科技日报记者 陈瑜 都芃

吞下一颗小小的尿素胶囊，半个小时后，对准集气袋长呼一口气，等待片刻，是否感染幽门螺旋杆菌便一目了然。这种检测方法无痛、无创、快速、简便，已成为幽门螺旋杆菌检验的“金标准”。

该检验背后，一种名叫碳-14的放射性同位素起着至关重要的作用。但长期以来，我国碳-14严重依赖进口，全球仅有少数国家掌握碳-14量产技术。

“为填补这项空白，中核集团秦山核电组建研发团队矢志攻关，历时5年多，在全球首次实现应用商用重水堆机组批量生产碳-14。”秦山核电总经理尚宪和告诉科技日报记者，日前，首批产品从秦山核电基地正式发运投放市场，标志着我国碳-14实现从自主研发、自主生产到市场化供应全产业链贯通。

自主计算中子能量

我们的生活与“碳”密切相关。在自然界中，作为碳元素的同位素之一，碳-14占比微乎其微，却用途广泛。

自2010年起，碳-14市场出现缺口，6年间价格上涨5—10倍，需求仍与日俱增。

要实现大规模供应，只有依赖人工生产，采用反应堆进行辐照是目前最主要的生产手段。由于生产周期长、产量少，国内大部分碳-14来自国外，供应常常会被“卡脖子”。

自2019年起，秦山核电探索利用商用重水堆核电机组批量生产碳-14。

借助反应堆生产碳-14，需要发生中子辐照俘获后释放质子（n,p）反应。秦山核电所属浙江秦山科技有限公司副总经理孟智良将晦涩难懂的反应过程比作打台球：一个中子与一个含有7个质子、7个中子的氮-14原子核发生“碰撞”，中子被氮-14原子核吸收，然后“弹”出一个质子。这时候，氮-14就变身具有8个中子和6个质子的碳-14了。

要实现（n,p）反应，中子能量必须达到一定的阈值。

从理论上讲，重水堆的中子密度高，在相同辐照时间下，更容易发生核反应，可以生产更多碳-14。

然而，重水堆中子虽多，但都是能量较低的热中子，距离阈值要求相差甚远。这种低能量的中子能否引发（n,p）反应，大家看法不一。为了寻找答案，研发团队一头扎进浩如烟海的文献堆里。

秦山核电的两台重水堆为国外引进的堆型，以“交钥匙”的方式建设，试验数据、分析模型以及同位素生产等关键信息都是“黑匣子”。信息碎如星光，团队成员化身信息拼图大师，一点点拼凑与碳-14生产沾边的研究报告和技术档案。

“数月时间转瞬即逝，大家精力已快耗尽，关键的中子能量数据却依旧躲在重重迷雾之中。”孟智良回忆，无路可退时，团队下定决心，“自己算！”

没有现成的模型，就自己搭建。建模不易，验证更难。他们唯一能依靠的参照物，是文献中的数据。每一个模型参数都需要经过数据的反复“拷问”和校准。经历十余轮计算、比对、分析、调整、再计算后，他们最终确定了可靠的模型。

当呈现在屏幕上的计算结果清晰显示热中子可以引发反应时，大家终于长吁一口气：从原理上讲，在商用重水堆生产碳-14完全可行！

独立开发分析方法

确认原理可行后，一个更重要的问题摆在项目团队面前：碳-14靶件入堆后，如何保证反应堆安全？

重水堆是一个非常精密复杂的系统，每一项设计都经过严格论证。

“如果将堆芯比作笔筒，堆芯中的燃料棒就像一支支笔。”秦山核电专项工程处项目支持科副科长樊申打了个形象的比方，“为确保反应堆安全稳定运行，笔的摆放位置都是经过严格计算的。”

将碳-14靶件这支新“笔”插进“笔筒”后，会不会给反应堆运行带来扰动？

要打消疑虑，必须反复论证。

受制于种种因素，联系外方开展分析计算并不现实。面对困难，项目团队只能再次下决心——自己干！

他们从消化以往的计算报告开始，自行开展安全分析评价，核心就是评估靶件入堆及辐照对堆芯停堆参数的影响。

“经过一周左右的头脑风暴，我们梳理出8种基本堆芯状况。在此基础上，再对每种基本堆芯状况进行小变动的影响分析。”樊申说，每种基本堆芯状态要开展的小变动计算多达700多种，并且每次计算都涉及物理和热工耦合，难度极大。

在始终灯火通明的机房内，团队按期完成了近6000种工况的计算模拟，积累了大量试验数据。接下来，大家又马不停蹄地对过往的计算报告进行还原与复现，逐个工况、逐个数据比对有无靶件情况下，各项安全控制参数是否对得上。

周而复始的计算模拟、数据比对……直至每一种工况都符合安全要求。奋战6个多月后，论证终于迎来收官阶段。依托充分的工况模拟、翔实的数据分析，经过反复论证，团队证明了靶件入堆后安全可靠。

创新建立验证体系

原理可行，安全有保证，研制碳-14靶件成为最后一块“硬骨头”。

“靶件入堆后，要经历长时间的辐照，一旦破裂，其内部的辐照材料就会散入堆芯，形成异物风险。”孟智良说，因此靶件研制必须通盘考虑制造、辐照安全以及后端处理便利性等因素。

要生产靶件，首先要解决原材料问题。

研发团队联合上海核工程研究设计院股份有限公司、中核北方核燃料元件有限公司，开展工程设计和靶件研制，并向从事过碳-14生产的单位进行专题咨询，最终确定了以氮化铝粉末作为靶材、以锆合金作为包壳的靶件设计方案。

该方案对杂质含量等指标控制极为严格，甚至个别参数根本没有经过验证的检测方法，这里面就包括化学性质活泼的游离铝。

团队似乎遇到了一座难以逾越的“高山”。

怎么办？他们没有气馁，没有现成的检测方法，就从基本原理出发，从零开始想办法。

一个寂静的深夜，在大家百思不得其解，会议室气氛近乎凝固之际，角落里的一个声音打破僵局：“我们是否可以通过置换法，将游离态铝转变为离子态铝，然后再使用质谱法进行检测。”

这个想法瞬间激起所有人的灵感。

经过几轮头脑风暴，大家认为，这条路虽然艰难，但一定可行。此时，另外一个问题被摆到桌面——作为置换材料的盐类物质家族成员浩繁，谁最合适？

在暂时无法通过理论找到明路时，就尝试用“笨办法”来“大海捞针”。大家没有犹豫，说干就干。经过反复排列、组合、尝试、比较、排除，一款性能优异的置换盐从万千候选者中脱颖而出。

紧接着，团队又先后破解其他杂质元素的检测难题，曾经横亘在精确检测路上的“拦路虎”被一一扫清！靶件顺利面世，碳-14批量生产的最后一个环节被打通。

目前，碳-14被广泛应用于考古、农业、化学、医学和生物学等领域。

“秦山核电的碳-14产能可充分满足国内需求，将有力带动我国同位素应用产业链集聚发展。”尚宪和告诉记者，“下一步，我们将加强原创性、引领性科技攻关，以同位素产业为支点，全力撬动千亿级核技术应用市场。”

（科技日报记者张盖伦、代小佩对此文亦有贡献）