世界研究堆发展现状及主要应用

世界研究堆发展现状及主要应用

李基刘显扬

中国中原对外工程有限公司北京

一、世界研究堆的发展现状

自1942年12月2日费米建立了第一座核反应堆开始，各国都在努力地发展核反应堆。到现在为止，世界上建成的研究堆有840座，约有261座研究堆（到2018年6月止）将继续运行，其中有225座正在运行中，有13座处于暂时关闭状态，另外还有23座正在建设或在计划建设中。这些研究堆分布在56个国家，其中发达国家中有2个计划建设的和4个正在建设，有140个研究堆正在运行中。发展中国家中有11个处于计划建设中，6个处于正在建设中的，有85个研究堆是处于正在运行状态。

中国第一座研究堆是101重水反应堆，于1958年临界。到现在的近60年里，全国建成21座研究堆[1]，17座运行，2座永久停堆，2座退役，并且有2座研究堆正在计划中。

二、研究堆的应用

研究堆不同于核电站的主要应用是用来进行基础研究或应用研究。研究堆的主要功能和应用主要有教育培训、中子活化分析、同位素的生产、材料辐照、中子成像、中子散射、辐照掺杂、硼中子俘获等，如表1所示为全世界研究堆的用途分布表。

表1全世界研究堆的用途分布表[3]

*说明：其他用途包括仪器测试和标准定、屏蔽实验、核数据测量和公共相关的用途。

2.1教育和培训

研究堆是一个很好的教育和培训基地[4][5]。通过向公众和政府单位的开放，可以增加他们对核能的认识，减少社会对核能的反对。通过向科学和工业界相关人员的教育和培训，可以扩大研究堆潜在的客户和市场。研究堆的教育和培训方式非常宽泛，从小学生和公众对研究堆的参观，到大学课程的辅助学习，甚至动力堆的操作培训等。

2.2放射性同位素生产

放射性同位素的应用包括核医学、工业、农业和研究等领域。他们主要通过在研究堆或加速器中照射靶核，靶核通过中子俘获产生需要的放射性同位素。利用放射性同位素的射线或用作示踪原子，可以应用到：①射线照相技术，可以把物体内部的情况显示在照片上；②测定技术方面的应用，古生物年龄的测定，对生产过程中的材料厚度进行监视和控制等；③用放射性同位素作为示踪剂；④用放射性同位素的能量，作为航天器、人造心脏能源等；⑤利用放射性同位素的杀伤力，治疗癌症、灭菌消毒以及进行催化反应等方面。

2.3中子散射

中子散射技术可以用来探讨物质结构和性能的关系，深入研究诸如铁基超导、新型储氢、负热膨胀和多铁体系等基础前沿关键科学问题，开展工程材料的应力分析和材料缺陷的中子成像方法研究。加拿大的MNRMCMASTERUNIV有6根水平孔道可以进行中子散射和中子辐照实验。法国的ILL反应堆有17根水平孔道可进行中子散射实验。美国的HFIR研究堆有4根水平孔道可进行中子散射实验。

2.4中子掺杂

这些应用包括采用中子或伽马射线辐照材料来改变材料的属性，这一过程通常需要在一定的通量水平下辐照一定的时间，因此需要中等或较高的反应堆功率水平。

这些应用包括：①中子嬗变掺杂；②伽马辐照技术；③宝石着色；④锕系元素嬗变。

中子掺杂最常用的是单晶硅掺杂，世界上有27个研究堆可以进行单晶硅掺杂。澳大利亚的OPAL、比利时的BR-2反应堆、加拿大的MNRMCMASTERUNIVR应堆、埃及的ETRR-2反应堆、德国的FRM-II反应堆、日本的JRR-3M、韩国的HANARO等都可以进行单晶硅掺杂生产。

世界上有21个研究堆可以用于宝石着色。

2.5同位素生产

研究堆中主要用于生产U-235裂变产物同位素和中子活化产物同位素。根据可用中子通量的不同，可以产生大量的同位素：24Na、32P、38Cl、56Mn、41Ar、64Cu、198Au、90Y、99Mo、125I、131I、133Xe、14C、35S、51Cr、60Co、89Sr、153Sm、169Yb、170Tm、192Ir等。放射性同位素在医药、工业、研究等领域都有应用。目前世界大约有94个研究堆可以进行同位素的生产。比如澳大利亚的OPRL反应堆，该反应堆是一个池式的，反应堆的热功率为20MW，最大热中子通量为2.0×1014n/cm2s，最大快中子通量为2.1×1014n/cm2s，有80个垂直孔道用于辐照同位素的生产，主要是99Mo的生产。中国的高通量试验反应堆（HFETR），该反应堆的热功率为125MW，最大热中子通量为6.2×1014n/cm2s，最大快中子通量为1.7×1015n/cm2s，有11根垂直孔道用于燃料和材料检验和同位素生产。

2.6核数据的测量

研究堆在提供核数据方面有巨大的用途，利用它们固有的能力进行横断面测量、积分实验、基准测试和代码验证分析。需要核数据的其他领域涉及：

1）对创新设施所需材料的测试；

2）放射性同位素生产评价及其医学应用；

3）使用计算机软件对患者进行放射治疗和晚期癌症治疗；

4）屏蔽实验，主要用于中子衰减问题；

5）核废物转化为安全处置的研究；

6）对文化诊断和材料成分分析的分析技术的改进。

在这些研究和应用领域，研究堆继续占据着一个明显重要的位置。由于某些反应堆中可获得的高中子通量，对非常短的寿命和在线产生的放射性目标原子核的一些横断面测量只能在研究反应堆设施中进行。

2.7其他

研究堆中还产生中微子，可以用来对中微子进行研究，从而促进粒子物理和核物理的发展。另外，研究堆还可以用来进行核数据的测量、屏蔽实验、基准题的生成以及核相关计算机代码的验证等。

三、总结

研究堆在世界上的分布主要集中在北美及欧洲等国家，在发达国家数量相对多一些，在发展中国家相对少一些。在研究堆未来的发展方向上，发展中国家在建的研究堆数量比发达国家的数量多。研究堆的应用领域十分广泛，为科研及工业生产提供了重要的支持。

参考文献

[1]国际原子能机构，http：//nucleus.iaea.org/RRDB/.

[2]NuclearTechnologyReview2017，IAEA，2017.

[3]全球研究堆的主要用途及发展趋势研究，王昆鹏等，核科学与工程第35卷第3期，2015年9月。

[4]ApplicationsofResearchReactors，IAEANuclearEnergySeriesNo.NP-T-5.3，IAEA，2014。