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工业应用中的放射源和替代技术

本章涉及使用放射源或替代技术的工业应用，而不是第 5 章所述的灭菌应用。这类是工业射线照相、工业仪表、测井、校准系统和放射性同位素热电发生器 (RTG)。须注意，本章不讨论材料改性，即使用放射源、X 射线或电子束（电子束）辐射改变材料的性质，适用于各种商业应用，主要应用是聚合物链的交联用于电线绝缘层、汽车轮胎和乳胶手套等产品。¹ 因为全球钴 60 供应中只有一小部分（估计不到 10%）用于此应用²，因此不是采用替代技术决策的驱动因素。

6.1 工业射线照相术

工业射线照相已经使用了 50 多年，是多个行业用于安全评估和质量控制的无损检测 (NDT) 的重要工具。据向委员会通报情况的行业代表称，全球每年销售的放射源超过 10,000 个，其中约 4,000 个销往美国市场。在美国，有 1,000 多个射线照相相机的许可证持有者。³

工业射线照相术依赖短波电磁能（伽马射线光子和 X 射线）的传输和吸收/衰减来可视化内部缺陷或孔隙的焊缝和铸件等结构；天然气和石油管道，以检测堵塞、腐蚀和管道壁厚；确保工业结构没有裂缝或堵塞；以及飞机和汽车零件的缺陷。伽马射线照相术或 X 射线管将一束伽马射线或 X 射线射向被测试的物品，并与物品另一侧的光束对齐的探测器（胶片或电子）记录伽马射线穿过材料的射线或 X 射线。穿过材料的光子数量与其厚度和密度成正比。由于材料在存在裂缝或缺陷的地方更薄或密度更低，因此更多的光子通过该区域。探测器根据通过的光线创建图像，称为射线照片，显示裂缝或缺陷。射线照相还会显示材料密度的差异。例如，塑料样品中是否存在金属夹杂物，无论材料在该点是否具有不同的厚度，都可以通过射线照相术来确定。此外，材料内的裂纹或缺陷可能不会导致材料中的可测量厚度差异，但可能会产生相对于通过射线照相

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¹ 详见 International Atomic Energy Agency，材料改性，https://www.iaea.org/topics/material-modification。

² Nordion 的 Ian Downie 于 2020 年 10 月 13 日向委员会作介绍。

³ QSA Global, Inc. 的 Mike Fuller 和 Mark Shilton 于 2020 年 10 月 13 日向委员会作介绍。

显示的完整材料的光子吸收和散射差异。放射源发出的能量必须能够穿透被检查的材料，并为处理过的胶片或数字图像生成具有足够对比度和清晰度的图像。

某些射线照相是在屏蔽外壳或保险库中进行的，以保护操作员和公众免受辐射照射。最常见的是，射线照相是在远程现场地点进行的，需要将放射源和探测器/胶片运输到该地点，通常是在移动暗房卡车中。例如，为了检查新的石油或天然气管道，须将敏感薄膜贴在管道外部的焊缝上。射线照相相机放在管道的外部或内部（通过管道爬行器），然后放射源移动到焊缝位置。当放在适当位置时，放射源远程暴露，并在胶片上产生焊缝的射线照相图像，随后将其显影并检查是否有缺陷迹象。在现场进行工业射线照相的其他示例包括炼油厂、化工厂、海上平台、铺设驳船、储罐、压力容器、管道、桥梁和建筑物。

6.1.1 放射性同位素技术

大多数射线照相相机使用铱 192，但大量射线照相设备使用钴 60 或硒 75。选择的放射性同位素取决于要进行射线照相的材料及其厚度。钴 60 的高能伽马射线通常用于更厚的钢材部分（一英寸到几英寸）。铱192 用于厚度达 2.5 cm 的钢材，而硒 75 则用于更轻和更薄的金属。射线照相源通常是 International Atomic Energy Agency (IAEA) 系统中的第 2 类源。表 1.2 显示的是该类放射性同位素的半衰期和放射性发射和能量，表 6.1 总结了基于特定放射性同位素的工业射线照相相机的基本特性。

伽马射线照相相机由钢外壳构成，通常是焊接封闭的，其中包含贫铀、钨或铅屏蔽罩。贫铀 (DU) 通常用作铱 192 的屏蔽，因为 DU 密度高，并且能够安全地屏蔽外部剂量率符合监管要求的高活度源。钨通常用于屏蔽硒 75 源。放射源连接到短线或短软电缆，通常称为“猪尾”（见图 6.1），将放射源定位在屏蔽位置，并允许将放射源安全地锁定在存放位置。

伽马射线照相相机可以是投影式或定向式（见图 6.2a–c）。在投影式相机中，光源从相机的屏蔽位置投射出来，并在导管中移动到所需位置，然后在辐照暴露时间结束时返回到屏蔽位置。在定向式相机中，放射源不会离开设备，而是从其屏蔽存放位置移出到放射源可以在有限方向上辐照暴露对象的位置。

表 6.1 基于放射性同位素的工业射线照相相机的基本特性

^a 来自 ASNT，2019 年。

传统的射线照相相机具有紧凑的物理外壳，用于铱 192 和硒 75 源，需要相对少的屏蔽，因此比钴 60 源相机更轻。射线照相相机也不需要任何电源，使之对多个行业具有吸引力，因为大多数检查都在室外偏远现场进行。伽马射线照相相机可以在具有挑战性的气候和物理条件下运行。大多数工业射线照相相机的设计目的是根据适用标准 (ISO 3999) 在使用中以及根据 IAEA (2018c) 的指导在运输过程中承受正常和事故条件。在此指导下，摄像机必须满足严格的测试要求，例如 9 米跌落测试和 800°C 热测试。这些要求让伽玛射线照相相机坚固耐用，非常适合在现场应用中使用。

传统伽马射线照相相机（特别是那些使用铱 192 和硒 75 源的相机）的小尺寸使其易于运输和在具有物理挑战（例如高空作业、泥泞或尘土飞扬的条件以及极端温度）的作业现场（见图 6.3a–c）处理。它们可以轻松地在设施周围移动，并且可以通过小直径管道轻松移动以拍摄射线照片。然而，其在安全和安保方面存在劣势，因为摄像机内装有高活度 2 类放射性核素，而且会经常运输并在一些国家没有特殊安全措施的偏远地点

使用。当放射性物质的数量很大时，如工业放射源，事故可能会产生严重甚至致命的后果（Coeytaux 等，2015 年；International Atomic Energy Agency，1998 年）。数以千计的该类相机随时都在使用中或在世界各地运输。

在过去的 10 年中，伽马射线照相术几乎没有变化。然而，设备设计的一些变化提高了操作的安全性。小控制区射线照相 (SCAR) 是一种定向 γ 射线照相系统，在具有内置准直的紧凑型暴露装置中使用低活度放射源（硒-75），以增强射线照相检查的能力，而潜在全身剂量要小得多并将辐射安全禁区减小到直径几米而不是 100 米（见图 6.4a–b）。这款设备同样允许在现场进行其他工作，因为辐射散射较低。SCAR 用于执行射线照相的区域相对小的位置，例如在石油平台上。SCAR 技术在其他国家比在美国更受欢迎。可能是因为从历史上看，其他国家使用比美国低的放射源进行工业射线照相，因为工人的年剂量限制为 2 rem（20 毫西弗[mSv]），而美国限制为 5 rem (50 mSv)。美国常用的放射源的活度为 100–150 居里 (Ci) (3.7–5.6 terabecquerel [TBq]) 的铱 192，而大多数其他国家/地区使用的放射源的活度在 20 到 50 Ci （740 gigabecquerel [GBq] 至1.85 TBq），以限制人员暴露。

6.1.2 替代技术

虽然 X 射线和伽马射线光子都可以在工业规范要求的射线照片上产生类似的图像质量，但设备本身却大不相同。与放射性核素相比，X 射线设备根据工作电压产生连续范围的光子能量，最高可达某个最大值。传统的 X 射线设备通常需要 220 V 的电源，这在现场供应可能具有挑战性。它们还需要冷却系统，而且因为太大而无法穿过管道和其他基础设施。大多数 X 射线系统更适合永久性安装工作，并且由于其尺寸、重量、可及性和电力要求而无法经济地用于大多数临时工作场所，并且它们通常需要昂贵的脚手架。相比之下，伽马射线照相相机中使用的源导管可以引入极小、受限的区域以生成射线照相图像。

X 射线系统在具有挑战性的物理环境中通常不如伽玛工业射线照相相机那么坚固。X 射线管在现场环境中更容易受到损坏。因此，虽然 X 射线源适合在固定设施中使用，但并不是在现场进行射线照相的首选选项。然而，X 射线设计的进步导致了脉冲 X 射线源的开发，这些射线源使用电池供电并且物理尺寸接近放射源外壳的尺寸（Light，2008 年）。多年来，脉冲 X 射线装置在便携性和耐用性方面有了很大的提高，并且可能

表 6.2自动超声检测 (AUT) 和伽马射线照相术对于不同类型缺陷的性能比较

来源：根据 QSA Global, Inc. 的 Mike Fuller 和 Mark Shilton 于 2020 年 10 月 13 日向委员会的介绍中修改，以包括 X 射线。

成为一些偏远地区的可行替代方案（Golden，2014 年）。与传统的伽马射线照相相比，它们具有一些优势，例如缩短暴露时间和需要更小的受控区域。然而，由于需要频繁更换内管且需要频繁使用，仍然导致伽马射线照相术成为更可靠和更受欢迎的选择。

如第 4 章所述，RadiaBeam 是美国 National Nuclear Security Administration 小企业创新研究 (SBIR) 计划的一家小型企业，开发了一种微型直线加速器，该公司将其作为工业射线照相中铱 192 源的潜在替代品进行了调查。这类机器被认为制造成本太高，无法与相对低廉的铱 192 源竞争。RadiaBeam 正处于开发由电池供电的 1 MeV 紧凑型直线加速器的初始研究阶段，如果成功，该直线加速器将产生比 X 射线管更高能量的 X 射线，因此具有与铱 192 相似的能量。由于功耗低，该技术不需要水冷。这个提议的概念需要大量的额外工作来创建一个可以进行现场测试的工作模型。向委员会通报情况的 RadiaBeam 代表承认，尽管需要定期更换铱 192 源，但这项新技术不太可能与使用现成且经过验证的放射性同位素的低价格相提并论。⁴

自动超声波检测 (AUT) 是工业射线照相的替代方案，可将超声波发射到被检测材料中。这些波反射或散射材料中的瑕疵或缺陷以及材料的外表面。检测器测量这些声波从缺陷和外表面返回的时间差，以确定缺陷的形状和位置。扫描需要由经过培训和认证的技术人员进行熟练的检查和解释，并且根据操作员的经验对图像的解释可能是主观的（Moran 等，2015 年）。尽管放射性同位素和 X 射线射线照相方法可以检测可能由焊接引起的各种缺陷，但物理上的差异使每种方法针对特定的缺陷类型敏感——射线照相适用于检测体积缺陷，如熔渣和孔隙，而超声波更适合检测平面缺陷，如裂纹和未熔合。表 6.2 显示了使用伽马和 AUT 的工业射线照相之间的测量响应比较。

2009 年，U.S. Nuclear Regulatory Commission (U.S. NRC) 资助 Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) 进行文献审查（Moran 等，2010 年），以帮助了解与 AUT 与工业射线照相的互换性相关的问题。PNNL 审查的目标是在核动力反应堆的建造过程中用 AUT 代替射线照相；然而，结果可能可以外推到其他当前使用的放射线照相术和 AUT。审查得出的结论是，在某些情况下，AUT 可用于射线照相；然而，使用 AUT 的技术目前没有得到充分定义，需要指定或需要定义性能标准。

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⁴ RadiaBeam Technologies, LLC 的 Salime Boucher 于 2020 年 12 月 17 日向委员会作介绍。

6.1.3 替代技术采用注意事项

放射源仍然是远程现场操作中工业 NDT 的首选方法，因为替代方法在检测故障的能力方面无法达到相同或更优的水平，提供的图像不易解释，并且更昂贵且不够坚固。由于这些原因，在工业无损检测中采用X 射线和 AUT 等替代方法进展缓慢。

与医疗应用一样，随着计算资源和复杂分析软件的进步，工业射线照相术正在增加使用数字射线照相术来代替某些应用中的传统胶片图像。图像在荧光板上捕获并数字化，然后可以轻松解释和存储。可以使用软件增强数字化图像，从而使图像更易于解释。因为荧光板需要更少的能量来产生图像，所以可以减少曝光时间和辐射排除区域。此外，还允许使用更低活度的放射源。

目前，与胶片相比，使用数字射线照相存在一些缺点，例如更高的前期资本成本、在现场位置使用荧光板的限制、扁平且目前不能在管道周围弯曲的荧光板以及额外的培训要求。然而，随着这些问题的解决，预计数字射线照相术的使用会增加。领先的测试检验服务公司 SGS 发布的 2017 年白皮书显示，估计数字射线照相的使用约占所有射线照相术的 10%，并且未来可能会增加（Montes 和 Taylor，2017 年）。

与射线照相与 AUT 相比，加速器技术很可能会补充射线照相术，而不是替代。除非法规禁止放射性同位素或放射性同位素的可用性存在挑战，否则较新的技术可能会与放射源一起使用。不同的物理原理适用于不同类型和质量的离子束和电子束，因此它们都测量不同的参数并且都是有价值的。由 Department of Energy (DOE) 组织的 2019 年加速器研讨会（2019 年）得出结论，需要进一步的基础技术改进小型化、稳定化（即增加使用寿命和坚固性）并降低产生高能束流的成本离子和电子。

发展中国家也在使用非放射性同位素技术进行无损检测。值得注意的是，IAEA 一直在向要求此类培训和指导的成员国提供有关无损检测的各种辐射技术的技术援助。例如，2009 年在 IAEA 的帮助下，越南Atomic Energy Institute 无损检测中心开始采用数字 X 射线照相技术取代传统的 X 射线胶片，10 年后已投入运行 15 台数字 X 射线照相机（Marais，2019 年）。

工业射线照相设备非常坚固，只需最少的维护即可使用数十年。使得公司无须更换工作设备并推迟购买更复杂和更昂贵系统的资本成本。操作工业射线照相相机并不难学习或执行。虽然只需要大约 160 小时的培训即可获得操作该设备的认证，但强制性要求包括辐射和射线照相原理、安全培训、射线照相胶片解释和处理，以及作为射线照相师助理的在职培训。⁵ 由于其操作简便、成本低，并且能够在没有外部电源的偏远地区使用，许多发展中国家将继续使用伽马设备代替 X 射线系统。

委员会了解到法国正在开展大量工作，以确定伽马射线照相相机的替代技术。法国的一个协作工作组由 Confederation France Pour les Essais Non Destructif 和 French Society for Radioprotection 协调，一直在研究提高工业射线照相的安全性能和使用伽马源的可能替代方法。在 IAEA（Martin，2013 年）和其他机构组织的会议上，发言者承⁶认用 AUT 或其他替代方法替代伽马射线照相术仍需几年的时间。这是由于新技术的技术限制以及进行验证和标准制定所需的时间。然而，人们认识到这些新技术将继续作为伽马射线照相术的主要补充。

在不久的将来，工业射线照相可能会继续广泛使用的一个原因是，还没有为某些应用开发替代方案，例如，获取阀体的剖面射线照片以确定阀门是否完全关闭。将继续开发先进的超声波设备和技术；然而，大多数

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⁵ 请参阅 https://atslab.com/training/rt-certification。

⁶ 参与高活度放射源技术替代品的利益攸关方国家特设会议，IAEA。2019 年 5 月 23 日至 24 日，奥地利维也纳。

用户仍然不愿意接受或解释结果，许多用户希望看到不需要解释的直接图像。⁷ 更高的设备水平和更高的技术资质意味着更高的成本。当基本且行之有效的方法以较低的成本运行时，用户不愿意为替代技术支付更高的成本。总的来说，放射性同位素射线照相术提供了相当低的运行成本，以实现良好的检查结果。此外，一些无损检测方法可能与有效的检查方法无关。大多数无损检测工程师会权衡检测方法的缺陷可检测性、对象材料中的缺陷类型、可访问性和所用方法的经济性。

6.2 工业仪表

70 年来，固定放射性工业仪表已在整个行业中使用，适合在不接触材料本身的情况下测量制造或加工产品时的厚度、密度或填充水平。在加工过程中使用测厚仪表来确保整个产品或材料的厚度始终相同，或确保材料上的涂层均匀。密度仪表用于水泥、石油和道路生产，以确保材料的密度一致。液位仪表可验证容器内的材料量，在生产过程中提供持续监控，并且可以在多个行业中应用，包括装瓶厂。

固定放射性工业仪表永久地安装在特定位置。通常，被检查的物体会通过传送带、管道或容器中包含放射源的固定仪表进行检查。辐射探测器放置在物体的与放射源相反的一侧。当放射源受到照射时，辐射计会发出辐射，一些辐射会穿过被测固体或液体。其余的辐射被物体吸收。任何可以完全穿过物体的辐射都将在探测器上进行测量，并将其转换为电信号以供分析。

旋压管测量仪表评估打算重复使用的已用钢管的长度。实现在将管道放入系统之前识别管道中的腐蚀、侵蚀或其他缺陷，即使单个管道出现故障，也可能导致破坏性的经济、环境和健康问题。

在传送带仪表中，流量测量仪器测量每单位时间流过管道横截面的物质量。测量的数量以质量或体积的形式输出。典型的流量应用是测量管道中的气体、蒸汽和反应性或粘性液体。另外在多个行业的传送带上用于测量散装固体，例如采矿、建筑材料、发电以及纸浆和造纸行业。

炼钢中使用高炉量规，钴 60 源用于通过监测这些密封容器的衬里厚度来测量耐火衬里的磨损。这些仪表可以提供有关气体和材料流量的数据，对高炉的精确控制大有帮助。

在采矿中，使用大直径和厚罐壁的高压釜从采矿浆中释放出金、铜和锌等矿物质。该仪表用于高压釜内测量浆液的液位和点液位，并在磨损和高温高压条件下工作。

在石油和天然气行业，从重质原油中去除焦炭的过程发生在极端温度下，温度高达 930°F。工业仪表用于测量罐中的焦炭物位。其他测量技术往往会失败或极其不可靠。

石化行业在各种过程中使用液位仪表来分离具有厚容器壁的大型储罐中的产品。通常，分离过程会暴露于高磨损或腐蚀性材料。由于这些条件，在罐内使用侵入式测量技术是不可能的。

疏浚使用仪表来测量疏浚物料的密度和流速，是疏浚行业中一种行之有效的方法。安装在管道外壁上，密度测量系统在极端振动下提供稳定的读数。疏浚应用中的密度测量系统用于管道的连续过程控制。在测量过程中，材料的流动特性不受这种非接触式方法的影响。

在所有这些应用中，密度计或液位计是一项成熟的技术，可提供准确且可重复的结果、操作期间的实时测量以及高测量稳定性。同样也不会对被测材料产生影响，因为测量是非接触式的，直接安装在容器外。

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⁷ Team Inc. 的 David Tebo 于 2020 年 6 月 12 日向委员会作介绍。

6.2.1 放射源

固定工业仪表中使用的主要放射性核素是铯 137 和钴 60。铯 137 的活度范围为 0.05 Ci 至 5 Ci (1.85–185 GBq)，钴 60 的活性范围为 0.25 Ci 至 10 Ci (9.75–370 GBq)，并根据 IAEA 的分类系统，这些分为第 3 类和第 4 类放射源。

这些仪表具有简单坚固的结构，由一个填充有铅、钨或钢作为屏蔽的钢外壳组成（见图 6.5）。设备中使用的放射源满足 ISO 2919 中用于测量放射源的特殊形式要求和高性能标准。通过将放射源旋转到暴露位置进行测量，然后在测量结束时返回存储的屏蔽位置来操作仪表。这些设备几乎不需要维护，并且可以在最少的支持下可靠地运行多年。

这些仪表通常用于恶劣的环境，例如高温和高压、腐蚀性和磨蚀性材料内部和周围以及过度振动。需要测试的装置通常是大型厚壁容器，并且通常位于难以到达的位置。仪表源永久安装在容器外部，需要高能量才能穿透壁。

6.2.2 替代技术

如上所述，辐射测量系统，即那些使用放射源的系统，通常在存在极端工艺条件（例如高温、高压和腐蚀性工业环境）时使用，因为辐射测量不需要与被测材料接触。当这类条件不存在时，工业界通常倾向于使用替代的非放射性同位素技术。这些技术（见图 6.6）使用雷达、制导雷达、超声波和压力差，需要接触罐子或管道内的材料。

雷达用于物位测量。这些无线电波系统通常安装在装满液体或固体的罐顶。该系统将雷达信号发送到产品中并接收回信号的反射。根据信号返回所用的时间，系统分析罐内当前物位。雷达测量精度高，不受温度或压力影响。

超声波液位测量的工作原理是在装有液体的容器顶部安装超声波换能器。换能器发出超声波脉冲，该脉冲从液体表面反射回来。然后，传感器根据发送和接收信号之间的时间计算液位。

压力差测量可以测量物位、密度和流量。通过测量容器内部和外部的不同压力来工作。压力差被转换为电子信号并进行分析。这种技术可以覆盖大范围的不同应用，并且可以检测几毫巴的差异。

6.2.3 替代技术采用注意事项

采用替代技术来取代使用放射源的仪表的主要考虑因素是能够在恶劣的过程环境中运行，如前所述，其中测量系统不与被测材料直接接触。辐射测量对于这些非接触条件有用。X 射线系统似乎可以提供这种能力，而且大多数仪表制造商都生产一些 X 射线系统。然而，这些 X 射线系统还没有放射源测量系统那么坚固。

此外，不少具有第 3 类放射源的仪表用于极端过程控制系统，例如高温和/或高压、磨蚀性或粘性介质、所处位置受到过度振动或搅动以及当前其他技术无法承受的其他恶劣的操作环境。由于这些原因，在不久的将来，对于使用第 3 类放射源的仪表，不太可能有使用任何其他技术的替代方案。

尽管压力差 (DP) 的使用非常频繁，但在可能的情况下，此处限制可能包括温度、堆积、粘性介质、磨蚀性介质或不断变化的介质密度。用户经常要求两个独立的物理主要测量值，以便可以将压力差和辐射测量值结

合起来，从而增加结果的冗余度。在采矿和石化应用中，DP 可以使用，但由于介质密度变化时读数不准确和传感器寿命短，因此没有被证明与辐射计一样可靠。因此，并不是一个可行的替代方案。

对于疏浚作业，超声波系统已被用作辐射计的替代品，但其需要大量安装工作，难以校准，并且对振动非常敏感。

在石油和天然气行业，尤其是在“焦化器”中，由于这些容器需要极高的温度，因此没有可行的替代方案。有了所有这些非放射性同位素技术和应用，在不久的将来可能会有一些改进，但物理限制是制约因素，必须克服这些限制才能找到可行的替代方案。

总体而言，随着探测器灵敏度的提高，出现使用低活度源的趋势，在多数情况下，目前使用的第 3 类源可以用第 4 类源代替。随着灵敏度的提高，第 3 类源即使在放射源衰减到较低活度时也可以使用更长的时间，因此不必经常更换，从而延迟了处置的需要。因此，在不久的将来，其中多数应用程序将使用第 4 类放射源，从而降低安全风险。

对于某些应用，目前还没有可行的替代技术可以替代放射源测量仪的使用。与工业射线照相一样，替代技术的使用现在是对放射源测量仪使用的补充，这种情况可能会持续到不久的将来。

6.3 测井

测井在探索地下岩石和流体的结构和组成、测量储层的基本岩石物理特性以及估计资源潜力方面的运用已有 90 多年的历史。测井最常见的应用是石油工业寻找可采油气储量。测井也是用于寻找矿产、地热和地下水资源的重要技术。

美国有超过 900,000 口活跃的油气井，世界各地还有数百万口。从 2014 年到 2018 年，美国每年钻探的油气井超过 19,000 口。在 COVID-19 疫情前，预计 2020 年至 2022 年每年将完成⁸约 21,500 口油井（Garside，2019 年）。疫情导致的经济活动和石油消费下滑导致石油和天然气价格显著下降，钻井和勘探活动也随之减少。（请参阅第 6.3.3 节中的其他讨论。）

现代测井要么在钻井的同时进行（随钻测井 [LWD]），要么在钻井后通过将包含专用仪器的电缆降低到开放式或套管井中来完成。每种方法都有特定的优势。简而言之，LWD 提供快速的地下信息，可以帮助近乎实时地指导钻井，但钻井环境的极端压力、温度和机械条件，加上需要为相对较小的测井工具供电并恢复测井数据，限制了两者可以部署的设备类型以及可以在钻井时可靠地传输到地面的数据量。相比之下，电缆测井允许使用范围更广的测井工具，但由于数据只有在钻孔后才可用，因此无法在钻孔时使用此信息做出决策。钻井石油勘探井是一项昂贵且有风险的活动，在海上钻井平台的情况下，运营商每天平均要花费200,000-300,000 美元（IHSMarkit，2020 年）。用于矿物或地下水勘探和生产的钻探成本更低，但仍然昂贵。

测井是一项非常专业的活动。运营商，通常是单独运营的大型国际石油公司或作为公司财团的领导者，与服务提供商签订合同，设计和部署一套合适的测井工具，收集测井数据，并提供解释的测井记录。随后运营商使用这些日志来推断地下岩石物理参数，这些参数可用于估计资源潜力、生产成本和伴随的项目风险。美国有 200 多家测井服务提供商。几乎所有公司都是中小型公司，估计占美国测井公司的 60% 到 70%。但是，测井公司的测井装置数量并不等同于公司提供的测井业务量。国际主要综合采伐公司的全球业务量远大于

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⁸ 完井包括将一口井转变成生产井所采取的步骤。这些步骤包括套管、固井、射孔、用砾石充填和安装采油树，所有这些步骤通常在测井后完成。

200 家中小型采伐公司的总和。四大国际测井公司中，有两家（Halliburton 和 Baker-Hughes）是美国本土公司，法国本土公司 Schlumberger 则在美国和法国均设有总部。第四大公司是 Weatherford，由几家英国和美国公司组成，并已退出美国市场。鉴于影响测井需求的各种因素（见第 6.3.3 节中的讨论），未来几年到几十年竞争将如何展开尚不确定。主要测井公司拥有开发基于放射性同位素测井的替代品的技术和财政资源。这些公司已投资于替代品的研究，有些已经推出了商业或实验性的基于核的替代技术。

目前已开发和部署大量日志记录技术，在本报告中，这些技术可分为三大类（见表 6.3）：

1. 不包含电离辐射源的非核技术（请参阅下面关于其中一些技术方面的简要讨论）；
2. 包含密封电离辐射源的常规放射性同位素技术（详细讨论见第 6.3.1 节）；和
3. 使用氘和/或氚加速器的替代中子源技术（详细讨论见第 6.3.2 节）。

非核技术包括声学阵列、电气和电磁传感器、磁力计、核磁共振工具以及温度、压力和尺寸传感器。这些技术倾向于补充基于放射性同位素的技术，如第 6.3.3 节中更详细的讨论。这些非核技术的技术方面包括以下关于测量什么、如何进行测量以及记录什么日志的概念（参见侧栏 6.1 关于测井在石油勘探中的重要性）。

自电位，也称为自发电位 (SP)，测量井下工具中电极之间的电压差。通过在探测器中添加电流源，可以测量电极或发射器和接收器线圈之间的电阻率。被检查地质层中岩石的材料成分会影响测量的电阻率。电阻率测量的日志（见图 6.7）可用于估计层的孔隙度和孔隙的流体含量。电磁感应线圈通常用于测量电阻率。具体来说，发射线圈将电磁信号发送到地层中，接收线圈收集来自地层的感应信号以测量视电阻率。此外，有时会

表6.3测井技术

备注：AmBe = 镅 241/铍；D-T = 氘-氚；LWD = 随钻测井；RF = 射频。

来源：NRC, 2008.

使用介电常数工具来帮助测量地层中的含水量和岩石类型。介电常数测量施加电场时材料存储电能的能力，在这种特殊情况下，该工具使用几兆赫兹到 1.1 吉赫兹范围内的微波频率。

直接测量地层压力对于校准其他测量值和交叉比较与地层压力直接或间接相关的结果非常有用。此类校准和比较包括测量钻孔温度的热敏电阻探测器、测量直径的钻孔卡尺以及测量形状的井下电视。

声波测井是通过测量探空仪中声源和接收器之间地层中声波的速度来完成的。声波速度是给定类型岩石孔隙度和流体含量的指标。可以从测量纵波 (P)、横波 (S) 甚至导波 (Stoneley) 速度的阵列中收集更复杂的信息。

磁测井是通过降低钻孔中的各种类型的磁力计来制作的，最常见的是在矿产勘探中，以确定地层磁特性的变化，例如磁化率和剩磁（去除外部施加的磁场后物质中残留的磁感应）。根据应用，记录总磁场、其矢量分量和/或其张量梯度的变化。

地质构造的孔隙度和渗透率取决于流体含量和含有流体的孔隙空间。通过施加强磁场，流体（通常是水和碳氢化合物）中的氢原子将排列其磁矩。这种技术被称为核磁共振 (NMR)，这是一种众所周知的医学成像方法（虽然在医学上，被称为磁共振成像 [MRI]）。当磁场减弱时，氢原子核弛豫到其原始状态并发出可以被检测到的信号。测量的信号可用于测量氢原子的位置、浓度和密度，从而推断地层的孔隙度和渗透率。由于磁场强度会随着距离的增加而急剧下降，而且井壁上的泥浆等地质介质会减弱磁场，因此 NMR 可用于测量靠近井筒的岩石中的孔隙度和含水量。

6.3.1 放射性同位素技术

石油测井中使用的两种最常见的放射性同位素技术采用铯 137 源和镅 241 铍 (AmBe) 中子源，通常封装在同一个井下工具中。这两种技术的特点是辐射发射稳定，与许多候选替代技术不同，它们不受极端井下环境条件的影响，例如连续和强烈的机械冲击和振动、高温和高压。两种放射源类型都包含保存在固体耐火氧化物或玻璃陶瓷中的放射性同位素，这些氧化物或玻璃陶瓷使用双层或三层金属容器安全密封。

放射性同位素源具有非常适合极端条件下的井下应用的优点：体积小；在测井工作过程中稳定的辐射输出；操作简单；成本相对较低；无电源要求；和各向同性辐射，这是钻孔应用的最佳选择。此外，铯 137 源的使用寿命相对较长，约为 15 年。此外，这些放射源的活动范围通常为 1-3 Ci (37–111 GBq)，属于第 4 类数量（CISA，2019 年）。密封源的缺点是不能关闭或脉冲，其伽马或中子能量不能改变，如果丢失、被盗或误用，

则会带来潜在的安全和辐射安全风险（CISA，2019 年）。

2008 年美国国家科学院的报告指出，虽然 3 类铯 137 放射源有可能被替代性 X 射线机（如直线加速器）取代，但在开发实用工具方面存在重大障碍（NRC，2008 年）。这些问题包括机器的尺寸、宽能谱、稳定性和各向异性辐射。鉴于这些问题，自 1987 年以来几乎没有进行开发工作。2008 年委员会认为，更换这些源不是优先事项，而且从那时起，铯 137 测井技术似乎没有取得实质性进展。

AmBe 中子源是 ²⁴¹AmO₂ 氧化物和 ⁹Be 金属粉末的混合物。它们被紧密压缩成圆柱形，以最大限度地增加与铍发生 α 粒子反应的可能性，并且通常封装在焊接或三壁不锈钢容器中（见图 6.8）。

镅 241 的放射性衰变产生 α 粒子，它与铍 9 原子相互作用产生镎 237 原子、碳 12 原子、自由中子和 4.4-MeV 伽马射线。中子源强度由镅 241 活度控制，对于测井源而言，其强度可达 16 Ci，这是 3 类放射源允许的最大活度。镎 237 衰变成镤 233（半衰期 210 万年）；因此，主要的 alpha 活动来自镅 241 衰变。

至少有三类安全风险与活跃的（即经常使用的）或废弃的 AmBe 中子源相关：(1) 在测井作业中失去对活动源的控制；(2) 在运往/运出开采地点或临时储存期间失去对活动源的控制；(3) 在永久贮存期间失去对弃用源的控制。任何这些失控事件都可能通过意外扩散或故意使用放射性扩散装置 (RDD) 导致放射性伤害、场地污染和/或区域拒止。

6.3.2 替代技术

2008 年美国国家科学院报告（NRC，2008 年）概述了可能用于测井的替代中子源技术，因为当时许多AmBe 源属于第 2 类，因此在 2008 年报告的范围内，但是，正如在表 6.4，所有新放射源都属于第 3 类。这些替代品包括基于加速器的包含氘和/或氚的中子源，以及密封的锎 252 中子源。由于锎 252 是放射性同位素源，本节重点介绍使用氘和/或氚的替代技术。锎 252 通过自发裂变产生中子，是可靠的中子来源；然而，由于其半衰期相对较短，约为 2.6 年，因此必须比 AmBe 源更频繁地补充。但是锎源比 AmBe 源具有更高的中子产额，并且两种类型之间的等效中子产生量对于锎 252 为 27 mCi (1 GBq) 而对于典型 AmBe 源为 16 Ci (592 GBq)（CISA，2019 年）。表 6.5 总结了使用氘和/或氚与 AmBe 作为中子源的替代技术的一些优点和局限性。

自 2008 年 NAS 报告发表以来，在 D-D、D-T 和 T-T（氚-氚）加速器研究方面已经做了大量工作。例如，在 National Nuclear Security Administration (NNSA) SBIR 计划的支持下，Starfire Industries 开发了 nGen^® 便携式 DD 中子发生器并将其部署在其 QL-40 补偿中子记录仪工具中，展示了类似于（但不完全相同）的地层响应传统的 AmBe 源。现在，越来越多的服务提供商提供加速器源脉冲中子测井。但是，虽然基于可切换加速器的中子测井工具的可用性正在增加，但使用密封 AmBe 中子源进行地层评估仍然是首选选项。下一节将讨论这种偏好的原因。

表 6.4 密封源技术和测井参数

来源：CISA，2019 年。

表 6.5 放射性同位素和替代测井技术的优缺点

备注：D-D = 氘-氘；D-T = 氘-氚。

来源：根据 QSA Global, Inc. 的 Mike Fuller 和 Mark Shilton 于 2020 年 10 月 13 日向委员会的介绍中修改，以包括 X 射线。

6.3.3 替代技术采用注意事项

如前一节所述，由于放射性更低，替代技术代替第 3 类铯 137 放射源（例如用于测井的那些）始终不是优先事项，并且在采用替代品方面也没有取得进展。本节重点介绍与 AmBe 中子源相关的替代技术采用注意事项

在安全和安保问题的推动下，石油行业多年来一直在研究使用替代中子源进行测井（Bond 等，2011 年）。大型跨国测井公司拥有数百万美元的替代技术研发 (R&D) 预算。缺乏足够资本、研发预算和市场激励的小公司不会进行新技术开发。因此，更小的服务提供商必须依赖现存的经过验证的测井工具，并且有望抵制可能对其业务产生重大影响的技术变革（Badruzzaman 等，2015 年）。

总体而言，更换当前放射源的努力面临着多项技术、物流和财务挑战。挑战之一是在孔隙度测定方面，替代（基于加速器）工具被认为不如放射源设备准确（参见，例如，Badruzzaman，2014 年；Badruzzaman 等，2019 年）。此外，核磁共振和声学测量是对放射源技术的补充，而不是替代（Badruzzaman 等，2015 年）。特别是NMR 测量可以对流体进行分类并可以说明渗透率，但 NMR 不能提供矿物学。此外，声学测量可以指示岩石各向异性，但不能提供矿物学（CISA，2019 年）。至于矿物学，AmBe 放射源光谱工具已经被 D-T 中子光谱工具取代（Pemper 等，2006 年；Radtke 等，2012 年）。然而，一些基于加速器的中子源采用了对安全性敏感的两用技术，⁹会使建造和使用复杂化，尤其是在政治不稳定的地区。

替代工具的任何用户都需要开发新的校准协议，并可能开发新的相关方法，以将替代工具的响应与使用标准参考地层的常规放射源的响应进行比较。这是因为现代测井分析是基于且参考几十年来使用传统测井

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⁹ 两用技术在商业产品和武器系统中都有应用。D-T 中子发生器是一种两用技术，这些发生器受出口法规的约束。

方法（尤其是使用传统密封铯 137 和 AmBe 中子源的方法）从储层测量的大量遗留数据。由于 AmBe 源的光谱能量特性与 DT 和 TT 加速器源的光谱能量特性不同，而且这些差异可能会导致勘探决策中额外（但并非不可克服）的不确定性，因此采用替代的基于加速器的技术一直是渐进的，且严重依赖于对遗留数据的技术验证。这提供了一个可以通过行业协会和可能的政府机构的集体行动来解决的机会。

2008 年美国国家科学院报告指出，元素分析测井中使用的 AmBe 源可以被可切换的 D-T 加速器取代（NRC，2008 年）。须注意，T-T 加速器不如 D-T 加速器有用，因为中子产额低约 100 倍，并且因为氚（一种放射性核素）是用于加速和靶向核。此外，虽然更换 AmBe 孔隙度工具会更加困难，但到 2008 年，主要服务提供商之一已经销售了两种 D-T 加速器工具，一种用于核孔隙度测井，一种用于 LWD 电缆测井。因此，报告建议设立一个行业工作组，负责解决实施基于加速器的 AmBe 测井源替代品的技术障碍（NRC，2008 年）。岩石物理学家和测井分析员协会的核特别兴趣小组在解决这一建议方面取得了相当大的进展，如今大多数主要和一些中小型服务提供商提供基于脉冲加速器的中子测井源，作为其产品套件的一部分。

2019 年 DOE (DOE, 2019) 研讨会的参与者讨论了：

• 近期出现的一些显著发展：(1) 低能量 (> 300 keV) X 射线设备和 (2) DT 加速器以外的中子发生器（Badruzzaman 等，2019 年；Bondarenko 和 Kulyk，2017 年；Jurczyk，2018 年；Simon 等，2018 年）。
• 对于基于 D-T 发生器的中子孔隙度，虽然有一家公司销售了用于电缆测井和随钻测井的工具，但其他公司由于经济因素没有将这些工具推向市场。此外，LWD 工具表现出良好的性能，但由于钻孔环境条件，电缆工具的性能较差。
• 尽管最近的 X 射线密度工具开发基于 1980 年代对 3.5 MeV 直线加速器 X 射线密度工具进行的有前途的实地测试（King，1987 年），但新工具更小、更简单，并且在实地测试中结果不错。但在更严苛的随钻测井环境条件下应用仍面临挑战。

此外，一种称为非弹性中子伽马密度 (INGD) 的密度技术使用高能中子非弹性散射过程中产生的伽马射线。INGD 在 1990 年代中期首次报道用于套管井应用；于 2000 年被纳入基于 D-T 发生器的 LWD 工具（Evans 等，2000 年）并于 2012 年上市（Reichel 等，2012 年）。但是，由于混合中子光子物理，INGD 技术不如伽马-伽马密度准确，但可以在特殊情况下使用。此外，对于基于光子物理学的替代密度测量，韧致辐射 x 射线的使用将提供与基于铯 137 的伽马射线更接近的模拟。X 射线和伽马射线的基本物理机制是康普顿散射。因此，基于 X 射线发生器的机制可能会取代基于铯 137 的方法。相比之下，中子伽马方法提供了“伪密度”，仅在伽马伽马密度“不可用或无法获得”时有用，并且取决于 Badruzzaman 等（2014 年）详述的情况。

另一种基于加速器的技术是密集等离子体聚焦 (DPF) α 粒子加速器。使用 (alpha-Be) 反应，DPF 加速器可以生成与 AmBe 源光谱非常匹配的中子光谱。因此，这种技术已被证明几乎可以精确地复制中子孔隙度响应。然而，DPF (alpha-Be) 加速器在被纳入商业测井工具之前需要长期研发（Badruzzaman 等，2019 年）。

石油行业是一个明显的循环企业。目前，在石油和天然气价格低的情况下，测井公司正面临极端和持续的收入和设备利用率挑战。测井基础设施利用率下降了 50% 到 60%，价格压力推动着实行大幅折扣和随之而来的收入减少。由于 COVID-19 和油价下跌，员工裁员 50% 至 60% 产生了严重影响，这个阶段该行业普遍存在破产现象。因此，主要服务提供商正在重新评估市场需求。在当前的市场环境下，对多数公司来说，大

规模的资本购买或技术变革是不可行的。¹⁰ 由于利用率降低，不少铯 137 和 AmBe 中子源可能“搁浅”在没有动力转向替代技术的大型和小型测井公司中，因为这些放射源是代替需要花费大量资金的重要资本资产。此外，对于陷入财务困境的测井公司而言，安全处置未使用的放射源所需的成本可能令人望而却步。因此，这些搁浅的放射源构成了重大的安全风险，特别是如果公司整体预算的减少导致支出降低并强调放射源存储安全。

未来石油勘探和生产等领域对测井的需求是不确定的。大多数国家现在都认识到立即采取行动大幅减少温室气体 (GHG) 排放以减缓甚至扭转气候变化影响的重要性。这些行动将对能源生产和分配产生广泛影响。例如，全球限制温室气体排放的努力已经导致发电对¹¹煤炭的需求减少，同时太阳能、风能和地热等可再生能源技术的部署也随之增加。

全球石油工业几乎肯定会受到为减少温室气体排放而采取的国际行动的重大影响。其中一些变化已经在进行中（Krauss，2020 年）。随着汽车和卡车车队越来越电气化，最有可能的变化之一将是减少对运输液体燃料的需求。¹² 需求减少导致石油价格下降，从而导致勘探支出减少，进而预计会导致测井服务支出减少。

在这种低价情景中，有两点与本研究相关。首先，测井服务支出的减少意味着许多现存的常规铯 137 和AmBe 资源将变得过剩，并且要么由测井承包商储存、处置或可能废弃。根据安全处置途径的成本和可用性，可能会导致安全风险增加或降低。

其次，测井服务支出减少的一个可能后果是，减少建立替代测井放射源的研发工作。如上所述，只有少数主要服务提供商具备开发放射源替代品的研发能力。如果没有重要的未来市场，这些公司就没有进行此类投资的经济动机。

尽管未来几十年对石油和天然气的总体需求可能会下降，但在关键应用中仍然需要石油燃料，例如航空液体燃料和作为发电过渡燃料的天然气。对这些资源的勘探将继续需要使用传统或替代资源的准确和可靠的测井服务。

测井市场有望增长的领域包括矿产勘探和生产、地下水勘探和地热勘探。例如，在人口增长和可再生能源系统的推动下，预计从 2015 年到 2100 年，对铜的需求将增长 4 到 5 倍（Schipper 等，2018 年）。但对于测井服务的未来增长而言，未来最重要的市场部门可能是地下碳捕获和储存，其中许多与常规石油和天然气勘探和生产相同的方法将用于选择、验证和监测二氧化碳储水库 (NETL, 2017a,b, n.d.)。

6.4 校准系统

校准系统产生已知能量和强度的辐射场，用于校准辐射监测设备、剂量计以及使用钴 60 的工业和远程治疗设备以确保其准确操作。校准系统使用高活度放射源（大约 400–2,200 Ci [15–82 TBq]）。这类是基于 IAEA 分类系统的第 2 类放射源。校准设施使用铯 137 和钴 60 放射源。用于钴 60 校准的主力辐照器是Nordion 生产的 Gammacell 220，该辐照器于 2008 年停产，但其中不少辐照器仍在世界各地的设施中 (IAEA,

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¹⁰ Association of Energy Service Companies 的 Kenny Jordan 于 2020 年 10 月 13 日向委员会作介绍。

¹¹ 在许多情况下，燃煤发电厂已被天然气发电厂取代。自 2010 年以来，煤改气已减少了约 5 亿吨二氧化碳（IEA，2019 年）。

¹² 例如，通用汽车最近宣布，到 2025 年将在全球推出 30 款新电动汽车，到 2035 年将逐步淘汰汽油和柴油发动机汽车。此外，电动汽车现在占挪威市场份额的 54%（Klesty，2021 年），超过了由汽油、柴油和混合动力发动机驱动的汽车（到 2025 年将完全淘汰）。

2019c)；¹³ Hopewell Designs 制造出一种替代辐照器（Rushton 等，2016 年）。由于粉状氯化铯带来的安全风险，本节的其余部分完全侧重于铯 137 校准系统，与固体金属钴 60 放射源相比，氯化铯具有很强的分散性。

放射性校准源产生精确测量的剂量率，可追溯到公认的标准。在美国，National Institute of Standards and Technology (NIST) 作为主要的辐射剂量测定实验室，因此适于维护国家测量标准并校准二级实验室的仪器。二级和三级设施网络确保每台辐射检测仪器都能准确测量并符合 NIST 标准。在国际上，计量学证明了不同国家测量的等效性，并促进了准确的贸易测量。独立于医疗和其他应用的辐射源，仍然需要标准和校准器。

多个放射源应用需要校准。为了了解美国所需的校准规模，目前有超过 19,000 个特定于放射性核素的许可证。其中包括医院和癌症治疗设施、核医学诊所、研究设施、大学、培训设施和包括石油勘探公司在内的工业设施。仪器用于确保遵守与许可证相关的安全和健康法规。其他用户包括联邦政府机构，即 Environmental Protection Agency 和 DOE，其中涉及国家实验室、放射援助计划、联邦放射监测和评估中心、辐射应急援助中心/培训基地、核应急搜索小组、和事故响应小组，以及州和地方实体。所有这些机构和计划都依赖于校准仪器，因此确保美国保留适当校准辐射仪器的国家能力变得更加重要。这些仪器需要定期校准，以确保其为使用它们的各种利益相关者提供准确的信息。

6.4.1 放射性同位素技术

50 多年前，铯 137 被选为国家和国际校准的基础，因为其具有最佳的单能谱 (661.7 keV)、半衰期长以及相对于其他放射性核素的中等屏蔽要求。此外，铯 137 在跨越 X 射线管、钴 60 和直线加速器的区域中间提供光子能量，因此涵盖了 10 keV 到 10 MeV 的能量。在 NIST，铯 137 校准器用于确定空气中辐射剂量或空气比释动能的标准。使用的铯 137 放射源是氯化铯的形式。由于其易于分散，氯化铯引起了安全问题。

在美国和全球范围内，每年都使用数百万个用铯 137 校准的辐射探测器，包括在入境口岸测量货物的放射性、在核电站监测周围环境、在医疗设施中确保患者和医疗人员的安全，以及任何释放或疑似释放辐射的地方。

铯 137 校准器（参见图 6.9）重现性出色（在几个月到几年的时间内大约为 0.1%），并且能够实现 NIST 标准化以及随后将标准转移到校准设施和最终用户所需的低不确定性测量。

一位向委员会通报情况的专家指出，关键知识和程序是建立在铯 137 辐射场可用性的假设之上。¹⁴ 不少国家和国际法规、建议和文件标准，包括由 American National Standards Institute、National Council on Radiation Protection and Measurements、International Organization for Standardization 和 IAEA 发布的标准，都依赖于铯 137 校准器。此外，使用铯 137 校准器的校准设施需要证明其能够转移国家标准，以便通过认证计划和其他监管计划的认证。

目前用于电离辐射计量应用的铯 137 辐照器数量估计仅占美国使用的铯 137 辐照器总数的 1% 至 2% （CIRMS，2019 年）。

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¹³ 请参阅 https://www.nordion.com/products/irradiation-systems。

¹⁴ National Research Council of Canada 的 Malcolm McEwen 于 2021 年 1 月 28 日向委员会作介绍。

6.4.2 替代技术

铯 137 辐照器作为电离辐射计量的参考辐射场没有明显的替代品。使用铯 137 进行计量的独特之处在于其特性提供的精度（见表 6.6）。此外，铯 137 的 661.7 keV 发射能量与研究人员和公共卫生官员通常需要测量的放射性物质的 β 和 γ 发射能量接近。

来自铯 137 和钴 60 的伽马射线是单能的，使得其穿透和传递剂量可预测且易于计算。由电子束撞击金属靶（轫致辐射）人工产生的 X 射线具有广泛的光谱，范围从电子束的能量到千电子伏或数百电子伏。可以想象，在开发新的校准标准时可以考虑 X 射线的广谱。然而，为了匹配当前标准的精度，加速放射源的电压

表 6.6 用于剂量标准化、校准和仪器测试的铯 137 技术替代方案的考虑

来源：National Institute of Standards and Technology 的 Ronaldo Minniti 于 2021 年 1 月 28 日向委员会作介绍。

和电流需要极其精细的调节。此外，韧致辐射靶需要精确加工，并且电子束需要准确地指向该靶。这些要求使得匹配这些放射性同位素的自然参数目前几乎无法实现。

用其他成熟的、不易分散的铯 137 形式（例如自 1980 年代以来一直用于铯 137 测量和测井源的玻璃化和磷灰石源）代替放射性氯化铯可用于校准应用，因为铯 137 光谱将保持不变。需要增加放射源尺寸以适应玻璃配方的较低比活度。如第 1.3 节所述，印度已开发出此类溶解性和分散性较低的铯 137 形式，并用于血液辐照器。在尝试了不同的方法后，Bhabha Atomic Research Center (BARC) 的研究人员于 2015 年开发了将玻璃化铯 137 精确控制倒入不锈钢铅笔中的技术，然后将其装入血液辐照器中。据委员会所知，目前还没有对其他形式的铯在校准应用中的适用性进行这样的研究。

自 2015 年以来，法国公司 ATRON Metrology 与法国国家计量实验室合作，开发校准辐射计的替代方法。该方法使用静电加速器将电子束引导到钽靶上以产生 X 射线。加速器经过调整以在铯 137 和钴 60 伽马能量之间的能量域中产生 X 射线（Bordy 等人，2019 年）。虽然 ATRON 宣传这种方法对于核电厂遇到的频谱类型是现实的，但它不是来自离散辐射源的类型。此外，该设备在 11 个月内的漂移为 0.3%，辐射测量仪校准的不确定性小于 7%，这都远大于铯 137 校准器的精度。此外，该管的工作寿命约为 4,000 小时，比铯137 校准器的使用寿命要短得多，相比之下，ATRON 技术的维护成本可能更高。此外，校准仍参考法国国家计量机构，该机构仍使用铯 137（Chapon 等，2016 年）。

6.4.3 替代技术采用注意事项

NIST 的立场是，在校准仪器中消除氯化铯可能会损害国家的应急响应能力。然而，美国和其他政府已经考虑改变政策以消除在放射源中使用氯化铯，并且该政策可能会在不久的将来重新考虑。委员会发现 NIST 没有采取措施通过探索替代技术和执行等效性测试来为可能的政策变化做准备，以确保不会对当前的校准和测试能力产生不利影响。

如果将来有一种可以满足所有计量要求的铯 137 校准器的替代品，那么迄今为止发布的所有文件标准，以及各种国家和地区监管机构（如 U.S. NRC）和认证机构的规定，必须重新制定，以便辐射工作人员和公众的安保和安全不受影响。在基于新形式铯（氯化铯除外）或其他类型源的铯辐照器可用之前，校准设施将需要依赖现有的铯 137 辐照器。如果没有合适的替代品，在校准设施中消除中低范围的 2 类铯 137 源将对美国和全球的校准基础设施产生负面影响，直接影响公众的安全和保障。¹⁵

6.5 放射性热电产生器

RTG 是一种核电池，它使用热电偶将放射性同位素衰变释放的热量转化为电能。RTG 的设计相当简单，没有移动部件。在使用 RTG 的系统无法轻松访问、需要在没有人为干预的情况下长时间保持运行以及无法有效产生太阳能的情况下，其已被用作电源。基于这些情况，RTG 已被用作卫星、太空探测器和无人遥控结构的电源，例如前苏联在北极圈内建造的灯塔、俄罗斯在南极洲的站以及美国委托的北极监测站。

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¹⁵ NIST 的 Ronaldo Minniti 和 Michael Mitch 于 2020 年 5 月 21 日致国家科学院的 Charles Ferguson 的信；National Research Council of Canada 的 Malcolm McEwen 于 2021 年 1 月 28 日向委员会作介绍。

6.5.1 放射性同位素技术

用于 RTG 的放射性同位素需要符合三个主要标准：具有相对较长的半衰期，以便能够产生持续的能量水平；具有高功率密度（每单位质量放射性同位素的功率），并发出可屏蔽的辐射。钚 238¹⁶和锶 90 是 RTG 燃料最常用的放射性同位素。两种放射性同位素的半衰期分别为 87.7 年和 28.8 年。两种放射性同位素的功率密度也相对较大，钚 238 为 0.57 W/g，锶 90 为 0.46 W/g。两种放射性同位素之间的显著差异涉及产生的辐射：钚 238 为 α，锶 90 为 β。由于其有限的穿透能力，从钚 238 发出的 α 辐射使这种放射性同位素比来自锶90 的更具穿透力的 β 辐射更具优势，因为它最大限度地减少了所需的屏蔽。

由于较低的屏蔽要求和较轻的重量，钚 238 一直是用于太空任务的 RTG 的首选放射性同位素。钚 238 更长的半衰期也是太空任务的一个优势，因为无法加油。从 1960 年代开始，基于钚 238 的 RTG 已为二十多个以上的美国太空任务提供动力。最近，多任务放射性热电产生器 (MMRTG) 一直是 Perseverance 火星车的电源，该号于 2021 年 2 月 18 日登陆火星。它包含约 4.2 千克钚 238（NASA，2020 年），或约 73,000 Ci (2.7 PBq) 的初始活度，使其成为第 1 类放射源。MMRTG 在新鲜燃料时可提供大约 110 W 的电力。就在着陆前 2 天，爱达荷州国家实验室的研究人员宣布，他们正在研究下一代电力系统，通过使用带有斯特林或布雷顿热循环的动态电力转换，该系统的设计效率是 Perseverance 的电力系统的三倍（ANS，2021 年）。

钚 238 的最大限制是难以大量生产。在 1988 年萨凡纳河场址最后一个国内钚生产反应堆关闭后（Smith 等，2019 年），燃料库存预计将在 2018 年耗尽。2015 年，美国能源部通过在 Oak Ridge National Laboratory (ORNL) 为未来的 National Aeronautics and Space Administration (NASA) 任务重建钚 238 的生产来解决即将出现的短缺问题（Walli，2015 年）。截至 2021 年 2 月，ORNL 的高通量同位素反应堆已生产了近 1 公斤钚-238，每年可生产高达 700 克的钚。为了帮助实现 NASA 到 2026 年每年 1.5 公斤的目标，DOE 于 2021 年2 月 16 日宣布，爱达荷国家实验室 (INL) 将加大使用其先进测试反应堆 (ATR) 生产钚 238；ATR 中的前两次辐照活动预计将在 2021 年春季产生 30 克（DOE，2021 年）。

对于地面应用，RTG 的使用也始于 1960 年代。在前苏联，部署了 1,000 多台由高活度 1 类锶 90 提供动力的 RTG。最大的 RTG 是 IEU-1，初始活度为 465,000 Ci (17.2 PBq)，最小的 RTG，指定为 Beta-M/S，初始活度为 35,700 Ci (1.32 PBq) （Porter，2015 年）。到 2000 年代初，几乎所有苏联和俄罗斯制造的 RTG 都已超过其原始使用寿命。在 IAEA 的协调下，一些国家提供了财政和技术援助，帮助俄罗斯消除了几乎所有RTG 的使用。例如，挪威拨出 2000 万欧元（约合 2400 万美元）帮助俄罗斯拆除和保护俄罗斯西北部巴伦支海、怀特海和喀拉海沿岸地区的 180 台 RTG。挪威还提供太阳能装置作为替代电源，以取代为灯塔供电的RTG（Digges，2015 年）。到 2019 年底，曾在俄罗斯北部部署的近 1,000 台 RTG 和曾在南极洲部署的 4 台已退役，并使用储存在俄罗斯车里雅宾斯克州 Mayak Production Association 的锶 90 源进行停用和拆卸。堪察加半岛只剩下 12 个 RTG，但这些也计划在不久的将来拆除（NASEM，2020 年）。

与俄罗斯相比，美国部署的 RTG 少得多，到 2015 年 8 月，美国空军从阿拉斯加的伯恩特山拆除了剩余的 10 台 RTG。锶 90 源被移除并在内华达州国家安全站点处置，该站点被授权获取和保护美国政府拥有的废弃源（Romano，2015 年）。这些针对陆基 RTG 的国家和国际协调一致的拆除和更换工作实际上已经消除了一整类高活度放射源。

美国和其他地方正在设计新设备。例如，总部位于美国的 Zeno Power Systems 正在开发下一代放射性

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¹⁶ 与钚 239 不同，钚 238 是不可裂变的，因此不能用于核电站或核武器。

同位素动力系统，该系统将衰变的锶 90 产生的热量转化为电能，主要用于政府和商业空间应用。Zeno 的这一新一代设计旨在提高系统的比功率并使其更轻巧，进而适合太空探索。据开发人员称，RTG 的当前技术准备水平 (TRL) 为 TRL 3，并计划在未来几个月内将其提升到 TRL 4。他们估计到 2025 年将部署该技术。该技术开发过程中剩下的主要技术挑战是展示具有成本效益、可重复和高质量的燃料舱制造，并进行必要的严格测试，以验证任何 RTG 可用于太空飞行。鉴于核工业和航天工业的不确定性水平，开发商也认识到市场风险。¹⁷

6.5.2 替代技术

如上所述，陆基使用 RTG 已被淘汰。替代技术面临的最大挑战是让在北极地区运行的替代电源能够承受低于 0°C 的温度，并在秋冬月份非常有限的阳光下提供可靠的电力。2000 年代初至 2007 年期间开展了一项值得关注的替代技术开发计划，涉及 NNSA 的全球减少威胁倡议、俄罗斯联邦海军、Sandia National Laboratories、Southwest Technology Development Institute、New Mexico State University Institute for Energy and Environment、Kurchatov Institute 和 Norwegian Kystverket Lighthouse Commission。此次合作在两个地点测试了光伏 (PV) 和电池系统，即挪威的 Honnigsvag 装置和俄罗斯联邦的 Cape Shavor 灯塔。Kurchatov Institute 在俄罗斯联邦卡尔巴斯的第三个地点安装了一个系统——除了光伏和电池系统之外，还有一个小型风力涡轮机系统。这些电力系统是为俄罗斯圣彼得堡 Nav-Dals 公司生产的 10 瓦发光二极管信号信标供电所需要的。光伏系统由五个 40 峰值瓦特模块和一个 950 安培小时镍镉电池组组成，工作电压为 12 V。

在阳光明媚的夏季，电池组保持充满电。从秋分到初冬，电池进入连续放电模式，但仍有足够的电量来操作光信号。电池的最大放电量约为总放电量的 65%。相比之下，具有小型风力涡轮机但光伏组件和电池类型相同的混合系统的总放电量为 45%。研究人员得出结论，这两种系统都足够了，但风力涡轮机提供了额外的可靠性（Hauser 等，2007 年）。

6.5.3 替代技术采用注意事项

对于火星轨道内外的太空任务，可用的太阳能不足以为太空探测器和漫游车提供动力。因此，如下所述，

美国和其他航天国家将继续以安全可靠的方式使用 RTG。NASA 的 RTG 已为 50 多年和超过 25 项任务提供安全可靠的电力。安全功能包括具有强大燃料的分层防御、模块化设计和多个物理屏障。特别是，燃料由耐火陶瓷颗粒中的二氧化钚组成，以减少事故中扩散的可能性。如果陶瓷破裂，则会碎成相对较大的碎片，而不是可透气的微小颗粒。此外，铱包裹着每个燃料芯块，并提供耐腐蚀、熔化温度非常高的保护层。此外，耐热石墨形成冲击壳，为燃料周围提供额外保护。DOE 负责 RTG 的生产和交付给 NASA，并在每次任务之前进行安全分析（NASA，2005 年）。

2009 年，由于担心钚 238 供应的可靠性，欧洲航天局决定研究替代放射性同位素为其空间 RTG 提供动力。该机构选择镅 241 是因为它在高同位素纯度下经济实惠，并且易于从欧洲商业乏核燃料后处理中获得，尽管其功率密度约为钚 238 的五分之一。2013 年，一个欧洲技术联盟宣布已经测试了以镅 241 为燃料的RTG 样机，并且英国国家核实验室已经生产了镅 241（Ambrosi 等，2013 年）。2019 年，欧洲财团预计到 2020 年代下半年，其 RTG 计划将准备好为太空任务提供电力系统（Ambrosi 等，2019 年）。

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¹⁷ Zeno Power Systems 的 Tyler Bernstein 于 2021 年 1 月 31 日致国家科学院 Ourania Kosti 的信。

6.6 第 6 章调查结果和建议

调查结果 14：国内在其他一些商业应用方面采用替代技术取得的进展甚微，特别是在一些无损检测应用和测井方面。那是因为目前没有可行或具有成本效益的替代品，替代品要么达不到标准要么无法增强性能，或者其产生的材料和结构数据与放射源产生的数据无法直接相提并论。

无损检测通常涉及在可能存在恶劣环境和工业条件的偏远室外地点检查材料。在决定使用的 NDT 方法时，NDT 技术人员会考虑缺陷的可检测能力、对象材料中的缺陷类型、被检测材料的可及性以及该方法的经济性。尽管 X 射线方法可以提供类似于发射伽马射线的放射性核素的射线照相结果，但 X 射线系统需要可靠的电力和冷却系统，并且往往比伽马射线照相相机更大且不那么坚固。然而，X 射线设计的进步导致了脉冲 X 射线源的开发，这些射线源使用电池供电并且物理尺寸接近伽马放射照相相机的尺寸（Light，2008 年）。然而，由于需要频繁更换 X 光内管且频繁无法使用，仍然导致伽马射线照相术成为更可靠和更受欢迎的选择。已经探索了微型直线加速器，但比射线照相相机更昂贵。超声波扫描需要经过培训和认证的技术人员进行熟练的检查和解释。尽管放射性同位素和 X 射线射线照相方法可以检测各种缺陷，但放射照相和超声技术在物理上的差异使每种方法针对特定的缺陷类型敏感——射线照相适用于检测体积缺陷，如熔渣和孔隙，而超声波更适合检测平面缺陷，如裂纹和未熔合。

对于测井，放射源的替代技术面临若干技术、物流和财务挑战。尽管铯 137 源可能会被替代的 X 射线源（如直线加速器）所取代，但关键障碍包括 X 射线源的尺寸、宽能谱、放射源稳定性和各向异性辐射。自 1987 年以来几乎没有进行开发工作。为了更换 AmBe 中子源，在孔隙度测定方面，替代（基于加速器）工具被认为不如 AmBe 源准确。由于物理差异，替换当前方法可能会产生解释问题，包括改变孔隙度和岩性敏感性。此外，一些基于加速器的中子源采用了可能会妨碍使用的对安全性敏感的两用技术，尤其是在政治不稳定的地区。

由于三个主要原因，基于加速器的裸眼测井工具的采用缓慢。首先，提议的替代方案大多没有完全复制放射性工具提供的功能。其次，即使是大型测井公司，目前也没有强大的业务驱动力来实现转型，尽管这些大公司拥有技术和财务资源，并且已经对替代方案进行了研究。第三，中小型伐木公司不具备开发、测试和部署基于加速器的技术的技术能力或资金。因此，即使该技术在响应特性方面完美匹配，中小型测井公司也无法轻松过渡。如果被迫进行转型，大多数人声称他们可能会倒闭。

在政府机构的合作和支持下，行业协会的集体行动可能会解决这个问题。

关于伽马射线照相替代技术的进一步开发和采用，在 2013 年和 2019 年参加 IAEA 会议的专家们已经认识到，用超声波检测代替超声波检测至少还需要几年的时间。他们强调了替代技术的技术限制，并提请注意进行验证和标准制定的必要性。即使有这样的验证，超声波检测也可能继续补充伽马射线照相术。尽管如

此，等效性研究可能有助于为进一步考虑和采用替代方案铺平道路。这也将有助于开发显示超声波图像的技术，该技术与用户习惯于用射线照片看到的图像相当，并且不需要像当前超声波技术那样进行解释。

调查结果 15：在采用校准系统 替代技术替代铯 137 和钴 60 放射源方面，国内外均未取得进展。目前没有明显的非放射性同位素替代品来代替这些应用中使用的氯化铯源，目前也没有致力于探索替代品的研究和开发。替代品的缺乏妨碍了全球消除氯化铯形式的铯 137 的工作进展。

50 多年前，铯 137 被选为国家和国际校准的基础，因为它的单能伽马辐射位于测量的能量光谱中间，并且在校准设施中具有高精度和可重复性。铯 137 标准每年在美国和全球用于校准数百万个辐射探测器。探测器的部署包括监测周围环境的核电站、测量货物放射性的入境口岸、确保患者和医务人员安全的医疗设施，以及任何可能释放辐射的地方。安全问题是校准系统使用氯化铯形式的铯 137，这会造成潜在的扩散危险。然而，国内或国际都没有努力开发替代技术。

NIST 的立场是，在校准仪器中取消氯化铯会对国家的应急响应能力等产生不利影响。美国和其他政府已考虑改变政策，以消除血液和研究辐照器等放射源中的氯化铯。为了对可能的政策变化进行准备，寻求从所有高活度放射源中消除氯化铯，NIST 应该开始探索铯 137 的其他替代方案，例如高能 X 射线技术或该放射性核素的不同化学形式，如磷灰石或玻璃化铯。玻璃化形式的铯在印度用于血液辐照器。使用这类其他不易分散的铯 137 形式代替放射性氯化铯对于校准应用来说是可以接受的，因为铯 137 的光谱将保持不变。NIST 的有用步骤将包括与研究界和联邦和州机构及行业的合作伙伴以及国际合作伙伴进行咨询和合作，并执行等效测试以确保对当前校准和测试能力没有不利影响。