Radioactive Sources Applications and Alternative Technologies: Chinese Version (2022) / Chapter Skim
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工业应用中的放射源和替代技术
工业应用中的放射源和替代技术
Pages 115-140
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。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 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.
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116 放射源 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)
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定向 X 线摄影机关闭和 (c) 打开。 来源：QSA Global, Inc.
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用于检查管道的射线照相相机（图像的右上角）；(c) 射线照相相机悬挂在管道上，以将导管定位 到正确的曝光位置，以便对管道焊缝进行射线照相。 来源：QSA Global, Inc.
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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)
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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)
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工业应用中的放射源和替代技术 121 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 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。
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122 放射源 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。 7 Team Inc. 的 David Tebo 于 2020 年 6 月 12 日向委员会作介绍。
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，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。 图 6.5 工业仪表。计量放射源（以红色显示）安装在具有足够铅屏蔽的保护容器中，以确保距表面 1 米处的辐射剂量不超 过 7.5 µSv/hr。放射性同位素源发出的辐射只有在插入件转到"打开"位置时才允许离开发射通道。 来源：Endress+Hauser 的 Ralf Matthaes 于 2021 年 2 月 18 日向委员会作介绍。
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(400) 图 6.6 各种常用液位测量设备的温度和压力图上的液位测量限制。 来源：Endress+Hauser 的 Ralf Matthaes 于 2021 年 2 月 18 日向委员会作介绍。 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)
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工业应用中的放射源和替代技术 125 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 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。
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126 放射源 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.
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工业应用中的放射源和替代技术 127 侧边栏 6.1 石油勘探中的测井 资源勘探是有些保守的商业实体所追求的一项昂贵、高风险、高回报的活动。 因此，测井的准确性对于降 低石油和矿产资源勘探、开采和生产的财务风险至关重要。勘探支出决策很大程度上基于地下地质和岩石物 理信息。 在资源勘探和生产风险的背景下，精确、准确和可靠的测井数据的重要性不容低估。 例如，石油勘探中 最重要的岩石物理参数之一是孔隙度，即多孔且可能含有石油、天然气和/或水的储层岩石的体积分数。砂岩 （典型的储集岩）的孔隙度在 15% 到 50% 之间，而页岩的孔隙度在 1% 到 10% 之间，碳酸盐岩（例如石灰 岩）的孔隙度在 5% 到 55% 之间。 要在经济背景下考虑孔隙度（尤其是孔隙度的不确定性，测井中的一个关键问题） ，请考虑德克萨斯州的 Eagle Ford Group，它目前是美国最活跃和最重要的油藏之一。 据估计，Eagle Ford 拥有 4.4 至 114 亿桶未发 现但技术上可采的石油储量。 截至 2020 年 11 月西德克萨斯中质原油价格，74 亿桶的平均估值约为 3000 亿 美元。 如果用于做出该估计的鹰福特 Eagle Ford 平均孔隙度被错误地假设为 3%，但实际上为 2%，那么技术 上可开采的石油将减少约三分之一，按今天的价格计算，相差约 1000 亿美元。 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)
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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 241AmO 2 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 4.4MeV 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。 图 6.8 典型镅-铍中子源的设计。 来源：QSA Global, Inc.
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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)
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工业应用中的放射源和替代技术 131 表 6.5 放射性同位素和替代测井技术的优缺点 Am Be 中子源 替代中子源 优势 优势 • 小巧、自供电、坚固耐用 • 脉冲模式支持更多测量类型 • 使用寿命长（~15 年） • 可以关闭（必须每月使用一次以维护管子） • 通常更快的记录速度 • D-D 不需要进行泄漏测试，但 D-T 需要进行泄漏测试 • 更稳定的放射 • 降低氚的安全和安保风险 • 中子输出比 D-D 高 2 倍 • 关闭时操作员剂量为零 • 更多归档日志参考数据 • 更低的花费 劣势 劣势 • 无法使用脉冲模式 • 更大，需要电源 • 无法关闭 • 更短的工作寿命 • 中子输出比 D-T 低 2 倍 • 更慢的记录速度 • 更难运输和许可 • 不太稳定的放射 • 需要进行泄漏测试 • 成本较高，需要现场备件 • 放射性同位素的安全和安保风险 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)
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。 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, of Energy Service Companies 的 Kenny Jordan 于 2020 年 10 月 13 日向委员会作介绍。 10 Association 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）。
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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）。 13 请参阅 https://www.nordion.com/products/irradiation-systems。 14 NationalResearch Council of Canada 的 Malcolm McEwen 于 2021 年 1 月 28 日向委员会作介绍。
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工业应用中的放射源和替代技术 135 图 6.9 用于计量校准器（左）和 CDV-794 辐射剂量率仪器校准器（右）的铯 137 源。 来源：National Institute of Standards and Technology 计量校准器和佛罗里达 Department of Health 辐射剂量率仪器校准 器。 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 铯 137 辐照器 X 射线管 光谱类似于 137Cs 的光谱，能量约为 662 keV 是 300 keV 是目前的极限 随着时间的推移，机器输出的再现性达到 0.1% 的 是 没那么好 水平（几个月到几年） 将校准转移到二级设施的不确定性低（0.5% 或 是 更大的不确定性 更高） 广泛的空气比释动系数 是 是（但价格昂贵且在某些范围内不稳定） 实现空气比释动能以建立可追溯性的主要仪器 腔室 需要解决（由于光谱变化） 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。
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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。 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 15 NIST of Canada 的 Malcolm McEwen 于 2021 年 1 月 28 日向委员会作介绍。
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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)
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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）。 17 Zeno Power Systems 的 Tyler Bernstein 于 2021 年 1 月 31 日致国家科学院 Ourania Kosti 的信。
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工业应用中的放射源和替代技术 139 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。 建议 H：National Nuclear Security Administration 应与 Department of Energy、National Science Foun dation 和专业协会的其他办公室合作，支持正在考虑更换放射源并采用替代技术的测井和工业射线照 相服务提供商的等效性研究。该类研究的结果应该广泛提供。 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
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140 放射源 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。 建议 I：National Institute of Standards and Technology 应与研究界以及联邦、行业和国际合作伙伴合 作，开始研究用于校准应用的氯化铯替代品。须即刻开始参与其中，为将来可能消除使用氯化铯形式的 铯 137 做好准备。 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。
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