▲国内首套高丰度硼-10同位素分离装置现场。

▲鸟瞰国内首套高丰度硼-10同位素分离装置。

上海化工研究院供图

■本报记者 赵广立

6月22日，夏至刚过。中国科学院院士、先进纤维材料全国重点实验室主任朱美芳自上海抵达山东东营时，已是晚上。匆匆用过晚饭后，她向工作人员提出：“时间还早，能不能现在就去现场看看？”

这个让朱美芳深夜都想要去的“现场”，是坐落在山东合益气体股份有限公司（以下简称合益气体）的国内首套高丰度硼-10同位素分离装置。而合益气体距离她下榻的东营宾馆，不堵车也要半小时车程。

翌日，在高丰度硼-10同位素产业化成果发布会上，朱美芳在致辞中谈起她的“深夜造访”，高度评价道：“非常震撼，不虚此行！”

这套装置到底有何迷人之处，能让年已花甲的朱美芳不辞舟车劳顿、星夜前往？它让化工领域的院士专家感到“震撼”的，究竟是什么？

这还要从硼-10同位素这个核工业的“好朋友”说起。

“两副面孔、难分难解”的硼

自然界中，硼有“两副面孔”——硼-10和硼-11，二者的天然丰度分别约为20%和80%。别看只相差1个中子，硼-10有着极为优异的中子吸收特性，是众多关键领域不可替代的核心战略材料。

硼-10最核心的应用场景在核电领域。上海化工研究院院长商照聪向《中国科学报》介绍，硼-10酸作为中子吸收剂添加到一回路冷却剂中，相比天然硼酸，总用量可大幅减少，能显著降低一回路设备的腐蚀风险，是国产第三代“华龙一号”核电机组的关键材料。

此外，在舰用核反应堆的小型化设计中，硼-10同样不可或缺。在高端医疗领域，肿瘤治疗中著名的“硼中子俘获治疗”法，其中的“硼”就是指硼-10同位素。

硼-10和硼-11是一对“孪生兄弟”，差异极小，但要将高丰度的硼-10同位素“单拎出来”，是一项世界难题。

“硼-10和硼-11仅有1个中子数的差异，两者性质极为相近，分离难度极高。”上海化工研究院精细化工研究所副所长吴高胜告诉《中国科学报》，高丰度硼-10同位素产业化面临多重技术与工程化难点，不仅反应条件苛刻，设备容易腐蚀、结焦，而且分离过程中对设备的稳定性要求极高，控制稍有偏差就难以稳定达标。此外，传统方法提取硼-10的过程能耗、物耗巨大，缺乏经济性。

“工业化生产要解决设备腐蚀、结焦堵塞、能耗物耗高等一系列工程难题，这也是我国半个多世纪以来未能实现稳定量产的核心原因。”吴高胜说。

记者了解到，硼-10的制备技术和市场长期被美国、日本等国外的企业垄断，我国对高丰度硼-10的需求严重依赖进口。近年来，美、日已开始限制硼-10相关产品的出口，国内存在极大的“卡脖子”风险。

我国自上世纪五六十年代便启动硼同位素相关研究，但始终未能攻克高丰度硼-10同位素富集及规模化量产的核心技术，无法稳定产出满足核电级标准的合格产品，这也导致我国在硼-10高端应用领域长期处于空白状态。

因此，莅临活动现场的中国科学院院士、华东理工大学副校长朱为宏向《中国科学报》表示：“国产高丰度硼-10同位素核心技术和关键装置，是我国高水平科技自立自强的典型代表。”

“长三角”搭台，“黄三角”唱戏

6月23日，《中国科学报》记者造访了那个让朱美芳感到“非常震撼”的“现场”—— 一座十多层楼高的连体建筑，一米粗的冷凝管盘旋在楼顶，交换塔与精馏塔整齐排列，整座楼本身就是一套硼-10同位素产业化装置，气势恢宏。

年产百吨是什么概念？“以往这种丰度的硼-10产品，国内只能实现公斤级的生产，且代价非常大。”商照聪对记者说，“该项目仅用一年半时间，就完成了百吨级装置从设计、建设到达产的全流程，实现一次性开车成功。目前，装置已稳定产出25吨合格产品，在国外对我国限售前及时实现了破局。目前，硼-10产品最高丰度达到99.7%，且仍有进一步提升空间。”

从被“卡脖子”到打破国外垄断，再到创下新纪录，其间发生了什么？

这背后，是位于“长三角”的上海化工研究院“搭台”，先行完成硼-10的实验室富集研发，继而完成成套工艺设计，实现高丰度硼-10富集的核心技术突破；再联手位于“黄三角”的合益气体，共同推动硼-10同位素产品工程放大，实现百吨级产业成果落地。

成立于1956年的上海化工研究院，是我国首批重点化学工业研究院，也是国内领先的稳定同位素开发和产业化基地，在同位素领域有着数十年的技术积累，成功开发了氘（重水）、氧-18、氮-15、氖-22、硼-11、碳-13等多种同位素产品。商照聪告诉记者，此次硼-10的成功量产，正是“站在”硼-11分离的“肩膀”上实现的。

他介绍，作为半导体器件制造过程中离子注入的掺杂源，高丰度硼-11是保障高端芯片性能、可靠性及产业链安全的关键战略材料。上海化工研究院与位于黄河三角洲地区的合益气体联手，历时3年成功搭建起“基础研发-工艺优化-规模化量产-产品质控”四位一体的成熟产业体系，在国内首次实现高丰度硼-11的规模化生产，产品指标达到国际先进水平，并成功应用于国内高端半导体企业。

“这为硼-10同位素分离的产业化攻关奠定了基础。”商照聪介绍，硼-11、硼-10的分离均基于化学交换法原理，但硼-10天然丰度更低，且需要长期维持裂解系统的稳定，技术难度更上一个台阶。不过，他们在硼-11电子特气产业化过程中积累的工艺控制、设备防腐、分析检测等技术经验，可直接为硼-10分离提供借鉴，大幅缩短了研发周期。

合益气体是三氟化硼（生产硼-10同位素的原料）行业的隐形冠军。该公司与上海化工研究院联手，共同完成了这个故事的完整拼图。

“为什么上世纪八九十年代就有团队做出了硼-10同位素产品，却一直未能实现产业化？我们深入行业才知道，除了当时的技术相对落后之外，还有两个重要原因，一是缺乏原料供给，二是大量副产品无处消纳。”合益气体总经理刘喜民向《中国科学报》解释说，这些原因使得当时无法实现硼-10的规模化生产，也进一步导致成本高企。“在我们做出来之前，要几千万元一吨，现在几百万元一吨，售价只有原来的1/10。”

“大客户”下场参与产业化落地

硼-10同位素产品的量产，离不开“需求驱动”的力量。

刘喜民透露，此前国内市场对硼-10的需求量不大，依靠公斤级生产和国外进口，这样“缝缝补补的日子”还算过得去；但第三代核电站如“华龙一号”对硼-10的需求量是数十吨级的，国内无法批量供应硼-10的矛盾很快被摆上桌面——尤其是在美、日对硼-10实施出口限制后，国内能否大量供应高丰度硼-10，成为“华龙一号”能否成功的关键。

中国广核集团有限公司（以下简称中广核）经过一年多的调研，最终找到合益气体。三方合作正式拉开帷幕。

刘喜民告诉《中国科学报》，2021年，合益气体与上海化工研究院实现硼-11的产业化，这让中广核看到了硼-10规模化生产的希望。随即，双方就签订了《联合制备国产化硼-10酸产品及质量标准》协议，约定产出的硼-10同位素产品只要通过质量测定，就继续投入放大试验，直到实现规模化量产。在此过程中，中广核提供核电材料应用评价与标准适配支撑，推动产研融合。

这个故事的结局，便是文章开头朱美芳看到的那一幕：高丰度硼-10同位素百吨级产业化装置成功实现稳定量产。

看到这一幕的朱为宏向《中国科学报》表示，硼同位素的应用十分广泛，如核防护材料、癌症治疗、发光材料、集成电路材料等领域。此次硼-10同位素的成功量产，为今后的大规模应用打开了巨大的探索空间。

“本次全球最大产能的高丰度硼-10同位素分离装置建成投产，打破了国外技术封锁，实现了这一战略材料的国产化自主可控，补齐了我国核工业产业链的关键短板。”中国化工学会副理事长兼秘书长方向晨评价说，第三代核电对硼-10用量的需求，推动了这场科技与产业的融合创新；上海化工研究院和合益气体分别作为技术工艺的研发单位和落地转化单位，各自发挥了优势；同时，我国多年来在化工设备、化工机械等配套设施上的进步，也为产业化打下了良好基础。

“关键战略材料的突破，必须走产学研用深度融合的路径，不能停留在实验室。”回顾4年多来硼-10同位素产品从实验室样品到工业化产品的跨越，商照聪感叹道，“要让科研院所的技术优势和企业的工程化、产业化优势深度结合，以终端应用需求倒推技术优化。”

他表示，未来上海化工研究院将依托稳定同位素分离的技术积累，布局更多关键同位素品种的研发，持续突破国外技术封锁，为我国更多战略领域提供自主可控的同位素材料支撑。