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打破加拿大垄断,出口欧美,中国的这项核芯技术前途不可“钴”量

放大字体 缩小字体 发布日期:2021-08-31 14:07:36   浏览次数:30
核心提示:2021年08月31日关于打破加拿大垄断,出口欧美,中国的这项核芯技术前途不可“钴”量的最新消息:如今的中国人对伽马刀手术应该不再陌生,世界第一台伽马刀是在1967年由瑞典人研制出来的,当这项技术被引入中国,很快便有了重大创新。伽马刀并非通常意义上的手术刀,而是一台机器,它利用


如今的中国人对伽马刀手术应该不再陌生,世界第一台伽马刀是在1967年由瑞典人研制出来的,当这项技术被引入中国,很快便有了重大创新。

伽马刀并非通常意义上的手术刀,而是一台机器,它利用聚焦照射的γ射线对体内病变组织进行单次或多次大剂量照射,从而像手术刀一样精准地摧毁病变,而对周围正常组织没有损害,因此形象地称其为伽马刀。

γ射线又称γ粒子流,是继α、β射线后人类发现的第三种原子核射线,具有很强的穿透力。

伽马刀的γ射线来自于安装在设备内的医用钴-60放射源。

钴-60是金属元素钴的一种放射性同位素,它便是伽马刀技术创新的关键所在,甚至可以说得钴-60者前途不可“钴”量。

一、临渊羡“鱼”,不如自家养“鱼”

钴-60在经济生活中具有广泛的用途,但制备这种放射源却是相当困难的。

首先,人们无法从自然界直接获取钴-60;其次,只有在特定的核反应条件下才能生产出钴-60。

我们平常见到的钴或者自然界中的钴它叫钴-59,它的质子数和中子数一共59个,但是如果在中子辐照的情况下,它会吸收一个中子变成钴-60。

钴-60相对于钴-59而言,它不是一个稳定的原子核状态,既然不稳定就要衰变,衰变过程就释放出γ射线。

2010年之前,中国的工业钴-60放射源依赖进口,当时世界上只有加拿大、俄罗斯等三四个国家掌握着生产技术。

当时,我们从国外进口的价格非常高,2000年左右接近30元人民币一居里,当时我国对钴-60的需求每年大约1000万居里,因此每年都要耗费大量的外汇储备来购买。

实现钴-60放射源的国产化,是中国核技术应用的一个既定目标。

上世纪九十年代初,在与加拿大方面展开合作谈判时,中方就提出在引进重水堆机组的同时,也能引进生产钴-60的相应技术,但掌握此技术知识产权的加拿大公司,却开出了极为苛刻的条件。

加拿大当时处于世界垄断地位,绝大部分钴-60都是在加拿大的重水堆上生产的,因此他们要900万美元的天价技术购买费,而且还要低价包销中国的钴-60产品。

先解释一下“重水堆”和钴-60的关系,它们之间的关系就相当于是水池和鱼的关系,加拿大愿意把“水池”卖给中国,但是不愿意教中国如何在里面养出这种名叫钴-60的“鱼”,如果中国想要这种养钴-60的技术,就得拿900万美元出来购买,更过分的是,最后养出来的钴-60还只许低价卖给加拿大,这样加拿大就可以继续垄断世界钴-60市场。

这当然是不能接受的。

2002年、2003年,我国引进了加拿大技术建造的两台重水堆核电机组,在秦山核电基地相继投入商业运行,这也是我国仅有的两台重水堆的核电机组。

引进技术建造重水堆核电机组,推进了中国核电技术的成长。

同时也带来另一个契机,重水堆反应堆堆芯独特的构造使之有了生产钴-60的独门绝技。

面对国外的核心技术封锁和壁垒,随着秦山核电基地两座重水堆的投入运行,有了“水池”的中国核工业人决定,干脆自力摸索如何在这样的“水池”中养出中国自主的钴-60。

二、自主研发不容易,多部携手共克艰难

钴-60的自主研发主要有几方面的困难,但看起来却很简单。

因为钴-60的生产过程就是把钴-59的调节棒放入重水堆中进行核反应。

首先是要把重水堆中的原不锈钢调节棒换成钴-59调节棒,但是,这需要一个物理设计计算,不是随随便便拿根钴-59调节棒往重水堆里一插就可以的,掌握这个计算能力是前提,然后在此计算基础上生产出的钴-59调节棒才可以使用。

此外,这不是普通的化学反应,在整个反应堆上还要有屏蔽的容器,还有生产出来钴-60后该如何保证储存运输的安全。

这么说吧,整个生产线都是从零开始。

2004年中国核工业集团决定,由核技术应用的专业公司牵头,联合国内的核工业设计和生产单位展开钴-60项目的科研攻关。

其中,研制钴-59调节棒组件的重要任务由中核北方核燃料元件有限公司承担。

从加拿大引进的重水堆的核电机组反应堆的调节棒是不锈钢组件,必须用钴-59调节棒组件来取代它们,但这不是简单的替换问题,而是涉及到材料和金属工艺技术的一系列革新。

调节棒里的核心是钴-59芯块,这个设计对它里面的晶粒度、性能,还有密度都有严格要求。

它是用一种粉末冶金的工艺制备出来的,与普通的金属熔炼工艺大不同,但是粉末冶金的工艺制备有一个问题就是成品密度达不到很高的理论密度。

最后,中国的科研人员采取了一种特殊的方式,很好地解决了它的密度和晶粒度。

钴-59芯块经过反应堆辐照成为高放射性的钴-60,为防止芯块万一掉落金属末污染环境,还要给芯块镀上10微米的镍层。

因此在组装过程中,要提前将钴-59芯块装入锆合金棒,将钴棒进行密封。

最后进行相关的检测之后,才可以进行钴棒束的组装,生产完钴棒束之后,再采取穿“糖葫芦”方式,将钴棒束依次穿入连接部件,然后再用锁紧螺母将组件进行锁紧,这样一个整体的组件就生产完毕了。

经过近四年的研发,2008年8月,第一批符合设计要求的钴-59调节棒组件终于生产出来。

2008年底,首批国产21根钴-59调节棒被放入秦山基地重水堆机组的反应堆。

经过一个循环周期的辐照后,2010年5月27日,这21根钴调节棒安全卸出反应堆,宣告了我国批量生产工业用钴-60同位素获得成功,当把它们挂在乏燃料水池边上,它们发出了优美的蓝光,令人印象非常深刻。

然而,钴-60源具有高强度的放射性,为了保证人员和环境的安全,装载、运输钴-60源的容器,必须要做到高度的屏蔽,还要坚固、防火、防摔,确保万无一失。

2007年中国核电工程公司、北京核工程研究设计院的科研人员便开始研发大容量的钴-60源装载运输容器。

上图就是盛放运输钴-60源的容器,看着很普通,但是它的研发制造涉及了结构工艺、焊接材料、热工、屏蔽、力学等各个专业。

比如力学计算,要保证容器的结构从9米跌落的事故条件下的包容性完好。

还有屏蔽,40万或20万居里的放射性是非常大的,容器便采用了不锈钢铅屏的屏蔽结构。

还有热工,正常的运输条件下它的表面温度不能超过一定的限值,在事故条件下,容器里边的铅不会融化。

在多部门的协同努力下,钴-60同位素实现国产化,打破了国外对钴-60放射源的长期垄断,从而改变我国在钴-60源定价上的被动局面。

2011年,国产的工业的钴-60正式投放市场,目前我们已经在国内占据了70%以上的钴-60市场。

2018年1月份,我们的工业钴源成功地走出国门,出口到英国和加拿大。

三、真的“核芯”技术,前途不可“钴”量

工业钴-60源实现国产化之后,为我国辐照产业的发展注入了新的动能。

钴-60释放高能γ射线的特性除了在医学上用于伽马刀放射治疗肿瘤,还有众多堪称神奇的用途。

辐照加工最大的优点是能在常温产品完好包装下实施深度杀菌,并延长食品和农产品的保存时间,同时,还能抑制土豆、洋葱、大蒜等农作物发芽。

以前的产品里面添加防腐剂的时候,它的保质期最多也就达到6个月左右,进行辐照处理之后,它的保质期能达到9个月。

产品只要通过流水线,依次进入一个密室内,在不用打开包装的情况下,接受核素发出的射线辐照即可,而射线就来自于封闭在室内的工业钴-60放射源。

经过γ射线辐照过的食品,是否会残留放射性物质,从而给食用者带来健康危害呢?

当然不会,它灭菌的原理其实与太阳下晒被子的原理很相似。

太阳下晒被子它、利用的是紫外线,而γ射线不会有任何的残留,而且在辐照的过程中它不会与产品产生任何的反应产生有毒有害物质。

目前全球有70多个国家和地区批准对几百种食品可采用辐照处理,在中国每年的食品辐照总量已超过10万吨。

除了食品,钴-60源发出的γ射线还可以用于更严苛的医疗用品消毒灭菌。

传统医疗用品传统灭菌方法有两种,一类是高压蒸汽,它的成本是比较高的;第二是用化学法(环氧乙烷),它的问题是残留,所以用环氧乙烷灭菌的医疗器械,都要经过检验证明,它的环氧乙烷小于10个ppm(浓度)才能使用,如果高于10个ppm(浓度)的话会对人体有害。

传统的方法与辐照灭菌相比,不经济也不安全。

因为医疗器械是一定要进入人体的,所以它的安全性是头等重要的,辐照灭菌可以确保达到十的负六次方的无菌保证水平,也就是确保这个产品是无菌的。

钴-60除了用于食品杀菌保鲜和医疗用品的灭菌消毒外,在农业、工业上也有着特殊的用途,通过辐射诱变育种,培育高品质高产量的农作物新品种,辐照还能将一些工业材料改性,使这些材料更加坚固耐用和安全,还可以对工业产品内部结构进行探伤检验。

四、终极挑战:医用钴-60源的“中国芯”

创新没有停止,伽马刀产业在中国的发展,使得伽马刀医用钴-60源的国产化、自主化变得更加迫切。

医用钴-60源源和工业钴-60源源最主要的区别就是钴芯块的结构方面,医用钴源的钴芯块的尺寸比工业钴源更小一些,它最小的直径是2.5毫米,医用钴源的规格更多一些,它的比活度要求很高,也就是它的放射性要特别高。

2012年到2013年,秦山重水堆大修周期延长到了两年,钴-59在堆芯内辐照之后,它的源的强度就可以达到医用钴的使用要求。

虽然重水反应堆的辐照具备了条件,但医用钴-60从芯块到调节棒的制造,再到后期钴源的分装,在技术上都需要改造。

2017年4月,研发制造成功的医用钴-60调节棒组件被送入秦山重水堆反应堆,在经过两年的辐照后,2019年4月1日,医用钴-60顺利出堆,这标志着我国通过自主研发成功掌握了医用钴-60生产技术。

生产出来的医用钴-60放射源还要在热室里进行分装,然后装入密封的屏蔽容器,专业运输到伽马刀生产企业装配。

这一举打破了国外高比度医用伽马刀源的垄断地位,同时也大大地降低了伽马刀源的成本,也为国内伽马刀设备的生产厂家解除了后顾之忧。

医用钴-60实现国产化让国产伽马刀装备上了“中国芯”,医用钴源成本的降低,也让中国的伽马刀在国际市场上更具竞争力,中国生产的伽马刀,已出口至摩洛哥、越南、土耳其、美国等国家。

历经15年,中国的核工业人不断求索,不懈努力,相继实现了工业核医用钴-60源自主化、国产化,钴-60源从进口到出口这180度的逆转,是我国提高关键核心技术,自主创新能力又一个精彩诠释。

 
关键词: 核电


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