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“碳-14辐照生产靶件开始出堆！”4月20日13时48分，随着一声令下，工作人员将碳-14靶件从秦山核电重水堆机组中成功抽出。这是我国首次利用核电商用堆批量生产碳-14同位素，彻底破解国内碳-14同位素依赖进口的难题，实现碳-14供应全面国产化。
2024年底开始向市场供货
碳-14是碳元素的一种具有放射性的同位素，被广泛作为示踪剂使用，幽门螺旋杆菌检测是其最具代表性的用途。此外，药代动力学研究、β射线环境监测系统等领域也均需要碳-14。此前，我国碳-14供应几乎全部依赖进口，价格昂贵且供应得不到保障，这已成为下游产业发展的制约因素。
秦山核电专项工程处重水堆研发科副科长樊申20日向记者介绍称，每年国内碳-14幽门螺旋杆菌检测的总需求约为40居里，加之科学研究等其他需求，国内每年需要碳-14约100居里左右。此次秦山核电重水堆产出的碳-14可充分满足国内需求。
据悉，本次碳-14靶件完成出堆后，经后端处理后将于2024年底开始向市场供货。
前后5年联合攻关，迎来历史突破
为实现批量生产碳-14同位素，秦山核电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等单位开展联合攻关。
零的突破，谈何容易。面对国外碳-14生产核心技术的完全封锁，秦山核电决定自主创新攻克技术难关。2019年，碳-14批量化自主生产项目开始谋划，并立下2022年首批靶件入堆、2024年首批产品供应市场的目标。
首要问题是安全。可行性论证分析，专项组的方案就修改了近百遍，最终委托上海核工院，历时8个月发布评估报告，证实项目安全可行。
紧接着，是一道有700多个答案的“选择题”。堆芯功率监测，是确保反应堆安全高效运行的关键，但正常运行时的相关参数均由国外提供，且仅适用于机组发电。专项组依托超算，从碳-14靶件入堆后可能出现的700多种状态中，选出概率最高的一个。
纯度是另一大难题。按照现有技术，靶件材料无法实现100%纯度。专项组与靶件设计方、制造方因杂质浓度能否下调0.000001，争论了近一个月，把纯度提高到现有技术下的极限值。
2022年4月11日，在答复了国家核安全局提出的100多个问题后，秦山核电如愿获得碳-14靶件入堆许可。经过两年多等待，迎来创造历史的时刻。
生产技术属国内首创，可保证稳定供应
秦山核电三厂有两座重水堆机组。与国内外主流的压水堆机组相比，重水堆机组中子通量高、堆内辐照空间大，长期保持高功率稳定运行，可以保证放射性核素的安全生产和稳定供应，既不会影响机组发电能力和安全运行，生产成本也更低。
樊申介绍称，重水堆与压水堆堆芯结构不同，秦山核电的重水堆机组预留有孔道，可以放置碳-14等同位素的生产靶件，而目前国内的压水堆机组基本没有类似设计。同时，重水堆核电机组可以长期保持高功率运行，三厂的2号重水堆近期创造了机组单循环连续运行677天的纪录，这保证了同位素的产量和稳定供应。
在本次碳-14靶件出堆期间，秦山核电还同步开展了堆顶辐照生产同位素装置的安装和调试工作。该装置投入使用后，将具备大规模辐照生产镥-177、钇-90等同位素的能力。此前，秦山核电已实现医用钴-60的批量生产，产品可完全满足国内市场需求。
公开资料显示，包括碳-14在内，用于癌症近距离放疗的碘-125、用于人体器官SPECT显像的钼-99等医用同位素的进口依赖率几乎都达到100%。此次秦山核电的碳-14同位素生产技术属国内首创，被认为将有力带动我国同位素应用产业链发展，进一步建立健全产学研合作开展商用堆辐照生产同位素的研发体系，助推和牵引下游医疗企业高新型核药和核医疗产业研发。
今后，国产碳-14还有望走出去
2021年6月，国家八部委联合发布了《医用同位素中长期发展规划（2021—2035年）》，对我国建立稳定自主的医用同位素供应保障体系，加快医用同位素及产业发展提出具体要求。
碳-14入堆的同时，相关产业布局已紧锣密鼓展开。目前，秦山核电正在与所在地海盐县携手，目标是建设全国最大的同位素生产基地。海盐县经信局局长朱国华20日告诉记者，占地1900亩的海盐核技术应用（同位素）产业园已全面启动建设。该产业园将包含同位素生产基地、核药生产基地以及核技术创新中心、核医疗中心。
朱国华说，国内核医疗和核药产业还处在起步阶段，市场规模还不大。有统计显示，国内仅有0.28%的人群使用核医疗和核药，而这一比例在其他一些国家超过10%。
今后，国产碳-14还有望走出去。“长期以来，中国与沙特在核医学领域保持友好合作关系。此次碳-14出堆，有望让我国的供应更加稳定，也有助于两国开辟新的合作可能。”沙特阿拉伯核与辐射监管委员会成员易卜拉欣说。
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“活泼好动”的同位素、20世纪最重要的发现之一
樊申介绍，碳元素有多种同位素。在地球上，有99%以碳-12的形式存在，常见的如石墨、钻石等，有大约1%为碳-13，至于碳-14就更少了，只有约百万分之一的比例。然而，数量如此之少的同位素，却广泛存在于有机生命体中——包括我们自己的身体，都居住着少量的碳-14。
碳-14到底是如何发现的呢？1940年2月27日清晨，美国化学家马丁·卡门坐在寒冷黑暗的警察局里。警方指控他涉嫌参与前一天晚上发生的一系列谋杀案。但警方无法确定卡门犯了什么罪，因为这位科学家过去3天一直被关在实验室里，和他的同事——美国化学家塞缪尔·鲁本一起，做一个把氘粒子投射到一小块石墨样品上的实验。被释放后，卡门回到实验室，做出了20世纪最重要的发现之一：碳-14同位素。
樊申告诉记者，自然界中的碳-14其实是宇宙射线中的中子撞击空气中的氮-14原子，导致氮-14吸收一个中子、放出一个质子后产生。这也使得它与其他同位素不同，携带了非常微弱的放射性。在卡门和鲁本之后，科学家们进一步确定它的半衰期是5730年，这意味着几乎每6000年，一个有机材料样本（比如骨头或木头）中碳-14原子的数量就会减少一半。因此科学家能够通过这一原理，采集材料样本，分析稳定的碳-12与衰变的碳-14在样本中的比例，得出一些与样本时间有关的结论。
衰变后，碳-14会重新变回氮-14。它们之间可以在漫长的时间里来回转换，所以碳-14也被人们戏称为“好动”的同位素。
年代测定、检测农药残留……事关多门学科的钥匙
利用碳-14这种珍贵的同位素，科学家更容易揭开人类学、考古学和古生物学等众多领域的神秘面纱。
“我们常说的‘碳-14年代测定法’就是很好的例子。”樊申说，当植物、动物死亡后，不会再和环境中的碳进行交换，因此它们本身的碳-14便会不断衰变，只要通过其半衰期就能推算该生物经过了多长时间的衰变，进而知道其被埋藏的时代。
在气候科学中，科学家可以通过研究一个特定的岩石样本中的碳-14数量，从而了解更长时间尺度下，地球上冰川消退的速度。他们还能利用碳-14，跟踪碳循环的轨迹，帮助更好地了解植物如何从大气中吸收碳——这也是一个关键的测量方法，用来模拟气候变化在未来几年的发展情况。
在日常体检中，大家可能会发现一项“碳-14呼气试验”，这正是它被拓展到医学、环保、新药开发、化学反应机理研究等新领域的表现。
樊申介绍，所谓“碳-14呼气试验”，就是在服用一粒小小的胶囊后，从呼出的气体中检测出胃里是否存在幽门螺旋杆菌感染。
这一切，都归功于胶囊中含有碳-14的特殊尿素。胃中的幽门螺旋杆菌会产出高活性的尿素酶，因此尿素会分解成氨和二氧化碳，而含有碳-14的尿素所释放的二氧化碳，也含有碳-14，胃中这些被它标记的二氧化碳会随着血液运输到肺部，这时对呼出的气体进行碳-14收集和检测，就能判断出幽门螺旋杆菌菌落感染情况。
碳-14对人体会有损害吗？在樊申看来，“碳-14呼气试验”的胶囊中，碳-14含量极低。他说：“打个比方，一年中摄入的食物中含有的放射量约为这粒胶囊的182倍。并且含碳-14的尿素在人体内停留时间很短，在48小时内基本会被人体排出体外。”
值得一提的是，碳-14还能让我们安心“吃饭”。在种植农作物时，为了防治病虫害需要适量喷洒农药，但农药一定程度上会被土壤和作物吸收，那么如何检测农药残留呢？原来，在喷洒前的农药中加入碳-14，农药能发出“光亮”。通过特定的仪器设备就能检测农作物上碳-14的含量，从而判断农药的残留量。