电子束有哪些应用除了核电，民用核技术还有哪些？电子束处理工业废水已产业化|上海羊羽卓进出口贸易有限公司

除了核电，民用核技术还有哪些？电子束处理工业废水已产业化

除了核电、核武器之外，核技术还有更广阔却不为人所熟知的“用武之地”。如果将核能与核动力喻为核领域的“重工业”，同位素与辐照技术等非动力核技术就是该领域的“轻工业”。目前，中国首创、世界领先的电子束处理工业废水技术已在浙江落地，首次实现产业化。该技术未来还可用于医疗废水废物处理、垃圾焚烧尾气二噁英的处理等领域。

11月21日，“中国非动力核技术第一股”中广核核技术发展股份有限公司（下称中广核技，000881.SZ）与清华大学在浙江金华举行的发布会上联合宣布：“中国首创、世界领先”的电子束处理工业废水技术已拿到科技成果鉴定证书，正式完成由中国核能行业协会组织的科技成果鉴定。

国内首个电子束处理工业废水示范项目

作为处理难降解废水的一种重要解决手段，电子束辐照技术被国际原子能机构（IAEA）列为21世纪和平利用原子能的主要研究方向。

所谓电子束辐照技术，是指利用被加速的电子束流轰击或照射被处理对象，使其发生在常规方法下难以引发的物理化学及生物学反应，从而达到提高产品性能、净化物质等目的。相比于传统废水处理方法，电子束辐照技术的长处在于处理难降解有机废水、抗生素废水、含致病菌废水等。

今年3月，中广核技在浙江省金华市浦江县恒昌集团建成了国内首座电子束辐照处理印染废水示范项目。该项目所在的印染企业每天产生印染废水6000-9000立方米，原有环保设施采用传统的生物处理工艺，末端经臭氧脱色后间接排放至市政污水管网。示范工程建成后，废水经生物处理后再采用电子束辐照深度处理，设计规模为2000立方米/天。

印染废水具有污染物浓度高、种类多、含有毒有害成分及色度高等特点，利用加速后的电子束流对污水进行辐照，可以使水中的污染物发生分解或降解、有害微生物发生变性等，从而达到消毒净化废水的目的。

据介绍，基于半年多的稳定运行，该示范项目处理效果显著：出水COD在60mg/L以内，色度10倍以下，不返色，无二次污染，出水水质稳定，达到直排标准。

澎湃新闻（www.thepaper.cn）在示范项目现场看到，与用原工艺处理的水样相比，以电子束辐照深度处理后的工业废水脱色更明显，加速器厂房内采用了一台卧式电子加速器，单套设备占地约200平米。据现场工作人员介绍，废水在束下停留时间仅约0.01秒。

原水样（经过生物处理后）澎湃新闻记者杨漾图

辐照处理后的水样澎湃新闻记者杨漾图

原工艺处理后水样与辐照处理后水样对比澎湃新闻记者杨漾图

水处理电子加速器澎湃新闻记者杨漾图

“这也是目前国际上唯一在运行的同类装置。在经济性方面，电子束处理工业废水技术具有很强的市场竞争力。”中广核技董事长张剑锋称，通过与传统的物化、生物、膜处理等工艺有机结合，电子束技术可以形成技术可行、经济成本合理的解决方案。随着电子束处理工业废水技术臻于成熟，已具备大规模产业化应用的条件。

示范工程工艺流程图。中广核技供图

据澎湃新闻了解，一个电子束辐照处理单元包括加速器、土建、屏蔽等工程，投资约650万元（最大日处理能力5000 立方米/天，投资约1300元/立方米)。

据张剑锋介绍，以浦江的示范工程为例，企业的原处理工艺是在生化处理后，出水采用混凝沉淀加臭氧氧化，只能达到接入城市污水处理厂的纳管标准。现在采用电子束辐照加混凝沉淀处理工艺，出水水质能够达到直接排放标准要求。如实现直接排放，与原工艺相比较，每吨废水处理费用可节省约1.4元。按每天处理10000吨计算，设备每年运行350天，一年可节约490万元左右。同时，印染废水经过电子束辐照深度处理后，能实现部分回用。

“水处理中没有哪种单个技术可以包打天下，电子束技术并不是替代传统水处理技术，而是对传统污水处理技术和工艺的有益补充及升级。”清华大学核能与新能源技术研究院副院长王建龙解释称，之所以要将传统工艺与电子束技术相结合，是基于平衡技术可行性和经济可行性的考虑。在环保标准不断提高的情况下，传统技术很难满足排放要求，电子束处理的有点在于处理效率高、出水水质稳定且设计灵活，可控性能好。

废水经过辐照处理后是否有放射性？

除了经济性之外，安全性是电离辐射技术用于实际废水处理过程中最受关注的问题。电子束处理工业废水技术属于核技术应用范畴，设施周围有放射性吗？安全性如何保障？废水经过辐照处理后是否会产生放射性？

王建龙称，电子束处理工业废水是否有放射性，可分为两个问题。首先是处理设施，也即电子加速器是否会产生辐射。由于不使用放射性核素，电子加速器通过电源控制开启和关闭，断电后不产生任何辐射。运行过程中产生的电离辐射，只需要10cm的混凝土结构就可以完全屏蔽。另外，电子加速器的安全联锁设计，可及时、快速断电，实施保护措施。

此外，电子束辐射装置在全球范围内的工业生产、科学研究中已广泛应用，有现行的防护和运行法规，且拥有成熟的经验可供借鉴。电子束处理工业废水技术在处理废水的过程中，不会产生和排放有毒害副产物，不会对周边居民的环境与生活造成不良影响。

至于废水经辐照后的安全性，王建龙解释道，要使物质产生放射性，必须有一个能量阈值。高能电子束只能作用于外存电子，而作用不到原子核，所以不会产生感生放射性（感生放射性是指原本稳定的材料因为接受了特殊的辐射而产生的放射性。）“废水中的基本元素包括氢、氮、氧、碳、硫等，要产生感生放射性，辐射源的能量至少大于10MeV，而目前电子束辐照中使用的辐射源能量仅为1到2MeV。因此废水经过电子束处理后的出水是安全的。”

严苛环保标准催生市场需求

2017年10月16日，中国核能行业协会在北京组织了由9名院士和5位国内相关领域专家出席的鉴定委员会，对电子束处理工业废水技术进行了科技成果鉴定会。

11月21日，科技成果鉴定委员会专家陈殿华受中国核能行业协会委托，在发布会上宣读了电子束处理工业废水技术科技成果鉴定结论：该技术成果实现了电子束处理工业废水技术的自主创新，达到了国际领先水平，具有广阔的推广前景，将产生重要的环境、经济和社会效益。

电子束处理工业废水技术科技成果鉴定委员会专家陈殿华教授宣读鉴定结论。中广核技供图

鉴定委员会认为，电子束处理工业废水技术中的水处理专用电子加速器、辐照反应器整体装置以及电子束处理工业废水工艺技术，属于国内首创，突破了当前难降解废水处理的技术瓶颈，一旦实现大规模产业化，可大幅度提高中国工业废水治理水平。该技术结合生物技术深度处理工业废水工艺，成本更低，净化程度更高，可实现废水的高标准排放或者中水回用。而且，针对难降解有机物质具有其他技术难以比拟的优势，有望解决难降解废水处理“世界性难题”。

王建龙称，实验研究证明，该技术广泛适用于印染、造纸、化工、制药等各行业废水处理，以及水质复杂的工业园区废水处理，并可用于医疗废弃物、抗生素菌渣等特殊危险废物的无害化处理。随着技术改进和综合解决方案的研发，未来还可应用于污水中无机重金属离子的去除，以及固体污泥、工业废气、环境突发应急、医用污水、废渣处理等领域。

国内趋于严苛的环保标准，为工业废水治理提出了新要求，也催生了庞大的市场需求。以2014年中国工业废水排放量205.3亿吨计算，每天排放超过5600万吨，每套电子束辐照装置处理能力5000吨/天，按照5%的工业废水采用电子束辐照技术处理计算，需要电子束辐照装置600套，对应市场规模近100亿元。

据了解，中广核技已陆续开展电子束辐照技术研究、废水处理工艺革新、关键装备制造、技术规范编制等相关工作。

发布会上，中广核技还与清华大学正式签署《电子束及环境技术产业化合作协议》，双方将联合成立“电子束及环境技术应用联合研究中心”，共同推动中国电子束技术在环境保护领域的基础研究和产业化推广等相关工作。中广核技还与恒昌集团就印染废水处理签署合作协议，标志着中国电子束技术首次实现真正意义上的产业化应用。

张剑锋表示，清华大学拥有电子束辐射及其他环保技术的基础研究优势，中广核技拥有完整的以电子加速器为核心的核技术应用高端产业链，有产业化优势。此次双方进一步加深合作，将建立高新环保技术创新平台和科技成果产业化基地，有望加快科技成果转化和应用，提升中国环境污染治理水平。

重离子束：打败癌细胞的新一代“杀手”

【科技前沿】

光明日报记者袁于飞光明日报通讯员袁海博高静一

编者按

近日，国家原子能机构联合科技部、公安部、生态环境部、交通运输部、国家卫生健康委、国家医疗保障局、国家药品监督管理局7部门在京发布《医用同位素中长期发展规划（2021-2035年）》，这是我国首个针对核技术在医疗卫生应用领域发布的政策性文件。

去年以来，在我国科技工作者的努力下，核技术在抗疫中大显身手，产业化的应用越来越多，在打破国外技术垄断，保障老百姓的生命安全中发挥了重要作用。更难得的是，我国核技术产业链完全自主可控，涌现出了一批从基础研究到产业化应用的典型。本期一起了解一下中国科学院近代物理研究所研发的国内首台拥有自主知识产权的碳离子治疗系统。

近年来，中科院近代物理所发布的拥有自主知识产权的碳离子治疗系统成功应用，受到社会的广泛好评。国产碳离子治疗系统凝聚了几代中国科研人员的心血，走出了一条“基础研究→技术研发→产品示范→产业化应用”的全产业链自主创新之路，打破了我国高端放疗市场被国外产品垄断的局面。这条从基础研究到产业化成功“晋级”之路，在当前具有一定的示范和借鉴意义。

我国基础研究的科研人员在工作。新华社发

核技术是对付癌细胞的“杀手”

碳离子治疗系统是技术先进的大型医疗系统，融合了加速器、核探测、医学诊疗等相关技术。提供碳离子束用于癌症的治疗，它是如何做到的？

细胞是人体结构和生理功能的基本单位。每个人体内都有数十万亿计的细胞，它们每天有序“工作”，人体才能正常运转。

但如果人体的正常细胞发生了病变，这个“生了病”的细胞就会变成另一副面孔。它不再有计划地正常分裂，而是变得极具掠夺性，疯狂抢占营养、恶性繁殖、生长失控，这就是癌细胞。所以，一旦人类遭遇细胞癌变，往往会陷入一发不可收拾的局面。

面对癌细胞的“肆意妄为”，人类并非束手无策。药物治疗、手术切除和放射治疗就成了人类消灭“肿瘤君”的3大手段。

放射治疗是最常用的。作为一种物理治疗手段，放射治疗已有100多年历史。在放疗“1.0时代”，最常使用的射线是X射线，此外还有我们熟悉的伽马射线，它们都被称为传统放疗射线（光子放疗）。

在对抗癌细胞时，传统射线就像是一个蒙着眼睛的“杀手”，无法主动辨别正常细胞和癌细胞，在进入人体后实施无差别杀伤。

传统射线这种自带的属性，对于患者而言，随之而来的就是难以避免的副作用，甚至容易造成更为严重的并发症。所以某种程度上，治疗效果其实就是在“赌”，赌的是好细胞和癌细胞谁先扛不住。最可怕的是，经常出现好细胞先死亡、癌细胞的生命力却特别顽强的结果。

我国基础研究的科研人员在工作。新华社发

而随着科技的发展，放射技术也在进步，科研人员不断寻找、创造、改良着可以利用的新手段，最终找到了比传统射线这个“蒙眼杀手”更有智慧和本事的新一代“杀手”，它的名字叫“重离子束”。

中科院近代物理所这台拥有自主知识产权的碳离子治疗系统的出现，意味着在抗击癌症的放疗之路上，中国正式迈入了全面升级并且拥有自主知识产权的放疗“2.0时代”。

重离子束的原理和未来应用前景

重离子是指原子序数大于2的原子失去电子的离子。

1903年，英国物理学家威廉·亨利·布拉格（William·HenryBragg）与克里曼（Kleeman）在实验中观测到带电粒子束进入物质后，会在某个深度形成一个剂量高峰，科学界称之为“Bragg峰”，中文译为“布拉格峰”。

这个“神奇”的现象引起了科学家的注意。1946年，美国人威尔逊首次提出用布拉格峰进行肿瘤放疗，他认为，带电粒子束进入人体后不会像传统射线那样在沿途不断地释放能量，而会在某一特定深度（即肿瘤部位）释放几乎全部的能量。

这就意味着，带电粒子束比传统放疗所使用的X射线、伽马射线更具优势。同样在美国，1975年劳伦斯伯克利实验室(LBNL)实践了首例使用重离子束对肿瘤放疗的案例。

此后，日本、德国、中国相继开展重离子束治疗肿瘤的研究。

那么，这个叫重离子束的新一代“杀手”，在面对肿瘤时都升级了哪些技能？

精确区分敌我。这个技能叫作独特的深度剂量分布。重离子束在穿越生物组织的过程中，沉积的剂量较小（坪区），也就是说在穿透过程中，重离子束只是路过并不施加伤害，这样的话，正常细胞终于可以不再躺枪，有利于保护正常组织和关键器官；当它到达癌细胞时，才开始放大招杀敌，就是所谓的剂量主要沉积在射程末端（峰区），这个现象就是前文提到的“布拉格峰”。

因此可以通过调节重离子的能量，使布拉格峰精确落在肿瘤处，从而进行精准杀灭，同时关爱健康组织。值得指出的是，布拉格峰现象是重离子束的自身属性，简直是射线界“天使”。

2021年7月9日，高海拔宇宙线观测站测定“标准烛光”超高能段亮度。新华社发

治疗周期更短。这个技能叫作相对生物学效应（RBE）高。重离子束进入生物组织后，在“峰区”，也就是癌细胞聚集的地方，沉积的能量密度高，能量密度高就代表着强大的杀伤力，这会使得癌细胞DNA产生双链断裂的比例较高。都双键断裂了，癌细胞再想恶性繁殖也是很难很难了……

重离子的相对生物学效应到底有多高呢？重离子相对生物学效应比常规光子射线的要高约3倍。因而，重离子束对癌细胞的“杀伤力”更大，治疗次数相应减少，从而缩短治疗周期。

对氧依赖小，敏感性更强。这个技能叫作氧增比（OER）小。大量证据表明，肿瘤生长于特有的异常血供系统，从而导致对肿瘤细胞的供氧和养分不足，称之为乏氧细胞。然而，常规射线对于这些乏氧细胞并不敏感，如何提高瘤内乏氧细胞的放射敏感性也是肿瘤放疗的一个重要问题。

与常规光子放疗不同，重离子束对肿瘤细胞的杀伤不依赖于氧的存在。因为重离子主要是通过电离形成的高密度二次电子的电离作用导致DNA双键断裂来杀灭癌细胞，重离子的氧增比小，可用于治疗供血不足的乏氧肿瘤。

成像看得见，治癌精度高。这个技能叫作PET在线剂量验证。重离子束与生物组织的原子核相互作用后会产生正电子发射体，利用正电子发射体层技术（PET）进行外部成像，并与治疗计划的CT图像比对，可以对重离子束照射到体内肿瘤的剂量分布进行在线验证，保证治疗的安全性。

正是以上四大技能，将重离子束控制在毫米级范围内，精确有效地杀灭肿瘤细胞，且对周围健康组织的损伤达到最小，特别是对于不宜手术、对常规射线不敏感、常规射线治疗后复发的部分肿瘤，均可接受重离子束的治疗。

如果用一句话概括，那就是重离子放疗精度高、疗程短、疗效好、副作用小。因此，由于自身独特的物理和生物学特性，重离子束被认为是21世纪最理想的放疗射线，通常选碳离子束作为重离子放疗射线。

重离子束治疗：从基础研究走向产业化

现代基础研究到产业应用，往往涉及多学科交叉，需要先进的科学装置，这需要科研团队多年的努力和实验投入。

重离子束治疗得以实现，难度非常大。它需要扎实的研究基础，涉及核物理及其交叉学科的研究，还需要先进的实验装置，能够产生巨大能量离子束流的大型加速器装置。

这也就不难理解为什么国产碳离子治疗系统会诞生于中国科学院近代物理研究所。

多年前，中科院近代物理所就致力于核物理基础研究及相关应用研究，聚集了一大批科研人才，而且实验条件非常好，建成了多代的大型重离子加速器装置。

在这些装置基础上，中科院近代物理所的基础研究工作非常扎实，多个团队开展了大量的细胞试验、动物试验以及临床前期研究，摸清了重离子束流杀伤肿瘤细胞的基本原理，掌握了建设医用重离子加速器的关键核心技术，为我国重离子治癌事业的发展奠定了坚实的基础。

打牢了基础研究的基础，应用研究就比较顺畅。他们开始探索加速器制造业，创立了新技术公司，凭借多年的积累，成为重离子治癌从实验室走向市场的重要桥梁，研制并建成了我国首个具有自主知识产权的医用重离子加速器——中国碳离子治疗系统。

中国碳离子治疗系统由ECR离子源、回旋加速器、同步加速器、治疗终端以及束流传输线组成，拥有60余项专利，其中2项获中国专利优秀奖，采用回旋注入与同步主加速相结合的技术路线以及电荷剥离注入、紧凑型同步加速器、多治疗模式和个性化治疗室布局的独特设计，不仅突破了国外同类产品的技术壁垒，还提高了性价比、降低了运行维护成本，实现了国产重离子放疗设备零的突破。

根据国际和国内重离子治疗癌症研究数据，对于一些肿瘤，使用重离子束放疗是目前损伤最小、效果最好的手段，比如肺癌、肝癌、黑色素瘤、颅底恶性肿瘤、脊索瘤、骨与软组织肿瘤等对常规放射治疗相对不敏感的实体肿瘤。根据临床试验表明，重离子放疗能有效控制分布于头颈部、胸部、腹部及盆腔的肿瘤。

国产碳离子治疗系统凝聚了几代科研人员的心血，实践了一条从“基础研究→技术研发→产品示范→产业化应用”的全产业链自主创新之路，打破我国高端放疗市场被国外产品垄断的局面。

目前，全球共有11家运营中的重离子医院，分布于日本、德国、奥地利、意大利和中国；还有5台在建的治癌专用加速器。全球范围内，重离子医院已累计治疗肿瘤患者约3万人。

碳离子治疗系统只是中科院近代物理所及兰州重离子加速器实验室众多研究成果中的一项。依托兰州重离子加速器，中科院近代物理所已经形成了以重离子科学与技术为核心，既可探索宇宙中元素起源等重大基本科学问题，又能促进能源、材料、生物医学等技术变革的学科群，并取得了一大批原始创新成果。

《光明日报》（ 2021年08月12日16版）

来源：光明网-《光明日报》

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