3吨高丰度硼10同位素可行性分析报告.docx
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3吨高丰度硼10同位素可行性分析报告
耐磨材料“3吨高丰度硼10同位素”
可
行
研
究
报
告
二〇一二年五月
1.
引言
1.1项目背景
本项目来源于国家战略先导专项，中国科学院重点部署项目【项目编号：
KGZD-EW-604-3】.“十三五”期间，在国家科技部及中国科学院的立项支持下，该项目前期已先后完成核心技术及装备研发，小试，中试等工作，所得到的硼10酸样品经中国原子能科学研究院检测中心检测,富集丰度达到了96.5%，技术和质量水平不仅国内领先，而且达到了世界先进水平。
本项目拟在前期工作的基础上，重点研发连续离子交换色谱新技术分离富集高丰度硼10同位素的放大实施相关关键技术及配套核心装备，突破SMB移动床柱色谱连续分离10B和11B同位素放大生产关键技术，掌握全套工艺及相关配套核心装置的放大集成技术，建成国内首条高丰度硼10同位素产业化示范生产线，实现纯度大于85%的高丰度硼10同位素产品的规模化生产。
天然硼元素有两种稳定同位素，即10B和11B，丰度分别为19.3%和80.7%。
10B具有对中子高吸收的独特特性，10B对热中子的吸收截面为3837巴，自然风度的硼对热中子的吸收截面接近于750巴，而11B仅为0.005巴，因此10B对热中子的吸收截面是自然风度硼的5倍还多，是石墨的20多倍，是传统防护材料混凝土的500多倍。
正是由于10B同位素的这种特性，用科技服务社会，促进科技成果转移转化的职责义不容辞。
1.2术语定义
1.同位素概况
1.1稳定同位素
在元素周期表中，原子序数相同，原子质量不同，化学性质基本相同，半衰期大于1015年的元素的同位素，称为稳定同位素。
1913年J.J.汤姆孙和F.W.阿斯顿用磁分析器发现天然氖是由质量数为20和22的两种同位素所组成，第一次发现了稳定同位素。
1919年阿斯顿制成质谱仪，并在71种元素中发现了202种核素，绝大多数是稳定的；后来利用光谱等方法发现了氧、氮等元素的稳定同位素。
地球上已发现的稳定同位素共274种，原子序数在84以上的元素的同位素都是放射性同位素。
常用的有34种，已实现规模生产的稳定同位素及化合物有235U、重水、6Li、10B。
它们是重要的核工业材料或作示踪原子。
元素的同位素组成常用同位素丰度表示，同位素丰度是指一种元素的同位素混合物中，某特定同位素的原子数与该元素的总原子数之比。
1.2同位素分析方法
同位素分析通常是指样品中被研究元素的同位素比例的测定。
它是同位素分离、同位素应用和研究中不可缺少的组成部分。
质谱法 它是稳定同位素分析中最通用、最精确的方法。
它是先使样品中的分子或原子电离，形成各同位素的相似离子，然后在电场、磁场的作用下，使不同质量与电荷之比的离子流分开进行检测。
若用照相底板摄像检测,则称质谱仪。
将离子流收集在法拉第杯电极上,并用静电计测量电流，以能使仪器自动连续地接收不同荷质比的离子，这样的仪器称为质谱计。
这两种仪器不仅能用于气体，也可用于固体的研究。
质谱计能用于几乎所有元素的稳定同位素分析。
核磁共振法 它是稳定同位素分析的另一重要方法。
由于构成有机体主要元素的稳定同位素氘、碳13、氮15、氧17和硫33等的核自旋量子数均不为零，在外磁场的作用下,这些原子核都会象陀螺一样进动,若此时在磁场垂直方向加上一个射频电场，当其频率与这些原子核进动频率相同时，即出现共振吸收现象,核自旋取向改变,产生从低能级到高能级的跃迁；当再回到低能级时就放出一定的能量，使核磁共振能谱上出现峰值，此峰的位置是表征原子核种类的。
磁场强度恒定时，根椐共振时的射频电场频率，可以检出有机体样品中不同基团上的同位素，根据峰高,还可测定含量,但由于其测定灵敏度较低，一般不作定量分析用。
光谱法 利用红外振动光谱中同位素取代引起的谱线位移，可测定氢化合物中的氘含量。
原子吸收、发射光谱等可用于氮等同位素分析,甚至可作铀235浓度的中等精度测定。
气相色谱法 可用于氢、氮、氧等的同位素分析，是一种简单、易行的分析方法。
密度法 一般用于水中氘的同位素分析，其中有比重瓶法、落滴法、浮沉子法等。
1.3硼同位素
天然硼元素有两种稳定同位素，即10B和11B，丰度分别为19.78％和80.22％。
10B具有对中子高吸收的独特特性，10B 对热中子的吸收截面为3837巴，自然丰度的硼对热中子的吸收截面接近于750巴，而11B仅为0.005巴，因此10B对热中子的吸收截面是自然丰度硼的5倍还多。
正是由于10B同位素的这种特性，使得10B同位素的相关产品广泛应用到军用防护、核武器及核工业等军事领域。
2.硼同素分离发展
二战以来,由于原子能工业的发展,反应堆和原子弹需要10B作控制元件以控制中子注量率,因此迫切需要大量的10B,这使得10B的分离得到了较快发展，1944年,出现年产300kg10B的工业生产装置。
据文献报道，富集10B的方法有很多,从分离提纯技术上看,主要分为以下5种:
三氟化硼化学交换精馏法、三氟化硼低温蒸馏法、离子交换树脂法、激光分离法、电磁法。
上述这些方法中三氟化硼低温蒸馏法和三氟化硼化学交换精馏法外,其他几种方法均未能实现工业规模生产。
三氟化硼低温蒸馏法前苏联曾使用过,因能耗大,成本高,现已淘汰。
目前10B的分离以三氟化硼化学交换精馏法为主,其他方法还处于研究探索阶段。
2.1化学交换精馏法的发展
化学交换精馏法分离硼同位素的原理：
同位素分子具有不同的零级能量,零级能量是热力学函数的一个重要参数,热力学函数决定物质的许多物理化学性质,零级能量的变化
[boron-10]硼的一种非放射性的同位素,质量数为10,是慢中子的良好吸收剂,吸收中子时同时发射高能α粒子,可用作盖革计数管的中子辐射的屏蔽硼-10同位素，化学式10B，在核反应堆里用做防护屏，控制棒，也用于治疗癌症。
1.2附件资料
文档名称
签约日期
签约单位
技术开发合作合同
2018年4月
中国科学院青岛生物能源与
过程研究所
环评合同
2018年4月
南京博凡环保科技有限公司
产品购销合同
2018年4月
安徽芜湖核电有限公司
2.市场可行性
2.1市场前景
同位素硼－10（B-10）是一种屏蔽中子和r射线的最好材料，他能有效地捕获中子和r射线，在产品中起到保护人们免受辐射的作用。
因此被广泛地应用在核工业领域以及其他一些特殊行业。
现在国际上美国生产量最多，近几年年产量在3-5吨之间，该产品品牌市场基本被美国所垄断，目前市场上的同位素硼—10行业品牌主要是美国品牌。
2.2产品定位
自然界中硼的天然同位素混合物有二种—硼10和硼11，硼10俘获热中子的能力大约是硼11的8万倍，所以富集的硼10同位素是良好的中子吸收剂，基于此，它在核能、国防工业、医学及科学技术领域具有广泛的用途。
1、核工业方面的应用
硼10同位素产品在核工业领域主要用于反应堆的中子吸收剂或屏蔽材料。
2、军事工业方面的应用
在核动力驱动的舰船上的反应堆中使用硼10可以大大减轻舰船的负载，提高作战能力，如核潜艇以及核动力航空母舰。
把硼10同位素通过冶炼技术融入金属材料里，可以制成硼10同位素的合金钢，而且重量轻。
在保证核燃料为军事装备长期提供动力的同时确保人身安全，提高作战性能。
同时，硼10同位素还可用于服装、玻璃等其他领域的防辐射作用。
3、核医学方面的应用
先将一种含硼（10B）化合物注射到人体，通过血液循环进入，因为选定的含硼化合物与脑瘤具有亲和特性，它只富集在肿瘤中。
由于血脑屏障效应，10B极少甚至不能进入正常的脑组织内。
当用中子束照射患者肿瘤时，10B（n、α）7Li反应生成高传能线密度的α粒子和7Li核，它们能杀死≤10μ范围的肿瘤细胞。
在原理上是任何常规治疗方法无与伦比的。
它能在细胞尺度内（微米级），实现强靶向性、高传能线密度放射疗法，是当前治疗脑胶质瘤的唯一有效方法，90年代以来成为国际核医学界争相研究的热点。
“中子俘获疗法”（NCT）是近代癌症治疗研究的新领域，前景广阔。
。
3.2技术分析
见下表：
4.资源可行性
4.1人力资源
黄焜男博导中国科学院过程工程研究所
研究领域分离科学与工程
冶金分离过程溶液化学与界面化学、纳微结构与界面分子自组装化学、分子光谱与
软凝聚态微观结构化学、稀土与贵金属湿法冶金物理化学、绿色化工分离过程界面
强化新方法新技术和装备研制
教育背景
2006-10--2009-08北京大学博士后
1999-09--2004-12昆明理工大学工学博士学位
1996-09--1999-08昆明贵金属研究所工学硕士学位
1991-09--1995-06中南大学工学学士学位
工作简历
2012-09~现在,中国科学院过程工程研究所,研究员
2009-09~2012-09,中国科学院过程工程研究所,副研究员
2005-01~2006-09,昆明贵金属研究所,主任研究员/高级工程师
1995-07~1996-08,昆明贵金属研究所,助理研究员。
5.经济可行性
5.1投资规划
5.1.1基础投资
●房屋和办公设施；公司已有（固定投资1.1亿左右）
5.1.2直接投资
系统
预算：
万元
制水系统
600
配料系统
800
分离系统
5500
浓缩结晶系统
500
干燥系统
200
除杂系统
800
除盐系统
400
吸收系统
200
输送系统
500
中控系统
2000
通风系统
500
硼酸丰度测定实验室
500
合计
12500
原辅料名称
预算：
万元
离子交换树脂
2500
硼酸
500
氢氧化钠
150
盐酸（37%）
50
纯水（自制）
300
合计
3500
共计投资：
3亿元（含每年技术团队服务费用及厂房固定投资等）
5.2收益分析
实施项目，建成年产3吨级硼10同位素，硼10丰度达到80%以上价格在500/克，当硼10丰度达到95%以上，价格是1800-2000/克.按照最低丰度40%以上所以年产4吨，年产价值在14亿，利润是总投资的3.6倍，若将丰度达到95%以上，则效益更可观。
所以该项目的实施会取得很好的经济效益和社会效益。
5.3投资收益率
360%
5.4投资回收期
约两年半年左右即可收回成本。
6.社会可行性
为了实现党的号召，“十三五”国家战略性新兴产业发展规划，新兴产业代表新一轮科技革命的方向，是培育新能源新材料，获取未来竞争新优势的关键领域。
“十三五”时期，要把战略性新兴产业摆在经济社会发展更加突出的位置，大力构建现代产业新体系，推动经济社会持续健康发展。
以全球视野前瞻布局前沿技术研发，不断提高科学技术，在核技术核心领域取得更大突破，高度关注颠覆性技术和商业模式创新，在若干战略必争领域形成独特优势，掌握未来产业发展主动权，为经济社会持续发展拓展战略空间.
在现代医疗方面，硼10同位素用于癌症的治疗。
将含有硼10同位素的药物注射到患者病灶处，然后用中子束照射硼10后，产生a射线和7Li，这种a射线可以有效的杀死癌细胞，对人体的正常组织伤害非常小。
10B作为治疗癌症的重要中间体原料，用于治疗神经胶质瘤和黑色素瘤已经取得临床突破。
在核电领域方面，硼10同位素可用做核裂变键式反应的有效控制材料，制成反应堆控制棒，可用于控制中子注量率和核反应堆的反应速度，使核反应堆稳定，安全运行。
硼10同位素对强辐射高周期元素形成的伽马射线具有良好的阻挡作用，可用作核反应堆的防护材料，起到屏蔽核辐射的作用，基于反应10B+n→[11B]→7Li→+4He，10B可制成中子计数器。
6.1法律可行性
该产品没有侵权或者抄袭等违法情况，已经被中国科学院青岛生物能源与过程研究所申请过专利，故可行。
6.2政策可行性
无国家政策限制，也无地方政府（或其它机构）的限制。
6.3使用可行性
本项目来源于国家战略先导专项，中国科学院重点部署项目【项目编号：
KGZD-EW-604-3】.“十三五”期间，在国家科技部及中国科学院的立项支持下，该项目前期已先后完成核心技术及装备研发，小试，中试等工作，所得到的硼10酸样品经中国原子能科学研究院检测中心检测,富集丰度达到了96.5%，技术和质量水平不仅国内领先，而且达到了世界先进水平。
本项目拟在前期工作的基础上，重点研发连续离子交换色谱新技术分离富集高丰度硼10同位素的放大实施相关关键技术及配套核心装备，突破SMB移动床柱色谱连续分离10B和11B同位素放大生产关键技术，掌握全套工艺及相关配套核心装置的放大集成技术，建成国内首条高丰度硼10同位素产业化示范生产线，实现纯度大于85%的高丰度硼10同位素产品的规模化生产。
天然硼元素有两种稳定同位素，即10B和11B，丰度分别为19.3%和80.7%。
10B具有对中子高吸收的独特特性，10B对热中子的吸收截面为3837巴，自然风度的硼对热中子的吸收截面接近于750巴，而11B仅为0.005巴，因此10B对热中子的吸收截面是自然风度硼的5倍还多，是石墨的20多倍，是传统防护材料混凝土的500多倍。
正是由于10B同位素的这种特性，用科技服务社会，促进科技成果转移转化的职责义不容辞。
7.评价过程
7.1评价标准
根据该项目产品前期投入的人力、资源、时间与资金，跟预计带来收入和收回成本时间做衡量与比较，可以大约计算出该项目产品的可行性分数，标准如下：
0－6分，可行性为低
6－8分，可行性为中
8－10分，可行性为高
7.2评价结果
可选择对各项指标采用10分制进行定量加强平均。
如下表形式：
名称
权重
得分
评价
备注
市场可行性
20%
8
中
技术可行性
20%
8
中
资源可行性
10%
7
中
经济可行性
30%
8.5
高
社会可行性
20%
9
高
整体可行性
100.00%
8
高
8.结论
根据该项目产品前期投入的人力、资源、时间与资金，跟预计带来收入和收回成本时间做衡量与比较，可以大约计算出该项目产品的可行性分数约为8.5分。
所以，在各方面衡量之后得出结论是：
可以立项。
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