治疗肿瘤的伽马刀终于有了“中国芯” (发表于4年前)

被禁止的用户 · 时间: *2019-10-31 19:09*

它的国产化让治疗肿瘤的伽马刀终于有了“中国芯”

2019-11-01 · 了不起的中国制造
　　作者 | 甘亚平，汽车行业高级工程师、科技爱好者

　　在《辐照工厂大揭秘：原来核技术还能用来干这个》一文中，我们带大家探秘了辐照工厂，辐照厂用到的重要放射源便是钴-60。

　　钴-60是金属元素钴的放射性同位素之一，其应用非常广泛。在农业上，常用于辐照育种、辐照防治虫害和食品辐照保藏与保鲜等；在工业上，常用于无损探伤、辐照消毒、辐照加工、辐照处理废物，以及用于厚度、密度、物位的测定和在线自动控制等；在医学上，常用于癌和肿瘤的放射治疗，是医用伽马刀设备的“心脏”。

　　今天我们就来讲讲钴-60放射源的生产问题。

　　

　　（一）中国的钴-60放射源曾长期依赖进口

　　国际上，商用的钴-60放射源都是利用重水反应堆中子辐照钴-59来制备，充分利用核电站反应堆的富余中子，不额外消耗核燃料，成本比较低。

　　而世界上在运行的核电机组中90%以上都是轻水堆，中国也不例外。这种情况下要制备钴-60，只能利用研究用反应堆小批量生产，需要消耗宝贵的铀235资源，成本非常高，只能保证少量特殊用途，没有市场竞争力，因此中国的钴-60曾长期依赖进口。

　　在2010年前，国际上钴-60放射源的供应几乎完全由加拿大和俄罗斯垄断。加拿大有好几座CANDU核电机组用于生产钴-60，占据80%的市场份额，俄罗斯也利用自己的重水反应堆大量生产。

　　秦山核电站三期工程引进了两台加拿大CANDU-6重水反应堆，这种反应堆满功率运行期间有21根不锈钢调节棒插在堆芯起到调节中子注量率（即中子通量，指单位时间内进入单位表面积的球内或穿过单位截面积的中子数）的作用，如果将它们全部更换成钴-59调节棒组件，就可以大量生产钴-60放射源。

　　

　　CANDU重水反应堆堆芯结构示意图

　　1996年秦山核电站3期工程合同技术谈判期间，中方就要求增加钴-60的生产能力，但是被加方拒绝，1999年在中方的一再坚持下，加方又提出了昂贵的一次性授权收费以及中间产品报销等苛刻的条件，意在保证自身的垄断性市场地位。

　　后来中方又转向俄罗斯寻求技术支持，也被婉言谢绝。

　　外部的技术来源已经完全断绝，中国人只能依靠自身的力量突破钴-60放射源的商业化生产。

　　（二）艰难的开发过程，核安全始终摆在第一位

　　要在引进的大型核电站上进行堆芯反应控制组件的更换，可想而知是件不容易的事情，毕竟核安全无小事，万一因为设计不当引起核安全事故，后果不堪设想。

　　由于加拿大方面并没有授权，相关技术资料也都不向中方公开，需要中方在吸收CANDU核反应堆技术的基础上，依靠国内的技术力量开发利用CANDU反应堆生产钴源的技术。由于项目具有明显的社会和经济价值，2004年国家发改委将其列入国家高技术产业发展计划。

　　前面我们提到，秦山引进的加拿大CANDU-6重水反应堆在满功率运行期间，有21根不锈钢调节棒插在堆芯调节中子注量率，现在要用钴调节棒组件取代不锈钢调节棒组件，需要使它们的反应性控制能力和其替代前后堆芯功率分布完全一致，以保证绝对安全，因此必须遵循与堆芯物理、热工、屏蔽、工艺运输和结构设计的相关要求。

　　

　　不锈钢调节组件（左）和钴调节棒组件（右）对比

　　在总体设计阶段，由于中方没有获得加方的完整技术授权，必须使用替代计算程序进行总体设计计算。为了保证替代计算程序的有效性，国内两家设计机构同步进行平行校算，两个单位背靠背进行了反应堆各种工况下不锈钢调节棒和钴调节棒的参数计算。

　　经过半年的计算，然后技术交流对比，两个团队对一些比较重要的技术问题达成了一致，对比计算达到了预期结果，增强了替代计算程序用于工程设计的信心。

　　为了验证计算结果，在秦山核电站停堆大修期间，工作人员在堆芯热态零功率工况下进行了对比测量试验，实际测量值和计算结果误差很小，充分验证了替代程序的有效性。通过试验验证，充分说明了替代设计程序是可靠的，钴调节棒组件的总体设计方案是正确的，可以替代不锈钢调节组件。

　　总体设计方案通过后，就进入了结构设计阶段。由于现有的绝大部分辐照站都是适配进口钴源，因此秦山三期反应堆生产的钴-60必须采用相同的封装尺寸，钴调节棒的结构尺寸也必须适应这个封装。新设计的钴调节棒组件必须确保和不锈钢调节棒的结构相容性，连接的结构和尺寸相同，以便能够装入反应堆使用。

　　钴调节棒组件在反应堆内部使用，浸泡在重水当中，必须保证绝对的密封性。

　　钴芯块烧结完成后，表面需要镀镍防锈，镍镀层在辐照过程中承受热冲击不能脱落。镀镍后钴芯块采用锆合金管包覆形成钴棒，电子束环缝焊接后管内充低压氦气，最后堵孔焊接，必须保证绝对不漏气，否则重水渗漏后就会失效。

　　钴调节棒组件在设计时还必须考虑到辐照完成后，在热室解体封装成钴-60放射源的操作要求，钴-60具有很强的放射性，必须考虑到操作的便捷性和安全性。

　　

　　热室操作，远程遥控操作以避免辐射伤害（图片来自中核集团）

　　鉴于项目的特殊性，国家核安全局组织专家进行了为期2年的十分详细的安全评审，涉及结构设计、核设计、热工安全、事故分析、钴调节棒组件堆内使用的安全可靠性、更换操作和强放射性物质运输的辐射安全性等全面内容，提出了很多整改意见。

　　2008年7月，国家核安全局批准了整改措施，工业钴-60放射源工业化生产成为可能，整个项目开发过程核安全始终摆在第一位。

　　（三）工业化生产，国产工业用钴源可满足70%国内需求

　　为了实现工业用钴-60放射源稳定生产，工程师和现场操作人员针对每道操作工序编制了详细的操作规程，根据操作规程整理出每个步骤必须的工装清单并进行工装的设计和制造。

　　为了保证万无一失，团队还专门制造了模拟操作台架和模拟钴调节棒组件，通过模拟操作发现问题，然后改进操作规程和专用工具，最终保证了操作过程和工具的有效性。在此基础上，团队还组织员工进行上岗培训，保证员工作业资质。

　　此外，团队针对辐照前钴-59芯块的烧结、镀镍和包壳封装工序制定了完整的质量大纲，编制完成了超过300份质量体系文件，制定了设备合格性、工艺合格性和产品合格性鉴定计划，制定了标准。在质量体系的保证下，大批量生产过程才能稳定可靠。

　　由于中国是第一次进行钴调节棒组件的替代工作，没有任何经验可以借鉴，为了保证绝对安全，国家核安全局又要求增加更换钴调节棒组件后反应堆升功率过程中的对比测量试验，结果证明钴调节棒组件满足要求，并且还留有足够的运行余量。

　　秦山核电站三期两台CANDU重水堆满负荷生产后，每年可以生产600万居里的工业用钴-60辐射源，能满足国内70%的需求并大量出口，社会经济效益非常明显。

　　钴源国产化后，中国成为世界上第三个掌握工业钴-60放射源生产技术的国家，1居里工业用钴-60的进口价格下降了4～5元人民币。

　　（四）再接再厉，突破医用钴源生产技术

　　2010年，工业用钴-60辐射源批量生产后，中国又把目光投向了生产医用钴-60辐射源上。

　　国际上能够生产达到医用要求的高比活度钴-60原料的企业少，产量有限，而国际市场需求却在与日俱增。中国医用钴-60全部依赖进口，原料价格飞速上扬了4～5倍，而且供不应求，拿钱也买不到足够的量，这严重制约了中国医用伽马刀设备的推广使用。

　　要实现更高的比活度要求，钴调节棒组件必须接受更长时间的辐照才行，需要在堆芯停留更长时间。

　　随着秦山三期两台CANDU反应堆的大修间隔从18个月延长到24个月，中国自主生产医用钴源的条件正在成熟。突破工业用钴-60放射源生产技术后，医用钴-60放射源的生产就变得轻车熟路起来，因为钴调节棒组件要在堆芯停留更长时间，钴-59芯块的镀镍，锆合金管包覆、焊接的密封性必须接受更长的耐久测试，不过这已经不是难以逾越的障碍了。

　　医用钴-60市场前景非常广阔，经济效益与社会效益明显。

　　2019年4月秦山核电实现第一批国产医用钴-60原料的自主生产，填补国内技术空白，为医用钴-60放射源国产化、批量化生产奠定了基础。秦山核电三期两台重水堆每年可向市场提供至少50万居里医用钴-60放射源，这将有效促进中国精确放射治疗等产业的发展，促进提升国产伽玛刀设备的国际竞争力。

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