重水箱，它可使可利用的中子注量率

最大化。1996 年加安全局发放了建 2 座 MAPLE（一座备用）堆的许可证，功率

为 10MW，用于替代 NRU 的同位素生产，于 2000 年 MAPLE1、MAPLE2 均建

成，同年 2 月 MAPLE1 实现首次临界，但在随后试运行中发现反应堆功率反应

性系数为正，2008 年 MAPLE 项目终止。

80


近年来，美国 NNAS 一直寻求非研究堆 99Mo 生产方法，阿贡国家实验室开

发了一种新技术---次临界混合强流中子发射器 (SHINE)。它采用基于直线加速

器的 D-T 中子管，所产生的快中子通量达到 1013

n/s.cm2 以上，次临界堆以富集

度为 20%硫酸铀酰溶液为燃料，经铍反射层进一步增殖后中子进入溶液，慢化后

导致铀裂变，提取裂变产物得到 99Mo，提取后溶液重新回到装置中。据报道，

该方案可生产约 50%的美国国内需求，项目已于 2019 年启动，2021 年实现试生

产，2022 年实现商运。

4.2 我国发展现状与趋势

我国堆产同位素自 1958 年 101 堆开始，近 60 年来，基于 49-2 堆、SPRR、

HFETR、MJTR、CARR、CMRR 等，我国已经基本形成了医用同位素制品与药

物、工业用放射源与示踪剂等在内的同位素及其制品的比较完整的研制生产体系。

但进入 21 世纪后我国同位素特别是医用核素需求越来越大，加之研究堆运

行时间、运行成本等因素，2008 年之后堆产同位素基本停止，市场上用的同位

素高度依赖进口，只有极少数由国内生产。

2011 年中核集团开发成功基于秦山 CANDU 堆生产工业用 60Co 技术，建成

百万居里级 60Co 生产线，年产量约5 6Ci，可满足国内约 70%的需求，目前

正在开发高比活度的医用 60Co 技术，中广核集团正在开发基于 PWR 工业用 60

Co

技术。

上世纪 90 年代，原子能院基于 101 堆、49-2 堆自主研发 HEU 生产裂变 99Mo

技术，建立百居里级裂变 99Mo 生产线，目前基于 CARR 正在开发 LEU 千居里

级裂变 99Mo 技术；于 2004 年基于 101 在 49-2 堆上，自主研究建立了间歇循环

回路法辐照浓缩 124Xe 气体生产 125

I 的新工艺，批产能 30Ci，正在改造该回路使

之批产能提升到 50Ci，并基于 CARR 建设百居里级的间歇循环回路；上世纪 90

年基于 101堆自主开发了干法分离 131I技术；2008年依托 49-2堆制备有载体 177

Lu，

比活度为 3 Ci/g，用于上海华山医院的临床研究，正在开展基于 CARR 的 176Yb

制备无载体 177Lu 的研究；2000 年基于 101 堆开发了有载体 89

Sr 的技术；2008

年 14C 辐照靶件入 CARR 辐照。

81


上世纪 80 年代末，核动力院基于 HFETR 建成世界上第一条堆照 99Mo 凝胶

型 99Mo-

99mTc 发生器生产线；90 年代自主开发了 99

Tc-MDP(云克）生产线，生产

营销情况一直很好；2020 年首批国产化堆照无载体 89Sr 产品正式交付使用；正

在开发连续循环回路的 125I 生产技术。

中国工程物理研究院基于 CMRR 堆于 2017 年建成干法 131I 生产线，批产量

30Ci；正在建设裂变 99Mo 生产线，批产量 50Ci，即将投入生产。

核动力院于 1997 年起启动开展了医用同位素试验堆（YTD）相关研发工作，

2009 年转为 LEU 方案，正在立项阶段。该反应堆设计功率 200kW，年产量约

100000Ci，采用硝酸铀酰溶液（UO2(NO3)2）作燃料，用于生产 99Mo、131

I 及 89Sr。

除同位素外，我国在堆照材料嬗变改性方面也取得重要进展。1980 年，原

子能院基于 49-2 堆实现 NTD 硅小批量生产，随后基于 101 堆、HFETR、MJTR、

SPRR、ESR-901 等实现了 3~5 英寸 NTD 硅商业辐照（总年产量达 60000kg）,

但由于堆老化、退役等因素，目前也基本上依赖国外。CARR 部署了 5 个 NTD

硅辐照孔道，最大直径 5 英寸，年产约 35000kg。另外，基于 49-2 堆、ESR-901、

MJTR，在托帕石（宝石）、珍珠辐照改色及核孔膜生产等开发了相关技术，但一

直未实现量产。


我国已基本掌握各种堆照同位素、NTD 硅的技术，纵观我国在运的研究堆，

如 49-2 堆、493 堆、CARR 及 CMRR，加之即将建成的 CENTER，无论从堆的

中子注量率水平，还是配置的辐照孔道看，已达到国际先进水平，如统筹相关资

源（联合开堆）完全有能力满足放射性同位素、NTD 硅当前国内需求。

国际上有荷兰 CURIUM 公司、比利时 IRE 公司、南非 NTP 公司及澳大利亚

的 ANSTO 公司，它们是世界上主要的 99Mo 供应商，统筹安排 HFR、BR2、Osiris、

SAFARI-1、OPAL 等生产堆，实现放射性同位素的稳定供应，而我国至今没有。

美国 ATR 堆上世纪七八十年代就掌握 6~8 英寸的 NTD 硅生产技术，并实现

年辐照 25000kg 产量，韩国 HANARO 堆 2006 年掌握了 8 英寸 NTD 硅技术并实

现量产，国外目前正在开发更大尺寸（大于 10 英寸）NTD 硅技术，而我国还未

82


突破 6 英寸以上 NTD 硅的技术。

4.4 结论与建议

放射性同位素技术在保障国家安全、深化农业绿色革命、促进工业现代化、

推动环保事业的发展、提高人类征服疾病的能力等诸多方面，充分显示出其先进

性、不可取代性、交叉渗透性和应用的广泛性等独特优势。正如 IAEA 在一份公

报中指出的那样： “……就应用的广度而言，可能只有现代电子学和计算机的应

用才能与之相提并论。

我国正在实施健康中国战略、数字中国战略、先进制造 2025 战略，放射性

同位素及 NTD 硅等对实施这些战略至关重要，目前我国已有的研究堆主要服务

于国家战略和国防科技研究，难以满足量产的发展要求，应尽快推动建设专用生

产堆，在医用放射性同位素生产、NTD 单晶硅生产、核孔膜生产等满足我国的

战略需求。

五、微型中子源反应堆

微型中子源反应堆，简称微堆。实际上就是一种小功率低通量池式研究堆，

采用 U-Al合金为燃料，235U富集度为 90%，轻水作冷却剂和慢化剂，铍作反射层，

镉棒作控制棒。微堆有四大显著特点：一是体积小，结构简单紧凑，无需复杂的

冷却系统，没有高耸的烟囱，也不需要安全壳。仅仅一间几十平方米的普通实验

室、一个圆形水池、一个高压锅大小的反应装置、一台计算机的操作设备，便构

成了整个微堆。二是固有安全，装料很少，一般少于 1kg235U，后备反应性少，燃

料与慢化剂负温度反应性系数及负空泡反应性系数大，加上通过自然循环将热量

带到水池，可建在任何需要的地方，包括人口密集的大城市；三是，运行维护简

便，仅需一个操纵员通过一根中心控制棒实现功率调节及反应堆启动、停闭，2~3

分钟内即可实现满功率运行，实验员可以在水池旁，通过简单的传动装置进行操

作，即可获得实验所需数据，被称为“傻瓜堆”。四是投资少，见效快，堆本身

造价仅几十万美元（不包括厂房及测量设备），运行费用也为一般研究堆的 1/10,

每年约消耗 1g235U，一炉燃料可运行 10 年，而且 1 年多即可建成。特别适合建

在研究所、大学、医院开展 NAA，也可用作教学培训。

83


5.1 国际发展情况及趋势

1970 年由 AECL 乔克河实验室开发了 SLOWPOKE，1971 年原型堆

SLOWPOKE-I 建成。采用高浓铀作燃料，功率为 5~20kW。很快就开发成商用堆

SLOWPOKE-II。SLOWPOKE-II 的额定功率 20kW，临界质量为 828g235

U，安全

性能提高，辐照孔道数量增加。堆芯直径约为 22cm，高 22cm，位于一个规则水

池中，水池直径 2.5m，深 6m，侧铍反射层内外各部署 5 个辐照孔道，孔道处的

热中子注量率为 11012

n /cm2 ·s 和 110

11n /cm

2 ·s。反应堆启动后 2 分钟达到满

功率，操纵员可以离开，它是世界上唯一实现无人值守的反应堆。加拿大国内高

校及研究所建成 6 座 SLOWPOKE-II，并为牙买加建成一座。

SLOWPOKE-II 主要用途是作为 NAA 中子源用，还可以生产少量短寿命同

位素，如钠、钾、金、碘、钪等。由于该堆运行费用低廉，每年完成大约 10000

个 NAA 样品。

上世纪八十年代末开始，AECL 在 SLOWPOKE 的基础上开发出了功率更大

用于研究所供热原型堆 SLOWPOKE-3（SDR），热功率为 2MW，它的燃料棒束

的机械设计与动力堆 CANDU 的相同 , 内装富集度为 5%的 UO2 燃料，每三年

换一次料。池直径 4.3m，水深 9.04m，堆温 93/68 ℃，热网温度 85/55 ℃。SDR

为研究所的建筑物供热运行了 2 年。

5.2 我国发展情况与趋势

上世纪 80年代初，在戴传曾院士领导下于 1984年 3月完全靠中国自己的力

量在原子能院建成了完全自主知识产权的原型微堆（MNSR IAE）。额定热功率为

27kW，较 SLOWPOKE有所提高，同样采用 U-Al作燃料，U-235富集度为 90%，燃

料棒直径 5毫米，堆芯有 376个燃料棒位置。装 915g235U，直径 24cm、高 27cm，

放在一个直径 2.7m，水深 6.5m的水池中。1985年商用微堆设计定型，从 1988

~2004年，先后建成深圳微堆（MNSR SZ）、济南微堆（MNSR SD）、巴基斯坦微

堆、上海微堆（MNSR SH）、伊朗微堆、加纳微堆、叙利亚微堆及尼日利亚微堆

等 8座商用微堆。

84


应 IAEA要求，于 2016年原型微堆完成了低浓化改造，改造后燃料采用 UO2，

富集度降为 12.5%，堆芯燃料元件根数由 376根降为 354根，235U约 1kg。低浓化

后的微堆大小及功能不变，技术性能指标变化不大，固有安全性没有下降。于

2017年 8月和 2018年 11月，分别完成了加纳微堆和尼日利亚微堆低浓化改造，

卸下的高浓铀燃料也安全运回，成功实现了习总书记在海牙核安全峰会上提出的

“加纳模式”，为核安保及防核扩散做出了重要贡献。现正在推进深圳微堆及叙

利亚的低浓化改造。

各国 MNSR运行情况良好，而且在各自国家内的核科技研究、教育与培训以

及相关领域中发挥了重要的作用。原型微堆从建成至今安全运行 36年，累计完

成约 15 万 NAA样品辐照分析，尤其是 2008年，与央视、清西陵及北京市法医检

验鉴定中心等共同揭开了困扰史学界的百年谜案——清光绪帝之死因。光绪死因

的确证，被认为是运用现代科学技术和侦察思维解决历史疑难问题的成功尝试，

开辟了学术文化研究的新路径。深圳微堆不仅为深圳大学的学科建设、科研、教

学等方面发挥了重要作用，而且填补了深圳市微量元素质检方面的某些空白。

硼中子俘获疗法（BNCT）属于肿瘤放疗的世界前沿技术，具有成本低、疗

效强、复发少、对人体损伤小、治疗周期短等优点。基于 MNSR 技术，在周永

茂院士的领导下，北京凯佰特科技有限公司携手中国中原对外工程有限公司及原

子能院，联合开发出医用 MNSR，即医院中子照射器（IHNI）---世界首台专门

用于 BNCT 的放射治疗装置。该堆功率为 30kW，采用富集度为 12.5%的 UO2

芯体、Zr-4 包壳作燃料，235U 装量约 1kg。在原实验设施的基础上，在堆芯的相

对两侧分别引出热中子束流和超热中子束流用于 BNCT。

IHNI 已先后对 3 例恶性黑色素瘤患者进行试治，治愈 2 例。IHNI 运行安全

情况良好，医学辐照治疗科研工作有序开展。


从建成时间看，加拿大 SLOWPOKE 堆早我国微堆 10 多年；从技术性能看，

两种堆基本处在同一水平，当然提前建成的 SLOWPOKE 堆为我国微堆的建设提

供了重要的参考；从安全性看，两种堆的几十年运行经验表明其固有安全性；从

应用及推广情况看，也是各有特点，SLOWPOKE 堆在后期推出升级版的

85


SLOWPOKE-4 可用于区域供热，而我国微堆的升级版 IHNI 为 BNCT 提供高性

能经济实用的中子源，并且推广到泰国，将在泰国苏兰拉里理工大学建成医用微

堆 SUT MNSR。但是在 SLOWPOKE 堆上开展的物理实验和科研辐照工作更加

深入和多样，非常可惜我国上海微堆和山东微堆由于种种原因未到运行寿期就退

役了。

另外，原子能院开发了我国首座数字微堆，标志着我国已经全面掌握了数字

微堆技术。

5.4 结论及建议

微堆作为一种安全、简便与经济的核分析有效工具，因其固有安全性高、低

辐射剂量、环境影响小、结构简单、操作方便、经济性好、用途广等特点，应继

续推广，在我国有核工程专业高校、在医养中心、在“一带一路”沿线国家，尤

其是发展中国家建设微堆。另外，将微堆尽快建到医疗船上，建成可移动的 BNCT

医疗中心---造福全人类。

六、物理特性研究堆

有一种研究堆，主要用来研究中子物理特性，也可用来进行教学培训。根据

功率或临界特性不同，又可细分为：①次临界反应堆，它主要用于外推临界教学，

测试核武器性能；②零功率反应堆，主要针对创新性核能系统及核燃料循环设施

研究其中子物理特性，校验软件；③脉冲堆，利用瞬时的脉冲功率或脉冲中子源

及γ源研究其辐射效应，研究核爆效应等。

6.1 国际发展状况及趋势

次临界堆仅靠燃料不会达到临界，通过引人外部中子源，使反应堆发生和维

持链式裂变反应，而零功率堆就是功率极低的小型研究堆，它们一般功率极低（不

超过数百瓦），无需冷却系统，而且结构简单灵活，安全性高，可靠性好，环境

污染少，放射性极低，工作人员易于接近操作，改变条件就可以进行各种实验研

究，受到了世界核工业界的青睐。因此，数量最大，全世界共有 268 座，分布在

35 国家及地区，其中美国、俄罗斯就有 153 座。

86


随着计算机技术飞速发展及核数据精度、广度的提高和增加，建设次临界堆

及零功率堆的必要性大大降低，除非采用全新的燃料与材料、全新的结构或特殊

的运行环境。进入 21 世纪后新建成次临界堆及零功率堆见表 4。但近年来次临

界堆的一个新的重要发展趋势，它就是采用加速器驱动的次临界装置(ADS)，该

装置由加速器、中子产生器及次临界反应堆组成，主要用于嬗变放射性核废物、

生产医用同位素以及进行实验研究。如 2008 年比利时 SCK 将一座老的次临界装

置 VENUS-F 与加速器连接，开展 ADS 系统相关研究，同时为比利时计划中的

铅铋冷研究堆 MYRHHA 设计提供参考。

表 4 2000 年后国际上建成的次临界堆及零功率堆

国家名称类型描述

白俄罗斯 YALINA-Thermal SUBCRIT 2000 年 1 月 1 日，科学研究、核数据测量

白俄罗斯 YALINA-Booster SUBCRIT 2005 年 5 月 30，铅铋 ADS 研究

比利时 VERNUS-F ADS 2008 年，铅铋 ADS 研究，MYRHHA

印度 Critical Facility for

AHWR and PHWR 壳式 2008 年 4 月 7 日，钍基堆 AHWR

俄罗斯 SK Physical 轻水零功率 2000 年 4 月 18 日

俄罗斯 IKAR-S 石墨零功率 2008 年 12 月 1 日，石墨堆 IKAR-500

俄罗斯 FKBN-2 快零功率 2000 年 1 月 1 日，中子物理、安全研究

脉冲堆是能重复产生可控核裂变脉冲的一种反应堆，其中子和 γ核辐射脉冲

半高宽为几微秒到几毫秒。又称 TRIGA 堆。最早由美国 GA 公司开发，最初研

制目的是为了发展一种固有安全性好、用途广的研究堆。该堆与其它反应堆最大

的区别在于它采用了一种独特的燃料-慢化剂元件，即氢化锆与铀均匀弥散混合

物（UzrH1.6），因此，也称铀氢锆反应堆。该燃料具有较大的瞬发负温度系数，

基于该特性脉冲堆能在很短时间间隔内达到超临界状态，产生很高脉冲功率和很

强中子通量，从而大大拓展了反应堆的功能和用途。

TRIGA 原型堆（Mark I）于 1958 年建成，MarkII，MarkIII 及其它改进型

TRIGA 几年后先后开发成功。至今，包括美国在内已有超过 20 个国家和地区建

造了 70 余座 TRIGA 堆，有 35 座分布在波多黎各、罗马尼亚、斯洛文尼亚、

87

https://nucleus.iaea.org/RRDB/RR/HeaderInfo.aspx?RId=662

https://nucleus.iaea.org/RRDB/RR/HeaderInfo.aspx?RId=733

https://baike.baidu.com/item/%E8%84%89%E5%86%B2

https://baike.baidu.com/item/%E6%A0%B8%E8%A3%82%E5%8F%98

https://baike.baidu.com/item/%E6%A0%B8%E5%8F%8D%E5%BA%94%E5%A0%86


泰国、土耳其和越南等，累计安全运行超 2000 堆年，成为世界范围内建造最多、

应用最广的研究堆。最初的 TRIGA 堆使用高浓铀燃料，但自 RERTR 计划后，

TRIGA 堆逐渐低浓化。

6.2 我国发展状况及趋势

作为研究创新核能系统的基本工具---次临界堆及零功率堆，在进入 21 世纪

后迎来了快速发展期，相继建成了多个装置。

为研究乏燃料后处理中储存容器核临界安全问题，2001 年原子能院设计建

造了铀溶液核临界安全实验装置。该装置的活性区硝酸铀酰溶液内可含中子吸收

体或不含中子吸收体、活性区可有反射层或没有反射层，因此，可用来研究不同

实验条件下临界质量随铀溶液浓度的变化规律，从而校验临界安全计算软件及核

数据，为乏燃料后处理储存容器临界安全设计及评价提供支撑。后来，又对该装

置进行改造，增加了气泡发生装置及加温装置，以研究铀溶液堆的空泡效应及温

度效应，为铀溶液同位素生产堆的设计和运行提供依据。

为研究 ADS 系统，2005 年 7 月建成了快热耦合的次临界堆---启明星 I 号。

它的快区由天然铀元件组成，热区由 3%富集度的低浓铀元件插到聚乙烯慢化剂

中组成，源中子来自高压倍加器的(D，T)反应。该装置已被 IAEA 推荐为 ADS

研究的基准实验装置。

为研究创新型核能系统，原子能院于 2016 年 12 月建成了启明星Ⅱ号。启明

星Ⅱ号拥有两个堆芯，通过一套仪控系统实现了两个堆芯的集成化控制和数据采

集。水堆堆芯侧重于开展热中子能谱环境下的原理性验证实验研究，铅堆堆芯侧

重于重金属冷却的快中子反应堆及 ADS 等先进核能系统的中子物理特性实验研

究。

2018 年 11 月，在启明星Ⅱ号水堆堆芯上，完成了全球首次环形燃料零功率

物理实验。该堆芯装为混合燃料堆芯，装载着富集度 4.95%的 UO2 环形燃料元件

（F 型）、含 Gd2O3 分别为 5wt.%（G1 型）、8wt.%（G2 型）和 10wt.%（G3 型）

的三种 Gd2O3-UO2混合环形燃料元件及富集度为 3%的 UO2实心燃料元件（C 型）。

该系列实验将为环形燃料堆芯物理设计及软件验证提供数据支持。

88


2019 年 10 月，我国首座铅铋合金零功率反应堆——启明星Ⅲ号，在原子能

院实现首次临界。启明星 III 号在启明星 II 号的基础上，通过将堆芯燃料区固态

的金属铅替换为铅铋合金改造而来的。启明星 III 号构建了铅铋堆特有的材料与

能谱环境，主要侧重于研究铅铋冷却反应堆的中子物理特性实验研究。

另外，2013 年 6 月原子能院为约旦科技大学建成了约旦次临界装置 JSA，

JSA 是一座全数字化控制的铀水栅格结构的次临界反应堆，采用富集度为

3.40%UO2燃料元件,源强为 1106/s 的 Pu-Be 中子源， JSA 是约旦的第一座核

设施,也是我国研制并出口的第一座次临界装置,运行稳定安全可靠，将为约旦国

内的教学、培训、科研和实验提供了有力支持。

我国第一座原型脉冲堆由核动力院设计研制，于 1990 年建成。既能稳态运

行，又能以脉冲或方波方式运行，稳态功率 1MW，脉冲功率 3420MW，脉冲热

中子注量率达到 61016

n/cm2s。该堆采用铀氢锆燃料-慢化剂粗棒状元件（LT21

为包壳）、石墨和轻水作反射层。堆芯靠池水自然循环冷却，池水则由冷却系统

建立强迫循环，将热量载带释放于外环境。随后开发成功商用脉冲堆，于 2000

年西安商用脉冲堆投入使用，与原型堆相比，燃料包壳改为不锈钢，提高了燃料

芯体中铀的质量比，稳态功率增加到 2MW，脉冲功率达到 4300MW，进一步提

高反应堆的性能与功能。西安脉冲堆设有多种辐照装置，可以辐照生产放射性同

位素，进行 NAA、中子照相、NTD 硅、材料辐照加工等，将近 20 多年安全运

行表明，该堆在反应堆物理、核物理、核化学、生物学、材料科学等领域中发挥

了不可替代的作用。


纵观国内外的次临界堆和零功率堆的发展，主要有以下不同：（1）建成的时

间不同，国外尤其核发达国家建于上世纪五六十年代，而我国在上世纪六七十年

代为满足核能事业的发展建成部分装置，但主要集中在新世纪，这与我国的核事

业的发展要求相一致；（2）装置的种类不同，国际上美、俄、英、法等装置的燃

料种类齐全，包括铀系列、钚系列及钍系列，燃料形态有棒状、板状及液体，慢

化剂有石墨、轻水、重水及氢化锆，反射层材料有水、聚乙烯、树脂、石蜡、石

墨、贫化铀、铍、氘化锂等，而我国则相对比较单一，到目前基本停留在铀系列

89


燃料及铀水栅格；（3）功能及用途不同，如俄建成了多功能快中子零功率实验台

架 BFS-1 和 BFS-2，可用来研究钠冷、铅冷、铅铋冷、锂冷及气冷等全快堆体系

的研究，而我国则功能单调，用途单一，只有近期建成启明星-II 针可对铅冷、

铅铋冷快堆，也可针对实心棒铀水栅格、环形铀水栅格，但也是更换堆芯装载才

可达到；（4）适用范围及运行状态不同，国外很早就关注全核燃料循环，如建成

多座铀溶液堆，钚溶液堆，而且，如法国建成多体零功率装置，日本建成 TRACY

瞬态零功率堆，我国仅在铀溶液核临界安全实验装置上开展过少量气泡效应及温

度效应实验。

对于脉冲堆，虽然建成时间晚于美国的 TRIGA 堆 20 年，但我国从一开始就

采用低浓铀燃料，与国外同类堆 TRIGA-Ⅲ相比，不仅全面达到了其性能指标，

而且在某些方面还有所突破或改善，我国已成为世界上第二个能建造铀氢锆脉冲

堆的国家。

6.4 结论及建议

一种新堆型建一座零功率堆的时代已经过去，今后应着重建多功能智能的零

功率堆平台，以满足各种创新核能系统、创新型核燃料循环设施等开发验证的需

要。另外，ADS 被公认为理想核废物焚烧炉，受到国际核能界高度重视，但其

核心之一---次临界堆还面临诸多技术挑战，如散裂中子源带来的堆芯内功率分布

不均匀，新型冷却剂的热工及材料相容性，加速器失束时对反应堆的热冲击，长

时间强中子辐照等极端环境下的燃料元件及材料问题等，我国已建成启明星 I、

II 装置，应进一步升级改造、拓展功能，并开展上述技术难题的研究。

七、模式试验堆

有一种特定的反应堆，它是为研究发展特定堆型而建造的、本身就是研究对

象的反应堆，称为模式试验堆，用于测试新型反应堆燃料、材料、部件、仪表性

能，或作为一个全参数平台，验证新反应堆设计特征，考核反应堆运行安全性、

可靠性及寿命等，有的采用 1:1，有的采用缩比。根据应用场景分为陆上新型核

电站的原型堆或试验堆；核潜艇、核航母、核动力破冰船、核动力巡洋舰等陆上

模式堆；空间堆的陆上模式堆。模式试验堆是发展新一代核能系统的重要一步。

90


7.1 国际发展现状及趋势

二十世纪六七十年代，各工业国家经济处于迅速上升期，电力需求快速增长，

而当时化石能源供应不稳定。在此背景下，各国都制定了庞大的核电发展计划，

同时积极探索了各种反应堆堆型设计，建成了一批模式试验堆。三里岛事故、切

尔诺贝利事故后，世界核电发展一度进入停滞状态，公众接受度成为核电的发展

障碍之一。部分国家如德国、意大利等停止发展核电。模式试验堆的发展也停滞

不前，少有新建的堆。

进入 21 世纪之后，核能发展形势有复苏之态，又开始设计建造新一代的模

式试验堆，但其发展趋势出现了一些新变化，主要针对 2002 年第四代核能系统

国际论坛（GIF）推荐的六种核能系统作为开发重点。

（1）快堆从增殖转为嬗变。20 世纪 90 年代开始，美国、法国等国的快堆

发展重点转为嬗变，分离及转化长寿命放射性产物，以期建立闭式燃料循环。

俄罗斯正在设计并建造一座多功能的钠冷实验快堆 MBIR，计划 2024 年投

运，届时将成为国际化的快堆试验及研究平台，以接替即将退役的 BOR-60。其

研究重点在 MOX 燃料技术、氧化物燃料的干法后处理技术、堆与燃料循环设施

的一体化设计等。

2019 年 2 月，美国能源部宣布计划建造一座多功能试验堆（VTR)。该项目

由爱达荷国家实验室牵头，与五个国家实验室（阿贡, 洛斯阿拉莫斯, 橡树岭, 西

北太平洋和萨凡纳河）合作，并包括许多工业和大学合作伙伴。VTR 预计最

早于 2026 年完工，选址限定在能源部下属的国家实验室内。

VTR 目前设计倾向于采用 300MW 钠冷池式快堆，主要基于 GE-Hitachi 的

PRISM 反应堆。使用金属合金燃料（HALEU, LEU + Pu, DU + Pu）。设计参数如

表 7.1。美国希望通过 VTR 加速先进核燃料、材料、仪器和传感器的研发和测试，

帮助能源部使其重要的核能研究和开发设施实现现代化，并进行关键的先进技术

和材料测试，为美国核能工业重新注入活力。

表 7.1 VTR 设计参数

项目参数目标

91


高中子通量 ≥ 4 5 s

高辐照损伤 ≥ 3 dpa/yr

高堆芯能测试容积 ≥ 7L(多位置)

典型测试高度 .6 ≤ L ≤

灵活的测试环境 Rabbit & Loops

(Na, Pb, LBE, He, Salt)

先进仪表及传感器堆内，实时

试验周期与其他堆相近

欧盟计划在比利时建造 MYRRHA。该装置为一座铅铋冷快堆与一台加速器

的耦合系统。该堆为次临界堆，最大热功率为 100MW，通过加速器产生的中子

在低浓铀堆芯中实现临界。除了生产放射性同位素和 NTD 硅之外，MYRRHA

主要用于开展嬗变研究和铅冷快堆技术研究。

（2）具有固有安全特征的模块式高温气冷堆成为主要发展方向。氢气成为

高温气冷堆的重要应用领域。

日本于 1998 年建成高温工程实验堆（HTTR）并临界。HTTR 热功率 30MW，

堆芯氦气出口温度 950℃，主要面向高温工艺供热、制氢炼钢等领域的应用。

欧盟于 2000 年启动了 HTR-TN 计划，在欧盟框架计划的支持和统一协调下，

各国合作开展高温气冷堆的研发工作，包括设计方法和工具，燃料、材料、氦系

统技术，耦合技术等。

2005 年，美国能源政策法案批准了“下一代核电厂”（Next Generation Nuclear

Plant，NGNP）项目，其目标是利用高温气冷堆技术，使核能利用延伸到更宽广

的工业和交通领域，降低化石燃料消耗和污染，并在现有的商业化轻水堆技术基

础上提高固有安全性。

（3）小型先进模块化多用途反应堆（SMR）研发正形成国际核能应用开发

的一个新的趋势，成为谋求核能应用市场多元化的一条重要途径。小堆的特点是

高安全性、小身型、多用途，不仅可以用作发电，而且可以进行工业供热供汽，

为城市供暖，还可用于海水淡化和海洋开发，可建于偏远地区，也可建于海上或

深海。

21 世纪初，IAEA 就提出了积极鼓励研发小型堆的倡议，世界核能发达国家

92

https://baike.baidu.com/item/IAEA

https://baike.baidu.com/item/%E6%A0%B8%E8%83%BD/426514


在发展大型核电机组的同时，也都在积极研发模块式小型堆。全球共有约 50 种

不同的小型模块化反应堆设计或概念处于发展和规划阶段。包括具有三代特征水

堆设计方案、具有四代特征钠冷快堆、铅铋冷快堆、高温气冷堆及熔盐堆设计方

案。其中，阿根廷、俄罗斯和中国已有五个正在建设。

CAREM-25 是一座先进的小型核电站，由阿根廷国家原子能委员会(CNEA)

和 INVAP S.E.共同开发。CAREM 是一个模块化的 100 兆瓦压水反应堆，带有整

体式蒸汽发生器，设计用于发电（25 兆瓦）或海水淡化，并考验燃料与材料。

一回路系统位于反应堆压力容器内，自增压，完全依靠自然对流。燃料是标准的

3.4%压水堆燃料，含有可燃毒物。

基于核动力破冰船技术的 KLT-40s 反应堆由俄罗斯中央机械设计局(OKBM)

设计，基于该堆型设计建造的浮式核电站“罗蒙诺索夫院士号”于 2007 年在圣彼

得堡开工建设，2019 年建成，同年 8 月正式启航前往欧亚大陆最东端半岛楚科

奇的佩韦克港口。配备了两台 KLT40 堆，每个反应堆装机 35MW 且能产生

150MW 的热能，寿命至少 36 年并有望延长至 50 年，每 12 年一个周期。

俄罗斯在小型铅基冷却反应堆研发方面处于领先地位，2019 年 9 月在俄

罗斯谢维尔斯克市附近建设 Brest-OD-300 示范铅铋冷快堆，2026 年左右完成。

该堆采用 UN+PuN 燃料，铅铋为冷却剂，热电转换效率将达到 42%，电功率为

300MW。该堆同时用于嬗变和闭式燃料循环研究。

（4）专用的供热堆成为未来核能应用的重要发展方向之一。世界范围内清

洁供暖和减少碳排放的需求日益增高，煤炭在供热中的比重逐步下降，而天然气

存在价格偏高，供应不稳定的问题。需要一种能提供大宗清洁低碳热能供应的新

的供热解决方案。在此背景下，出现了一批专门的供热反应堆设计，包括池式、

壳式及池壳式反应堆。

7.2 我国发展现状及趋势

1986 年国家“863”高技术研究与发展计划（“863”计划）启动，高温气冷

堆和快堆技术被列入“863”计划能源领域的研究专题。

中国实验快堆(CEFR) 2000 年 5 月开工建设，2010 年 7 月实现首次临界，

93


2014 年 12 月实现满功率运行。CEFR 热功率 65MW，电功率 20MW，是目前世

界上为数不多的具备发电功能的实验快堆。CEFR 还采用了负反馈设计、非能动

安全系统等前瞻性安全设计，以保证环境和公众的安全。

1995 年 6 月，10 兆瓦高温气冷实验堆（HTR-10）开工， 2000 年 12 月首次

临界。2003 年 1 月实现满功率调试运行和验证试验。HTR-10 在世界上首次实现

了球床模块式高温气冷堆的布置方案。反应堆热功率 10MW，反应堆入口温度

250℃，出口温度 700℃，采用蒸汽循环发电。反应堆设计模拟德国模块式高温

气冷堆（HTR-Module），反应堆压力容器和蒸汽发生器壳体采用肩并肩布置，中

间用同轴套管链接。球形燃料元件采用在线装卸。直流蒸汽发生器将二次侧的给

水加热至 3.5MPa、435℃的过热状态，推动汽轮机发电。

1989 年 11 月世界上首座壳式一体化低温核供热堆（NHR-5）在清华核研院

建成并实现满功率运行。NHR-5 采用一体化布置、全功率自然循环冷却、水力

驱动控制棒等一系列先进技术，它的研制成功是一项具有世界先进水平的重大科

技成果，它不仅填补了我国在核供热领域空白，为我国核能利用开拓新途径打下

了良好的基础，也使我国在这一领域步入了世界先进行列。随后进行的安全试

验和连续 3 年的冬季供暖运行中，验证了低温供热堆负荷跟随性能优异，功率调

节方便，节能效果明显，其供热可运行率高达 98%。

另外,我国近年在创新型小堆开发方面异常活跃,新概念层出不穷。详见表 7.2。

表 7.2 我国近年来提出创新型小堆

用途典型概念型号

热电汽联供玲珑一号（ACP100）；NHR-II；和美一号

供暖燕龙（DHR400），池式；HAPPY200，池壳式；NHR-I，壳式

海上动力（电、汽） HHP25；ACP50S；ACP100S

可移动电源核电宝；微安气冷堆；铅铋小堆

偏远地区能源（电、热）热管堆；铅铋快堆；钠冷快堆（NTO-L Minor）


总体来说，国外模式试验堆发展起步早，积累经验丰富，目前上世纪建造的

模式试验堆陆续退役。欧美等核发达国家受政策延续性、公众接受度等影响，新

模式试验堆发展缓慢，多止步于概念设计。

94


然而，近年来以欧美为代表的国际核能先进国家高度重视数字堆的研究开发，

针对其 3 代、4 代等反应堆的应用，陆续开发了多种先进的数值堆模拟软件系统，

不仅支撑新堆型开发，也为核电站延寿评估提供支持。如欧盟开发核反应堆模拟

平台 NURESIM，美国能源部牵头开发的轻水反应堆先进仿真联盟（CASL）项

目及重点针对四代快堆的核能先进建模与仿真（NEAMS）项目。

国内模式试验堆起步较晚，至上世纪 90 年代国内陆续开始快堆、高温气冷

堆模式试验堆的建造。现在随着核电规模的扩大，反应堆领域研究的深入，国内

在快堆、高温气冷堆、铅基快堆、专用供热堆等多个方向全面发力，相应的模式

试验堆设计建造都在迅速开展。

7.4 结论及建议

国内目前有庞大的核电发展计划，计划和在建的核电机组数量和装机容量均

居世界第一。在此背景下国内提出了一系列模式试验堆建设计划，积极探索各种

反应堆堆型发展。

在规划模式试验堆同时，切不可忽视数字堆的开发。数字堆是未来核反应堆

甚至核科学与技术发展的战略高地，是我国实现领域领先创新发展的必然前提，

应从国家战略层面进行规划和部署，并尽快推进工程应用。

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搜狐网: 2019-11-13.

撰稿人:

柯国土刘伟白旭娟李敏董玉杰李富王海涛郝文涛郭文利

杨文卫光仁吕征张亚东陈晓亮甑建宵牛胜利姜博李天富

姚维华张劲松聂华刚张玉龙李松孙伟余红星张卓华柴晓明

96

http://www.nuclearfaq.ca/

https://www.myrrha.be/

http://www.xinhuanet.com/2018-12/07/c_1123822651.htm

2018-2020 核技术应用学科发展报告：粒子加速器

粒子加速器

一、引言

粒子加速器是一种利用电磁场将带电粒子束流加速到高能量的装置，可将电

子、质子和重离子等带电粒子束的速度增加到接近光速。粒子加速器按被加速粒

子种类分，有电子加速器、质子加速器和重离子加速器等；按粒子的轨道形状分，

有直线加速器、回旋加速器和环形加速器等；按加速电场的特征分，有高压加速

器、静电加速器、感应加速器、高频加速器和激光加速器等；按加速器的用途分，

有医用加速器、辐照加速器、无损检测加速器、离子注入机、同步辐射光源、自

由电子激光、散裂中子源、放射性核束装置、静止靶加速器和对撞机等。粒子加

速器作为一门应用物理和核技术应用的学科，主要包括加速器物理、加速器技术

和加速器应用。

加速器物理研究带电粒子束流在加速器中的运动规律，为加速器的设计、建

造、运行和性能提升提供依据，以满足诸多领域应用的需求。

粒子加速器是现代高科技发展的产物，加速器技术涉及带电粒子产生、加速、

传输、测量和控制等方面，包括粒子源技术、真空技术、磁铁技术、射频微波技

术、低温超导技术、电源技术、束流测量技术、控制技术、注入与引出技术和加

速器准直测量技术等。

粒子加速器 20 自世纪 30 年代初应核物理研究之运而生以来，一直是物质微

观结构研究的重要工具，并已超出原子核物理和粒子物理领域，在物理学、化学、

材料科学、能源科学、生命科学、地球与环境科学等诸多科学领域都有重要的应

用。基于粒子加速器的国家重大科技基础设施，是前沿科学研究的国之重器，其

中包括北京正负电子对撞机、兰州重离子加速器装置及其冷却储存环、北京串列

加速器及其升级工程、合肥光源、上海光源、中国散裂中子源等，以及建设中的

重离子加速器装置、加速器驱动嬗变研究装置、高能光源和自由电子激光等装置。

这些加速器将在本书的第 10 个专题报告“大科学装置”中阐述。

粒子加速器广泛应用于国民经济的各个领域，成为我国核技术产业的重要组

成部分。据统计，我国现有约 7000 台各种类型的加速器应用于医疗卫生、辐照

加工、能源环境、农业和国家安全等领域。在医疗卫生领域，加速器应用于放射

治疗、医用同位素生产以及医疗器械、医疗用品和药品的消毒灭菌。在工业领域，

利用加速器产生的粒子束及其打靶产生的 X 射线进行辐照加工，广泛应用于高

分子材料辐照改性、辐照加工和污水与污泥处理、烟气辐照脱硫脱硝等。应用加

速器产生的束流对于工件进行无损检测，应用于大型铸锻焊件、大型压力容器、

海关集装箱、反应堆构件和导弹、火箭等部件的检验。中子发生器应用于中子照

相、石油探井和中子活化分析等领域。离子注入机广泛应用于半导体器件、金属

材料改性和大规模集成电路生产等。在能源环境领域，加速器应用于核聚变点火

97


和核废料嬗变处理等方面。加速器在农业领域，加速器产生的束流应用于辐照诱

变育种、辐照害虫不育、农产品辐照加工和消毒灭菌等方面。在国家安全领域，

加速器应用于安全检查装置、闪光照相、模拟核爆和空间辐射模拟等方面。迄今

世界各地建造了数万粒子加速器，大部分都属于基于粒子射线技术的低能量应用

型加速器[1],[2]。

“工欲善其事，必先利其器”，本章将报告作为核技术应用利器的粒子加速

器的近期发展，着重讨论医用加速器、辐照加速器、无损检验加速器、中子发生

器、离子注入机和脉冲高功率束加速器。

二、医用加速器

(一) 电子治疗加速器

放射治疗是癌症治疗的主要手段之一；放射治疗贡献了超过 15%以上的治愈

率，且成本显著低于其他治疗手段。目前超过 90%的体外放疗设备采用电子直线

加速器产生高能 X 射线进行治疗。

放疗用电子直线加速器的能量大多在 6~20MeV 之间，其中 6MeV 能量的加

速器在剂量率、剂量场分布、整机尺寸与价格上都比较平衡，是最广泛使用的机

型。

1. 国际发展现状和趋势

国际上电子直线加速器放疗设备的市场规模大约为每年 50-60 亿美元，并且

预期在未来五年增长 30%左右，相对其他产业仍然处于快速发展之中。放疗设备

市场主要由瓦里安与医科达主导，西门子在 21 世纪初关闭了放疗相关的业务，

但 2020 年西门子收购瓦里安，又重新回到放疗市场。

放疗及时自上世纪 90 年代之后，随着信息技术、数字成像技术的出现得到

快速发展，相关放疗产品进行了多次技术迭代：适形调强治疗（IMRT）、自适应

治疗（ART）、图像引导治疗（IGRT）以及立体定向（SBRT）等先进放疗的概

念逐步变成现实。这些概念的实施都要求电子加速器具有高剂量率和高稳定性，

部分场合还需要小型化和能量可调节等特性，这些需求引导了近几十年来的医用

电子直线加速器的技术发展方向：高剂量率、高稳定性、可靠性和小型化以及闪

疗（Flash RT）的研究。

闪疗利用超高剂量率，实现对肿瘤组织杀伤的同时更好地保护正常组织，是

目前肿瘤放射学界研究的热点方向之一。闪疗要求剂量率达到 40Gy/s 以上，是

目前主流设备 200 倍左右，因此无法用传统的方法实现。目前闪疗的研究主要还

在动物实验阶段，针对人体的以质子为主。而电子或 X 射线的设备由于剂量率

的挑战，目前仅停留在概念阶段，需要加速器技术取得突破。

98


2. 我国发展现状和趋势

我国于 1976 年研制出第一台医用电子直线加速器，在世界范围属于较早自

主研制出加速器的国家。但在 90 年代之后，我国未能及时赶上信息技术与影像

技术带来的放疗技术革命，与国际主流厂商技术差距迅速拉大，国产设备在国内

的市场占有率从 50%迅速跌落至 20%左右。据统计，我国现约有 2000 台电子直

线加速器在各大医院用于肿瘤治疗，其中约 80%为进口设备。随着国家对医疗科

技发展的重视，以及社会资本的投入，最近几年新成立不少厂商研制生产放疗设

备，也推动了我国放疗事业的发展。目前包括清华大学、山东新华、上海联影、

沈阳东软、广东中能、华明普泰等 20 多家单位可以生产放疗加速器，研制与生

产能力比较全面，能够开发所有医用能量档的电子直线加速器。

国内电子治疗加速器的剂量率大多在 400~1000 cGy/min 之间。清华大学等

多家机构在近期也研制了大剂量率加速管，实现超过 1500 cGy/min 的剂量率。

在脉冲调制器和磁控管上也取得了明显的进步，昆山国力公司开发的磁控管可以

稳定运行在 2.8-3.1MW，具备了替代进口器件的潜能；芜湖中电兆威电子公司研

制的固态调制器，紧凑轻巧，可输出峰值功率超过 4 兆瓦的脉冲。国内多家厂商

对于放疗设备配件上，包括多页光栅 MLC、气体电离室、成像板以及治疗计划

系统 TPS 上也取得了较好的突破。

在新型加速器研究方面，清华大学已经成功研制出 X 波段医用加速管，在

39cm 的长度，2MW 的输入功率下实现超过 1000 cGy/min 的剂量率，性能比拟

传统 S 波段加速管，同时大幅缩小模块体积重量，具备很好的应用潜力。清华大

学和同方威视股份有限公司联合研发了 6 MV/0.7 MV 的同源双束加速器，可用

于在线图像引导放疗装置中。

3. 结论和建议

我国癌症发病人数占据世界 30%左右，对放疗设备存在巨大的需求。但国产

放疗设备占有率低，高端设备完全依赖进口，价格昂贵，不利于放疗在国内的推

广与应用。主要症结在于各个核心部件研发的落后，尤其是多页光栅、治疗计划

系统、束流模块以及旋转机架上与国际差距较大，以及和临床研究结合不紧密等。

另外一方面，也因为在放疗装置市场份额较低，导致医用电子加速器研发上的投

入以及工艺技术上的积累不足。国产医用加速器的进步不仅依赖于研发上的大量

投入，还需要整体技术水平的进步和人才队伍的培养，因此必须加紧研究，还有

很长的路要走。

(二) 质子和重离子治疗加速器

质子和重离子放疗由于其布拉格峰和生物学效应上的优势，与基于电子加速

器的 X-射线治疗相比，更有利于肿瘤的局域化治疗，是国际放疗领域发展的方

向和研究的热点。但由于质子和重离子的穿透性较差，进入人体内的肿瘤部位所

99


需要的束流能量高（质子～250MeV；重离子～400MeV），因而设备相对庞大，

装置造价和治疗费用较高，主要在发达国家拥有这样的装置。与质子相比，重离

子（主要是碳-6）治疗的布拉格峰更尖锐，更有利于肿瘤的局域化治疗，但设备

和造价更为昂贵。


目前世界范围内共有约 110 台质子和重离子治疗装置，主要集中在美国、欧

洲和日本等发达国家。在产业方面，比利时 IBA、日本住友和美国瓦里安等企业

能生产基于回旋加速器的质子治疗装置，东芝、三菱和日立等企业能研制基于同

步加速器的重离子加速器治疗装置。各大研究机构（如欧洲的 CERN 和 PSI 等）

正在投入资源进行先进质子和重离子治疗装置的研发。核磁引导的质子治疗装

置，研发趋向成熟。超高剂量率的 FLASH 研究，也越来越常见了。美国在上世

纪 60 年代起就开始发展质子治疗，现有二十余台质子加速器装置，安装在大医

院用于肿瘤治疗。欧洲各国的不少医院也配备了质子治疗装置，主要是 IBA 公

司生产的基于回旋加速器的治疗装置。日本侧重发展重离子治疗装置，在上世纪

70 年代在千叶建立了重离子治疗中心 HIMAC，完成了数千个肿瘤病例的治疗，

并在多个治疗中心装备了重离子治疗装置；欧洲西门子也与德国海德堡联合开发

了重离子治疗装置。

2. 国内发展现状和趋势

在国内，尽管自从 2015 年以来，呈现出一片火热的局面，但真正能够很好

进行粒子治疗的医院尚属少数，远远不能满足肿瘤患者放射治疗的需求。山东万

杰医院和上海质子治疗中心分别进口了 IBA 和西门子公司的质子/重离子加速器

治疗装置，用于临床治疗。山东肿瘤医院、广东中山、合肥离子等医疗机构，也

分别购买了 IBA 和瓦里安的质子治疗装置，设备已经开始安装。中科院近物所

在重离子加速器 HIRFL-CSR 上开展了重离子临床治疗试验，共治疗了数百个病

例，取得了良好的疗效，现为甘肃武威和兰州的医院建造了两台重离子治疗加速

器，投入临床治疗[3]，在国内也有更多的合作意向。上海应物所开展了质子同步

加速器的研发，为上海瑞金医院研制一台质子治疗装置。华中科技大学在基金委

重点项目支持下，开发了面向回旋加速器创新设计的虚拟样机平台，并开展面向

质子治疗的 250MeV 超导回旋加速器设计。

在国家重点研发计划“数字诊疗装备研发”重点专项的支持下，相关单位开

展了基于回旋加速器和同步加速器的两个质子放疗系统的研发，发展具有我国自

主知识产权的、可应用于临床治疗的整套质子放疗装置，实现粒子注入器、大型

高场磁体/超导磁体、高频加速腔、束流输运系统、高频功率源、旋转机架和治

疗头等核心部件国产化，为质子放疗装备的产业化奠定基础。其中，“基于同步

加速器的质子放疗系统研发”项目，由上海艾普强粒子设备公司牵头组织实施，

联合上海应用物理物所、瑞金医院、清华大学、北京市医疗器械检验所等多家单

100


位共同合作开发，其质子同步加速器已建成出束。“基于超导回旋加速器的质子

放疗装备研发”项目，由武汉华工科技产业股份有限公司牵头，联合华中科技大

学、原子能院、同济医院和协和医院共同承担。原子能院还在中核集团和工信部

的支持下，承担“230MeV 超导质子回旋加速器及治疗端设备研制”项目，其超

导回旋加速器质子束能量已达到 231MeV，360°旋转机架各项机电指标已达到

设计要求，等中心度好于 0.3mm；合肥物质科学研究院等离子体所利用在超导托

克马克研发中积累的技术，与俄罗斯联合所合作，开展基于 200MeV 超导回旋加

速器的质子放疗设备的研发；北京大学重离子所在科技部重大仪器产业化项目的

支持下，开展基于激光加速的质子治疗加速器的研制，推动加速器的小型化、低

成本建设，目标是质子/重离子治疗的普惠化。此外，中科院高能所研制成功一

台基于 3.5MeV 强流 RFQ 质子加速器的硼中子俘获治疗（BNCT）实验装置，并

与东阳光集团开展合作，推进 BNCT 的产业化。

3. 结论和建议

我国质子和重离子治疗起步晚，但国内需求很大，。国产设备刚研制成功或

正在研发的过程中，进入国内高端医疗市场的困难很大，为了与国外设备争夺医

疗市场内，亟需在设备研发和产业化上努力，提高国产装置的综合质量，并在政

策上予以支持，推动国产质子和重离子治疗装置占据医疗市场。

（1）加强国内科研机构、院校和企业的合作，和地方政府相结合，在建

设创新型社会的过程中，实现质子和重离子加速器治疗装置的跨越式赶超。

（2）加强关键核心技术的攻关，包括：超导技术、旋转治疗装置、剂量

测量与精确定位和治疗计划与软件系统等。

（3）加强产品系统研发和工艺研究，采用高性能部件，确保整机稳定、

可靠、安全、可重复和易于维护，提高装置的综合性能。

（4）汲取医用电子加速器的经验和教训，加紧研究和发展适形调强治疗、

自适应治疗、图像引导治疗和立体定向等先进放疗技术，实现精确适形治疗。

（5）加强与医院的合作，让用户全程参与产品设计、研发和应用，提高

设备的目标性、可用性和设备研发后的市场推广。

（6）参考大飞机的方式，制订有利于国产加速器治疗装置进入医疗市场

的政策与法规，推动采用国产设备的治疗纳入医保。

(三) 医用同位素生产加速器

放射性同位素（以下简称同位素）广泛应用于核医学与放射医学、工农业、

航天、核武器研发和国土安全等诸多方面。目前，同位素的生产主要应用核反应

堆和加速器，以及从核燃料后处理废液中分离提取等。其中，与反应堆生产以及

从后处理废液中分离提取的同位素相比，加速器生产的同位素具有比活度高、半

衰期短、一般发射β＋或单能 γ 射线等特点，因而是制备放射性核素，特别是医

101


用同位素的重要方式之一。

现代核医学广泛使用放射性同位素诊断疾病和治疗肿瘤，如今已确定为临床

应用的约 80 种同位素，其中有 2/3 是由加速器生产的，而缺中子短寿命同位素

只能由加速器生产。特别是正电子与单光子发射计算机断层扫描—PET与SPECT

所用的短寿命放射性核素（如 15O-半衰期仅为 123 秒，一般为几分钟到 1 小时左

右）通常是由放置在医院的小型回旋加速器制备的。世界上用于同位素生产的加

速器主要是回旋加速器，其中约 80%用于医疗健康和生命科学研究，主要是生产

诊断和治疗用各种放射性核素。在这些回旋加速器中，不同的同位素生产所需的

加速器能量也不一样：经典的单光子放射性核素常通过(p, 2n)和(p, 3n)反应生产，

所需质子束能量一般在 20~30 MeV；用于 PET 的超短寿命同位素常通过(p, n)过

程，质子束能量大约 15 MeV；用于心脏 PET 检查的 82Sr/

82Rb 发生器、靶向治疗

的 149Tb、毒理研究示踪的 73

As 等放射性核素的生产，需要能量 50~ 100MeV 的

强流质子束。

99mTc 作为世界范围内使用非常广泛的医用同位素诊断核素，目前还主要依

靠反应堆进行生产的钼锝发生器来得到。随着当前国际上放射性同位素生产专用

反应堆的陆续关闭，钼锝发生器的产量将会面临极大的下降（加拿大 NRU 反应

堆提供了世界范围内 35%–40%的钼锝发生器）。因此，基强流加速器生产 99mTc

在国际上逐步得到了重视，并且取得了很大进展。

随着核素治疗、核医学影像服务在居民卫生健康医疗中的应用越来越广泛，

医用放射性核素的需求也越来越大。近年来，医用同位素用量的年增幅维持在

10% 左右，全球的核原料供应偏紧已成为放射性药物行业发展的瓶颈。另外我

国供应医用同位素生产的反应堆匮乏，核素供应基本依赖进口，发展国产医用核

素制造加速器，加快基于加速器的核素制备开发步伐，对于提升我国核医疗的整

体发展水平，完善我国核工业行业布局，加快建设核强国，提高国民健康水平具

有巨大的社会意义。

1. 国际发展现状与趋势

加速器制备同位素在国外发展较快，1955 年英国建造了第一台用于医学和

放射性同位素生产的加速器，现在至少有 50 台专用回旋加速器用于放射性同位

素的制备。医用核素制造加速器是能量从 7MeV 到 30MeV 不等的放射性药物制

备质子回旋加速器。这些加速器大部分是用来生产 PET 的超短寿命同位素，少

部分是 30 ~ 100MeV 的加速器生产较长半衰期的同位素。上世纪 80～90 年代以

来，国际上大约有 20 多家厂家先后研制医用小型回旋加速器。目前，能够提供

102


这类加速器的厂家，比较好的有住友、GE、IBA、西门子等。近年来，加速器生

产的放射性同位素产量和用量也增长迅速，特别是以加速器生产 18F 标记 FDG

为代表的 PET 显像药物更是突飞猛进。全球已有 1200 余台回旋加速器用于医用

同位素生产，主要分布在北美、欧洲、中国、日本、印度及东南亚等国家。在短

寿命同位素生产的回旋加速器中，美国大都采用即时药物配送中心统一生产、定

时给各医院配送的方式。日本大力推广日本住友的回旋加速器，拥有 PET 的医

院大都配置一台回旋加速器，自行生产放射性同位素。欧洲市场基本两种方式并

存。

日本住友依靠独有的加速器技术开发出了 PET 用小型回旋加速器的 HM 系

列，具备质子加速能 7～20MeV，根据客户的需求，提供所需核素、产量和设置

空间、有无自屏蔽等方面的系统方案，在日本国内已向约 100 家机构供货，拥有

最大的市场份额。HM 系列回旋加速器可生产多种放射性核素,代表着世界顶级

的产品性能。美国 GE 是全球领先的医学成像技术、PET 示踪剂生产设备提供商，

可提供全套 PET-放射性药物制备解决方案。国际上八成以上装配有 GE 核医学影

像设备的医院，都选配了其回旋加速器，捆绑销售，从提供单一产品到提供整体

解决方案。比利时 IBA 是为放射性药物生产提供 18 MeV 至 70 MeV 的 PET 和

SPECT 回旋加速器的全球领导者，一直在为遍布五大洲的 260 多个回旋加速器

中的示踪剂生产开发创新功能。

基于固体靶生产重大疾病诊疗放射性核素，主要是采用能量约 30MeV 的强

流质子回旋加速器，主要的回旋加速器企业包括 IBA、Ebco、住友等。能量为

50~ 100MeV 的同位素生产加速器，大多存在于核物理实验室，在基础研究之外

提供束流生产医用同位素。例如，南非的 200MeV 分离扇回旋加速器、美国 LANL

的 800MeV 质子直线加速器等。南非的 200MeV 分离扇回旋加速器引出 66MeV

质子束，用于同位素生产，主要生产 68Ge、67

Ga 和 82Sr 等同位素，每年同位素

的收入约 5000 万美元，补充该国家实验室很大一部分的运行费。美国 LANL 的

800MeV 质子直线加速器，在 100MeV 处引出质子束流，用于生产医用和军用同

位素，医用同位素主要有 82Sr 等。

加速器生产 99mTc 主要采用 16-19MeV 的质子轰击富集 100Mo 靶得到。目前

加拿大的 TRIUMF 国家实验室通过美国 GE 公司的 16.5MeV/100μA 加速器以及

TR-PET 加速器（19MeV/300μA）进行了实验验证，分别得到了 4.7 Ci 的 99mTc

（饱和产量为 2.7 GBq /μA）及 347 GBq（9.4 Ci）的产额，其实际产额与计算产

额取得了一致的结果。临床试验表明，回旋加速器生产的 99mTc 与 Chalk River

反应堆生产的 99mTc的品质和显像品质完全一样。与基于反应堆生产 99mTc相比，

103


基于强流回旋加速器有经济性、安全性和灵活性等优点。目前国际上，已经有

20 多个国家正在积极开展基于加速器生产 99mTc 的技术研究。

2. 我国的发展现状及趋势

我国在加速器制备同位素方面起步较晚。从上个世纪 50 年代开始，中国原

子能科学研究院引进了一台 1.2m 回旋加速器，开创了中国加速器放射性同位素

技术与应用事业的篇章。1996 年，中国原子能科学研究院又与比利时合作建成

一台 30MeV 强流质子回旋加速器装置，专门用于放射性同位素的生产。目前，

我国在役的制备放射性同位素的专用回旋加速器有 2 台。其中，1 台为上述中国

原子能科学研究院与 IBA 合作建造，另外 1 台为上海安盛科兴药业公司从 IBA

引进的同类型加速器，其质子能量为 16~30MeV 连续可调，最大束流流强为 400μ

Ａ（外靶双向总和）。此外，北京师范大学、四川大学、高能物理所和兰州近代

物理所等也曾有加速器用于放射性同位素的研制。上世纪八十年代，北京师范大

学在中国原子能科学研究院的 1.2m回旋加速器上采用能量为 26MeV的 α粒子束

子，通过 209 Bi（α，2n）211

At 核反应首次制备了 At 同位素, 通过上相关研究，

使我国在国际α核素的肿瘤靶向治疗研究领域中占有一席之地。

目前，中国大陆共有 PET 小型医用回旋加速器 200 多台（含已定货、未安

装以及安装后尚未使用的），主要依赖进口，其中 GE 公司最多，随后依次是西

门子、日本住友重工、比利时 IBA 和加拿大 Ebco。医院所使用的正电子放射性

核素主要来自下列三种方式：医院拥有自己的加速器、自行生产；由即时药物配

送中心统一生产、定时给各医院配送；医院间相互调济使用。其中医院自行生产

是目前较为普遍的方式，配有 PET 设备的医院通常也配有生产放射性核素的回

旋加速器。

北京原子高科股份有限公司针对国内医疗建康领域的特色，借鉴其“锝-99

奶站”成功的联锁经验和 15 年来运行 30MeV 回旋加速器 CYCIAE-30 定期、批

量供应中、短寿命放射性核素的经验，为各医院生产、提供超短寿命放射性核素。

目前，北京有 2 台、上海有 2 台、广州有 1 台加速器，在为医院配送所需放射性

药物，另有 2 台回旋加速器已定货，即将分别安装在广州和天津，正在逐步形成

即时药物配送中心的全国网络。中国原子能科学研究院除了成功研制 30MeV 回

旋加速器 CYCIAE-30 之外，还研制了 10MeV 和 14MeV 的小型回旋加速器，用

于 PET 核素生产，已分别为北京大学和中国同辐建造 1 台 14MeV 医用回旋加速

器；分别为加拿大和意大利设计 14MeV 和 70MeV 的强流质子回旋加速器，用

于放射性同位素生产和短寿命核束的产生。中物院流体物理所自主研制的一台用

于医用同位素生产的小型医用质子回旋加速器，2013 年达到 11MeV/50A 的设

104


计指标，现正在将样机扩展为一套具备 PET 药物生产功能的示范装置，开始进

行成果转化和产业化。

以 CYCIAE-30 为例，从 1995 年开始，主要生产 57Co、18

F、201Tl、67

Ga、68Ge、

103Pd、111

In、109Cd 等医用放射性核素；并于 2007 年升级改造固体靶束流线、新

增气体靶束流线以生产 123I 等放射性核素。该加速器前 10 年除生产 PET 常用放

射性核素外，还生产 57Co、103

Pd 等中短寿命核素，出口美国、英国，每年运行

时间大约 5000 小时；后 5 年以供应北京各医院 PET 和 SPECT 急需的 18F、201Tl

为主，每年产值约 1000 万元，年开机时间约 1500 小时。

对于能量高于 30MeV 质子回旋加速器，国内只有中国原子能科学研究院的

100MeV 回旋加速器，已经建成、稳定运行多年，用于质子辐照、中子和放射性

核束的产生，但尚未投入医用同位素生产，仅开展了 Ac-225 等药物的试生产。

此外，中国原子能科学研究院还正在为国家空间中心建造 1 台 50MeV 回旋加速

器，用于科研和医用同位素生产，目前正在北京怀柔科学中心安装之中。

3. 结论和建议

与国外相比，国内 PET 医用小型回旋加速器还存在较大市场，每百万人口

仅有 0.3 台，特别是县级医疗机构随着“一县一科”政策的推行，发展潜力很大。

对于 30~ 100MeV 回旋加速器而言，市场中 82Sr、68

Ge、225Ac、221

At 等同位素供

不应求，其半衰期比较长，适合全球供应，国内尚处于空白状态。

全球回旋加速器市场值从 1990 年 0.87 亿美元逐年递增，2014 年约 1.52 亿

美元，2015 年达到 1.65 亿美元。在未来，全球医用回旋加速器市场预计会按照

平均 3%的增长率递增，在 2030 年预计达到 2.45 亿美元，估计在 2016 到 2030

年平均每年装机量达到 60 台。预计在 2025-2026 年，回旋加速器维护维修及升

级的市场收益会高出出售回旋加速器的收益。

（1）目前我国用于同位素生产的反应堆仅有秦山核电站一处，仅能够生产 60Co。

我国国产放射性核素面临着品种和产量越来越少的问题。2008 年后，国内放射

性核素生产几乎全部停止，放射性核素产品依赖进口，其售价成倍攀升。加速器

具备提供连续束、生产效率高、生产成本低等优点，将会越来越成为国际上生产

放射性同位素的主要装置。为此，需要大力发展强流质子回旋加速器和连续波高

功率电子直线加速器等多种生产放射性同位素的加速器类型，用以生产 82Sr、

68Ge、67

Cu、88Y、173

Lu、85Sr、99

Tc 等，满足市场的需求。

（2）我国已经掌握了医用回旋加速器的核心技术，中国原子能科学研究院和工

105


程物理研究院已经生产出 PET 医用回旋加速器样机，中国原子能科学研究院还

研发出了具有自主知识产权的 30MeV、50MeV和 100MeV回旋加速器，其 70MeV

回旋加速器技术还出口国外，100MeV 强流质子回旋加速器最高流强达到了

520μA。国内已经掌握了回旋加速器成套装备技术，完全能够实现产业化，同时

也具备了开展强流加速器生产 99mTc 的基础和条件。

（3）在所有的医用回旋加速器制造商中，IBA 等五家主要厂商占据全球 90%的

市场份额，国内市场也主要被国外产品占领。而这些进口加速器在售后技术支持

上往往时效性差，更换易损部件、购置备品备件价格高，导致部分回旋加速器运

行状况不好，造成医院在使用上的困难和费用上的增加。我们现已具备国产化的

能力，建议大力加强小型强流质子回旋加速器的产业化工作和同位素生产的即时

药物配送中心建设，形成我国独具特色的放药供给网络。

三、辐照加速器

(一) 电子直线加速器

电子直线加速器是产生高能电子束或 X 射线的辐照装置。辐照用的电子直

线加速器通常采用射频加速结构，能量 2-10MeV，束流功率一般在 10 kW-150kW。

电子束通过真空钛窗引出或用重金属靶转换为 X 射线后进行辐照。


国际在辐照用电子直线加速器的研制主要集中在以下三个方面：

（1）高能高功率技术：国际上辐照用的电子直线加速器研究重点集中在高

能高功率技术研究。目前提高电子束流强主要的限制因素是功率源、强流和束流

稳定性等问题。比利时 IBA 公司发展高能、高功率的单腔多次加速结构辐照加

速器研制，技术处于国际领先。高功率电子束在结构中容易对后续束团形成干扰，

需要解决强流束的不稳定性。工作频率越高、结构越小的加速器更容易出现束流

崩溃，这也限制了强流加速器进一步小型化。

（2）自屏蔽技术：为了减小电子直线加速器辐照装置对土建环境防护等建

设特殊要求，满足电子束辐照加工应用，防止辐射泄露，辐照加速器设计迷宫型

金属等屏蔽体，实现自屏蔽。美国 L-3 公司等研制出了自屏蔽 S 波段高能电子直

线加速器辐照装置，加速器能量 5-10MeV。

（3）电子束转换 X 射线技术：由于电子束穿透能力有限，这在很大程度上

限制了辐照技术的发展。高能 X 射线具有较强的穿透能力，扩大电子辐照加速

器的应用领域。高能量、高功率电子直线加速器的应用使 X 射线辐照装置成为

现实。产生 X 射线通常需要在电子束输出窗外加入一个金属靶。IBA 公司研制

并应用电子束转换 X 射线技术，用于辐照加工。10MeV 电子线加速器电子束转

106


换 X 射线效率不到 10%，需要研究发展高转换效率的技术。

2. 国内发展现状

国内主要研制生产辐照电子直线加速器的机构或企业有原子能院、中科院高

能所、同方威视和中广核海维等，主要型号是 10MeV/20kW S 波段直线加速器，

综合性能达到国际先进水平。目前国内在电子直线加速器研制上和国外最主要的

差距在功率及自屏蔽上。另外，辐照电子直线加速器核心器件高功率速调管、波

导窗主要从美国或法国进口，国内中科院电子所、昆山国力电子公司刚研制出高

功率速调管投入使用，与国外还有一定的差距。

3. 结论与建议

根据 IAEA 发布的报告，很多国家开始逐步用辐照技术替代化学消毒灭菌，

欧美发达国家医疗器械辐照灭菌占 60%。我国在辐照直线加速器的研制上有较好

的基础。但面对未来快速增长的市场，还需要发展 50-100kW 更大功率的电子直

线加速器技术，加强对电能转换电子束效率、高转换靶和自屏蔽技术的研究，实

现关键部件（如功率源和隔离窗等）自主可控，探索合适的产学研结合的模式并

组织和培养人才队伍。

（二）高压型加速器


高压型加速器是世界上最早发明的加速器之一，经过八十多年的发展，技术

已经相当成熟。这类加速器加速电子的能量一般不超过 6MeV，主要用途为材料

辐照改性和烟气脱硫脱硝等，类型主要有：高频高压（地那米）型，能量在 1-6MeV

和绝缘芯变压器型，能量在 2.5MeV 以下。电子帘加速器一般也归类为高压型加

速器，但它没有加速管和扫描装置，结构简单，能量通常在 0.3MeV 以下。国际

上美国、俄罗斯、日本、比利时和法国等国根据辐照加工产业的需求，研发了不

同能量和功率的系列产品，其发展趋势为：产品质量不断提高，主要体现在操作

简便、易于维护维修、长期运行稳定性和可靠性好以及自动化程度高等；产品向

低能段和高能段扩展，不断研发有特色的新产品，如 6MeV 的地那米型加速器和

"宽束机"全新型多灯丝电子帘加速器等；不断提高高压型辐照加速器的功率和功

率转换效率。除高压型加速器和直线型加速器外，近年来出现了一种新型的电子

工业加速器—梅花瓣型加速器（Rhodotron），这种加速器具有能量可调、连续波、

束流功率高等优点，国际上主要产品为 IBA 的能量为 10MeV、束流功率从 45kW

到 150kW 的辐照加速器系列。


我国已经具备了各类高压型电子辐照加速器的研发生产能力，产品质量不断

107


提高并形成了系列化产品，已占领了一半以上的国内市场。据统计，我国现有约

800 台高压型电子加速器应用于辐照加工，并以每年 30-40 台的速度增加，其中

主要是国产装置。研发生产高频高压型加速器的单位主要有中科院上海应物所、

中广核达胜、中广核中科海维、无锡爱邦等，生产能量从 0.5MeV 到 5.0MeV 的

系列高频高压型加速器，能量和束流不稳定度一般小于 3%；在 3.0MeV至 5.0MeV

能量下扫描不均匀度小于 10%。研发生产绝缘芯变压器型的单位主要有北京工业

自动化所、中科院近物所和兰州科近泰基、中广核达胜以及山东蓝孚等企业，可

生产能量从 0.2MeV 到 2.5MeV 的系列产品[4]。中科院近物所、北京机械工业自

动化所、上海应物所、江苏中科海维等单位先后研制过电子帘加速器。目前国内

梅花瓣形加速器主要从 IBA 进口，国内科研单位和企业曾开展研发工作，尚未

形成产品。

5. 结论与建议

经过多年发展，我国已全面掌握了高频高压型加速器的核心技术，形成了专

业化、规模化的高压型辐照加速器生产基地，技术创新水平也大幅度提高。建议

继续深入开展技术创新和关键技术研发，不断开发有竞争力的新产品，满足用户

对国产加速器在型号、性价比、配套性和技术服务等方面的更高要求。

四、无损检验加速器

高能 X 射线无损检测可以检查大型物体内部结构，在制造业与安全检查中

应用广泛。目前在无损检测领域，电子加速器是产生高能 X 射线的主流设备。

对于大型物体的检测，往往需要较高能量电子束产生的 X 射线，一般采用加速

器作为电子束产生装置，能量从 0.5MeV~15MeV 不等。


目前无损检测在国外的发展与应用趋于稳定，主要用于大型工件铸件、集装

箱、火箭导弹、建筑物、桥梁等设施的检查。无损检测系统的加速器技术的发展

趋势为：

更好物质识别能力一种射线通常只能获得结构图，判断物体的形状。多种

射线，例如不同能量档电子束产生的 X 射线，可以获得原子序数信息，从而实

现物质种类的分辨。目前在无损检测中常用 4/6/9MeV 加速器。而束流能量档数

越多，能量差异越大，其物质分辨能量越好。因此未来发展需要加速器能量连续

快速可调，从而在提供足够多的成像能量档；电子束能量范围降至 0.5~4MeV，

其产生的 X 射线对不同物质吸收系数的差异更大，分辨能量更强。此外，将电

子束能量提高（大于 9MeV），产生光中子与 X 射线融合成像，可对特定物质实

现高分辨率。

设备小型化随着无损检测的发展，越来越多的应用场景提出了移动性的要

108


求，例如桥梁检测。这要求加速器放射源模块实现小型化，可以通过车载甚至手

提的方式实现。对于要求移动性的场景通常不要求太高的流强，但要求较高的空

间分辨率，因此需要减小束斑，对加速结构与束斑提出新的要求。此外，还要求

加速器具备辐射自屏蔽功能，在应用场景下无需搭建额外的屏蔽装置，实现机动

性。

CT 成像为了获得被探测物体内部三维结构，通常需要类似 CT 的方法，利

用多角度成像。因此需要加速器机头可以旋转，或者安装阵列加速器 X 射线源。

无损检测的机架通常较大，因此要求加速器机架小型化。阵列加速器 X 射线源

也对加速器的结构设计与微波系统提出新的要求。


国内无损检测设备的主要生产单位包括同方威视、北京机械工业自动化所、

原子能院和工物院等。目前国内生产的无损检测设备，不仅满足了国内的需求，

也出口到世界各地，在国际市场上占有相当大的份额。国内在无损检测加速器的

研制上是紧跟并一定程度引领国际上技术的发展。例如同方威视累计生产超过

1500 套大型集装箱检测设备，出口到各个国家并在大部分地区为同类型产品的

主要供应商[5]。2017 年 5 月，我国制定的首个通用仪器国际标准无损检验用电子

直线加速器正式发布，标志着我国无损检验加速器技术和产品进入国际领先行

列。在电子加速器研制方面，国内在近期主要做了如下工作：

加速器部件国产化随着国际贸易形势的变化，加速器设备可能面临部分部

件禁运风险。国内各机构开展了器件国产化研制。芜湖中电兆威电子、昆山国力

电子、北京飞行泰达等企业取得了一系列突破，实现了核心器件国产化，摆脱了

相关风险并降低了成本。

C 波段和 X 波段加速管高频率波段加速管可以实现加速器小型化，并减小

靶点提高空间分辨率，清华大学、原子能院和工物院均取得相关研究成果。其中

2019 年清华大学研制的 6MV-X 波段加速管，性能处于世界领先水平。

能量可调加速管清华大学研究了通过改变微波频率实现加速器能量的切

换，通过相位调节实现能量连续可变并快速调节（0.5MeV–1.5MeV），可快速获

得较高的物质分辨率。

此外，基于电子束与激光相互作用的康普顿散射的 X 射线无损检测装置也

在研制中。

3. 结论和建议

无损检测是电子直线加速器应用的主要方向之一，目前国内已基本实现核心

器件国产化，相关技术与指标达到世界先进水平。国外无损检测装置的工艺研发、

技术和人才方面的积累仍然优于国内；但国内厂商产学研结合紧密，能够始终紧

跟前沿技术发展，拥有较好的创新能力。无损检测产品正在逐渐往多能、机动性

109


以及多角度成像方向发展，需要继续加大对技术的投入，加强产学研的结合，努

力争取引领世界无损检测加速器领域的发展。

五、中子发生器


中子发生器一般特指基于氘氚（D-T）或氘氘（D-D）聚变反应的低能加速

器中子源，主要类型有强流中子发生器、紧凑型中子发生器和密封中子管等。强

流中子发生器一般采用能量几百 keV 的倍压加速器，其 D-T 和 D-D 中子产额分

别在 1012

n/s 和 1010

n/s 量级。密封中子管为一次性真空密封元件，其 D-T 和 D-D

中子产额分别为 108-10

9n/s 和 10

6-10

7n/s，缺点是寿命短。紧凑型中子发生器尺寸

大于密封中子管，其优点是产额比中子管高 1-2 个量级，自带真空系统，靶可更

换，使用寿命长。

上世纪 70-80 年代，发达国家就研制了强流中子发生器，如美国的 RTNS-I

和日本大阪大学等，其 D-T 中子产额均达到 1012

n/s。应材料辐照损伤研究需求，

上世纪 90 年代美国和前苏联分别研制了 D-T 中子产额大于 1013

n/s 的 RTNS-II

型和 SNEG-13 型强流中子发生器，代表了国际最高水平。密封中子管发展较早，

国际上发达国家密封中子管技术已达到较高的水平，并实现小批量生产，代表性

的厂家有法国的 SODERN 公司、美国的 MF Physics、德国的 NSD Fision 等。以

SODERN 公司为例，其开发的 GENIE-16 中子管在 D-T 中子产额 108n/s 下寿命

达 4000 小时。紧凑型中子发生器是近年来高速发展的一种技术，其中美国开展

研究较多，如美国的劳仑斯伯克利国家实验室已开发了多种型号的紧凑型强流中

子发生器，D-D 和 D-T 中子产额的最高指标别达到 1011

n/s 和 1013

n/s 量级。


上世纪 70 年代起，我国也开展了强流中子发生器的研制，原子能院和工物

院分别建成了中子发生器，其 D-T 中子产额在 1011

n/s 量级，兰州大学于 1988 年

成功研制了我国第一台 D-T 中子产额达到 1012

n/s 量级的强流中子发生器。近年

来，中科院合肥核能安全所建成了 D-T 中子产额达到 61012

n/s 的强流中子发生

器；在兰州大学，一台 D-T 中子产额设计指标大于 51012

n/s 的强流中子发生器

也在安装调试中。与国际最高水平相比，我国的强流中子发生器及实验终端技术

还相对落后，需要大力发展。

国内密封中子管的研究和生产单位主要有工物院、西安西京学院、东北师大

和原子能院等，所开发的密封中子管的 D-T 中子产额最高为 109n/s 量级，使用

寿命 300 小时左右。与国外相比较，国内各单位研制的密封中子管结构相类似，

缺乏创新，关键元件技术水平没有突破，控制自动化水平不高，中子产额偏低，

使用寿命短，市场占有率低。

110


近年来，国内相关单位也开展了紧凑型中子发生器的研制工作，如：原子能

院开展了紧凑型中子发生器的研究，其 D-D 中子产额达到了 107n/s 量级；兰州

大学完成了三台紧凑型 D-D 中子发生器样机，D-D 中子产额已达到 108n/s 量级，

并具备 D-D 中子产额大于 1010

n/s 的潜力[6]。比较而言，国内紧凑型中子发生器

研究工作起步较晚，技术指标相对落后，还需开展创新性工作。

据统计，我国现共有 11 台强流和紧凑型中子发生器在诸多领域应用，并具

备每年生产约 200 台密封中子管的能力。

5. 结论和建议

尽管近年来我国在强流中子发生器领域有了新的发展，但综合技术指标与国

际水平相比仍有差距，建议进一步在强流离子束产生、加速与传输及大功率旋转

靶等方面开展攻关，特别需要发展强流 ns 脉冲中子发生器，为中子物理工作的

开展提供先进的实验平台。在密封中子管方面，长期以来，结构和工艺缺乏创新，

稳定性差，寿命太短，极大地限制了推广应用，建议在潘宁离子源、靶技术、二

次电子抑制等方面开展创新工作，以提高整体水平。在紧凑型中子发生器方面，

尽管取得了零的突破，但中子产额指标仍然落后，建议在强流 RF 离子源、靶系

统等方面继续开展工作，争取在 3-5 年将其中子产额在提高一个量级，为小型化

中子应用技术系统开发奠定可控中子源基础，同时应大力发展带伴随粒子测量系

统的紧凑型中子发生器，为关键核材料的成像检测开辟道路。

六、离子注入机


离子注入机是产生并将离子加速到几十至几百 keV 的装置，主要由离子源、

加速聚焦系统、束流传输线以及束流扫描系统等组成。离子注入机按照离子能量

和束流大小分为高能量、大束流和中束流三大类型，在半导体工业、材料改性研

究与加工、太阳能电池生产等领域有广泛应用。经过几十年的发展，国际上离子

注入机技术已日趋成熟并高度产业化，目前以 WARIAN、AXCELIS 和汉辰科技

等公司为代表，可以批量生产各种类型的高精度和高自动化程度的离子注入机。

近几年来，离子注入机的发展趋势主要是束流性能的进一步提高、超低能注

入技术和一些特殊注入技术的发展。在提高束性能方面主要有：1）在扩大束流

面积和扫描范围的基础上进一步提高均匀性；2）更好控制金属污染和颗粒污染；

3）更精细地控制束流参数，如束高、角度和密度等。在超低能注入方面，近年

来，WARIAN、AXCELIS 和 AMAT 等均研发了注入能量最低达 0.2keV 的机型，

以满足半导体器件尺寸愈来愈小、结深越来越浅的要求，为此发展了低能平行束

技术、扩束技术以及防能量污染技术等。应用于二维材料离子注入的能量可低于

100eV 的超低能注入技术，也受到越来越多的关注。此外，离子注入机-电镜联

机、超大剂量金属改性注入、高能量多电荷态注入以及 SiC 注入等特殊的离子注

111


入技术也在发展之中。


我国离子注入机的研发从上世纪 70 年代起步，经过曲折发展，目前已形成

较强的研发和生产能力，比较有代表性的有中国电子科技集团电子装备集团公

司、北京中信科公司、上海凯世通公司以及原子能院等。近年来，电子装备在低

能大束流机、小型化的高能离子注入机、聚焦离子束装置等方面不断取得重要进

展，2020 年该公司宣布研制成功达到国际先进水平的 MeV 高能离子注入机[7]。

中信科公司成功开发出适用极大规模集成电路 12 英寸生产线 90-65nm 工艺的大

角度中束流离子注入机，实现了核心零部件国产化与整机制造工程化，成功进入

300mm 晶片主流生产线。凯世通公司则主要致力于太阳能电池离子注入机的研

发，通过太阳能电池产业带动离子注入机行业的发展，在国际上拥有较高的市场

占有率。2020 年，凯世通推出低能大束流集成电路离子注入机，年底实现量产。

超低能离子注入技术目前也得到我国一些研究单位的高度重视。

3. 结论和建议

目前国内离子注入机从关键技术到系统设计均具备了自主创新能力，已经从

消化吸收跟踪跨越到同步发展阶段，某些机型已经逐步达到国际先进技水平。未

来我国离子注入机在研发层面应和国际发展趋势同步，技术层面应进一步提高自

动化程度，提高产品的可靠性，提高市场占有率。

七、脉冲高功率束加速器

1. 国际发展现状与趋势

（1）直线感应加速器

直线感应加速器技术是应核武器初级流体动力学试验闪光 X 射线照相的需

要而得到长足发展的。上世纪八十年代至本世纪初，为对核武器初级全尺寸装置

进行闪光照相，美国先后建造了 FXR 和双轴闪光照相流体动力学试验设施

DARHT；法国建造了 AIRIX 直线感应电子加速器。

根据 2017 年国际脉冲功率会议报导，美国将研制 Scorpius，相关计划命名

为天蝎座，将采用直线感应加速器的技术路线实现 20MeV、4 个脉冲的多幅闪光

照相装置。2019 年报导，Scorpius 计划于 2025 年建成。

近几年来，俄罗斯、法国、英国核武器实验室同样在规划或建造基于直线感

应加速器技术的多幅闪光照相装置：俄罗斯研制中的 LIA-20 是一台 20MeV、

2kA、三脉冲的直线感应加速器；法国和英国合作开展 Epure 设施的研制工作，

其第一轴是搬迁过来的 AIRIX，第二轴是基于脉冲功率技术的 Merlin，第三轴双

脉冲的直线感应加速器正在预研中。

112


（2）Z 箍缩加速器

1996 年，美国圣地亚国家实验室将原来用于粒子束聚变研究的装置 PBFA-II

改造为 PBFA-Z（简称 Z 装置），标志着 Z 箍缩研究成为脉冲强流加速器的一个

重要应用方向。目前 Z 装置正计划将其输出电流提升至 32MA，迄今仍是世界上

功率最高的强流脉冲加速器。俄罗斯在 Z 箍缩强流加速器研制方面也有与美国

相当的研究历史，上世纪末提出建造电流 50MA 的 Baikal 装置的设想。2012 年，

Baikal 装置在位于莫斯科的特罗伊茨克创新与聚变研究所开始建造，设计指标为

电流 50MA，上升前沿 150ns，储能 100MJ，计划 2019 年完成。建成后，Baikal

将成为世界上规模最大、参数水平最高的 Z 箍缩脉冲强流加速器，有望直接开

展聚变点火的实验验证。由于俄罗斯国内经济等方面的因素，目前该装置建设已

停止。法国、英国也建有电流 MA 级的脉冲强流加速器，美国除 Z 装置以外，

也还有其他参数较低的 Z 箍缩实验研究平台。这些装置中较为著名的是美国的

Saturn 装置和英国的 Magpie 装置，用以开展与 Z 箍缩惯性约束聚变相关的分解

性实验或等离子体物理、辐射物理等基础问题研究。其中美国计划在 2021-2023

年对 Saturn 装置进行升级（驱动电流由 8MA 提升到 15 MA），目的是实现更高

剂量和剂量率的大面积硬 X 射线和温 X 射线（反射三极管）辐射输出，以增强

美国的核环境试验能力，模拟未来武器可能会面临的复合的和新兴的敌对环境，

确保武器必须在这些环境中的生存。

（3）二极管放电型加速器

二极管放电型加速器是应核爆模拟、抗核加固和辐照效应研究的需要而发展

起来的。这类加速器采用超高功率脉冲高压源驱动低阻抗二极管发射强流电子

束，束流强度可达 MA 量级。

二极管放电型加速器可产生高功率微波。高功率微波属军民两用技术。高功

率微波武器分为一次性使用的高功率微波弹（又称电磁脉冲弹）和可重复使用的

高功率微波定向发射系统（也称微波炮）。

二极管放电型加速器同时也广泛应用于 X 光闪光照相实验研究。相比于直

线感应加速器，二极管放电型加速器所能加速的电子束能量较低，对应脉冲 X

光的穿透能力和照射量较弱，但其结构相对简单，成本较低，是中低能脉冲 X

光机的主要光源。以瑞典 Scandiflash 公司的产品为代表，数百 kV 到 1MV 能量

的二极管型脉冲 X 光机已实现商品化，并大量应用于各类对 X 光穿透性要求较

低的爆轰实验、冲击实验及箍缩实验的瞬态透视检测。

在结合 IVA 和 RPD 技术后，二极管放电型脉冲 X 光机的能量和闪光照相能

力得到了较大的提升。在一些重要的物理实验中（如材料的微喷和层裂诊断），

需要的 X 射线光子能量不高，但剂量及剂量率要求较高。等离子体填充的 RPD

工作阻抗很低，可以工作在 1-2 MV/500-1000kA 范围，且焦斑直径极小（1-2mm），

能够满足需求，曾经成为一个研究热点，但等离子体过程不易实现稳定控制，产

生的 X 光源一致性较差。近年来，俄罗斯大电流所提出金属箔或者金属丝预短

113


路的 RPD，可控性大大提高，有望实现可控可靠的低阻抗 RPD 光源，大大拓展

RPD 型光源的应用范围，为材料动态性能研究提供有力的诊断手段。本世纪初

以来，美英法等国提出过两个类似方案。


我国脉冲强流加速器技术研究，始于 20 世纪 60 年代初期，现已形成直线感

应加速器、Z 箍缩加速器和二极管放电型加速器三类脉冲强流加速器协调发展的

格局。

（1）直线感应加速器

中物院流体物理所于 2015 年建成的 XX 二号加速器，是世界上首台 MHz

重复率猝发多脉冲强流直线感应加速器。该加速器的研制，成功解决了 MHz 重

复率猝发功率源和猝发三脉冲强流电子束的产生、加速、束输运及聚焦打靶等重

大技术难题。XX 二号在加速段产生三个电子束脉冲，其能量 18~20MeV，束流

强度≥2kA，脉冲宽度~60ns，脉冲间隔大于 400ns 并可调；经聚焦打靶后，在同

一轴上产生三个 X 光脉冲，其照射量大于 380R（伦琴），X 光焦斑（FWHM）

小于 2mm。

为物理应用需要，中物院流体物理所正在研制 XX 加速器，这是一台可单脉

冲、双脉冲两种方式运行的大型脉冲强流直线感应电子加速器；同时，对已运行

十余年的 XX 一号提出性能改进计划，对部分技术方案进行了验证，包括在不更

改束线布局的状态下，实现多种运行模式（流强 2~2.5kA、能量~6/9/18MeV）的

束流传输及聚焦，且 X 光焦斑<2mm。

近几年来，为直线感应加速器小型化，中物院流体物理所发展了介质壁型直

线感应加速器技术，并通过科工局核能开发项目建造了验证加速原理的样机，将

初始能量为 40keV 的质子束加速到接近 400keV，加速梯度达到 10MV/m。

（2）Z 箍缩加速器

我国的 Z 箍缩加速器研究起步相对较晚。上世纪末，受美国 Z 装置上突破

性实验结果的鼓舞，国内开始了跟踪研究，早期实验用的强流加速器主要有西北

核技术研究院的“强光”装置（电流约为 2MA）和工物院的“阳”加速器（电

流约为 1MA），同时我国也积极与俄罗斯合作在 Angara-5-1 和 S-300 开展了联合

实验。强流加速器驱动能力的不足，制约着我国 Z 箍缩研究的发展。2013 年，

我国首台多路并联的 Z 箍缩脉冲强流加速器—XX 一号在工物院建成，该装置输

出电流 8~10MA，脉冲上升前沿 90ns。

在 XX 一号的研制基础上，我国又提出了基于 LTD 感应叠加和多路汇流的

50MA 装置的研制思路，目前，单路样机（设计值 4MV/1MA）已安装完成，全

114


电压多路验证样机已进入可研阶段，计划 2024 年通电实验。

西北核技术研究院开展了混合型 X 箍缩负载用于丝阵过程早期行为定量诊

断实验研究，获得了早期 W 丝阵丝核熔蚀过程图像，从电爆炸丝角度和微箍缩

物理分别解释了阻抗变化过程中存在的双峰情况，开展了平面 W 丝阵早期放电

熔蚀过程中丝核质量演化的定量诊断，揭示了最内层丝核存在的反向熔蚀流现

象。

（3）二极管放电型加速器

近年来，为获得更高能注量、更大面积核爆脉冲硬 X 射线模拟源，西北核

技术研究院在 1Ω电子束二极管技术基础上开展了系列研究，突破了串级二极管

技术，研制成功两级 1 欧姆串级二极管，在“闪光二号”加速器上获得稳定的脉

冲硬 X 射线输出，平均能量 86keV，能注量 35mJ/cm2，在大于 500cm

2 上的均匀

性优于 2:1；实现四路 1 欧姆电子束二极管并联工作，脉冲 X 射线时间宽度为

40.1ns，平均能注量为 2.76 mJ/cm2，射线平均能量为 62.8keV，辐照均匀性为

2.12:1，辐照面积 2133cm2；开展了低于 5Ω大尺寸感应腔研发、二极管阳极等离

子体抑制和阳极靶抗热力学效应等研究工作；研制了长寿命大吸能高压固体电

阻、可重复利用的辐射转换靶。

脉冲功率源是开展微波器件研究和实现高功率微波武器化的关键技术。近年

来，脉冲功率源技术在紧凑、高功率、重频、高效等方面取得重要进展。在重频

长脉冲加速器方面，中物院应用电子学所采用 6 级长脉冲 LTD 驱动源，输出功

率大于 8.5GW，脉宽 180ns，重频 50Hz，抖动小于 2ns；国防科技大学研制的基

于脉冲形成线的模块化强流电子束加速器具有波形质量高、结构紧凑、便于集成

等方面的特点，突破高效率脉冲变压器长时间运行绝缘、同轴螺旋 Blumlein 波

形质量、开关精确触发技术，加速器输出功率达 10 GW、脉冲宽度 150 ns、重复

频率 10 Hz 连续运行 5 min、重复频率 20 Hz 连续运行 2min，平均功率体积比达

到 30 kW/m3，触发时间抖动小于 5 ns。在基于磁压缩的全固态强流电子束加速

器方面，突破大功率半导体开关和高功率磁开关功率容量、功率压缩比、开关速

度限制，以及低阻抗脉冲形成双线和快速脉冲升压等脉冲功率前沿技术，加速器

输出功率 2 GW、脉冲宽度 150 ns、重复频率 20 Hz、连续运行时间 10 min。将

金属氧化物压敏电阻(MOV)引入到强流电子束加速器技术领域，通过解决紧凑

Marx 发生器波形调制、MOV 高压强场绝缘、长脉冲电子束传输等技术难题，研

制出微秒GW级强流电子束加速器，该加速器输出功率2-3 GW、脉冲宽度600 ns，

为亚微秒 GW 级高功率微波的产生提供了条件。中物院应用电子学所研制了基

于 Marx 型 PFN（脉冲成形网络）技术路线的驱动源，输出功率 10GW，重频 30Hz，

主体体积 1.25m3 和基于 Marx 发生器直接驱动的源，输出功率 30GW，电压

600kV，系统体积 0.3m3。在宽谱/超宽谱产生技术方面，中物院应用电子学所研

制了瞬时超宽谱四脉冲实验系统，输出脉冲功率 2.8GW，脉宽 3.5ns，脉冲间隔

115


小于 10ns；西北核技术研究院综合采用自主提出的倍宽脉冲形成原理和短传输

线技术，研制了峰值功率 13GW、脉宽 50ns，可重复频率 50Hz/1min 连续运行的

脉冲功率驱动源。上述脉冲功率源与国外同类装置相比，丝毫不逊色。

在二极管放电型加速器的闪光照相应用上，中物院流体物理所 2018 年研制

成功的 4MV 闪光 X 光机采取 IVA 感应叠加的技术路线，获得了比美国 Cygnus

装置更优秀的技术指标。西北核技术研究院建成 4MV 脉冲 X 射线闪光照相装置

—剑光二号，该装置输出电压 4.3MV，束流 85kA，X 射线焦斑直径 1.4mm，脉

宽 55ns，正前方 1m 处 X 射线辐射剂量 16rad；建成基于快直线型脉冲变压器驱

动源（FLTD）技术的脉冲硬 X 射线实验研究平台，该平台采用 4 级 FLTD 模块，

负载电压 260kV，输出电流 720kA，前沿 120ns。

3. 结论和建议

（1）技术瓶颈

1）提高脉冲功率源的峰值功率和输出电流

根据目前的定标关系，实现脉冲功率驱动的惯性约束聚变点火，需要输出电

流 50~60MA、前沿 100~200ns、峰值功率达到 PW 的超高功率装置。目前脉冲功

率源的峰值功率和输出电流离开聚变点火还有较大差距，需要发展以直线变压器

驱动源（LTD）技术为代表的驱动器技术，克服现有技术路线中绝缘堆和器件寿

命等的限制，进一步提高装置的输出电流。利用 50~60MA 的驱动电流，可获得

数十 MJ 的 X 射线产额和接近 TPa 的加载压力，将为开展材料科学或天体物理

研究提供独特的实验条件。

2）提高驱动源和负载的匹配耦合能力

发展超大型多路驱动的脉冲功率装置，功率传输汇聚是提升负载功率的瓶颈

问题，需要深入研究绝缘和电极在超高能量密度下的物理特性及其变化机制，在

新型绝缘材料开发和电极结构设计等方面取得突破。

3）提高脉冲功率源的重复频率和实现高平均功率运行

国防、国民经济及基础科学研究更大范围的应用，要求装置从单次高峰值功

率向重频、高平均功率运行模式的发展，需要突破长寿命重频开关、大容量系统

快速充电、负载更换或复位、热管理等关键技术问题。

4）发展紧凑型、模块化、固态化的脉冲功率源技术

新概念武器实战化和工业领域的推广应用，都迫切需要实现脉冲功率驱动源

的紧凑化和小型化，需要发展紧凑型、模块化、固态化的脉冲功率源技术，提升

储能元件储能密度和功率密度。

5）强流束的产生、传输及束腔互作用机制

强流电子束传输过程中非线性效应显著，当束流强度提高时易产生束崩溃效

应；研究高品质强流电子束的产生机制和方法；需要开展空间电荷效应和强流束

束腔互作用机制的研究。

116


（2）建议

1）以 Z 箍缩聚变为牵引，继续推动脉冲功率技术创新和能力提升

Z 箍缩是实现惯性约束聚变非常有前景的途径之一。在 XX 一号装置成功的

基础上，下一步要以实现 Z 箍缩聚变点火为目标，设计建造输出电流 50~60MA

的超高功率脉冲驱动器，为我国的脉冲功率束驱动惯性约束聚变研究提供能力保

障。

同时，瞄准 Z 箍缩聚变能源化，开展重频、高平均功率脉冲功率驱动器的

总体概念研究，着重推进重频长寿命初级功率源的技术创新和器件水平提升，发

展快脉冲 LTD 等具有重频潜力的驱动器技术，进行关键单元技术攻关，开展基

于 LTD 的超高功率脉冲传输汇流系统的概念设计和关键过程分解验证，适时进

行一定规模的驱动器集成验证。

2）大力发展紧凑型、模块化、固态化的脉冲功率源技术

脉冲强流加速器庞大的体积制约了这一类型的加速器在国民经济领域的广

泛应用，也限制了在军事领域的拓展应用。使用上紧凑、固态化的脉冲功率源，

则可能使脉冲强流加速器推广到更广阔的应用领域中。

3）加强基础研究，提高核心竞争力

加强相关的基础问题研究，对我国脉冲功率技术及应用研究长期持续发展具

有重要意义。初级能源技术、绝缘技术、开关技术、开关精确同步触发技术，以

及超高功率密度能量传输的理论、实验和数值模拟技术，尤其是大尺度三维 PIC、

场路协同仿真等方面的程序计算能力等，是脉冲功率中的基础和核心问题。突破

上述技术，不仅对 60MA 驱动器等大型装置的研发提供关键技术支撑，也使我

国脉冲功率技术的核心竞争力得到极大提升。

（撰稿人：张闯、陈怀璧、张天爵、王国宝、安世忠、刘克新、姚泽恩、石金水、

苏萍）

参考文献

[1] C.Zhang, S.X.Fang, Particle Accelerators in China，《Review of Accelerator Science and

Technology》, World Scientific Publishing, Vol. 9 (2016) 265–312.

[2] 夏佳文，粒子加速器分会第十一届理事会工作报告，2020 年 11 月。

[3] http://jy.wwzlyy.com.cn/htm/list/75_1.htm

[4] 赵明华，我国电子加速器辐照装备发展现状与技术评估，2009 年全国辐射交联线缆及加

速器装置发展研讨会论文集，2009 年 9 月。

[5] http://www.nuctech.com/en/SitePages/HomePage.aspx.

[6] Z.W. Huang, J.R. Wang, Z.E. Yao et al, Development of a compact D-D neutron generator,

117


Journal of Instrumentation, 13 2018 P01013.

[7] http://www.cetczb.com/.

118

放射性同位素技术

一、引言

放射性同位素技术是以核物理、放射化学和相关学科为理论基础，研究放射

性核素（含制品）特性、制备、鉴定和应用的一门综合性高技术，是核技术应用

的源头之一，其发展状态将极大地影响核技术应用的发展。放射性同位素的应用

遍及国防、工业、农业、医学和科学研究等各个领域，其生产和供应直接影响到

国家安全、国民经济的发展和人民健康水平的提高。

在中央领导对中国工程院“关于扭转医用核技术卡脖子局面，建立稳定自主

保障体系的建议”给予批示的情况下，全国正在形成放射性同位素技术新热潮。

各类资本涌入放射性同位素产业，收购兼并层出不穷；生产放射性同位素专用堆

器开始设计，现有研究堆、电站堆、加速器争先恐后加入生产医用同位素的行列；

各类放射性同位素生产新技术方兴未艾，产品逐渐进入市场；各领域扩大使用放

射性同位素制品，促进社会经济发展。

自 2018 年以来，放射性同位素技术取得了以下主要进展：

1、研究堆开始恢复部分医用放射性同位素生产和科研试制（锶-89、碘-131、

碘-125、无载体镥-177），重水堆生产出伽马刀用钴-60，专用生产放射性同位素

的池式堆、溶液堆获准立项；100MeV 加速器试制出锕-225，专用于放射性同位

素生产的高能强流电子加速器开始建设；稳定同位素碳-13 等生产设施正在建设。

2、掌握了低浓铀制备千居里级裂变钼-99 和间歇循环回路制备百居里级碘

-125 技术、无载体镥-177 制备技术、碳-13 尿素制备技术、钴-60 伽马刀源制备

技术等。

3、锶-89、碘-131 等国产化产品重新进入市场，研制出钴-60 伽马刀源产品，

119

放射源产品在航天领域得到应用，钴-60 辐射成像系统在核设施出入口、北京冬

奥会、滚装船码头、物流仓储等场所进行安全检测，锝[99m

Tc]-RGD（精氨酸-甘

氨酸-天冬氨酸）肽注射液、氟[18

F]化钠注射液、碘-131-MIBG（间碘苄胍）、铼

-188-HEDP（羟基亚乙基二膦酸）等新药进行临床研究，新型肿瘤分子探针

99mTc-CNDG（含异腈的葡萄糖衍生物）等一批原创药物开始申报。

4、政府部门组织制订了放射性同位素中长期高质量发展规划，中国同辐股

份有限公司（下称中国同辐）成功在香港上市，中国同辐以及烟台东诚药业集团

股份有限公司（下称东诚药业）、北京先通国际医药科技股份有限公司（下称先

通药业）等企业在同位素领域收购兼并、并引进国外技术和产品。

5、成员单位承担了大量国家项目和自研课题；获得了六十余项发明专利授

权；一批科研成果获得了包括中国工业大奖提名奖、国防科技进步一等奖、国防

技术发明二等奖在内的奖励。

二、国际动态

（一）、放射性同位素制备

加拿大核实验室（CNL）的国家研究通用堆（NRU）、荷兰核研究咨询集团

（NRG）的高通量堆（HFR）、比利时国家放射性元素研究院（IRE）的比利时 2

号反应堆（BR2）、南非核科技产品公司（NTP）的基础原子研究装置（SAFARI-1）、

澳大利亚核科学和技术组织（ANSTO）的开放池式轻水（OPAL）研究堆等几个

反应堆进行同位素生产。依托上述几个反应堆，形成了主要同位素生产商：加拿

大 Nordion 公司、荷兰 Curium（IBA 分子影像与美国 Mallinkrode 公司 2017 年

合并新成立的公司）、比利时 IRE、南非 NTP、澳大利亚 ANSTO、俄罗斯原子

反应堆研究所（RIAR）等。它们主要进行 14C、89

Sr、99Mo、125

I、 131I、177

Lu 等

120

同位素的大规模商业化生产并向全球供应。波兰玛利亚（MARIA）研究堆与捷

克轻水反应堆-15（LVR-15）有时用于裂变 99Mo 生产的铀靶辐照，但 99

Mo 化学

分离在比利时 IRE 完成。波兰 MARIA 堆也用于 177Lu 生产。

除 NRU 已经于 2018 年 3 月关停外，未来几年里，几个重要的反应堆即将

关停，从而将减少同位素的供给。HFR堆将于 2024年关停（99Mo堆照能力 4500Ci/

周），BR-2 堆将于 2026 年关停（99Mo 堆照能力 3500Ci/周），SAFARI-1 堆（99

Mo

堆照能力 3000 Ci/周）与 MARIA 堆（99Mo 堆照能力 2700Ci/周）将分别于 2030

年关停。这四个反应堆生产的裂变 99Mo 目前占全球裂变 99

Mo 市场供应的 65%。

到 2030 年，预计国外将仅有 3 座反应堆 OPAL（2057 年退役）、德国高通量中子

研究堆-II（FRM-II）（2054 年退役）与印度尼西亚 Reaktor Serba Guna-G.A.

Siwabessy （RSG-GAS）反应堆（2037 年退役）可用。其中 RSG-GAS 只生产少

量 99Mo 满足印度尼西亚本土需要，届时只有 OPAL 与 FRM-Ⅱ仍具备向全球供

应 99Mo 的能力，两座反应堆周生产能力为 6500 Ci/周，而市场预测 2030 年医用

99Mo 全球需求至少为 16900 Ci/周，因此将约有 10000 Ci/周的市场缺口[1]。与此

同时，随着四个堆的关停，其所具备的 14C、89

Sr、125I、131

I、177Lu 等同位素产

能也将消失，导致这些重要同位素面临短缺风险。如果不新建新反应堆或开发新

技术进行同位素生产的话，全球将面临同位素严重短缺。

在进行同位素大规模生产的同时，国际上各机构仍然进行现有同位素新制

备技术的研究与“新”同位素的研发，以推动同位素制备技术及应用的发展。

低浓铀（LEU）靶件生产裂变 99Mo 是国际上发展趋势。国外 70%的裂变 99

Mo

生产商包括南非 NTP、澳大利亚 ANSTO、荷兰 CURIUM、比利时 IRE、阿根廷

CENA（阿根廷国家原子能委员会）等已经完成了 LEU 转化，少数生产商如俄

121

罗斯卡尔波夫（KARPOV）等正在进行 LEU 转化。自 2009 年以来，美国一直致

力于 99Mo 生产的非高浓铀技术研究。近年来，为促进美国 99

Mo 的本地化，美

国政府资助多家公司研发新型 99Mo 生产技术，同时也加快了 99

Mo 生产能力建

设。2016 年美国核管会批准了 SHINE 医疗技术公司建设使用加速器驱动次临界

装置辐照LEU溶液生产 99Mo的生产设施，计划于2021年开始 99

Mo的商业生产。

加拿大粒子加速器中心（TRIUMP）在政府支持下研发了质子轰击 100Mo 靶件生

产 99mTc 的技术。

国外用于放射性同位素制备的回旋加速器超过 650 台，PET 专用小型加速器

数目大于 3000 台。国际原子能机构在 2019 年发布的《International Symposium on

Trends in Radiopharmaceuticals》报告中指出，全球 76 个国家用于放射性同位素

制备的回旋加速器有 1300 余台。在加速器生产的同位素中 18F 最重要，其使用

量约占核医学诊断用同位素的 20%，18F 主要在医疗单位自行制备。日本、美国、

芬兰等具有 64Cu、89

Zr 等新型正电子发射型计算机断层显像（PET）同位素生产

能力。加拿大、美国、俄罗斯等具备 223Ra、225

Ac 等治疗用加速器同位素的成熟

制备技术。

国际上加速器同位素制备技术发展非常迅速，从经典的 18F、15

O、13N 和 11

C

的生产，到 64Cu、89

Zr、124I、68

Ge(68

Ga)、47Sc 等同位素研发，其中潜在的治疗

用放射性同位素种类非常多。放射性治疗同位素包括发射 β-、α、俄歇电子、X-

射线的同位素，目前只有有限数量的得到应用。由于大部分的 α 同位素生产价格

昂贵，其特定的衰变链和加速器束流等条件使其生产方式受到限制，而相对很低

的同位素丰度又导致其在分离纯化时很困难，因此，到目前为止大部分 α 同位素

还处于标记物制备及动物实验阶段，225Ac、211

At、213Bi 等进入临床试验阶段，

122

只有 223Ra 获得美国食品及药物管理局（FDA）批准上市。

对于高放废液中提取的同位素 90Sr，俄罗斯、德国都有大规模生产技术。

（二）、放射性药物

放射性药物是一类特殊的药物，除具备药物的特点外，它还有放射性，利用

其发射的射线达到诊断和治疗的目的。近年来，国际上放射性药物研发呈现加速

态势。2018 到 2020 年间，共有 7 个放射性药物在美国和欧洲获得批准上市。

由诺华子公司先进加速器应用公司（Advanced Accelerator Applications）研

发的 Lutetium(177

Lu) oxodotreotide 注射液，于 2017 年 9 月 26 日获欧洲药品管理

局（EMA）批准上市，2018年 1月 26日获美国FDA批准上市，商品名为Lutathera®；

Lutathera®是一种镥-177 标记的生长抑素类似物，可与生长抑素受体结合，尤其

对生长抑素受体-2(SSRT-2)亲和力最高，用于治疗生长抑素受体阳性的胃肠胰腺

神经内分泌肿瘤。2018 年 7 月 30 日，FDA 批准了 Progenics 制药公司的 Azedra

碘苄胍（Iobenguane I-131）注射液，用于治疗恶性、复发性或已经扩散并且不能

通过手术切除的罕见肾上腺肿瘤（嗜铬细胞瘤）和副神经节瘤。获批的治疗年龄

为 12岁及以上的成人和青少年，是FDA批准的第一种用于此适应症的药物。2019

年 8 月 21 日，FDA 批准了美国爱荷华大学医疗保健（UIHC）-PET 影像中心开

发的 Ga-68-DOTATOC 注射液上市，用于成人和儿童生长抑素受体阳性神经内分

泌肿瘤(NETs)的定位。2019 年 10 月 10 日，FDA 批准范斯坦医学研究所（The

Feinstein Institutes for Medical Research）的 F-18-fluorodopa 注射液上市，用于成

年患者疑似帕金森综合征的检测和评估。该放射性药物最早于 2007 年在法国、

德国、奥地利和意大利等欧洲国家上市，商品名为 IASOdopa，2010 年和 2018

年分别以商品名为 DOPACIS 和 DOPAVIEW 在欧洲部分国家上市，适用于帕金

123

森病的诊断、特发性震颤与帕金森综合征的鉴别以及嗜铬细胞瘤、副神经节瘤和

神经内分泌等的诊断和分期。2020年5月20日，FDA批准Zionexa公司的Cerianna

（F-18-fluoroestrdiol）注射液上市。Cerianna 作为活检的辅助手段，检测复发/

转移性乳腺癌患者的雌激素受体(ER)阳性病变。2020 年 5 月 28 日，FDA 批准礼

来全资子公司 Avid radiopharmaticals 的 Tauvid（F-18-flortaucipir）注射液上市。

Tauvid 用于评估阿尔茨海默病患者大脑中聚集的 tau 神经纤维缠结（NFTs）的密

度和分布。2020 年 9 月 3 日， FDA 批准由 RadioMedix 和 Curium 联合开发的放

射性诊断试剂 Detectnet（Cu-64-DOTATATE）注射液上市，适用于成年患者中生

长抑素受体阳性神经内分泌肿瘤（NETs）的定位。此外，177Lu-DOTATOC、

177Lu-PSMA-617、68

Ga-FAPI、18F-FMISO 和 18

F-FAZA 等一批放射性新药处于临

床研究阶段，有望在近几年内上市。

从国际上放射性药物研发的最新进展可以看出，正电子核素标记的 PET 药

物（包括传统的 18F 标记药物和近年来成为热点的 68

Ga、64Cu 标记药物），是当

前放射性诊断药物的研发重点，不论是针对特定疾病的孤儿药还是适用于多种肿

瘤诊断的广谱性药物都有明确的临床需求；177Lu 作为一种性能优异的治疗核素，

在放射性治疗药物的研发中将扮演越来越重要的角色，治疗药物也将在放射性药

物市场中占据更大的比重。

（三）、放射性同位素工业应用

在放射性同位素技术工业应用方面，目前国外比较活跃的领域和公司主要有：

在料位计领域：有德国 Berthold 公司的 Uni-Probe LB 490 液位计，德国 E+H

公司 Gammapilot FMG50 型料位计，美国 Ronan 公司的 Model X90 点位监测仪

（137Cs 射线源），美国 VEGA 公司的 FIBERTRAC 31 料位计（137

Cs 或 60Co），

124

美国 Thermo Fisher 公司的 LevelPRO 系列料位计等，可提供多种射线源及探测

器布置形式，可实现限位监测、连续物位测量、界面测量、密度测量等。

在密度计领域：有美国 InstroTek/CPN 公司的 MC-3 型密度/湿度测量仪，美

国 Troxler 公司的 3440 型密度/湿度测量仪，德国 Berthold 公司提供多款液体密

度检测装置，如 DuoSeries LB 474、SENSseries LB 480、UniProbe LB 491 等，可

用于公路路基、路面，铁路，机场，水库、堤坝的压实度、含水量和空隙率施工

现场控制检测。

在厚度计领域，有德国 IMS 公司的系列 γ 测厚仪表、美国 Thermo Fisher 公

司的 RM300EL 采用 85Kr 或 147

Pm(β 后向散射)测量彩涂层厚度，RM200CM 采用

241Am 测量冷轧钢板厚度。

在中子水分仪领域，有美国 InstroTek/CPN 公司的 MCM-2 水分测量仪，用

于快速测定化工厂和石化厂管道和容器绝热层中的水含量，识别或排查潜在的腐

蚀问题，也可用于检测安全壳内的液位等错误!未找到引用源。。德国 Berthold 公司

的 LB 350（采用 Am-Be 中子源）等。

在核子秤领域，有美国 VEGA 公司的 WEIGHTRAC 31 采用 137Cs 或 60

Co 射

线源和框架设计，可以方便地用作输送带和螺旋输送机的物料流量控制；德国

Berthold 公司的 DuoSeries LB 472 采用 60Co、137

Cs 或 241Am 射线源，可以提供当

前流量和总生产量，还有美国 Kay-Ray 公司和澳大利亚 Amedl 公司也有相关产

品。

在煤灰分仪领域，有澳大利亚 Scantech 公司的 COALSCAN 9500X 型皮带

式煤分析仪采用瞬变伽玛中子活化分析（PGNAA）方法以确定元素和灰分，采

用微波分析方法以确定水分含量；美国 Thermo Fisher 公司的 Gamma-Metrics

125

CQM 煤全元素分析仪等。

三、学科发展

（一）、放射性同位素及放射源制备

中国工程物理研究院核物理与化学研究所（简称中物院二所）开发了效率

高、规模大、废物量小的 131I 及碘[

131I]化钠口服液生产工艺，建立了连续稳定运

行的规模化干法 131I 及 Na

131I 口服溶液生产线，年产能达 5000Ci，年销量近 2000

Ci，年产值超 5000 万元。开发了高纯 233U 制备工艺。在国内率先恢复了高纯 233

U

的制备，单批次 233U 制备能力达数十毫克量级，233

U 同位素丰度大于 99%，具

备基本解决国内急需的能力。中国核动力研究设计院（简称核动力院）恢复了有

载体锶-89 的生产，并向中国同辐提交了产品。成都中核高通同位素股份有限公

司（简称中核高通）于 2019 年 4 月首批医用高比度钴-60 原料（比活度> 250 Ci/g）

出堆，掌握了利用加拿大重水铀反应堆（CANDU）制备百万居里级 60Co 同位素

技术，建立了相应生产能力。中核高通联合江苏核电、核动力院 2018 年 9 月启

动 14C 核素工业化生产工艺研究，目前已完成研究堆及核电站压水堆辐照靶件设

计、靶料处理及检验、氮化铝靶件在研究堆辐照等工作。在国家科技部支持下，

中国原子能科学研究院（简称原子能院）在中国先进研究堆上建成了百居里级碘

-125 间隙循环回路生产系统，并进行了系统验证。原子能院在 2020 年底恢复了

492 堆生产碘-125 的系统，重新研制出了高纯医用碘-125 产品[2]。成都纽瑞特医

疗科技股份有限公司（简称纽瑞特公司）2019 年与德国 Eckert&Ziegler 公司合作，

签订了医用 90Y 核素生产技术转让协议，开展医用 90

Y 生产。

上海化工研究院有限公司（简称上海化工院）自主研发掌握了 13C 分离的

核心技术，正在实施 13C 分离产业化生产装置建设。自主开发的稳定同位素 18

O

126

同位素产品成功应用于 PET-CT 肿瘤诊断药物 18F-FDG 的研制，实现了国产化替

代；15N 除了满足国内科研领域的需求外，还出口国外，是国际上两家供应商之

一。安徽中核桐源公司采用低温精馏法，于 2018 年启动高丰度 13CO 气体富集生

产技术研发及生产设施建设，已完成全部厂房施工部分设备安装，计划 2021 年

投入生产。

中物院二所基于中国绵阳研究堆（CMRR）堆，先后完成了有载体和无载

体 177Lu 制备技术研究，产品质量满足或者明显优于欧洲药典要求，为国内相关

单位提供了小批量无载体 177Lu 产品。在高纯 238

Pu 制备工艺开发方面，已完成

氧化镎入堆考核前的所有研究工作，已具备依托 CMRR 堆小批量辐照 237Np 样

品获取 238Pu 的软硬件能力。在靶向肝癌制剂 90

Y-玻璃微球研制方面，已获得满

足要求的 89Y-冷微球；同时通过理论计算和 Y2O3 入堆辐照考核相结合的方式，

验证了 CMRR 具备生产合格 90Y 微球的能力；并开发建立了 90

Y 微球活度的准

确测量方法，同时已完成玻璃冷微球入堆辐照安全分析和辐照靶件制备及检测，

即将入堆辐照。

原子能院完成了铀箔和铀铝合金 LEU 靶制备千居里级裂变钼-99 工艺研究，

分别进行了居里级验证。

2019 年 10 月，中核高通与德国慕尼黑同位素技术有限公司（ITM）签署

68Ge-

68Ga 发生器和无载体 177

Lu 生产技术许可与合作开发协议，引进 68Ge-

68Ga

发生器和无载体 177Lu 的批量化技术，计划 2022 年实现产品上市。

中科院近代物理研究所利用现有的强流超导直线加速器开展了医用同位素

研发工作，已完成多种同位素的加速器辐照分离实验。通过辐照 209Bi 靶，获得

了高纯度、高比活度的 211At 产品；通过辐照 Zn 靶，建立了 68

Ge 的分离流程，

127

最终产品 68Ga 具有高纯度和高比活度；通过辐照 100

Mo 靶研发了干法分离 99mTc

的工艺流程，同位素纯度符合医用要求；通过辐照 238U 靶，分别利用高温干法

和湿法工艺从裂变产物中分离出医用同位素 99Mo，同时掌握了干法蒸馏得到 131

I

的技术。并且开展了稀有同位素 225Ac、 227

Ac 的生产工艺前期研究，建立初步

分离工艺。

厦门大学完成了加速器固体靶核素 64Cu、124

I 和 89Zr 的工艺探索，其中 64

Cu

产量可达 200mCi 以上。四川大学基于 CS-30 回旋加速器开展了多种加速器同位

素的制备及应用研究。其中在国际上首次获得微克量级、丰度大于 99%的 98Tc

同位素产品[3]；在国内率先开展了 209

Po 和 54Mn 的加速器制备研究，获得的 54

Mn

其放射性核素纯度大于 99.9%，产额约为 2.96×104Bq/μA·h

[4]，制备的 209Po 同位

素其同位素活度比（ 209Po/

210Po ）达到 7.18；建立了 89

Zr 的规模化生产工艺，

研制的 89Zr 已提供给中物院二所、西南医科大学、成都纽瑞特等用于正电子显

像药物的研究。兰州大学通过材料的功能化研究，研发了从复杂基体中分离放射

性同位素如 137Cs、90

Sr、99Tc、241

Am 的新型材料。北京大学发明了一种锶钇分

离树脂。该树脂具有去污系数高、操作简便、分离速度快、能多次重复使用等优

点，是制备高性能的 90Sr-

90Y 发生器的潜在材料[5]。

中核高通掌握了万居里 60Co 伽马刀放射源的设计、制源和检验技术，完成

首套国产 60Co 伽马刀放射源的研制，各项技术指标均满足设计要求；2019 年原

子高科股份有限公司（简称原子高科）完成了 C-14β 源的研究和开发工作。中物

院二所以分子镀技术为基础，建立了从理论模拟到靶件检测的通用电镀靶件制备

体系。制备了以 U、Pu 为代表的平面及三维核靶，其关键指标不均匀性已达到

5%以下，质量厚度可达到 mg/cm2，产品已应用在微观核参数测量等领域。

128


中核海得威公司掌握了碳[13

C]-尿素原料药制备技术，2018 年 12 月通过所

有审评工作，取得国家药监局注册批件，填补了国产碳[13

C]-尿素原料药的空白。

2018 年，佛山瑞迪奥公司锝[99m

Tc]肼基烟酰胺聚乙二醇双环 RGD 肽注射液获得

国家药监局临床实验批件，2019 年已进入三期临床招募及实验阶段。2019 年，

原子高科和安迪科公司完成了“氟[18

F]化钠注射液”临床前研究，获得国家药监局

临床试验批件，进入临床研究阶段。中物院二所开展了高锝[99m

Tc]酸钠注射液及

锝[99m

Tc]发生器生产工艺、质量标准等研究，于 2018 年 3 月和 5 月通过了现场

核查，以及中国食品药品检验研究院对产品的验证，目前正在接受国家药品评审

中心技术审查。厦门大学联合企业完成 4 项 18F 标记药物临床前研究并向国家药

品监督管理局递交临床试验申请，其中 3 项获得临床试验批件。中国科学院上海

应用物理研究所（简称上海应物所）目前正在开展 18F-DOPA 等若干放射性药物

新品种的研制，预计 2 年内完成首批新药研发工作，提交注册资料。北京师范大

学围绕 99mTc 标记葡萄糖类衍生物用作肿瘤单光子发射计算机断层成像术

（SPECT）显像剂开展了系列创新性工作[6]，采取产学研模式把放射性药物研究

成果直接转化为商品化药盒，最终筛选出 “中国造 ”新型肿瘤分子探针

99mTc-CNDG，其亲肿瘤性能优于目前处于三期临床的美国研制的 99m

Tc-ECDG，

现已获得中国发明专利和专利合作条约（PCT）国际专利授权，同时还申请了美

国、英国、德国、加拿大、日本、韩国等 6 个国家专利。目前北京师范大学北京

师宏药物研制中心已基本完成 99mTc-CNDG 的临床前研究工作，将于近期向国家

药品评审中心上报相关资料。

近两年，中国医疗机构开展了多种新型放射性药物的临床应用研究及转化，

129

为下一步放射性药品市场化作准备。用于临床研究的肿瘤诊断的单光子显像剂：

99mTc-HER2 和 99m

Tc-RGD-BBN、前列腺癌显像剂 99mTc-PSMA；正电子肿瘤显像

药物研究则更多一些，肿瘤显像剂：18F-谷氨酰胺；前列腺癌显像剂：18

F-DCFPyL/

18F-PSMA-1007/

68Ga-PSMA-11/

18F-PSMA-BCH/

18F-PSMA-7Q，新生血管显像剂

18F-RGD，新型肿瘤显像剂 18

F /68

Ga-PAPI-04，内分泌肿瘤显像剂 18F-DOPA 等应

用于临床; A淀粉样斑块显像剂 18F-AV1、18

F-AV45 也用于临床研究。其中，与

18F-PSMA-1007 一样不经泌尿系统排泄的 18

F-PSMA-7Q 经临床百余例验证后申

报专利。核素治疗方面，除了传统的碘-131 外，177Lu 标记药物治疗在国内开展，

个别医院申报了新技术、新业务；据不完全统计，国内有超过 5 家医院开展了

177Lu- PSMA-617 和 177

Lu-DOTA-TATE 的治疗，2018-2020 年超过 210 人次接受

了 177Lu 的治疗。可喜的是，国产的 177

Lu 已供应了医院，已开展了 2 例的治疗。

同时，新型去势抵抗前列腺癌治疗药物 177Lu-EB-PSMA-617 在国内开展了临床

研究，该药物治疗剂量仅为 30mCi,可以满足门诊的要求。通过几年的发展，国

内部分知识产权产品得到产业转化，2020 年 5 月东诚药业引进北京肿瘤医院前

列腺癌诊断药物 18F-PSMA-BCH 和特异性乳腺癌前哨淋巴结显像剂，实现了科

研到产业的转化。

在 Aβ 显像剂研究方面，北京师范大学筛选了 120 多个对称及不对称双腙

类分子，它们与 Aβ 斑块具有很好的亲和性和选择性。18F 标记的分子脂溶性较

低，在小鼠及灵长类动物脑部的清除率比目前 FDA 批准的[18

F]AV-45 快，非特

异摄取明显降低，临床应用潜力巨大；目前已经与原子高科签订了研发合同，已

在中国人民解放军总医院（简称 301 医院）开展临床研究，相关成果已获得国家

发明专利授权并申请国际专利一项。在 Tau 蛋白显像剂研究方面，北京师范大学

130

筛选出的喹喔啉类化合物 [18

F]S-16 通过了 301 医院伦理审批，与日本的

[18

F]THK-5317 同时对比，已完成 20 多例人脑正电子计算机断层成像/核磁共振

成像（PET/MRI）显像，[18

F]S-16 在 AD 患者 Tau 蛋白浓集的海马和颞叶有较高

的摄取，而在健康人中，[18

F]S-16 的白质摄取比[18

F]THK-5317 明显降低。此外，

[18

F]S-16 也通过了天津医科大学总医院伦理审批，完成了 80 多例人脑 PET/CT

显像，已经为临床医生和病人解决了实际问题。相关成果已申请国家发明专利。

中物院二所在新药创制方面，报道了双核素标记生物大分子的技术，围绕自主生

产的医用核素，开展了一系列针对胰腺癌、结直肠癌、肺癌、淋巴瘤等恶性肿瘤

的放射性靶向治疗研发，开发了 2 种靶向多肽及 4 种具有临床应用前景的靶向单

抗药物，申请并获授权发明专利十余项；另外，联合医院及企业针对其中疗效评

价最优异的肺癌靶向单抗形成了项目合作平台，有效加快药物的临床转化。北京

大学应用叠氮化物-炔烃[3+2]环加成（SPAAC）体内点击反应--预着靶策略获得

了性能优良的 99mTc 标记葡萄糖显像剂[7]。厦门大学继提出以苯硼酸为底物的高

效率碘标记方法之后，又发展了基于有机膦氟受体快速一步高效水相 18F 温和标

记方法，为制备和研究各种 18F 标记的生物分子、开发潜在的 PET 示踪剂提供了

一种有效方法[8]。在放射性标记多模态诊疗一体化分子探针方面，厦门大学基于

放射性碘与二维钯片在肿瘤微酸性环境的特殊响应，设计开发了具有高肿瘤/背

景比值的放射性碘标记探针，实现光声/SPECT/MRI 多模态成像以及光热治疗和

放疗，成功实现近红外二区光学探针的放射性标记，获得 PET/荧光/光声多模态

成像显像剂[9-10]。为了弥补直接标记法和传统间接标记法的缺点，上海应物所提

出了对羧基苯硼酸为起始原料，反应条件温和、碘化效率高、标记产物稳定的碘

间接标记方法。另外，以 anti-CC49-cPNA 作为肿瘤靶向分子，借助末端连接 PNA

131

的树脂状聚合物来实现信号放大效应，通过 F-18 标记 cPNA 作为分子探针可以

实现高靶向、低非靶组织放射性辐射损伤的结直肠癌功能显像。中国科学院高能

物理研究所在碘-124 标记的金纳米团簇用于原位肺癌模型成像、铜-64 标记的脂

质体纳米材料作为PET/CT双模态探针用于原位肺癌模型成像等方面也取得可喜

的研究结果。四川大学开展了 89Zr 标记抗体 Nimotuzumab 对荷胶质瘤小鼠的肿

瘤靶向免疫 PET 显像[11]及 111In 标记抗体 Nimotuzumab 用于荷胶质瘤小鼠的体内

靶向诊疗一体化的相关研究[12-13]。


清华大学研究成功了钴-60 双投影辐射成像检测系统，这项技术兼顾大型客

体、车辆的通过率和检测效果，作为核设施出入口安全检测的关键设备，已在核

设施投入运行，严把关键环节，发挥着重要作用。清华大学的低剂量、快速直通

式钴-60 车辆安全检查系统，获得北京冬奥组委会的首批立项支持，通过 AI 技

术提高物性判别和物体识别能力。滚装船货物检测领域，清华大学的 5 套基于放

射性同位素 60Co 的检查装备投入实用，产生了巨大的经济社会效益。物流检测

领域，清华大学采用钴-60 放射性同位素作为 γ 射线源，研发成功全天候专用检

测装备，已有 6 套装备于新疆地区，在区域安全方面发挥着重要作用。高精

x/γ-DR/CT 检测技术在工业生产质量监测与工艺控制、国防战略武器延寿增效方

面获得较大进展。在核电站关键设备与部件的役前及在役检测中，也发挥着越来

越重要的作用。

四、产业量化

据不完全统计，放射性同位素技术开发和产品生产现有企事业单位 46 家，2019

年产值约 51.25 亿元；国家级平台 2 个，省部级平台 10 个，院士工作站 2 个，

132

博士后科研工作站 15 个，从事科研的工作人员 600 多名，当年科研投入 2.1 亿

元；拥有回旋加速器 40 台，MicroPET/CT 4 台，小动物 SPECT /CT 2台；2018-2020

年，制定国家标准 1 个，行业标准 2 个，获得国家奖 1 项，省部级奖 7 项，授权

国际专利 3 件，国内发明专利 61 件，国内实用新型 100 件，发表 SCI 论文 268

篇，EI 论文 15 篇。

五、学科展望及建议

（一）、放射性同位素

放射性同位素生产的技术基本掌握，但工程化技术不足，从高放废液提取放

射性同位素的技术尚未完全掌握，也需要开发一些“新”同位素的生产技术和同位

素制备新技术（如离子液体分离、MOFs 分离）。目前国内可用于放射性同位素

生产的反应堆有五座，辐照条件可以满足国内市场对同位素的需要。但受其他任

务和运行周期安排的影响，导致目前不具备足够生产能力。加速器生产的同位素

可以满足市场需求，但是生产同位素的加速器依赖进口。用于大批量同位素生产、

与反应堆加速器配套的放化设施尚不完善，也是导致同位素国产化能力不足的原

因。从高放废液提取放射性同位素的设施欠缺，使得大规模获得长寿命裂变产物

的能力缺失。

建议：开展同位素生产工程化技术研究，建设用于同位素生产的放化设施，

协调现有反应堆运行周期，保证 2025 年前的同位素国产化；新建专用反应堆，

促进加速器的国产化，提高同位素生产能力，2030 年实现国际化，取得国际话

语权。


目前国内医疗机构能紧跟国际发展的最新动态，在国外临床取得突破后国

133

内能利用自身的资源很快应用到临床，如 2018 年德国报导了 68Ga-PAPI-04 的研

究，国内多家医院正式报导了 68Ga-PAPI-04 的临床应用。但由于缺少基础研究，

基本上对国外药物采取 “ 拿来主义 ”

（177Lu-DITA-TATE,

18F-PSMA-1007,

18F-DCFPyL），缺少原创性的药物。如果国

内在这些方面没有突破，将来临床常规工作无法开展（或付出代价），如目前国

内正式途径不能购到前列癌治前体疗药物（PSMA-617），ABX 对出售的

DOTA-TATE 需要用户签订不用于 177Lu 标记治疗的承诺等，这些已对国内核医

学的发展造成一定的影响。因此急需 PSMA 和 FAPI 一类自主知识产权的药物专

利，可喜的是，国内已有多个 PSMA 的专利申请，应加大这些专利的临床转化，

为下一步的产业化作用准备。

从近年来放射性药物的研究可以发现，放射性药物的研究有二个方向：一

是开发高特异性的诊断药物，如前列腺癌的诊断、乳腺癌的特异性诊断显像药；

二是将诊断药物与核素治疗药物合二为一，实现从诊断到治疗的无缝衔接。

建议：加强基础放射性药物化学的研究，加强与生命科学研究单位的合作，为我

国新型放射性药物的制备提供有力的工具；加强后备人才培养力度，为我国新型

放射性药物的制备提供保障；整合放射性行业核心研发资源，鼓励以企业作为放

射性药物生产为主体，高校、科研机构以科研创新为首要任务，再与医疗机构结

合实现探索性临床 I 期研究以验证放药有效性等模式，减少低水平重复，在新型

放射性药品取得突破；加快研发成果转化，发挥其社会和经济效益。


在工业生产领域，基于放射性同位素的核测控仪器仪表的应用，缘于多种非技术

因素影响，有所萎缩，但高端成像无损检测技术与设备的发展呈上升势头。在安

134

全检查领域，放射性同位素技术的发展与应用已处于领先地位，如大型客体辐射

成像安全检查、物流安全检测、核材料及放射性物质监测、辐射场监测等。大数

据技术、AI 技术等新技术为行业发展注入了新的活力。

存在的问题主要是：整个产业链不够完整，我国处于整个产业链的中下游。在基

础和关键部件方面，还存在依赖国外或受国外制约的问题。国家采购需付出很大

代价，还承受随时断供的风险，有技术安全隐患。我国应高度重视，坚定走自主

化、国有化道路。

建议：建立“专项”扶植政策和安全等领域的“特区”政策，高效促进放射性同

位素技术的发展与应用，解决急迫的现实问题。

总体上说：要制定国家同位素技术顶层规划，将同位素自主化供给上升为国家发

展战略，明确主管部门职能，加强科学监管和政策支持，加强创新能力建设，确

保同位素的供应不受制于人，进而获得国际话语权。

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作者: 罗志福、褚泰伟、杜进、吴志芳、张岚、张锦明、魏洪源

（中国原子能科学研究院，北京大学，中国同辐股份公司，清华大学，上海应用

物理研究所，解放军总医院，中国工程物理研究院核化学与物理研究所）

137

Radioisotope technique

Zhifu Luo, Taiwei Chu, Jin Du, Zhifang Wu, Lan Zhang, Jinming Zhang, Hongyuan

Wei

（China Institute of Atomic Energy; Peking University; China Isotope & Radiation

Corporation; Tsinghua University; Shanghai Institute of Applied Physics, Chinese

Academy of Sciences; Chinese PLA General Hospital; Institute of Nuclear Chemistry

and Physics, China Academy of Engineering Physics）

Since 2018, radioisotope technology in China has developed rapidly, and great

achievements have been made in both preparation and application.Research reactors

began to produce some medical radioisotopes (strontium-89, iodine-125, iodine-131,

carrier-free lutetium-177). Heavy water reactors produced cobalt-60 for gamma knife.

Actin-225 was trial-produced in the 100 MeV proton accelerator.Many production

facilities are under construction.We have mastered the preparation technology of

fission molybdenum-99 with low enriched uranium, iodium-125, carrier-free

lutetium-177, carbon-13 urea, cobalt-60 gamma knife source and so on. The products

of strontium-89, iodine-125, iodine-131 and cobalt-60 gamma knife source re-entered

the market.Radioactive sources have been applied in the space field. Cobalt-60

radiation imaging system has been used for security check at the entrances and exits

of nuclear facilities, the Winter Olympic Games in Beijing, and warehousing sites,

etc.Technetium-99m-RGD peptide injection, sodium fluoride [18

F] injection,

iodine-131-MIBG, Rhenium-188-HEDP are undergoing clinical research, and

138

manynovel radiopharmaceuticals such as tumor-imagingagent 99m

Tc-CNDG have been

filed for clinical trials.The medium-term and long-term high quality development plan

for radioisotope has been formulated by government departments.China Isotope &

Radiation Co., Ltd. was successfully listed in Hong Kong, China.The mergers and

acquisitions ofcompanies, and the introduction of foreign technology and products,

have been done by China Isotope & Radiation Co., Ltd., Yantai Dongcheng

Pharmaceutical Group Co., Ltd., Beijing Sinotau International Pharmaceutical

Technology Co., Ltd.A large number of national projects and other projects have been

undertaken. More than 60 invention patents have been granted. A number of scientific

research achievements have been awarded, including the Nomination award of the

China Industrial Awards, the first prize for National Defense Science and Technology

Progress, and the second prize for National Defense Technology Inventions.

However, there are still some problems and difficultiesin radioisotope

technology, which need to be further perfected and improved. The

productiontechnology of radioactive isotopesis basically mastered, but the

engineering technology is insufficient.The technology of extracting radioactive

isotopes from highly radioactive waste solution has not been completely mastered,

and some new technology of isotope preparation need to be developed. The facilities

for mass isotope production including reactor, accelerator and so on are not yet

perfect.The lack of facilities for the extraction of radioisotopes from highly

radioactive waste solution has resulted in a loss of the ability to obtain long-lived

fission products on a large scale.There are some suggestions: Carrying out research on

139

the engineering technology of isotope production, construction of the radioactive

facilities for isotope production, coordination of the operation cycle of existing

reactors;Buildinga new special reactor, promoting the localization of the accelerator,

and improving the isotopic production capacity.For developing new

radiopharmaceutical drugs in China,the research of basic radiopharmaceutical

chemistry should be strengthened;the reserve personnel training should be also

improved; the core research and development resourcesshould be integrated, the main

task of the enterprise is the production of radiopharmaceuticals, universities and

scientific institutions take scientific research and innovation as the primary task,

medical institutions and universities are combined to realize exploratory clinical phase

I studies to verify the effectiveness of radiopharmaceutical drug;the transformation of

research achievements should also be acceleratedtobring the social and economic

benefits as soon as possible.In the field of industrial application of radioisotopes,the

main problems are: the whole industrial chain is not complete, and China is in the

middle and lower reaches of the whole industrial chain. Some fundamentals and key

componentsare constrained by foreign countries.China should take the road of

independence and nationalization firmly, establish "special zone" policies in the fields

of "special support" and safety, in order to promote the development and application

of radioisotope technology efficiently and solve the urgent problems.

In general, the top-level nationalplanning of radioisotope technology should be

formulated, the independent supply of isotopes should be promoted as a national

development strategy, the functions of competent departments should be defined,

140

scientific supervision and policy support should be strengthened, and innovative

capacity building should be strengthened to ensure that the supply of isotopes is not

restrained by others, so as to enhance China' s international discourse power.

141

目录数值（亿元、位、台、个等）备注

产值（亿元） 51.25

从事企业（家） 46

从事科研工作者数量（位） 606

科研投入（亿元） 2.1

设备及装置（台）回旋加速器 40 台,MicroPET/CT 4,

小动物 SPECT /CT 2

国家级平台（个） 2

省部级平台 10

院士工作站（个） 1

博士后科研工作站（个） 15

标准国际（个）

国家（个） 1

行业（个） 2

科研成果国家奖（项） 1

省部级奖（项） 7

专利国际（件） 3

国内发明专利（件） 61

国内实用新型（件） 100

国内外观设计（件）

科技论文 SCI 268

EI 15

其他各专业

关键数据

创新成果

142

核探测与核电子技术

一、引言

核探测的物理基础是射线/粒子与物质的相互作用，通过射线在气体、液体、

固体中的电离或激发效应产生的发光现象、物理或化学变化等过程反映射线/粒子

的强度、能量、时间和位置等信息。核辐射探测器是核技术及应用领域的核心支

撑技术，是粒子物理与核物理实验及诸多应用的基础。核电子学与核探测技术是

我国核科学技术和核武器发展的核心支撑学科，在模拟核爆实验测量、核燃料矿

勘测、个人剂量计、核设施监控、放射性监测、空间探测、无损检测、核安全、

反恐等领域应用广泛。目前常用核辐射探测器主要有气体探测器、闪烁体探测器、

半导体探测器。随着科学技术的发展、核物理实验和核科学研究的深入、核技术

应用领域的扩大，核辐射探测技术也出现了重大突破。

二、国际核电子学与核探测技术的现状与趋势

核辐射探测器的发展很大程度上依赖于核辐射探测器材料、制备工艺技术、

微电子学器件技术以及信息处理技术等方面的突破。近些年来，随着核辐射探测

器材料的技术突破，涌现出一大批性能优异的探测器，如 CdZnTe、GaAs、溴化镧、

溴化铊探测器等。特别是平面硅工艺探测器技术的重大突破，派生出一系列先进

的硅半导体探测器，如硅 PIN、硅漂移室探测器 SDD、全耗尽场效应管探测器

DepFET、pn-CCD 探测器、微条带探测器、线性阵列、二维面阵成像探测器等。

这些探测器技术在现代高分辨率成像、防爆安检、空间探测、科学研究、武器装

备、国民经济等领域发挥了重要作用。可以说，硅平面工艺技术在半导体探测器

制备工艺技术中具有划时代的意义。

143

按探测元件类型，可以将常用的探测器分为气体探测器、闪烁体探测器、半

导体探测器、径迹探测器等（图 1）。

图 1 探测器分类

1. 气体探测器

气体探测器是在 19 世纪末 20 世纪初核辐射能被发现时最早被使用的一种探测

器，当时使用的是空气电离室，它在早期的核物理和核科学研究中起到了重要的作用。

到 20 世纪 60 年代末就已研制、生产了一系列的气体核辐射探测器。如 G-M（盖革

—米勒）计数管，根据淬灭气体的不同又分为有机 G-M 管和卤素 G-M 管，还有流气

式大面积 G-M 计数管、端窗管；电离室有：脉冲电离室、屏栅电离室、衬硼电离室、

电流电离室、裂变电离室、补偿电离室、自由空气电离室、空气等效电离室；正比计

数管有：BF3（三氟化硼）正比计数管、位置灵敏正比计数管、3He 正比计数管、多

丝正比管，还有多丝正比室、漂移室、平行板雪崩室。虽然气体探测器在某些应用领

域内 [ 如带电粒子能量（能谱）测量 ] 已基本上被半导体探测所取代，但它结构简

单、使用方便，可制作成各种较大型的电离室，因此在工业领域仍得到了广泛的应用，

如剂量监测仪、料位计、核子秤、厚度计、中子水分计等。到 20 世纪 80 年代末，

Xe 气体纯化技术的提高，促进了 Xe 闪烁正比计数管的发展，构成了新型的 X 射线

Xe 气体闪烁正比计数管。与一般的正比计数管相比，GSPC（气体闪烁正比计数管）

144

能量分辨率高。例如：对 55Fe 5.9keV X 射线，Xe GSPC 的 FWHM（半高宽）为 472eV；

对 0.15keV 的 X 射线，FWHM 为 85eV，噪声仅为 50eV，可鉴别硼的 Kx 射线，比一

般正比计数管的能量分辨提高了一倍。Xe 气体的法诺因子为 0.17 ± 0.007，电荷倍增

没有产生空间电荷，所以计数率可高达 90kcps，并可构成 200cm2 的大面积探测器。

这种探测器也可用于人造卫星测量宇宙 X 射线，并可用于穆斯堡尔实验、荧光 X 射

线谱的测量、环境放射性的监测等。另外，球形电离室、重离子电离室等新产品的相

继研制成功，越来越受到了人们的重视。高压 Xe 电离室线性阵列探测器的一致性较

好，并可做到很高的排列密度。目前，电离室探测器仍然是核反应堆芯、核堆外重要

的中子探测器，以及厂区环境剂量监测用探测器。大面积气体探测器，因物质密度小、

造价低、时间响应快、空间分辨高等优点，如圆柱形漂移室、时间投影室，作为径迹

探测器、缪子探测器，以及高时间分辨的多气隙阻性板气体探测器（MRPC、RPC）

作为粒子鉴别探测器，被广泛应用于现代大型粒子物理实验和高能核物理实验中。

2. 闪烁体探测器

闪烁体探测器是指由闪烁体与光敏元件（包括光导、光学耦合剂、集光系统）

一起组合成的探测元件。在 20 世纪 40 年代问世，50 年代初，（NaI/Tl）闪烁计数器

商品化，使 γ 射线能谱测量成为一般实验室内均能做到的常规实验。核物理、粒子物

理实验、核科学研究的发展，促进了对闪烁体的研制开发，构成了多种类型闪烁体，

如无机闪烁体 NaI（Tl）、CsI（Tl）、BaF2、ZnS（Ag）、LiI（Eu）等；有机闪烁

体（多属于苯环结构的芳香族碳氢化合物），如蒽晶体、菧晶体、萘晶体、塑料闪烁

体、玻璃闪烁体等；以及液体闪烁体等。到 70 年代中期，又开发出锗酸铋（BGO，

Bi4Ge3O12）无机闪烁体，它是一种纯的本征晶体，化学稳定性好、不潮解、机械强

度好，闪烁体衰减时间短、余辉小，特别适用于 X 射线断层照相、工业密度计和测

井用，因而获得了愈来愈多的应用。另一种是可以配用硅光电二极管（作为光敏器件）

的钨酸镉（CdWO4）闪烁晶体，它兼有对 γ 射线的阻止本领高和较理想的闪烁性能两

种优点，将 150keV 的 γ 射线衰减 90%仅需 3mm 厚，非常适合对空间分辨率要求高

的场合，如核辐射成像阵列探测器。由于 NaI（Tl）极易潮解，所以它必须密封封装；

CsI（Tl）虽在空气中也会潮解，但只是局部表面受损，将表面重新加工处理后一般

可使原来的性能恢复。另外，它的闪烁光谱性能与硅光电二极管的光谱性能较匹配，

所以 CsI（Tl）闪烁体最好与硅光电二极管光敏器件组合。闪烁探测器在测量能量低

145

于 5MeV 的 γ 射线能谱时，常出现散射光子或湮灭光子逃逸闪烁体的事件，导致低于

光电峰的连续谱的形成，这是工作中不希望的。当 γ 射线能量增高时，这类逃逸事件

产生的概率增大，使对高能谱线的分析变得困难。为配合高能物理和 X、γ 射线成像

方面的应用，在原来的 NaI（Tl）、CsI（Tl）、BGO、CdWO4 基础上又研制了氯化

镧（LaCl3）和溴化镧（LaBr3）为代表的卤化镧闪烁晶体、铝酸镥（LuAP，LuAlO3）

和铝酸钇（YAP，YAlO3）为代表的具有畸变钙钛矿结构的铝酸盐闪烁晶体、硅酸镥

（LSO，Lu2SiO3）和硅酸钆（SCD，Gd2SiO4）为代表的硅酸盐闪烁晶体和以 Ce:GAGG、

Pr:LuAG 为代表的石榴石结构闪烁晶体。

国外闪烁探测器的主要厂家有圣戈班公司、日本滨松公司、英国先锋电子公司、

荷兰 SCIONIX 公司、美国 Eljen Technology 公司（已被 Ludlum 收购）、美国 Radiation

Monitoring Devices Inc (RMD)公司等。圣戈班公司生产的闪烁体探测器已经形成了系

列化产品，性能指标良好，尤其是其透明度、和分辨率和大体积性能上比国产闪烁体

指标先进，目前已占领我国闪烁体探测器的高端市场。

此外，用于液体闪烁计数测量的新型闪烁液已经商用化，新型闪烁液是不含

APEO（烷基酚聚氧乙烯醚类化合物 9016-45-9）的环保型高闪点闪烁混合液。2021

年欧盟要求新型的闪烁液不能含有 APEO。

光电倍增管的厂商目前主要有日本滨松（HPK）、英国 ETL、美国 BURLE、法

国 PHOTONIS 公司（已被海南展创收购）等。

3. 半导体探测器

1962 年，弗雷克（Freek）和韦克菲尔德（Wakefield）应用佩尔（Pell）锂离子

漂移原理成功地制成了第一个锗锂漂移 [Ge（Li）] γ 射线探测器。Si（Li）和 Ge（Li）

探测器的研发和应用，使Ⅹ、γ 射线能谱学在能量分辨率等方面较 20 世纪 50 年代的

闪烁射线能谱学有了本质的提高，使原先分不清或分不开的谱线可清晰地分辨清楚，

为核衰变纲图的精确测量提供了高分辨的探测器。

60 年代末 70 年代初硅 P-N 结探测器实现硅探测器系列化、商品化。其中，有

硅面垒探测器、全耗尽探测器、dE/dX 探测器、位置灵敏探测器（PSD）等系列。另

外，采用离子注入技术，研制成功探测脉冲辐射的探测器，提供了波形响应好、时间

响应快、线性输出电流大、动态变化范围宽的探测器。到 20 世纪 80 年代，硅平面工

艺应用到硅探测器的制备工艺中，使硅探测器增加了新的系列——硅钝化离子注入平

146

面工艺（PIP）探测器系列。另外还开发出硅漂移室探测器，这种探测器有很好的能

量分辨和空间分辨。20 世纪 90 年代又在光电二极管探测器（Si PIN）的基础上开发

出了硅光电二极管阵列探测器和硅雪崩倍增光电二极管以及 Si APD 阵列。随着硅探

测器制造技术的发展，研制出了 Si APD 和硅电荷耦合探测器，为空间粒子辐射的探

测、空间低能 X 射线的探测、空间 X、γ 射线的探测提供了十分重要的探测器，并都

在空间辐射的探测中取得了很好的结果。20 世纪 90 年代，研制了用半导体制冷（制

冷到-90℃）的便携式的 X 射线荧光分析系统，这是一种全新的 Si（Li）探测器的应

用研究。它要求探测器有较高的计数率、良好的能量分辨，不用液氮制冷而采用半导

体温差制冷，这样既可实现低温冷却探测器，又可实现装置小型化，从而实现可在野

外或在恶劣环境下工作的便携式 X、γ 射线谱仪和 X 射线荧光分析谱仪系统。硅平面

工艺硅探测器主要有硅 PIN 探测器、硅光电倍增器、硅漂移室探测器、pn-CCD 探测

器、全耗尽场效应管探测器、阵列探测器。国际上德国KETEK公司、马普所、PN sensor、

美国布鲁克海文国家实验室、意大利等技术水平领先，尤其是 KETEK 公司的硅探测

器工艺代表国际最高水平。阵列探测器主要有芬兰的 DT、日本滨松公司。

高纯锗探测器对探测器材料的纯度要求极高，需要纯度达到 13 个 9 的水平才能

用于制备探测器。受锗单晶材料制备的限制，国外研究高纯锗单晶的单位主要有：奥

泰克（ORTEC），堪培拉（CANBERRA），优美科（UMICORE），波罗地科学仪

器公司（BSI，拉脱维亚），南德科达大学（USD，美国），德国晶体研究所（IKZ），

以及俄罗斯的锗工厂。出于商业利益考虑，可能对外销售高纯锗单晶的只有优美科、

BSI。研究高纯锗能谱仪系统的单位有 ORTEC，CANBERRA，波罗地科学仪器公司

（Baltic Scientific Instruments Ltd），普林斯顿伽马科技（PGT）公司（被赛默飞世尔

科技公司收购后关闭了高纯锗谱仪业务），DSG 探测系统公司（DSG Detector systems

GmbH）。世界范围内高纯锗探测器基本被堪培拉公司（Canberra）、奥泰克公司

（ORTEC）公司垄断。按探测器结构分类，高纯锗探测器主要有同轴结构、平面结

构、宽能域结构、井型结构等，后来又发展阵列式的高纯锗探测器、分段式电极探测

器等。由于高纯锗探测器需要在液氮温度下工作，除了采用液氮制冷外，还发展了斯

特林制冷的高纯锗探测器。

最显著的进步是分段式电极高纯锗探测器的发展。分段式电极技术使得高纯锗

探测器成为位置灵敏探测器，推动了探测技术的新发展和高纯锗探测器的创新设计。

147

可以应用于许多领域，如伽马径迹谱仪、辐射源成像、天体物理和核医学、低本底计

数装置、核爆炸监测系统等。目前，分段式电极都是采用 N 型晶体制造。因为外电

极为 B 离子注入，采用光刻技术和三维离子注入技术相对容易。这种 N 型分段式电

极同轴高纯锗探测器由坎贝拉公司研制。对于 N 型高纯锗探测器来说，目前分段式

技术和封装技术都已经成熟。而对于 P 型分段式晶体同轴高纯锗探测器，由于外电极

为锂扩散层，还不能用作分段式探测器，原因在于探测器回温后锂会扩散造成短路。

高纯锗探头的另一个发展是多晶体技术（Clover），多个高纯锗晶体（例如 4

个晶体）呈紧凑方式布置，共用 1 个冷指，提高了探测效率和最大计数率，4 个晶体

组成的探头，最大计数率可以达到 1Mcps。多晶体技术用于核物理研究，如极化特性

研究和多普勒修正等。

线性阵列探测器是由 PIP 工艺制备的硅光二极管和 CsI（Tl）或 CdWO4闪烁体

一起构成的探测器，是安检成像系统中主要使用的探测器阵列之一。分为线性阵列探

测器（一维）和面阵探测器（二维）。主要以芬兰 DT 公司和日本滨松公司产品为主。

滨松公司产品以光敏阵列单元为主，光敏单元规格尺寸、单能/双能、晶体的种类和

尺寸可选，并且集成了信号处理电路的芯片，包括移位寄存器、电荷放大阵列、钳位

电路和保持电路，因此简化了外部电路配置。DT 公司从事光电二极管阵列开发、高

精度放大芯片的研制、嵌入式系统的开发以及现代化的器件封装工艺，可提供完整的

成像系统解决方案，产品有安检系列、工业 CT 直线系列、U/L 型异形件系列、大型

集装箱和车辆检查探测器系列等，种类齐全，数据获取速度快，成像清晰，性能先进，

可满足多数使用场合的要求。德国 NDT 公司和滨松公司的部分线阵探测器采用了先

进的 CCD 和 CMOS 像素成像，提高了快速检测能力和灵敏度。

化合物半导体探测器：从 1966 年起，人们就开始了化合物半导体核辐射探测器

的研制工作，其中包括化合物半导体单晶生长的研究。到 20 世纪 70 年代初，研制的

用于核辐射探测器的化合物半导体材料除 GaAs、CdTe 外还有 HgI2。CdZnTe 探测器

可以在室温下工作，又有较高的探测效率和较好的能量分辨，填补了闪烁体探测器和

Ge 探测器之间的空隙，开发出了多种电极结构的 CdZnTe 探测器。

宽禁带半导体探测器是近年来发展迅速的一类新型探测器，CVD 金刚石、GaN

和 SiC 等都是国内外近年来研究的热点。与气体探测器和闪烁体探测器相比，半导

体探测器具有探测效率高、能量分辨率好的优点，但是，由于只能在常温或低温下保

148

存和工作，辐射损伤也会使探测性能逐渐变坏，而无法应用于高温、强辐射场等极端

环境。随着宽禁带半导体材料的商品化以及器件工艺的日渐成熟，为 CVD 金刚石、

SiC 等新型探测器器件的研制和应用奠定了基础。宽禁带半导体探测器另外一个主要

的特点就是耐辐照、高热传导系数、高硬度以及高击穿电压。这些良好的物理和化学

稳定性，正好适合用于半导体探测器工作在高温高压以及强辐射的极端环境中。同时，

CVD 金刚石探测器、SiC 探测器对带电粒子、中子以及 X 射线有良好的测量性能和

快速的时间响应。

目前已有利用 CVD 金刚石、SiC 制备用于探测带电粒子（包括 α、β、轻离子）、

中子（包括热中子、超热中子、快中子）、紫外光和 X、γ 射线探测器以及制备成阵

列探测器的大量国外报道。特别是 α 粒子的探测，目前国外报道的 SiC 半导体探测器

能量分辨已经可以做到 0.66% ~ 2%（@5.5MeV α，100℃）。

4. 径迹探测器

固体径迹探测器、核乳胶是早期的产品，现在很少使用。在粒子物理实验领域，

多丝正比室（MWPC）的发明可以说是开启了一个时代。而近年来，以气体电子倍增

器（GEM）、Micromegas 为代表的微结构气体探测器 MPGD（Micro Pattern Gaseous

Detector）发展迅速，经典节距（pitch）可在 100~200μm，相应具有二维或三维径迹

重建能力的时间投影室（TPC）探测器可以实现优于百微米的径迹空间分辨能力，同

时具有很好的能谱分辨，在质子、中子能谱测量，及中子反应数据测量等核领域已有

新的应用。

半导体探测器的迅速发展推动了半导体微条探测器、像素探测器的高空间分辨

率探测应用。此外，国外上采用段式多电极（Segmented）的高纯锗探测器在高能量

分辨率伽马探测的同时，实现一定的径迹分辨/甄别能力，在核物理实验和极低本底

物理实验中形成了应用。

5. 核电子学

核电子学作为获取和处理核辐射探测器信息的重要手段，需要及时、高精度地

获取核辐射探测器的位置、能量、时间等信息。伴随着探测器技术迅速发展，核电子

学从方法上到工艺上都得到长足发展。

为精确获得相对论粒子击中的时刻，发展了时间放大、粗细时间内插、高速采

样数字定时等新的方法，可以采用分立元件设计系统、基于 FPGA 实现、设计专用

149

ASIC 等手段实现。

高速波形采样技术将前端电路输出的模拟信号转化成离散的数字波形信号，其

中，高速波形数字化涉及了多种技术方案，例如，高速 ADC（模数转换）直接波形

数字化、并行交替采样理论和实现、开关电容阵列（SCA）模拟采样再数字化等。

数字滤波也广泛应用到幅度谱的获取上，梯形滤波等方法突破了原有模拟滤波

器的局限性，得到了更优越的滤波特性。更复杂的滤波器也被用于脉冲信号的处理，

在一些特殊领域有针对性的数字滤波器，得到了更有效的结果。

辐射成像技术，无论在医学领域还是工业领域，发展了高密度、数字化的专用

核电子学器件。

高密度、海量的电子学通道，促使核电子学系统向高度集成、通用、可扩展的

方向发展，总线平台从 VME 向更高速的 PXI、ATCA 等发展，高速的光纤传输手段

开始广泛应用。

商用芯片难以满足核电子学的特殊需求，微电子工艺技术在设计上得到广泛应

用。专用集成电路（ASIC）的研制成为核电子学中前端电路、信号调理等方面的主

要内容。针对不同核探测器研制了多种 ASIC 芯片，得到了较好的测试结果，明显提

升了这方面的研制水平。所采用的半导体工艺已经从 0.35μm，进入到 0.25μm、0.18μm、

0.13 μm 乃至 65 nm。

采用 ASIC 器件和大规模逻辑器件，一方面可以将核探测仪器小型化、降低功

耗和提高可靠性，另一方面极大地提高了单位面积核电子学线路的密度，从而极大地

提升信号处理能力，在高能物理实验以及核辐射成像技术应用等方面具有极大优势，

如英国先锋电子和芬兰的 DT 公司研发了针对成像的 ASIC 器件。

6. 抗辐射加固

随着微电子技术的发展，核电子朝向更高性能、更高集成度的方向发展。在国

防和宇航电子方面的供应上，即便美国也面临着技术更新太快、军用电子生产线相对

商用电子生产线而言更陈旧等问题，随着商用电子迁移到更新的商用工艺上，军用电

子生产线的维护成本上升，投产减少，使得生产线的稳定性、良率、可获得性都面临

巨大压力。在核电子系统中，除核探测传感器之外的放大器、滤波器、信号处理电路

等需要进行辐射防护，除采取必要的辐射屏蔽等被动防护之外，可以从软件、硬件、

设计、工艺等各方面主动提高电路的抗辐射性能。尤其是空间核辐射探测系统中，电

150

子系统的辐射加固性能是最重要的考核指标，传感器之外的电路性能退化或功能失效，

同样会引起探测系统的失效。核电子技术的发展得益于微电子技术迅猛发展的带动，

集成度与性能得到了大幅提高，抗辐射加固性能也取得了长足的进步。

在整个微电子行业，美国一直占据着行业的制高点、引领行业发展。作为半导

体行业的尖端应用——军用/宇航电子器件——美国拥有绝对优势，处于行业垄断地

位。美国形成了从材料、工艺、设计、封装与测试全方位成熟的供应链与管理系统，

在半导体工艺方面，美国军方采用认证―可信半导体制造工艺‖的方式进行管理，如图

2 所示是部分核心的半导体制造供应商的产线资源。

图 2 美国的可信半导体工艺制造技术

在超大规模集成电路抗辐射加固方面，具有规模量产能力的主要技术有 CMOS

和 SOI 的两大技术，在抗辐射加固 CMOS 工艺阵营里，BAE System Electronic Systems

拥有 0.8μm、0.5μm、0.35μm、180nm、150nm 五条工艺线；Northrop Grumman Electronic

Systems 拥有 2.5μm、1.2μm、0.8μm、0.5μm、0.35μm、180nm 六条工艺线；Cypress

Semiconductor Minnesota 有一条 90nm 的抗辐射加固 CMOS 工艺线，是目前最先进的

RH CMOS 工艺线。在 SOI 工艺方面，Honeywell Aerospace 拥有 0.7μm、0.35μm 和

150nm 三条抗辐射加固 SOI 工艺线，Sandia National Laboratories 拥有一条 0.35μm 抗

辐射加固 SOI 工艺线。另外，也有少量的双极工艺、镓砷工艺、镓氮工艺、铟磷工艺、

硅锗工艺的抗辐射加固应用，但其主要应用在高频、高压电路方面，目前在核电子技

术方面的应用相对较少，但随着摩尔定律走向极限，越来越多的新器件、新结构得到

了关注，有些新工艺在抗辐射方面具有独特优势。

151

三、我国核探测技术与核电子学的现状与趋势

我国核辐射探测器经过多年的发展，取得了一定的成绩，但结构复杂的先进核

辐射探测器依赖进口，制约了技术进步。就整体而言，我国核辐射探测技术的发展水

平与国外相比，还有相当大的差距。

我国工业生产的探测器有几十种，上百个规格。研发和生产不同类型的探测器

企业、大专院校、研究所、部队约有 25 家，如中核控制系统工程公司、中国原子能

科学研究院、中科院高能物理研究所、清华大学、防化研究院、西安核仪器厂、中船

重工 719 所、中科院近代物理研究所、中国科学技术大学、西北工业大学、中科院半

导体所、中科院上海硅酸盐所、中科院长春应化所、四川大学、山东大学、中国工程

物理研究院、西北核技术所、四川省绵阳西南自动化研究所等。

1. 气体探测器

国内生产电离室、正比计数管的单位主要有中核控制系统工程公司（北京核仪

器厂）、西安核仪器厂等，其中中核控制系统工程公司（北京核仪器厂）是我国建设

最早、品种最多、产能最大的气体闪烁体探测器企业。主要研发堆芯用中子探测的电

离室和正比计数管，如堆芯裂变室、组合堆控探测器、低噪声功率量程探测器、铝结

构探测器。西安核仪器厂研发有伽马测量电离室、氚差分测量电离室、高气压电离室，

用于 α、β 表面污染测量用正比计数管和 α、β 低本底正比计数管。盖革计数管主要用

于个人剂量计，由于动态范围窄而初步被平面工艺的硅 PIN 探测器所取代。屏栅电离

室属非标探测器，需根据使用单位特殊要求订制。研发单位主要有原子能院等。2008

年开始，国内 719 所电离室产品形成规模，开始涉足核电站辐射监测领域。

微结构气体探测器 MPGD 近年来在国内发展迅速，气体电子倍增器（GEM）、

Micromegas 等典型的微结构气体探测器探测器及读出电子学在中科院高能所、中科

大、清华大学、北京大学、原子能院、西北核技术所、兰州大学等单位都开展了大量

研究，结合高空间分辨率的径迹探测，此类探测器在质子、中子能谱测量等核领域都

有新的应用。并依托核探测与核电子学国家重点实验室，建立了全国先进气体探测器

合作组，引领国内包括 MPGD 探测器的气体探测器前沿研究。其中，中国科学技术

大学研制了微网格气体探测器（Micromegas），成功应用于国内的散裂白光中子源等

152

大科学装置。中科院高能所、中科院大学、广西大学在厚型气体电子倍增器（THGEM）

方向也取得了重要成果，并在 X 射线探测、宇宙射线探测等多个领域获得应用。

高时间分辨的阻性板室 MRPC/RPC 探测器方面，在国内清华大学、北京大学、

中科大、高能所等单位开展了长期的研究，取得了长足的进展，特别是高计数率 MRPC

探测器，因其国际领先的指标，在国际上多个大型实验中得到了应用。

2. 闪烁体探测器

NaI 闪烁体、BGO、硫化锌是国内早期研发的探测器，目前生产单位主要有北

京核仪厂、上海硅酸盐研究所等，已经实现多年批量化生产。CsI 闪烁体、塑料闪烁

体、溴化镧（LaBr3）闪烁体和氯化镧闪烁体等是 20 世纪 90 年代后出现的闪烁体，

国外研发水平领先，我国上海硅酸盐研究所等单位后来跟上，研发的闪烁体性能指标

与国外相当，例如北京玻璃研究院、华凯龙科技等单位在 LaBr3(Ce)等高性能闪烁体

产品线上均已有性能稳定的商业产品；中电二十六所等单位已能提供 GAGG（Ce）

多组分石榴石闪烁晶体，光产额好于 50000 光子/MeV。

西安核仪器厂研发了用于 γ 测量的塑料闪烁体探测器（4π 球形闪烁体、2π 平面

闪烁体）。高能所的高能科迪科技公司在塑料闪烁体、液体闪烁体等方面形成规模化

产能，具备生产大体积塑料闪烁体的能力。

在新型闪烁体探测器应用研究方面，针对LaBr3(Ce)、CeBr3、SrI2(Eu)和CLYC(Ce)

等晶体，国内清华大学、成都理工大学、南华大学等单位开展了大量的研究，已经成

功底将新型闪烁晶体应用到伽马/中子谱仪、X 射线成像以及康普顿成像等系统中，

提升了系统整体性能指标。同时，清华大学在 LaBr3(Ce)发光机制和单一发光成分波

形甄别方面进行了开创性的工作。

经过多年的积累，中核控制系统工程公司（北京核仪器厂）具备品种齐全系列

化的光电倍增管生产能力和体系，后来被日本滨松并购，从此产品遭受打压逐渐退出

市场。一段时间我国的光电倍增管基本上由国外垄断。国产光电倍增管与国外的差别

主要在高端产品上，如高温管、高分辨率管、快速管、紫外管等。

2011 年中科院高能所牵头联合中核控制系统工程公司（北京核仪器厂）、北方

夜视等单位成立了微通道板型大面积光电倍增管研制合作组，经过 4 年攻关，研发了

20 寸大面积光电倍增管，已为江门中微子实验（JUNO）、大型高海拔宇宙线观测站

（LHAASO）批量生产所需 20 寸 MCP-PMT。2012 年，国内海南展创光电技术有限

153

公司收购法国 PHOTONIS 公司的光电倍增管（PMT）生产线，包括 PHOTONIS 全部

PMT 生产设备、专利、工艺技术资料等，成为国内主营光电倍增管及其配件生产与

研发主力。据市场反馈，其生产的光电倍增管性能与国际先进水平相当。

3. 半导体探测器

硅锂漂移探测器、金硅面垒型探测器是 20 世纪 80 年代的产品，稳定性不好，

逐步由硅 PIN 探测器取代，国内水平和国际上基本一致。

原子能院从―十五‖开始研究平面工艺硅 PIN 探测器，研发了多种灵敏面积硅 PIN

探测器、硅线性阵列探测器、双面微条带探测器等，形成小批量的硅 PIN 探测器规模。

原子能院也是国内最早研发 CdZnTe 探测器的单位，在平面型、弗里希栅型碲锌镉探

测器方面取得了技术突破。此外，西北核技术所等单位在硅 PIN 探测器、CVD 金刚

石宽禁带半导体探测器的脉冲辐射测量方面也开展了长期的研究工作。北京大学也开

展了硅 PIN 探测器研究。北京师范大学、京邦科技等单位开展了 SiPM 硅光电倍增器

研究，在硅光电倍增器研究方面取得了较好进展，京邦科技等已进入商业化产品发展

阶段。总体来说，国内尚没有形成规模化，特别是高分辨率能谱型探测器方面与国外

有差距，如 X 荧光分析用 PIN、SDD 依赖进口。

化合物半导体探测器方面，原子能院开展了 GaAs、CdTe、CdZnTe、TlBr、SiC

等化合物半导体探测器研究，是国内开展研究最早的单位，水平处于国内领先，部分

达到国际先进水平；西北工业大学在―十二五‖期间开展了 CdZnTe 材料研究，并于近

年来在大尺寸 CdZnTe 晶体生长、探头组装生产等关键技术和工艺取得突破，随后成

立迪泰克公司实现产业化，面向市场批量供货。陕西迪泰克新材料有限公司（简称迪

泰克）研发的 II-VI 族化合物单晶，主要有衬底级 CdZnTe 单晶、探测器级 CdZnTe

单晶、CdTe 单晶、ZnTe 单晶、CdMnTe 单晶等。同时也可提供 CdZnTe 辐射探测与

成像器件，辐射探测与成像专用电子学读出系统和成套解决方案。公司产品广泛应用

于安全检查和工业检测、核医学和临床医学、核安全监控以及天文观测等领域。2018

年，西北工业大学成功使用 THM 方法生长出 2 英寸探测器级的 CdZnTe 晶锭。清华

大学、北京师范大学也开展了相关探测器制备工艺研究，针对探测器的信号形成机制、

电极设计和读出方法等开展了工作。中国科学技术大学批量采用了迪泰克公司的国产

准半球形 CdZnTe 探测器模块研制了小型化的高分辨伽马能谱仪，应用于深海环境下

的原位环境核辐射探测研究。此外，清华大学在 3 维位置分辨像素型 CdZnTe 探测器

154

方面开展了大量研究，实现了位置分辨 1mm、能量分辨率好于0.6%@662keV，成功

应用于高性能康普顿伽马相机等。

高纯锗探测器方面，目前国内仍主要从美国阿美特克（ORTEC）公司、堪培拉

公司进口高纯锗探测器产品，每年花费超过亿元人民币。

国内在高纯锗单晶方面，云南锗业获得科技部科技支撑项目开高纯锗单晶制备

技术研究，2013 年研发的高纯锗单晶纯度已达到 12N（主要技术人员来自深圳大学），

云南锗业后来专注太阳能锗材料，深圳大学在此基础上继续开展研究，在高纯锗单晶

炉方面获得国内 6 项专利。―十二五‖期间开始，清华大学在高纯锗晶体生长方面取也

得了重大突破，已成功研制出满足辐射探测器需求的晶体。

中国原子能科学研究院 20世纪 80年代利用从国际原子能机构获得的晶体材料，

研发了国内第一个高纯锗探测器谱仪。后来又购买国外晶体研发研发了多个 P 型、N

型同轴结构高纯锗探测器。经过 30 多年技术沉淀，研发的能谱仪的能量分辨率好于

2.0keV，探测效率 40%。并且开展了斯特林制冷探测器研究。

从―十二五‖期间开始，清华大学也持续开展了相关研究，已经全面掌握了高纯

锗探测器、新型制冷方式及谱仪系统研制的关键技术，在极低本底条件下的暗物质直

接探测实验中获得成功应用；近年来已经完成了工程化和产品化，所研发的实验室谱

仪系统已成功交付用户，能量分辨率等指标优异，逐渐进入商业化产品发展阶段。

4. 核电子学

国内信号读出前置放大器、谱仪放大器和数字多道分析器技术与国外水平相当。

国际上，专用集成电路（ASIC）的研制成为核电子学中前端电路的主要研究内容。

国内针对不同的核辐射探测器（例如，微结构气体探测器、碲锌镉室温半导体探测器、

光电倍增管读出、硅光电倍增器读出、硅像素探测器读出）等研制了多种 ASIC 芯片，

得到了较好的测试结果，明显提升了这方面的研制水平。所采用的半导体工艺已经从

0.35μm 进入到 0.25μm、0.18μm 和 0.13μm，不同工艺参数影响核电子学电路设计的

研究也取得了显著效果。

高能物理研究所、清华大学、中国科学技术大学等单位已经组建了较强的 ASIC

研究队伍。中国原子能科学研究院、近代物理研究所、四川大学、西北工业大学等单

位也启动了核电子学相关 ASIC 的研究工作。

155

随着数字技术的不断发展壮大，数字波形采样和数字信号处理已经在核电子学

中得到应用，如清华大学、防化研究院、中国原子能科学研究院、成都理工大学等研

发了数字多道分析器等，分别应用于 HPGe、CdZnTe 半导体和 LaBr3(Ce)等高能量分

辨率能谱探测器。成都理工大学针对硅漂移 SDD 探测器研制的数字化电子学实现了

最大通过率 1.5Mcps（[email protected]），能量分辨率好于 [email protected]/0.5Mcps，

成功应用于聚变堆的软 X 射线诊断。

波形数字化为各种数字信号处理提供了可能。首先，波形甄别技术被广泛采用，

从高能物理到环境核监测，数字波形甄别为提高探测性能作出了突出贡献，很多以往

无法甄别的事例都得到了新的解决方法，且可以通过高速采样结合数字定时的方法进

行高精度的时间测量，预期在这些方面会不断有新的进展。

精密的时间测量是核电子学领域的一个重要方向，近年来也取得了长足的发展，

并在大型物理实验、航天科技、国防军事、医疗影像等领域进行了成功的应用。基于

在粒子物理实验的高精度时间测量方面多年的积累，中国科学技术大学、清华大学等

单位在国内较早开展了基于 FPGA 的时间数字转换器（TDC）研究，中国科学技术大

学 2006 年首次提出了基于 FPGA 内部的进位连线资源的 TDC 架构，目前已成为国际

上高精度 FPGA-TDC 的主流技术路线，并在多个领域获得应用。

低噪音、大动态范围读出电子学方面，在以微结构气体探测器读出为代表的低

噪声高集成度电子学技术不断发展，包括前端 ASIC 技术和通用读出构架的研究持续

深入；在大动态范围信号读出方面的技术也取得进展，并成功应用于空间暗物质探测

及大型宇宙线物理实验等方向中。

辐射成像技术，无论在医学领域还是工业领域，都需要高密度、数字化的核电

子学的支持。在辐射成像领域，前端电子学的集成化，后端电子学的数字化，都是辐

射成像技术对核电子学发展的明确需求。目前，我国在这方面的发展还不能满足需要。

5. 核探测电子系统的抗辐射加固

在军用、宇航等高质量等级的电子器件方面，我国也实时推出了―自主可控"的

发展战略，构建自己的合格供应商体系与采购名录，有力地支撑了我国国防与航天事

业的快速发展。从实施―自主可控‖发展战略以来，也相应在 CMOS 和 SOI 两大技术

路线上初步形成了供货能力，覆盖 0.5μm、0.35μm、180nm 等工艺线条，在 CMOS

工艺上开发抗辐射加固技术方面，也有在 65nm CMOS 工艺上开展抗辐射加固的技术

156

可行性研究的报道。

当前，电子系统的抗辐射加固设计是获得辐射环境下可用系统的主要方法，但

目前所采用的各类加固措施均无法彻底避免因辐射引入的系统风险，只能一定程度上

降低单粒子效应引发系统故障的概率，或者减缓总剂量效应引起的系统退化。抗辐射

加固设计可以从系统级、芯片级、电路级、版图级等各个设计层次进行考虑，也需要

工艺和材料等额外因素，不同设计层次中的设计加固效果有很大的差异，通常情况下，

越往底层的抗辐射加固设计技术越具有通用性，例如，抗辐射加固制造加工工艺通常

能够解决一类芯片的抗辐射加固设计需求；然而，越顶层的设计加固方法，越多地采

用―容错设计方法‖，容错设计加固方法本身并未减弱辐射引发的辐射效应，只是减少

由此引发系统功能扰动的影响程度与次数。因此在进行应用设计时，需要准确评估系

统的工作环境中的辐射特征，使用适当的方法进行抗辐射加固设计，既要避免设计不

足，也要避免设计过度。

随着半导体技术的快速演进，电子系统的抗辐射加固技术也出现了一些新的变

化。过去电子系统工作电压高、电子器件寄生电路复杂，使得单粒子闩锁效应、单粒

子烧毁事件在宇航电子系统中时有发生。而半导体材料中有些易受入射粒子诱发核反

应的杂质的困扰，也逐渐得到充分了解，并不断改善抗辐射加固制造加工工艺。

在 CMOS 工艺中，隔离大量使用反偏工作的 PN 节来实现，辐射效应引起的阈

值电压漂移，进而使漏电增大、节温上升，寄生电路的隔离被打开，从而引发闩锁效

应。SOI 工艺由于器件均位于绝缘层上，因此不易发生单粒子闩锁，电路设计得当，

就可以完全避免闩锁效应的发生，因此具有一定优势。另外，相对 CMOS 工艺而言，

SOI 工艺晶体管结构更为简单、功耗更低，使得 SOI 工艺成为非常有吸引力的抗辐射

加固技术。美国的 Honeywell 拥有一系列抗辐射加固 SOI 工艺，构建了抗辐射加固标

准单元库，拥有定制开发 ASIC 和快速结构化设计的能力。

国内开展了重离子微束辐照实验技术及存储器单粒子瞬态测试技术研究，建立

重离子微束辐照技术手段，针对超深亚微米 SRAM，开展单粒子瞬态电流脉冲测试实

验技术研究。开展了空间高能粒子辐射效应模拟试验技术与加固性能评估技术研究；

主要开展质子和中子引起的单粒子效应辐照实验技术研究，为今后在串列升级工程中

100MeV 强流质子回旋加速器上开展模拟辐照试验研究工作进行技术储备。开展了重

离子单粒子效应辐照试验技术及失效机理分析，主要开展提高重离子束流有效 LET

157

值的方法研究以及模拟辐照试验等效性研究。开展了宇航用核心电子器件抗单粒子辐

照试验技术研究，主要是针对―十一五‖已建立的专用重离子辐照装置进行自动化、规

范化等进行必要的补充、升级和完善，开展辐照试验技术研究，提高辐照试验效率和

束流利用效率，以满足大批量核心电子器件开展工程化单粒子效应辐照评估试验研究

的迫切需要，缓解试验能力严重不足的矛盾。

总的来说，从理论与实验上，我国已经具备开展最前沿抗辐射加固电子器件研

究的基本条件，但产业体系尚未形成，配套相对不足，尤其是抗辐射加固工艺线所需

的关键材料、工艺方面投入不足，产业链上下游不畅，重复投资、低端竞争严重，分

工合作不够，这些都严重制约着产业体系的健全与可持续发展。

四、国内外核探测与核电子技术发展对比

我国的探测器技术曾经与国外水平相当，20 世纪 80 年代末期开始，与国外逐渐

拉开距离。主要表现在探测器材料以及探测器制备工艺等方面技术落后。

国内 NaI 闪烁体、BGO、硫化锌是早期研发的探测器，目前生产单位主要有北

京核仪厂、上海硅酸盐研究所等，已经实现批量化产品，上海硅酸盐所研制的目前世

界上最长的（60cm）BGO 晶体已成功应用于暗物质卫―悟空‖号核心载荷 BGO 量能器。

CsI 闪烁体、塑料闪烁体、溴化镧（LaBr3）闪烁体和氯化镧闪烁体等是 20 世纪 90

年代后出现的闪烁体，国外研发水平领先，国内北玻院、华凯龙科技、中电二十六所

等单位也已取得了长足进步。光电倍增管方面目前全球主要厂商有日本滨松（HPK）、

英国 ETL、美国 BURLE，其中 HPK 的产品数量占 80%以上，我国的光电倍增管已

经基本上由国外垄断，国产与国外的差别主要在高端产品上，如高温管、高分辨率管、

快速管、紫外管等。

在核电堆控领域，美国 ThermoFisher Scientific 公司、法国 LMT 公司、加拿大

IST 公司以及俄罗斯公司品种齐全，占据了极大的市场份额。我国堆外探测器、堆芯

探测器均已经实现了国产化，国内实验堆、军用堆均使用我国自行研制的产品。在商

业核电站，堆外探测器、堆芯探测器部分实现国产化，但国内大多数商业核电站均采

用国外产品。与国外产品相比，国内产品在工艺水平、原材料供应、探测器设计技术

方面有一定差距。

158

在半导体探测器方面，主要是美国奥泰克、堪培拉等公司的高纯锗探测器占据

了我国的高端市场，近年来清华大学等单位在高纯锗探测器的制备技术和商业化产品

取得了可喜进展。硅基半导体探测器能谱测量用探测器主要从美国安普泰克、德国科

泰克、德国 PN 传感器等公司大量进口。硅基成像探测器主要从芬兰的 DT 公司、日

本滨松公司大量进口。我国的硅基能谱型探测器主要是能量分辨率与国外差距较大，

硅基成像探测器主要在稳定性方面不如国外产品。此外，在室温半导体 CdZnTe 探测

器方面，近年来国内西北工业大学、中科大、清华大学等单位也在探测器制备、读出

方式乃至商业化产品方面取得了长足发展。

中子探测器方面，以美国 ThemerFisher Scientific 公司、西屋公司、Mirion 公司、

GE 公司、LAND 公司，法国 Photonis 公司，英国 Centronic 公司，德国西门子公司，

加拿大 IST 公司以及俄罗斯的公司为主。这些公司的产品齐全、性能优良，特别是高

温性能和分辨率均优于国内产品，垄断了中国市场。从集成完的探测器性能上看，国

产中子探测器与进口中子探测器的主要差别是能量响应、能量范围和稳定性上。

核电子学方面，国外针对大规模数据获取以及信号读出等应用发展了大规模专

用器件芯片，为探测器系统的智能化、小型化等提供了坚实的基础。我国在专用核电

子学方面器件还处于起步阶段，尤其是大规模数据获取等应用依赖国外进口。核电子

学专用器件与国外差距较大，目前只研发了信号读出电路芯片，大规模多通道后续处

理电路还是空白。

探测器材料技术是高性能探测器的一大瓶颈，代表性的材料如高纯锗晶体，目

前不得不依赖进口，其次是制备工艺技术瓶颈。加大研究投入，科研院所企业联合攻

关。另外，产品规范化、可靠性方面存在一定差距。

我国已经具备开展最前沿抗辐射加固电子器件研究的基本条件，但产业体系尚

未形成，配套相对不足，尤其是抗辐射加固工艺线所需的关键材料、工艺投入不足，

产业链上下游不畅，重复投资、低端竞争严重，分工合作不够，这些都严重制约着产

业体系的健全与可持续发展。


1. 核探测与核电子技术发展的技术瓶颈、政策障碍

159

我国在探测器材料以及探测器制备、抗辐射加固集成电路工艺线方面存在技术

瓶颈，尤其是新材料研发方面研发投入严重不足，主要原因是在政策方面注重立马见

效的眼前利益，缺乏长远目光。

2. 核探测与核电子技术发展的重点领域及路线图

硅基探测器产品空间巨大，应用前景广阔。能谱分析型探测器如大面积硅漂移

室探测器、pnCCD 探测器等；在 X 射线成像探测器方面大面积非晶硅平板探测器，

大面积非晶硒平板探测器，大面积 CMOS 成像器（由于成像器件和电子学线路可以

高度集成而被称为 21 世纪的成像器）等。上述成像探测器的出现和应用，开创了数

字探测器代替传统胶片的新时代，并开始应用于军用医学、战地应用、无损检测、国

土安全以及工业 CT 等几乎所有领域。数字影像技术将改变人们的工作和生活方式。

上述平板探测器的研发成功，号称是近 20 年来成像探测器的最重要成果。美国

GE 公司、德国西门子、荷兰菲利浦公司不惜投重资（如美国 GE 公司投入 1.5 美元）

进行研发工作并经十余年才研制成功，我国应该在新型探测器材料以及探测器制备工

艺等方面加强投入，不要只顾眼前利益。

高纯锗探测器是最好的伽马探测器，被认为是伽马能谱仪的黄金标准。斯特林

制冷技术的广泛应用，使得高纯锗探测器小型化，应用更加方便，比如一体化谱仪技

术。

我国大力发展核电，以及人们对环境卫生、食品安全等要求越来越高，高纯锗

谱仪的需求势必会越来越大。发展自主知识产权的高纯锗单晶生产能力和高纯锗探测

器制备能力具有较好的经济效益和社会效益。

为满足新型探测器的要求，应加快核电子学器件发展步伐。先进国家早已进入

微电子学时代，正在进入光电子学和光子学的时代，使用超大规模集成电路（VLSI）

技术制作专用集成电路（ASIC）来制造匹配新型探测器的核电子仪器，研发超快速

模数变化器件，使核探测仪器小型化、低功耗、高性能、高可靠性和使用方便。此外，

针对大型物理实验和核技术应用前沿领域不断提高的需求，还应大力加强通用读出构

架和高速数据传输、处理方面的技术研究。

3. 建议

加大探测器材料研发以及探测器制备工艺研究硬件和资金投入，建立国家级闪

烁体探测器、半导体探测器的新材料和探测器、抗辐射加固集成电路工艺实验室中心

160

等，发挥国家优势，集中力量突破探测器材料和探测器制备、抗辐射加固集成电路工

艺关键技术，提升我国核辐射探测器与核电子学研发创新能力。

参考文献

[1] 溴化镧、碘化钠和塑料闪烁探测器性能比较[J]．实验室研究与探索，2015（4）：64-67．

[2] 蒋勇，范晓强，荣茹，等．SiC 半导体探测器性能测量研究[J].核电子学与探测技术，2012（12）：

1372-1375，1427．

[3] 中国产业调研网．2016 年中国核技术应用行业现状研究分析与发展趋势预测报告[R].2015.

[4] J. Cang, X. Fang, etc., Ionization-Density-Dependent Scintillation Pulse Shape and Mechanism of

Luminescence Quenching in LaBr3:Ce, Phys. Rev. Applied 14, 064075 (2020).

[5] 何高魁; 刘洋; 张向阳，等．CIAE 核探测器技术的发展[J]. 原子能科学技术 2020, No. S1 vo 54,

303–308.

[6] 杨帆; 王涛; 周伯儒; 席守智; 查钢强; 介万奇. 室温核辐射探测器用碲锌镉晶体生长研究进

展. 人工晶体学报 2020, 49 (04), 561–569.

撰稿人：曾鸣、何高魁刘以农谢朝辉蒋勇陈玛丽、，

欧阳晓平安琪杨朝文李大庆刘树彬曾国强周荣

161

Advances in Nuclear Radiation Detectors and Nuclear Electronic Instruments

After years of development, great progress has been made in nuclear radiation detectors and

nuclear electronic technology in China. Considerable progress has been made in the research of

MPGD and MRPC gas detectors. NaI, BGO, ZnS and novel scintillators such as LaBr3, GAGG

have been able to mass production, and breakthroughs have been made in large area MCP-PMT

and SiPM. The key technologies of semiconductor detectors such as CdZnTe and HPGe have been

broken through in recent years, and formed products.

In China, the ordinary nuclear electronics, such as signal readout preamplifier, spectroscopy

amplifier and digital multi-channel analyzer are at quite the same level as those in other countries.

Radiation imaging in medical and industrial fields has put forward the demands for high-density,

multi-channel nuclear electronics devices, the research of Application Specific Integrated Circuit

(ASIC) has become the main research content of the front-end circuit in the field of nuclear

electronics all over the world. There are many kinds of ASIC chips have been developed in China

according to the different nuclear detectors, with process entered 0.18 μm, 0.13 μm and even 65

nm. Meanwhile, digital waveform sampling and digital signal processing have become an

indispensable technical means in nuclear electronics. Waveform digitization provides the

possibility for various digital signal processing. Pulse shape discrimination is widely used in the

fields of high-energy physics and nuclear environmental monitoring, and digital pulse shape

discrimination has made outstanding contributions to improve the detection performance and

makes it possible to identify events with new solutions, has been developed rapidly in recent

years.

However, in generally, there is still a quite wide gap in development nuclear radiation detectors

between China and other developed countries, especially the advanced detector materials and the

complex structure nuclear radiation detectors are still relied on imports. China needs continuous

R&D investment in the advanced detector materials, detector fabrication process, high-density

front-end signal processing integrated devices and large-scale signal processor technology.

Written by He Gaokui, Liu Yinong, Xie Chaohui, Jiang Yong, Zeng Ming

162

核探测和核电子仪器的进展

经过多年的发展，我国核辐射探测器和核电子技术取得了长足的进步。MPGD、MRPC 等

气体探测器研究进展显著；NaI、BGO、硫化锌以及 LaBr3、GAGG 等新型闪烁体已经实现批量

化生产，大尺寸 MCP-PMT、SiPM 等光电器件也获得了突破；CdZnTe、高纯锗 HPGe 等半导体

探测器近年来突破了关键技术并形成了产品。

我国普通核电子学，如信号读出前置放大器、光谱放大器、数字多道分析仪等，与国外

水平相当。医学领域和工业领域的辐射成像，都对高密度、多通道的专用核电子学器件提出

了需求，专用集成电路(ASIC)的研究已成为世界各国核电子领域前端电路的主要研究内容。

根据不同的核探测器，国内已开发出多种 ASIC芯片，工艺进入 0.18μm、0.13 μm 乃至 65

nm。同时，数字波形采样和数字信号处理已成为核电子学中不可缺少的技术手段，波形数字

化也为各种数字信号处理提供了可能。波形甄别在高能物理和辐射环境监测领域有着广泛的

应用，而数字化的脉冲波形甄在提高探测器性能方面效果显著，同时为各种事例的识别提供

了新的可能性，近年来发展迅速。

但从总体上看，我国核辐射探测器的发展与发达国家相比还有相当大的差距,先进的探

测器材料和结构复杂的核辐射探测器仍然依赖进口，我国仍需要在先进探测器材料、探测器

制造工艺、高密度前端信号处理集成器件和大规模信号处理器技术等方面持续研发投入。

163

核仪器与仪表及其应用

一、引言

核仪器与仪表包括利用核技术原理的测量仪表、用于测量电离辐射量以及控

制涉及电离辐射的设备或过程的仪器或设备。核仪器与仪表系统是由为完成一个

确定的目标而组合起来的设备、装置、部件或者连接单元组成[1]，一般包括核辐

射探测器、核电子学仪器、符合核安全要求的过程监测仪表和用于核设施及核安

全设备监测和控制保护的数字化系统。

核仪器与仪表种类繁多，已应用于国民经济和人民生活的方方面面，几乎

涵盖农业、工业、医疗卫生、地质矿山、环境保护、航天、教学、科研、海关等

领域，具体如石油测井、辐照加工、环境监测、育种、核燃料工艺控制、无损检

测、防化、安检系统、核医学、核电、地震监测等领域。

考虑到核医学、核安保、测井、核探测与核电子技术在其他专题中阐述，本

专题重点介绍通用核仪器仪表、核设施仪器仪表、辐射监测核仪器仪表和核电厂

数字化监测和控制系统。

1 通用核仪器仪表

通用核仪器仪表主要是指核探测器和基础插件，是粒子物理、核物理、天体

物理等学科研究的基础，在国民经济、国家安全、国防建设、核医学及核能源等

方面起着重要的作用。核探测器主要包括气体探测器、闪烁探测器和半导体探测

器三大类。通用核仪器是核仪器的基本组成部分，也是成套核仪器的基础部分和

通用部分，它主要测量与处理核辐射的活度、时间、能量和位置等信息。

2.核设施仪器仪表

核设施仪器仪表种类很多，包括：在反应堆装料、启动、停堆和功率运行时，

监测、控制反应堆功率变化及功率分布的核测仪表和过程检测仪表；核燃料循环

设施的核测量仪表和过程检测仪表。核测仪表系统用于准确、实时地测量反应堆

堆芯功率及其分布变化，以及核燃料循环设施的安全状态，对反应堆及核设施的

运行和安全是至关重要的，分为堆内核测量仪表和堆外核测量仪表。对于核设施

中使用的其他过程检测仪表，本专题重点讨论与核安全有关的部分。

3.辐射监测核仪器仪表

辐射监测核仪器仪表是为了辐射防护目的，用于探测和（或）测量电离辐

164

射和放射性活度的电气和电子系统。包括个人剂量计、便携式辐射检测仪、表面

污染监测仪、固定式辐射监测仪（工艺流监测仪、区域监测仪器、流出物监测仪

器、环境监测仪器、事故和事故后监测仪器）和其他辐射防护仪器。辐射监测核

仪器仪表是应用较广的核仪器，各种涉核设施的工艺、场所和流出物排放都需要

配置相应的辐射监测核仪器。

4. 核电厂数字化监测和控制系统

核电厂数字化监测和控制系统严格来讲属于核设施仪器仪表，由于数字化技

术的发展，逐渐形成了专门的核电厂数字化仪控系统（DCS）。包括安全级 DCS

和非安全级 DCS两部分，用于监测、控制和保护核电厂的安全运行。

二、国际核仪器仪表及其应用发展现状

1 国际通用核仪器仪表的现状与趋势

国外核仪器厂家众多，其中凭借多年“垄断式”的发展，美国 CANBERRA公

司和 ORTEC 公司已成为全球通用核仪器行业的翘楚，其产品也已成为世界范围内

各类核技术研究中无法绕开的“神兵利器”，甚至成为许多国家的“卡脖子”技

术。

ORTEC 主要提供固态高分辨率半导体辐射探测器，这些辐射探测器被广泛

用于研究、商业、环境保护、健康和保健物理以及国土安全领域，以检测γ射线、

X 射线和带电粒子。ORTEC 电子设备在全球大多数γ能谱测量计数实验室、物理

研究所和其他γ能谱测量应用中发挥着关键作用。ORTEC系列模块化电子产品包

括 NIM和 CAMAC格式的仪器以及其他模块化仪器，如光电倍增管管座、前置放大

器和其他附件。ORTEC还提供用于脉冲高度谱测量、快速定时、计数、高压电源

和其他特殊功能的模块化仪器。除模块化电子产品外，ORTEC 还提供各类数字电

子产品，包括完全集成的基于 DSP的 DSPEC工作站系列，便携式、可在现场使用

的 DigiDART 等。

CANBERRA公司提供的高纯锗探测器包括 P型锗和 N型锗，闪烁体探测器包

括多种尺寸的 NaI探测器和 LaBr 探测器，PIPS探测器包括：标准探测器——A，

PD，FD，CAM 系列，用户定制探测器——CD 系列，X-PIPS 探测器系列，GM 计数

管包括扁形、端窗型、γ和γ/β灵敏型、微型等。CANBERRA 公司开发的多通道

165

分析仪，单通道分析仪，计数器、定时器、计数率计和多通道定标器（MCS），

光电倍增管（PMT）基座，放大器，延迟、门和延迟发生器、逻辑模块和线性门，

数字电流积分器，快速定时鉴别器，HV偏压/NIM电源和电源机箱，前置放大器，

脉冲发生器，时间幅度转换器和校准器的电子设备在世界范围内广泛应用。

其他知名的国外核仪器厂家包括：美国 AMETEKORTEC公司生产高纯锗（HPGe）

探测器、核电子学仪器及 NIM 插件等； ThermoFisher Scientific 公司主要生

产类型齐全的便携、污染、辐射环境测量仪表和热释光（TLD）剂量产品；法国

MGP公司、德国 Berthold公司、 AUTOMESS、 Saphγmo公司等。

上述知名公司产品几乎覆盖了所有通用仪器设备，且具有高指标、高稳定性、

高集成度的特点，基本上全面实现了数字化（除满足特殊要求的模拟仪表外），

人机界面友好。

随着电子技术和网络技术的发展，通用核仪器仪表逐渐实现了系列化、智能

化、数字及网络化以及现场化。

2.国际核设施仪器仪表的现状与趋势

福岛事故以后，国外核电的发展受到抑制，对核设施仪器仪表的需求不旺，

但对主要核设施仪表的研发和改进仍在进行。除对现有核设施仪表的升级改进以

外，针对核电厂的需求，在以下几个方面有新的变化：

（1）堆内核测仪器仪表由间断测量向在线连续测量方向发展。堆内核测

量一般采用微型裂变室，在压力容器底部开口，采用复杂的机电一体化的输送装

置将微型裂变室通过测量管道输送到堆内不同位置进行中子通量测量，一次只能

获得几个位置的中子通量数值，测量一次周期较长。目前在建的核电站堆型大部

分都是采用第三代核电技术，VVER1000、EPR、AP1000都要求实现在线测量，将

堆内核测仪器仪表自给能探测器以及温度测量元件集成在一个指套管内，和燃料

元件组件一起放在堆内，实现在线测量，可以向操作员提供实时的堆内核测量数

据。

（2）堆外核测仪器仪表主要采用三个量程探测器以覆盖热中子通量变化

超过 10 个量级的测量，分为：源量程，中子探测器主要采用涂 10B正比计数管；

中间量程：中子探测器采用γ补偿硼电离室；功率量程：中子探测器选择涂硼电

离室或裂变室。由于裂变室既可以工作在脉冲工况，也可以工作在电流工况，以

此为探测器的中子探测系统可以覆盖更宽的测量范围，因而在部分堆外核测量系

166

统中开始应用，减少核探测器的数量。

（3）核测量系统逐渐从模拟量控制向全数字化控制方向发展，其数据处

理部分基本上实现数字化。

3.国际辐射监测核仪器仪表的现状与趋势

个人剂量计生产商仍以拥有 OSL技术的蓝道尔公司领衔。

便携式辐射检测仪表和表面污染监测仪的生产商以美国 Thermo 公司为主，

涵盖了包括便携式辐射探测器及手持式辐射监测仪、个人辐射剂量计及监测设备、

辐射污染和口岸辐射检测与监测仪在内的多种仪器。

具有代表性的固定式辐射监测仪生产厂商仍然是法国 MGP公司和美国 GA公

司。此外，其他公司在某些特有领域也成绩斐然。MGP公司开发完备的以法国核

电体系为基础的压水堆核电的辐射监测系统产品。

GIM 系列设备用于区域γ剂量率监测，涵盖了从环境本底环境到压水堆

LOCA 环境的所有区域γ剂量率监测设备，特点包括低量程、高量程、宽量程、

严酷环境等。

NIM系列设备用于区域中子剂量当量率的监测，目前仅有 NIM201。

ABPM 系列设备用于区域或管道内放射性气溶胶的取样监测，采用 PIPS 探

测器，其中又按 S、L、M和 P 分为安全级、非安全级、移动式和壁挂式四类。

IM系列设备用于区域或风管内放射性碘的取样监测，采用 NaI探测器，其

中又按 S、L和 M分为安全级、非安全级和移动式三类。

NGM 系列设备用于区域或风管内放射性惰性气体的取样监测，其中低量程

通道采用 PIPS探测器，高量程通道采用电离室探测器，其中又按 S、L和 M分为

安全级、非安全级和移动式三类。

LM系列设备用于放射性液体的取样监测，采用 NaI探测器。

SAM 系列设备用于管道内介质在线监测，采用 NaI 探测器，除了对管道内

介质的活度浓度监测外，还可通过多道实现对典型核素的识别。

SGLM系列设备用于对16N、

13N的测量。

4. 国际核电厂数字化监测和控制系统的现状与趋势

国外核电仪控厂商有阿海珐、西门子、三菱、西屋、英维思等。在国内仪控

厂商自主开发应用国产化 DCS（核级 DCS 和非核级 DCS）前，国内绝大部分核电

机组的仪控系统都被国外供货商所垄断，如阿海珐+西门子是田湾一期、岭澳二

167

期全厂数字化仪控系统的供应商，西屋电气为三门、海阳 AP1000 提供全套仪控

系统，英维思拿下了中核集团的福清、方家山、海南项目。随着国内核电 DCS

产品的开发与应用，国外核电仪控厂商在国内核电市场处于退缩状态，技术上也

没有明显的改进。

三、我国核仪器仪表及其应用现状及发展趋势

近年来我国核仪器仪表发展迅速，特别是中美关系恶化后，自主化、国产化

成为业界共识，为我国核仪器仪表的自主发展提供了良好的契机。

1 通用核仪器仪表

近年来，随着核技术的飞速发展，广泛的应用带动了国内通用核仪器的全面

进步，大批科研院所、大专院校和企业参与研发和生产。国内通用核仪器功能部

件的品种和规格已初步形成规模。

国内核仪器仪表供应商主要有中核控制系统工程有限公司（原北京核仪器

厂）、西安中核核仪器有限公司、中国原子能研究院、中国核动力研究设计院、

中国辐射防护研究院、陕西卫峰电子有限公司、中船重工七一九所、清华大学、

上海新漫传感科技有限公司和卡迪诺科技贸易(北京)有限公司和防化院等。能够

生产国内需求的绝大部分通用核仪器仪表。

中核控制系统工程有限公司是我国建设最早品种最多产能最大的探测器生

产企业，产品主要有:反应堆用探测器、光电倍增管及其他类型探测器，如气体

探测器、碘化钠晶体、半导体探测器、有机闪烁体、热释光探测器、锂玻璃探测

器等

中国原子能科学研究院是我国最早研发核乳胶粒子径迹探测器和卤素盖革

计数管的研究单位，该院主要研发方向为半导体探测器，如 SI（Li）、HPGe、碲

锌镉探测器以及核反恐技术等。

高能物理研究所主要是在高能粒子探测器领域开展研究，如簇射探测器、位

置灵敏探测器、液体闪烁探测器、束流监测探测器以及新型微孔倍增器等。

清华大学的相关研究方向主要是高能粒子探测器、散列中子源探测器以及核

技术应用方面的探测器，如料位探测器、测厚电离室、核子称、环境辐射高气压

电离室、辐射成像阵列气体探测器等，尤其是阵列气体探测器在海关、港口、公

168

路以及物流等领域大型客体安检中得到广泛使用。

陕西卫峰核电子有限公司专注于核辐射监测与防护领域，是辐射监测设备和

特殊振动监测设备的生产制造商、辐射监测系统集成商以及辐射监测工程维保服

务商。

中国辐射防护研究院（简称“中辐院”）隶属于中国核工业集团公司，是我

国唯一专门从事辐射防护研究与应用的综合科研机构，主要从事辐射防护、核应

急与核安全、放射医学与环境医学、核环境科学、放射性三废治理与核设施退役、

辐照技术、环保技术、核电子信息技术、生物材料、职业病诊断与救治技术等领

域的研究、应用及生产经营，并为国家职能部门提供辐射防护与核安全管理技术

支持。

虽然近年来我国在通用核仪器方面取得了长足的进步，但仍面临很多困难，

产品加工制造方面的基础仍然十分薄弱，尤其表现在硬件方面，甚至连成系列的

型号产品目录都很难搜集。诸如高纯锗探测器、离子注入硅探测器、光电倍增管

大量的通用核仪器或核心部件主要依赖进口。


我国核电及堆用核仪器正经历以模拟线路为主向数字化系统转化阶段，大

量以数字化技术为基础的仪器仪表开始逐渐应用到核设施中。中国核动力研究设

计院和中核控制系统工程有限公司合作推出的数字化核测量系统已中标中国示

范快堆等核电工程。目前国内有多家核探测器生产企业，堆用核探测器种类和规

格基本覆盖国内应用需求，随着质量和可靠性的提升，逐渐具备与国外高性能探

测器竞争能力。

随着快堆等新型反应堆在我国的发展，其特殊需求的仪器仪表也取得了可

喜进展。中国已建成热功率 65MW、电功率 20MW的实验快堆，正在建设示范快堆。

中国原子能科学研究院开发的用于钠冷快堆池内核探测系统的高温裂变电离室

（500℃）已通过堆上考验，钠冷快堆特有的钠介质测量仪表如钠流量计、钠液

位计等也基本开发完毕，即将应用于示范快堆。

3，辐射监测核仪器仪表

国家对辐射监测非常重视，环境保护部组织建立了全国辐射环境监测组织

体系，包括环境保护部辐射环境监测技术中心、环境保护部核与辐射安全中心、

环境保护部 6 个地区核与辐射安全监督站等 8 个国家级辐射环境监测监管机构，

169

31 个省级辐射环境监测机构， 106 个地市级辐射环境监测机构，初步形成了由

国家、省和部分地市三级组成的辐射监测组织体系。

国内辐射检测仪器研制生产的单位众多，近年来仪器性能水平比以往有较

大进步，部分产品与国外先进产品性能当，可以取代国外产品。其中便携式核仪

器和表面污染监测仪的发展势头迅猛，近些年新增了不上生产商，在智能化、数

字化和网络化方面取得了不俗的成就，但国内个人剂量计在近些年的发展并不显

著。

国内固定式辐射防护仪器的生产商主要为西安中核核仪器有限公司和中船

重工七一九所两家以及陕西卫峰等企业，近年来，随着核电的蓬勃发展，辐射防

护仪器的国产化也取得了长足的进步。

近年来，国内辐射防护仪器的进展主要包括：

（1）核电站厂房辐射监测系统国产化

2017 年 5 月 9 日中船重工七一九所与中广核工程公司签订了防城港 3、4

号机组(中广核首个“华龙一号”堆型)厂房辐射监测系统(简称 KRT系统)供货合

同，首次在“华龙一号”上实现 KRT 系统 100%国产化。2018 年 8 月 9 日由中船

重工七一九所研制的气载放射性 PING 监测仪设备顺利通过验收。这是七一九所

研制的 PING 监测仪设备首次应用于商用核电站,标志着国内唯一的国产化 PING

监测仪设备在商用核电站开始替代进口产品。此前,该监测仪设备未实现国产化,

长期依赖于从美国、法国等国企业进口[4]。

西安中核核仪器有限公司是国内辐射监测产品最全的生产厂家，近期在安

全级辐射监测仪表方面有所突破，在核电项目上推出了自行研制的 PI监测装置，

而NG监测装置早已通过验收。但在实现PING监测装置的集成上还有一段路要走。

在 2017 年-2019年，该公司实现了 1E级离线低放液体活度监测仪、Ⅰ型γ剂量

率仪、Ⅱ型γ剂量率、低量程惰性气体β监测仪、高量程惰性气体β监测仪的核

级取证。

（2）多道在固定式监测通道的应用

随着国内第Ⅵ代核电的发展需要，对工艺流体中典型核素进行分析监测越

来越受到监管部门和用户的重视。目前，基于γ能谱分析的 NaI 探测器已总体实

现国产化。

170

随着国际局势的变化，核行业的发展受到了较大冲击，实现辐射防护仪器

的国产化已刻不容缓，发展趋势主要体现在如下方面：

工艺流监测仪：针对各种反应堆冷却剂的可靠监测设备的开发不足，针对

诸如溴化镧探测器，其性能介于碘化钠和高纯锗探测器之间，但其可靠性及运行

稳定性优于高纯锗探测器；

流出物监测仪：针对各类核设施开发不同组合的气载流出物监测仪，并降

低设备的探测下限；

事故和事故后监测仪：事故及事故后环境的复杂性导致此类设备在应付严

酷的环境条件方面的要求一直在提高。


核电厂数字化监测和控制系统(DCS)已取得重大突破，打破外国企业的垄断，

推出了国产核电 DCS平台。国内从事核电 DCS研发和供货的企业主要有北京广利

核系统工程有限公司（中广核集团），中核控制系统工程有限公司和中国核动力

研究设计院（中核集团）、国核自仪（国家核电集团）和浙江中控，近期国电智

深公司也加入到核电 DCS供货行列中。其中：

北京广利核系统工程有限公司 2009-2012 年，完成 CPR1000 红沿河 1-4 号

机组，CPR1000宁德 1-4号机组，CPR1000阳江 1-4号机组，CPR1000防城港 1-2

号机组等 14台机组的非安 DCS 供货。2019年签订了大亚湾非安全级 DCS改造合

同。2013-2019年，签订阳江 5、6，红沿河 5、6，防城港 3、4，田湾 5、6，田

湾 7、8，徐大堡 3、4，惠州 1、2，高温气冷堆等 15 台机组的全厂 DCS 供货合

同，其中阳江 5、6号机已经商运，田湾 5号机已经完成并网。

中核控制系统工程有限公司在 2013 年 11 月，阿海珐+西门子+中核控制签

署福清 5、6 号机组 DCS 系统供货及服务合同，采用阿海珐的 TXS、西门子的

SPPA2000 和中核控制的 NicSys2000 系统平台，此前中核控制还联合英维思公司

取得了方家山、福清、昌江等核电项目的供货合同。2014 年 3 月，中核控制山

东分公司开工建设，负责控制系统等电子产品的生产、加工和销售，同时设立大

型试验台架区域（三代百万级核电的堆内、堆外核测等）用以保证非安全级、安

全级 DCS 产品质量和取证要求，满足其生产需求。2018年 12 月 6日，中国核动

171

力研究设计院发布了安全级 DCS 平台龙鳞系统，随后中核控制系统工程有限公司

和中国核动力研究设计院联合取得了中国示范快堆 DCS系统供货及服务合同。

国核自仪系统工程有限公司联合美国洛克希德·马丁公司开发核级 DCS 产

品（基于 FPGA技术），同时不断推进双方合作。2014年 6月 20日，国核自仪和

洛克希德·马丁公司在美国德克萨斯州达拉斯市的合作研发基地正式投入运行，

所研发的 NuPAC平台和 CAP1400 反应堆保护系统（简称 RPS系统）研发已经取得

阶段性成果。CAP1400 示范工程以及 CAP 系列核电站计划采用基于 Nu 系列全数

字化仪控产品。

浙江中控作为专业化的仪控公司，其 DCS 产品在化工、火电等行业有广泛

应用，部分产品也在核电站部分子系统上得到应用。

考虑到国家核电国产化政策的实施，后续核电新建机组，将基本以国内仪

控厂商为主。

四、国内外核仪器仪表的发展对比

1.通用核仪器仪表

通用核仪器是核仪器仪表发展的基础，与国际水平相比，我国通用核仪器

的基础很薄弱。在 2016-2017 的专题中所述的问题至今仍未取得突破。

除了电离室等少量探测器可实现国内生产外，包括α谱仪的探测器、低本

底α/β计数器的探测器，高纯锗谱仪的探测器等高端探测器基本依靠进口。

除此之外，包括光电倍增管在内的高端电子设备也依靠进口。


截止到 2019年 12 月，我国 47 台运行核电机组（不包含台湾核电信息）累计发电量为

3481.31 亿千瓦时，约占全国累计发电量的 4.88%。我国在役核电机组所采用的仪控系

统中，最为关键的核岛核安全级仪控系统多数采用国外产品，近些年有所突破，

国产化率不断提高。可以预期，随着国家的重视和研发投入的提高，国产核设施

仪器仪表在国内的市场占有率将大幅提高。

3.辐射监测核仪器仪表

随着辐射防护仪器国产化率的逐步提升，国产设备已在各个方面逐步替代

了国外产品。但这并不意味着国内辐射防护仪器的性能已达到或超越国外产品。

172

国内尚无一家生产商可以像 MGP 公司一样提供核电厂所有品类的辐射防护

仪器，西安中核核仪器有限公司主要生产电厂辐射监测系统设备及少量便携式设

备，而中船重工七一九所主要生产辐射监测系统设备，对个人剂量、控制区出入

管理和实验室等系统的设备的供货能力较弱。

表 1 为各生产商部分设备类型中目前成熟产品的品类数量，表中数据明显

显示国内辐射防护仪器的品类明显少于国外设备。

设备类型设备名称数量（种）

MGP 七一九西安核仪器厂

区域监测仪

GM 计数管 4 2 1

电离室 5 6 3

H-3 计数管 1 0 0

气载流出物监测仪

气溶胶监测仪 3 1 1

碘监测仪 1 1 1

惰性气体监测仪 4 2 1

组合类型 4 1 0

表 1 设备品类对比表

MGP 公司通过对 ABPM、IM 和 NGM 的组合形成 PIM、PNG 和 PING 系列机架，

从多个方面满足用户的需求。特别需要说明的是，随着各界对核电厂气载流出物

监管要求的提升，MGP 公司对气载放射性流出物监测设备的优化深受用户喜爱：

早期按照工况和量程将气溶胶、碘和正常量程惰性气体布置在同一个机架上，高

量程监测通道作为事故后通道单独布置在一个机架上，组成了

PING206S+NGM204S 的模式，其中的弊端是非安全级气溶胶和碘监测通道与安全

级的惰性气体监测通道布置在一起，需提升整台设备的安全等级，增加了用户的

成本。基于上述考虑，有针对性地将气溶胶和碘监测、高低量程惰性气体监测分

别组合在一起，所有通道均连续运行，有效避免了原设备的缺点。目前的典型型

号为 PIM206+NGM219S，该模式已在国内福清 5、6 号机组和示范快堆 1、2 号机

组使用。


核电厂 DCS 方面国内已取得突破性进展，技术性能已接近或超越国外

同类产品，三大核电集团都推出了各自的 DCS产品平台，全部覆盖了非安全级和

安全级 DCS。国内三大核电集团仪控厂商竞争能力分析如下表所示：

173

类别广利核中核控制国核自仪

成立日期 2005年 10月 18日 2008年 8月 18日 2008 年 3月 30日

注册资本 1.5亿 1亿 2亿

产品序列

1. 测量仪表及变送

器：无

2. 执行机构：无

3. 控制平台：

FirmSys、SH-N、

SpeedyHold 、

FitRel

4. L3层平台：应急

指挥系统

EmInfoSys

1. 测量仪表及变送

器：

-为反应堆、核电

站研制生产的各

种探测器及核控

制测量工程设备

-环境监测及辐

射防护剂量监测

仪器

2. 执行机构：无

3. 控制平台：

-NicSys1000

Series

-NicSys2000

Series

4. L3层平台：

-应急指挥系统

-核电厂辐射监

测信息管理系统

(KRT)

1. 测量仪表及变送器：

-温度仪表及变送器；

-压力仪表及变送器、传

感器；

-流量仪表及变送器；

2. 执行机构：阀门定位器等

3. 控制平台：

-MAX-1000分散控制系统

-SUPMAX500 分散控制系

统

-数据采集和监控系统

(SCADA)

-核级反应堆保护系统平

台 NuPAC

-核电站多样性驱动系统

NuBAC

-非能动安全型核电站数

字化仪控系统验证平台

-反应堆堆内测量和堆外

核测系统

-数字化控制棒控制和棒

位指示设备

4. L3 层平台：辐射监测系统

NuRad

研发能力

集两大股东之优势，

有较强系统设计、研

发、集成、调试能力；

依托中核集团的整

体优势，具有较强的

系统设计、研发集

成、调试和技术服务

能力。

依托 AP1000 引进技术以及上

海自仪，有较强的测量仪表施

工安装调试能力；但系统设计

能力稍弱。

工程能力

超过 29 台百万千万

核电机组的成套供

货工程经验。

长期核仪器供货和

工程经验。与中国核

动力研究院的龙鳞

系统合作取得了多

个核电机组的供货

业绩。

已在火电项目中应用，尚无核

电业绩。

仪控系统的采购成本约占核电站建设成本的 5％～10％，按每百万千瓦核电

站 400亿人民币估算，达到 20 亿至 40亿人民币。每个核电站运行维护需要一定

量的备品备件，每 10-15年左右需要更换，每个运行机组每年的仪控设备运行需

求在 2-4亿人民币左右。2020年在运核电机组已达 48台在建核电机组 14台[8]。

174

http://www.snpas.com.cn/chanpinyanfa/2013/0309/129.html












考虑到前期福岛事故的影响，每年批复的项目偏少，预计每年批复开建 4个机组。

以此推算，每年核电仪表的产值在 180-350亿人民币。


近年来，国内核仪器仪表取得了较大的进步，基本上实现了反应堆仪表和

辐射防护仪器的国产化，但对包括通用核仪器在内的部分核心部件仍然依靠进口，

甚至有部分核心部件的生产属于“卡脖子”技术。

上述分析表明，国内在核仪器仪表方面的发展具有如下不足[1]：

（1）材料品质差，基础研究薄弱

材料是基础，通用核仪器是核仪器仪表的基本单元，我国在闪烁体、半导

体的加工方面远远落后于国外，电子设备部分也基本处于跟跑的程度，高精度设

备依赖于进口。

闪烁体探测器研发少，晶体生成品质低，在高性能闪烁体的研制方面依然

十分薄弱。

半导体探测器过度依赖于国外产品，国内的生产能力已完全无法满足用户

要求，是行业中的“卡脖子”产品。

（2）标准体系不健全，缺乏创新方向

以核电厂用核仪器仪表为例，目前国内的标准体系主要以第Ⅲ代压水堆技

术为基础，引进来源于法国和美国的标准体系。“华龙一号”作为国内“走出去”

的型号堆型，其标准体系仍未洗掉法国标准体系的痕迹。

随着第Ⅳ代核电项目以陆续上马，对建立各类堆型核仪器仪表标准体系的

需求也越来越迫切。但实际情况是因主工艺攻坚和项目进度等原因，导致对相应

堆型标准体系的重视不够，系统设计方与设备制造方缺乏沟通，通常在供货合同

签订后才开展产品研发，受工程进度的限制，大多数产品上只能从已有成熟设备

中选择，使得对设计理念的实现大打折扣。

（3）创新研发投入低，缺乏高水平研发团队

各种原因导致核仪器仪表企业的销售利润比较低，对很多创新研发处于力

不从心的状态。如 2016-2017 年专题所述“为了生存和多床效益，研究院要做核

仪器生产，核仪器仪表生产企业既要搞生产还要搞科研，结果两头都没有做好。”

175

低下的企业效益必然导致人才大量流失，离开高水平的研发团队，创新研发只能

是纸上谈兵，对用户体验的反馈更无从谈起。

（4）市场混乱，无法形成有效的国际竞争力

面对设备采购方的成本控制，国内生产商为了应对生存压力，在招投标过

程中会形成恶性竞争——运用远低于行业平均价格甚至低于成本的价格提供产

品或服务，产生的后果往往是降低产品和服务质量。低劣的产品和服务质量是无

法形成国际竞争力的。

（5）宣传方式不利于需求方及时了解制造能力

在互联网飞速发展的今天，国内核仪器仪表的宣传仍然是一份多年前的产

品手册，由销售人员漫无目的地分发出去，而在生产商官网上很难找到产品信息。

这也是本专题编制过程中遇到的较大障碍。

1.加强基础研究，掌握核心技术

在 2016-2017专题中指出“提高认识，加强基础研究”，时隔 3年，我们再

次建议：切实加大科研投入，加强包括高端探测器的基础研究，把握未来传感器

智能化、联网化、微型化和集成化的发展趋势，形成我国自主的核心技术。改革

开放是把双刃剑，在享受既有成果的时候，往往容易忽视对核心技术的研究。我

国在通用核仪器方面的研究，在改革开放后的进展十分缓慢，面对风云变幻的国

际局势，该技术可能会严重影响我国在高精尖技术的发展。

2.建立健全标准体系，实现研发与制造的深度融合

只有体系完备的标准，才能使用户、研发和制造朝着同一个方向努力。经

过数十年的发展，我国的核仪器仪表标准体系已十分陈旧，不利于后续标准的制

定和行业的发展。

应尝试以各应用领域的设施型号和核仪器仪表相结合的方式，建立系统的

核仪器仪表行业标准体系。

3. 健全复合人才培养机制 [2,3]

建设专业人才培训基地，加快建成多层次、高质量的人才梯队。

4. 以“品质革命”引领核仪器仪表制造

我国核仪器仪表行业未来要发展，只有把质量提高，才能去除山寨化、低

端化的形象。通过多年的发展，我国核仪器仪表的门类已基本齐全，但我国的制

176

造水平还处于中低端。

改革是推进行业发展前进的动力源，品质是打造国际影响声誉的生命线，

“品质革命”则是助推我国核仪器仪表提挡升级的加速剂。

5. 培育世界先进制造业集群

培育世界级先进制造业集群，是我国核仪器仪表产业迈向全球价值链中高

端，在产业组织形态和区域布局方面推动高质量发展的必然要求。当下，我国的

研发力量分散，技术力量分散在各产业部门、研究院所、院校的状态仍然没有改

变，面临着产业层次不高、技术水准不强、规模不大、产业组织形态碎片化、低

小散等问题，对培育世界级先进制造业集群带来了一定的挑战。

从国家战略的高度出发，立足中国特色社会主义的制度优势和道路优势，

集中全要素资源，以打造一批世界级行业领军企业，以此培育一批世界级先进制

造业集群。

撰稿人：段天英、左新、马强

参考文献

[1] 王立强，向新程.核仪器与仪表及其应用[C]//2016-2017 核技术应用学科发

展报告

[2] 传感器面临时代新机遇，未来发展将呈现哪些趋势？智能制造网：

https://www.gkzhan.com/news/detail/125047.html

[3] 我国继续攻克的仪器仪表 “ 卡脖子 ” 技术清单。仪商网：

https://www.861718.com/

[4] 我国核领域一重要监测设备成功实现国产化，新华网，2018-08-09

[5] 100% 国产化！核工程辐射监控系统打破国外垄断。

https://news.bjx.com.cn/

[6] 2019-2025年中国仪器仪表行业发展存在的问题及对策建议研究报告

[7] 王健英；张岩. 我国仪器仪表产业存在的问题及发展建议//工程技术，

2016,58

[8] 2020年中国核电行业市场现状和发展前景预测有序稳妥推进核电建设，中

电联

177

Abstract

Between 2018 to 2020, we have obtained a good develop in nuclear

instruments. more and more companies and institutes join in the research,

designing and produce. Product quality have distinct improvement。DCS of

nuclear power station have using the system developed by chines company.

Next, china should increase input for nuclear instrument。

178

核技术在工业领域的应用

撰稿人：王国宝、彭伟、何仕均、侯志强、余国龙、窦玉玲

中国核学会核技术工业分会

2020 年 9 月

一、引言

核技术具有鲜明的军民两用特点，已经成为当前国防建设与国民经济

发展中不可或缺的重要领域，在推动军民结合、培育战略性新兴产业、支

持国家高质量发展，核技术在工业领域应用更凸显其重要意义[1]。

到 2019 年，世界上已有近 150 个国家和地区开展了核技术在工业领域

的应用研究、开发，核技术工业应用的快速发展已成为推进新技术、新材

料、新工艺、新方法不断取得创新发展的动力之一。

核技术在工业领域应用范围很广，本专题重点阐述核技术在辐照加工、

环保、无损检测等工业领域近期应用发展。

二、辐照加工

辐射加工是核技术工业应用的最重要领域。辐射加工由于其具有穿透

力强、无污染残留、高效节能等特点，已经逐渐渗透到国民经济的多个领

域，被誉为“绿色”加工技术[3]。辐射加工应用于医疗卫生产品、食品、高

分子材料和三废等处理，以实现消毒、灭菌、杀虫、保鲜、交联聚合、改

性、降解和无害化处理等目的。

美国是世界核技术应用产业的发展大国，形成了辐照装臵大型化、专

业化、研究深入、应用广泛等鲜明的产业特色，其产业规模达 6000 亿美元，

占到当年国民生产总值的 3%左右[4]。

179

（一）国际发展现状及趋势

1. 辐照装臵

用于辐射加工的辐照装臵，主要包括γ辐照装臵、电子加速器辐照装臵

和 X 射线辐照装臵。

根据国际原子能机构的相关统计[5]，全球 50 多个国家共有约 300 座γ辐

照装臵，总计装源活度约为 4 亿居里，此外还有超过 2500 台的工业辐照电

子加速器，总功率超过 100MW。

图 1 全球γ辐照装臵分布

图 2 电子加速器数量的分布图

工业辐照用钴源的生产国主要有加拿大、俄罗斯、中国、阿根廷、印

度等国。工业γ辐照装臵的生产国主要有加拿大、中国、印度、匈牙利等。

工业辐照加速器的生产国主要有比利时、俄罗斯、中国、日本、美国、

加拿大、瑞士、法国等。

180

γ辐照装臵在欧美等发达国家已经发展比较成熟，市场饱和度较高，但

随着产业的转移以及经济的发展，γ辐照装臵在发展中国家还有较大的发展

空间，如泰国、印度、越南、马来西亚等。

但在 9.11 恐怖袭击之后，γ辐照装臵的发展受到了很大的影响，尤其是

美国先后发布《放射源的使用和替代》、《增强美国工业放射源的安保措施》

等相关报告，电子加速器辐照装臵逐步取代γ辐照装臵应用于辐射消毒灭菌

成为一种趋势[7,8]。

2. 辐射加工产业

国际辐射加工产业在高分子材料辐射改性、食品辐照、医疗卫生用品

的辐射消毒等方面实现了工业化和商业化。

（1）材料辐射改性

高分子材料的辐射改性主要包括辐射聚合、辐射交联、辐射降解、辐

射接枝和辐射固化等应用[6]。

日本每年生产 120 万千米辐射交联电缆，27 万千米的热缩管和 1.5 万

吨发泡材料。目前日本子午线轮胎辐射预硫化技术的普及率达 90%以上。

马来西亚年产辐照天然胶乳 6000 吨以上。辐射接枝制备离子交换膜日本等

国已经实现了辐射电池隔膜材料工业化生产。辐射聚合木材塑料复合材料

已经在美国实现了工业化生产。

辐射固化是利用辐射源使得液体物质进行化学自由基反应变成固体的

过程。这种技术在过去的 20 多年中在全球得到突飞猛进的发展，在中国的

平均复合年增长率达到 20%，目前辐射固化材料的市场量超过每年 100 亿

的规模，全球大约 350 亿元。目前辐射固化技术主要应用于涂漆、印刷等

领域，近些年在美国、欧洲发展非常迅速。

（2）辐射消毒灭菌

辐射消毒灭菌是辐射加工领域最为成熟的应用，目前主要在医疗卫生

用品、实验器材、食品辐照等领域。美国的 Sterigenics 和 Steris AST 两大跨

国集团主要使用辐射法对医疗产品进行消毒灭菌，这该两家公司在全球多

181

个国家拥有γ辐照装臵和电子加速器辐照装臵，并且还在不断的发展中，具

体见表 1。

表 1 美国的 Sterigenics 和 Steris AST 公司拥有的灭菌设施

食品辐照主要应用于灭菌、杀虫、抑制发芽、检疫处理等。辐照消毒

灭菌技术还广泛应用于实验室器材、包装材料、化妆品等的消毒灭菌。在

欧洲和南美等国正在研究和逐步应用辐射方法对文物进行保护等。

印度、泰国、越南等采用辐照技术处理热带水果，实现大批量出口。

3. 辐照加工产业发展趋势

辐射材料改性和医疗用品辐射消毒灭菌在欧美发达国家已经完全实现

产业化，食品辐照在美国的积极支持下也发展很快。近几年，印度、土耳

其、泰国等国在辐射材料改性方面的发展越来越快。

不少国家应用辐照技术对进出口粮食检疫处理，以保证本国的物种安

全。

从全球来看，欧美发达国家的成熟产业应用将逐步向亚洲、南美洲和

非洲等发展中国家逐步转移。

(二)国内发展现状及趋势

我国辐射加工产业经过半个多世纪的发展，目前在材料改性、食品辐

照、医疗卫生用品辐照灭菌等领域已经实现了产业化发展，对我国国民经

济的发展起到了很大的推进作用。

目前辐照制备热缩制品、交联电线电缆和化工材料是我国辐射化工的

γ装臵加速器装臵环氧乙烷

（ETO）分布国家

Sterigenics 19 11 17 12

Steris AST 31 13 24 13

182

核心产品。国外辐照加工企业也先后进入中国，如美国 Sterigenics 就在上海

设立了高能电子加速器消毒灭菌中心，日本 Nipro 在合肥建设了用于其生

产的医疗器械消毒灭菌的γ辐照装臵，还有多家日本轮胎企业在中国的轮胎

生产线上设立了低能电子加速器用于其轮胎的辐照预硫化。

我国辐射加工产业的产值分布见下表。

表 2 辐射加工产业分布情况单位：亿元

门类 2005 年 2008 年 2010 年 2015 年 2020 年

辐射加工服务 90 160 180 400 800

辐射材料改性 52 75 110 500 1000

辐射技术装备 30 35 60 100 200

合计 172 270 350 1000 2000

1.γ辐照装臵

我国目前约有 130 座钴源辐照装臵，总设计装源能力超过 1.7 亿居里，

实际装源活度约为 7000 万居里[12]。我国γ辐照装臵主要用于食品辐照、中药

辐照和医疗器械的辐照消毒灭菌以及部分材料改性。我国在用γ辐照装臵只

有 2 台为进口，其余均为国产装臵。国内拥有γ辐照装臵设计资质单位有三

家，不仅能够满足国内的需要，先后向泰国、越南、马来西亚提供了γ辐照

装臵，具备了向国际进行供货的能力。

图 3 γ辐照装臵分布图

183

图 4γ辐照装臵的发展历程图

目前，中国工业钴源的年需求量约为 1000-1200 万居里，其中国产源供

应约为 500 万居里，加拿大进口约为 300-500 万居里，俄罗斯进口约为

100-200 万居里。

2010 年，中核集团公司国产工业钴源研发成功，走出了我国工业钴源

长期依赖进口的困境。目前年生产能力约为 500-600 万居里，能基本满足国

内需要，而且国产钴源已经出口至巴基斯坦和加拿大。

2．电子加速器辐照装臵

截止 2019 年底，目前我国共有约 630 座辐射加工用电子加速器在运行

中，总设计功率约 45000kW，主要用于消毒灭菌和材料改性等领域。其中

国产数量约占 85%，进口仅约占 15%左右[12]。

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

2004年 2008年 2012年 2016年 2019年

台数

总设计装源量（MCi）

实际装源量（MCi）

184

图 5 电子加速器的发展历程

高能电子辐照加速器：目前我国在运高能电子辐照加速器约有 80 余座，

并在继续以每年 15%左右的速度增加，绝大多数能量为 10MeV，主要用于

食品、药品、医疗器械等的消毒灭菌应用。高能电子辐照加速器的种类有

电子直线加速器和梅花瓣型加速器两种。梅花瓣型加速器总计 6 台，均为

比利时 Ion Beam Applications S. A. (简称 IBA)公司进口装臵。电子直线加速

器绝大多数为国产，仅有少数几台从俄罗斯和日本进口。

中能电子辐照加速器：工业用中能电子辐照加速器能量一般在 1MeV～

5.0MeV，束流功率可从几千瓦到几百千瓦，主要用于电线电缆、发泡材料、

热缩材料、食品和医疗器械的消毒灭菌等的辐射加工，在工业辐照用电子

加速器中所占份额最大。截至目前，中国约有 550 余台中能电子加速器服

务于工业辐照加工，且每年仍有 30～40 台的增长量。中能电子加速器应用

主要分布在长三角和珠三角。

低能电子加速器：近几年在中国应用发展很快，目前主要依赖进口。

目前我国多个电子加速器制造公司都在积极研发低能加速器并进行产业化

推广。

3.辐射消毒灭菌

（1）医疗器械消毒灭菌

目前主要是出口类产品采用辐照方法进行灭菌，而国内产品相对较少

的采用辐照法灭菌[4]。根据相关统计，预计我国共有约 100 万立方的医疗器

0

100

200

300

400

500

600

700

2004年 2008年 2012年 2016年 2019年

台数总设计功率（100kW）

185

械采用辐照灭菌，仅占我国医疗器械产量的 10%左右。而欧美发达国家医

疗器械消毒灭菌中约有 50%~60%使用辐射法灭菌。

在新冠肺炎疫情发生以来，打好新冠疫情防控阻击战，医疗物资保障

是重要的基础支撑。在疫情发展的初期，医用一次性防护服严重短缺。中

核集团等单位充分发挥核技术优势，对防护服采用辐照灭菌，将传统的灭

菌工艺周期从两周缩短到一天，极大缓解了抗疫前线医用防护服紧缺的困

境，有力保障防疫物资的及时供给，为疫情防控争取了宝贵的时间窗口。

截止到 2020 年底，全国医用一次性防护服及隔离衣辐照灭菌量 1 亿 5 千套，

为抗击疫情做出重要贡献。另外，值得可喜的是国产医疗器械生产企业如

威高集团和驼人集团已经配备高能电子加速器用于其自产医疗卫生用品的

消毒灭菌。

（2）食品辐照

我国食品辐照建立了一整套标准[11]，在我国食品工业接受程度逐步提

高，辐射灭菌保鲜优势得到认可。

（3）中药辐照

卫生部于 1997 年发布了中药辐照试行标准并明确了可辐照中药的种类

和剂量，国家食品药品监管总局于 2015 年颁布《中药辐照灭菌技术指导原

则》，同时国家药典也已经将辐照灭菌方法列入。

（4）宠物食品辐照

根据相关资料预计，到 2020 年我国约有 20 万吨的宠物食品采用辐照

方法处理并大部分出口到欧洲和美国。国内大型宠物食品生产企业如山东

海创公司和浙江佩蒂公司分别配备了四台和一台高能电子辐照直线加速器

用于其自产宠物食品的消毒灭菌。

（5）其他应用

辐射加工技术还在化妆品、一次性卫生用品、实验室用品等消毒灭菌、

水果辐照保鲜、粮食辐照杀虫、辐照检疫处理[9]等方面有产业应用，但总体

规模还不大。

186

4.材料辐照改性

（1）电线电缆

电线电缆绝缘层的交联改性，能大大提高电线电缆的工作温度、耐溶

剂、耐环境老化，耐开裂等性能。辐射交联还可导致绝缘材料的电学性能

的变化，并使机械性能提高。

辐照交联电缆目前是辐射加工的重要领域，如光伏无卤阻燃电缆、飞

机用 F40 辐照交联电缆、核电站用电缆、耐温 150 度的低烟无卤阻燃电缆

等，这些都是常规化学法无法生产的。目前，我国辐照交联线缆总规模超

过 40 亿美元，用于线缆辐射加工的电子加速器 200 余台。

（2）热缩材料

目前，热缩材料制品在电力、电子、通讯、船舶、航空航天等领域都

获得了广泛的应用，主要用于绝缘、防腐、防潮、密封等。热缩材料的辐

射加工产业已构成国民经济发展必不可少的组成部分。

热缩材料生产中多采用先成型后辐照的方法。主要用热缩材料的辐射

加工的电子加速器 40 余台。

辐照热缩材料方面最具有代表性企业是深圳市沃尔核材股份有限公司，

拥有电子加速器 19 台，2020 年辐照热缩等产量约 210000 万米，年产值预

计 40 亿。

（3）轮胎硫化

2000 年期间，北京射线中心与北京首创轮胎等先后进行了轮胎辐照预

硫化相关技术的研究。四川久环电气联合武汉久瑞电气有限公司,针对已有

轮胎生产线的技术改造,开发出嵌入式电子加速器用于轮胎辐射预硫化，分

别与山东玲珑橡胶有限公司等合作,开展了轮胎辐射预硫化技术的试验研究，

推广我国辐射预硫化技术的应用。

187

无锡爱邦辐射技术有限公司研发了应用于轮胎预硫化的 0.5MeV/80mA

自屏蔽加速器，累计销售 7 台。中广核达胜加速器技术有限公司销售了 2

台加速器用于轮胎辐照预硫化。武汉久瑞电气有限公司生产制造了 3 台用

于半钢乘用子午线轮胎、两台用于全钢载重子午线轮胎硫化的加速器。

（4）薄膜改性

到 2010 年，先后有 8 家企业使用电子加速器进行薄膜改性，包括深圳

长园辐照技术有限公司、上海冠宝塑胶有限公司等，目前用薄膜辐照的加

速器主要发展方向是自屏蔽、低能方向。据统计，国内采用电子加速器进

行薄膜辐照的电子加速器近 30 台，主要的加速器类型为高频高压型，能量

分布 0.5~5MeV。

（5）半导体改性

用电子辐照技术提高电子器件成品率和产品质量，在电子行业已逐步

推广，据初步估计，被加工产品产值超过 50 亿。

中国南车集团使用 2 台 12MeV 电子直线加速器，成功研制出国产大功

率绝缘栅双极型晶体管（简称 IGBT）。

（6）辐射固化

在辐射固化市场中，电子束（简称 EB）固化目前占有的比例很小，这

主要是因为 EB 固化设备的成本较高，且目前仍被少数国外厂家所控制。

但是随着中国经济的发展和物质生活水准的不断提高，不仅仅传统的溶剂

型和水性材料面临挑战，连紫外线（简称 UV）固化材料都无法满足日趋严

格的安全法规要求，这种情况在食品和应用产品的包装材料等领域突显，

而 EB 固化由于它的环保和安全性，成为迫切需求的替代应用技术，发展

前景广阔。

目前国外 EB 固化的应用主要在印刷和涂料方面，另外在粘合剂和高

分子接枝也有应用。初步的估计，美欧日应用于固化的 EB 设备大约有

188

600-800 台套。

用于固化的国产 EB 加速器（电子帘加速器）已有多家机构在研制，

其中，中广核达胜和四川智研公司已将辐照固化设备及技术成功应用于浙

江中烟、陕西北人等多家企业。

（三）结论及国内外发展对比

1. 辐照装臵

（1）γ辐照装臵

我国的γ辐照装臵具有数量大、分布广等特点，但与国外尤其是欧美发

达国家相比，平均每座辐照装臵的装源活度较低。如中国平均每座装源活

度约不足 60 万居里，而美国平均每座装源活度达到 300 万居里左右。我国

的γ辐照装臵一般都是多用途的，而国外很多辐照装臵都是专用的，如食品

专用、医疗器械专用。

(2) 电子加速器辐照装臵

我国的电子加速器主要以中能为主，高能次之，低能最少，应用方面

则主要是以电线电缆和热缩材料的辐照为主和消毒灭菌次之，与国外有所

区别。

2. 辐射消毒灭菌

国际上在上世纪 90 年代初期，辐射消毒灭菌在医疗器械消毒灭菌中的

比例就达到了约 50%，而我国到现在的比例也还在 10%左右。

3. 材料改性领域

我国材料改性的应用还是集中早期研究成果基础上，如电线电缆以及

热缩材料方面。而在轮胎辐照、木塑材料以及辐射固化领域方面的应用与

欧美发达国家还有较大的差异。

189

（四）建议

1．辐射化工。以热缩材料及制品和辐照交联线缆为主，开发新产品，

争取到 2025 年，产值能够在 2020 年的基础上再翻一番。

2．辐照消毒灭菌。结合国家对食品安全的重视，进一步推动食品辐照

的应用范围。在医疗用品和中药消毒灭菌方面进一步扩大辐照比例，采用

以新建加速器技术和传统γ辐照相结合的方式，“十四五”产业规模比“十

三五”翻一番。

（3）辐射加工装备。1-5MeV 中能电子加速器装备，以高频高压型为

主，同时开发变压器型系列，形成较强的生产能力，年生产能力 25~30 台

套；5-10MeV 高能大功率电子辐照加速器，争取平均年产量 25-50 台套；同

时开发 10MeV/50-100kW 高能大功率辐照加速器以及 X 射线转靶技术；研

制新型电子帘机型 0.3-1.0MeV 低能电子加速器，实现年产量 10 台-20 台套。

（4）培育新的产业增长点。子午线轮胎辐照硫硫化;电子束涂层固化，

辐射检疫处理，发展环保产业包括电子束脱硝技术及装备、城市垃圾无害

化处理及再利用及重污染废水处理技术及装备。

三、辐射技术在环境保护中应用

（一）国际发展现状与趋势

1. 电子束烟气净化的发展现状与趋势

电子束烟气净化技术的研究可追溯到二十世纪 70 年代初。1981 年，

JAERI 在高崎建立了一套模拟烟气电子束辐照动态试验装臵，随后，德国、

波兰等国也在电子束烟气净化机理方面做了不少实验室研究。2000 年波兰

Pomorzany 电站电子束烟气净化示范工程建成。但随后电子束辐射净化烟气

的研究处于停滞的状态，并无新的研究成果呈现。

190

2. 电子束辐射处理污水的发展现状与趋势

20 世纪 60 年代以来，遍及世界的各式各样工业快速发展，导致了水资

源的严重污染。以电子束和γ射线辐照为主要手段的辐射技术，具有常温常

压反应、工艺简单，处理效果好，无二次污染等特点，在处理难降解有毒

有机污染物方面发挥了巨大作用，韩国、土耳其、匈牙利、奥地利、俄罗

斯、日本、巴西、波兰等国分别研究了废水等的辐射降解和脱除。韩国建

成后期并未真正的运行。其他国家大部分的结果及数据仅建立在小试或中

试阶段，并未成功实现大规模的污水处理工程验证。

3.辐射处理污泥应用现状与趋势

在现代城市化进程中，城镇人口急剧增加，污泥的处理成为亟待解决

的一个突出问题。辐射处理技术是一种新型污泥预处理方法，可有效提高

污泥脱水性，改善污泥生化性，可与生物堆肥或污泥厌氧消化联合处理污

泥污染问题。

世界上有不少的国家在这一领域开展了相关的工作，其中，美国环保

署将污泥辐照处理技术作为推荐技术，并规定污泥经过 10kGy 的处理，可

以作为无害化生物固体无限制的使用（Solid A）。德国建设了世界上第一个

污泥辐照厂。印度 1992 年建成 60Co 源γ射线污泥卫生化装臵，并稳定运行

到现在，辐照污泥可直接作为肥料使用。

（二）国内发展现状与趋势

1. 电子束处理燃煤电厂烟气

我国电子束净化烟气的起步虽然较晚，但发展迅猛，世界上第一座工

业试验装臵在中国成都建成。1995 年 9 月，日本荏原公司与中国政府签订

关于在成都电厂实施电子束烟气脱硫工程项目。1997 年 5 月成都电厂电子

束烟气脱硫示范工程建成，1998 年 5 月 28 日通过国家竣工验收。2002 年底，

191

杭州协联热电厂 300,000Nm3/h 烟气净化装臵建成，并于 2003 年初开始投

入调试运行。

2. 辐射处理污水

（1）电子束辐射处理印染废水

2020 年清华大学与江苏达胜加速器制造有限公司成功研制水处理专用

的电子加速器及辐照反应器，建立国内第一个工业规模的电子加速器辐照

处理印染废水示范工程，设计处理能力达到 2000 m³/d，满足工业规模废水

处理要求。（2）电子束辐射处理医疗废水

在 2020 新冠疫情爆发期间，湖北十堰西苑医院作为十堰市新型冠状病

毒感染的救治医院，日产污水 200 吨左右。2020 年 5 月，中广核核技术发

展股份有限公司援建西苑医院的医疗污水处理项目建成投产，日均处理污

水能力为 400 吨，实现了电子束处理医院污水示范工程处理量达 200 m³/d，

处理出水 COD < 60 mg/L，氨氮< 8 mg/L，满足《医疗机构水污染物排放

标准》。

3. 辐照处理污泥

国内关于辐照技术处理污泥的技术与国际存在一定的差距，目前国内

关于辐射技术处理污泥技术尚处于实验室研究阶段，规模相应较小，尚未

实现产业化应用。

4.辐射处理抗生素菌渣

针对抗生素菌渣，通过电子束辐照处理，可以有效破坏菌渣中残留抗

生素化学结构，彻底消除菌渣中残留抗生素，实现菌渣无害化处理。

2020 年中广核达胜加速器技术有限公司联合新疆川宁生物科技有限公

司，在新疆伊犁建设了我国第一个电子束无害化处理抗生素菌渣示范工程。

192

（三）结论及国内外对比

我国开始研究辐射技术在环境污染领域的应用比国际上的其他国家滞

后，但发展较快，第一个电子束辐射处理烟气废气示范工程就建在中国成

都，现在我国成功建设处理规模 5000 吨/天的电子加速器辐射处理印染废

水示范工程和第一个采用 7 台电子加速器联机运行，设计处理能力达到

30000 m3／d 的工业规模电子加速器辐照处理印染废水工程项目，这些都进

一步证明中国辐射技术在环境领域的应用水平处于国际先进水平。

辐射处理装臵结构复杂，生产加工技术仍较落后，成本高，设备稳定

性还有待进一步完善和加强；设备体积庞大，重量大，运输要求高，不便

于大范围的推广应用；设备电耗大，能量利用率偏低，导致处理成本偏高。

（四）建议

1．未来辐射处理环境污染发展的重点领域将会在工业废水和固体废弃

物等两大重点领域，电子加速器辐射技术在难降解有机废水处理中具有明

显的优势，将有效缓解排污企业的排放压力。

2.固体废弃物的污染也是一个迫在眉睫的问题。辐射技术处理污泥不仅

能够破坏污泥的絮状结构，提高脱水率，同时还可杀灭污泥中的微生物和

病原菌，为污泥的资源化利用提供保障，是一种有效的污泥预处理技术。

射线在工业无损检测应用发展的重点领域。

四、射线在工业无损检测中应用

射线工业电子计算机断层扫描检测技术（以下简称 CT）是广泛应用在

航空航天、核工业、船舶、兵器、铁路等行业，是重要的无损检测技术之

一。

193

（一）国际发展现状与趋势

1．高能 X 射线工业 CT

随着航空、航天、国防工业和民用工业技术的高速发展，需检测的工

件尺寸越来越大、结构越来越复杂，而且要求检测精度越来越高，其部件

的尺寸从几米到几毫米，对裂纹的检测精度要求达到 0.02mm。在这种背景

下，以电子直线加速器为 X 射线源的高精度、高能工业 CT 系统应运而生[10]。

目前，美国仍然是世界上高能工业 CT 技术研究及设备研制最先进的国家。

2018 年美国计量中心研制出 3MeV 高能 X 射线锥束 CT，分辨率达到 6Lp/mm。

2018 年日本开发出 3.5MeV 高能 X 射线锥束 CT,焦点尺寸 0.1mm，分辨率达

到 7Lp/mm。

2.低能 X 射线工业 CT

低能 X 射线工业 CT 采用射线能量 160~450kV 电压的 X 射线机作为射

线源，探测器一般为平面探测器，扫描方式以三维锥束成像为主。由于低

能 X 射线工业 CT 射线能量低，射线穿透能力较弱，检测物体尺寸小。另

外由于低能 X 射线能谱硬化现象较严重，因此适应于较低密度材料、较小

尺寸，且检测精度要求相对较低的工件的检测。

3．X 射线源

在加速器小型化方面，瓦里安发布了全球体积最小的高能便携式工业

直线加速器检测设备。该设备基于 X 波段加速结构，能量在 1MeV 左右，

重量 113kg，仅为普通工业加速器的十分之一，提高了便携性。

国产 X 射线管与国际先进水平有很大的差距。目前国内工业 CT 用 X

射线机基本完全依赖进口。国外主要是美国 Varian、瑞士 Comet、法国 Thales

等少数几家公司垄断。

194

3.工业 CT 发展趋势

未来工业 CT 的发展将必将向着多能量、多焦点模式、多成像方式集

成发展，以适应不同的测量工况；射线源的能量越来越高，以提高产品可

检测尺寸；射线源焦点更小，探测器动态范围、灵敏度越来越高，空间分

辨率向着纳米级发展等等。

（二）国内发展现状与趋势

1. 高能 X 射线工业 CT

目前我国已能完全自主开发和生产 2MeV~15MeV 的工业 CT/DR 系统，

这些工业 CT 有基于平板探测器的三维锥束 CT 系统，也有基于线阵探测器

的二维扇束 CT 系统，能检测直径 2m、高 6m、重达数十吨的物体，几何测

量精度达 0.02mm，空间分辨率 2.5-5.0Lp/mm，密度分辨率 0.3%~1%.。

2. 低能 X 射线工业 CT

低能 X 射线工业 CT 采用射线能量 160~450kV 电压的 X 射线机作为射

线源，射线机的有效焦点尺寸一般为 0.2~1.0mm，靶功率为 750~1500W。

探测器一般为平面探测器，扫描方式以三维锥束成像为主。。

3. 微焦 CT

微焦点 CT 通常采用 20~240kV 的 X 光机作为射线源，靶点 0.8~15μm，

采用平板探测器，像素尺寸 50~400μm，利用几何放大或 X 射线显微技术，

可获得微纳米量级的分辨率，实现精细结构分析。国产微焦点 CT 的空间

分辨力可达 250~500nm，检测工件直径 1~5mm。

4. X 射线工业 CT 系统主要核心部件

工业 CT 系统最主要的核部件为射线源和探测器。

195

1）电子直线加速器射线源

目前国内工业无损检测 CT 用加速器绝大多数以驻波电子直线加速器

为主。

目前我国不仅已完全掌握电子直线加速器系统的设计、生产技术，而

且制造的无损检验加速器居世界前列。目前产品发展聚焦在小型化、微焦

点和提高寿命与可靠性方面。国内生产厂家主要有中国原子能科学研究院、

同方威视股份有限公司、北京机械自动化研究所等单位。2017 年 5 月由中

国原子能科学研究院主导制定的我国通用核仪器首个国际标准《IEC

62976-2017 工业无损检测设备——电子直线加速器》正式发布，标志我国

无损检测加速器产品技术处于国际领先水平。

2）X 射线机

国内工业 CT 用 X 射线管与国际先进水平有很大的差距。目前国内工

业 CT 用 X 射线机基本完全依赖进口，国外主要是美国 Varian、瑞士 Comet、

法国 Thales 等少数几家公司垄断。

5. 工业 CT 发展趋势

主要向超高能量大型工件工业 CT 成像方向发展、向微焦点三维锥束

CT 成像发展、向扫描方式多样化发展。

（三）结论及国内外对比

1. 高能 X 射线工业 CT 检测技术

我国工业 CT 尽管起步晚，但是近年来得到了快速发展，整体技术已

接近国际先进水平，部分性能指标已处于国际领先。但总体上美国目前仍

然是世界上高能 X 射线工业 CT 技术研究及设备研制最先进的国家。美国

研制出 X 射线能量 60MeV 超大型工业 CT 检测系统和高能 X 射线工业微焦

点锥束 CT 系统，我国与国际先进国家有一定差距。

196

2. 低能 X 射线工业 CT 检测技术

我国低能 X 射线工业 CT 检测技术水平达到了国际先进国家的水平，

但在微焦 CT 方面，目前无论从技术指标、产品可靠性、成熟度、产品多

样性，国外的整体优于国内。

（四）建议

1．新型辐射成像机理及相关基础研究

围绕提高检测灵敏度和检测精度，开展 X 射线散射特性分析、X 射线

晶体学相位研究；探索 X 射线透镜和聚焦、X 射线线谱优化，X 射线准直

等科学问题；研究 X 射线多谱成像、同步辐射空间分辨软 X 射线磁二色方

法、光学－核素－CT 多模影像融合新技术新方法；开展冷阴极 X 射线管材

料、数字图像评价理论等方面的研究工作。

2．高功率微焦点 X 射线源研制及商品化

满足工业 CT 及射线无损检测对 X 射线源小(微)焦点、高射线强度(高

功率)、低成本、高效率要求，打破国外对 X 射线源的技术垄断，应大力开

展高功率金属陶瓷管、髙稳定度低波纹大功率射线高压电源的研究。加大

对微焦点射线源（全封闭式和开放式）X 射线管的研发投入，大力推动冷

发射阴极 X 射线管（碳纳米管、石墨烯、LaB6 等阴极材料）、便携式脉冲

式 X 射线源等新型射线源的研制。

3．高性能辐射探测器研制及商品化

工业 CT 用平板探测器，几乎被美国的公司垄断，国内急需研发的工

业用 CT 平板探测器。还有国内大部分闪烁体探测器市场基本被日本滨松

公司和芬兰 DEETEE 公司垄断，但国内一些单位如上海硅酸盐研究所等也

已经可以生产多种闪烁体晶体，并占据一定市场份额。

4．大型复杂构件的成像检测技术

针对超临界锅炉、核潜艇、航母、高铁等大型复杂结构件的成像检测

需求，开展大型复杂构件的 CT 成像检测技术的研究。

5．基于物联网和大数据的工业 CT 检测系统

197

未来的物联网大数据时代，因此，基于物联网和大数据的工业 CT 检

测系统是未来发展的必然趋势。另一方面工业 CT 检测系统与医学 CT 一样，

实现远程诊断、数据共享。

198

主要参考文献

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[2] Alan E. Waltar.Radiation and Modern life[M]. 美国, 2004.

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[6] 幕内惠三. 聚合物辐射加工[M]. 中国：科学出版社, 2003.

[7] National research council of the national academies U.S. Radiation Source Use and

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[8] Government accountability office U.S. Additional actions needed to increase the security of

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讨会论文集[M]. 2013

[12] 中国核学会. 2016-2017 核技术应用学科发展报告[M]. 北京: 中国科学技术出版社,

2018 年.

[13] 雷增光. 2018 中国同位素与辐射技术产业发展报告[M]. 北京: 科学出版社, 2018 年.

199

Applications of nuclear technology in industry

Wang gubao ,Pengwei ,He shijun, Houzhiqiang,Yuguolong,Douyuling

Abstract:Nuclear technology is widely used in industrial applications, this topic mainly

forradiation technology in the sterilization, food preservation and other industrial applications

of radiation processing, material modification applications, environmental protection and

application in industrial non-destructive testing applications.

Radiation material modification, radiation sterilization of medical products has been

industrialization in developed countries, the food irradiation is developing very

fastasactivelysupportby the United States, thesemature industry applicationsin developed

countries are gradually transferred to the developing countries especially to the country in

Asia, South America and Africa. The food irradiation, irradiation of wire and cable and heat

shrinkable materials has been developed very fast in China in last several decades, but the

radiation sterilization of medical products still is not widely used compared with the

developed countries, and the radiation application in tire industry and surface curing field has

just started.

Radiation technology applications in environmental protection mainly include radiation

treatment of flue gas, waste water and sludge. Flue gas and wastewater treatmentbythe

electron beam, sludgetreatment by electron beam and cobalt -60 respectively developed in

pilot or commercial scale in Japan, Poland, the United States, South Korea, India and other

countries. China has actively carried out the relevant research, and has constructed some pilot

project in the sewage treatment and flue gas purification by radiation technology.

Radiation detection as a kind of advanced NDT method is widelyusedin machinery

manufacturing, petrochemical, aerospace, nuclear power and other industries,The United

States, Japan, Germany and Russia are the most advanced countries in the field of industrial

CT technology research and equipment development. Although China's industrial CT started

late, but developed very rapid in recent years, the overall technology has reached the

international advanced level, some indicators of the performance is at the world top level.

200

This topic introduce the application and development status and trends of domestic and

international nuclear application in industrial fields, and makes comparisons, analyze the

technical problems and policy barriers, on this basis, address some key areas, roadmap and

suggestions to promote the nuclear technology in the industrial application in China.

201

核技术在医学领域中的应用

【中文摘要】核医学是现代医学的重要组成部分，也是核技术应用的重要领域。

2018 年～2019 年是中国核医学快速发展的 2 年，核医学从业人员、配置显像仪

器均有较大幅度增长，核医学靶向显像和治疗用放射性药物取得较大进展，人工

智能等新技术在核医学影像中开始应用，核医学已经成为恶性肿瘤、心脑血管疾

病等严重危害人类健康疾病的诊断和治疗提供了精准的分子影像手段。中国核医

学在过去 2 年发表了一系列的专家共识或指南，拓展并规范了临床应用。相比国

外，中国核医学仍有一定的差距，但是目前已经处于蓬勃发展的阶段，相信核医

学的未来会更美好。

【Abstract】

Nuclear medicine is an important part of modern medicine, and a special and

important field of nuclear technology. Nuclear medicine had a rapid development

during 2018-2019 in China. The numbers of nuclear medicine practitioners and

imaging equipment have increased significantly. Some novel radiopharmaceuticals

were developed and translated for clinical application. Artificial Intelligence, as one

of the new technologies, has been applied in nuclear medicine imaging. Nuclear

medicine has become an accurate diagnostic tool for malignant tumors, cardiovascular

and neurological diseases which seriously endanger human health. In the past two

years, a series of expert consensus or guidelines were published to expand and

standardize the clinical application. Compared with foreign countries, there is still a

big gap. However, Nuclear Medicine is in the stage of vigorous development, and the

future will be bright and glorious.

202

核医学是现代医学的重要组成部分，也是核技术应用的重要领域。我国核医

学自上个世纪 50 年代起步，经过 70 年的发展，已发展成为集核技术、计算机技

术、生物学技术、影像技术等多种当代先进技术于一体的现代化学科。近 10 年，

随着人工智能技术、分子影像技术、多模态成像技术的迅速发展和精准医学、诊

疗一体化等概念的提出，核医学又产生了质的飞跃，成为科研与临床并重的新兴

学科。2020 年起，教育部高等学校学科设置中，核医学已成为独立学科代码，

与放射影像学、超声学并列的二级学科，也标志着核医学学科的独特优势和长足

发展的必然转归。

中国核医学发展报告从中华医学会核医学分会的年度普查报告，总结核医学

具体数字情况，并从核医学显像（PET、SPECT 显像）、核素治疗、放射性药物、

核医学设备和技术进展、人工智能在核医学应用的发展等方面总结核医学最近 2

年的发展状况。

一. 中国核医学现状调查报告

本部分数据参考2020年全国核医学现状普查结果简报（《中华核医学与分子

影像杂志》, 2020, 40(12): 747-749），数据截止时间2019年12月31日 [1]。

1. 学科基本信息

从事核医学专业相关科(室)1148个。其中，核医学科934个、独立PET/CT中

心91个、医学影像科35个、甲亢专科24个、SPECT室20个、同位素室15个、放免

室5个。在1148个科(室)中，设立门诊的654个(占57％)，有核素治疗病房的340个

(占29.6％)，开展非病房核素治疗单位396个（占34.5%），配备PET（含PET、

PET/CT和PET/MRI）430个（占37.5%），配备SPECT（含SPECT(/CT)，符合线

路）设备的849个（占73.9％），开展体外分析的394个（占34.3％）、开展脏器

功能测定的559个（占48.7%）。

2. 正电子显像设备情况

我国大陆地区共有391家正电子设备单位，其中PET/CT 404台、PET/MRI 23

台，较2017年增长120台（增幅39.1%）。从地域分布看，全国有16个省市的PET

设备配置大于10台，其中广东省、江苏省、北京市和上海市（并列第三）位居三

203

甲。

3. 单光子显像设备情况

我国大陆地区共安装单光子显像设备903台，较2017年增长46台（增幅5.4%），

其中SPECT/CT 495台（占55%）、SPECT 307台（占34%）、符合线路80台（占

9%）、心脏专用SPECT 8台（占0.9%）、γ相机13台（占1.4%）。

4. 其他核医学设备情况

医用回旋加速器120台，配置于117家医疗单位，同比2017年增加10台（增幅

9.1%）全国拥有甲功仪506台、骨密度仪133台、肾图仪23台、多功能测定仪18

台、呼气试验分析仪13台。小动物显像设备：小动物PET、SPECT、MR、CT、

光学成像、磷屏成像等设备共41台。

5. 设备使用情况

（1）PET检查总数86.4万例/年，较2017年增加65.2％。PET/CT检查项目中，

肿瘤疾患约占97.2％，神经系统疾患约占1.7％，心血管疾患约占0.7％，骨骼系

统疾患占0.1％，其他约占0.3％。PET/MR检查项目中，肿瘤疾患约占87.4％，神

经系统疾患约占11.4％，心血管疾患约占1.2％。（2）单光子显像总数251.4万例

/年，较2017年增加19.88％，位于前5位的项目为：全身骨显像（63.0％）、内分

泌系统显像（16.0％）、泌尿系统显像（12.0％）、心肌血流灌注显像（4.0％）

及消化系统显像（2.0%）。（3）小动物显像总数18012例次/年，其中PET/CT占

65.0%，PET/MR占15.0%，光学成像占8.0%。

6. 核素治疗情况

2019年全国开展核素治疗的医疗机构为770个，较2017年增加108家（增幅

16.3%），共设有病床2544张。核素治疗病例总数为52.82万人次，其中甲亢14.57

万例，皮肤病16.96万例，类风湿关节炎和甲亢突眼等云克治疗9.84万例，甲状腺

癌8.42万例，难治性恶性肿瘤放射性粒子组织间植入治疗1.3万例，骨转移瘤1.07

万例。其中四川省和广东省2019年核素治疗病例超过5万例次。

7. 体外分析检测

2019年全国有394个科室开展体外分析检测，共检测样本数40863821，检测

量179885413。其中322家单位使用化学发光免疫分析法，占81.72%。394个体外

分析科（室）中通过ISO15189认证的实验室有44个，通过生物安全二级实验室

204

(A\BSL-2、P2)认证的有68个。2019年全国共有体外分析类设备1364台，其中国

产设备678台，进口设备686台。

8. 放射性药物使用情况

2019年全国具有I、II、III、IV类放射性药品使用许可证的单位分别为20、419、

333和65家。使用非正电子药物的医疗机构777个，其中，277个单位以自己制备

药物为主，500个单位由药物中心提供药物。全国可自备18F、11

C、13N-NH3H2O、

68Ga正电子药物的单位分别有119、44、25、17家，有342家和3家单位需要通过

购买或单位互济方式获得18F和68

Ga标记药物。2019年全国共有87.64万例病人进

行18F标记药物正电子显像，0.467万例病人进行68

Ga标记药物显像，0.357万例病

人进行11C标记药物显像，0.042万例病人进行13

N-NH3H2O显像。

9. 人员基本信息

全国共有12578人从事核医学工作，较2017年增长38.4%。其中医生5408人，

技师3739人，护士2682人，工程师70人，放化师210人，物理师116人，其他353

人。从事核医学工作者中，正高级职称853人，副高级职称1739人，中级职称4277

人；拥有博士学位864人，硕士学位2546人，本科学位6990人。

10. 教学和人才培养

开展博士研究生教学59所、8年制教学65所、硕士研究生教学183所、7年制

教学62所、影像本科教学248所、临床本科教学319所、规培教学377所、专科教

学110所、成人教学工作的有70所医疗机构。目前全国共有影像医学与核医学专

业博士生导师128人、硕士生导师376人。截止2019年12月31日，全国核医学在读

博士生302人，硕士生961人。

二. PET临床应用的进展

PET 成像技术已较为成熟，临床使用广泛。本部分将从肿瘤、心血管疾病、

神经系统、炎症、自身免疫疾病及多模态分子影像这几个方面的进展介绍国内

PET 临床应用情况。

1. PET 在肿瘤临床应用日益规范

随着 PET 成像技术的不断完善、新型肿瘤 PET 分子探针的不断开发，其在

肿瘤诊断、鉴别诊断、分级分期、辅助治疗决策、疗效评估中的作用也日益受到

205

临床的重视。为了进一步规范 PET 肿瘤显像的临床使用，国内核医学及相关学

科的引领组织或机构相应发布了多项临床应用指南、规范、指导原则、评价指标、

专家共识等指导性文件（表 1）。相关内容涉及检查适应证、医务人员岗位职责、

检查操作规范、报告书写、质量控制和显像过程中的辐射安全问题等。

近年来主要新增的指南和共识主要围绕新型特异性分子探针的临床应用，如

靶向前列腺癌、神经内分泌肿瘤的分子探针，随着其在临床逐渐推广并得到广泛

认可，对其应用的规范化也受到重视。此外，18F-FDG 在各种肿瘤中的应用也随

着循证医学研究的深入而进一步规范化，如在淋巴瘤、多发性骨髓瘤等血液系统

肿瘤分期、疗效评估中的价值随着相关疾病诊疗指南的变更而不断完善，在辅助

放疗计划精准制定、引导经皮生物靶区活组织检查等方面的应用也随着技术的进

步而得到规范化推进。

表 1 近年 PET 肿瘤显像指导性文件

指南或规范制定组织或机构发布方式

68Ga-前列腺特异性膜抗原 PET/CT

前列腺癌显像操作指南

中国抗癌协会泌尿男生殖系统肿

瘤专业委员会

中国医学影像技术，

2019；35（10）

18F-NaF PET/CT 骨显像操作指南中华医学会核医学分会（China

Society of Nuclear Medicine,

CSNM）

中华核医学与分子影像

杂志，2016；36（1）

淋巴瘤 18F-FDG PET/CT 显像临床

应用指南（2016 版）

CSNM PET 与分子影像学组中华核医学与分子影像

杂志，2016；36（5）

PET/CT 引导下微创经皮生物靶区

活组织检查术专家共识

CSNM 分子影像介导精准诊断工

作委员会


杂志，2016；36（6）

68Ga-DOTA-生长抑素受体PET/CT

神经内分泌肿瘤显像操作指南

中国医学影像技术杂

志，2019；9

分子影像人工智能专家共识（2019

版）

中华医学会核医学分会分子影像

人工智能工作委员会


杂志，2019,39（12）

核素心肌显像临床应用指南中华医学会核医学分会、中华心血

管病分会

中华心血管病杂志 ,

2019,47（7）

核素心肌显像规范化报告书写专

家共识(2018 版)

中华医学会核医学分会中华核医学与分子影像

杂志，2018, 38(12):

206

2. PET 在心血管疾病应用进展

心血管核医学经过近一个世纪的发展，目前已经成为临床诊疗的重要依据。

在临床核心脏病学中，已建立包括心肌血流灌注和物质代谢评估方法，以确定缺

血负荷、梗死面积和组织活力等指标。这些定量且标准化的功能测量是临床诊断

疾病、指导治疗决策和监测治疗效果的关键信息。

存活心肌评估是心血管核医学最常规的检查项目，既往的检查方式是以

99mTc-MIBI SPECT 心肌血流灌注+

18F-FDG PET 心肌代谢显像联合的方式进行。

近年来在临床上推广 PET 一站式存活心肌评估，13N-NH3H2O PET 心肌血流灌注

+18

F-FDG PET 心肌代谢显像，为患者带来了更多便利的同时，也提高了评估的

精准度。2018 年，中华医学会核医学分会发布了《核素心肌显像规范化报告书

写专家共识(2018 版) 》，为这一检查方法的规范化提供的指导性文件。

运用静息+负荷心肌血流灌注显像，PET/CT 心肌血流灌注定量分析是近年

来在临床得到逐步推广的一种新的非侵入性冠状动脉疾病评估方法，可有效揭示

冠脉危险因素与冠脉循环间的关系，准确判断冠脉左主干和（或）多支血管病变

血流灌注量的改变，客观评估冠脉微血管病变，为缺血性心脏病提供重要的诊断、

危险分层及预后信息 [2]。

除了上述两种临床常用的心血管核医学检查方法外，随着 PET/MR 技术的

引入及多种分子探针的开发，PET 在心肌炎、心肌病、淀粉样变性、心瓣膜病、

神经受体相关心衰、心律失常、动脉粥样硬化斑块等疾病的评估中也发挥着日益

重要的作用。但是国内因为 PET/MR 装机数量有限，主要应用在肿瘤和神经系

统疾病，在心血管疾病应用有待进一步拓展。

3. PET 在神经精神疾病应用的进展

神经系统疾病，特别是神经退行性疾病、精神心理疾病及癫痫等，以结构影

像为基础的 CT 和 MRI 检查通常难以探查出病变，进而影响临床诊断和治疗决

策。随着 PET/MR 技术的引入和多种特异性分子探针的开发，对上述神经精神

疾病的影像学评估提供了更多的手段。

在以帕金森病为代表的运动障碍神经退行性疾病中，PET 可以针对其疾病发

生的关键神经递质受体系统（多巴胺能系统、乙酰胆碱能系统、肾上腺素能系统

等）进行特异性显像，用于疾病的诊断。此外，PET 还可以借助脑葡萄糖代谢模

207

式的差异，对不同类型的帕金森综合征进行鉴别诊断 [3]。

在以阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease，AD）为代表的认知障碍神经退行

性疾病中，PET 可以针对其疾病发生的关键病理标志物（淀粉样斑块沉积、tau

蛋白异常磷酸化）进行特异性显像，用于疾病的诊断。此外，根据认知障碍类疾

病的复杂性，联合脑葡萄糖代谢显像及其他神经分子探针显像，有助于判断 AD

的亚型、鉴别其他种类痴呆以及判断认知障碍的严重程度。2020 年《中华核医

学与分子影像杂志》发布了《淀粉样蛋白 PET 脑显像技术规范专家共识》，进

一步规范了国内显像的应用。

抑郁症是当今社会严重危害人类健康的心理疾病之一。PET 可通过检测放射

性核素标记的葡萄糖、氨基酸、脂肪及某些神经递质随时间的变化，测定脑局部

的血流、葡萄糖代谢及受体分布，反映大脑局部功能代谢和神经化学变化，进而

为抑郁症发生、发展的机制研究及疾病诊断和评估提供依据。

癫痫是一种常见的神经系统疾病，PET 利用不同种类的示踪剂，来探究脑组

织葡萄糖代谢、氧代谢、神经受体分布、生化和蛋白合成等方面的变化，联合

MR 反映的脑结构、组织成分、血流灌注、神经纤维走形等改变，可对癫痫的定

性、定位诊断提供丰富的信息，为病情的评估及治疗方案决策提供依据。

4. PET 在炎症、自身免疫疾病中的应用探索

炎性疾病包括微生物感染性疾病和非感染性疾病，后者包括理化因素、自身

免疫因素（如成人 Still 病、血管炎、特发性炎性肌病等）所致炎症。虽然因素

众多，但是炎症的病理变化过程类似，且炎性细胞的密度与 18F-FDG 的摄取程度

呈正相关。因此，无论是感染性疾病，还是非感染性炎症，均可在疾病的不同病

理阶段表现为不同程度的 18F-FDG摄取。18

F-FDG PET的显像特点联合临床表现，

对于寻找感染灶、发热循因、自身免疫疾病活动期的判断等有着独特的优势 [4]。

5. PET/MR 多模态分子影像临床应用的日益成熟

PET/MR 在技术上融合了 PET 和 MR 两种成像方法的优势，借助 PET 分子

探针的高灵敏度和特异性，可实现对血流灌注、细胞代谢、增殖、受体/转运体

状态、突触传递、基因表达、病理标志物的可视化及评估；借助 MRI 的高分辨

率/组织对比度、多序列多参数的丰富信息、无辐射的独特优势，实现病灶结构、

组织成分、功能的分析。两者结合可以充分实现优势互补。

208

我国已安装 PET/MR 设备 23 台，经过近 10 年的临床实践发现，PET/MR 在

以下领域具有更优越的潜力：① 联合多分子探针，实现神经退行性疾病的准确

诊断；② 联合 MRI 多序列多参数，实现癫痫病灶的准确定位及定性；③ 联合

MRI 多序列多参数分析，实现冠心病、心肌梗死、心肌炎、心肌病等疾病的诊

断和评估；④ 联合多探针、多序列分析，实现特殊部位肿瘤（神经系统肿瘤、

前列腺癌、消化系统肿瘤、神经内分泌肿瘤等）的诊断、微小转移灶的探测、残

留病灶/瘢痕的判断；⑤ 联合多探针、多序列分析，实现炎性疾病、代谢性疾病、

自身免疫病等非肿瘤性疾病的辅助诊断。2020 年在《中华核医学与分子影像杂

志》上颁布了《PET/MR 诊断报告规范化书写专家共识（2020 版）》。

三. SPECT/CT临床应用进展

SPECT 作为核医学常规检查项目，其仍然是核医学最广泛用于临床的检查。

本部分将简述处理技术或常规显像剂的新应用的相关进展。

1. 核素心脏显像的应用进展

核素心脏显像监测肿瘤放化疗心脏毒性：核素心血池显像提供的左室射血

分数（LVEF）的准确性和可重复性明显优于超声心动图，门控心肌灌注显像有

助于早期评价肿瘤治疗所致心脏毒性。国内近年应用放射性核素平衡法心血池显

像评价乳腺癌靶向治疗中的左心室功能，核素心血池显像能有效监测治疗后左心

室功能的变化 [5]。门控心肌灌注显像相位分析对弥漫性大 B 细胞淋巴瘤（DLBCL）

患者蒽环类药物所致心肌损害的早期诊断价值，DLBCL 患者蒽环类药物化疗后

出现左心室收缩不同步且明显早于左心室功能受损，可作为早期评价蒽环类药物

化疗所致心肌损害的指标 [6]。交感神经显像剂 123

I-间位碘代苄胍(123

I-MIBG)

SPECT 心脏显像，在服用阿霉素患者的心脏中摄取明显降低，与剂量正相关，

提示化疗后心脏交感神经受损。心肌细胞凋亡显像，如 99mTc-膜联蛋白

(Ⅴ)(Annexin Ⅴ)的摄取与化疗药物阿霉素的累积剂量正相关。

D-SPECT 心肌灌注显像推广。带碲-锌-镉(CZT)固态探测器的心脏专用

SPECT 显像仪行心肌灌注显像，应用日趋广泛。D-SPECT 可测定冠状动脉血流

储备（CFR）和心肌血流量(MBF)，诊断冠脉微血管功能病变（CMD），CFR

减低被用来代表 CMD，因此 D-SPECT 显像可应用于评价 CMD。文献报道，不

209

同注射剂量方案 CZT-SPECT 心肌灌注显像快速采集时间的优化，高、低剂量，

优化快速采集时间，进一步缩短显像时间。

在 SPECT 心肌灌注显像技术与图像处理方面，中国医学会核医学分会于

2019 年发布《SPECT 心肌灌注显像技术与图像处理要点专家共识(2019 版)》，

总结归纳了 SPECT MPI 临床实践中采集技术和图像操作要点，以更好地促进国

内 SPECT MPI 的规范开展和临床应用的推广。

2. 基于诊断级 CT 的新应用

采用同机心脏 CT 扫描对心肌灌注显像进行衰减校正已成为常规，诊断级

CT可进行标准心电门控冠状动脉钙化积分(coronary artery calcium scoring, CACS)

扫描，CACS能显著提高MPI的灵敏度。由于CT分辨率的提高，可通过SPECT/CT

引导下进行 125I 粒子植入治疗；99m

Tc-MIBI SPECT/CT 显像实时引导经皮胸腔穿

刺活组织检查(PTNB)；并可以在 SPECT/CT 心肌灌注显像中通过低剂量衰减校

正 CT 发现心外病变。

3. 新型处理软件或诊断模型的应用

NeuroGam 软件可基于体素对脑功能图像进行分析；基于深度神经网络构建

的甲状腺平面显像智能识别甲状腺功能状态诊断模型；定量灌注 SPECT(QPS)软

件分析左心室功能参数，提示 AMI 血运重建术后 LVSD 患者 PER 和 PFR 高度相

关，且对心血管事件的发生有独立预测价值；SPECT/CT 定量测量 99mTc-MDP 骨

显像腰椎标准摄取值得方法。

四. 放射性核素治疗

放射性核素治疗，已经成为临床主要的治疗手段之一，是近年来最活跃和发

展最快的领域之一，是核医学主要的组成部分之一。

核医学放射性核素治疗的经典临床应用包括：131I 治疗甲状腺功能亢进症、

甲状腺癌，放射性药物治疗肿瘤骨转移，放射性核素敷贴治疗海绵状血管瘤、瘢

痕疙瘩等。最近 2 年，应用 125I 放射性粒子治疗实体肿瘤、受体介导的核素治疗、

肿瘤放射免疫靶向治疗、硼中子俘获治疗恶性肿瘤逐渐开展了临床应用。

1. 放射粒子植入治疗

放射粒子植入治疗属于近距离放射治疗的范畴，是将含有放射性核素（如 125I

210

和 103Pd 等）的微型封闭粒子源、按制定的治疗计划，通过术中植入方式或影像

引导以一定的方式直接植入到肿瘤病灶，从而达到治疗作用的一种内照射治疗技

术。目前中华人民共和国国家职业卫生标准（GBZ178-2017）颁布了《粒子源永

久植入治疗放射防护要求》，对放射性 125I 粒子植入治疗已日益规范，并明确必

须由核医学科负责该项目粒子的管理。中华医学会核医学分会发布了《放射性 125I

粒子植入治疗恶性实体肿瘤技术质量管理核医学专家共识(2019 年版)》，明确了

开展 125I 粒子植入治疗医疗机构、人员、设备、场所的要求，以及对治疗医师、

技师和护士的质量控制，并对放射性粒子治疗防护要求进行了说明。

2. 放射免疫导向治疗

放射免疫导向治疗是应用放射性核素标记特异性抗体导向治疗肿瘤的方法。

唯美生（131I-肿瘤细胞核人鼠嵌合体单克隆抗体注射液）和利卡汀（131

I-美妥昔

单抗注射液）是国内批准上市的免疫导向治疗药物，但是目前应用情况欠佳，开

展该治疗的单位有限。未来放射免疫治疗将是很重要的肿瘤靶向治疗方向，在单

克隆抗体筛选、制备及优化，核素标记抗体后在体药代动力学的研究和优化、治

疗疗效评估与预后判断、治疗机理等方面，还有很多基础工作需要进行。

3. 受体介导的核素治疗

受体介导的核素治疗是依据受体和配体特异性结合的特性，利用放射性核素

标记的特异性配体，通过配体与受体之间的特异性结合，使放射性核素浓聚于病

灶，达到内照射治疗的目的。最常用的是应用 177Lu-奥曲肽进行神经内分泌肿瘤

的治疗，177Lu-奥曲肽与神经内分泌肿瘤过度表达的生长抑素受体（SSTR）相结

合，起到内照射和化疗的双重治疗作用。已有研究表明，SSTR 介导的放射性核

素治疗神经内分泌肿瘤疗效较好，且无严重的毒副作用，是一种有发展前景的二

线治疗方案。目前我国近 2 年仅有南京市第一人民医院常规进行 177Lu-奥曲肽的

治疗，开创了国内受体介导核素治疗的先河。由于目前 177Lu 仍旧需要进口，国

产之路仍旧十分迫切。相信在未来，这一治疗会很快在国内转化，并蓬勃发展起

来。

4. 中子治疗

硼中子俘获治疗（BNCT）是一种新型的靶向治疗，利用 10B 选择性的聚集

在肿瘤细胞，并对肿瘤细胞产生足够的射线，从而杀死肿瘤细胞，目前临床上广

211

泛应用的硼携带剂分别是对二羟苯丙氨酸（BPA）和十一氢巯基十二硼化二钠

（BSH），在胶质瘤及黑色素瘤等恶性肿瘤的治疗中取得了较好的效果。国内微

堆 BNCT 已经治疗 20 例恶性黑色素瘤和脑胶质瘤等，加速器 BNCT 实验装置已

用于动物实验研究，加速器 BNCI 临床装置正在研制中。。

五. 放射性药物进展

近年来，放射性药物发展与我国核医学发展紧密相关，代表今后核医学发展

方向。2017 年放射性药物市场规模达到 25.06 亿元，2022 年预期达 65.12 亿元。

放射性药物市场规模增长将吸引更多的资金投向放射性药物市场。在此阶段，放

射性药物制备生产、质量控制等硬件设施及管理水平也取得长足的进步，中国放

射性药物生产企业已建成 10 余条 GMP 级放射性药物生产线、30 余个 99mTc-即

时药物及 18F-FDG 药物生产配送中心。

1. 放射性药物使用现状

2019 年医疗机构及院所放射性药物使用情况 [1]：2019 年全国单光子药物

使用单位情况如下：非单光子药物使用单位为 371 家（32.3%），自主制备 277

家（24.1%）、药物中心供应 500 家（43.6%）。2019 年全国正电子药物使用单

位情况如下：使用正电子药物机构为 461 家，占 40%，未使用正电子药物机构

687 家，占 60%。2019 年全国放射性药物用量逐年上升。据不完全统计，钼锝发

生器使用量由 2018 年 12558 Ci 上升至 13540 Ci，锝标药物使用量也由 566428

针上升至 629713 针；18F-FDG 使用量由 3393 Ci 上升至 4315 Ci。2019 年全国正

电子放射性药物临床检查量仍以 18F-FDG 为主，占检查量的 99%，全国共 87.6

万例；68Ga-药物全国使用量约为 0.47 万例，11

C-药物约为 0.36 万例，13N-NH3H2O

药物约为 0.04 万例。正电子药物以 18F-、11

C-、13N-/NH3H2O、68

Ga-为主。461

家单位均使用 18F-药物，119 家为自主制备、342 家单位向专业公司购买或采用

单位互济形式。11C-、13

N-/NH3H2O、68Ga-药物均为单位自主制备：44 家单位使

用 11C-药物；25 家单位使用 13

N-NH3H2O；17 家单位使用 68Ga-药物。个别医疗

机构可以制备科研用的 64Cu 核素。

2. 自主制备正电子药物情况

利用医疗机构的四类放射性药品使用许可证，医院开展了新型放射性药品的

212

研制及临床应用研究，为下一步放射性药品市场化作准备。2019 年全国放射性

药物使用许可证情况如下：I 类证 20 家、II 类证 419 家、III 类证 333 家、IV 类

证 65 家。为了规范医院自行制备的正电子放射性药物，国家药品监督管理局牵

头，起草并印发了《医疗机构制备正电子类放射性药品管理规定》（国食药监安

［2017 修订］），从正电子放射性药品的制备环境、人员资质、环境和设备等

多方面进行了约束，并明确规定了正电子放射性药品管理采用备案制，医疗机构

制备的正电子放射性药品满足本单位使用，如调剂需国家药监局备案等；并制定

了医疗机构制备正电子类放射性药品的质量管理规范和省级药监备案的 12 种放

射性药品，分别是：氟-［18F］脱氧葡糖（18

F-FDG）、氟-［18F］氟化钠（18

F

离子）、氮-［13 N］氨水（13N-NH4

+）、氧-［15O］水（15

O-H2O）、碳-［11C］

乙酸盐（11C-Aceate）、碳-［11

C］一氧化碳（11C-CO）、碳-［11

C］蛋氨酸

（11C-Methionine）、碳-［11

C］-胆碱（11C-Choline）、碳-［11

C］氟马西尼（11C-FMZ）、

碳-［11C］雷氯必利（11

C-Raclopride）、碳-［11C］甲基 2-甲基酯（4-氟-苯基）

托烷（11C-CFT）、碳-［11

C］甲基哌啶螺环酮（11C-NMSP），其中 18

F-FDG 、

18F 离子、11

C-乙酸盐、11C-胆碱、11

C-蛋氨酸、13N-氨离子等放射性药品已有医

疗机构通过省级备案，上述大多数正电子放射性药品均应用于临床研究和疾病诊

断。

3. 新型放射性药物的开发与应用

目前放射性药物生产企业加大研发投入力度，新药研发与申报工作一直在

进行中。目前用于临床研究或临床试验的显像剂和核素治疗药物见表 2。

表 2 近 2 年国内报道的用于临床研究和临床试验的新型放射性药物

种类显像剂用途

单光子显像剂

99mTc-HER2 靶向 Her-2 阳性肿瘤

99mTc-RGD-BBN 靶向肿瘤新生血管

99mTc-美罗华肿瘤前哨淋巴结

99mTc-PSMA 前列腺癌

99mTc-GSA 肝细胞受体显像剂

131I-MIBG 嗜铬细胞瘤

99mTc-TRODAT-1

多巴胺转运体显像剂

213

肿瘤正电子显像剂

18F-FAPI/

68Ga-FAPI 肿瘤成纤维细胞活化蛋白

18F-PSMA/

68Ga-PSMA 前列腺癌

18F-胆碱前列腺癌

18F-FLT

细胞增殖显像剂

18F-FES

雌激素受体显像剂

18F-谷氨酰胺氨基酸显像剂

18F-阿法肽注射液靶向肿瘤新生血管

18F-ML-10

肿瘤凋亡

18F-FMISO 乏氧显像剂

11C-PD153035

表皮生长因子受体显像剂

神经疾病正电子显像剂

11C-PIB/

18F-AV45/

18F-AV1

Aβ 淀粉样斑块显像剂

18F-APN 1607

Tau 蛋白显像剂

18F-FP-DTBZ

单胺囊泡显像剂

治疗用放射性药物

177Lu-DOTA-TATE

神经内分泌肿瘤

177Lu-PSMA-617

前列腺癌

188Re-HEDP

肿瘤骨转移

90Y 玻璃微球肝癌介入治疗

223Ra 注射液前列腺癌骨转移

与国外同期在研临床显像剂对比，尽管国内研究的数量和品种较多，但几

乎都是学习、模仿的产品，缺少自主知识产权的新药，因此今后在自主知识产权

放射性药物研发上需要加大投入 [7]。

六. 核医学设备与技术进展

1. PET 设备进展

（1）硅光电倍增器件（SiPM）推动 PET 性能进步

小尺寸、低电压、磁场兼容、快时间响应特性的 SiPM 器件在 PET 设备中广

泛应用，是 PET 仪器核心部件继高发光量、快速闪烁晶体全面应用以来的又一

214

重大技术进步。一方面，SiPM 具有磁场不敏感特性，取代了早期的雪崩型光电

二极管（APD）成为现代 PET/MR 的主流部件，极大提高了 PET/MR 系统的稳

定性和可靠性；另一方面，在 PET/CT 中也正在经历从传统的光电倍增管（PMT）

到 SiPM 的换代过程。其小尺寸的优势使 PET 探测器晶体方案设计更为灵活，进

一步提高 PET 系统空间分辨率；其快速时间响应特性以及与现代高发光量闪烁

晶体在光谱匹配方面的优势，使现代飞行时间（TOF）-PET 时间分辨率由早期

的 600 ps 以上提高到 200 ps400 ps，使得 PET 图像的信噪比和定量精度特性均

显著提高。SiPM 器件应用带来的技术红利，未来仍有相当程度的潜力可以继续

挖掘，如 PET 时间分辨率仍有可能随着电子学电路在快速信号处理技术方面的

进一步发展，及全数字化 Digital SiPM 器件等技术优势的进一步发挥而进一步超

越当前的 200ps 门槛。

（2）长轴向视野成为 PET/CT 设备系统设计新方向

PET/CT 系统的扫描速度是临床应用中关键的性能指标之一。在经历了由三

维数据采集模式带来的第一次飞跃后，近年来各大 PET/CT 厂商通过增加探测器

环的轴向覆盖长度，显著提高探测效率，同时减少了单床位 PET 扫描时间和总

扫描床位数目，有效提高 PET 检查病人通过率和减少病人身体运动带来的图像

质量下降。与此同时出现的床体连续移动采集模式、往复式扫描的动态全身采集

模式，使长轴向视野系统的临床应用模式进一步拓展。

轴向长度为近 2 米的超长轴向视野、全景式 PET/CT 设备的出现，使 PET

系统探测效率向接近极致方向大幅迈进。上海联影与美国芝加哥大学（UCLA）

联合研发的 EXPLORE 2m 长 PET/CT 已在国内外医疗机构安装运用，北京大学

获批国家十三五计划正在研发具有我国知识产权的新一代 2m 长的 PET/CT ，暂

命名为“扁鹊一号”。全景式 PET/CT 除了进一步显著缩短扫描时间，减少噪声

对图像质量和诊断精度的影响外，未来有望在全身 PET 动态参数显像、极低剂

量显像、短半衰期核素精确显像等方面，推动 PET 应用的进一步创新[8]。

2. SPECT 设备进展

SPECT、SPECT/CT 技术发展迅速，其在临床应用广泛。北京永新医疗设备

有限公司研发的国产 SPECT 已在国内安装运行，应用良好。他们继续研发

215

SPECT/CT 和适用临床需求的新型 SPECT 技术。近年来 SPECT 主要新技术如下。

（1）CZT 半导体探测器技术融入 SPECT

SPECT 传统上一直采用整块 NaI(Tl)闪烁晶体+PMT 的 Anger 相机作为探测

器。近年来，碲锌镉（CZT）半导体探测器技术先后应用于心脏专用 SPECT 和

全身 SPECT 系统。更小像素尺寸的 CZT 探测器通过改善探测器的固有空间分辨

率，为准直器的孔型设计优化提供了一定的空间，系统空间分辨率有一定提升，

但重金属制成的吸收准直器仍然是制约系统性能的主要瓶颈。同时，CZT 探测

器的高能量分辨率优势使其在多核素 SPECT 显像、精确散射校正等方面具有明

显优势，未来如能随着大规模应用和基础材料供应链国产化解决造价高昂的问题，

基于 CZT 探测器的 SPECT 系统有望广泛应用。

（2）SPECT 系统设计向高灵活性方向发展

与 PET 不同，单光子显像可以只在人体的一端探测光子，因而 SPECT 系

统的设计灵活性更高。如心脏专用 SPECT 机器等，可通过应用高固有空间分辨

率的探测器技术并使成像视野集中与心脏等单器官区域，获得空间分辨率和探测

效率的性能优势。部分心脏 SPECT 系统采用了聚焦型多针孔准直器技术，通过

缩小视野，提高放大倍数来弥补 SPECT 空间分辨率的不足，实现高灵活性、高

性能的单器官显像。在全身 SPECT 显像中，针孔准直器视野小、采样不均匀特

性使其难以将分辨率优势扩展到全身视野。传统准直器的低分辨率、低探测效率

瓶颈仍是限制 SPECT 系统技术性能大幅度提高的核心因素。

3. 影像方法和数据分析技术进展

（1）高质量、高定量精度的迭代算法发展

以极大似然-期望最大化（ML-EM）和其变种有序子集-期望最大化（OS-EM

算法）为代表的统计迭代类算法已成为核医学图像的主流重建算法。随着一体式

SPECT/CT 和 PET/CT 的不断普及应用，CT 图像不仅为核医学图像提供解剖结

构定位依据，也提供了 SPECT 和 PET 进行精确衰减校正、散射校正所需的高质

量低噪声人体衰减系数分布。PET/MR 的衰减校正精度也随着系统的普及应用和

算法不断优化而逐步提高。近年来，随着贝叶斯统计估计准则框架的引入，最大

后验-期望最大化（MAP-EM）类算法成为重建算法的新发展潮流。通过引入保

护边缘的图像光滑特性先验抑制图像噪声，及进一步利用 CT 解剖图像与药物空

216

间分布的结构相似性引入约束先验等技术（如超级迭代、刻骨 SPECT 重建等），

使得核医学图像重建质量进入一个新的层次。

另一方面，随着先进硬件技术提供的高质量原始采集数据，通过 MAP-EM

等算法对图像信噪比的有效提升，衰减、散射、部分容积效应、病人身体及器官

运动校正方法，经过工业界多年的实践摸索不断成熟，以 SUV 为代表的 PET 图

像定量精度在临床中的认可度进一步提升。在现代 SPECT/CT 系统中，SPECT

图像也在向着定量化的方向发展。未来，要达到不同厂家、不同医院科室的核医

学图像定量值高度一致的目标，仍需要长期的努力。

（2）动态参数成像技术

动态参数成像是核医学的特色成像技术手段之一。由于其技术条件水平要求

高，采集时间长，动态参数诊断分析复杂，长期以来临床应用程度远不及静态成

像。随着现代 PET/CT 仪器的探测效率等技术水平的显著提高，基于图像的血浆

输入函数提取技术逐步成熟。目前不少PET/CT系统具有动力学参数成像功能，

如在肿瘤显像中，提供除静态 SUV 图像外的代谢速率、分布容积等参数图像。

也有不少研究表明动态参数图像在临床诊断中具有独到的优势。在高性能仪器和

高质量图像技术支持下，动态参数成像将有望成为未来核医学临床诊断的新重点

方向之一。

七. 人工智能在核医学方面进展

人工智能（artificial intelligence，AI）于 1956 年在达特茅斯会议首次提出，

是一类包含大量参数的机器智能算法。截止 2020 年 09 月 17 日，Pubmed 数据库，

以摘要或关键词出现[“PET”OR“SPECT”] AND [AI OR deep learning]，全世界文

献 958 篇，其中单位为中国文献 121 篇，约占 12.63%。据此粗略检索，可见 AI

在核医学领域中的研究现状以及其中中国在此领域的地位。目前 AI 在核医学方

面的研究主要应用见图 1。2019 年中华核医学杂志还发表了《分子影像人工智能

专家共识（2019 版）》[9]。

217

图 1 人工智能在核医学中的应用

1. 人工智能在核医学图像采集、处理及重建方面应用

深度学习技术在图像处理和重建方面主要用于降噪、提速，从而在保证 PET

图像质量的前提下，大大降低 PET/CT、PET/MR 显像所需放射性显像剂剂量，

有研究表明可降至传统检查剂量的 0.5%，从而降低患者辐射，提高社会经济学，

达到实践最优化放射性防护准则。AI 在此方向的研究取得相应进展，部分成果

已转化为核医学设备技术一部分，包括国产核医学医疗设备，代表性国产厂家是

上海联影智慧医疗投资管理有限公司的成果——PET“高清探头”。该低剂量 PET

扫描系统基于深度学习算法，可实现标准剂量 PET 图像快速重建，提升低剂量

PET 图像质量，秒级完成由低剂量 PET 图像到标准剂量 PET 图像的图像映射。

在保证 PET 图像定量准确性的同时提高图像信噪比，在满足 PET 图像临床需求

的同时减少扫描时间。使 PET 设备扫描更快、更经济、更安全，可以用于 PET/CT

或 PET/MR，可以提高医院扫描效率，同时改善患者体验度。

2. 人工智能用于疾病辅助诊断、鉴别诊断

AI 技术可应用于病变筛选、病灶图像分割，经过图像后处理后，分析病灶

及疾病诊断。利用深度学习帮助准确阐明肺纯磨玻璃样结节的自然发展进程，结

果表明分叶征、起始直径较大的磨玻璃样结节更容易生长；利用观察深度信念网

络（DBN）方法识别PET/CT图像肺结节良恶性；基于深度卷积神经网络（DCNN）

的深度学习较基于 SIFT 图像特征和单词包的非深度学习更能鉴别前列腺癌和良

性前列腺疾病。

3. 人工智能辅助疾病治疗方法制定、疗效和预后预测

AI 辅助疾病治疗方法制定、疗效和预后预测等相关方向同样有中国学者研

究成果报道。比如，深度学习结合 PET/CT 图像影像组学可以作为晚期鼻咽癌预

218

后预测的可靠和有力工具，可作为患者个体化诱导化疗的潜在指标。应用深度学

习和 PET/MR 影像组学，进行胃肠道间质瘤靶向治疗疗效的预测和早期评价；

应用人工智能模型有助于提供老年和超老年人群透析 1 年后医疗费用和死亡率

等方面可靠信息；使用 123

I-FP-CIT SPECT图像构建帕金森病机器学习诊断模型；

深度学习用于 AD 和帕金森氏病等神经系统疾病诊断；AI 联合影像组学和免疫

技术，可以解决临床医生在患者诊治时面临的诸如疗效判断、肿瘤转移部位预测、

肿瘤类型准确定义和个体化治疗等众多挑战 [10]；利用深度学习模式评价

18F-FDG PET/CT 图像用于预测宫颈癌患者治疗效果等。

4. 核医学检查中患者智能数据获取、诊断、随访复查以及大数据收集

AI 还可以实现影像医学检查智能数据获取、处理和诊疗应用，大幅提升医

生工作效率和精准诊疗，对临床起着巨大作用，可形成贯穿成像前患者引导与管

理、成像、图像质量控制，辅助影像结果初步分析、诊断、临床分期、指导治疗、

疗效评估和随访的病人检查、管理的全线 AI 解决方案。针对科研要求，还可以

构建影像医学检查 AI 共享平台，实现从技术、应用和科研自用向共享转化，利

于大数据科学研究，可加速基于临床大数据的科研成果实施、转化。

总之，AI 在核医学方面也有相关进展，但各方面发展不均衡。尽管在核医

学中患者诊疗相关发表文献研究中，多数研究纳入病例数相对较少，处于初步探

索阶段，研究结果距离临床应用全面推广仍需相关人士更加深入研究。但总体而

言，今后 AI 技术会更优化，应用研究会更广泛，可能像全能的智能百科全书，

可以听、“说”、读、写，可以像人一样做事，且更准确和高效，并不会受主观因

素所影响，随着相应技术发展，核医学也将进入智能发展新时代。

八. 总结及展望

在 2018~2019 年，中国核医学在 PET 和 SPECT 临床应用、核素靶向治疗、

仪器研发、新型放射性药物的研发和转化应用、人工智能在核医学影像诊断和疾

病预测方面等取得了一些进展。从核医学学科发展和人才培养方面，从业人员从

2017 年 9467 人，到 2019 年底的 12578 人，增幅达 38.4%。但是中国核医学发展

仍旧不平衡，从全国层面上讲，东南强、西北弱；大城市强、中小城市弱。核医

学发展也不充分，目前全国三级医院有 2762 个，仅有 968 家（35%）有核医学

219

科，340 家（12.3%）有正电子设备；全国二级医院 9730 个，仅有 118 家（1.2%）

有核医学科 [1]，而已经有核医学的医院开展的项目也不平衡、不充分。另外，

核医学的发展相对于发达国家还有一定的差距。

据统计，美国在 2018 年即拥有 1545 台 PET/CT；全球各地区的 PET/CT 保

有量（台/百万人）计算，丹麦、美国、韩国在前三位，分别为 5.32、4.39 和 4.18，

全球平均水平为 0.7，而中国大陆仅为 0.17。对于 SPECT/CT 设备，美国拥有 15000

台，百万人均拥有 46.875 台，而中国大陆仅为 0.66 台/百万人，远远低于日本（13.0

台/百万人）、韩国（6.90 台/百万人）。2020 年 7 月，国家卫生健康委发布了《关

于调整 2018-2020 年大型医用设备配置规划的通知》，调整后 PET/MR 规划数量

77 台、PET/CT 规划数量未 551 台，最终结果会在 3 年之内 PET/MR 在国内达到

82 台、PET/CT 884 台。另外，从十三五以来，SPECT 已经划为非乙类设备，可

以根据需求自由购置。这些设备配置的改变将极大促进国内核医学影像技术的发

展，并由影像设备的配置增加对专业人才的需求，并进一步引导临床应用的增加。

从放射药物应用层面来说，SPECT 最常应用的 99Mo-

99mTc 发生器，美国占

全球消耗量的 55%，欧洲、日本和韩国分别为 22%、9%和 3%，而中国不足 3%。

我国放射性药物应用还存在明显的地区差异，放射性药物使用量主要集中在北京、

上海等沿海发达地区。美国 FDA 批准的显像剂达 50 余种，其中 PET 显像剂 11

种，而中国仅有 32 种，其中正电子显像剂只有 1 种（18F-FDG）。国内近年对核

医学显像剂的研发、转化和应用逐渐重视，有 20 余种显像剂通过在医院进行伦

理审批的方法，进行临床研究或临床试验，但是与国外同期在研临床显像剂对比，

大多为学习、模仿的产品，缺少自主知识产权的新药，在这方面的研发还需加大

投入。另外，放射性药物市场规模小，应用不普及、需求不足，投入更是严重不

足；可供应的放射性核素品种少，来源单一，大部分依赖进口；放射性药物人才

缺乏，政策法规还不完善，缺少具体指导原则等等都在限制放射性药物的应用。

未来需要进一步加强基础放射药物化学的研究，加强后备人才培养，实现“产、

学、研、用”合作，期待在具有自主知识产权新型放射性药物的研发和转化上实

现突破 [7]。

未来核医学面临挑战，但是对核医学发展来说也是机遇。核医学需要强基础、

建队伍、重质量；进一步加强新技术、新设备的自主研发能力和新探针的临床转

220

化应用；强化科学驱动的创新，真抓实干，奋发有为，勇于开发和拓展核医学的

不可替代的诊疗应用，相信以临床和患者的需求为导向，核医学的未来会更加美

好！

撰稿人：兰晓莉，马天宇，王雪鹃，孙逊，许杰华，章斌，张晓，赵银龙

参考文献：

[1] 中华医学会核医学分会. 2020年中国核医学普查简报. 中华核医学与分子影像杂志, 2020,

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[2] 覃春霞，兰晓莉，汪朝晖，等. PET 心肌血流绝对定量对冠状动脉微血管疾病的诊断价

值. 中华核医学与分子影像杂志, 2018, 38(7): 46-465

[3] 韩现华，吴平，左传涛. 快速眼动睡眠行为障碍的核素显像研究进展. 中华核医学与分

子影像杂志, 2018, 38(5): 367-370.

[4] Wang Q, Li YM, Li Y, et al. 18 F-FDGPET/CT in fever of unknown origin and inflammation

of unknown origin: a Chinese multi-center study. Eur J Nucl Med Mol Imaging. 2019

Jan;46(1):159-165.

[5] 陈晨，孙斌，胡四龙，等. 放射性核素平衡法心血池显像评价乳腺癌靶向治疗中的左心

室功能. 中华核医学与分子影像杂志, 2019, 39(10):587-590

[6] 邱春，林艳，顾伟英，等. 门控心肌灌注显像相位分析对弥漫性大 B 细胞淋巴瘤患者蒽

环类药物所致心肌损害的早期诊断价值. 中华核医学与分子影像杂志, 2019, 39(10):591-596

[7] 张锦明，杜进. 中国放射性药物制备的现状及展望. 同位素, 2019, 32(3): 178-183

[8] 杜毓菁, 王荣福. 全景PET/CT的研究进展及轴向视场的新突破[J]. CT理论与应用研究,

2018, 27(5): 675-682. doi:10.15953/j.1004-4140.2018.27.05.15.

[9] 中华医学会核医学分会分子影像人工智能工作委员会 . 分子影像人工智能专家共识

（2019 版）. 中华核医学与分子影像杂志, 2019, 39(12):748-751

[10] 袁清玉，江玉明，吕闻冰，等. 基于 18F-FDG PET/CT 图像的影像组学列线图对胃癌术

后的预后评估. 中华核医学与分子影像杂志, 2019,39(1) : 2-5.

221

Advance in Application of Nuclear Technology in Agriculture

Nuclear technology continually contributed to the development of agriculture during 2018-2020. In the

field of mutation breeding, new selection approaches of mutant phenotype were established, more than 60

mutant varieties were offically released and the varieties were widely planted. Over 40 institutions were

involved in the National Mutation Breeding Network, which keeps China maintaining the leading country

position. In the field of irradiation processing of agricultural products, both the number of commercial

irradiation facilities (about 210) and the amount of irradiated food (about 0.6 million tons) in 2020 were the

highest in the world, but the revising of national standards and the work of low energy accelerators should be

strengthened. In the field of agricultural nuclide tracing, China has established a technical system of

combining nuclear technology with modern frontier instrument analysis technology, and has initially

possessed the ability to synthesize compounds such as self-labeled pesticides. It provides technical support

for the early entry of high-efficiency environmental-friendly pesticides with independent intellectual

property rights. Nuclear technique continually provided technical support for the research of soil erosion and

non-point source pollution. In the aspect of stable isotope traceability, Chinese scientists have determined

that stable isotopes can trace the origin of agricultural products, which could be used to protect the famous

agricultural products in China. A series of stable isotope databases and mathematical model of agricultural

products traceability have been established, the preparation ability of stable isotopes reference materials was

possessed. In the field of sterile insect technology, significant progress on combining incompatible and

sterile insect techniques (IIT–SIT) enabled near elimination of field populations of the world’s most invasive

mosquito species. The Chinese Society of Nuclear Agricultural Sciences attaches importance to the

popularization of science and propaganda, and expands the social influence of the application of nuclear

agriculture. In addition to maintaining the international leading advantage in the traditional research

direction, nuclear agriculture also provides important scientific and technological support for the

development of modern agriculture, such as ensuring food security, improving the food safety of agricultural

products, and solving the protection and restoration of agricultural ecological environment.

Written by Gao Meixu，Zhao Yan and Guo Huijun

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核技术在农学领域中的作用

―、引言

核农学是核科学与农业科学相结合的交叉学科,旨在利用核科学技术原理研

究解决农业科学领域中基础理论问题，是绿色、低碳的高技术。核农学的特点是

以核物理和放射化学为研究手段，以生命物质、生命活动及生命环境为研究对象，

解决农业科学进步和农业生产发展中的核心关键技术问题。核农学主要研究领域

包括：植物辐射诱变育种、农产品辐照加工、农业核素示踪、稳定同位素示踪溯

源、放射生物学基础及昆虫辐射不育等。

中国核农学创立 60 多年以来，经过几代核农学家的努力，已经成为核技术

应用的重要组成部分，为促进农业现代化发展做出了重要贡献。作为国际原子能

机构（IAEA）亚太地区核农学牵头国，在核农学研究和应用整体上已经达到国

际先进水平，其中辐射诱变育种研究和应用处于国际领先水平，其他领域也紧跟

国际的发展。2019 年，国际原子能机构授牌中国农业科学院，成立了中国农业

科学院-国际原子能机构技术协作中心，并分别依托 5 个研究所，成立植物核辐

射育种技术协作中心、土壤和水管理核技术协作中心、农业核应急准备与响应协

作中心、食品安全质量核技术协作中心和动物疫病诊断与防控核技术协作中心。

2020 年，国防科工局的核能开发项目将核农学单独列入了项目指南。2020 年 9

月浙江大学原子核农业科学研究所牵头组织了新冠病毒电子束灭活在冷链上应

用的研究。这些活动将进一步推动全国核技术在农业生产中的广泛应用，发挥核

农学科技创新在农业农村发展中的独特作用。

在 2016-2017 年核农学学科发展报告中，总结了诱变育种作为一种成熟的育

种技术，在提高产量、改善品质、增强抗逆性方面的作用；农产品辐照保鲜技术

已经有一定规模的商业化应用，但在新的应用领域的应用研究不足；同位素示踪

技术在农药等农用化学物质降解和残留及环境安全性研究中不可或缺；越来越多

的科研单位投入稳定同位素溯源技术的研究、开发与应用示范；我国害虫辐射不

育研究已经建立了基本理论与方法体系。本文在此基础上，主要总结了 2018-2020

年核农学各领域的进展。

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二、核农学主要进展

在国家各级部门的支持，2018-2020 年间核农学取得了一批技术成果，获得

国家和省部级奖励 8 项，出版辐照食品标准和辐照降解纤维素方面的学术专著 2

部、翻译诱变育种专著 1 部、辐照食品科普著作 1 部。核农学除在传统研究方向

持续保持国际领先优势外，也为保障我国粮食安全、提升农产品食用安全性、解

决农业生态环境的保护和修复等现代农业的发展提供重要的科技支撑。

（一）诱变育种的优势和进展

植物辐射诱变育种主要利用射线处理植物种子或其它器官（组织），诱导其

自身的遗传物质发生变异，使其性状发生改变，从而选择有益突变、创制新种质、

培育新品种。辐射诱变育种具有打破不良基因连锁、创新基因性状、增加变异频

率、缩短育种周期和提升育种效果等技术优势。

1 国际发展现状和趋势

国际上利用诱变技术创制种质资源、培育农作物新品种已有近 90 年的历史,

受到国际范围内作物遗传育种家的重视。国际粮农组织（FAO）和 IAEA 把植物

诱变育种技术作为解决粮食安全、丰富遗传多样性和增加农民收入的优先发展领

域，组织的数十项植物育种国际协作研究项目，推动了诱变技术与组织培养、离

体诱变、DNA 分子标记辅助选择和基因功能分析等结合，进行以高产、优质、

多抗为目标的遗传改良或对主要和重要的突变基因进行鉴定、分离与克隆等方面

的研究，在作物新种质创造与新品种培育中发挥着越来越重要的作用。

2 国内研究现状和趋势

我国在农作物诱变育种研究方面较国外起步虽晚，但发展较快并具有鲜明特

点和优势，即在研究和发展诱变技术的同时，将该技术密切地与作物改良相结合，

多年来一直将其列为国家或部门重点科技课题，例如中国农业科学院作物科学研

究所牵头主持的“十三五“国家重点研发计划“七大农作物育种”重点专项“主要

农作物诱变育种”项目，通过组织全国农、科、教大联合、大协作，形成了一支

包括中国农业科学院作物科学研究所、浙江大学、江苏里下河地区农科所、浙江

省农科院、黑龙江省农科院、山东省农科院原子能所等 40 多个单位的国家核辐

射诱变技术育种研发队伍，在小麦、水稻、玉米、大豆、棉花、蔬菜等作物上诱

变育成和推广了 60 多个突变新品种，有力地促进了核辐射诱变技术育种的持续

发展，使我国的核辐射诱变技术及其育种应用研究一直走在世界前列，长期作为

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国际原子能机构亚太地区（IAEA/RCA）植物诱变育种项目牵头国、亚洲农作物

突变研究协会（AOAPM）依托国。由中国农业科学院作物科学研究所牵头在 2019

年成立了亚太植物诱变育种协作网（MBN），以推进亚太地区植物诱发突变新种

质创制、突变机制研究和科研人才培养，中国为首任主席国，刘录祥研究员担任

第一任主席。

近 3 年诱变育种领域取得了一批研究成果，小麦、水稻和大豆品种或种质创

新获国家科技进步二等奖 1 项，获山东省、湖南省、江苏省等科学技术奖一等奖、

二等奖 6 项。这些成果为加快发展我国农作物辐射诱变育种产业打下了坚实的基

础。

在突变机制解析及相关基础研究方面，基因和全基因组水平研究取得重要进

展。中国农科院作科所对小麦 DNA 损伤修复基因的研究，初步解析了诱发性状

变异的遗传学基础；浙江大学用新一代测序技术（NGS）研究了伽玛射线辐射诱

发水稻基因组变异的特征，鉴定出了单碱基替换（SNP）、插入/缺失（INDEL）

和基因组结构变异（大片段缺失、插入，拷贝数变异等）等突变类型，并确定了

诱发突变频率在百万分之一左右（以碱基为单位，较拟南芥中的自发突变频率提

高 1000 倍）。利用现代生物学技术克隆了一批重要核辐射及空间诱变突变基因；

华南农业大学发现了广普高抗的稻瘟病主效抗性基因 Pi-h4,调控水稻株高、叶色

及分蘖的新型水稻基因 hw-1（t）等，为我国的功能基因组研究和转基因育种提

供了重要材料。中国农科院作科所建立的高效突变体分子筛选平台可优化突变体,

高通量筛选 TILLING 平台已经用于小麦淀粉合成路径关键基因变异研究中[1,2]。

在小麦育种方面，山东省农业科学院原子能利用研究所与中国农业科学院作

物科学研究所将空间诱变与常规育种相结合，选育出广适、高产、稳产的小麦新

品种“鲁原 502”，解决了重穗型品种易倒伏的生产难题，累计推广应用 7700 万

亩（1 公顷等于 15 亩），是目前全国第二大小麦推广品种，2019 年获国家科学技

术进步奖二等奖。新疆农业科学院原子能利用研究所通过杂交结合 60Co γ射线诱

变选育出小麦新品种“新春 37 号”，解决了新疆春小麦品种优质不高产、高产不

优质的问题，累计种植近 400 万亩，为新疆春小麦年种植面积最大品种。江苏里

下河地区农业科学研究所将辐射诱变与常规育种融为一体，选育出“扬辐麦 4 号”

等系列新品种，累计推广 3000 万亩。在水稻育种方面，四川省原子能研究院将

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辐射诱变与籼粳交杂种优势利用技术相结合，创制出恢复力强、配合力高、抗病

性好的水稻新种质，培育出“Ⅱ优 D069”等高产抗病亚种间杂交水稻新品种，累

计推广应用 1400 多万亩。湖南省农业科学院核农学与航天育种研究所培育出镉

低积累两系杂交晚稻新品种“C 两优 266”，累计推广 470 多万亩。在大豆育种方

面，中科院东北地理与农业生态研究所利用重离子束辐照技术可以培育出具有高

产、稳产、适应性广、品质优良等特点的系列新品种，其中“中科毛豆新品种的

培育与应用”获黑龙江省 2018 年科技进步二等奖。在功能成分育种和特色水稻

育种方面，近几年取得较大的进展，先后选育了功能及特色水稻新品种 11 个，

包括特殊用途专特用新品种 7 个。适宜创意农业发展的彩色新品种彩色稻，已作

为浙江及全国各地农旅结合的重要抓手，助力乡村振兴和美丽中国的建设，如高

抗性淀粉水稻的创业故事“现代农夫米里淘金”2020 年 6 月 3 日被央视

CCTV17 致富经栏目报道；稻鱼综合种养的升级版的池塘专用稻的种植，推进了

“促养增粮”的绿色生态应用，2018 年 3 月被 CCTV7 科技苑栏目专题报道。

在花卉植物诱变育种方面，我国通过核技术进行观赏植物诱变育种已育出许

多花卉新品种。诱变育种在无性繁殖植物品种改良中具有极大的技术优势：提高

突变几率、缩短育种周期、创新基因突变新类型。江苏里下河地区农科所开展中

国兰、君子兰等名优特色花卉及花菖蒲、鸢尾、水生花卉等诱变工作，20 余个

新品种通过了省级鉴定或国际登录、获得新花卉品种资源 900 余份。该所包括诱

变品种在内 273 份春兰种质资源、53 份惠兰种质资源 2020 年入选国家花卉种质

资源库。云南省农科院的专家利用辐射诱变培育出切花月季新品种；中科院近物

所的科技人员采用重离子辐照技术和甘肃临洗新兴花卉公司合作培育出两种大

丽花新种类“新兴红“和“新兴白”。利用太空诱变技术诱变大青杨开展苗木，选出

的“H495”等三个无性系综合表现突出，年产量已达 10 万多株。

（二）食品辐照的优势和进展

农产品辐照加工主要是利用γ射线、X 射线或电子束等电离辐射处理农产品，

以达到抑制发芽、延缓成熟、杀虫、灭菌消毒和降解有害物质等保鲜储藏效果，

从而保持食品的营养品质及风味，延长货架期，提高农产品的食用安全性。该技

术是 FAO、IAEA 和 WHO 大力推广的农产品安全保障技术，具有安全高效环保

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等优点，无需破坏包装，能够解决在保鲜贮藏领域中常规技术解决不了的技术难

题，在越来越多的冷冻冷鲜食物杀菌方面大有用武之地。

1 国际发展现状和趋势

食用农产品辐照贮藏加工产业正呈现快速发展的趋势，正在加快向农产品和

食品工业领域转移。全世界已有 42 个国家批准了 538 种农产品和食品的辐照应

用，辐照保障食品安全方面和辐照做为检疫处理保证植物安全方面，全球的年辐

照农产品的总量均在逐年增加。第二大辐照食品应用国美国的年辐照食品量约

12.5 万吨，其中 3 万吨为进口的辐照检疫水果，1.25 万吨为辐照牛肉饼，和约

1/3 的全国商用调味品。在 IAEA 的支持下，在线杀菌的低能电子加速器在食品

加工业上的应用受到重视。全球用于辐照加工的电子束加速器超过 1000 台，总

功率达 55MW；钻源γ辐照装置已达 500 多座，装源强度已超过 3 亿居里。美

国、中国、日本和俄罗斯辐照加工商业化程度较快，据不完全统计，在美国和日

本的 GDP 中辐射加工产业贡献率约为 3%-5%，投入与产出比高达 1:5 至 1:10，

有望成为当前经济环境下新的增长点[3]。

2 国内发展现状和趋势

我国农产品及食品辐照加工技术经过 50 多年的发展取得了辉煌的成就。

目前我国辐照加工研究与产业化在国际上已处于领先地位，但在辐照检疫方面还

没有规模应用，低能电子加速器的应用开始进入研究阶段。农产品辐照已经成为

我国农产品加工中不可缺少的技术，例如泡椒类食品的辐照延长货架期，带动四

川重庆食品加工产业的发展。技术应用的推广又推动辐照装置的建立和辐照加工

产业的发展，也成为当前经济环境下新的投资和产业转型升级的热点。2020 年

中广核在广西建立农产品原产地电子束辐照保鲜示范中心，为扶贫助力；中核集

团组织有多家单位开展“辐照灭菌用于冷链食品病毒消杀”研究。食品辐照的应

用研究继续得到我国各级政府的支持，如 2019 年 “高能电子加速器辐照加工

技术研究”得到四川科技厅的“核电与核技术应用重大科技”专项项目支持。

1）辐照处理提升农产品的食用安全性

食品辐照技术在我国食品工业界接受程度在逐步提高，辐照技术与传统的杀

菌消毒手段的优势得到认可。泡椒产品、香辛料（包括新品种复合调味料）和干

果等的辐照是我国主要的辐照产品，2019 年年辐照加工食品的量保守估计约 80

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万吨，约占世界辐照食品总量的 1/2[3]。宁夏的枸杞有望用辐照技术解决多年的

枸杞违法硫磺熏蒸问题。我国粮食和饲料的真菌毒素污染问题严重，辐照在真菌

类生物毒素降解方面的研究继续进行，有望结合其他加工技术进行应用。我国在

标准制定方面还需要加强，2010 年立项制定食品安全国家标准《辐照食品》，但

在目前还没有颁布，但同位素和辐射协会、中国原子能农学会的团体标准制定满

足了市场上的部分需求。

2）农产品辐照装置建设

用于食品辐照的装置还是以 60Co 辐照装置为主，但电子加速器辐照发展很

快，我国近几年建成的辐照装置均为电子加速器。电子束比γ射线辐照具有众多

技术优势和产业化应用优势，不用放射源，容易被消费者接受，是未来食品辐照

加工应用的主导方式。截止到 2020 年底, 我国现有运行的钴源辐照装置约 130

座，设计装源能力超过 1.7 亿居里，实际装源约 7000 万居里；现有加速器近 630

台，其中主要用于食品辐照的 10MeV 高能电子加速器 80 余座，并以每年 15%

的速度增加，主要用于食品药品的灭菌[4]。涌现出了一批辐照设施设计生产和农

产品辐照加工的龙头企业，钴源和加速器装置的均已进入亚洲市场。

3）辐照加工技术领域的拓展

保水剂是现代农业生产上保持水分等供应的农业资料。四川农业科学院生物

技术研究所研发了一种高效、环保、可生物降解、无污染的新型农林保水剂，产

品性能达到国际同类产品的领先水平。生产过程绿色清洁，产品符合行业标准

NY/T886-2016《农林保水剂》要求，已先后在芒果、葡萄、啤酒花等作物上应

用，增产效果明显。超高剂量的辐照有助于纤维素和木质素的降解，但还需要研

究结合其他有效的处理方法才能达到经济上可行。辐照技术在污水废渣上处理有

毒有害物质，在工业应用部分有详细的描述。

（三）同位素示踪的农业应用

农业同位素示踪研究方向主要是利用同位素示踪剂，研究被追踪物质在植物

或动物体内及其周围环境中的迁移、转化、运输、吸收和代谢规律等。

1 国际发展趋势和现状

农业核素示踪已向农业生态环境保护、优质特色农产品原产地溯源等领域拓

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展。化学农药、化学肥料是重要的农业生产资料，在保障粮食安全中发挥着重要

作用，但不合理使用不仅造成资源浪费，同时产生大量环境污染物。科学使用农

药、化肥，提高有效利用率，减少和控制其残留污染，为农业增产提供新的措施，

是一项长期艰巨的研究课题，备受全世界农业科学家的广泛关注。同位素示踪技

术具有灵敏度高、可鉴别和可溯源等常规技术难以实现的优势，联合国粮农组织

与国际原子能机构已将利用同位素示踪技术研究农药在当地环境中的降解、残留

和归趋列入研究计划。

2 国内研究和应用现状

我国在同位素示踪技术的研究和应用近几年来取得大的进展，特别是浙江大

学原子核农业科学研究所、上海启甄环境有限公司、沈阳化工研究院有限公司等

单位，充分发挥放射性同位素示踪技术所具有的“痕量精准、溯源追踪、直观可

视、质量平衡”的独特优势，将同位素示踪技术与现代仪器分析前沿技术深度融

合，形成一整套基于核与非核集成技术的农药代谢技术体系，取得了一系列研究

成果，发表了多篇国际高质量论文和专利，为企事业单位提供农药登记代谢试验

报告 20 余份，助力于农药产业转型升级，生态环境效益显著。这方面的进展促

进了非动力核技术与现代前沿仪器分析技术的交叉融合，也解决了我国农药创新

发展的“卡脖子”问题，为我国农药登记管理新政的落地实施提供强有力技术支

撑，为具有自主知识产权的高效-环境友好型农药尽早进入市场提供代谢试验数

据和科学依据。具体进展如下。

1）放射性标记化合物的合成

针对国内放射性标记农药及关键中间体长期依赖进口的局面，开展了环氧虫

啶、喹草酮、毒氟磷、香草硫缩病醚、毒死蜱等农药、典型有机污染物(红霉素、

三氯生、咖啡因、PBDEs)等化合物的多位置、多核素标记合成研究，合成标记

农药 30 余个，构建标记前体和标记农药化合物库，从源头打破标记化合物国外

技术壁垒，改变了国内长期放射性同位素标记化合物匮乏制约相关研究的被动局

面。

2）农药在动植物中的代谢研究

以我国自主创制农药毒氟磷、香草硫缩病醚、苯醚菌酯、环氧虫啶等为对象，

综合运用核素示踪动力学理论与技术，将同位素示踪与高分辨质谱等前沿仪器分

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析技术有机结合，构建农药在复杂系统中的精准代谢安评技术体系，从质量平衡

层面上，溯源追踪有机污染物在五大类农作物（果实类、根茎类、叶类、谷类

和饲料作物、种子与油料作物）和畜禽（鸡、羊）中的代谢途径与规律，利用平

行和组合实验，综合利用同位素示踪与仪器分析前沿技术，攻克复杂基质（如植

物、动物与环境等）中农药代谢物针对性溯源、组成精准甄别与结构鉴定技术[5-7]。

提出各供试农药的残留定义，建立符合管理规范的农药代谢与精准安评创新服务

平台，同时围绕农药登记代谢试验市场需求，为农药登记企事业单位提供更为客

观真实的代谢试验资料。

3）农产品污染物同位素溯源技术取得进展

产地环境污染（大气污染、水体污染和土壤污染）直接或间接影响农产品的

质量与安全。利用不同来源的物质中同位素丰度存在差异的原理，可检测环境与

农产品中污染物的来源。中国农科院有关专家通过测定牛肉中^PbF^Pb 比值，

并将其与源排放样品中 Pb 同位素数据进行比较，实现同位素指纹技术对农产品

污染物的溯源。中国农科院农业资源与区划所利用同位素指纹技术结合 210Pb 断

代，研究探明东北某区域农田土壤重金属污染沉积、分布和迁移规律，判定了重

金属的污染来源，为重金属污染的源头阻控提供了重要依据。

4）综合利用多同位素技术解析面源污染物来源

我国北方集约化农田面积占全国耕地的 17%，是我国主要的粮食生产区。过

度施用化肥和农药、农村生活垃圾污染等问题在该地区日益突出，随着降雨径流，

泥沙及其携带的氮、磷污染物被侵蚀而输送到水体，进一步导致河流、湖泊和水

库水质污染恶化。综合利用环境放射性核素和单体化合物稳定性同位素以及稳定

性水同位素多同位素技术，对流域不同土地利用/具体植被类型的泥沙和水体氮

污染物来源贡献进行了定量辨识，建立了在复杂的流域环境中应用多同位素示踪

解决农业流域面源污染物来源的新技术，为提升我国农业面源污染来源辨析与防

控水平提供科技支撑[8,9]。

(四) 稳定同位素溯源研究进展

在稳定同位素应用方面，国际上从 20世纪 80年代开始，以 C、N、H、O等

为主的同位素指纹分析就已经广泛应用于葡萄酒、乳品等特色农产品、食品原

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料的产地溯源和品牌鉴别与产权保护工作。近年来，受疯牛病、口蹄疫、禽流感

等影响，用稳定同位素分析技术判断畜禽肉制品产地的研究日渐增多。自 2000

年来我国一直在大宗商品如牛羊肉、小麦、葡萄酒、蜂蜜和地理标志产品如西湖

龙井茶等产地鉴别方面开展工作，取得了新技术、示范区、数据库和标准专利等

系列成果。近几年，在科技部国际合作项目、国家质量基础的共性技术研究与应

用项目和 IAEA TC项目的支持下，围绕稳定同位素溯源数据库构建、标准和标准

样品制定等方面开展了创新性工作，具体如下。

1大宗农产品产地溯源研究和优势特色农产品真伪识别方面

中国农业科学院农业质量标准与检测技术研究所建立了我国首个牛奶稳定

同位素数据库，该数据库涵盖我国 4 大奶源带、10 大主产省区的牛奶稳定同位

素数据库以及对应地区的饲料、饮水等稳定同位素数据库，并从喂养方式、季节、

泌乳期等角度研究了稳定同位素分馏机制，研制成功多维信息溯源软件及多维数

据网络管理平台、微信小程序等[10]。秦皇岛海关技术中心建成我国最大的中国

葡萄酒真实性溯源与典型产区同位素分布数据库；中国农业科学院茶叶研究所建

立我国龙井茶样品库及稳定同位素数据库，均为开展我国大宗农产品产地溯源研

究提供了基础数据。此外还建立了以稳定同位素和矿质元素为身份表征指标的牛

奶、葡萄酒和茶叶等产品追溯技术体系，产地溯源判别模型，模型预测准确率大

于 90%，并已有小规模的应用。

2、稳定同位素标准、标样制定

我国于 2002 年建立了首个基于稳定同位素技术的蜂蜜掺糖国家标准，2019

年我国颁布了由中国计量科学院牵头制定的同位素组成质谱分析方法通则，为进

行农产品稳定同位素分析提供了标准依据。2015 年中国食品发酵工业研究院牵

头制定了系列轻工业标准，针对橙汁、葡萄酒等食品中稳定同位素分析建立了检

测标准。2016、2019 年，内蒙古自治区食品检验检测中心牵头制定了畜产品牛

羊肉碳氮稳定同位素分析及锡林郭勒盟羊肉同位素丰度检测方法的地方标准。

同位素标准物质校正质谱仪器是避免质量歧视的重要因素，合适的标准物质

校正转化、分离及质谱检测过程中的质量歧视效应，才能获得准确的同位素分析

结果。同位素标准物质属于附加值较高的产品，我国需求量每年达几百万元。中

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国农科院质标所在 2019 年首次研制成功生物基质的碳氮稳定同位素国家标准样

品 2 项，在获得专家和行业认可的基础上，2020 年中国农科院质标所获得稳定

同位素国家标准样品立项 10 项，由畜产品基质逐步扩大到蔬菜、大米、牛乳、

红茶等农产品基质，研究成果将填补我国生物基质稳定同位素标准品的空白，更

好的服务于今后开展稳定同位素农产品溯源研究。

(五) 昆虫不育技术的研究进展

昆虫不育方法是应用物理的、化学的或生物遗传技术，处理害虫的雄虫，使

其失去繁衍后代能力，以防治害虫的技术方法。该法需要人工大量培育释放无生

育能力的昆虫个体，并进入自然界有生育能力的害虫群体内，由于雄虫不育而使

其后代种群数量减少，连续处理数代后，害虫自然种群则被控制在极低密度，甚

至全部歼灭或更替。昆虫不育，包括辐射不育、化学不育和遗传不育等。

我国害虫辐射不育研究已经建立了基本理论与方法体系，福建农林大学开展

多年的辐射实蝇的不育研究，已完成应用的基础研究。中山大学奚志勇团队在多

年研究的基础上，2019 年在《自然》杂志发表文章，报道了基于共生菌沃尔巴

克氏体的胞质不相容技术（IIT）结合基于辐射的昆虫不育技术（SIT），可成功

压制及清除岛上野生的白纹伊蚊种群，证实了该技术的可行性和未来建立无蚊媒

病传播或无蚊骚扰的人类保护区的前景。2020 年的国防科工局的核能开发科研

项目也把昆虫辐射不育列为资助内容。

(六)宣传和科普工作

中国原子能农学会 2020 年 8 月发布了“2019 年中国核农学十大进展”[12]，

包括：广适高产稳产小麦新品种“鲁原 502”实现大面积应用、扬辐麦系列品种

助力弱筋高产小麦品种更新换代、核辐射诱变与水稻籼梗交杂种优势利用研究取

得新进展、核辐射诱变创制水稻镉低积累新品种取得新突破、国内首个牛奶稳定

同位素数据库构建完成、利用多同位素技术解析农业面源污染物来源取得新进展、

亚太国际植物诱变育种协作网启动运行、中国农科院—国际原子能机构协作中心

启动运行、科普读物《辐照食品科普知识 50 问》出版发行、和辐照标准专著《农

产品辐照加工与标准化》出版发行。十大进展发布的消息在人民网、新华社、光

明日报和中国科学版的报道，起到很好的宣传效果，引发更多媒体的关注。学会

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理事长刘录祥研究员在中国科协科普部主办、果壳网承办的科普项目 2020 年 9

月 19 日第 25 期“我是科学家”做了题为“核能辐照后，我要快速找出高铁锌的

那株小麦”的科普报告；10 月 24 日 CCTV1《开讲啦》栏目的主讲嘉宾，以题

为“太空种子在太空中经历了什么”科普太空育种；10 月 27 日参加由中国青年

报社、国务院国资委新闻中心等主办，学而思网校承办的《强国课堂》第 2 季“太

空请回答”介绍航空育种等活动。科普系列活动讲述诱变育种和核农学，将显著

强化核技术在传统农业升级和农业现代化发展中的突出作用。

食品辐照技术自上世纪八十年代开始在我国广泛应用，但时至今日涉及到辐

照和核技术，公众仍对其多有疑虑。《辐照食品科普知识 50 问》就辐照食品的基

本概念、辐照食品的安全性、辐照食品的认可和食品辐照技术的应用等四个方面

给大家讲述了一个食品辐照加工的完整故事。本书已得到业内的广泛好评，将有

助于消费者、企业家和管理者了解辐照技术。

三、总结和建议

1 总结

近 3 年来，在植物辐射诱变育种领域取了系列研究成果和诱变品种较大规模

的种植，继续保持国际领先的地位。在农产品辐照加工领域，辐照装置和辐照食

品的量均占世界前列，辐照食品装置开展出口业务，需要加强国家标准和低能加

速器方面的工作。在农业核素示踪方面，建立了核技术与现代前沿仪器分析技术

结合的技术体系，初步具有了自我合成标记农药等化合物的能力，为我国具有自

主知识产权的高效-环境友好型农药尽早进入市场提供技术支撑；在土壤侵蚀和

面源污染方面继续提供技术支撑。在稳定同位素溯源方面我国开始建立了数据库，

已具备标准品的制备能力和资质，为我国名优农产品保驾护航。在放射生物学基

础方面继续推进，为核农学的整体发展奠定基础。在昆虫辐射不育方面已有一定

的工作基础，但进一步的应用需要政府项目的支持。重视科普和宣传工作，扩大

了核农学应用的社会影响力。

2. 展望

诱变育种领域目前处于发展最好的时期，有国家项目的支持和 40 多个单位

的研究队伍，将会引领国际特别是亚太地区国家诱变育种的研究，继续在功能和

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抗病等品种的培育做出贡献。食品辐照方面有一批企业但还没有足够的研发能力，

需要国家项目的支持，继续保持辐照技术在保障食品安全上应用的国际领先地位。

同位素示踪应用方面将会在现有的技术体系支撑下开发新型环境友好的农药，提

高合成标记同位素的能力，满足我国研发的需求。稳定同位素溯源方面标准品制

备能力和数据库水平均会继续提高，保护我国优质农产品的良性竞争。昆虫辐射

不育技术有望得到应用，核技术在人畜共患病方面有望发挥作用。

3. 建议

巩固已有的研究队伍，完善科研能力建设。早些年国内农业系统建造的辐照

装置和实验室纷纷退役，近期有些在恢复，需要得到国家相关部门的继续支持。

基于推进农业科学的原始创新、提升核技术和平利用的创新能力和维护中国核农

学的国际地位与影响力三大国家核心利益，择地建立国家级核农学创新平台，形

成国家级共享科研平台或国家重点实验室。要加强年轻研究人才的培养，强化核

技术农业应用学科及人才的传承。要加大硕士博士的培养力度，以缓解目前人才

缺乏的难题，为今后的发展做战略储备。

加强科普和宣传工作。继续利用好新媒体，积极宣传开展科普教育。通过国

家、地方和相关企业的紧密合作，普及核农科学知识，减少和消除公众对核应用

的恐惧和阴影。以通俗易懂、喜闻乐见的网络 APP 方式，继续对诱变育种、辐

照食品等在国家粮食安全以及对经济、社会巨大贡献进行大力宣传。鼓励和支持

业内专家多讲演、生产企业多展示。积极开展核农相关技术标准的宣贯，规范辐

照加工企业工艺过程，为市场和消费者提供优质、安全和营养的辐照产品。

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撰稿人：：高美须刘录祥叶庆富陈浩赵燕陈士强于寒青

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https://doi.org/10.1038/s41586-019-1407-9

核技术在社会安全领域中的应用

目录

1. 概述 ................................................................................................................................... 1

2. 核技术发展现状 ............................................................................................................... 1

2.1 X 、γ探测技术 .............................................................................................................. 1

2.2 CT 成像探测技术 .............................................................................................................. 2

2.3 中子探测技术 ................................................................................................................... 2

2.4 核四极矩共振探测技术 ................................................................................................... 3

2.5 离子淌度质谱探测技术 ................................................................................................... 4

2.6 痕量探测技术 ................................................................................................................... 5

2.7 人工智能探测技术 ........................................................................................................... 5

2.8 缪子成像探测技术 ........................................................................................................... 6

2.9 技术融合探测技术 ........................................................................................................... 6

3. 核技术在社会安全领域的应用 ....................................................................................... 7

3.1 货物和车辆 ....................................................................................................................... 7

3.2 行李和包裹 ....................................................................................................................... 9

3.3 人体 ................................................................................................................................. 10

3.4 核法证学分析 ................................................................................................................. 11

3.5 大型公共活动核安保 ............................................................................................. 12

4. 动态与结论 ..................................................................................................................... 13

4.1 动态 ................................................................................................................................. 13

4.2 结论 ................................................................................................................................. 14

参考文献： ..................................................................................................................................... 15

236

1. 概述

随着核技术的不断发展，X 射线、γ 射线、中子等探测技术已广泛应用于航

空、铁路、海运、公路等客运和货运安全检查中。近年来，核磁共振、核四极矩

共振和宇宙线缪子散射等高精度检测技术在大型集装箱、车辆检查等安检设备上

的应用取得了良好效果。先进的 X射线成像、快中子、交替双能 X射线成像技术，

具有强大的物质识别能力和优质的扫描图像展现能力。此外，国产 CT对物品检查

系统融合了双能材料识别和螺旋 CT 扫描等尖端科技，可分别获取彩色高清三维

图像、切片图像和透视图像，探测固体爆炸物、液体爆炸物、毒品、检疫性违禁

品等多种类型的违禁品，实现自动报警，检出率更高，误报率更低。因此，核技

术在社会安全领域中发挥的作用日益显著[1]。

2. 核技术发展现状

2.1 X 、γ 探测技术

对于一般违禁品,最常用的检查方法是利用 X光管产生的低能 X射线,137Cs、60Co

等放射源产生的γ射线,或电子直线加速器产生的较高能量的γ射线做实时成像

检查，射线能量的选择取决于被检物的尺寸与质量。随着检查要求的不断提高，

对于初筛的可疑行李再次进行 CT 检查，可更准确地测定被检物的密度,检查结果

更加准确。

X射线透视成像技术是利用X射线和物质相互作用的物理机理有效实现对行李

物品的免开箱检查。一套完整的成像装置由射线源、探测器阵列、待检物体及传

送装置、计算机控制和成像设备等组成。

目前，清华同方公司和德国海曼(Heimann)公司使用 2.5 MeV-9 MeV 电子直线

加速器作为 X 射线源对集装箱进行检测。清华大学核能研究院的60Co电离室系统，

中国原子能科学研究院与公安部第一研究所合作研制的 60Co闪烁探测器系统,依靠

价格优惠、运行成本低等特点进入市场。美国 SAIC 公司(Science Application

International Corp)生产的 28GBq60Co 闪烁探测器系统空间分辨较差，仅为 12mm，

237

但其依靠较高的安全性与检查速度，在检查集装箱中较大物品方面得到了广泛应

用[2]。

此外，对于集装箱炸药和毒品的检测，美国麻省理工学院正在研究利用能量

较高的电子直线加速器(例如 9MeV)产生的广谱 X 射线激发 C、N、O 原子核到激发

态,在一定的角度测到共振退激发的特征 γ 射线相关技术。C 是 4.438MeV,N 是

7.029、5.691、4.915、3.378、2.313MeV,O 是 7.117、6.917 MeV。因此，通过分

析集装箱中各区域的 C、N、O成分比,可以分别得到被检物中 C、N、O元素分布图

像,综合得到炸药或毒品的成分。

2.2 CT 成像探测技术

安检 CT成像的主要特点是能够有效识别爆炸物和毒品。爆炸物和毒品的特征

信息（密度、有效原子序数等）被预先写入安检 CT的数据库中，在进行物品扫描

时，安检 CT将测得的物质特征信息与数据库中特征信息进行比对，比对成功即发

出危险品警报，从而实现智能分析报警功能。

与传统 X光机相比，安检 CT的主要特点是：检测时无需开箱，实现行李的快

速、三维成像检查；显示内容丰富，可以显示被检测物的三维图像，能够确定物

质厚度，有效识别隐藏和叠压的物体；可准确计算被检测物质的密度以及有效原

子序数，识别爆炸物和毒品；可精确定位爆炸物、毒品在行李中的位置，降低人

为因素的影响；漏报率和误报率较低。

然而，从大范围推广和使用的角度来讲，安检 CT仍然存在较多弊端，如：设

备运营维护成本高、单次检查射线剂量大、设备占地面积大且不便于移动、单次

成像数据量大（需要较大存储空间）。

2.3 中子探测技术

中子探测仪的基本原理是利用中子照射被检测物，诱发被检测物体发射特征

γ射线，通过特征γ射线进行元素分析，可判断被检测物体是否为危险物品。一

般炸药富含氮与氧，毒品富氮少氧，流通的毒品含氯，用中子测定被检物碳、氮、

氧、氢、氯比例，可判定是否为违禁品。但由于公众对中子探测技术的认知存在

偏见，故未能广泛应用。

238

中子探测方法的优点是中子很难被屏蔽，能基于材料的化学组成有效区分各

种不同的有机材料。但是由于中子的穿透能力强，为了减少剂量泄漏，需要增加

有效的屏蔽物或者增加防护距离，这又会影响探测系统的尺寸，限制了系统的灵

活性。此外，中子会使物质活化，因此需要在高通量以获得明确信号和低能量以

减少活化危险之间达到平衡。

检查毒品、爆炸物等违禁品最简单的装置是用 252Cf 自发裂变中子源与闪烁晶

体组合，测量 14N的 10.8MeV γ射线。252Cf中子能量较低，容易慢化与屏蔽，对测

量装置周围的人员是安全的；10.8MeV附近的高能区本底很低，信号容易显现，缺

点是被测物品中其他富氮物质易引起误报。

更好的检测方法是测量用 14MeV 快中子（可用中子管）与碳、氧核产生的非

弹性散射γ射线以及快中子慢化成热中子后被氢、氮核吸收产生的俘获γ射线。

用多探头系统或伴随粒子中子管可得被检物中碳、氢、氧、氮比的分布，可得到

有无炸药、毒品的结论。

2.4 核四极矩共振探测技术

核四极矩共振（NQR）是一种原子核物理现象,是指原子核的非球对称部分因

与核外电场梯度相互作用引起能级分裂,在外加射频场作用下，产生能级跃迁的过

程。在能级跃迁的过程中,原子核会吸收外部电磁场能量而从低能级跃迁到高能级,

同样处于高能级的原子核也会发射出相应频率的电磁波而回到低能级，不同原子

核有不同的 NQR跃迁频率,即使同一种原子核,处在不同的物质中,或者同一种物质

不同的结构型式中,其跃迁频率也不相同。因此,利用核四极矩共振现象可对不同

物质进行探测与判别。但因其环境适用性差，所以尚未成为当前主流技术。

大多数爆炸物中氮元素（14N）含量较高，通过分析爆炸物中 14N的 NQR谱线特

征，可实现对爆炸物的有效检测和识别。NQR技术属于磁共振谱分析的范畴，它在

原理上与核磁共振和磁共振成像类似，但它不需要强的外加静态磁场。由于 NQR

技术只检测爆炸物本身，且 NQR 信号仅依赖于物质分子的化学结构，因此 NQR 信

号特征具有唯一性[3]。

检测到的 NQR信号有两种表现形式,一种是自由感应衰减信号(简称 FID信号),

它在射频脉冲结束后,立即呈指数形式衰减；另一种是自旋回波信号(简称 ECHO 信

号),它是 FID 信号再次重聚的结果。而实验测量 NQR 信号谱有连续波(CW)和脉冲

239

两种方法:使用 CW 方法观察谱时,射频是连续加到样品上的，该方法简单,易于实

现,但限制很多,目前很少采用；脉冲方法是用短脉冲串来实现谱观察,观察是在射

频源关闭之后进行的,得到的信号是时间响应信号,进行傅里叶变换即得到相应的

频谱，对每个短脉冲过后得到的信号进行多次反复累加,有用的信号得到增强,噪

声得到减弱,该方法灵敏度很高,分辨率较好。

核四级矩共振技术与其他探测技术相比，具有突出优点：高特异性、不存在

电离辐射、采用与几何形状无关的批量检测及低虚警概率。但受限于其本身固有

的低信噪比、射频干扰及虚假信号的影响，其具有灵敏度低的缺点。NQR技术可用

来探测地雷、未爆炸的军火以及装有爆炸物或毒品的包裹。

2.5 离子淌度质谱探测技术

离子迁移谱技术是 20世纪 60年代末至 70年代初由 Cohen和 Karasek提出并

逐步发展起来的一种微量化学物质检测技术。其原理是基于不同气相离子在电场

中迁移速率的差异对化学物质进行分离和表征，特别适合于一些挥发性和半挥发

性有机化合物的痕量检测，如毒品、爆炸物、大气污染物等，在战地勘查、机场

安检、环境监测、工业生产等方面均有应用。因其商业化装置构造简单、检出限

低并具备现场快速检测能力，离子迁移谱技术受到了广泛关注。

质谱技术是测量质荷比的分析技术，该技术将分子电离后形成带电离子，并

可按照离子质荷比顺序排列生成谱图数据。质谱技术是现代分析技术中同时具备

灵敏度高、特异性强、分析速度快等特性的普适性技术，被誉为化学分析的“金

标准”。

离子淌度质谱技术是离子迁移谱与质谱联用的一种新型分析技术，与单独使

用质谱相比，该技术是在质谱离子源和质量分析器之间增加离子迁移管，待测离

子通过离子迁移管按照淌度预分离后进一步被质谱检测，可获得离子淌度质谱的

二维或三维图谱[4]。

20世纪 80年代末，特别是以电喷雾离子化和基质辅助激光解吸离子化为代表

的软电离技术问世以来，离子迁移谱在同分异构体及手性化合物分离方面的独特

优势引起人们关注，配有各种新型离子源的离子淌度质谱技术也相继推出。当前，

离子迁移谱大多与飞行时间质谱进行联用，这得益于飞行时间质谱的超快扫描速

率，结合离子迁移谱的毫秒级分离速度，大大提高了峰容量和图谱分辨率。同时，

240

离子几何形状和碰撞横截面积精确计算方法的飞速发展，推动了离子淌度质谱技

术的进步，软电离源的应用也为生物大分子构象研究提供了有力的技术支撑。

离子迁移谱在化学试剂和爆炸物检测方面的应用研究非常广泛，这得益于离

子迁移谱对高质子亲和力的神经毒剂和爆炸物等物质具有较高的响应强度，检出

限可达纳克级以下。离子淌度质谱技术的发展，拓宽了离子迁移谱用于爆炸物检

测的应用范围。例如通过电喷雾电离源离子化产生的气相离子，经离子迁移谱预

分离后采用质谱分析，可使某些挥发性差的化学试剂被快速精准检测。

离子迁移谱和离子淌度质谱在违禁毒品检测中的应用也十分广泛。可卡因、

海洛因、吗啡等含氮化合物具有较强的质子亲和力，离子迁移谱信号响应良好，

在美国等国家，离子迁移谱在警方和毒品管制局得以应用。近年来，离子淌度质

谱凭借其优异的鉴定性能，越来越多地被应用在毒品检测领域。

2.6 痕量探测技术

爆炸物痕量探测技术被用于机场、港口、货运设施以及关键基础设施的门禁

系统，旨在拦截和防止持有爆炸物的人员进入。有毒痕量探测技术主要用于监狱、

拘留所、音乐会以及夜总会的入口，旨在拦截和拘留持有毒品的人员，以及识别

吸食和贩卖非法物质的人员。爆炸物和毒品痕量探测还被用于海关安检设施，以

满足加强国土安全以及限制毒品贩卖的需求[5]。

痕量爆炸物探测的原理基于在对爆炸品的处理过程中必然会留下痕迹，这些

痕迹会粘附于人体或任何接触的物件，因此可从物件提取物体粒子或痕迹进行分

析。若采用此法进行检测，首先必须对采集的空气进行浓缩提纯，或者对被检测

物品进行超声激励以促进爆炸物微粒从爆炸物品中逸出[6]。因此爆炸物微粒探测系

统一般由空气采样收集系统、压缩提纯系统和分析处理系统组成。

目前痕量爆炸物探测技术主要有以下几类：波谱探测技术（包括中红外吸收

光谱法、气相色谱法、质谱法、离子迁移光谱法等）、化学传感器技术以及生物传

感器技术等。其中离子迁移光谱法和气体色谱分析技术使用较为广泛。

2.7 人工智能探测技术

现有安检仪利用 X 射线照射不同物质形成不同的能量衰减数据，根据物质密

度和有效原子序数生成物质的彩色图像，进而判断包裹中是否有违禁品。然而在

241

实际应用中有许多非违禁品的密度和违禁品密度类似，如笔记本电脑、手机、拉

杆箱杆、纺织品的密度和汽油、酒精类似，容易出现各种误报情况。安检机无法

根据物体轮廓智能识别枪支、管制刀具、易爆物等违禁品，且在终端显示 X 光图

像后，需要安检人员对显示的图片进行排查。这样安检人员长时间监视屏幕容易

造成视觉疲劳，导致误检、错检、漏检等情况发生。同时，现有安检机传送带速

度一般在 0.2m/s，低于乘客 0.5m/s的通行速度，人流量大时容易排队，造成安全

隐患，而传送带提速后，人又无法长时间跟上安检机出图速度，导致传送带速度

只能维持在较低水平。

基于人工智能的安检违禁物品检测方法、装置及电子设备，通过将安检仪输

出的数据进行渲染生成成像图片，并通过预设深度学习算法对成像图片中的待检

测物体进行违禁品检测，提高违禁品的检测精度，降低误报率，同时减少对安检

人员的依赖，提高安检效率[7]。

2.8 缪子成像探测技术

在集装箱安检中，传统的 X射线 CT 难以穿透较厚的金属材料,中子 CT屏蔽问

题是一个难点。而宇宙线缪子来源于天然的宇宙射线且有足够的能量完全穿透大

型集装箱。基于清华大学缪子实验平台 TUMUTY 并通过 Geant4 模拟宇宙线缪子与

物质的相互作用,毒品爆炸物及不同金属材料的散射密度能够被重建出来。此外，

基于模式识别的 SVM分类器被对这些材料进行自动识别分类。研究表明,对于边长

为 20 cm 的不同材料的物块,在 10 到 30 min 的测量时间内,能够通过缪子成像方

法识别毒品爆炸物与金属材料和本底,分类的错误率约为 1％。然而测量时间为 1

min 时,分类的错误率升高至 12.9％[8]。

2.9 技术融合探测技术

目前各国对航空货物检查质量的需求逐渐增强，迫切需要一套在不拆箱情况

下快速扫描检测大量空运货物集装箱的系统，快(高能)中子和高能 x 射线或伽马

射线能满足航空货物货柜的射线照相透视要求。x射线系统可以提供容器内物品的

高分辨率二维密度图像，非常适合于探测具有容易识别形状的金属物体，如火器

和其他武器。中子探测技术分为两类，即射线照相系统和测量二次辐射(中子或伽

242

马射线)的系统，快中子射线照相技术具有直接测量透射中子的优点，因此比测量

次级辐射的技术更有效率和更快。

3. 核技术在社会安全领域的应用

3.1 货物和车辆

货物和车辆检查设备均采用辐射、探测和数字成像技术,利用 x射线、γ射线

或中子穿过不同质量密度和厚度物质的衰减特性,探测到不同强度的信号并形成

图像,实现不开箱查验。该类设备采用 x 射线、γ射线或热中子活化技术，在使用

方式上分为直接透视成像技术和背散射成像技术[9]。直接透视成像技术的发射方和

探测方分别在物体的两侧，射线的发射装置可采用 60Co、高能加速器、X光机或中

子管。背散射成像技术是利用射线与物质作用的背散射效应来了解物体内部结构

的成像技术,发射方和探测方均在物体的一侧。

货物和车辆检查系统既可用于对爆炸物、武器、违禁品进行检查,也能根据货

运单据进行比对检查。国际商业机构(IHS Markit)将航空货物检查中通道尺寸大

于 1m×1m的 EWC探测设备归入“货物和车辆”检查设备或系统。

1) 60Co集装箱检查系统

该系统采用辐射强度很低的 60Co 作为射线源，射线源发出的扇形射线束穿透

车厢和内部货物，被另一侧探测器阵列接收。由于不同部位物品密度、厚度不同，

因此对射线的吸收程度不同，探测器输出的信号强弱也不同，将强弱不同的信号

经图像处理后，显示在计算机屏幕，就形成了车辆内部物品的轮廓和形态,通过查

看图像就可知车厢内装载物品情况。

60Co集装箱检查系统分为固定式、车载移动式、组合移动式等，适合于高速公

路通道和检查站使用的低剂量车辆快速检查系统,符合 IAEA放射性产品设计规范，

人员在不下车的情况下检查。每检查一次,受检人员所受的辐射剂量小于 0.1uSv。

高能 X射线集装箱-车辆检查系统

高能射线集装箱-车辆检查系统通常采用离子直线加速作为射线源,分为固定

式和车载移动式等检查系统,该系统是目前广泛使用的检查设备。

近年来,随着探测技术的发展,很多研究部门陆续开发了高能低辐射成像技术,

243

采用小型化电子感应加速器(Betatron),降低了射线源强度,如俄罗斯的 7.5MeV小

型电子感应加速器功率为 2.6kw,频率 300Hz,距离靶 1m处的剂量率只有 7.5R/min。

X射线背散射检查系统可以扫描车辆、集装箱等大型物体,典型的是 AS&E 公司

研发的"Z Backscatter Van" (ZBV),其特点是设备安装在一部小货车内,可实现对

大型物体内隐藏违禁品的静默扫描。英国 Smiths Detection公司和美国 RAPISCAN

公司在工业领域也有应用,也有基于γ射线的背散射系统投入市场[10]。

在使用方式上分为直接透视成像技术和反散射成像技术。直接透视成像技术

利用 X,γ射线或中子穿过不同质量密度和厚度物质的衰减特性,探测到不同强度

的信号,发射方和探测方分别在物体的两侧,射线的发射装置可采用 60CO、中子管、

x光机或高能加速器。

2) 中子照相

中子照相技术的基础在于中子与核发生相互作用时,不同的核素反应截面相

差很大,中子束通过物质时发生衰减、吸收和散射,引起强度的变化,从而进行物品

成像。与 X 射线γ射线照相相比,中子照相能够穿透铅壳、厚金属,从而判断其内

部是否含有碳、氢材料，可用于炸药和毒品检测等。

中子照相技术包括热中子照相和快中子照相技术。一般天然放射源做成的中

子源或氚-氚中子发生器发出的中子能量较低,容易慢化成热中子,也较易屏蔽。将

热中子照射被检物,由此诱发出特征γ射线,即查出违禁品。中子照相技术对中子

源注量率的要求很高,高品质的中子照相往往在大型反应堆或加速器上开展,这就

导致中子照相设备庞大，限制了设备的应用场所。近年来,国外正在开展小型可移

动式快中子照相装置的研究，主要是采用中子管及小型中子发生器作为前段放射

源使用。

澳大利亚 CSIRO 公司检查航空集装箱用的以 60Co、γ射线与氘-氘中子管的

14MeV 中子同时做照相的装置。γ源强 18SGBq,中子管源强 1010/S。最近,该公司

产品又升级为用中子管与 3/6MeV的双能电子直线加速器的装置，图像有进一步的

改善。

美国托马斯·杰斐逊国家加速器装置 (Thomas Jefferson National

Accelerator Pacility, TNAF)实验室研制了一种利用闪烁体及位置灵敏光电倍增

管组成的阵列 16×16探测器,进行快中子照相研究。中子源采用 D-D中子管,中子

注量率达到 109/s。中子探测器具有抗辐射能力强、携带位置信息、方向信息、γ

244

分辨力强,同时能够很好地排除电子干扰和本地噪声。

MR6000DE货物、车辆检查系统

同方威视 MR6000DE 货物/车辆检查系统是一款类机器人型货物、车辆检查系

统。该系统采用智能轮式驱动技术，可实现精准的运行轨迹控制，从而具备双侧

扫描、多排连续扫描等多种工作模式。可折叠的结构设计使系统可整体运输，快

速转场及部署，系统可灵活部署在港口、陆路口岸、机场等不同场所。

3.2 行李和包裹

早期 CT型行李和包裹检查系统是单视角射线扫描设备,透视图像叠加在一起,

后来发展成多视角扫描设备,两组独立的射线源结构提供水平、垂直两个视角的图

像并分别显示,解决了待检测物品侧面垂直于光源时,成像为直线,无法正确识别

造成漏检的问题,降低由于物体重叠带来的识别困难。新型 CT 行李和包裹检查系

统,采用 X射线计算机断层扫描技术和复杂的图像处理软件。

单能和双能 X射线行李安检设备

单能射线技术是最早广泛应用在安检领域的技术，利用 X 射线穿透物质时能

够被物质吸收的特性,原子序数低的吸收性能差,原子序数高的吸收性能强；材料

越厚吸收性能越强,材料越薄吸收性能越差。据此通过对透过的 X 射线进行测量,

将接收的能量进行数据处理和计算,即可得到被检测体的二维图像。

双能 X 射线技术主要是将得到的经过一系列数据处理的高低能信号和物质等

效原子序数相关的属性值,最终在计算机屏幕上呈现出具有一定物质类别区分的

伪彩色图像,大大减少了安检员的判断难度。双能安检机系统比起单能安检机系统

更准确且有物质分类的能力,是目前较常用的安检系统。

多视角 X射线安检设备

与单能和双能 X射线安检设备相比,多视角 X射线安检设备在危险液体检测上

具有较大优势，它提供了更多被检查行李或物品的信息,提高了安检质量。

多视角 X 射线液体安全检查设备采用多视角静态截面断层重建技术，利用改

进的医学 X 射线计算机断层成像(X-CT)代数重建(ART)算法,计算被检物截面来获

得被检物体密度特征,提高了设备的爆炸物探测性能。近年来,国内外安检厂家竞

相研制采用静态截面断层重建技术的通道式多视角 X射线安全检查设备,该类型安

检设备首先应用于机场的行李安检系统,如美国L-3Communications公司的MVT-HR,

245

RAPISCAN 的 MVXR5000、英国 Smiths Detection 公司的 HI-SCAN 10080Edts 及中

国公安部第一研究所的 FISCAN EDS-MV10080[11]。

1) 新型 CT型行李物品检查系统

新型 CT 型行李物品检查系统,对检测物品进行断层扫描,再经算法处理,还原

三维立体图像,彻底解决了物品图像重叠的问题,并使得物品形状、定位的判读更

加准确,再加上双能物质识别技术的应用,对 EWC 提供了高效而精准的定性与定量

分析。随着计算机处理能力的大幅度提高,图像算法的优化,自动报警技术的发展,

使 CT系统的使用体验不断增强,检查效率也大幅提高。

由于爆炸物种类繁多,其密度也不完全确定,经常发生误报，双能 CT扫描系统

是解决误报率高的最好方法。双能 CT扫描系统采用一高一低两个不同能量的 X射

线,测试被检测物的光电散射和康普顿散射全吸收截面、总截面之间的变化规律及

它们之间的系数差等,然后与数据库中各种爆炸物和毒品的标准样品数据进行对

比。双能 CT 机可以同时得到物质的三维密度和原子序数信息,大大降低系统的误

报率。同方威视已研制出多种型号的双能 CT机、CT型行李物品检查系统。系统融

合了双能材料识别和螺旋 CT 扫描技术,可获取被测物品密度和有效原子序数等多

维信息,彩色高清三维图像、CT 切片图像和 DR 图像, 自动探测爆炸物、液体爆炸

物、毒品等多种违禁品,检出率更高,误报率更低。

3.3 人体

人体检查设备是指在机场、海关、军事检查站等场所用于人体扫描检查的设

备。该类设备形式多样，包括手持式、便携式、台式、通过式和门式,通常采用金

属探测、痕量爆炸物探测、低剂量 x 射线背散、太赫兹和毫米波成像技术。目前

批量应用在机场人体安检的主要是 x射线背散射和毫米波成像技术。

太赫兹泛指频率在 0.1～10THz波段内的电磁波，是介于红外和微波之间的一

种电磁波，它可以穿透衣物，发现人体携带的隐匿物体，其成像系统可分辨厘米

大小的物体。被动式太赫兹人体安检技术，具有对人体无辐射，安检非接触、不

停留，实时成像等优点；系统可以检测出金属、陶瓷、胶体、液体、粉末等多种

物品，且安检信息可实时传送和存储。

X射线背散射成像技术利用一定能量的射线照射人体，收集从人体表面散射返

回的射线，并进行统计分析，得到人体表面图像。根据 X 射线光子与物质发生相

246

互作用时的康普顿效应，测量不同散射位置所对应的散射光子数，经过数据处理

和重建,形成图像。比人体原子序数高的那些物品(如金属、陶瓷等)在图像上将比

正常人体更暗，比人体原子序数低的那些物品(如爆炸物、毒品等)在图像上将比

正常人体更亮，这样就实现了对人体表面携带物的非接触式检查。

毫米波人体安全检查仪又称毫米波全息成像人体安全检查仪，设备的天线发

出毫米波照射人体，人体体表会对毫米波信号进行反射，而皮肤和其他物体对毫

米波的反射率均不相同，根据这些差异判断出有无携带违禁物品。若携带违禁物

品,在图像中会显示出该物品清晰的轮廓信息,进而区分其种类。

目前全球已知产品化的毫米波生产企业有八家，其中五家来自于中国(同方威

视、中国航天科工集团第三研究院 35 研究所、中国航天科工集团第二研究院 203

所、中国科学院上海微系统与信息技术研究所、南京华讯方舟通信设备有限公司)，

另外三家分别来自英国 Smiths Detectin 公司、德国 Rohde & Schwarz 公司和美

国 L-3 Communications公司。

3.4 核法证学分析

随着核电的蓬勃发展以及核科学技术应用的日益广泛，核材料和放射源的数量急剧增加。

在核恐怖主义威胁日趋严峻的大背景下，防止和打击核材料和其他放射性物质的非法转移或

贩卖，是预防核恐怖主义的重要方法。核法证学是通过先进的核分析技术对核材料进行追踪

溯源，为打击非法贩卖核材料提供了有力支持。

核法证学的分析手段主要有现场非破坏性分析、实验室分析和非核材料分析。现场非破

坏性分析使用简单、便携式的仪器快速判断出核材料的类别、接近操作是否有危险并发送到

实验室进行具体的分析。现场操作人员应根据辐射防护的三个原则（时间、距离和屏蔽）使

自己受到尽可能少的照射，同时收集一些非核材料，他们可能具有很高的法证学价值。实验

室分析是使用精密仪器进行的微量分析，所采用的方法可以分为两大类：一般的物理化学分

析方法和放射性分析方法，这两类方法相互补充，可以对可疑材料进行全面分析。这些分析

方法主要有：放射性分析、物理分析、传统的法证学分析、同位素分析、元素/化学分析和年

龄的测定。非核材料分析是对截获的非核材料进行分析，着重于路线归因，收集信息解释样

品从合法的控制是如何到达截获的地点。路线归因是根据不同的地方，其元素、同位素、植

被、动物群分布也各不相同，通过这些信息来确定地理位置[12]

。

美国于上世纪九十年代率先开展了核法证学方面的研究（即政府归因工程），初步具备了

247

可靠的核归因能力，其中利弗莫尔国家实验室、洛斯阿拉莫斯国家实验室、橡树岭国家实验

室承担了主要工作，并且利弗莫尔国家实验室和橡树岭国家实验室拥有核法证学分析所需的

仪器设备。2005 年，利弗莫尔国家实验室的 Kenton J.Moody 等人出版了《Nuclear Forensic

Analysis》一书，详细介绍了核法证学分析所用的仪器、方法步骤及案例分析，为从事相关工

作的研究者提供了重要参考 [13]

。

在我国，国家核安保技术中心、中国原子能科学研究院、中国工程物理研究院、西北核

技术研究所等单位也在开展核法证学的研究工作。研究内容主要集中在核法证体系、核法证

图书馆、数据库框架、核法证程序研究、核法证分析技术、溯源方法/归因、黄饼数据库的构

建、核法证分析实验室网络等方面。其中，国家核安保技术中心已与国际原子能机构（IAEA）

建立了协作中心实验室，正在致力于开展国家级核法证学分析实验平台和我国核法证学数据

库建设等的研究工作。

3.5 大型公共活动核安保

近年来，国际安全形势日益复杂，核恐怖主义风险日趋增加。大型公共活动的涉核恐怖

主义风险较大，涉核恐怖事件虽然发生概率较低但会造成严重的社会恐慌，后果极其严重。

大型公共活动往往场所不固定、参与者众多，这些因素都是活动举办国筹划安全保障工作必

须面对的难题。如果在大型公共活动中发生涉及核材料或其他放射性物质的犯罪或恐怖主义

事件，将对人类政治、经济、社会、环境、健康造成严重后果。此类威胁包括：在公共场合

散布核材料和其他放射性物质；故意在公共场合放置有害放射性物质或放射性照射装置，使

公众受到辐射；制造简易核装置；蓄意破坏核设施，造成放射性物质泄漏；利用放射性物质

污染食物和水源等。因此，建立一套行之有效的大型公共活动核安保预防和应急体系，开展

相关技术研究，加强对核恐怖主义的打击能力迫在眉睫。

随着大数据、图像识别、人工智能等技术的飞速发展，开展相关技术应用能有效提升大

型公共活动核安保能力。例如利用大数据技术对重点人群进行管控，对其建立活动轨迹异常

报警模型，智能化管控代替传统的人工盯防；利用人脸识别技术，在重点区域进行布控，实

现在逃人员、重点人员触发报警，机器识别代替人工识别；利用人工智能技术，自动化查验

人车信息，机器检索代替人工查验，提升了工作效率。另外，加快研发大型公共活动核安保

指挥系统，提供最优化指挥决策信息，对相关资源进行合理配置。通过先进的核安保分析技

术对失去监管的核及其他放射性物质进行追踪溯源，可为大型公共活动核安保事件调查提供

有力保障。

248

不论何种仪器，要实现其在大型公共活动中的有效利用，都必须进行人员培训。就

大型公共活动而言，辐射探测仪器可分为以下四类：门式辐射监视系统（RPM）；个人辐射探

测仪（PRD）；手持式仪器；便携式放射性扫描仪（PRS）。辐射探测仪器的类型和数量应与其

用途相结合，按照仪器部署方案和行动方针的要求，精准选定战略位置。

2004 年希腊奥运会之后的历次大型体育赛事，如奥运会、足球世界杯等，国际原子能机

构都参与并协助制定了核安保方案，积累了丰富的经验，形成了一套行之有效的核安保技术

体系。我国在 2008 年北京奥运会期间，与国际原子能机构在核安保领域开展了成功合作。国

家核安保技术中心作为国家国防科工局的技术支持单位，近年来一直在从事该领域的技术研

究和有关活动的技术保障工作[14]

。在北京 APEC 峰会、杭州 G20 峰会、厦门金砖峰会期间，

国家国防科工局组织开展了周边涉核活动管控、专家委员会远程支持、核恐应急保障等一系

列工作，初步探索建立了符合各地特点的大型公共活动核安保方案。

4. 动态与结论

4.1 动态

当前,核安检技术的迅速发展是世界反恐形势发展的需要,表现为需要安检的

场所和对象越来越多,安检的要求越来越高。安检技术和产品的发展,主要是随核

技术的进步而发展的。同时，安检的发展需求反过来对核技术提出新的更高要求,

也在促进核技术的发展。

在 x射线成像检测方面,多能谱 x射线成像技术是未来发展的方向。该技术采

用碲锌镉(CZT)和硫化镉(CdTe)作为光子计数器,采用光子能量权重成像方法(即

赋予不同射线能区不同权重),可以大幅提高图像质量,把原来 x射线的“黑白”图

像变为“彩色”图像。随着电子学技术的发展,该方法极有可能替代现在的 X射线

检测技术。

在 X射线成像检测方面的另一个发展是基于碳纳米 x射线发射源的“碳纳米 x

射线成像技术”。碳纳米管射线源被认为是具有革命性的新型 X射线源，碳纳米管

x 射线源创新性地用碳纳米管场发射阴极取代热阴极,从而使该 x 射线源具有可控

发射、高时间分辨、低功耗且易于集成等诸多优势。这些优势将给 x 射线、CT 技

术带来结构上的突破。

249

在集装箱及大型车辆成像检测方面,现在已经由单能成像检测和双能成像检

测向成像检测和成分检测相结合的方向发展，同方威视技术股份有限公司正在开展

相关研究,一个是强中子源技术的研究,另一个是探测器技术的研究。当前的小型

强中子源是利用加速器 T(d,n)4He 反应产生中子的 14MeV 中子源,由于受到靶技术

(包括冷却技术)和加速器束流强度的制约,中子产额一般小于 1012 个/s,这是目前

“传统”加速器中子源技术发展的瓶颈。由于对高强度中子源的需求,正在推动小

型高强度中子发生器的技术发展,其中利用激光核反应产生中子的技术,很可能突

破现有技术瓶颈。在各种成分检测技术的发展过程中,各类中子源仍然是一个重要

的技术问题。

在人体安全检测方面，主动式太赫兹人体安检系统主动成像，采用振镜扫描

方式，弥补了国内高频芯片昂贵，一致性差等问题，采用高增益窄波束天线，大幅

提高增益。在新冠疫情期间，无接触测温安检一体机一亮相地铁就引发极大关注。

它同时具备太赫兹安检、红外测温功能，被检人员正常步行通过安检区域，即可

完成安检及测温，实现全过程“无接触”。太赫兹安检技术的出现，大幅提升了国

内的安检水平，不仅节约了成本，还提升了被安检者的体验度。目前，太赫兹人

体安检仪已被广泛应用于地铁、检查站、海关、医院以及一些大型活动场所。

4.2 结论

核技术在社会安全领域应用广泛，通过探测粒子与物质作用后的信号，得到

被检测物体的相关信息，发现其中隐藏的核材料、爆炸物、毒品、化学武器和生

化武器等严重危害公共秩序与社会稳定的物质。本文从货物和车辆、行李和包裹、

人体、核法证学及大型公共活动核安保等方面对核技术在社会安全领域的应用做

了相关介绍。近年来核技术应用领域不断发展出各类用于安检的新方法新装置，

为安全检查提供了全方位支持，但是世界范围内的安全问题远未解决，仍然需要

相关领域的工作者对安检技术不断进行深入探索和持续创新。

250

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撰稿人：史强、王晓峰、李炜炜、胡卫强、龙淑兰、程天珩、周志波、刘立坤、李多宏、王

岚

251

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http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-WDZC201919001.htm

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http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-QJGY201808036.htm

2018-2020 核技术应用学科发展报告：大科学装置

大科学装置

ABSTRACT

Large-scale scientific facility is a large sophisticated science research system

which may provide a research tool with extreme condition for exploring the unknown

world and discovering the law of nature and realizing technology revolution as well.

Large-scale scientific facility is a technological base for breakthrough of science

frontier and solving the significant problems of national security and life health. Key

technologies developed from large-scale scientific facility may have significant and

broad applications in aerospace industry, nuclear energy, material science, medical

science and population health. Current status, development trend and performance

comparison of the large-scale scientific facilities in the world-wide and China are

reviewed in this report. Suggestions and recommendations are proposed for further

development of the large-scale scientific facilities. The large-scale scientific facilities

reviewed in this report are classified into 10 types: 1. Accelerator facility in particle

physics research; 2. Non-accelerator facility in particle physics research; 3.

Accelerator facility in nuclear physics research; 4. Synchrotron radiation light source;

5. Free electron laser facility; 6. Spallation neutron source; 7. Magnetic confinement

fusion facility; 8. Laser driven inertial fusion facility; 9. Accelerator driven nuclear

energy and subcritical transmutation facility; 10. Thorium molten-salt reactor facility.

引言

大科学装置是为探索未知世界、发现自然规律和实现技术变革提供极限研究

手段的大型复杂科学研究系统，是突破科学前沿、解决经济社会发展和国家安全

以及人民生命健康等重大科技问题的重要物质技术基础，同时大科学装置本身发

展的相关关键核心技术在航天、核能、材料、医学与人口健康、环境污染治理和

国家安全等方面有重大且广泛的应用[1]。现代科学研究在微观和复杂化等方面不

断深入，研究目标愈来愈追求综合性、系统性和整体性，越来越多的科学研究需

要大科学装置的支撑或者依赖于大科学装置。为了完整且简洁地综述大科学装置

的发展，我们把大科学装置分为十大类并分别综述：1.粒子物理领域加速器大科

学装置；2.粒子物理领域非加速器类大科学装置；3. 核物理领域加速器大科学

装置；4. 同步辐射光源；5. 自由电子激光；6. 散裂中子源；7. 磁约束聚变装

置；8. 激光聚变装置；9. 加速器驱动的核能及次临界嬗变装置；10. 钍基熔盐

252


堆装置。

一、粒子物理领域加速器大科学装置

（一）前言

粒子物理研究构成物质的最小单元及其相互作用的规律。粒子物理实验主要

依托大科学装置，特别是高能加速器和大型探测器。粒子加速器自 20 世纪 30

年代初发明以来，束流能量不断提高，研究的领域也从原子核逐步扩展到“基本”

粒子，成为粒子物理研究的重要工具。作为一种加速带电粒子并使其进行对撞的

加速器，对撞机能提供更高的有效作用能量（即质心能量），已成为在粒子物理

实验中占主导地位的高能加速器[2-4]。

(二)国际发展现状与趋势

粒子物理领域的加速器大科学装置有两个发展前沿，即高能量前沿和高精度

前沿。

高能量研究前沿粒子物理实验的主要研究目标是精确测量希格斯粒子的性

质，寻找超越标准模型的新粒子和新物理等。高能量前沿使用世界上质心系能量

最高的加速器。2012 年 7 月，科学家在欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子

对撞机（LHC）上发现了标准模型预言的希格斯粒子，开启了新的研究窗口。目

前，LHC正在进行质心能量 13TeV的质子-质子对撞，并计划升级到高亮度的 LHC

（HELHC）。与此同时，国际高能物理界正在讨论和研究下一代的高能加速器，主

要有：

（1）正负电子直线对撞机，包括国际直线对撞机（ILC），其第一步质心能

量为 0.25-1 TeV和 CERN的紧凑型直线对撞机（CLIC），质心能量为 3TeV。

（2）大型环形对撞机，包括 CERN 的未来环形对撞机（FCC）和中国的环形

正负电子对撞机（CEPC），它们的周长都是 100公里，质心系能量为 240GeV。二

期可以在同一隧道里安装超级质子-质子对撞机，质心系能量 50-100TeV，探索

新的物理现象。

（3）质心能量为 3-4TeV的繆子对撞机，正在进行关键技术的研究。

253


高精度研究前沿利用高亮度的加速器（称为大量产生某种粒子的“工厂”）

和高精密的探测器，在前驱加速器已经达到的能区，获取高统计性测量数据，精

确检验标准模型，研究强子谱和 QCD，探索超越标准模型的新现象。这种设施造

价相对前者较低，但具有重要的科学意义，是目前国际粒子物理实验的热点之一。

在高精度前沿，主要有三个能区：

（1）粒子工厂，质心能量为 1.02GeV。主要有意大利 LNF实验室的 DA NE，

对撞亮度达 61032cm-2s-1。

（2）陶-粲工厂，主要有北京正负电子对撞机（BEPC和 BEPCII），质心能量

为 3-5GeV，在 3.78GeV 时的对撞亮度达 11033cm-2s-1。中国和俄罗斯科学家分别

提出，设计亮度高 1-2数量级的超级陶-粲工厂的计划。

（3）在 B 介子工厂，主要有美国的 PEP-II 和日本的 KEKB，质心能量为

11.6GeV，对撞亮度分别达 1.21034cm-2s-1和 2.11034cm-2s-1。日本又建造了超级

KEKB，设计亮度为 81035cm-2s-1，正在调试运行中。

除了高亮度正负电子对撞机，科学家还提出了基于加速器上的长基线中微子

振荡实验，其物理目标是测量中微子混合参数。目前正在进行的实验有日本 KEK

的 J-PARC（观测距离 300公里）和美国 FNAL的 LBNF实验（观测距离 800公里）。

（三）我国的发展现状及趋势

北京正负电子对撞机（BEPC）是我国第一台粒子物理领域大科学装置，由注

入器、储存环、北京谱仪（BES）和北京同步辐射装置（BSRF）组成。BEPC于 1984

年 10 月动工建设，1988 年 10 月对撞成功，1989 年投入粒子物理实验运行，在

1.55GeV 和 1.89GeV 下的对撞亮度分别达到 51030cm-2s-1和 11031cm-2s-1，建立了

以中国科学家为主导的北京谱仪国际合作组，取得了陶轻子质量精确测量、

3-5GeV 能区强子截面精确测量和新粒子 X（1835）的发现等重要物理成果，在国

际权威的粒子数据表上有 500多项数据是在北京谱仪测量的。

2004 年-2008年高能物理所实施了 BEPC的重大改造工程（BEPCII），将正负

电子储存环从单环改为双环，对撞束团数目从 1对增加到约 100对，流强约提高

10倍，亮度提高约 100倍，并建造精度与 BEPCII的高亮度相匹配的高性能探测

254


器—新北京谱仪（BESIII），建立了 BESIII 合作组。BEPCII/BESIII 自 2009 年

投入高能物理实验以来，在陶粲能区获取了约 35 fb-1积分亮度的世界上最大数

据样本，取得包括高精度的陶轻子质量测量、粲介子含轻衰变和轻强子谱学等预

期的物理成果，获得了四夸克粒子候选态、粲重子衰变和 Collins碎裂函数测量

等超出预期的重要成果。

鉴于 BEPCII 加速器和 BESIII 探测器的优良性能和状态，BESIII 合作组制

定了未来 5—10年的物理实验计划，包括对加速器和探测器的性能进一步升级，

在质心能量 4.9GeV 的高能区的对撞亮度提高 3 倍以上，有望在新强子态等方面

取得更多物理成果。

在 BEPC和 BEPCII的基础上，我国的粒子物理领域加速器大科学装置将继续

向高能量前沿和高亮度前沿发展。

在高精度前沿，中国科学家提出建造超级陶粲工厂（STCF）的计划，对撞机

质心能量为 2—7 GeV，设计亮度大于 5×10 34cm -2s -1，性能比 BEPCII 有大幅度

的提升。STCF 将为探索宇宙中正反物质的不对称性、深入研究强子内部结构及

非微扰强相互作用本质、寻找奇异物质和超越标准模型的新物理现象等前沿重大

课题提供关键平台。

在高能量前沿，中国科学家提出了大型环形对撞机 CEPC/SppC的计划。CEPC

可在希格斯粒子（240GeV），以及 Z（91 GeV）和 WW（~165 GeV）能区高亮度有

效运行，深入研究标准模型并寻找新物理和新现象，同时在 Z 和 WW 能区采集大

量数据对这两个玻色子。CEPC 还可以升级到 tt 阈值（350 GeV）对顶夸克系统

地开展精确测量。未来还可以在同一隧道里建造质心能量 70~100 TeV 的质子-

质子对撞机（SppC），直接寻找超出标准模型的新粒子和新物理现象，引领国际

粒子物理的发展。

（四）国内外发展对比

在建造 BEPC 之前，我国在粒子物理领域加速器大科学装置方面，与发达国

家大致有 30 年的差距。BEPC 和 BEPCII 的成功建设和高效运行，使我国在国际

粒子物理领域占据了一席之地，在陶粲物理领域居于领先地位。BEPCII 至少将

能继续运行 10年，有望取得更多重要的物理成果。

255


研讨中的 STCF 和 CEPC/SppC 等装置的计划，将使我国不仅在高精度前沿，

而且在高能量前沿进入国际引领地位，为人类探索物质微观世界做出中国应有的

贡献。

目前我国与发达国家在本领域的主要差距，在于原创性的物理思想、加速器

和探测器上的新原理和新方法方面。

（五）结论与建议

经过几代科学家数十年的努力，我国在国际粒子物理领域加速器大科学装置

方面占据了一席之地，在某些方面居于领先地位，提出的未来发展计划有望引领

本领域的国际前沿。建议：

（1）继续开展 BEPCII/BESIII 实验，不断提高运行性能，取得更多重要成

果。

（2）深入开展未来加速器大科学装置的设计和关键技术研究，加强发展

战略研究，科学地确定方案。

（3）加强粒子物理理论与实验的结合，提出原创性的物理思想，发展加

速器和探测器的新原理和新方法。

二、粒子物理领域非加速器类大科学装置

（一）前言

在上世纪 50 年代 GeV 级的高能粒子加速器建成之前，粒子物理研究的主要

手段是宇宙线等非加速器类装置。近年来，高能量前沿的加速器装置受到规模和

造价的限制，而许多粒子物理问题，又需要在“宇宙实验室”里研究，从而使非

加速器装置成为与加速器装置并重的一类大科学装置[5-11]。


非加速器粒子物理大科学装置包括宇宙线观测、中微子实验、地下暗物质实

验、空间粒子物理实验和粒子宇宙学观测等装置。

(1) 宇宙线观测装置

宇宙线观测装置的科学目标聚焦于宇宙线的成分、起源、加速和传播机制等

256


等关系天体形成和演化等重大问题。宇宙线观测采用地面大气簇射阵列和切仑科

夫望远镜等多种研究手段，在国际上有阿根廷的极高能宇宙线观测站、南极的冰

立方中微子探测器、中国的四川稻城高海拔宇宙线观测站和欧洲的切伦科夫光望

远镜阵列（在建）四个支柱性大型实验。

(2) 中微子实验装置

中微子振荡实验是未来 10 年中微子研究的主流之一。目前在运行的中微子

振荡实验中，反应堆中微子实验有韩国 RENO、法国 Double Chooz和中国的大亚

湾实验 Daya Bay；大气中微子实验有日本 Super-K，太阳中微子实验有 Super-K

和意大利的 BOREXINO；加速器中微子实验有日本 T2K、美国 NOvA；计划或建设

中的实验有美国的 DUNE，日本的 Hyper-K，印度的 INO，美国在南极的 PINGU，

法国在地中海的 ORCA和中国的江门中微子实验 JUNO等。轴子是另一类近年来备

受关注的轻暗物质候选者，在实验室可以通过轴子和光子在外电场或磁场中发生

转化的过程进行探测，代表性的实验有欧洲计划中的 IAXO观测站、美国的 ADMX

和韩国的 CAPP实验等。

(3) 地下暗物质实验装置

国际地下暗物质实验主要集中在弱相互作用重粒子（WIMP）暗物质探测，包

括对撞机探测、地下实验的直接探测和空间间接探测三种途径。目前正在运行的

地下暗物质实验有美国 SURF 的 LZ 和 Soudan 的 CDMS，意大利的 LNGS 的 XENON

和 DarkSide，法国 Modane 的 EDELWEISS，加拿大 SNO 的 PICO/DEAP，日本神冈

的 XMASS，韩国 Y2L的 KIMS和中国 CJPL 的 CDEX和 PandaX等。

(4) 空间粒子物理实验装置

空间粒子物理实验利用卫星搭载或安装在空间站的探测器，直接探测宇宙射

线，寻找暗物质粒子和反物质，研究高能天体物理与宇宙线物理等。国际上的空

间 X和伽马射线天文探测装置，主要有美国的 Chandra X射线太空望远镜、欧洲

的 XMM-牛顿太空望远镜、德国的新一代 X 射线望远镜 eROSITA 和中国的硬 X 射

线调制望远镜（HXMT，“慧眼”）以及中法合作 SVOM 伽玛暴天文卫星等。空间暗

物质探测装置包括丁肇中领导的 AMS02、日本的 CALET、美国的 FERMI 和中国的

257


DAMPE（“悟空”）等。

(5) 粒子宇宙学观测装置

宇宙大爆炸极早期时空的量子扰动会产生原初引力波，在微波背景辐射

（CMB）形成 B 模式的偏振信号，对 CMB B 模式偏振的搜寻，将直接检验暴胀宇

宙理论和反弹宇宙理论等，对探索宇宙起源具有重大意义。国际上的地面 CMB

极化实验主要有美国在南极极点的 BICEP、智利的 POLARBEAR等，以及中国正在

建设的阿里原初引力波探测望远镜 ALiCPT。


（1）宇宙线观测装置

我国的宇宙线观测始于 20世纪 50 年代，先后建设了云南落雪山宇宙线站和

西藏羊八井国际宇宙线观测站，现正在四川稻城建设高海拔宇宙线观测站

（LHASSO）。

羊八井宇宙线观测站坐落在海拔 4300 米的西藏高原，主要有中日合作 ASγ

和中意合作 ARGO-YBJ 两大国际合作实验。ASγ是一个取样型探测器实验，使用

塑料闪烁体为单元探测器，其探测阈能为 3TeV，覆盖面积达 36900 平方米。

ARGO-YBJ 使用高阻性板探测器，是世界最大的地毯式全覆盖宇宙线阵列，其中

心部分面积 6700平方米。观测站于 1990 年建成以来，取得了许多科研成果。2019

年，ASγ实验阵列上观测到来自蟹状星云能量高达 450TeV的伽马射线。

高海拔宇宙线观测站 LHAASO位于四川稻城海子山海拔 4410米的高地，是国

家“十三五”重大科技基础设施项目，其核心科学目标是探索高能宇宙线起源以

及相关的宇宙演化、高能天体演化和暗物质的研究等。LHAASO 采用多种探测手

段实现对空气簇射的复合、精确测量，大幅提高灵敏度，覆盖更宽广的能谱。

LHAASO 包含 5195 台电磁粒子探测器和 1171 台缪子探测器组成 1 平方公里的空

气簇射探测阵列；3120 个水切伦科夫光探测器单元组成的 78000 平方米空气簇

射探测阵列和 12 台广角切伦科夫光望远镜阵列。LHAASO 于 2017 年 6 月开始建

设，计划在 2021 年建成，已有 1/2 的阵列建成并投入科学运行，发现了能量超

过 1PeV 的超高能伽马光粒子。LHAASO 建成后将是世界上海拔最高、规模最大、

258


灵敏度最高的伽马射线和宇宙射线探测设施，使我国在未来 10-15年甚至更长的

时间内保持该领域的国际领先地位。

（2）中微子实验装置

大亚湾反应堆中微子实验采用近远点相对测量的方法，通过测量核电站反应

堆产生的电子型反中微子的流强和能谱，测量中微子混合角 13。2012年 3 月大

亚湾实验发现了一种新的中微子振荡模式，以 5.2 倍的标准偏差确定 sin213

不为零。大亚湾实验将于 2020年底停止运行，预期 sin213精度提高至好于 3%。

江门中微子实验的首要科学目标是确定中微子质量顺序和精确测量中微子

振荡参数，在超新星中微子、地球中微子、太阳中微子、大气中微子和核子衰变

等方面也有丰富的物理课题。JUNO计划 2022年开始运行，有望在国际上率先确

定中微子质量顺序。在达到预期科学目标后，江门实验计划改造为双 β 衰变实

验装置，最灵敏地寻找无中微子双β 衰变以确定中微子是 Dirac还是 Majorana

粒子，实现最灵敏的中微子绝对质量测量（˂0.01 eV）。

（3）地下暗物质实验装置

位于四川锦屏山的中国锦屏地下深地实验室(CJPL)岩石覆盖厚度达 2400m，

是世界最深、空间最大的地下实验室，已列入国家十三五重大基础设施建设规划。

CJPL 为我国开展直接寻找暗物质、无中微子双 β衰变、宇宙中微子以至质子衰

变等重大前沿实验提供了独特的平台。在暗物质直接探测方面，在 CJPL有 CDEX

和 PandaX两大实验。

CDEX实验利用点电极高纯锗探测器开展暗物质直接探测和无中微子双β衰

变的研究。在暗物质方面，自 2010 年起 CDEX 先后建立了 1kg 和 10kg 量级的点

电极高纯锗探测器，成功实现了 160eV 的极低能量阈值，2018年 CDEX对质量小

于 6GeV/c2的轻暗物质给出了暗物质年度调制效应的国际最灵敏限制。合作组计

划建设吨量级的点电极高纯锗探测器系统，在 CJPL二期的 C1实验大厅开展暗物

质和无中微子双衰变实验研究，使暗物质探测灵敏度最终达到 10-45cm2，找到

可能的暗物质信号或灵敏度达到太阳中微子本底水平。

PandaX 实验采用二相型氙时间投影室技术，探测暗物质与氙原子核之间的

259


散射过程产生的信号，开展暗物质探测和无中微子双衰变研究。自 2009 年以

来，合作组先后完成了一期 120kg和二期 580kg液氙探测装置建设并开展实验。

二期实验于 2015年 11月开始，2016年及 2017年的两批数据，得到了暗物质和

质子中子自旋无关相互作用的最新上限。2019年起，新一代的四吨级 PandaX-4T

实验入驻锦屏实验室，目前处于安装和试运行阶段，将以更高的灵敏度对暗物质

进行搜寻数据，同时对中微子的基本性质开展前沿研究。合作组也在筹划发起下

一代数十吨级到百吨级的液氙探测国际合作项目，对暗物质探测的灵敏度可触及

太阳和大气中微子本底水平。

（4）空间粒子物理实验装置

我国的空间粒子物理实验装置主要有 HXMT和 DAMPE。

HXMT 是我国自主研制的第一颗 X 射线天文卫星，承载有高能 X 射线望远镜

（20～250keV）、中能 X射线望远镜（5～30keV）、低能 X射线望远镜（1～15keV）

以及空间环境监测器。HXMT于 2011年 3月正式立项，于 2017年 6月 15日发射

升空。HXMT在 1-250keV能量范围内高灵敏度的巡天和定点观测，在双中子星并

合产生引力波、快速射电暴研究、中子星表面 10 亿特斯拉超高磁场的测量、黑

洞附近的相对论喷流的观测、黑洞周围最高能量准周期振荡的发现、和高精度脉

冲星导航在轨验证等方面取得了一系列科学成果，开启了研究黑洞和中子星系统

研究的新窗口。

在 HXMT 的基础上，科学家又提出了增强型 X 射线时变与偏振空间天文台

（eXTP）项目。eXTP上将装备国际上最大规模的 X射线聚焦和准直望远镜阵列，

通过对空间 X 射线（1-30keV）的高时间分辨、高能量分辨、高精度偏振探测，

对黑洞、中子星和夸克星进行观测，研究极端引力、极端磁场和极端密度条件下

的物理规律。eXTP正在进行关键部件预研，计划在 2025年发射。

DAMPE是我国首个空间高能粒子探测卫星，于 2015年 12月 17号发射。DAMPE

共有 4个子探测器，从上到下依次是塑料闪烁体探测器、硅阵列探测器、BGO 量

能器和中子探测器。DAMPE通过高精度观测高能电子、伽马射线和宇宙射线粒子，

以间接探测暗物质粒子并开展天体物理研究。DAMPE 直接测量到电子能谱在约

0.9TeV 处的拐折，为理解高能电子宇宙射线来源以及限制暗物质模型提供了关

260


键性的数据。DAMPE还在国际上首次利用空间实验实现对高达 100 TeV的宇宙线

质子能谱的精确测量，该能量上限比 AMS-02实验高出约 50倍，比 CALET实验最

新结果高出 10 倍，发现质子宇宙射线能谱在约 14TeV 处的拐折结构。DAMPE 目

前还在平稳运行，期待通过更多的观测数据为粒子天体物理研究做出重要贡献。

高能宇宙辐射探测设施 HERD 是继 DAMPE 之后的新一代暗物质和宇宙线探测

装置。HERD 将能以前所未有的灵敏度搜寻暗物质，探究宇宙线起源，开展高能

伽玛射线巡天，并探索脉冲星导航的前沿技术。HERD 采用了三维位置分辨五面

灵敏的创新设计，探测能力比国际上已有的同类实验约高一个数量级，将成为中

国空间站上标志性的旗舰级大型科学实验，计划于 2027年建成升空。

（5）粒子宇宙学装置

利用西藏阿里天文台得天独厚的地理环境优势、观测气象条件与配套基础设

施，中国科学家于 2014 年提出了在阿里建设原初引力波实验装置的计划

（AliCPT）。不同于国际上地面 CMB 实验目前都分布在南半球（南极极点与智利

阿塔卡马沙漠），AliCPT 将率先打开北半球原初引力波观测的新窗口。AliCPT

计划分三步实施。第一步（2017-2022）在海拔 5250m 的台址建设口径为 72cm

的双频段（95、150GHz）CMB 望远镜，包含 4 个模块的 7000 个探测器，为目前

最灵敏的南极 BICEP3 探测器数目的 2.7 倍。第二步，将升级望远镜探测器数量

至数万量级，并计划建设中等口径望远镜，实现北天区弱引力透镜效应的重建，

精确测量原初引力波，同时开展中微子绝对质量测量和暗能量性质的研究。第三

步，开展空间原初引力波探测。


我国在宇宙线观测、中微子实验、地下暗物质实验、空间粒子物理实验和粒

子宇宙学观测等非加速器粒子物理大科学装置，从总体上已进入国际前列，不少

装置的性能居于国际领先，取得了包括发现第三种中微子振荡在内的多项重大科

学成果。与国际上最先进的装置相比，这些装置中原创性的新思想、新原理、新

方法和新技术还不多，重大科学成果的产出还不够。


261


我国的非加速器粒子物理大科学装置从上世纪 50 年代的高山宇宙线起步，

从跟跑发展到并行，在多个方面实现领跑；建设和计划中的下一代大科学装置，

有望使我国在激烈的国际竞争中取得领先。建议：

（1）加强装置的运行和维护，加强实验数据获取和物理分析，高质量完成

在建装置的设计和建造，取得更多国际领先的重大物理成果。

（2）加强人才队伍的培养和建设，加强新原理、新方法和新技术的研究，

提出新思想，优化完善未来项目和发展规划。

（4）提出并实施以中国为主导的国际大科学装置计划和合作项目。

三、核物理领域加速器大科学装置

（一）前言

核物理是在原子核层次上研究物质的结构、相互作用和运动规律。基于粒子

加速器的大科学装置是研究核物理前沿科学问题的重要基本工具和手段，同时在

航天、核能、材料、医学与人口健康、环境污染治理和国家安全等方面有重大应

用。粒子加速器大科学装置可以为核物理研究提供不同能量、不同种类的高品质

束流，如稳定核离子束、放射性核束、极化和非极化粒子束、短波长 X射线等[12-14]。


核物理大科学装置主要包括用于传统中低能核物理和中高能核物理或强子

物理研究的粒子加速器大科学装置。

（1）传统中低能核物理加速器大科学装置

从上世纪 90年代开始，中低能核物理研究前沿发展为放射性束物理，国际上

开始建造基于放射性束的加速器大科学装置。这些放射性束加速器装置大部分都

是利用原有的中低能回旋加速器提供稳定核束，利用回旋加速器或直线加速器或

串列加速器加速放射性次级束。所提供的离子束主要用于开展核结构、放射性束

物理、核天体物理等领域的研究，这些装置所提供的稳定束能量一般为几十

MeV/u 或几百 MeV/u，重离子束最高能量小于 1.5 GeV/u。国际上这类装置有 20

多台，例如，法国 GANIL，日本 RIKEN，美国 MSU/NSCL,俄罗斯 JINR/Dubna,意大

262


利 LNS/INFN, 加拿大 TRIUMF，中国 IMP-HIRFL 和 CIAE-BRIF 等。另一类中低能

核物理加速器大科学装置是以回旋加速器或直线加速器作为注入器，以同步加速

器作为提升能量的主加速器，这类加速器大科学装置的研究目标较广泛，包括核

结构、放射性束物理、核天体物理、强子物理、高离化态原子物理、高能量密度

物理以及相关应用交叉学科如辐射生物学、核能材料等。国际上这类装置典型的

代表有德国 GSI SIS-ESR 和 Juelich COSY, 中国 HIRFL-CSR 等。中低能核物理

加速器大科学装置发展趋势是通过束流物理和加速器技术的突破，进一步提高稳

定离子束束流强度、放射性次级束束流强度并扩展次级放射性束种类。

（2）中高能核物理或强子物理加速器大科学装置

国际上用于强子物理、核子结构、夸克物质相结构研究的正在运行的加速器

装置主要包括美国 BNL-RHIC（重离子最高能量 100 GeV/u，质子束能量 250 GeV,

离子-离子峰值对撞亮度 2-2.4×1032 cm-2s-1）、JLab-CEBAF（电子束能量 12 GeV），

德国 GSI-SIS（重离子最高能量 1.5 GeV/u, 束流强度 5×1010 ppp）等。对胶子

和海夸克进行研究则需要更高能标的电子-离子对撞机（EIC）。国际强子物理领

域已基本形成共识: EIC将是研究核子、原子核内夸克胶子分布的最有效设备。

美国能源部已决定将美国 EIC 装置落户于 BNL 国家实验室，并计划于 2025 年左

右开始建造，质心系最高能量 140 GeV, 对撞最高亮度 1034 cm-2s-1。中国也提出

了建设较低能量的双极化电子-离子对撞机 EicC，质心系最高能量 20 GeV, 对撞

最高亮度 4×1033 cm-2s-1。通过强子激发态、强子谱探索强子内部结构的加速器装

置主要包括欧洲大型强子对撞机(LHC)、美国 JLab-CEBAF、日本 KEK的超级 B工

厂和我国 BEPC II等装置。中高能核物理或强子物理加速器大科学装置发展趋势

是尽可能提高束流强度或粒子束对撞亮度。

（3）核物理加速器大科学装置未来发展态势

逐步深入和拓展的核物理研究驱使着加速器升级换代。未来 20—30年核物理

加速器大科学装置一个显著特点可能是把传统中低能核物理和中高能核物理、强

子物理等多个研究领域集于一体，形成多功能、多用途、应用于多学科的由多台

粒子加速器构成的加速器集群。发展趋势是不断挑战高能量、高流强、高束团功

率、高亮度、高束流品质和高精度，提供的粒子束种类将是稳定束、放射性束、

263


极化束等多种类组合。

实现高能量、高束团功率的最佳方案是由多台环形同步加速器级联，逐级提

高束流能量, 逐级累积提高单束团离子数, 典型代表是在建的德国反质子和离

子研究装置 FAIR（铀离子束最高能量 34 GeV/u，最高束流强度 51011 ppp）和

我国强流重离子加速器装置 HIAF（第一期铀离子束最高能量 2.45 GeV/u，最高

束流强度 11011 ppp）；实现高束流强度和高束流功率的技术路线是采用超导直

线加速器, 典型代表是在建的美国稀有同位素束流装置 FRIB（铀离子束流能量

200MeV/u,束流功率 400 kW, 最高束流强度 13 pµA）和欧洲曾经提出的放射性束

加速器装置 EURISOL（驱动加速器能量 1.0 GeV/u, 束流功率 4 MW。）；实现高束

流品质的技术路线是应用各种束流冷却技术如随机冷却、电子冷却或激光冷却。

目前国际上正在建造的大型重离子加速器装置主要有德国 FAIR、美国 FRIB、我

国 HIAF 和俄罗斯的 NICA, 这四个装置将于 2022 -2025年左右建成并投入运行,

将在今后一定时期内引领国际上重离子核物理研究。


我国规模最大、能量最高的核物理加速器大科学装置是兰州重离子加速器

（HIRFL），由两台回旋加速器（HIRFL-SFC和 HIRFL-SSC）、一台重离子同步加速

器（HIRFL-CSRm）和一台重离子冷却储存环(HIRFL-CSRe)级联组合而成。HIRFL

可以提供从氢到铀各类重离子稳定核束和放射性次级束流，重离子束能量

1-1000 MeV/u, 也是目前亚洲能量最高、规模最大的重离子加速器大科学装置。

HIRFL-SSC 回旋加速器重离子束最高能量 100 MeV/u、束流强度为 109—1012 pps；

HIRFL-CSRm 重离子束最高能量 1000 MeV/u，质子束最高能量 2.8 GeV，引出离

子束强度 107-1010 ppp。

另外一台规模较大的核物理加速器大科学装置是北京放射性束装置（BRIF）。

该装置是由一台 100 MeV@200μA 的质子回旋加速器作为主驱动加速器，通过质

量分辨 20000的 ISOL系统产生放射性束，由一台 15 MV的静电串列加速器进行

后加速，产生较高能量的放射性束。

在我国一部分大学和研究院所，还有一些规模较小的基于小型回旋加速器、

静电串列加速器和高功率短脉冲激光装置等，这些装置主要用于低能量核物理和

264


核技术应用等方面的研究。

目前我国在建的核物理加速器大科学装置是“强流重离子加速器装置”

（HIAF）。该装置已于 2018年在广东惠州开工建造，计划 2024年建成投入运行。

HIAF 由一台重离子超导直线加速器(iLinac)作注入器, 一台重离子常温同步

加速器(BRing-N)作增强器, 一台常温重离子冷却储存环(SRing)作为实验谱仪,

在 BRing-N 和 SRing 之间是一条高磁刚度的放射性次级束流线（HFRS）, HIAF

共有6个实验终端。在强流运行模式下BRing-N设计重离子束能量 238U35+ 0.8 GeV/u,

环内铀离子束流强度期望达到（0.5-1.0）×1011 ppp；在高能量模式下, 238U35+

离子被剥离至 238U76+, BRing-N加速铀离子能量 2. 45 GeV/u、设计的环内束流强

度 5. 0×1010 ppp。SRing 既可储存重离子稳定核束，也可储存放射性次级束，

用于短寿命原子核质量测量、高能量密度物理和高离化态原子物理研究。从

SRing 引出的全剥离铀离子 238U92+能量预期可达到 0.8-1.1 GeV/u, 束流强度达到

5.0×1011 ppp, 束团脉冲宽度 50-100 ns,脉冲束流功率 20-25 kJ。

HIAF 建成投入运行后，按照计划应该启动 HIAF升级工程。HIAF升级工程包

括提升重离子超导直线注入器能量、在 BRing-N同一隧道内增建全超导主同步加

速器 BRing-S,使 HIAF 同步加速器引出重离子束流强度最终达到 1×1012 ppp,

铀离子最高能量达到 9.1 GeV/u, 每脉冲重离子束功率达到 0. 5-1.0 MJ; 在

SRing 储存环隧道内增建一台全超导重离子储存环 MRing, SRing 和 MRing 两台

储存环中的全裸铀离子束可以进行交叉碰撞或并束对撞。另一台大科学装置“加

速器驱动的嬗变研究装置 CIADS”正在广东惠州建设，与 HIAF处于同一个园区，

未来可以把 CIADS高功率超导质子直线加速器与 HIAF装置结合建成高功率 ISOL

型放射性束装置。计划利用 CIADS 装置 500 MeV@ CW 5 mA 超导质子直线加速器

作为驱动器, 高能量、强流质子束或轻离子束轰击在线同位素靶, 产生丰中子核

素，利用 HIAF注入器 iLinac或者同步加速器 BRing后加速丰中子放射性核束，

形成在国际上独特的高功率放射性束装置。

强子物理未来发展的前沿是利用电子-离子对撞机（EIC）研究核子、原子核

内夸克胶子分布。根据目前提出的发展计划，以 HIAF 及其升级装置为基础, 未

来可以建造电子注入器、跑道形电子环和“8”字型离子环, 把常规质子束升级

265


为 20 GeV 的极化束流, 并提供 3-5 GeV 极化电子束流, 从而实现质心系能量为

15-20 GeV的双极化电子-离子对撞, 建设中国电子离子对撞机（EicC），为探索

核子与原子核结构提供理想工具。 EicC 设计的对撞亮度为(2-4)×1033 cm−2s−1,

质子束流极化率达到 70%, 电子束流极化率达到 80%。

由我国原子能研究院和北京大学提出的“北京 ISOL”装置，是以反应堆和

强流氘束超导直线加速器双驱动的放射性束专用装置。该装置氘束超导直线加速

器设计能量为 40 MeV，束流强度 10 mA，打靶产生的裂变产物通过高分辨率的在

线同位素分离系统分离后，经过电荷倍增系统进一步提高放射性束电荷态，再经

超导直线加速器加速到 150 MeV/u，被加速的丰中子核束二次打靶经弹核碎裂反

应形成高强度极丰中子放射性束。HIAF 和北京 ISOL两个大科学装置在核物理目

标和国家需求方面优势互补，各有侧重，并各自具有独到的特点。

核物理大科学装置另一个未来发展方向是利用自由电子激光或超强、超短脉

冲激光装置。上海硬 X 射线自由电子激光装置（SHINE）正在建设，采用不同类

型激光和 X射线与 SHINE提供的 8.0 GeV 电子束发生康普顿散射，产生能量连续

可调、准单色、高通量、高极化的伽玛光,可以开展相关核物理前沿研究。激光

加速带电粒子束技术目前发展很快，也许未来激光驱动的粒子加速器可以提供稳

定的高品质粒子束，用于核物理前沿研究。


HIRFL 装置为我国科技工作者开展核物理基础研究和国家需求的应用研究

提供了先进的实验平台。由于前期国家投入不足, 现有装置的总体能力和水平与

国际上性能最好的同类装置相比有一定的差距, 只能在质子滴线区域新核素合

成和短寿命原子核质量精确测量等研究方向上处于国际领先。我国现有核物理大

科学装置的用户群体主要来自国内的大学或研究机构，国际化开放程度需要进一

步提高。

HIAF 能够产生 5000种左右不稳定原子核, 是一台束流指标先进、多学科用

途的重离子科学研究装置。利用 HIAF 开展核物理研究有望在利用多核子转移反

应合成丰中子超重核素以及探索“超重核稳定岛”、基于冷却储存环精确测量短

寿命原子核质量、依托高能放射性束流装置研究奇异原子核结构以及重离子驱动

266


的高能量密度物理等研究方向上代表国际领先水平。

HIAF 升级工程建设完成后，有望成为综合性能世界领先的用于核物理和核

科学技术应用研究的大型粒子加速器集群装置, 特别是重离子同步加速器和放

射性束装置的束流强度、连续波离子束超导直线加速器的束流功率等指标将处于

国际领先水平。依托该装置开展核物理及其交叉前沿基础研究和核科学技术应用

研究, 有望在原子核结构、核子结构、放射性束物理、重离子驱动的高能量密度

物理等研究领域处于国际引领。


我国在核物理加速器大科学装置方面具有重要国际影响、并占据了一席之

地，在某些方面居于领先地位，提出的未来发展计划有望引领本领域的国际前沿。

主要建议：

（1）不断提高现有加速器大科学装置性能，提高运行水平，取得更多重

要成果。按期完成 HIAF 装置建设，尽快投入运行，取得预期的重大核物理研究

成果。

（2） HIAF 投入运行后，尽快启动 HIAF 升级工程，并建议北京-ISOL 放

射性束装置开工建设。

（3）深入开展未来加速器大科学装置的设计和方案优化及其关键技术研

究，特别须加强核物理大型实验探测器和实验终端建设，我国长期以来在核物理

实验探测器方面投入明显不足。

（4）进一步加强国际合作，吸引国外用户投入并参与加速器和探测器建

设，并利用装置开展实验研究。

四、同步辐射光源大科学装置

（一）前言

同步辐射是速度接近光速的相对论带电粒子在磁场中运动方向改变时，沿轨

道切线方向发射的电磁辐射。同步辐射具有从远红外到 X光波长连续可调、高强

度、高准直度、高极化度和能精确控制等优异性能，是研究物质内部结构不可或

缺的重要探针。同步辐射广泛应用于物理、化学、材料科学、生命科学、信息科

267


学、力学、地学、医学、药学、农学、环境保护、计量科学、光刻和超微细加工

等众多基础研究和应用研究领域。一台同步辐射装置上可建设几十个光束线站并

提供几十种研究方法，几十到上百位科学家能够同时开展各种不同的实验研究工

作，是多学科交叉的重要研究平台和科研交流的场所。


目前，世界上在运行的同步辐射装置有 50多台，其中，美洲有 11台，欧洲

有 22台，日本有 9台，此外，亚太地区还有 13台，中东地区有 1台。

同步辐射光源迄今已经历了三代的发展历程，目前正在处于第四代光源的建

设热潮中。先进的第三代同步辐射光源的电子束发射度一般小于 10nmrad，绝大

部分的实验线站都是从波荡器引出同步辐射，其光谱亮度比第二代同步辐射光源

高几个数量级，是目前支撑科学家开展研究的主力光源。第四代同步辐射光源在

第三代的基础上进一步降低电子束发射度，大都分布在 300 pmrad-30 pmrad

区域，并逐步接近 0.1nm 波长 X 射线辐射的衍射极限值 10 pmrad，其光源亮度

较第三代提高约 2-3个量级。第四代同步辐射光源将进一步提升实验的空间分辨

和时间分辨能力并推动新实验技术的发展，为众多学科领域带来研究的新机遇，

在物理、能源、材料、信息技术、健康医药等众多科学与产业领域产生开创性的

研究成果。因此，世界许多国家都纷纷提出了建设新一代同步辐射光源的计划并

争先建造，包括瑞典的 MAX-IV、巴西的 SIRIUS、欧洲的 ESRF-EBS、美国的 APS-U

和 ALS-U、日本的 SLiT-J和 SPring-8-II、意大利的 ELETTRA 2.0、瑞士的 SLS 2.0、

德国的 PETRA-IV 和 BESSY-VSR、英国的 DIANMOND II、法国的 SOLEIL-U、俄罗

斯的 SKIF、泰国的 SPS-II等[15]。此外，韩国、印度、伊朗、南非和土耳其等也

在谋划和推进新一代光源的建设计划。2016年建成运行的 MAX-IV光源是国际上

第一台第四代同步辐射光源，它采用 7BA 磁聚焦结构使储存环发射度达到了

240pmrad[16]，之后所有的第四代同步辐射光源案均采用了 MBA型的磁聚焦结构，

设计的发射度在 10-280pmrad 区间，并不断向衍射极限环光源的性能逼近，同

时大幅度提高了同步辐射的相干性能，部分还考虑圆束截面运行的新工作模式

[17-23]。


268


我国大陆现有北京、合肥、上海的三个正在运行同步辐射光源。1989年建成

的北京同步辐射装置是依托于北京正负电子对撞机的第一代同步辐射光源，能量

为 2.5GeV，储存环周长 241 米，有 14 条光束线和 15 个实验站，覆盖从真空紫

外到硬 X 射线的辐射波段。1990 年建成并于后来进行了重大升级改造的合肥光

源是能量为 0.8GeV的第二代同步辐射光源，储存环周长 66米，有 14条光束线、

14 个实验站，主要工作在真空紫外和软 X 射线波段。2009 年建成的上海同步辐

射装置，是我国第一台第三代同步辐射光源，能量为 3.5GeV，储存环周长 432

米，发射度 3.9 nmrad，目前已有 17 条光束线、21个实验站对用户开放，其正

在建设的上海光源线站工程包括 16 条指标先进的光束线和 32 个实验站，将于

2022 年建成并对用户开放。

我国的第四代光源也在抓紧布局和建设。北京高能同步辐射光源（HEPS）已

于 2019 年 6 月开工建设，HEPS 能量为 6GeV，周长 1360 米，可实现 48 pmrad

的低发射度，首批建设 14 条线站。同时，瞄准低能区的合肥先进光源（HALF）

也已完成关键技术预研，预计可在十四五期间获得国家建设批复，其电子束能量

约 2.2GeV，储存环周长 480 米，具备容纳 50 条光束线站的能力，首批将建 10

条线站。此外，我国一些经济和科技发达地区，如深圳、东莞、武汉、重庆和成

都等，也在积极谋划建设第四代同步辐射光源，上海还着眼于更长远的发展，将

在十四五期间预研储存环全相干光源的关键技术。


根据储存环电子束能量，国际上通常将同步辐射光源划分为高、中低能三种

类型。4.5-8GeV 为高能光源，2.5-4.5GeV 为中能光源，小于 2.5 GeV 的为低能

光源。国际上正在运行的第三代光源中，中能光源占比超过 50%，这与同步辐射

光源用户的需求和建设的性价比有密切的关联。国际上这一轮第四代同步辐射光

源的发展也是从中能区开始的，高能和低能区的装置迅速跟进，现已呈现出全面

发展的态势。我国的同步辐射光源也在按高、中、低能区进行布局，通过实施十

三五和十四五规划，合肥先进光源、上海光源、北京高能光源可构成我国同步辐

射装置在低、中、高能区的合理布局，可在新一轮的同步辐射光源发展中进入世

界前列。

269


国际上同步辐射光源正处于建设第四代的初期，我国的高能光源是最早建设

的 5台之一。但还是要客观地看到我国大陆的第三代光源建成比较晚，我们拥有

的第三代光源光束线站数量还很少，我们有经验的相关用户科学家和技术专家数

量十分不足，这些因素导致我们在实验站建设和应用研究的若干方面需要找到有

效的快速发展途径，以实现后来居上的跨越发展。


经过约 40 年的积累和发展，我国的同步辐射光源大科学装置已经进入了快

速发展阶段，到 2030 年可在低、中、高能区全部走到国际前列。但在装置及束

线站的数量、研究领域和地域分布上，与欧洲、日本、美国还有差距，我们需要

首先在低、中能区完成统筹规划布局并在“十四五”期间由国家部署和落实实施。

目前，我国同步辐射光源的发展得到了各领域科学家和地方政府的高度重

视，多地在积极推动和投入经费准备建设，建议进行全国的统筹规划与协调，包

括分析我国用户现状与需求，通用型和专用型光源的需求，基础研究、应用研究

和产业发展的领域和性能需求，区域科技发展和产业应用的需求；也包括研究未

来发展的需求和分析研究国际同步辐射发展趋势，以及分析与研究我国光源研制

队伍的现状和发展要求。

五、自由电子激光大科学装置

（一）前言

自由电子激光（FEL）是一种继同步辐射光源之后基于电子加速器的全新光

源，它具有高峰值亮度、超短时间脉冲、波长连续可调和接近全相干的优越特性，

使人们能用亚纳米尺度的空间分辨能力研究飞秒时间尺度的原子与分子体系的

结构和超快动力学过程，已成为破解生物、物理、化学及材料等众多科学前沿重

大难题的科研利器，为实验科学的发展提供了一种崭新的革命性技术。本世纪以

来，已有 10 台高增益自由电子激光装置相继建设或建成，实验方法与技术不断

发展和完善，已开拓了一系列前沿研究领域和方向[24-30]。


适于产生短波长相干辐射的高增益 FEL原理（主要包括 SASE和 HGHG）分别

270


于上世纪 80年代和 90年代被提出，随后在红外和 DUV与 VUV波段得以实验验证。

2005 年，德国 FLASH装置建成并开始用户实验，成为世界首台 SASE-FEL用户装

置。2009 年，美国 SLAC 的 LCLS 装置顺利出光，标志着硬 X 射线 FEL 时代的到

来。2010 年，基于 HGHG 机理的意大利 FERMI 装置首次出光，随后级联 HGHG 的

软 X射线 FEL放大器也于 2014年投入用户实验。2011年，日本的“紧凑型”硬

X 射线 FEL 装置 SACLA首次出光。2017 年 6月，韩国的 PAL-XFEL向用户开放。

2017 年 9 月，目前全球最大的 X 射线激光器 European XFEL 在德国正式投入使

用。2017年 11月，瑞士的 Swiss-FEL 开始接待首批用户。2015年起，美国的连

续波高重复频率 X 射线 FEL 装置 LCLS-II 开始建设，随后其能量升级项目

LCLS-II-HE也获批复，LCLS-II项目预计于 2023年 4-10月完成。

X 射线 FEL 不断向短脉冲（至阿秒）、全相干和高效率（超导加速器、高重

频）等前沿挺进，同时基于多种新加速技术的新型紧凑型、高效率 X 射线 FEL

装置，例如英国的 UK XFEL计划、意大利米兰的 MariX计划，美国亚利桑那大学

的 ASU CXFEL计划，美国加州大学洛杉矶分校的 UC-XFEL计划，德国 DESY的 AXSIS

计划，德国 DESY的 FLASH-Forward计划以及欧洲的 EuPRAXIA计划等，都是瞄准

采用革命性的关键技术，包括采用激光尾场加速技术来实现装置规模的小型化以

及高效率。


上个世纪 90 年代末，我国开始发展高增益 FEL 装置，其主要技术路线是基

于外种子型运行机制的全相干 FEL。中国科学院上海应用物理研究所和北京高能

物理研究所、中国科学技术大学、北京大学和清华大学等开展了高增益 FEL 的

关键技术研发和装置研制工作，并于 2009 年建成了上海深紫外自由电子激光

(SDUV-FEL)试验平台。2016 年大连化学物理研究所和上海应用物理研究所合作

建成了极紫外能区的大连相干光源（DCLS），2017 年开始进行用户试验。

中国的软 X 射线自由电子激光装置（SXFEL）经历了长时间的酝酿和论证，

于 2014 年 12 月获批建设试验装置，其目标是探索新型全相干 FEL 运行模式，

解决并掌握核心关键技术。试验装置于 2020 年 11 月通过国家验收。2016 年 11

月，此装置获批将升级建成为一台高水平的“水窗”波段高亮度 FEL 用户实验

平台。该装置由一台 1.5GeV 的 C-波段常温直线加速器、一台 SASE-FEL 放大器

271


和一台种子型 FEL 放大器、两条光束线和 5 个实验站构成，设施总长度 532 米，

产生的 FEL 覆盖 2-20nm 的波长范围，预计 2021 年底开放用户使用。

目前我国高增益 FEL 装置正朝着高重频方向发展。其中上海高重复频率硬

X 射线 FEL 装置（SHINE）已于 2018 年 4 月动工建设，预计于 2025 年建成。

SHINE 装置包含一台能够提供 8GeV 高品质电子束的连续波超导直线加速器，驱

动产生的 X 光脉冲最高重复频率可达 1MHz。SHINE 首期将建设三条波荡器线，

其中包括一条软 X 射线波荡器线，一条硬 X 射线波荡器线和一条超硬 X 射线波

荡器线，覆盖 0.4-25keV 的光子能量范围。SHINE 的建成将极大地促进我国光子

科学的发展，使我国高增益 FEL 的性能步入世界前列，为我国科学家解决科学

前沿和国家重大需求中的关键核心问题提供支撑。另外，我国大连的极紫外和深

圳软 X 射线波段的高重频 FEL 装置也在建议和筹备建设中。

综上所述，目前我国已经掌握了 FEL 相关的主要关键技术，具备建设具有

国际先进性能的 FEL 大科学装置的能力。未来我国 FEL 装置的主要发展方向是：

全面掌握超导加速器及高重频 FEL 的关键技术；基于已有装置发展具备全相干、

超短脉冲和性能可灵活操控的先进 FEL 运行模式，大幅提升装置性能；逐步实

现 FEL 装置的小型化等。作为用户装置，我国 FEL 另外一个重要发展方向是与

用户实验紧密结合，发展 X 射线 FEL 线站技术和先进实验方法，开展国际领先

的 FEL 科学实验。


目前，国际上高增益 FEL 经历了约 40 年的发展，已经完成了从原理研究到

装置建设和开展用户实验的整个过程，已有 8台装置在运行中，其中国际上第一

台硬 X射线装置已经开展了 10年的用户实验，取得了丰硕的成果。

我国高增益 FEL起步较晚，但近些年发展十分迅速，目前在 FEL新原理和关

键技术方面已处于国际前沿；在装置建设方面已经进行了从真空紫外、极紫外、

软 X射线到硬 X射线全波段覆盖的布局，并适时采用了高重复频率 FEL装置的技

术路线。

在世界范围内，上海高重复频率硬 X射线 FEL装置建成后，上海将与德国的

汉堡以及美国的斯坦福形成三个拥有基于超导直线加速器的高重复频率（MHz

272


级）X 射线 FEL 装置的光子科学中心，X 射线 FEL 装置方面将有望从跟跑走向并

跑的阶段。

但与此同时，一些核心的关键技术仍然处于相对落后的发展阶段，例如 X

射线 FEL 相关的先进光学仪器、探测器、方法学、数据分析等。另外，我国 X

射线 FEL 用户装置还在建设之中，尚未开展应用研究和实验，我国在 X射线光束

线站技术和方法学方面的发展还落后于国际上的同类装置。

除此之外，在下一代紧凑型、高效率 X射线 FEL方面，虽然我国在基于等离

子体尾场加速技术方面已有一些前期的探索研究，但在整机层面的战略考虑和部

署还未考虑。


经过近 20 多年的发展布局，我国在高增益 FEL 装置技术发展的若干方面已

经达到了国际先进水平，并实现了从真空紫外、极紫外、软 X射线到硬 X射线全

波段覆盖的布局，以及高低重频的兼顾。目前，我国在 FEL的高效利用以及科学

应用方面与美国、德国和日本等先进发达国家相比仍有非常大的差距，在诸如先

进电子源、超导加速器、X 射线光学、X 射线探测器、先进数据技术等方面仍相

对落后，还需要形成长期稳定的支持机制，快速突破技术瓶颈，引导 FEL实验方

法和先进仪器的不断发展和创新，实现跨越发展。应继续推动基于我国已有装置

开展 FEL 新原理和新技术的验证，鼓励 FEL原理和关键技术的原始创新，实现我

国 FEL装置性能的不断提升。

下一代紧凑型、高效率 X射线自由电子激光发展迅速，正在从关键技术突破

走向试验装置建设，建议我国在此方向也要提前进行部署，开展前瞻性的关键技

术研究。

六、散裂中子源大科学装置

（一）前言

散裂中子源是开展前沿学科及高新技术研究的先进大型实验平台。无论物质

科学前沿研究（如高温超导机理及器件），还是国家重大战略需求（如航空发动

机关键材料及部件）的技术研发，最基本的问题就是物质的构效关系，需要准确

273


认识不同空间尺度的物质结构以及不同能量范畴的相互作用。要研究这些基本问

题和相互作用，就需要散裂中子源。


美国散裂中子源 SNS 设计束流功率 1.4MW，可提供 24 条中子束线，首批建

设 5 台谱仪，2006 年建成并投入使用，目前已有 20 台中子谱仪运行；日本散裂

中子源 J-PARC 设计束流功率 1MW，可提供 22 条中子束线，2008 年首束中子

产生时有 5 台中子谱仪开始调试；英国散裂中子源 ISIS 设计束流功率 200kW，

第一靶站可提供 20 条中子束线，首批建设 3 台中子谱仪。另外，正在建设中的

欧洲散裂中子源 ESS 设计束流功率 5MW，2014 年 9 月开始动工，计划 2022 年

底打靶产生中子束流。中国散裂中子源 CSNS 作为发展中国家的第一台散裂中子

源，进入了世界四大脉冲散裂中子源的行列。


中国散裂中子源（CSNS）包括 1 台 80MeV 负氢离子直线加速器、1 台 1.6GeV

快循环同步加速器、2 条束流输运线、1 个靶站、3 台中子谱仪。CSNS 第一期设

计质子束功率 100 kW, 束流脉冲重复频率 25 Hz, 脉冲束流强度 1.6×1013

ppp,

平均束流强度 62.5 µA。CSNS 于 2018 年 8 月建成通过国家验收并开始运行，是

我国唯一的散裂中子源。CSNS 在加速器、靶站、谱仪方面取得了一系列重大技

术成果，使我国在强流质子加速器和中子散射领域实现了跨越发展，综合性能进

入国际同类装置先进行列[31]。

CSNS 设计提供 20 条中子孔道，优先建成了 3 台中子谱仪，即通用粉末衍

射仪、小角散射仪和多功能反射仪。除这 3 台中子谱仪之外，CSNS 同粤港澳大

湾区的大学、研究院所商定，由用户筹集资金联合共建 6 台用户中子谱仪。剩余

的中子束道，拟向国家申请散裂中子源二期（CSNS-II）工程项目，建设 11 台各

具特色的中子谱仪和实验终端。同时，为进一步提高装置的支撑能力以及前沿研

究对信噪比的更高要求，拓展装置的应用范围，升级装置的束流功率至 500kW

[32]。

迄今为止，国内中子散射的用户群体已遍及全国范围，用户的需求覆盖基础

与应用科学研究、工程和工业应用方面的广泛领域，包括凝聚态物理、化学、材

274


料科学、生命科学、聚合物和软物质、地球科学、机械加工工业、核物理、中子

辐射效应、质子成像和医学应用等。

CSNS 现已完成四轮中子散射用户实验，用户实验课题申请非常踊跃，机时

供不应求。围绕国际科技前沿和国家重大需求，取得了多项成果，如新型锂离子

电池材料结构、斯格明子的拓扑磁性、自旋霍尔磁性薄膜、高强合金的纳米相、

太阳能电池结构、芯片中子单粒子效应等，同时也开展了航空材料、可燃冰、页

岩、催化剂等初步研究。例如，香港大学机械工程系黄明欣教授团队研发的超级

钢，其成果已在国际顶级学术期刊《Science》上发表，此次在 CSNS 通用粉末

衍射仪成功开展的淬火配分钢（QP 钢）的中子衍射研究，不仅获得了高强钢在

不同组织结构及不同变形条件下亚稳奥氏体与位错等的重要微观参数，同时也识

别了析出碳化物信息。本次实验为深入理解第三代超高强钢的变形、强化及断裂

机理提供了关键的数据支持，对推动高强度级别淬火配分钢的产业应用具有积极

作用。


我国 CSNS 装置已达到设计束流功率 100kW，二期将升级到 500kW。即使

运行在 100kW 时，其设计脉冲中子通量也超过英国散裂中子源 ISIS。CSNS 在

用户实验运行中具有很高的可靠性，从 2018 年 9 月至 2020 年 7 月的 4 轮用户实

验运行中，总的束流打靶时间为 8770 小时，加速器供束效率超过 92%。与正在

运行的美国散裂中子源 SNS (束流功率超过 1MW) 和日本 JPARC 散裂中子源等

世界上最先进的同类装置相比，CSNS 总体性能及束流功率等指标还有一定的差

距。


CSNS 中子源的建成，为我国增添了一个新的大国重器，成为我国多学科研

究重要创新平台，同时为满足国家重大需求提供了强有力的科技支撑。随着用户

需求的增加和创新研究对谱仪数量及中子通量的需求不断增长，建议及时启动

CSNS 二期建设，同时增加实验谱仪和相关线站及探测器数量。

七、磁约束聚变大科学装置

275


（一）前言

由于在资源、安全和清洁等方面的突出优点，核聚变能源成为人类社会未来

的理想能源之一。自上世纪五十年代末以来，前苏联发明的托卡马克类型磁约束

聚变装置进展非常快，在实验上验证了托卡马克途径实现聚变的科学可行性，表

明了托卡马克是有可能首先实现聚变能商业化的途径。


1969年，苏联托卡马克 T-3成功获得 1 keV 的高温等离子体[33]，使该类型

聚变实验装置异军突起。1982年，高约束放电模式在德国的 ASDEX 装置上被发

现[34]。1997 年，JET 氘氚实验创造了 Q 值为 0.62 时的瞬态聚变功率 16. 1 MW

的记录[35]。1997年 12月，在 JT-60装置上进行的氘-氘放电实验，折算为氘-氚

反应， Q 值超过了 1.25[36]。这些实验表明可控聚变能的科学可行性已基本得到

论证。

目前， DIII-D 是美国非常重要的大型常规磁体装置[37]，最大等离子体电流

为 6MA，总功率达 30MW；它是最早使用 D形截面的托卡马克装置，主要围绕 ITER

关心的物理问题、稳态高性能运行模式的发展及聚变等离子体基本理解等开展研

究。JET 是迄今为止世界上最大的常规磁体装置，真空室容积 150m3，等离子体

电流达 7MA，总加热功率超过 60MW，是唯一具有类似 ITER 的铍第一壁和钨偏滤

器，将继续开展氘氚实验，核心目标是为 ITER 试验堆提供数据基础，证明受控

聚变能的科学性与技术上的可行性，以及它潜在的安全性与环境效益等[38]。

ASDEX-U 常规磁体装置总功率可达 20MW，第一壁材料为全钨，可以研究堆芯物理

的各种课题[39]。KSTAR 是韩国 2008 年建成的全超导托卡马克，主要研究稳态高

参数等离子体运行过程中的物理与工程问题[40]。

为了验证长时间聚变能输出的可行性和解决聚变堆建造运行的关键工程技

术问题，国际热核聚变实验堆（ITER）计划应运而生[41]。ITER 的建设、运行和

实验研究是人类开发和和平利用聚变能的必要一步，将直接影响并决定聚变示范

电站（简称 DEMO）设计和建设，以及推进商用聚变发电的进程。ITER 预期目标

是实现在 400秒以上的时间内产生 500MW 聚变功率，证明受控点火和氘氚等离子

体的持续燃烧，验证核聚变反应相关的重要技术，但尚不具备演示聚变商业堆所

276


需的氚自持、发电功能。

同时，国际上主要国家都在积极谋划自己的聚变堆计划，用于演示聚变发电、

运行流程并消除核聚变能商业化前的所有技术障碍，但其各自的科学目标略有不

同。美国计划设计 FNSF装置作为建造 DEMO前的一个过渡装置[42]，通过该装置的

实验研究建立聚变环境下材料和组件的数据库。欧洲和日本的思路是在 ITER 接

近结束时开始构建示范堆。欧洲聚变路线图要求 EU-DEMO基于成熟的技术[43]、使

用从 ITER 装置外推的可靠的运行机制。韩国和中国所考虑的路径是分两个阶段

设计和运营。第一阶段是建立燃烧等离子体运行模式及掌握关键技术，第二阶段

是验证更长脉冲、更高功率下氘氚燃烧等离子体的稳态运行。


我国早在上世纪七十年代开始选择托卡马克为主要研究途径，先后建成并运

行了一系列小型装置，装置比较小，与国际先进水平差距特别大。为了快速弥补

与国际先进水平的差距，核工业西南物理研究院从德国引进中等规模的 ASDEX

装置，将其改造成了 HL-2A常规磁体托卡马克，实现了高约束模放电[44]。中科院

等离子体物理研究所引进前苏联 T7 装置，改造成 HT-7 超导托卡马克，获得了

400 秒 1000 万度等离子体。通过跟踪、模仿、引进、吸收消化，我国聚变研究

得到迅速提高。

国家大科学工程项目“EAST超导托卡马克核聚变实验装置”运行了 10 年时

间，在国际上尚无全超导托卡马克的情况下，发扬自力更生、自主创新的精神，

自主发展了 68项关键技术，解决了低温、超导、材料、精密控制、大功率微波、

大功率电源等一系列关键技术问题，形成了多项重大创新点。2007 年 3 月通过

国家验收，成为世界上成功运行的第一个全超导非圆截面托卡马克核聚变实验装

置。2017 年 EAST 首次实现了超过 100 秒的稳态长脉冲高约束等离子体运行

[45]；2018 年 EAST 实现加热功率超过 10MW，等离子体储能增加到 300kJ，在电

子回旋与低杂波协同加热下，等离子体中心电子温度达 1 亿度；2019年实现高

极向比压高约束条件下分钟运行，归一化参数接近 CFETR设计参数高约束稳态运

行，并且实现 20 秒一亿度电子温度运行，超过电流扩散时间 10 倍，为强电子

加热下的芯部电子输运、抑制钨杂质聚芯等研究提供了稳定的研究平台。实现了

277


创世界记录的百秒长脉冲高约束模等离子体等性能指标，表明 EAST 目前处于国

际先进水平。

我国在积极参与 ITER 项目的同时，为解决先进安全聚变示范堆的重大科学

和技术问题，开展聚变堆磁体、材料、发电效率，开展聚变电站的安全和经济性

等研究，提出了 CFETR 研究计划，已经基本完成前期的物理及工程设计工作，

目标是将全面超越 ITER，实现 1-2GW 聚变功率，演示商业堆所需的氚自持、发

电和聚变材料的全部功能。同时，国家发改委于 2019 年启动聚变堆主机关键系

统（CRAFT）重大基础设施，建设国际磁约束聚变领域参数最高、功能最完备的

综合性研究平台，开始中国聚变工程堆大规模预研，能够将我国聚变堆预研和建

设进程大大提前，将使我国聚变工程技术处于国际领先水平。


在技术层面，我国已经自主掌握了磁约束聚变装置关键技术，在低温与超导、

高热负荷部件偏滤器、壁处理与加料、电流驱动与加热、大型真空室建造等方面

全面发展，到达了国际先进水平；但是在某些关键部件上，如弹丸注入器、高功

率微波管、离子源、涉氚/涉中子辐照的系统与部件等方面，与国际先进水平还

存在差距。

在物理研究层面，EAST、HL-2A等装置分别在等离子体约束及其预测、稳定

性及运行区、高能粒子物理、电流驱动与加热、粒子流和热流控制、等离子体与

壁相互作用、高参数长脉冲集成运行等研究方面取得了系列世界瞩目的创新性研

究成果。但是受到装置自身的限制，约束/运行模式比较单一，离支撑 ITER 和

CFETR 物理研究还有较大差距，进一步提高长脉冲运行能力面临许多挑战。

国际上主要的托卡马克装置不断升级、发展，如日本 JT-60U经过 12年的升

级建成的 JT-60SA超导托卡马克即将开展等离子体运行，意大利已经立项的 DDT

装置有望在偏滤器结构与物理研究方面取得突破性进展，JET 将开展与 ITER 壁

材料相一致的氘氚运行实验验证等，对我国聚变研究地位提出了新的挑战。


我国磁约束核聚变研究经历了跟踪、模仿、引进、消化吸收、自主创新阶段，

实现了跟跑到并跑、到部分领跑的跨越。不仅具备了制造聚变工程堆重要部件的

278


工程技术和工艺能力，而且已经具有开展托卡马克前沿科学技术问题研究的能

力，基本形成了一支完整的聚变堆设计、建设、科研的队伍。

实现聚变能源开发的跨越式发展，率先在我国实现聚变能的发电和商业应

用，应建立健全我国聚变堆的核与辐射安全法规、导则和技术标准，建设世界一

流的国家聚变研究平台与机构，构建我国独立自主的聚变工业发展体系，继续积

极深度参与 ITER 项目，完善 CFETR 设计、开展聚变堆主机关键系统预研，在解

决关键技术和理论问题后开展 CFETR建设，率先实现下一代 GW量级聚变堆运行，

引领下一代聚变堆研究，为国家能源安全提供保障。

八、激光聚变大科学装置

（一）前言

激光的问世为人们认识世界、改造世界提供了新的强大手段。随着技术的不

断进步，大型激光装置逐渐发展出一系列独特的研究能力，成为集基础科学研究、

应用技术发展为一体的综合性科研设施，也为核科学与核技术的研究提供了新的

手段。

目前，大型激光装置的发展主要包括高功率激光和高峰值功率激光两个方

向。激光聚变装置是高功率激光的代表，利用高功率纳秒（ns）激光能量的聚集

创造高能量密度物理环境，实现对核聚变过程的控制，是清洁能源的重要方向。

超短脉冲激光装置是高峰值功率激光的代表，通过达到皮秒（ps）甚至飞秒（fs）

的极限时空压缩在实验室创造超强的电磁场环境，不仅能够直接影响原子结构甚

至核结构，而且能够驱动产生前所未有的超高流强辐射源，为核物理研究、核技

术发展注入了新的活力。


由于在前沿科学方面的独特作用以及在应用科学方面的巨大潜力，大型激光

装置已经成为国际科技发展发展前沿和重点竞争领域之一。

在高功率激光方面，以美国国家点火装置（National Ignition Facility,

NIF）为代表，全世界规模最大的激光装置，输出能量达到了 2MJ，其目标是在

实验室实现可控的惯性约束核聚变（Inertial confinement fusion，ICF）。除

279


了 ICF 研究以外，NIF 支持了一系列发现科学计划，已经开展或计划开展了 50

多个发现科学实验攻关，涉及 100多个实验。这些实验涉及来自美国、欧洲和亚

洲 20多所最著名大学、国家实验室和研究机构的团队，在高压科学、天体物理、

行星科学等方面取得了一系列研究成果。受惯性约束聚变能源的吸引，俄罗斯、

法国、日本等国先后建立了自己的大型研究装置。

目前，依托 NIF 装置，美国 LLNL 实验室在惯性约束聚变研究领域，处于绝

对领先地位，在 2018年实现了 2×1016的中子产额，并在 2019年初步实现了“燃

烧等离子体”的产生。

在超高峰值功率激光方面，主要依托 ps、fs 激光装置，当前 1 拍瓦（PW）

级装置几乎成为了一流实验室的标准配置，在美国 LLNL、LBNL 和 LLE、英国卢

瑟福、法国 LULI、日本 ILE、韩国 IBS 等大型实验室均配了大量的研究设施。在

超强激光技术、相对论激光等离子体物理、离子加速、激光中子源、激光电子加

速、阿秒科学、激光核物理等，取得了一系列前沿科学研究成果；同时基于强激

光驱动辐射源，开展了大量应用技术研究，开始向生物医疗、无损检测等领域转

化。在更高功率的装置发展方面，欧洲和亚洲处于世界前列，率先在国际上发展

面向 10PW 至 100PW级的高强度超短脉冲激光研究设施。2010年，由欧盟出资数

十亿欧元，正式启动极端光基础设施计划（Extreme Light Infrastructure，ELI），

期望实现激光聚焦功率密度超过 1023W/cm2，在强相对论范畴研究新物理、发现新

现象。紧随其后，俄罗斯启动了 XCELS装置的建设，期望实现激光功率达到 180PW。

日本则提出了 GEKKO-EXA 200PW激光装置概念。中国科学院上海光机所和中国工

程物理研究院激光聚变研究中心在该领域处于世界先进水平。

强激光驱动辐射源方面，目前的质子束能量接近 100MeV、电子束能量达到

8GeV、准单能伽马射线能量达到 MeV。基于这些高能量、高流强辐射源，策划了

多种核物理研究方案，关注光核反应、重元素合成的重大科学问题。与此同时，

积极的探索了辐射源在生物医疗、无损检测方面的应用，实现了针对活体生物样

品的相衬 CT检测，并且已初步进入产业化发展阶段。


国内经过近 20 年的发展，在大型激光装置方面已经跻身世界一流水平。中

物院和中科院是大型激光装置及相关科学研究的两大主体。

280


在高功率激光方面，我国已建成神光系列激光装置。中物院和中国科学院（以

下简称“中科院”）两院共同建立的上海高功率激光联合实验室，建有神光Ⅱ激

光装置和神光Ⅱ升级激光装置。在中物院建设的某大型高功率激光装置有 48 束

激光，三倍频激光输出能量约 18 万焦耳，是国际上可以投入物理研究的第二大

激光装置。在基于这些装置的研究工作，不仅在国际 ICF领域占有一席之地，也

培养了一支从事高能量密度物理研究的精良队伍。在 ICF研究领域获得了自己的

认识，原创性研究成果发表在 PRL、NP 等国际一流刊物上。

在超高峰值功率激光方面，位于上海的中国科学院上海光机所和位于四川绵

阳的中物院激光聚变研究中心是目前国内仅有的具备拍瓦级及以上大型激光装

置建造能力的单位。中科院上海光机所先后于 2006 年和 2016 年实现了 0.8PW

和 5PW的超短脉冲激光输出。2016年，上海市政府于拨付 10亿元用于亚洲首台

10PW 超高峰值功率激光器 SULF的建造，瞄准桌面型加速器、生物医疗、阿秒光

学以及蛋白质合成过程的超快探测等前沿研究领域。目前，上海启动了百拍瓦装

置的建设计划，规划于 2025 年建成 100PW 激光装置。中物院激光聚变研究中心

于 2016 年 8 月完成了 5PW 的全光参量啁啾脉冲放大（Optical Parametric

Chirped Pulse Amplification, OPCPA）技术平台研制，建成了目前国际上相同

技术路线、同规模装置中输出能量最高、脉宽最短、转换效率最高的装置。2019

年，中物院激光聚变研究中心与广东省中山市人民政府联合共建“中山光子科学

中心”项目，通过以双束 10PW 激光为基础的大型科学设施，开展实验室天体物

理、激光核物理、强辐射源等方面的研究，推动前沿科学、技术发展、人才培养

等方面的全面突破。

在多类型激光装置融合方面，中物院的星光Ⅲ激光装置是世界上唯一同时具

有飞秒、皮秒和纳秒三种激光脉冲输出的装置，集合高功率激光与超高峰值功率

激光的优势，构建了灵活的“加载+探测”实验能力，取得了一系列独具特色的

研究成果。

北京应用物理与计算数学研究所、中物院激光聚变研究中心、上海激光等离

子体研究所、中国科学院上海光机所等单位一直致力于激光惯性约束聚变相关研

究，在理论、实验、诊断、制靶、驱动器等方面研究水平已处于国际先进水平。

同时，北京应用物理与计算数学研究所、中物院激光聚变研究中心、上海激光等

离子体研究所、中国科学院上海光机所、中国科学院物理所、中国原子能研究院、

281


清华大学、北京大学、上海交通大学、中国科学技术大学、国防科技大学、浙江

大学、西安交通大学等多个研究院所和高校已建立了多个超短脉冲激光实验室，

在强辐射源和激光核物理方面实现了很多重要的突破，在激光尾场加速、汤姆逊

散射光源、质子加速、中子源、光核反应、激光伽马源等领域取得了很多国际顶

尖的研究成果。

综上所述，我国的大型激光装置不论在规模体量、技术水平已经处于国际前

列，在激光科学与技术、高能量密度物理、核物理、强激光驱动辐射源、核技术

应用等方面做出了具有特色的研究工作。


大型激光装置及相关发现科学及应用科学研究方面，我国已处于国际先进水

平，但与美国、欧洲等国际顶尖水平相比还存在一些不足。

在大装置发展方面，不论是高功率激光还是超高峰值功率激光，研究设施能

力和水平存在差距。美国 NIF装置已经在 2MJ水平下开展了数年物理研究，是我

国现有装置的十几倍。欧洲的 ELI装置已经与 2020年 8月实现了 10PW输出，我

国的 10PW 级超短脉冲激光装置仍处在建设阶段。

在科研生态方面，美国、欧洲都具有国家级别的综合研究计划，将有实力的

高校、研究机构组成联盟，依托大型实验装置开展多方面的合作研究。欧洲在

ELI 计划的牵引下，成立了 LaserLab Europe 组织，集合了欧洲多个国家的十多

个实验室，开放共享，共同推进科学技术发展。美国则成立了 LaserNet US，将

LLNL、Rochester大学等不同层次研究机构与实验设施进行联合。通过这些联盟

以及研究计划，有效地带动了国际合作，吸收全世界的智慧为其所用。我国也有

科学挑战专题和重点研发计划、基金委重大课题等联合计划，但联合的广度和深

度都还不足，特别是重大科学问题打造全国范围的研究联盟合作攻关方面存在一

定差距。

在科技成果产出方面，我国的原创性的工作相对较少，不论是激光技术还是

科学研究层面，原创性的物理理论、技术方案多为国外研究人员提出，中国理论、

中国方案产出不足，对科学理论体系、先进技术发展方面的贡献存在一定差距。

在技术转化方面，我国现有工作基础相对薄弱。随着强激光的发展以及相关

282


领域科学研究的深入，大量新方法、新技术不断涌现。在国外，很多大型实验室

走出的科研人员基于这些技术创办了与实验室联合的产业公司，发展新产品，提

高生产力水平。而国内大多集中在研究性的工作，对于技术转化与生产力提升方

面工作严重缺乏。


建议加强高功率激光装置和超高功率激光装置与传统核物理研究装置的融

合，探讨其中的共性技术问题，推进其核科学与技术领域的拓展应用。

九、加速器驱动的核能及次临界嬗变大科学装置

（一）前言

加速器驱动的核能系统（ADS）利用加速器产生高能质子束轰击重金属散裂

靶产生强外源中子，散裂中子促使次临界反应堆核燃料包层中的铀、钍或者超铀

元素发生裂变反应，产生能量、增殖燃料（233U，Pu）或使次锕系核素（MA）高

效嬗变，从而实现核裂变元素资源高效利用与放射性废物排放减少的目的[46]。

OECD/NEA 研究报告指出 ADS 具有最高的嬗变效率，一座 800MW 的装置每年可以

嬗变掉等同于 13–15台百万千瓦压水堆年产的次锕系核素[47]。根据我国核能发

展中长期发展规划预测，2050年的核能装机总量为 400GWe，乏燃料积存总量

达到 12万吨[48]。ADS是清洁、高效、安全可靠先进核裂变能所亟待发展的技术。


国际上尚未建成 ADS 装置，核发达国家均制定了 ADS 中长期发展路线图，

正处在从关键技术攻关逐步转入建设集成系统的 ADS 原理研究装置阶段[49-53]。

欧盟把 ADS 作为核废料处理核心路线，制订了研究开发计划框架，完成了 ADS

实验装置 XT-ADS 和工业级 ADS 装置 EFIT 的设计，基于 MYRRHA 发展了 FASTEF

设计，目前项目在比利时转入加速器研究阶段。

日本 JAEA 针对未来大规模 ADS 的设计研究和基础技术开发，完成了工业级

800MW-ADS 设计，并针对该概念开展了核燃料辐照、分离、铅铋工艺和核数据等

工作。并依托 J-PARC项目开展嬗变实验设施（TEF）的实验计划规划。

印度以钍资源利用为目标发展 ADS 技术，开展了以天然铀和钍为燃料的

200MW 加速器驱动系统（ADS）的设计研究。次临界零功率装置 BRAHMMA 已经开

283


展了部分实验，20MeV/30mA的 LEHIPA 直线加速器是下一步发展的重点。

美国在本土没有 ADS计划，其阿贡实验室与乌克兰哈尔科夫物理技术研究所

（KIPT）合作建设了一台 100MeV@100kW 电子加速器与钨靶/天然铀驱动低浓缩铀

次临界水堆的 ADS 运行装置，2018 年底完成假组件入堆综合调试，目前正在准

备启堆许可。


2011-2017年，中科院实施战略性先导科技专项“未来先进核裂变能-ADS 嬗

变系统”（ADS 先导专项），突破 ADS 强流超导质子直线加速器、高功率散裂靶、

次临界反应等关键核心技术并部分引领国际研发[54-56]。建成国际首台 25 MeV ADS

超导质子直线加速器示范样机；原创性地提出颗粒流散裂靶概念，完成分项关键

技术验证并建成国际首台颗粒流散裂靶原理样机；完成国际首台 ADS 研究专用

铅基临界/次临界双模式运行零功率装置建设；建成铅铋合金技术综合平台和集

成验证装置；实现铅基堆候选材料 SIMP 钢 5吨级的制备；建成超算、低温、超

导、放化、材料、核数据等支撑和测试平台。同时，原创提出了“加速器驱动先

进核能系统 ADANES（Accelerator Driven Advanced Nuclear Energy System）”

全新概念[55-57]，通过大规模并行计算模拟验证其可行性，完成了再生核燃料循环

工艺制备流程方案的实验室模拟原理验证。

2015 年，国家发展与改革委批复“十二五”国家重大科技基础设施“加速

器驱动嬗变研究装置”（China initiative Accelerator Driven System，简称

CiADS）项目建议。2017年批复可行性研究报告，将于 2021年开工建设，2027

年验收。CiADS旨在建成全球首个兆瓦级加速器驱动次临界系统研究装置，全超

导加速器驱动系统热功率 10兆瓦（包含束流功率约 2.5兆瓦，次临界反应堆芯/

包层热功率约 7.5兆瓦），可以实现单次大于 24小时满功率耦合运行。将开展加

速器驱动系统中超导直线加速器、高功率散裂靶、次临界反应堆芯/包层各单项

系统稳定、可靠、长期运行的科学研究，逐步实现加速器驱动系统从低功率到高

功率的耦合运行，开展次锕系元素嬗变原理性实验探索，通过关键技术实验验证

与性能评估，探索安全妥善处理、处置核废料的技术路线和工艺，为我国率先掌

握加速器驱动次临界系统集成和核废料嬗变技术提供条件支撑。

284


CiADS 系统热功率不超过 10MW。超导直线加速器设计能量 500MeV、设计流

强 5mA、束流功率 2.5MW，预留未来升级到 1GeV、10mA的能力。加速器常温前端

采用 162.5MHz、2.1MeV、四翼型 RFQ；超导段采用两种 162.5MHz半波长超导腔、

一种 325MHz 双柱 Spoke腔和两种 650MHz 椭球腔。高功率散裂靶采用液态铅铋有

窗靶，验收指标 250kW，设计指标 2.5MW。同时，为了更高功率的应用，继续开

展颗粒流靶的安全验证实验。铅铋冷却快中子反应堆采用池式反应堆结构，堆芯

设计采用富集度为 19.75%的二氧化铀燃料，根据 ADS 实验验证需求运行在不同

的工况下，Keff=0.75-0.98。

基于 HWR 和 Spoke 技术路线的 ADS 25MeV 超导直线前端示范装置，2019 年

实现了 16MeV、2mA、32kW 连续 100 小时以上的运行记录，进行了高功率超导直

线加速器可靠性研究，处于国际领先水平。高稳定性、高梯度、低损耗、标准化

和智能化是 ADS超导直线加速器发展的主要趋势。

基于ADS铅基堆对材料的需求所设计的SIMP钢（Steel designed by Institute

of Modern Physics ＆ Institute of Metal Research），工业化制备级的整体

性能优于核电目前用同类钢种T/P91钢。国家标准《核电用耐高温抗腐蚀低活化

马氏体结构钢板》（标准号GB/T 38875-2020），2020年12月1日起实施，SIMP

钢已成为研发铅基堆的重要候选材料。

加速器驱动先进核能系统（ADANES）是未来发展的方向，它是集核废料嬗变、

核燃料增殖、核能发电于一体的先进核燃料闭式循环技术，包括乏燃料再生和燃

烧器（ADS）两部分。再生核燃料可为仅排除部分裂变产物的乏燃料，乏燃料再

生处理与传统的分离-嬗变不同，通过高温氧化挥发以及选择性溶解分离排除部

分裂变产物，包括中子毒物稀土元素，实现铀及超铀元素的组分离回收，并制成

抗辐照、耐高温、长寿命的再生核燃料在燃烧器中进行彻底焚烧。该系统可将铀

资源利用率大幅提高，处理后的核废料量不到乏燃料的4%，放射寿命由数十万年

缩短到约500年，使核裂变能成为可持续成千上万年、安全、清洁的战略能源。


目前，国际上仅欧盟 MYRRHA 项目在实质性进展当中。2020 年 6 月，

MYRRHA 项目开始常温前端调试，计划于 2026 年建成 100MeV 超导直线加速

285


器。CiADS 项目 25MeV 样机于 2017 年建成，计划于 2026 年建成 500MeV 超导

质子直线加速器，初步实现器靶耦合和反应堆调试，2027 年实现器靶堆初步耦

合验收。


ADANES 为未来先进核能技术的发展提供了一个变革性的创新发展思路，

但原创性技术需要多学科、系统性基础积累和支撑，也需要国家法规、政策等与

时俱进的支持。当前，作为燃烧器的 CiADS 装置已在建设之中，但燃料再生系

统缺乏资金支持，进展相对落后。为推动 ADANES 技术的均衡快速发展，建议

以政府支持引导企业投入，形成创新链和产业链有效衔接；加强国内相关单位之

间协同发展，强调术业专攻，避免无序竞争；同时提供适应乏燃料原创研发所需

的核安保管控机制。建议在国家层面对取得的成果及未来工作计划进行严格论证

强化支持。

十、钍基熔盐堆大科学装置

（一）前言

基于钍燃料的核能具有资源丰富、核废料少、毒性低和利于核不扩散等优点，

是克服当前铀基核能面临的困难、实现核能可持续发展的可行解决方案。熔盐堆

是第四代先进核反应堆中的唯一使用液态燃料的堆型，国际公认最适合钍燃料高

效利用，并具有失效安全（固有安全性）、可建于各种地理环境、高效发电制氢

等优异特点。我国钍资源丰富（与稀土伴生），研发钍基熔盐堆核能系统（TMSR）

有助力我国实现能源独立、确保能源安全（钍燃料可供我国使用上千年）[58]。


钍基熔盐堆与轻水堆一样，均起步于上世纪 40 年代的美国曼哈顿工程。美

国空军拟采用熔盐堆作为飞机动力，橡树岭国家实验室于 1965年建成 8MWt 液态

燃料熔盐实验堆 MSRE，这是迄今世界上唯一建成并运行的液态燃料反应堆，也

是唯一成功实现钍基核燃料（铀 233）运行的反应堆[59]。但由于“冷战”的原因，

防核扩散性能优异、适合于民用的钍基熔盐堆研发计划被美国中止。

随着本世纪全球能源与环境挑战的加剧，钍基熔盐堆因其固有安全性、防核

286


扩散、高温常压运行、适合钍燃料高效利用等突出优势受到关注，欧美各国均积

极推进国际合作并组建合作机构，国际研发呈急剧上升趋势[60]。

钍基熔盐堆已得到美国能源部、美国核能科技界和企业界的共同认可，目前

有十多家核能公司从事熔盐堆研发并得到了雄厚的资本资助，美国国家实验室和

大学为其提供技术来源和技术支持。2015 年起，美国能源部积极部署，资助了

钍基熔盐堆研发项目，设立了包括熔盐堆在内的 3个 NTC（国家技术协调员），

探索国立实验室、大学和企业全面合作、共同出资的模式，以加速先进堆的研发。

其中，美国 Terra Power公司计划 2019-2022年建设整体试验台架和实验堆，2027

年建设冷态验证设施和 30-300MWt的原型堆（研究堆），2030年后建设 1200MWt

商用堆；美国 Kairos Power公司计划在 2030年或更早些时候实现 140 MWe 氟盐

冷却高温堆（KP-FHR）反应堆技术商用。

2001年起，欧盟启动由欧洲原子能共同体和其他六个国家参与的 MOST项目，

并于 2006 年起先后部署 ALISIA、SUMO 、SAMOFAR等研究项目，开展熔盐堆初步

设计、燃料盐应用评价、安全性分析和可行性评估等研究工作。俄罗斯 2004 年

加入欧盟熔盐堆计划，启动了 LICORN 项目进行先进熔盐堆初步设计；2019 年，

俄罗斯国家原子能公司（Rosatom）宣布正式启动熔盐焚烧堆研发，计划于 2033

年建成 10MW研究堆。

亚洲各国受能源需求拉动，对钍基熔盐堆均表现出很高的积极性。上世纪

90 年代起，日本就开始 FUJI 系列熔盐堆和加速器熔盐增殖堆 AMSB 研究，提出

了钍基熔盐核能协同体系（THRIMS-NES），可嬗变核废物中长寿命放射性元素；

近期日本政府经过 3年论证，计划推动国家立项建造熔盐堆来焚烧福岛核事故的

核废料，于 2019 年正式启动 3 个先期研究项目。印尼和马来西亚由于科技、工

业和经济实力不足，均打算与外国（如美国和中国）合作并已开始前期接触。印

度采用重水堆和燃料后处理技术的技术路线，从事钍基核能研发已有几十年历

史，近几年印度已在考虑开展熔盐堆研发。


中国是美国之外唯一一个从事过国家级钍基熔盐堆研发工作的国家，“728

工程”的第一个目标就是研发钍基熔盐堆，于 1971 年在中国科学院上海应用物

287


理研究所建成零功率熔盐堆并达到临界，但以我国当时的科技、工业和经济能力

难以支撑熔盐堆的研发，随后转为研发轻水反应堆（建成秦山核电站Ⅰ期）。

2011 年中国科学院率先部署启动了“未来先进核裂变能—钍基熔盐堆核能

系统（TMSR）”战略性先导科技专项（A类）研发，上海应用物理研究所牵头，

以工业应用为目标，计划用二十年时间，在国际上率先实现熔盐堆技术应用和钍

基核燃料高效利用。TMSR 专项已组建了全球最大的研发队伍，建成配套齐全的

实验基地，形成了独特的发展战略和技术路线。计划至 2021 年，在甘肃省武威

市民勤县红砂岗工业区建成 2MWt液态燃料熔盐实验堆（TMSR-LF1），实现 TMSR

技术系统验证和钍燃料利用实验，为率先实现国际上工业应用奠定坚实基础[61]。


我国于 2011年启动 TMSR专项至今，形成了支撑未来发展的技术研发能力，

实现关键材料和设备的产业化，建成列系列大型熔盐实验回路及缩比仿真堆，并

正在甘肃武威建设 2MW 钍基熔盐实验堆（2021 年建成时讲述世界上唯一运行的

熔盐堆）。国际核能行业学会及国际权威杂志《MIT 技术评论》评价中国的钍基

熔盐堆研发工作居国际领先，认为中国有望在国际上率先实现工业应用[62]。

第四代先进堆技术是国际核电强国竞争的热点和制高点，我国钍基熔盐堆研

发已经居国际领先，但也面临着美国、俄罗斯、日本等国的严峻挑战，多家美国

核能高科技企业获得雄厚社会资本资助，均提出在 2030 年前或更早时候建设研

究堆的计划以在工业应用中抢占先机，形成了强力的竞争态势。钍基熔盐堆研发

急需国家持续支持，以期全面掌握关键技术，形成自主知识产权，为中国成为先

进核能与清洁能源世界强国奠定基础。


钍基熔盐堆技术在钍铀循环应用和能源综合利用方面具有突出优势，可为我

国能源独立和碳中和提供可行的解决方案。2011年我国启动中科院 TMSR先导专

项，瞄准材料与设备、设计及建设的全部自主化，已经在关键技术上实现突破，

即将建成世界上唯一运行的熔盐实验堆。

建议国家持续支持，尽快启动建设世界领先的国家重大科技基础设施--“小

288


型模块化钍基熔盐堆研究设施（smTMSR Research Facility）”，包括 10MWe 小型

模块化钍基熔盐研究堆、钍基燃料盐研究设施和钍基熔盐堆新一代冷态研究设

施。该设施作为 TMSR 研发链条中承上启下的重要一环，为 10MWe 级钍基熔盐堆

商业应用奠定基础，解决 100MWe 级钍基熔盐堆工业示范中的科学与工程技术问

题，全面实现材料、设备与系统集成的工业级自主研发。

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293

APPLICATION OF

NUCLEAR TECHNOLOGIES:

A COMPREHENSIVE UPDATE

(2018-2020)

EXECUTIVE SUMMARY

1 INTRODUCTION

Nuclear Technology (NT) is a science which studies how to apply the laws of nuclei

reactions, and their inherent and accompanying physical phenomena discovered in nuclear

science. NT, as a modern high technology, involves development of nuclear reactors,

accelerators, radioactive isotopes, nuclear detectors and nuclear instrumentation, and

application of related technologies using the mentioned facilities as tools. NT generally

consists of technologies of nuclear weapons, power nuclear, non-power nuclear for defense and

non-power nuclear for civilian uses. The NT covered in this report mainly refers to non-power

nuclear technology for civilian uses, which is composed of technologies of accelerator,

radioisotope, nuclear detection and nuclear electronics, nuclear instrumentation, and nuclear

technologies used in the fields of medicine, agronomy, industry and public safety. This report

also allocates a dedicated part dealing with large science facilities in China (including research

reactors and other platforms) in view of the fact that the facilities, as a full embodiment of

nuclear infrastructure in China and the country’s capability of manufacturing such facilities,

play an irreplaceable role in boosting development of nuclear science and technology.

The application of NT involves multiple disciplines and comprehensive uses of various nuclear

technologies. NT helps technological transformation and upgrading of industries, and has become

one of the driving forces for innovative development of new technologies, new materials, new

processes and new solutions. NT is also used for air pollutants monitoring, survey of waters,

analysis of various environmental samples, and irradiation purification of wastes (including forms

of gases, liquids and solids). NT for medical uses, such as particle beams for therapy, nuclear

equipment for diagnosis and radiopharmaceuticals, plays an irreplaceable role in disease prevention,

diagnosis and treatment. NT for agricultural uses, including radiation breeding of plants, radiation

processing of agricultural products and food, and radiation sterilization of insects, expedites

revolutions in traditional agriculture and promotes agricultural modernization. NT is also playing

an increasingly important part in safeguarding the public security, as detection methods such as X

rays, γ rays and neutrons are acting as "piercing eyes" for safety inspection of passengers and

294

freight in aviation, railway, shipping and highway. In particular, NT plays a unique role in

epidemic prevention and control, radiation sterilization and treatment of medical waste in the

global fight against the COVID-19 pandemic in 2020. After decades of technological

accumulation, NT in China has experienced three stages of development: 1) research and

development of NT; 2) industrialization of NT; and 3) rapid growth of NT industries. High speed

growth has long been achieved in NT industries in China. Calculated at an average annual growth

rate of 20%, NT output in China is expected to exceed RMB one trillion Yuan by 2030.

2 PARTICLE ACCELERATORS

Accelerator for medical uses is embracing a rapid growth in the world. Globally,

electron linear accelerator for radiotherapy equipment delivers a market scale of about 5-6

billion US dollars per year and is still under rapid growth. There are about 110 proton and

heavy ion equipment for therapy worldwide, mainly in the United States, Japan and the

Europe. Accelerator for radiation is being developed in depth. The development of electron

linear accelerators for radiation focuses on high-energy and high-power, self-shielding and X-

ray converter. High-voltage accelerator is becoming smarter and with improved quality, as its

energy is gradually expanded towards both low- and high-energy bands, delivering higher

power levels and power conversion efficiency. Accelerator of other types is also witnessing

steady progress in development. Accelerator for non-destructive testing (NDT) is constantly

improved by structure miniaturization and by adopting self-shielding technology. Sealed

neutron tube technology has reached a high level in the developed countries and has been

produced in small batches. Technology of ion injection is becoming more mature and highly

industrialized.

China is steadily strengthening the development capability of electronic linear

accelerators for medical uses. Development of key components and new accelerators is

making new progress. Dose rate of accelerator tubes and the stable operating power of

magnetrons have been improved. Technological gap between China and major international

manufacturers has gradually been narrowed in manufacturing X-band accelerator tubes for

medical uses. Milestones are being achieved in developing proton and heavy ion accelerators

for therapy. Dozens of accelerator-based equipment for medical treatment have been used in

clinics or are being installed. The 230MeV superconducting proton cyclotron has produced

proton beams with energy meeting the design requirements. The overall performance of

accelerators for irradiation in China has reached the international advanced level, and a high-

power klystron developed independently has been put into use. The technology standard and

product quality of accelerator for NDT have reached internationally leading levels of products

of same kinds. The products have not only met the domestic demand, but taken a

considerable share in the international market. China also has a fairly strong capability of

developing and manufacturing ion injection equipment, and is making significant progress in

development of low-energy strong-beam equipment, small high-energy ion injectors and

focused ion beam installations.

295

3 RADIOISOTOPES

The world is likely to face a severe shortage of radioisotopes. In the next few years,

several important reactors will be shut down, which will reduce the supply of radioisotopes. If

new reactors are not built or new technologies are not developed for radioisotope production,

the world will be confronted by a severe shortage of radioisotopes. The production of fission 99

Mo using low-enriched uranium (LEU) targets has become a trend in the international

community, and 70% of fissile99

Mo producers abroad have completed LEU conversion of the

original HEU targets. Accelerator based radioisotope production is developing rapidly, from

the classic production of 18

F, 15

O, 13

N and 11

C to the development of 64

Cu, 89

Zr, 124

I, 68

Ge

(68

Ga), 47

Sc, many of them being potential radioisotopes for therapy. In the countries except

China, there are more than 650 cyclotrons used for the radioisotopes production and more than

3,000 small accelerators used dedicatedly for PET.

China is restoring production of some radioisotopes in research reactors, and has built up

capability of producing 125

Sr, 125

I, 131

I, and 177

Lu in small batches. China has also preliminarily

established a research and production system of radioisotopes for medical uses. There are

more than 100 dedicated accelerators used for production of radioisotopes such as 18

F,

basically meeting clinical needs of comprehensive hospitals in large and medium-sized cities

in the country. China is achieving some breakthroughs in radioisotope preparation and

separation, and has also resumed the capability of producing high-purity 233

U which will

satisfy the immediate needs of domestic users for the radioisotopes.

4 NUCLEAR DETECTION AND NUCLEAR ELECTRONICS

Breakthroughs in materials, manufacturing processes, microelectronics and

information processing related to radiation detectors are nurturing a series of detectors with

excellent performances. There are springing up new products such as spherical ion chambers

and heavy ion chambers, and new scintillator detectors including lanthanum chloride (LaCl3),

lanthanum bromide (LaBr3), lutetium aluminate (LuAP, LuAlO3), lutetium silicate (LSO,

Lu2SiO3), gadolinium silicate (SCD, Gd2SiO4), gadolinium oxysulfide (GOS, Gd2O2S) and

yttrium aluminate (YAP, YAlO3). Cutting-type high-purity germanium detectors have been

used in a wide range of areas including gamma trace spectrometers, imaging of radiation

source, astrophysics, nuclear medicine, low-background counters, and monitoring systems

of nuclear explosion.

Benefited from rapid development of microelectronics, nuclear electronics has made

considerable progress in radiation hardening and achieved significant improvement in system

integration and comprehensive performance. It is becoming a trend that nuclear electronics is

developing towards a goal of realizing even better performance and higher level of integration.

The technical level of various nuclear detectors and nuclear electronics in China has been

improved to a fairly extent. Microstructure gas detector (MSGC) is in rapid development, and

the performance of high counting rate MRPC is at the internationally leading position.

Scintillator detectors such as NaI scintillator, BGO, zinc sulfide can been produced on a large

scale. A variety of ASIC chips have been developed for different radiation detectors, with

thickness of the chips decreasing from 0.35μm to 0.25μm, and even to 0.18μm.

296

5 APPLICATION Of NT IN OTHER AREAS

Nuclear instrumentation for general uses has been fully serialized and become more

intelligent. After the Fukushima accident, nuclear power abroad was temporarily suspended,

resulting in a weak demand for nuclear instrumentation and a shrinking momentum for

development. Radiation processing is fully industrialized. According to the relevant IAEA

statistics, there are about 300 gamma irradiation devices in more than 50 countries around the

world, with a total installed source activity of about 400 million Curies. In addition, there are

more than 2500 electron accelerators for industrial irradiation, with a total power exceeding

100 MW. In 2018, there were approximately 1.4 million tons of irradiated foods in the world,

an increase of 100% from 700,000 tons in 2015. Ray based NDT is continuously improving

in both the scope and depth of application, and is being developed to achieve digitalization

with higher level of preciseness, integration, and intelligence.

Global radiopharmaceuticals are making encouraging progress. There are more than 100

radioisotopes for medical purposes worldwide, of which more than 30 radioisotopes are used

for diagnosis and treatment of diseases. The market of nuclear imaging equipment for

diagnosis is taking a clear landscape with General Electric, Siemens, Philips and Toshiba as

the main players who hold 13% of the market share. Internet technology is being integrated

with nuclear imaging equipment for diagnosis, and this is becoming a trend in the international

community. It is estimated that the market scale of internetized medical products will reach

285 billion US dollars by 2020.

China has achieved breakthroughs in independent development and digitalization of

nuclear instrumentation. Independence rate continues to increase in nuclear safety-level

instrumentation and control systems of the nuclear island, and the three largest nuclear power

groups (SNPTC, CGN and CNNC) in China have promoted their own DCS products by

breaking foreign monopoly on the market. Special instruments, such as high-temperature

fission ionization chamber (500 ℃), sodium flowmeter, sodium level gauge, will be

demonstrated and put into application amidst development of advanced reactors such as fast

reactors in China. Instruments for radiation monitoring are significantly improved in their

performance, and some have equivalent performance with those abroad and can replace

foreign products of the same kind. Moreover, apparent progress is made in independent

development of instruments for radiation monitoring. PING monitor has made its debut in

commercial nuclear power plants, replacing the imported products for the first time.

China is one of the world’s advanced countries in radiation processing. It has achieved

industrialization in material modification, foods irradiation and radiation sterilization of

medical materials. There are 130 installations of gamma radiation in China, and a single

installation of cobalt source has achieved a designed capacity of 6 million Curies. There are

also about 630 electron accelerators for irradiation processing, with the total design power

reaching about 45,000 kW. China has a fairly mature industry of material modification, in

which radiation modified cross-linking cables, heat shrinkable materials and its manufactures

are the main products and new radiation modified materials (such as modified semiconductor

materials, foaming materials, membrane materials, coatings, superabsorbent materials and new

composite materials) are being industrialized in an increasing scale. Radiation technology is

297

being increasingly used in environmental protection. The first domestic electron accelerator of

industrial scale was used to treat waste water from printing and dying industries in Guangdong

province in June 2020, and the first demonstration project using electron beams to bio-friendly

process residues of antibiotic bacteria was built in Yili, Xinjiang province in July 2020.

China has got rid of dependence on foreign countries in ray based NDT, and has independently

developed large high-energy CT systems of industrial scale.

A great progress has been made in radiopharmaceuticals production and quality control.

China has established over 10 GMP radiopharmaceutical production lines and more than 30

centers for producing and distributing immediate 99m

Tc and 18F-FDG. In May 2020, a

Preclinical Safety Evaluation Laboratory of Pharmaceuticals (GLP) was built as the first

laboratory of its kind in China. Use of radiopharmaceuticals in China is increasing year by

year. Development and production of nuclear equipment for medicine is making steady

progress, and some nuclear equipment, such as scanners, gamma cameras, and function

analyzers, are largely manufactured domestically, with performance rivaling that of advanced

equipment of the same kind in the world.

China continues to maintain a leading position in radiation breeding of plants, and has

made series of achievements in the area. Radiation mutated varieties are being planted in a

comparatively large scale in the country. In radiation processing of agricultural products,

China ranks highly in number of radiation equipment and volume of radiated foods in the

world. Radiated foods are being exported abroad. However, there is a need to build China’s

own national standards for the area and to do more work in low-energy accelerators. In

nuclide tracing for agriculture, China has established a technology system which combines

nuclear technology with modern cutting-edge analysis technology, and has preliminarily

possessed the ability to independently synthesize labeled pesticides and other compounds,

providing technological support for domestic highly efficient and environmentally friendly

pesticides to enter the international market as early as possible. NT is continuing to provide

technological support for studies on soil erosion and non-point source pollution, and beginning

to build databases of stable isotope tracers. China now has the ability and qualification to

produce standard isotope tracers which provide a guarantee for high-quality agricultural

products in the country. Research in radiobiology continues to advance, laying a foundation

for development of nuclear agronomy. There has already been a certain condition in radiation

sterility of insects. However, further application of the technology will need support from

relevant governmental projects.

Ray based NDT continue to improve the technology readiness and expand the scope of

application. The world's first large-scale cargo/vehicle inspection system using CT and

accelerator as radiation source was installed, commissioned and put into operation at the

Liantang Port, Shenzhen at the end of October 2019. A passenger inspection system using

holographic imaging of millimeter wave was licensed by the Civil Aviation Administration

(CAA) in 2018 and has been used in a wide range of areas. A terahertz imaging equipment for

passenger inspection has been put into trial uses in Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge,

Guangzhou Baiyun Airport, Urumqi Customs.

298

6 CONCLUDING REMARKS

The NT industry in China has produced remarkable benefits, and has become an

important field indispensable for the national defense and economy. The economic value of

NT industry in China has increased significantly and has surpassed that of Japan and South

Korea. Research and development of NT in China is in steady advance with less and less

dependence on foreign countries. In some areas such as cobalt source for industrial radiation,

accelerator and security inspection, China has reversed the situation of dependence on

imported products. In areas such as accelerator manufacturing and radioisotope production,

China has possessed a certain scale of production capacity. The NT application in China is

also experiencing an inspiring momentum of rapid and apparently accelerated growth in areas

including public health, radiation processing and public safety. However, as China has a large

population and insufficient NT application among the masses, per capita holding of some

advanced medical NT equipment and diagnosis is still far behind that of the developed

countries. Some core technologies, key components, and important materials of NT are still

under the control of others. As the world's second largest economy, China needs to do more in

both science research and industrialization of NT.

The 5th Plenary Session of the 19th Central Committee of the Communist Party of China

(CPCCC-19/5th

PS) formulated a program to speed up building a modern economic system and

a development paradigm with domestic circulation being the mainstay and the domestic and

international circulations reinforcing each other. To achieve the program, the session stressed

the necessity to balance development and safety, and proposed to realize independence of

science and technology as a strategic support for the national development, to promote high-

quality development as the focus, to deepen structural reforms of supply-side as the main

measure, to advance reform and innovation as the fundamental driving force, and to meet the

increasing needs of the people for even better life as the ultimate goal.

As a robust driving force for the overall development of science and technology in China,

NT plays an important role in promoting industrial transformation and modernization,

improving people's health, maintaining social security and stability, and strengthening

ecological and environmental protection. In the span of the "14th National Five-Year Plan"

and beyond, NT is bound to make outstanding contributions to enlarging domestic demand,

maintaining long-term sustainable and healthy economic growth, and satisfying the people's

increasing expectations for even better livelihood. Moreover, NT will become an important

force for China to deeply integrate its economy into that of the world and to circulate in both

the domestic and the international markets.

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2018-2020 核技术应用学科发展报告 - 国家原子能机构

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