第二卷 核科學及技術 第八章 核技術
核技術是一門麵向應用的綜合性學科。它是以核物理、核化學與放射化學、輻射化學、核輻射探測學等基礎研究的成果以及核電子學、核輻射探測器、加速器、反應堆等技術的發展為基礎而發展起來的應用技術。核技術的內涵範圍很廣，大體可分為射線技術及應用、核素技術、核能技術等3大類。射線技術及其應用係基於各種射線和物質的相互作用，又可按其作用機理的不同而分為：①輻射效應（包括輻射物理、輻射化學、輻射工藝等內容）；②離子束技術；③核分析、檢測技術；④輻射應用儀器儀表，此處所指的射線，不僅來自放射性物質，還包括中子和由加速器產生的電子束、各種離子束以及由它們產生的各種次級輻射（如特征X射線、韌致輻射、同步輻射、μ子束、π介子等）。本文將按上述分類簡介中國科學院各有關研究所的核技術應用工作和所取得的成就，並附帶介紹與之密切相關的設備、輻射防護和"三廢"處理等工作。
一、射線技術和應用
（一）輻射物理、輻射化學及輻射工藝。上海原子核所、原子能所、上海有機化學所、長春應化所、新疆物理所和中國科技大學在輻射物理、輻射化學及輻射工藝研究方麵都取得了一係列成果，尤其在以下幾方麵較為突出：
1.高分子輻射化學理論。長春應化所錢保功、張自成等人做了許多工作，主要是：
在聚合物輻射交聯與輻射裂解機製方麵，他們指出這些反應具有高分子固態反應的特征，電離輻射在聚合物中產生的活性粒子和輻化反應初級過程對聚合物的交聯反應與裂解機製起著特殊作用；在吉林大學提出的新的輻射交聯方程（按此方程處理實驗數據對於分子鏈柔軟及支化類型的高分子得到比較滿意的結果）的基礎上，進一步改進了這一方程使之適應不同結構的高分子；對於缺乏溶劑難以測定特性粘數的難溶聚合物，也提出了求取它們的分子量的新方法；通過測定結晶度來研究聚酰胺1010的輻射交聯過程，得出求取交聯G值的方法。
在聚合物的輻射接枝共聚方麵，他們研究了聚乙烯醇預輻照接枝甲叉基雙丙烯酰胺的反應；研究了氧化鎂輻射接枝烯類單體，並用紅外、X射線衍射等方法，證明接枝聚合物確係以化學鍵聯結在無機物上；研究了預輻照澱粉接枝丙烯酸的反應。
在聚合物的輻射物理與化學方麵，他們研究了輻照聚合物的熱釋光；討論了-輻照氮川丙酰胺的電子自旋共振（ESR）譜；分析了輻照三聚甲醛及其聚合物的介電譜。
此外，上海原子核所研究了低溫輻照全氟聚烯烴高分子（氟，氟）、聚丙烯的ESR波譜和室溫退火後的次級自由基結構；運用ESR研究了輻照氟產生的3種次級自由基的一係列性質等。
2.有機物輻射化學及其應用，中國科學院在這方麵的工作，主要著眼於研究核燃料的後處理萃取體係的輻射化學及其應用。一九六五至一九六七年期間，上海原子核所、上海有機化學所和長春應化所協作，對磷酸三丁酯-煤油-硝酸鈾酰體係的輻解產物進行了係統測定，同時對這些輻解產物對萃取性能和工藝過程的影響進行了深入研究。在一九七二至一九七五年間，由上海原子核所、近代物理所與二機部二院協作，較係統地研究了9種輻解產物，並在此基礎上進一步提出了適用於處理動力堆元件的優質正烷烴稀釋劑的規格。這些磺化正烷烴在後處理工廠的生產規模熱驗證中獲得了良好結果。為改善處理高濃鈾元件的萃取體係的輻射穩定性，上海原子核所又研究了芳烴類添加劑對上述體係的輻射保護效應及其電荷轉移機理。上海有機化學所為尋找適用於後處理的優質萃取劑，研究了14種結構不同的磷酸酯的輻射穩定性，探索了有關化學鍵的斷裂規律及分子內部的保護效應。在正烷烴的輻射磺氧化及其敏化效應的研究方麵，新疆物理所與上海原子核所協作研究了製備烷基磺酸的工藝條件和醋酐、氯代烷對磺氧化的敏化效應及其機理。此外，上海有機化學所盛懷禹等，在六十年代初期便研究了以氯代烷為敏化劑提高666體含量的新途徑。
一九七四至一九八六年期間，原子能所對核燃料後處理和超鈈元素提取過程中所用的磷酸三丁酯等多種有機試劑，進行了係統的研究，並研究了在各種條件下的輻解行為及其對工藝的影響。為工藝中應用這些試劑提供了實驗依據。特別是，他們比較深入地研究了使核燃料後處理中所用的溶劑萃取體係（30%磷酸三丁酯-煤油-硝酸體係）性能惡化的強絡合劑的性能和行為，弄清一類至今尚未報道過的強絡合劑的可能結構和分子式。此外，他們還發現了對鉿或鋯有保留作用的物質存在著顯著的輻照後效應。這些結果，對於有效烊化溶劑有著重要參考價值。
3.化學劑量學及其應用。上海原子核所對多種化學劑量計進行了深入研究，如：硫酸亞鐵劑量計的標準化和回歸分析方法用於劑量率的標定；改善硫酸鈰劑量計；研究了硫酸亞鐵-苯甲酸-二甲酚橙劑量計體係的反應機理，提出了Fe++鏈式氧化的反應動力學曆程；探討了氯苯乙醇劑量計、塑料薄膜劑量計（主要是國產透明塑料薄膜和6種國產染料滌綸薄膜）對鈷射線的劑量響應特性等；發現溴甲酚紫水溶液可用於測量1-10戈瑞的劑量，並研製成可測劑量範圍4×l0-6×l0戈瑞的半定量目標劑量指示標簽。此外，長春應化所研究了塑料薄膜劑量計以及石英砂輻照熱釋光體係、矽太陽能電池劑量儀等；生物物理所也開展了晶溶發光劑量計的研究。
4.脫氧接枝核酸（DNA）及其組分的輻射物理與化學。七十年代後期以來，上海原子核所林念芸等係統地研究了DNA及其組分的輻射損傷機理和輻射保護與敏化效應機理，成果已和國際先進水平接近。
他們在用電子自旋共振法於國際上首次直接證實半胱氨酸對胸腺嘧啶輻射保護作用的基礎上，又研究了一係列保護劑對DNA或其組分的輻射保護作用，發現了電荷轉移保護機理並結合保護劑、敏化劑分子結構與性能的分子軌道研究，總結出區別電荷轉移保護與敏化機理的判據；在詳細證實了巰基上的活潑氫對脫氧胸苷酸、DNA自由基基於氫原子轉移的修複機理後，又發現胍基和咪唑環中氮上的活潑氫也能實現氫原子轉移保護作用。他們還對引發胸腺嘧啶二聚作用機理進行了係統的研究，在國際上首次判明在冰態水溶液中引發形成胸腺嘧啶二聚體的構型；在形成機理上否定了流行的兩種假定，在動力學分析的基礎上闡明了基於胸腺嘧啶的激發三重態和激發聚集態而形成二聚體；研究了幾種激發能授體或受體通過激發能轉移對形成胸腺嘧啶二聚體進行保護或敏化的機理，並提出了激發能轉移敏化作用的反應動力學曆程。綜合上述電荷轉移、激發能轉移與氫原子轉移機理，提出了DNA輻射保護與敏化"三轉移"機理，同時注意到了抗輻射和抗化學致癌機理中的共同性。這樣不但擴充了輻射研究的理論，而且對抗放藥物、腫瘤放射治療增敏劑、抗輻射和抗化學致癌等研究有廣泛的指導意義。
他們還編製了有自己特色的半經驗自洽場分子軌道理論（INDO）方法計算程序，提出了"混合幾何模型"，研究了嘧啶堿基初級和次級自由基的結構，得到的結果比國外更接近實驗值；並就胞嘧啶02加氫自由基的自旋密度定域問題提出了新的見解。
5.高分子輻射工藝。在輻射交聯方麵，長春應化所進行了重點研究。他們早在五十年代後期就開始對輻射交聯聚乙稀（PE）薄膜和管子的工藝進行了研究，有關成果已移植到吉林輻射化學研究所進行生產。八十年代以來，他們又進行了輻射交聯多相聚合物熱收縮材料（電纜、電線等）的研製，獲得了多種聚烯烴共聚物、非聚烯烴類高分子材料和其他新型熱收縮材料。在含氟聚合物的輻射交聯方麵，他們也作出了很好的成績。中國科技大學以輻射交聯為手段，成功地製備了自動升溫控溫電纜，並已在蕪湖電纜廠轉產。
在輻射聚合方麵，長春應化所用丙烯酰胺水溶液輻射聚合製取了中等和超高分子量（＞10）的非離子型和陰離子型聚丙烯酰胺（PAM）；還用PAM水凝膠幹粉進行懸浮水解和丙烯酰胺-丙烯酸鈉水溶液輻射共聚合兩種方法，研製出了吸水溶脹倍數高達1000以上的超級吸水材料（可用作幹旱地區土壤的保水劑等）。此外，該所還研究了加有機載體敏化劑的三聚甲醛輻射後聚合的新工藝，並與上海化工研究院合作取得中試成功。新疆物理所以澱粉與丙烯腈輻射接枝共聚也製出了吸水溶脹倍數近1000的高吸水材料。
在輻射接枝方麵，上海原子核所研製的聚乙烯-丙烯酸電池隔膜性能已達到美國同類產品水平，於一九八○年投入批量生產，市場逐年擴大，並有部分出口。該所研製的F46離子交換膜也是利用輻射接枝技術製得的新產品，它在含鉻廢水處理、合金鋼酸洗液處理、某些食品及藥物的分離提純等應用試驗中均已取得良好效果。此外，該所研究了木材在浸漬苯乙烯-乙醇-水三元體係後進行輻射接枝以改善木材尺寸的穩定性，為提高中國傳統家具的質量和充分利用木材資源開辟了新途徑。
在輻射裂解方麵，上海原子核所研製的聚四氟乙烯超細粉是一種性能優異的幹性潤滑材料，與適當的基礎油調配能製成多種潤滑脂，用途甚廣；聚四氟乙烯固體廢料裂解產物也可用作炸藥、工程塑料等多種材料的添加劑，能大大提高這些材料的耐溫、耐磨性能。同時，長春應化所還詳細研究了聚乙烯醇的輻射裂解機製，在此基礎上使它的分子量降低和達到可控。
6.食品輻射保藏及輻射滅菌（蟲）。中國的食品輻射保藏研究起步於一九五八年。上海原子核所於一九六六年開始對水產品、馬鈴薯、洋蔥、大蒜的輻射保鮮進行研究，一九八四至一九八五年與上海市蔬菜公司等共同完成了六種蔬菜、兩種水果、三種幹果和三種脫水蔬菜的輻射保藏工藝研究（其中對馬鈴薯、洋蔥、大蒜還完成了中試擴大試驗），並對食品輻射保藏機理及輻照食品的營養衛生、安全毒理、衛生標準及劑量監測（質量控製）等進行了一係列研究。長春應化所采用輻射、氣調相結合的方法使鮮人參保存半年以上。新疆物理所對新疆瓜果的輻射保鮮進行了研究，其中哈密瓜和庫爾勒香梨的輻射保鮮尤其顯得優於其它保鮮方法。中國科技大學則成功地對符離集燒雞進行了輻射保藏的研究。
西北水土保持所同位素研究室一九七九年為陝西第一毛紡織廠設計安裝了含9.4萬居裏（後加至14.4萬居裏）60鈷的專用輻照裝置，對原毛進行消毒（主要是殺滅布氏杆菌）。長春應化所對軟包裝罐頭和食用明膠的輻射滅菌以及對木雕等工藝品的輻射殺蟲也進行了試驗，獲得了良好效果。八十年代以來，近代物理所開展了當歸的輻射殺蟲研究，取得了致死劑量和半致死劑量的實驗數據。昆明動物所開展了天麻、當歸、黨參的輻射殺蟲滅菌研究。新疆物理所對鹿茸等名貴藥材的輻射殺蟲研究也取得了較好的進展。一九八一年起，高能物理所開始在30兆電子伏電子直線加速器上進行醫用羊腸線輻射滅菌試驗，經輻射處理的羊腸線的各項質量指標均超過高溫滅菌處理的羊腸線。
7.輻射育種。近代物理所與幾個省的農業科研單位協作，利用快中子輻照種子的辦法開展了遺傳育種工作。輻照過的品種有：小麥、水稻、蠶子、當歸、大豆、高粱、蠶豆、棉花、白菜、菌種等。其中高粱、棉花、蠶絲提高了產量。上海原子核所與製藥單位協作，利用1.5兆電子伏電子靜電加速器進行菌類電子輻照育種工作，曾獲得鏈黴素產率提高12%的菌種。新疆物理所與新疆有關單位協作，用輻射育種培育出的"新海二號"長絨棉，增產17%以上，品質優於當地長絨棉；輻射育種培育出的"白皮脆"哈密瓜，產量提高，含糖量增加。
8.衛星及空間器件的輻照。一九六九年，近代物理所與有關單位協作，利用質子束模擬宇宙空間的質子流，對衛星器件進行了輻照實驗。上海原子核所多年來也利用回旋加速器和電子靜電加速器進行了同類實驗。一九七三年起，高能物理所與工業部門協作，利用30兆電子伏電子直線加速器對電子學元器件、線路和衛星上所用的一些材料進行了輻照損傷試驗。新疆物理所利用電子靜電加速器開展了互補金屬氧化物半導體、電荷耦合器件、位置指示等器件的輻射效應的研究，在國內首次提出了互補金屬氧化物半導體器件輻射失效的判據；並與有關半導體元器件廠協作，開展了這種器件抗輻射加固的研究工作。
（二）離子束技術。離子束技術主要包括離子注入和離子束刻蝕兩方麵。前者主要著眼於注入離子對材料特性的改變；後者則側重於離子濺射而引起的材料外形的改變。
1.離子注入。中國的離子注入技術起步於一九六六年。由上海冶金所、上海先鋒電機廠等單位協作試製的第一台離子注入機，於一九六九年十月一日正式完成。八十年代中期，中國科學院各研究所已擁有10台以上注入機（全中國已近百台）。在研究所內的注入機能量一般達40-60萬電子伏，加速的離子也比較多樣，甚至達到全周期表（如長春物理所就擁有中國第一台可注入全元素的40萬電子伏離子注入機）；研究對象也從半導體材料擴大到金屬、絕緣體等其他材料。中國科學院開展這方麵工作的單位有上海冶金所、上海原子核所、上海技術物理所、半導體所、高能物理所、物理所、近代物理所、金屬所、長春物理所、原子能所等等，工作內容主要是離子注入半導體探測器研究、磁泡材料抑製硬泡、超導材料降低臨界溫度、金屬材料防腐、耐磨、抗氧化特性研究、玻璃材料改變光學折射率、發光材料（如激光二極管）和紅外器件等。此外，離子注入基礎研究也有相應發展，主要內容是離子注入射程分布、損傷分布、注入缺陷研究、混合束及其機理研究等。
2.離子束刻蝕。中國第一台離子束刻蝕機由上海冶金所於一九七九年研製成功。八十年代以來，半導體所等單位都已配備離子束刻蝕機，上海原子核所也有人從事這方麵的研究工作。離子束刻蝕主要應用於磁泡存儲器、鎳鐵合金刻蝕、聲表麵波器件、全息閃耀光柵刻蝕、石英晶體減薄以提高振蕩頻率、氣浮軸承刻蝕等等。相應的基礎研究主要側重於濺射機製、濺射引起表麵損傷研究以及濺射貌相研究等。
（三）用於分析檢測的核技術。這一部分主要包括用於物質成分分析的中子活化分析、帶電粒子活化分析、光子活化分析及其他離子束分析（如粒子激發X射線分析、瞬發核反應分析、散射能譜分析等），也包括另一些可用於結構分析及獲知其他物理和化學信息的核技術（如穆斯堡爾效應、擾動角關聯、正電子湮沒、溝道背散射、核徑跡分析技術等）。所有這些核技術均屬較新的領域，有些是七十年代才在世界上出現的。中國科學院所屬研究單位首先在國內開展這些核技術的應用，對推動中國此領域的應用研究起了積極作用。
1.中子活化分析。以中子照射樣品時，可使樣品中某一個或幾個穩定核素發生核反應，生成放射性核素，測量這些放射性核素的放射性就可實現對樣品中某些元素的定性和定量分析。這就是所謂中子活化分析。按中子源的不同，又可分為堆中子活化分析、中子發生器活化分析和同位素中子源活化分析三種。中國用得較多的是前兩種。
至八十年代中期，中國已有五座反應堆用於中子活化分析。高能物理所（中關村部分）是中國開展中子活化分析工作最早的單位，工作一直十分活躍，應用麵廣、成績顯著。其中，如《北京和南京地區土壤中若幹元素的自然背景值研究》、《中子活化法完成鈧在冶煉過程中的走向調查》（屬攀枝花釩鈦磁鐵礦綜合利用課題）、《官廳水庫流域水源保護工作》、《天津地區大氣顆粒物的物理化學研究》等工作均獲得好評。其他重要的分析工作有：珠穆朗瑪峰、湘江、吐魯番、鬆花江等地區土壤樣品；日喀則地區蛇綠岩中的稀土元素；中國不同時代不同類型的花崗岩中的微量元素；中國若幹邊遠地區的地表水；鬆花江水係和湘江流域水質；海水及海洋沉積物；攀西裂穀的元素地球化學特征；月岩、隕石、宇宙塵的微量元素分布；各種生物樣品（例如人體髒器組織、老年病研究、壽桃丸等中草藥）及古代文物（古鏡、古陶器、古錢幣）中的微量元素含量等。