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比稀土還稀缺的锎元素,一克一點五億,中國為何必須自主突破呢?

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今年六月,大灣區(qū)有一臺百萬千瓦級核電機組并網發(fā)電,福建漳州的批量化機組也在按月推進調試。 這些鋼鐵龐然大物首次點火那一刻,用的不是動輒上千噸的主設備,而是幾粒拇指蓋大小的金屬膠囊。

膠囊里封著一種叫锎-252的同位素。 一克標價一點五億,全球一年湊不出一克。

這個價格的來歷,要從一種反常識的物理特性說起。 锎-252會自發(fā)裂變,每微克每秒能穩(wěn)定彈出兩百多萬顆中子,不靠電源,不靠外部觸發(fā)。 人類掌握的所有便攜式中子源里,目前沒有第二種能在這么小的體積里釋放出這么強的中子流。


怎么把它造出來? 得在中子通量極高的反應堆里頭,用钚或鋦做成的靶件連續(xù)輻照五到十年。 中子通量相差一倍,锎-252的生成率可以差到一百倍到一千倍。 只有中子通量達到每秒每平方厘米十萬萬億顆以上的高通量反應堆,才具備生產锎-252的能力。 中國先進研究堆功率六十兆瓦,熱中子注量率八乘十的十四次方量級,剛好差臨門一腳。 這臺堆能穩(wěn)定產出碘-131、鍶-89這些醫(yī)用核素,卻始終沒法批量出锎。


分離工序同樣折騰。 從一堆輻照過的靶件里把那幾毫克锎挑出來,需要一米多厚的混凝土屏蔽墻、全程遠程機械手操作。 每生產一毫克,附帶產生上百克高放廢液,處理費用是個無底洞。 運輸用的專用屏蔽桶,光是造價就要幾百萬美元一只。 一點五億一克的標價,是從靶件冶金、輻照時長、熱室分離、廢液處置一道道工序里熬出來的,不是人為炒高,也不是商業(yè)溢價。


全球的產能圖譜簡單得讓人無奈。 美國橡樹嶺國家實驗室一九六五年點火的HFIR反應堆,和俄羅斯NIIAR研究所的SM-3反應堆,幾乎壟斷了商業(yè)級別的供應。 兩家加起來好年景幾百毫克,差年景一克都湊不出。 定價權握在美國能源部手里,每年由行業(yè)聯(lián)合體匯總需求一次,能源部按成本核算出價格,用戶排隊提貨,沒有討價還價的余地,更別說談合同條款。 想多囤一點應對斷供? 物理規(guī)律不答應。 锎-252的半衰期只有兩年半多一點,每年自己衰變掉將近四分之一。 今年花一點五億買一克,到了第四年柜子里能用的剩不到三成。 戰(zhàn)略儲備這條路被半衰期直接堵死,再有錢也買不來時間。


替代品也別指望。 钚-鈹、镅-鈹這些化學中子源強度差幾個數量級,加速器中子源體積大、要供電、根本塞不進病人體內。 在某些不可替代的應用場景里,锎-252一斷貨就意味著整條業(yè)務停擺。


把場景拉到核電廠。 中國核安全法規(guī)明文要求,壓水堆首次啟動必須在堆芯放置初級中子源,讓探測器在零功率階段也能看到中子計數,否則操作員等于在黑屋子里拉控制棒。 今年四月二十日,中廣核廣東太平嶺核電項目一號機組投產發(fā)電,正式具備商業(yè)運行條件。 在并網之前那段調試期,初級中子源就是這套監(jiān)測體系的眼睛。 這種需求不是一錘子買賣。 截至太平嶺一號機組投產時,中廣核在運核電機組達二十九臺,裝機容量三千三百零四萬千瓦,在建核電機組十九臺,其中十七臺采用華龍一號三代核電技術。 每一臺新機組首次啟動都要消耗锎源,斷供一周就夠讓區(qū)域電力調度焦頭爛額。


再把場景切到腫瘤醫(yī)院。 中子刀的做法是把锎-252封裝成幾毫米的膠囊,通過細導管送進宮頸腫瘤內部,讓中子從里向外密集打癌細胞。 锎-252衰變產生的中子能量為二點三五兆電子伏,對氧的依賴性小,在缺氧狀態(tài)與有氧狀態(tài)的生物作用相同。 通常的X線或γ線在缺氧條件下殺死癌細胞的能力會減弱,乏氧的癌細胞殘存下來,會導致腫瘤未控或復發(fā)。 中國每小時大約有六名女性死于宮頸癌,相當一部分是晚期病例。 每一臺中子刀里的源每隔兩三年就得換一顆。 一旦上游斷供,全國十幾個城市的中子刀醫(yī)院就會按時間表一臺一臺停機,沒有緩沖期。


工業(yè)和安檢領域同樣靠它撐著。 港口集裝箱掃描里識別藏匿爆炸物、毒品的中子探測裝置,煤炭品質在線分析儀,核燃料棒探傷設備,再加上鉆井測井用的中子源。 全國對锎的實際需求其實遠比外界想象的分散,藏在很多看不見的角落。 一旦上游卡住,連鎖停擺的不是一兩個行業(yè)。


時間倒回一九八九年。 蘇聯(lián)科學家訪問中國原子能科學研究院時帶來一批放射源樣品,里頭就有锎-252。 一九九二年蘇聯(lián)解體后,俄方核研究機構急需外匯維持運轉,中俄一拍即合,成立了北京雙原同位素技術有限公司,俄方出原料和工藝,中方出場地和銷售渠道。 在那個年份,國內還沒有任何反應堆能達到生產锎的中子通量門檻,借力是務實的安排。 問題是這個模式一干就是三十多年沒大改。 雙原本質上做的是來料封裝:俄方在反應堆里把锎照出來、化學分離好,運到北京后中方負責把它裝進金屬膠囊、貼上標簽、交付給醫(yī)院和核電廠。 靶件設計、堆內輻照、熱室分離這些真正的核心環(huán)節(jié),國內長期沒碰到。 清華大學的環(huán)評報告里有一句原話:還不具備生產锎的能力,導致锎粉嚴重依賴進口,屬于我國可能被卡脖子的材料類型。


把這條供應鏈擺在今年的地緣背景下看,脆弱性就更扎眼。 俄烏沖突進入第五年,西方對俄方核燃料循環(huán)的制裁壓力一直在加碼,從濃縮鈾進口禁令到對Rosatom子公司的次級制裁清單。 鏈條只要被切斷一個環(huán)節(jié),國內排隊的醫(yī)院和電廠就沒有任何B計劃。 這種風險在今天已經不是會不會發(fā)生的概率題,而是什么時候被波及的時間題。


突圍的動作已經壓上來。 國家原子能機構等十二部門聯(lián)合印發(fā)的《核技術應用產業(yè)高質量發(fā)展三年行動方案(2024—2026年)》給今年定的硬指標是:開展新堆建設和在役堆優(yōu)化改造,形成重點同位素生產能力,具備三種以上放射性同位素自主化供應能力,突破五種以上放射性同位素生產技術。 方案明確把銥-192、銫-137、镅-241、锎-252等工業(yè)同位素制備技術研發(fā)列為重點任務,今年正是交賬之年。


硬件層面最關鍵的工程是清華大學牽頭的寬能譜超高通量試驗堆。 這個項目二〇二一年十一月被列入十四五國家重大科技基礎設施優(yōu)先項目,堆內輻照孔道平均熱、快中子通量可達每秒每平方厘米二百萬萬億顆,選址于山東省威海市清華大學榮成先進核能技術科研基地園區(qū),計劃二〇二九年左右建成。 依托這座堆建立锎-252、钚-238等稀缺特殊核素輻照生產能力,打破國外技術、資源和價格壟斷,實現稀缺特殊核素的自主穩(wěn)定供應。 二〇二五年十二月,THFR的環(huán)評送審公示稿已經掛上生態(tài)環(huán)境部網站,相當于工程進入開工前最后的審批沖刺。


半導體、稀土、商用航天幾條戰(zhàn)線的拉鋸沒消停,臺灣地區(qū)方向、南海方向的安全壓力也沒降溫。 在超鈾元素這個全球只有幾家機構能進的小圈子里能不能有座位,關乎的是一種材料本身。

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