20世紀50年代，第一座利用鈾原子分裂產生熱量發電的電站開始運行。今天，大多數人都已經意識到，核能在提供世界低碳電力中占很大比例，也做出了重要貢獻。不過，核技術在民用電力之外的應用鮮為人知。放射性同位素、核電工藝熱和非固定動力反應堆在多個部門都有重要用途，包括消費品、食品和農業、工業、醫藥和科學研究、運輸、水資源和環境。
1、放射性同位素
玻爾(左一)喬治·德·海維西(右一)
同位素的原子核具有相同數量的質子，但中子數量不同。
有些同位素較為“穩定”，隨時間不發生變化。另一些 “不穩定”或具有放射性，因為原子核隨著時間的推移會隨著α和β粒子的丟失而變化。
這就稱為“放射性同位素”，自然衰變原子的屬性，使這些原子在現代生活的許多方面有了多種應用。
1911年，匈牙利人喬治·德·海維西(George de Hevesy)首次實際應用放射性同位素。
當時，德·海維西是一名年輕的學生，在曼徹斯特工作，研究天然放射性物質。由于沒有太多的錢，他住在簡陋的住處，由房東太太提供餐食。
在吃了幾次后，他開始懷疑，一些經常出現的飯菜可能是用前幾天甚至幾周的剩菜做的，但他也不能確定。為了證實他的懷疑，德·海維西在一頓飯的殘留物中加入了少量放射性物質。
幾天后，當同一道菜再次上菜時，他用一種簡單的輻射檢測儀器——金葉驗電器——來檢查食物是否有放射性。
是的，德·海維西的懷疑得到了證實。
歷史已經忘記了房東夫人，但喬治·德·海維西在1943年獲得了諾貝爾獎，1959年獲得了原子和平獎。
他第一次使用了放射性示蹤劑——現在已成為環境科學常用工具。
2、同位素供應
主要同位素供應商為馬林克羅特制藥公司(Mallinckrodt Pharmaceuticals)(愛爾蘭)、MDS Nordion(加拿大)、IRE(歐洲)、NTP(南非)、Isotop-NIIAR(俄羅斯)和澳大利亞核科學技術組織(ANSTO)(澳大利亞)。
核反應堆中制造的大多數醫用放射性同位素，來自相對較少的研究反應堆，包括：
荷蘭佩騰的HFR(通過IRE和Mallinckrodt提供);
比利時Mol的BR-2(通過IRE和Mallinckrodt提供);
波蘭的Maria(通過Mallinckrodt提供);
法國薩克雷的Orphee(通過IRE提供);
德國尤利希的FRJ-2/FRM-2(通過IRE提供);
捷克共和國Rez的LWR-15;
中國成都的HFETR;
南非Safari(由NTP提供);
澳大利亞OPAL(由ANSTO供應至國內市場，2016年出口);
埃及ETRR-2(即將上市：供應國內市場);
俄羅斯的Dimitrovgrad(Isotop-NIIAR)。
在裂變放射性同位素中，絕大多數需求是鉬-99(Tc-99m)，世界市場每年約5.5億美元。
其中約40%由MDS Nordion提供，25%由Mallinckrodt(前Covidien)提供，17%由IRE提供，10%由NTP提供。
超過一半的鉬-99是在兩個反應堆中生產的：加拿大的NRU(30-40%，但于2016年10月停止生產)和荷蘭的HFR(30%)。其余來自比利時的BR-2(10%)、波蘭的Maria(5%)、南非的Safari-1(10-15%)、澳大利亞的Opal(從2016年年中增加到20%)，直到2015年底，法國的Osiris(5%)。
由于維護計劃的不同，每個系統的產量也不同。
俄羅斯渴望增加其在世界供應中的份額，2012年，其放射性同位素生產的66%左右出口。
對于碘-131，75%來自IRE，25%來自NTP。
2012年，全世界對鉬-99的需求量為23,000 TBq，但從那時起，需求量明顯下降到19,500左右。
鉬-99主要由核研究反應堆中的鈾-235靶裂變產生，其中大部分(2016年為75%)使用高濃縮鈾靶。
然后對靶進行處理以分離鉬-99并回收碘-131。
OPAL、Safari和越來越多的其他反應堆(如Maria)使用低濃縮鈾(LEU)靶，這將增加約20%的生產成本。
然而，在醫學成像中，鉬-99本身的成本相對于醫院成本而言很小。
鉬-99也可以通過在反應堆中用中子轟擊鉬-98來制造。然而，這種活化鉬-99的活度相對較低，最大為74 GBq/g(取決于反應堆中可用的中子通量)，而傳統裂變產生的鉬-99的比活度為185 TBq/g或更高。
3、食品和農業中的放射性同位素
IAEA總干事格羅西訪問太平洋共同體太平洋作物和樹木中心(SPC)，
IAEA和FAO正在那里與實驗室合作，通過一種稱為突變育種的核技術提高作物對氣候變化的適應能力。(圖源：D.Candano/IAEA)
聯合國糧食及農業組織(FAO)估計，2014-2016年，約有7.95億人(九分之一)患有慢性營養不良。
食品和農業中使用的放射性同位素和輻射正在幫助減少這些數字。除了直接改善糧食生產外，農業還需要長期可持續發展。
FAO與國際原子能機構(IAEA)合作，在核技術和相關生物技術的協助下，實施提高糧食可持續性的項目。
植物突變育種
植物突變育種是將給定植物的種子或插條暴露于輻射(如伽馬射線)以引起突變的過程，然后培養輻照材料以產生植株。
如果植株表現出所需的性狀，則對其進行選擇和繁殖。標記輔助選擇(或分子標記輔助育種)過程用于基于基因識別所需性狀。
輻射的使用從本質上增強了自發基因突變的自然過程，大大縮短了所需的時間。
利用植物突變育種的國家經常實現巨大的社會經濟效益。
在孟加拉國，通過誘變育種生產的水稻新品種在過去幾十年中作物產量增加了三倍。
在人口快速增長的時期，核技術的使用使孟加拉國和亞洲大部分地區能夠實現糧食安全和改善營養。
化肥
化肥價格昂貴，如果使用不當，可能會破壞環境。
用特定同位素(例如氮-15)標記肥料，可以確定植物吸收了多少，從而更好地管理肥料的使用。盡可能多的肥料被“固定”在植物物質中，并將最低限度的肥料流失到環境中。
昆蟲控制
作物因昆蟲造成的損失估計各不相同，但通常意義重大。
盡管廣泛使用殺蟲劑，但全球損失可能達到10%左右，在發展中國家往往更高。
減少農業中昆蟲的方法，使用轉基因作物，可以使用更少的殺蟲劑。另一種方法是昆蟲不育技術。通過輻射造成昆蟲不育技術(SIT)用于控制昆蟲種群。
SIT涉及飼養大量通過輻射(伽馬射線或X射線)滅菌的昆蟲，并將其引入自然種群，不育昆蟲仍然具有性競爭，但不能產生后代。
SIT技術是一種環境友好型技術，即使在大規模施用農藥失敗的情況下，也已證明是一種有效的害蟲管理手段。
《國際植物保護公約》承認SIT的好處，并將該種昆蟲歸類為有益生物。
SIT最早在美國開發，已經成功使用了60多年。
目前，SIT應用于六大洲。自引入以來，SIT已成功控制了許多知名昆蟲的種群，包括蚊子、蛾、螺旋蟲、舌蠅和各種果蠅(地中海果蠅、墨西哥果蠅、東方果蠅和甜瓜蠅)。
SIT最近一次引人注目的應用是在巴西和更廣泛的拉丁美洲和加勒比地區抗擊致命的寨卡病毒。
三個聯合國組織——IAEA、FAO、世界衛生組織(WHO)——以及相關政府正在許多國家推廣新的SIT項目。
4、消費品和食品
許多常見消費品依賴于少量放射性物質使用。煙霧探測器、鐘表和不粘材料等都在其設計中利用了放射性同位素的自然特性。
如今，放射性同位素最常見的用途之一是在家用煙霧探測器中。其中含有少量镅-241，這是源自核反應堆钚-241的衰變產物。
镅-241發射α粒子，使空氣電離，并在兩個電極之間產生電流。
如果煙霧進入探測器，它會吸收α粒子并中斷電流，從而觸發警報。
食品輻照
大約25-30%收獲的食品在食用前因變質而損失。這個問題在炎熱潮濕的國家尤為普遍。
食品輻照是將食品暴露于γ射線下，以殺死可引起食源性疾病的細菌，并延長保質期的過程。世界各地越來越多地使用輻照技術來保存食品。
全世界有60多個國家出臺了允許在食品中使用輻照的法規。
除了抑制腐敗外，輻照還可以延緩水果和蔬菜的成熟，使其具有更長的貨架期，并有助于控制害蟲。
它控制害蟲和縮短所需檢疫期的能力，是許多國家采用食品輻照做法的主要因素。
5、工業示蹤劑和儀器
放射性同位素被制造商用作示蹤劑，用于監測流體流動和過濾，檢測泄漏，并測量發動機磨損和工藝設備的腐蝕。
在環境中沒有殘留的同時，可以檢測到少量短壽命同位素。
通過向各種工藝中使用的材料中添加少量放射性物質，可以研究各種材料(包括液體、粉末和氣體)的混合和流速，并確定泄漏位置。
檢查和儀器
放射性材料用于在一些行業中檢查金屬零件和焊縫的完整性。
例如，新的石油和天然氣管道系統是通過將放射源放置在管道內和焊縫外的薄膜來檢查的。
在所有必須檢查氣體、液體和固體水平的行業中，廣泛使用含有放射(通常為伽馬)源的儀表。
它們測量材料中吸收的輻射源的輻射量。當熱量、壓力或腐蝕性物質(如熔融玻璃或熔融金屬)導致無法或難以使用直接接觸式儀表時，這些儀表最為有用。
使用放射性同位素精確測量厚度的能力廣泛用于生產板材，包括金屬、紡織品、紙張、塑料等。
6、碳定年和海水淡化
碳定年
馬耳他文物局負責保護該國所有具有文化價值的文物。
馬耳他文物局越來越多地轉向輻射技術，既可以分析古代文物，又可以保護文物。(圖源：Heritage Malta)
分析特定天然放射性同位素的相對豐度，對于地質學家、人類學家、水文學家和考古學家等測定巖石和其他材料的年齡至關重要。
海水淡化
飲用水是可持續發展的主要優先事項。如果無法從溪流和含水層中獲得，則需要對海水、礦化地下水或城市廢水進行脫鹽。
如今，大多數海水淡化都使用化石燃料，因此導致溫室氣體排放量增加。
綜合核海水淡化廠的可行性已被150多年的反應堆經驗證明，主要在哈薩克斯坦、印度和日本。
在商業基礎上大規模部署核脫鹽，并主要為此目的建造反應堆，這將取決于經濟因素
7、醫學
輻射和放射性同位素在醫學中已經廣泛使用，特別是在各種疾病的診斷(鑒定)和治療(治療)中。
在發達國家，每年約50人中有一人使用診斷性核醫學，放射性同位素治療約為這一數字的十分之一。
診斷
放射性藥物是指含有少量放射性同位素的藥物，用于診斷和治療疾病，
需要在仔細控制的條件下生產，并在給患者服用之前進行質量測試。(圖源：S.Slavchev/IAEA)
核醫學中的診斷技術使用從體內發射伽馬射線的放射性藥物(或放射性示蹤劑)。
這些示蹤劑通常是短命同位素。根據檢查類型，放射性示蹤劑要么注入體內，要么吞咽，要么以氣體形式吸入。
放射性示蹤劑的發射由成像設備檢測，成像設備提供圖像和分子信息。
核醫學圖像與計算機斷層掃描(CT)或磁共振成像(MRI)掃描的疊加，可以為醫生提供全面的視圖，以幫助診斷。
與X射線技術相比，核技術的一個優點是可以非常成功地對骨骼和軟組織進行成像。
最廣泛使用的診斷放射性同位素是锝-99m，其半衰期為6小時，給患者帶來非常低的輻射劑量。
這種同位素非常適合追蹤許多身體過程，同時盡量減少患者的不適感。
它們廣泛用于指示腫瘤，并研究心臟、肺、肝臟、腎臟、血液循環和體積以及骨骼結構。
治療
核醫學也用于治療。最常見的是，少量使用放射性碘-131治療癌癥和其他影響甲狀腺的疾病。
放射性同位素在治療中的應用相對較少，但很重要。癌細胞生長對輻射損傷很敏感，輻射可能是外部的(使用鈷-60源的伽馬射線)，也可能是內部的(使用小型伽馬或β輻射源)。
短程放射治療被稱為近距離治療，已成為主要的治療手段。許多治療程序通常是為了緩解疼痛。
靶向α治療(TAT)是一個新的領域，特別是用于控制分散的癌癥。
組織中高能α輻射的短程意味著，一旦載體(如單克隆抗體)將發射α的放射性核素精確地帶到正確的位置，輻射能量的很大一部分就會進入靶向癌細胞。
消毒
醫院使用伽馬輻射對醫療產品和用品進行消毒，如注射器、手套、衣物和器械，高溫消毒容易造成損壞。
今天，許多醫療產品都是用鈷-60源的伽馬射線進行滅菌的，這種技術通常比蒸汽熱滅菌更便宜、更有效。一次性注射器是伽馬射線滅菌產品的一個例子。
由于這是一個“冷”過程，輻射可用于消毒一系列熱敏物品，如粉末、藥膏和溶液，以及用于組織移植的生物制劑，如骨、神經、皮膚等。
輻射滅菌對人類的好處是巨大的，更安全、更便宜，因為它可以在物品包裝后完成。如果包裝沒有破損，那么物品的無菌保質期實際上是無限期的。
除注射器外，經輻射滅菌的醫療產品還包括棉花、燒傷敷料、手術手套、心臟瓣膜、繃帶、塑料和橡膠板以及手術器械。
8、能源運輸
核動力船舶
核能這種清潔動力特別適用于需要在海上長時間不加油的船舶，或用于強大的潛艇。
大約140艘由小型核反應堆提供動力的船舶中，大多數是潛艇，但應用范圍從破冰船到航空母艦不等。
外太空探索
使用隔離式光電管熱發電機(RTG)的核反應堆，放射源衰變產生熱量，通常是钚-238，用于發電。
旅行者號太空探測器、卡西尼號土星探測器、伽利略號木星探測器和新視野號冥王星探測器均由RTG提供動力。
勇氣號和機遇號火星探測器混合使用了太陽能電池板發電和RTG供熱。
最新的火星探測器“好奇號”要大得多，由于太陽能電池板無法提供足夠的電力，它使用RTG進行加熱和供電。
9、其他
核能制氫
高溫氣冷堆碘硫循環制氫原理
在未來，核電站的電或熱可以用來制造氫。氫可以用在燃料電池中為汽車提供動力，也可以燃燒以代替天然氣提供熱量，而不會產生會導致氣候變化的排放物。
水資源與環境
據估計，到2025年，海洋中每三噸魚將含有一噸塑料，到2050年，海洋中的塑料可能比魚多。(圖源：Naja Bertolt Jensen/Unsplash)
環境示蹤劑放射性同位素在檢測和分析污染物方面發揮著重要作用。
核技術已被應用于一系列污染問題，包括煙霧形成、大氣中的二氧化硫污染、海洋排污口的污水擴散和石油泄漏。
水資源
飲用水對生命至關重要，然而，在世界許多地方，淡水一直稀缺。
同位素水文學技術能夠準確追蹤和測量地下水資源的范圍。這些技術為管理和保護現有供水以及識別新水源提供了重要的分析工具。
它們測得有關地下水的來源、年齡和分布，以及地下水和地表水之間的相互聯系，以及含水層補給系統的問題。結果允許對這些水資源進行規劃和可持續管理。
對于地表水，可以提供有關大壩和灌溉渠道滲漏、湖泊和水庫動態、流速、河流流量和沉積速率的信息。
中子探測器可以非常準確地測量土壤濕度，從而更好地管理受鹽度影響的土地，尤其是在灌溉方面。
野生資源保護
白俄羅斯Polesie國家輻射生態保護區的麋鹿幼崽，一個新的IAEA協調研究項目(CRP)旨在
改進關于陸地生物群劑量測定的科學建議，并促進環境保護。(圖源：M.Kudin)
Rhisotope項目正在調查放射性同位素在預防犀牛偷獵中的應用。
威特沃特斯蘭德大學與澳大利亞核科學技術組織(Ansto)、科羅拉多州立大學、Rosatom和南非核能公司(Necsa)合作，正在研究向犀牛角注入微量穩定同位素的可能性，制止偷獵，增加識別和逮捕走私者的機會。
2021年，該項目啟動時，Rosatom表示：“全球各入境口岸安裝了10,000多臺輻射檢測設備，專家們相信，該項目將使犀角等違禁品運輸變得異常困難，并將大大增加識別和逮捕走私者的可能性。”
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