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Suggested Citation:"采用与开发替代技术." National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine. 2022. Radioactive Sources: Applications and Alternative Technologies: Chinese Version. Washington, DC: The National Academies Press. doi: 10.17226/26452.
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采用与开发替代技术

国内与国际组织越来越认识到与拥有和使用第 1 类与第 2 类放射源相关的安全和安保风险和责任,并某些是自愿清除并使用替代技术取而代之。然而,自愿采用这些技术仍然面临挑战,特别是在没有合适的替代技术或替代技术会给组织带来更高成本以提供可比服务的情况下。本章审查了影响与采用放射源替代品以及开发替代技术的工作有关决策的经济和其他考虑因素。

3.1 放射源的替代技术

在本报告中,考虑的主要替代技术是那些不使用放射性核素作为放射源的替代技术(非放射性同位素替代技术)。放射性同位素替代品,例如,那些使用相同放射性核素但具有不同化学或物理形式的替代品,或使用可能带来较小安全风险的不同放射性核素的替代品,通常不被考虑。例外是使用玻璃化铯 137 作为氯化铯源的可能替代品,如第 4.1.3 和 6.4 节所述。

在许多情况下,替代技术已经成为实践标准。例如,在高收入国家,使用直线加速器(直加)的外照射治疗现在是治疗癌症和其他疾病的放射治疗的标准做法,而不是使用钴 60 源的远程治疗(见第 4.3 节)。对于远程治疗,替代技术的讨论与低收入和中等收入国家 (LMIC) 最为相关,其中许多国家正在过渡到使用直线加速器进行放射治疗。

3.1.1 非放射性同位素替代技术

一般而言,本报告中讨论的应用的最先进和商业上可行的替代技术是使用电力产生电子束(电子射束)的设备,该电子束直接照射物体或通过与金属阳极碰撞间接产生用于照射的 X 射线。无论出于何种目的,电子束都可以粗略地归类为低能电子或高能电子。低能电子的范围从几十 keV(千电子伏)到大约 500 keV,由阴极和阳极之间的固定电位差产生,该电位差决定了电子的能量。该类别包括用于材料表面处理的传统X 射线管和电子源。高能电子由固定电位机器和直线加速器产生。高能、固定电位机器包括范德格拉夫起电

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机和高频高压加速器。它们的能量范围从 1 到大约 5 兆电子伏特 (MeV)。虽然也使用固定电位,但它们比 X 射线管大得多。直线加速器在谐振腔中使用电磁能(通常为微波频率)来加速电子,而无需维持非常大的电势。与放射源更换相关,它们用于产生 1 到 20 MeV 以上的电子束。直线加速器是本报告中许多应用中提到的辐射类型的电子源。

所有电子源都从发射电子的阴极开始。在直线加速器中,阴极是电子“枪”的一部分,它发射电子,然后通过电场加速。为了将这些电子加速到所需的能量,直线加速器使用加速波导——电磁场——来产生更高的动能。为了产生 X 射线,这些高能电子撞击重金属目标并迅速减速,以宽且连续的 X 射线能谱形式产生“制动辐射”(轫致辐射)。在电子束应用中,磁铁将这些高能电子导向目标。伽马、电子束和 X 射线辐射源的基本原理示意图如图 3.1 所示。

为了产生中子,氘(D 或 2H)离子而不是电子被加速。这些离子在使用直线加速器的高速束流中加速,并被引导到含有氘或氚(T 或 3H)原子的目标中以产生中子。D-T 碰撞是首选,因为它们的中子产额比 D-D 碰撞高 50 到 100 倍;然而,氚是一种放射性氢同位素,半衰期为 12.5 年,而氘是氢的稳定同位素。

放射性同位素、X 射线和电子束源的能量分布在根本上是不同的。放射性同位素衰变通常会产生尖峰能谱,初级伽马射线只有一种或几种能量。例如,钴 60 的初级伽马射线为 1.173 MeV 和 1.333 MeV,铯 137 的初级伽马射线为 662 keV。相比之下,X 射线产生的光谱很广,包括所有能量低于最大能量的 X 射线和平均能量约为最大能量三分之一的 X 射线。边栏 3.1 讨论了与讨论三个辐射源的等效性相关的三个量——功率、能量和剂量。

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图 3.1 工业灭菌中伽马、电子束和 X 射线辐射源的操作示意图。
来源:经 AIP Publishing 许可,从 Miller(2003 版)基础上复制和修改。
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3.1.2 替代技术的一般特征

替代技术的主要考虑因素通常是技术性能和成本。假设特定应用中的技术性能具有可比性,则考虑放射源和替代技术的利弊,包括资本成本(包括采购价格和设施改造)、运行成本(包括培训和维护)、通量、监管要

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求和认证、安全和安保风险和责任以及处置选项(参见附件 E)等因素。通常,与放射源相比,替代技术涉及

  • 较高的初始购买成本;
  • 要求更多训练有素的人员来操作;
  • 更频繁的故障和维修,需要昂贵的服务协议;
  • 降低与安全管理和运输相关的监管要求和许可活动;
  • 与这些技术中使用的高压、高真空、压缩气体相关的安全要求可能更高;
  • 与生产设施扩张相关的更高成本;
  • 更加依赖电网和水网的稳定性;
  • 显著降低退役成本并制定更明确的准则和处置途径;和
  • 降低与滥用相关的第三方损害的责任风险。

3.2 采用替代技术的制度考量

有效的技术采用需要工程设备和组织来促进其有效采用和使用。在高收入国家,制度环境通常支持技术开发和技术采用。因此,对高收入国家替代技术的评估在很大程度上可以将制度环境视为既定的,并侧重于技术能够提供可比服务的程度及其增量成本,这一主题将在下一节讨论。

在中低收入国家,制度环境通常不支持采用替代技术。政府和其他国内组织可能没有足够的资源来支持实施、维护和有效使用新技术提供公共服务(如医疗保健)所需的人员。因此,对中低收入国家替代技术的评估必须考虑技术预期运行的制度环境以及技术的能力和成本。

第 4.3.3 节通过几个案例研究详细讨论了直线加速器作为钴 60 远程治疗机替代品的可行性,这些案例研究说明了在中低收入国家采用替代技术所面临的挑战。在美国,远程治疗中几乎完全淘汰钴 60 设备主要取决于直线加速器的卓越技术能力。然而,在中低收入国家,评估采用该技术的可行性需要明确考虑支持的机构资源。一些机构和一般基础设施的弱点常常阻碍甚至阻止直线加速器的有效使用:由于海关人员不足,协调设备的建造和交付时间可能很困难;电力供应可能不可靠;医生可能没有接受过有效使用设备的培训;国内可能没有经过培训的人员维修设备。考虑更换钴 60 远程治疗机的机构可能没有资源克服这些弱点,使直线加速器成为钴 60 远程治疗机的可行替代品。包括 Atomic Energy Agency、OPEC Fund for International Development 和 U.S. Agency for International Development 在内的多个组织通过提供培训、协助制定直线加速器的合同安排或分摊技术采用成本,帮助中低收入国家采用替代技术。然而,仍然存在一些对卫生服务提供产生负面影响的挑战。

3.3 采用替代技术的经济性

关于私营组织是否以及何时应采用替代技术来替代放射源的决定很复杂。为了理解这些复杂性,委员会审查了更换决定的基本经济学(见附件 E)。在审查中,委员会提出了两项主张,表明公共政策在促进采用替代技术方面的重要性。

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  1. 制度因素影响替代技术的经济可行性以及从社会角度潜在的可取性。在美国和其他高收入国家,法规会影响替代技术的相对成本和收益。在中低收入国家,基础设施和人力资本限制在决策中的权重更大。
  2. 放射源使用的外部性可能导致私人组织不采用商业上可获得的对社会有益的替代技术,例如,因为它们降低了使用放射扩散装置 (RDD) 等恶意行为的风险。

任何潜在更换替代技术的可行性取决于其使用的制度背景及其物理特性。公共政策可以改变制度背景。例如,国内法规可以通过降低恶意使用的可能性来降低放射源使用的外部成本。让替代技术适应发展中国家环境的国际措施可能会使之更加可行。由于私营组织不承担放射源使用的全部成本,因此即使在商业上可用,也可能不会采用对社会有益的替代技术。将更多当前的放射源外部成本内部化的公共政策,例如要求为支付处置成本做出更大贡献,使得替代技术相对更具吸引力。

考虑到感知风险,私营实体应该选择能够最大化预期收益和成本之间差异的技术。如果这些收益和成本是包容性的,即包括社会中其他人承担的所有成本和收益,那么在将资源分配给最有价值的用途的意义上,这种私营演算也实现了选择的社会价值最大化。然而,如果考虑采用一项技术的私营实体的收益和成本不具有包容性,那么对私营实体有利的选择可能对更广泛的社会不利。不由做出选择的私人实体承担的选择的收益和成本称为外部性。由于涉及放射源和放射源处置的事故风险或恶意行为,放射源的使用通常涉及外部成本。

正如附件 E 中所讨论的那样,更换已投入使用的放射源的经济性在与将其替代品的生命周期成本进行比较时,可能从头决策就大不相同。在考虑更换这些剩余使用寿命较长的在役设备时,放射源通常高昂的前期成本被“抵消”了。因此,从已经投入使用的设备用户的角度来看,在从头决策中经济的替代技术可能并不经济。大多数含有放射源的装置都基于已使用多年的成熟技术,并且通常已被证明是可靠的。这种成熟也有助于形成当前的成本优势。然而,这也表明成本不太可能进一步下降。由于放射性同位素有时稀缺(目前钴60 似乎就是这种情况),因此含有放射源的设备成本可能会增加。与此同时,不少目前商业上可用但尚未成熟的替代技术可能会变得更具成本效益,因为其市场份额更大,并且研发工作专注于使之更简单且更具成本效益。此外,一些替代技术随着它们的成熟可能会提供更高质量的服务,与钴 60 远程治疗相比,直线加速器就是这种情况。这些趋势可能会使替代技术变得越来越有吸引力。

3.4 替代技术推广者

监管机构可以在鼓励用户考虑替代技术方面发挥作用,因为加强监管可能会阻碍继续使用放射源。不利因素可能包括增加对源安全的监管要求、为报废管理实施财务担保(见第 2.8.4 节),以及要求持证人在获得授权之前证明需要使用高活度放射源的理由。抑制性政策具有市场和社会影响,这些影响需要在政策实施之前仔细审查。

美国 Nuclear Regulatory Commission (U.S. NRC) 不提倡或鼓励使用替代技术来降低与放射源相关的安全风险。如果 U.S. NRC 放射性材料许可证的申请人能够证明材料的安全和可靠使用,即使有非放射性同位素替代品可用,该申请也将获得批准。U.S. NRC 对申请人的设施进行许可前检查,以确保申请人在拥有第 1 类或 2 类放射性材料之前已实施适用的安全要求。包括 Nuclear Threat Initiative (NTI) (Iliopulos 等,2019 年)

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和 Government Accountability Office (GAO) (2019 年)在内的多个组织批评 U.S. NRC 在支持监管变革以限制使用放射源或推动更广泛的使用替代技术方面缺乏积极主动的作用。

在所有协议州中,一些监管者鼓励积极的预防性政策,为持有放射源许可证提供监管抑制,而其他监管者则遵循最低联邦要求并扮演法规执行者的角色。例如,加利福尼亚州 Department of Public Health 放射健康处通过提供有关铯 137 许可要求和 X 射线机注册要求的信息以使信息在采用过程中易于获得且更加全面,进而鼓励使用替代技术。如果收到新的铯 137 辐照器许可证申请以供监管部门批准或更新,州监管机构会通知持证人有关可用替代技术的信息,并要求提供使用铯 137 的理由(Iliopulos 和 Boyd,2020 年)。与 U.S. NRC 不规范辐射发射设备相反,协议州同时监管放射源和辐射发射设备。

一些组织主要通过建立利益攸关方网络以提高对与放射源有关的风险和责任的认识;通过促进关于绩效数据、成本和采用替代方案的挑战的对话;并通过提供工具来支持更明智的决策,促进了替代技术的采用。由于这些工作,一些医院、研究中心和政府越来越认识到与放射源相关的风险,当有可行的选择时,一些医院、研究中心和政府会自愿移除和更换。然而,这些组织中的大多数都自称为“技术中立”,并且不会将放射源的替代技术作为其使命的一部分。此外,目前没有任何组织能够轻松访问与在不同应用中采用替代技术相关的完整信息的“一站式商店”。

International Irradiation Association (IIA) 和 World Institute for Nuclear Security (WINS) 是解决与采用替代技术相关的技术或程序方面的组织的两个示例(参见第 1.5 节中对其工作的简要描述),而不是这些具体技术的推广者。例如,IIA 已经指出,它支持安全和有益地使用所有形式的辐照,包括伽马辐照(IIA,2018 年),并反对 2015 财年参议院能源和水开发拨款法案第 402 节的立法草案,该法案要求几年内“逐步淘汰”医学放射源(IIA,2014 年)。此外,IIA 和 WINS 的专业知识和受众分别主要涉及辐照技术和核或放射安保问题,不涉及可能替代放射源的非辐射方式,例如,替代昆虫不育技术的基因遗传方法。NTI 是另一个在采用替代技术方面做出宝贵贡献的组织,但与 WINS 一样,其主要重点是降低风险。

2016 年,包括 U.S. NRC、Department of Energy、Department of Homeland Security 和 Environmental Protection Agency 在内的多个美国机构成立了高活度放射源替代品 (GARS) 机构间工作组。该小组的范围是评估联邦机构如何参与与高活度放射源及其替代品相关的活动;使相关联邦机构参与制定有关其向替代技术的潜在过渡的想法;支持推进替代技术研发的进程;并为联邦机构制定最佳实践指南,以开展向替代技术的长期过渡。GARS 成员就高风险放射源成功过渡到替代技术的最佳实践以及如何将其纳入每个机构的战略计划向联邦机构提供了一套建议(NSTC,2016 年)。这些建议涵盖了四类可能的联邦行动:(1) 联邦采购和拨款;(2) 机构优先事项;(3) 教育和外展;(4) 研发。此外,工作组向联邦机构提出了几项建议,包括他们应该:

  1. 通过鼓励使用自愿激励措施、专用资金和加速转换,促进在联邦资助的计划和设施中采用替代技术。
  2. 让所有关键利益相关者参与在转型过程中采用替代技术,并认识到制造商和经销商的作用。
  3. 考虑高活度放射源的全生命周期成本,包括安全、处置和潜在责任的成本。
  4. 平衡用户各自的运营和技术需求。
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作为其使命的一部分,美国 National Nuclear Security Administration (NNSA) 的放射安全办公室 (ORS) 一直在促进采用和开发非放射性同位素替代技术。向委员会通报情况的 NNSA 代表指出1,在 2008 年国家科学院报告建议美国政府采取政策,提供激励措施以促进替代技术的引入之后,这项任务就成为该机构使命的一部分。该代表同样指出,辐射源保护和安全工作组向国会提交的报告为将这项任务纳入该机构的使命提供了进一步支持,该工作组建议美国政府鼓励采用替代方案并以身作则 (U.S. NRC, 2010, 2014c, 2018)。

ORS 在国内和国际上为实现替代技术使命而开展的活动请参见第 2.4.2 和 3.6 节。尽管取得了重大进展,但单个美国政府机构无法独立在这一领域开展工作以在全球范围内解决该问题。增加美国政府机构、非美国政府、国际组织和其他利益相关者的参与和合作,可以在全球范围内促进非放射性同位素替代技术的采用和发展,从而产生更大的影响。某些人建议 International Atomic Energy Agency (IAEA) 制定一项计划,重点关注具有明确范围、任务和时间表的替代技术(Roughan,2018 年)。委员会同意 IAEA 具备创建和管理成功计划的技术能力。此外,IAEA 可以访问成员国的联系人和数据,并可以利用这些资源来提高获取、运营和维护替代技术的能力。然而,委员会尚不清楚推广替代技术目前是否在 IAEA 的任务范围内。尽管 IAEA 的一些活动明确鼓励采用替代技术,但只要符合所需的安全标准,该机构仍可通过其技术合作计划向请求此类支持的成员国提供用于医疗或工业应用的高活度放射源。此外,IAEA 应其成员国的要求开展活动,因此除非成员国要求 IAEA 就替代技术采取具体行动,否则此类计划不太可能成为该机构的优先事项。

所以需要一个组织或组织网络发挥主导作用,促进放射源替代技术的推广和发展。该实体可以通过建立国家和国际信息中心(一站式服务点)来帮助加强信息获取,使信息易于获取和广泛宣传,并提供对完整信息的轻松获取。这样的组织可以帮助在促进采用替代方案方面取得重大进展。

3.5 采用替代技术的进展

WINS 确定了组织在评估采用替代技术时需要考虑的一系列问题 (WINS, 2018a)。具体包括:

  1. 组织需求是什么?
  2. 哪些替代选项最能满足需求?
  3. 新技术会提供相当的结果吗?
  4. 是否有必要重新设计现有设施并重新培训员工?
  5. 可靠性和服务怎么样?
  6. 成本是多少?
  7. 替换对安全和辐射防护有何影响?
  8. 替换对监管有何影响?
  9. 潜在责任的风险水平是多少?

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1 NNSA 的 Lance Garrison 于 2021 年 2 月 26 日向委员会作介绍。

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这些问题的答案因应用程序和采用组织而异。在第 4 章至第 6 章中,委员会审查了在医疗和研究(第 4 章)、灭菌(第 5 章)和其他工业应用(第 6 章)中替代技术选择及采用这些替代技术的进展情况。这些章节中讨论的某些要点总结请参见表 3.1

3.6 替代技术开发

目前有几家大公司正在投资研发,以改进现有产品或开发提供特定商业解决方案的新产品。例如,制造医疗器械的大公司通常会有大量的研发预算,并且通常有内部研发部门开展持续的研发项目以推动其业务目标。在第 4 章中,委员会讨论了外部射束治疗系统制造商为生产能够在具有挑战性的环境(例如电力供应频繁中断的中低收入国家)中可靠运行的直线加速器所做的两项努力。这些大公司正在进行的项目相关详情通常要到开发后期才会透露。如果成功,实现创意转变为商业产品仍可能需要数年(通常超过十年)时间并需要大量投资。

与其他联邦机构一样,NNSA 将其年度机构外研发预算的一部分(约 3%)通过小型企业创新研究 (SBIR) 计划用于资助小型企业。ORS 和 NNSA 的国防核不扩散办公室为大约 30 个 SBIR 和小型企业技术转让(STTR) 项目提供资金,其中大约三分之一涉及放射源的替代技术。其他 SBIR 资助的主题包括辐射探测、天基传感器和远程探测。NNSA 办公室在其招标中指定研发课题,由 ORS 和 NNSA 国防核不扩散研发办公室共同审查和评估后,以竞争方式授予资助。

SBIR 计划分为三个阶段:2

  • 第一阶段的目标是确定拟议研究或研发工作的技术优势、可行性和商业潜力,并在进入第二阶段之前评估小型企业获奖组织的绩效。SBIR 和 STTR 第一阶段的奖励通常为 50,000 美元至 250,000 美元,为期 6 个月 (SBIR) 或 1 年 (STTR)。第一阶段奖励由 NNSA 国防核不扩散研发办公室管理。
  • 第二阶段的目标是继续第一阶段启动的研究或研发工作。通常,只有第一阶段的获奖者才有资格获得第二阶段的奖励,并且大约 50% 的第一阶段获奖者会进入第二阶段。SBIR 和 STTR 第二阶段的奖励通常为 750,000 美元,为期 2 年。第二阶段奖励同样由 NNSA 国防核不扩散研发办公室管理。
  • 第三阶段的目标是让小企业追求前阶段活动产生的商业化目标。替代技术项目的第三阶段奖励通常由 NNSA ORS 管理。

截至2020年12月,NNSA资助了放射源替代技术相关的四个一期、六个二期和两个三期项目(见表3.2)。SBIR 和 STTR 针对替代技术的部分资助用于为现有解决方案提供潜在改进的项目,例如,开发用于血液辐照和研究应用的平板 X 射线源。其他资金用于旨在填补空白并为目前尚无解决方案的问题开发新颖创新解决方案的项目,例如,为昆虫不育技术和其他应用建设低价、紧凑的直线加速器。

委员会邀请了参与过 SBIR 项目的研究人员和技术开发人员在 2020 年 12 月的信息收集会议上发表意见(详见附件 B),并在报告的第 4 章至第 6 章中总结了其中部分项目的状态。委员会没有寻求获得其他正在开发类似相关技术但不受 NNSA 支持的小企业的介绍。

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2 请参阅 https://www.sbir.gov/about

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表 3.1 在不同应用中采用替代技术的进展

应用(章节讨论) 常用设备(主要同位素) 替代技术 采用替代的趋势 采用的主要驱动因素(安全风险除外) 主要替换挑战 推动采用的有前途的研究和开发重点领域
医疗领域
血液照射(第 4 章) 自屏蔽辐射器(铯 137 和钴 60) X 射线技术 国内和国际广泛采用 美国的 CIRP 和其他国家的国家政府监管举措;整个设备生命周期的成本节约;功效 用户偏好 红细胞病原体减少方法
癌症治疗——外束照射疗法(第 4 章) 远程疗法(钴 60) 直线加速器 在高收入和多个中等收入国家几乎完全淘汰放射源;但却有越来越多的中低收入国家采用 多功能性;出色的治疗实施;改善患者预后;治疗时间更短 在高收入国家没有;经济、基础设施;及中低收入国家的资源 直线加速器经济实惠且在电力供应中断时可迅速恢复
癌症治疗——立体定向射外科(第 4 章) 放 基于伽玛的放射外科手术,包括伽玛刀®(钴 60) 基于直线加速器的放射外科手术,包括CyberKnife® 在高收入国家越来越多地采用;中低收入国家整体放射外科的采用率低 治疗部位通用性;降低设置成本 推测精度更低;用户偏好 旨在降低设置成本的技术,包括屏蔽
癌症治疗——HDR 近距离放射治疗(第 4 章) HDR 近距离放射治疗(铱 192) 外束照射疗法;电子近距离放射治疗 在高收入国家部分采用 外束照射治疗提供更优惠的报销 电子近距离放射治疗不是治疗妇科癌症最常用的 HDR 近距离放射疗法的可行替代方案 适用于治疗妇科癌症的电子近距离放射治疗
研究(第 4 章) 自屏蔽辐射器(铯 137 和钴 60) X 射线技术 提高采用率 美国的 CIRP 和其他国家的国家政府监管举措;整个设备生命周期的成本节约 等效性研究;遗留数据;研究机构的稀缺资源 等效性研究;开发平均能量为 600 keV 或更高的 X 射线设备
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应用(章节讨论) 常用设备(主要同位素) 替代技术 采用替代的趋势 采用的主要驱动因素(安全风险除外) 主要替换挑战 推动采用的有前途的研究和开发重点领域
灭菌
医疗器械灭菌(第 5 章) 全景辐照器(钴 60) 电子束和 X 射线 提高采用率 需求增长产生市场需求;钴 60 供应稀缺;安全问题和可能对 EtO 熏蒸处理采取更严格的监管 等效性和重新验证 开发紧凑型直线加速器以降低资金成本;开发经济型 X 射线源
食品安全处理(第 5 章) 全景或其他高和低活度辐照器(钴 60) 电子束和 X 射线 在美国停滞不前;在欧洲采用率下降;在世界某些地区越来越多地采用,尤其是在中国 市场需求 公众接受度;国际贸易中缺少统一的法规;外包治疗;标签要求 开发降低资金成本;更多开发经济型 X 射线源
植物检疫处理(第 5 章) 全景或其他高和低活度辐照器(钴 60) 电子束和 X 射线 增加 市场需求;治疗简单 经济性;缓解使用溴甲烷熏蒸的压力 开发降低资金成本;更多开发经济型 X 射线源
昆虫不育(第 5 章) 全景或其他高活度辐照器(钴 60);自屏蔽辐射器(铯 137 或钴 60) 电子束、X 射线和基因改造 增加 自屏蔽辐照器的可用性和运输;对应用的需求不断增加,尤其是区域蚊虫控制;公众对昆虫基因改造的负面看法 由于早期(第一代)X 射线设备的不可靠导致第一次体验不佳 开发符合使用要求的X 射线源
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工业应用
工业射线照相术(第 6 章) 射线照相术(钴 60、铱192 和硒 75) X 射线和超声波 增加 对放射源的补充 并非一对一替代;具有挑战的环境中的技术和操作要求;费用;更高水平的技术资格;间接成像与直接成像相反 超声波的图像呈现;尺寸、重量和功率改进
工业仪表(第 6 章)测井(第 6 章) 铯 137、钴 60 镅 241——与铍混合 超声波、压力差、雷达和制导雷达中子发生器 增加停滞不前 对放射源的补充无 具有挑战的环境中的操作要求,应用市场需求下降;等效性和可靠性;遗留数据 在具有挑战的环境中提高替代品的耐用性等效性研究;中子发生器可靠性改进
铯 137(陶瓷或玻璃) X 射线 开发紧凑、坚固的 X 射线源;需要各向同性辐射
校准器(第 6 章) 氯化铯 137 从医疗、研究和商业应用中消除氯化铯的可能政策 目前认为需要避免替换的应用领域 开发和使用不易分散形式的铯 137;600 keV 及更高的平均 X 射线
钴 60
适用于空间应用的放射性热电产生器(第 6 章) 压制氧化物形式的钚 238 未识别为问题
锶 90

备注:CIRP = Cesium Irradiator Replacement Project;电子射束 = 电子束;EtO = 环氧乙烷;HDR = 高剂量率;keV = 千电子伏特;linac = 直线加速器;LMIC = 低收入和中等收入国家。

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表 3.2 截至 2020 年 12 月资助的 SBIR 和 STTR 项目

SBIR 或 STTR 阶段 项目名称 小企业获奖者
阶段 1
  • 现场放射成像超便携式 X 射线源
  • 紧凑、改良型 Betatron X 射线源
  • 采用新型射频技术的超便携式 X 射线源
  • 便携式中子/X射线成像相机的研制
  • Radiabeam
  • Radiabeam
  • TibaRay
  • Advanced Research Corporation
阶段 2
  • AmBe 使用可调中子光谱替代
  • 低价无钎焊医疗加速器
  • 用于具有挑战性的环境的新型低成本医疗加速器设计
  • 不育昆虫 X 射线辐照器
  • 用于非放射性同位素检查的新型全矩阵捕获超声成像系统
  • 安全、高通量、自给式辐照器
  • Starfire
  • Euclid
  • TibaRay
  • Stellarray
  • X-wave Innovations
  • RadiaBeam
阶段 3
  • 使用平板 X 射线源的自给式血液辐照器
  • 使用平板 X 射线源的模块化、可寻址研究辐射器
  • Stellarray
  • Stellarray

备注:SBIR = 小企业创新研究;STTR = 小企业技术转让。

把这些新技术开发成潜在的实际应用可能也需要私人和公共资金。在这个过程的不同步骤中,资助者决定是否需要额外投资,如果需要,如何保证投资。技术的持续发展通常是由解决与基础物理和工程相关的挑战的能力驱动的。由于这些项目中的大多数都处于开发的早期阶段,因此尚无法全面评估实现这些目标的难度。然而,撇开技术挑战不谈,不少其他因素会影响技术的继续发展,包括投资者对技术最终商业价值的信心、开发商的销售技巧、产品达到成熟的预期时间框架、专利和知识产权财产索赔、初始开发商与私营部门后续参与者之间的合作,以及竞争替代技术的真实或预想前景。

美国联邦机构通常根据九点技术准备水平 (TRL) 量表来评估新技术:基础技术研究和可行性证明,TRL 1、2、3;技术开发,TRL 4 和 5;技术演示,TRL 6;系统调试,TRL 7 和 8;系统操作,TRL 9(DOE,2011 年)。SBIR 通常处于成熟的早期阶段(TRL 2 至 5),它们的商业化进展不确定,因为在将有前景的研究想法和发现推向市场时可能会遇到障碍。需要大量投资才能使这些技术成熟并有可能实现商业化,这一过程可能需要数年甚至数十年的时间。这一开发替代技术的时间表可能与在更短的时间内消除高风险放射源的政治愿望不符。

在可能无法获得关键资金来维持创新过程的情况下,发现和商业化之间会有一个关键时期。如图 3.2 所示,这一时期被称为“死亡之谷”(Islam,2017 年;Klitsie 等,2019 年;Nemet 等,2018 年)。虽然公共或私人资金可能支持早期的开发阶段,但商业化通常被认为是私营部门的责任。然而,一些不确定因素可能会阻止私人投资者:开发是通过反复试验取得进展的,可能不会产生可行的商业产品;发展可能会持续数年甚至数十年,延迟实现投资回报;而延长的开发周期可能会使产品难以预测是否会有盈利的市场。一般来说,对于涉及更新颖和复杂技术的产品,这些不确定性来源会更大。此外,正如私营采用者在选择商用技术时不考虑外部性一样,不能期望投资者在决定投资替代技术开发时考虑外部性。中间组织,例如潜在用户网络或政府赞助商,可能是帮助社会所需的技术渡过死亡之谷所必不可少的(Islam,2017 年)。

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图 3.2 死亡谷。
备注:NPD = 新产品开发。
来源:Klitsie 等,2019 年。

3.7 第 3 章调查结果和建议

调查结果 7:多个国家和国际政府和非政府组织积极采取行动,以提高替代技术的认知度,以此降低放射源安全风险。但是,目前没有任何组织具备在全球范围内推广各类替代技术和解决采用问题的能力。这类组织或组织网络可以整合技术、监管、金融、政策和特定国家的资源信息,以影响关于采用替代技术的决策,并在适当的情况下促进向医疗、研究和商业应用的替代技术过渡。

一些组织,包括 NNSA、IIA、WINS、NTI 和 IAEA 主要通过建立利益攸关方网络以提高对与放射源有关的风险和责任的认识;通过促进关于绩效数据、成本和采用替代方案的挑战的对话;并通过提供决策工具,促进了替代技术的采用。除此之外,NNSA 还会资助研发和比较研究。由于这些工作,医院、研究中心和政府越来越认识到与放射源相关的风险,如果有可行的选择,一些医院、研究中心和政府会自愿移除和更换。

所以需要一个组织或组织网络发挥主导作用,促进放射源替代技术的推广和发展。该组织或组织网络可以通过建立国家和国际信息中心(一站式服务点)来帮助加强信息获取,使信息易于获取和广泛宣传,并提供对完整信息的轻松获取。如果存在这样的组织或网络,则可以在采用替代技术方面取得重大进展。

调查结果 8:替代技术的研发进展在不同的应用和放射性核素之间并不均衡(见表 3.1)。除了血液照射(其中X 射线技术被认为等同于铯 137 照射)和外束放射治疗(其中直线加速器技术被认为优于钴 60 远程疗法)之外,没有广泛接受的适于其他应用的替代技术。在某些应用中,尚未开发出合适的替代技术。

如调查结果 12 所述,尽管医疗应用的技术取得了进步,但在低收入和中等收入国家采用替代技术仍存在挑战。

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表 3.1 总结了医疗、研究和商业应用的替代技术开发的现状。采用替代技术的进展范围从广泛采用(如用于血液照射的 X 射线技术和用于外部束治疗的直线加速器)到越来越多的采用(如用于医疗器械灭菌的电子束技术),再到没有采用(如作为铯 137 校准源的替代技术开发)。

调查结果 9:几家大公司正在投资研发,为与采用替代技术相关的特定挑战提供解决方案。如果成功,实现创意转变为商业产品仍可能需要数年(通常超过十年)时间并需要大量投资。

例如,制造医疗器械的大公司可以有大量的研发预算,并且通常有内部研发部门开展持续的项目以推动其业务目标。这些大公司开发项目的细节通常在产品处于开发后期阶段时才会透露。

调查结果 10:在 National Nuclear Security Administration 管理的小企业创新研究和小企业技术转让计划的财政支持下,多家小规模公司正在开展替代技术开发项目。

ORS 与 NNSA 的国防核不扩散研发合作,资助了大约 10 个开发放射源替代技术的 SBIR 和 STTR 项目。这些 NNSA 办公室在其招标中指定研发课题,由 ORS 和 NNSA 国防核不扩散研发办公室共同审查和评估。SBIR 和 STTR 的部分资助用于为现有解决方案提供潜在改进的项目,例如,开发用于血液辐照和研究应用的平板 X 射线源。其他资金用于旨在填补空白并为目前尚无解决方案的问题开发新颖创新解决方案的项目,例如,为昆虫绝育技术和其他应用建设低价、紧凑的直线加速器。

建议 E:National Nuclear Security Administration 应该优先资助旨在开发在目前阶段没有可接受的非放射性同位素替代技术的应用中使用放射源替代品的项目。

如今,并非所有放射源都可以被替代技术替代,因为这种替代技术要么不存在,要么没有证明与放射源相比,可以提供等效或更好的性能。NNSA 有机会通过 SBIR 和 STTR 计划为这些应用确定有前景的替代方案,从而推进进展。委员会已经明确了三个该类应用——研究辐照、测井和校准——并向 NNSA 和其他联邦合作伙伴提出了具体建议,以致力于研发和支持替代品的等效性研究(见第 4 章中的建议 F 和第 6 章中的建议 H)。

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Radioactive Sources: Applications and Alternative Technologies assesses the status of medical, research, sterilization, and other commercial applications of radioactive sources and alternative (nonradioisotopic) technologies in the United States and internationally. Focusing on Category 1, 2, and 3 sources, this report reviews the current state of these sources by application and reviews the current state of existing technologies on the market or under development that are or could be used to replace radioisotopic technologies in those applications. Radioactive Sources will support existing and future activities under the National Nuclear Security Administration Office of Radiological Security program to reduce the use of high-risk radiological materials in commercial applications.

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