在中國核工業(yè)集團有限公司核工業(yè)理化工程研究院(以下簡稱核理化院)的實驗室中,有一些小小的透明玻璃瓶,里面裝著需按毫克計算的穩(wěn)定同位素產(chǎn)品。若不仔細觀察,很難發(fā)現(xiàn)它們的存在,但其價值卻遠超同等重量的黃金。
上到航天飛船,下到手機電腦,穩(wěn)定同位素在日常生活中無處不在。近年來,以核理化院為代表的一批科研單位在穩(wěn)定同位素研發(fā)生產(chǎn)中不斷取得突破,為我國產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級、經(jīng)濟社會高質(zhì)量發(fā)展提供了強大“核”動力。
作為核理化院首席專家、穩(wěn)定同位素技術(shù)研發(fā)中心總工程師,謝全新長期從事穩(wěn)定同位素技術(shù)研發(fā)工作,在科研一線深耕,取得多項創(chuàng)新成果。近日,他接受科技日報記者專訪,講述了我國穩(wěn)定同位素產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展壯大的歷程。
“它離我們一點也不遠”
記者:提起同位素,很多人會感到比較陌生。您能否給讀者科普一下什么是同位素?
謝全新:物質(zhì)由原子組成,而原子又由原子核與核外電子組成。原子核里是質(zhì)子和中子。同位素就是質(zhì)子數(shù)相同而中子數(shù)不同的一些核素。但因它們同屬一種元素,在元素周期表中位置是相同的,所以被稱為同位素。
記者:同位素有哪些種類?
謝全新:根據(jù)半衰期長短,同位素可以被分為穩(wěn)定同位素和放射性同位素。如果同位素半衰期超過現(xiàn)在的地質(zhì)時間(約5×109年),就被稱為穩(wěn)定同位素。
放射性同位素的半衰期要短得多。其原子核是不穩(wěn)定的,會在放射出某種粒子后自發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌怂?,這個過程會產(chǎn)生輻射。
穩(wěn)定同位素和放射性同位素并非“井水不犯河水”。如果借助反應堆或加速器,對穩(wěn)定同位素進行輻照,就可將它轉(zhuǎn)變?yōu)榉派湫酝凰?。這也是穩(wěn)定同位素的重要用途之一。
記者:穩(wěn)定同位素似乎離大眾生活很遙遠?
謝全新:不,其實它離我們一點也不遠。比如,體檢時,醫(yī)生可能會檢查我們是否感染了幽門螺旋桿菌?,F(xiàn)在最簡便的檢查方式,就是通過碳的穩(wěn)定同位素之一——碳-13進行呼氣試驗。碳-13擁有超強的標記能力,能給呼出的氣體打“記號”。通過前后對比,醫(yī)生能判定我們是否感染了幽門螺旋桿菌。再比如,硼-11等穩(wěn)定同位素被應用于芯片制造等領域,生產(chǎn)手機、電腦等電子產(chǎn)品都需要它。因此穩(wěn)定同位素實際上被廣泛應用于生產(chǎn)生活,對經(jīng)濟社會發(fā)展非常重要。
記者:近幾年我國穩(wěn)定同位素產(chǎn)業(yè)突然加速發(fā)展,背后原因是什么?
謝全新:在穩(wěn)定同位素研發(fā)和應用領域,相比許多發(fā)達國家,我國起步相對較晚。但經(jīng)過積累,技術(shù)差距正在逐漸縮小。近年來,產(chǎn)業(yè)發(fā)展加速主要原因是我國經(jīng)濟社會快速發(fā)展。
需要穩(wěn)定同位素的產(chǎn)業(yè)大多是高新技術(shù)產(chǎn)業(yè),比如芯片制造、航空航天、核醫(yī)學等。此前,我國相關產(chǎn)業(yè)發(fā)展并不充分,對穩(wěn)定同位素需求小。
近年來,隨著我國產(chǎn)業(yè)升級速度加快,越來越多行業(yè)對穩(wěn)定同位素有了旺盛需求,加之相關技術(shù)水平不斷提升,穩(wěn)定同位素產(chǎn)業(yè)便步入發(fā)展快車道。
記者:需求這么旺盛,我國目前穩(wěn)定同位素生產(chǎn)制造水平能跟上嗎?
謝全新:目前,世界上只有幾個國家或地區(qū)可以大規(guī)模生產(chǎn)穩(wěn)定同位素。如果從穩(wěn)定同位素產(chǎn)品數(shù)量和產(chǎn)業(yè)規(guī)模兩個維度考量,我國已處于世界先進水平。
記者:全球只有少數(shù)國家或地區(qū)可大規(guī)模生產(chǎn)穩(wěn)定同位素,那穩(wěn)定同位素生產(chǎn)的技術(shù)難點主要是什么?
謝全新:高品質(zhì)的穩(wěn)定同位素需具有高豐度和高化學純度,其中涉及的技術(shù)主要是分離和純化。從分離技術(shù)角度看,有的同位素天然豐度極低,比如氙-124,天然豐度只有0.096%,但用戶要求的豐度一般是99.9%以上,也就是說要借助技術(shù)手段把豐度提高1000多倍。從純化技術(shù)角度來說,必須針對目標同位素,建立相應純化工藝和方法。分離的元素不同,純化的工藝和方法不一樣。因此要獲得滿足用戶要求的同位素產(chǎn)品,需突破諸多技術(shù)難點。
“科研就應與產(chǎn)業(yè)同頻共振”
記者:您在穩(wěn)定同位素研發(fā)領域取得多項重要成果,哪項成果您印象最深?
謝全新:印象最深的是研制鍺-76同位素。我們團隊利用不到1年時間,完成了從實驗研究到規(guī)?;a(chǎn)的跨越,滿足了國內(nèi)重大基礎研究對該同位素的需求。
記者:研發(fā)難點主要在哪兒?
謝全新:鍺-76同位素的研發(fā)過程包括研制專用機型、設計分離系統(tǒng)、制備四氟化鍺-76產(chǎn)品、將四氟化鍺-76轉(zhuǎn)化為二氧化鍺-76等步驟。主要難點體現(xiàn)在兩個方面:一是如何突破上述關鍵技術(shù),生產(chǎn)出公斤級的小批量產(chǎn)品;二是在小批量研制基礎上如何進行工藝放大,實現(xiàn)百公斤級產(chǎn)能。
記者:您和團隊是如何突破這些難點的?
謝全新:接到任務后,科研團隊緊鑼密鼓地開展了技術(shù)攻關,利用半年時間突破了關鍵技術(shù),獲得了公斤級鍺-76同位素產(chǎn)品。之后,相關研發(fā)團隊與生產(chǎn)團隊密切合作,順利生產(chǎn)出百公斤級鍺-76同位素產(chǎn)品,滿足了國內(nèi)無中微子雙貝塔衰變實驗對該同位素的迫切需求。
記者:您此前主要從事基礎研究工作,現(xiàn)在則重點面向產(chǎn)業(yè)進行產(chǎn)品開發(fā)。您如何看待科研和產(chǎn)業(yè)的關系?
謝全新:沒錯,我曾長期從事基礎研究工作。2021年核理化院成立穩(wěn)定同位素技術(shù)研發(fā)中心,中心的使命是堅持研產(chǎn)融合發(fā)展,打造世界一流的穩(wěn)定同位素研發(fā)平臺。那一年,我的工作重心發(fā)生了轉(zhuǎn)變。
穩(wěn)定同位素研發(fā)與產(chǎn)業(yè)聯(lián)系緊密。產(chǎn)業(yè)有需求,科研就應與其同頻共振,促進創(chuàng)新鏈與產(chǎn)業(yè)鏈深度融合,避免成果“躺”在論文里。截至目前,核理化院已研發(fā)出20多種穩(wěn)定同位素產(chǎn)品,其中13種同位素產(chǎn)品進入市場。
記者:您認為,穩(wěn)定同位素產(chǎn)業(yè)未來會有哪些新發(fā)展趨勢?
謝全新:總體來看,同位素產(chǎn)業(yè)未來將呈兩種趨勢。
一是應用領域?qū)⒃絹碓綇V。在20世紀80年代,世界上70%的穩(wěn)定同位素用于醫(yī)學、農(nóng)林和食品安全領域。未來,穩(wěn)定同位素將在核能、醫(yī)學、基礎研究、航天航空、半導體等領域得到廣泛應用。
二是同位素產(chǎn)品需求量會越來越大。比如,用于無中微子雙貝塔衰變實驗的鉬-100、鍺-76、氙-136等同位素以及用于核能領域的貧化鋅-64同位素用量有望達到噸級。
記者:著眼未來,目前我國穩(wěn)定同位素產(chǎn)業(yè)還存在哪些發(fā)展瓶頸?
謝全新:我國穩(wěn)定同位素產(chǎn)業(yè)雖然發(fā)展迅速,但目前產(chǎn)業(yè)鏈整體發(fā)展仍不成熟,上中下游沒有完全貫通。此外,一些關鍵技術(shù)也亟待突破,下游應用技術(shù)有的剛剛起步。例如,我國醫(yī)用同位素生產(chǎn)能力不足,大多依賴進口。
記者:針對這些瓶頸,您有哪些建議?
謝全新:首先,要加強頂層設計和產(chǎn)業(yè)布局,以市場需求為導向,打通穩(wěn)定同位素產(chǎn)業(yè)鏈。其次,要加強多種技術(shù)融合發(fā)展,提升科技創(chuàng)新水平,打造產(chǎn)業(yè)核心競爭力。
“培養(yǎng)方式要一人一策”
記者:推動穩(wěn)定同位素發(fā)展離不開優(yōu)秀人才。目前在核理化院,青年人才占比如何?
謝全新:目前青年人才占多數(shù),且已開始挑大梁,組成了實力強、能攻堅的科研團隊。
記者:作為研究生導師,您對人才培養(yǎng)有什么心得?
謝全新:在我看來,研究生教育的主要目的是培養(yǎng)獨立判斷思考、創(chuàng)新解決問題的能力。每位學生的專業(yè)背景、性格和興趣不同,培養(yǎng)方式要因人而異、一人一策。比如,有的學生數(shù)理基礎好,編程能力強,研究的課題就可偏向理論研究。有的學生動手能力強,數(shù)理基礎相對薄弱,研究課題就可偏向?qū)嶒炑芯?。當然無論是理論研究還是實驗研究,只是側(cè)重點不一樣,從事理論研究的學生也應參與實驗,從事實驗研究的學生也需掌握必要的理論知識。
記者:同位素產(chǎn)業(yè)是核工業(yè)的重要一環(huán),聚焦工程領域人才培養(yǎng),您有哪些經(jīng)驗?
謝全新:我認為,實踐對于工程領域人才培養(yǎng)至關重要。目前我們和清華大學開展聯(lián)合培養(yǎng),清華大學學生可以來我們這里做畢業(yè)課題或?qū)嵙暋W生到這里看一看,動手操作一下,和各種設備來個“親密接觸”,或許就能“激活”此前學習的理論知識。
記者:目前,穩(wěn)定同位素領域更需要什么樣的人才?
謝全新:現(xiàn)在穩(wěn)定同位素領域特別需要專業(yè)復合型人才。穩(wěn)定同位素是個“富礦”,還有許多應用場景可挖掘?,F(xiàn)在我國可以生產(chǎn)許多穩(wěn)定同位素,但我們不知道應用場景。挖掘這些場景,需要既懂同位素分離,又懂同位素應用的復合型人才。
記者:從事穩(wěn)定同位素研發(fā)生產(chǎn)需要耐得住寂寞、坐得住冷板凳。我們應如何讓更多青年人才投身這項事業(yè),并且坐得住、出成果?
謝全新:科研領域的任何關鍵技術(shù)攻關或新產(chǎn)品研發(fā)都不可能一蹴而就,需要科研人員發(fā)揚“板凳甘坐十年冷”的精神,沉心靜氣,埋頭深耕。為了讓更多青年人投身這項事業(yè),一方面要引導青年人樹立正確的人生觀、價值觀,鼓勵他們潛心科研;另一方面要健全針對青年科研人員的綜合評價體系,探索建立以創(chuàng)新成果應用、成果轉(zhuǎn)化為主要內(nèi)容的評價指標體系。
記者手記
作為一名總工程師,謝全新可稱得上是一名“儒將”。他的鬢邊已有些花白,說起話來總是笑瞇瞇的,天然帶給人一種親切感。
給記者科普時,謝全新充滿篤定和自信。但一說起自己的工作,他就笑著擺擺手,不愿多聊。而說起團隊的成績,他立馬來了精神,侃侃而談。
“干驚天動地事,做隱姓埋名人”是核工業(yè)人的座右銘,也是謝全新的信條。
在核工業(yè)產(chǎn)業(yè)中,同位素產(chǎn)業(yè)是重要一環(huán),但相關從業(yè)者是幕后的幕后。不過,核工業(yè)人不怕坐冷板凳。
謝全新說,核理化院穩(wěn)定同位素研發(fā)從上世紀80年代末開始,如今已歷經(jīng)三十多年發(fā)展。其間,最艱難時只剩幾人堅守。但這“星星之火”使穩(wěn)定同位素事業(yè)傳承至今,使技術(shù)不斷進步,產(chǎn)品不斷豐富。說到此處,謝全新有些哽咽。
從保障核工業(yè)起步,到如今走向市場面向產(chǎn)業(yè),同位素事業(yè)發(fā)展環(huán)境不斷變化,但不變的是核工業(yè)人對技術(shù)的不倦追求和對初心的始終堅守。
(科技日報記者 都芃)