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助力铀矿储量增长 推进环境辐射安全

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  ——记“面向铀矿与环境的核辐射探测关键技术、设备及其应用”项目

  汤彬教授(右二)在实验室指导实验

  研究团队在野外开展实地测试工作

  张雄杰

  铀是核军工的基石,也是重要的核能原料,确保铀资源可靠供给事关国家安全和低碳环保的长远目标。

  历时29年,东华理工大学副校长汤彬教授带领团队,创新了现场铀矿定量和环境辐射计量的方法理论,研发出多项关键技术和成套仪器设备,形成了一系列国家、国防及行业技术标准,使得我国铀矿勘探和环境辐射测量的技术水平跻身于世界先进行列。

  1月9日,在2016年度国家科技奖励大会上,由东华理工大学牵头,联合核工业航测遥感中心、上海市计量测试技术研究院、贝谷科技股份有限公司等开展的“面向铀矿与环境的核辐射探测关键技术、设备及其应用”研究摘得国家科技进步奖二等奖。项目对打破国外技术封锁和仪器产品垄断、提升核工业自主创新水平、保障国家能源安全、推动江西省战略性新兴产业更好更快发展具有重要意义。

  向“四类缺陷”“三种不能”宣战

  获取铀资源包括铀矿普查(即找矿)、铀矿勘探(即探明铀储量)、铀矿采冶(即提取铀资源)等复杂过程,此外还涉及环境安全的诸多难题。

  探寻地球局部空间的放射性异常,研究天然或人工放射性核素的分布规律,是面向铀矿和环境核辐射探测技术的研究基础,也是寻找铀资源、评价环境辐射和保障环境安全的基本方法。

  我国曾经一度被认为是“贫铀”国家,翻开我国核地质60余年的发展史会发现,我国早期探明的铀矿储量很少,甚至没有万吨级大矿。

  汤彬解释说,其中原因之一,是早期我国铀矿定量主要依赖钻孔岩芯化学分析法,该法难以回避钻孔取芯效率低、矿样分析周期长、边界圈定误差大、铀矿定量成本高等“四类缺陷”,在引进前苏联γ测井平均含量法之后,铀矿勘探人员仍然受到该法的“三种不能”困扰——不能细分矿层、不能区分非矿夹层、不能现场铀矿定量。同期,美国研发的GAMLOG法对我国进行封锁。受此制约,我国铀矿勘探周期少则3—5年,多则10余年,更深层次的影响是,对我国地下究竟蕴藏着多少有望发现的铀矿产资源量缺乏科学评估的手段。

  构建三维空间核辐射探测体系

  围绕尽快新增铀矿储量、保障铀开发利用的环境辐射安全等问题,在中国核工业地质局和国家科技计划项目的持续支持下,团队成员针对地下的天然放射性核素,地面和大气中的天然与人工放射性核素,实施三维空间的核辐射探测,利用其测量结果,分别解决了铀矿勘探所需的现场铀矿定量、环境安全所需的环境辐射计量等工程技术难题。

  团队核心成员主要来自于具有地学优势和核特色的大学——东华理工大学。作为中国核工业创建的第一所大学,该校为我国核大国地位的确立和铀矿地质事业的发展、为国防科技工业和地方经济建设做出了积极贡献,荣获“中国核地学摇篮”和“国际原子能事业宝贵财富”的美誉。依托学校的特色与优势,团队核心成员长期从事地球空间核辐射探测技术的理论研究、技术开发与仪器研制等工作,其中在钻孔中探测地层岩石放射性的γ测井技术及铀矿定量方法等研究成果尤为突出。

  团队的创新性研究成果——基于钻孔γ辐射总量及全谱的铀矿定量分层解释理论与方法技术等,可逐点解析沿钻孔轴线的地层岩石铀含量分布,可替代确定铀含量的钻孔岩芯取样与化学分析等常规方法,解决了利用测井结果快速定量和准确评价矿产资源的世界性难题,对估算我国铀资源储量,提高铀矿勘探效率,节省铀资源定量成本有重要意义。目前,基于γ辐射总量测井的五点式反褶积分层解释技术已成为我国铀矿定量的标准方法,该方法被国家核行业标准《γ测井规范》(EJ/T 611)采用达20余年。

  校准航空γ能谱仪是开展大区域环境辐射监测、核应急航空调查的前提条件,但我国一直没有地面配套的空中校准大型辐射源,环境辐射航空γ测量工作的有效开展受到制约。为此,团队成员首创了有限面源替代无限面源的大型γ辐射仪校准方法,该校准方法包括将1个正六边形小面源模拟为多个正六边形大面源的场源互换校准方法、采用地面小面源模拟空中大面源的两源互换校准方法、采用地面木板模拟空中大气吸收的介质互换校准方法;创建了地表不同高度的天然核素比活度与环境辐射剂量率的换算方法与换算图表等关键技术,解决了地面校准大型γ辐射仪的世界性难题。

  氡是极微量的天然放射性气体元素,在人类遭受的辐射剂量中,环境中氡及子体造成的天然辐射占比高达50%以上,准确测量环境氡及子体的浓度必须先研发计量标准。为此,团队成员重点开展了氡及子体的α辐射探测技术研究,创新了氡室动态补氡、量值可调、量值稳定等关键技术,研发出相应的中/小型氡室计量标准装置,解决了中/小型氡室氡浓度均匀性控制、快速准确调节等技术难题,为氡测量提供了准确可靠的计量保障,改变了国内计量检定机构缺乏氡计量标准的尴尬局面。此外,项目团队还研发了基于高压电晕放电的氡及子体高效采样方法与高灵敏度测氡技术,解决了土壤氡、大气微氡及子体的测量灵敏度偏低等技术难题。

  汤彬说,目前项目研发的关键技术大多已应用于相关计量标准装置与成套仪器设备的研制中,并形成和制定了相应的国家、国防及行业技术标准,主要包括形成和制定了我国首部《γ测井规范》《γ测井仪检定规程》等核行业标准;形成和制定了《航空γ能谱仪检定规程》等国防军工标准,点源校准因此被废止;制定了新的《测氡仪检定规程》,形成了核行业与社会公用计量标准。

  “通过项目的实施,打破了国外封锁,创立了我国独有的铀矿定量体系,研发的系列核心技术与成套仪器设备填补了多项国内空白。”汤彬说。

  为环境辐射安全“保驾护航”

  2011年,日本福岛核事故泄露的137Cs(铯137)、134Cs(铯134)、131I(碘131)等人工放射性核素严重污染周边环境,短期内造成食品和水等生物质材料所含放射性核素的巨大检测需求,项目团队利用基于γ辐射及能段法的核素比活度测量与核素快速定量等关键技术,立刻研制了多款快速识别与定量检测137Cs、134Cs、131I等人工放射性核素的轻便型核辐射探测仪器,短期内形成批量生产并大量销往日本及周边地区,其中食品和水中放射性检测仪、个人辐射剂量报警仪等产品的累计销量达15000余台。作为国内核仪器设备和解决方案的主要提供商,近三年仪器设备销售产值和技术服务收益近10亿元。汤彬说,该成果也引起我国电离辐射计量部门与全国电离辐射计量技术委员会的密切关注,现已启动生物质中人工放射性核素测量仪器校准规范的国家标准制定工作。

  作为社会公益为主的科研项目,研究成果产生了重大社会效益和良好经济效益及环境效益。据初步估算,这项成果节支总额近100亿元,近三年销售产值与技术服务收益近10亿元。

  自分层解释方法被确定为我国铀矿定量的标准方法以来,我国已新增2/3以上铀资源储量,这些铀资源储量估算已全部使用了该方法,通过替代岩芯化学分析带来的节支总额近100亿元。

  航空γ辐射仪校准技术已在核应急航空调查等国防及重大工程得到推广应用,依托该技术创建了我国唯一的“国家核应急航空监测中心”。 特别在秦山核电、上海等地区以及华北某基地的环境辐射首次航空调查中,圈定了41Ar(氩41)烟羽、137Cs核素的本底分布,还发现了一些未知放射性热点。

  氡计量标准装置在环保部、质检总局、中核集团、高校及科研机构得到了推广应用,国内占比80%以上。团队研发的氡计量技术及“HD系列”氡室产品已被国家环保部所属的多个电离辐射环境监测机构、国家质检总局所属的多个省(市)计量测试研究院所、中国核工业集团公司所属的多个研究与生产单位广泛使用,已占据国内氡计量标准装置80%以上市场。

  为打破民用核仪器的国外垄断,团队研制并产业化了以通道式放射性监测为代表的系列化专用型核辐射探测仪器设备。该成果解决了环境辐射监测、反核恐与预防核污染的放射性实时在线监测、快速检测、核素识别等工程应用难题。目前通道式放射性监测系统已在全国各海关、出入境口岸、金属回收和熔炼企业等单位销售500余套。目前5大系列20余种民用核仪器在环保、海关、边检与出入境口岸得到了广泛应用。

  依照我国核电中长期发展规划目标,2020年我国大陆运行核电装机容量将达到5800万千瓦,所占电力比例也将提升到4%以上。

  在汤彬看来,加大低成本、高效益的铀矿勘查力度和地浸采铀技术是国内发展铀矿事业的主流方向,面向铀矿与环境的核辐射探测技术仍将发挥重要作用,项目研发的关键技术、仪器设备和计量装置具有广阔的推广应用前景。随着我国国防军工与核能发电事业的进一步发展,铀矿勘查与环境辐射监测的核辐射探测技术需求将进一步加大,相应的计量标准装置和仪器设备的应用需求也在连续增长,项目还将持续产生相应的社会、经济和环境效益。

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