利用退役鈷源輻照裝置改建成電子加速器輻照裝置的可行性分析

楊斌，張玥，靳健喬，劉釗，唐衛(wèi)東

利用退役鈷源輻照裝置改建成電子加速器輻照裝置的可行性分析

楊斌，張玥，靳健喬，劉釗，唐衛(wèi)東

（天津市技術(shù)物理研究所，天津 300192）

輻射加工是民用非動力核技術(shù)的重要組成部分，在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占有重要地位。目前輻照加工的主要技術(shù)手段有鈷源和電子加速器。由于成本、安全性等問題，鈷源輻照裝置正逐步被電子加速器所取代。討論了利用原有退役鈷源輻照屏蔽裝置改造電子加速器輻照場所方案的可行性，結(jié)果顯示此方案是可行的。

鈷源輻照屏蔽裝置；電子加速器；電子加速器輻照場，改造實施方案

1 前言

輻照加工是民用非動力核技術(shù)的重要組成部分，截至2016-12底，中國從事核技術(shù)應(yīng)用研發(fā)的科研機(jī)構(gòu)、高校和應(yīng)用單位達(dá)400多家。中國同輻協(xié)會統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2015年中國核技術(shù)應(yīng)用產(chǎn)業(yè)的年產(chǎn)值約為3 000億元，是2010年的3倍，年增長率保持在20%左右，總體呈現(xiàn)加速增長態(tài)勢，有望成為當(dāng)前經(jīng)濟(jì)環(huán)境下新的增長熱點。2002—2015年核技術(shù)應(yīng)用年產(chǎn)值增長情況如圖1所示，中國核技術(shù)應(yīng)用2016年各應(yīng)用領(lǐng)域產(chǎn)值分布情況如圖2所示[1]。未來對輻照加工技術(shù)服務(wù)有相關(guān)需求的重點行業(yè)和領(lǐng)域包括新能源產(chǎn)業(yè)、高鐵與軌道交通、造船業(yè)、航空航天、電子信息、先進(jìn)制造業(yè)、農(nóng)產(chǎn)品與食品加工、醫(yī)療用品、環(huán)境治理、公共安全等[2]。可以看出輻照加工與民生息息相關(guān)，是經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展不可或缺的技術(shù)服務(wù)行業(yè)。

據(jù)統(tǒng)計，截至2017年中國已有130座鈷-60γ輻照裝置，設(shè)計裝源量1.7億居里，實際裝源活度約為7 000萬居里。目前中國工業(yè)鈷源的年需求量約為1000萬～1200萬居里，其中，國產(chǎn)源供應(yīng)約為500萬居里，從加拿大進(jìn)口約300萬～500萬居里，從俄羅斯進(jìn)口約100萬～200萬居里。截至2015年底，產(chǎn)值規(guī)模已達(dá)到144億美元，年增長率保持在19%左右。輻照材料改性、醫(yī)療衛(wèi)生用品輻照滅菌燈輻射加工服務(wù)以及輻射技術(shù)裝備領(lǐng)域產(chǎn)值分別達(dá)到72億美元、58億美元及14億美元[1]。

隨著城市擴(kuò)建和人口的增加，許多輻照裝置的地點由建設(shè)時的空曠地帶發(fā)展為繁華城市。如發(fā)生地震、火災(zāi)等安全事故，不僅會發(fā)生卡源、屏蔽結(jié)構(gòu)開裂造成的射線泄漏等安全隱患，同時會引發(fā)極大的社會恐慌。由于工業(yè)用鈷源均為Ⅰ類放射源，對此類放射源的管控日趨嚴(yán)格，放射源購買、退役乃至輻照裝置的建設(shè)與退役都有著嚴(yán)格的審批流程，手續(xù)繁雜、耗費時間長、經(jīng)濟(jì)成本高。在如此高成本和嚴(yán)管控情況下，越來越多的鈷-60輻照裝置將會被退役處理。

圖1 2002—2015年核技術(shù)應(yīng)用年產(chǎn)值增長情況

圖2 中國核技術(shù)應(yīng)用2016年各應(yīng)用領(lǐng)域產(chǎn)值分布情況

本文將探討已實現(xiàn)無限制開放使用的原鈷-60輻照裝置，如其輻射防護(hù)屏蔽設(shè)施完好未受破壞，將其改造成為電子加速器輻照裝置的可行性，以利于鈷-60輻照供應(yīng)商的轉(zhuǎn)型發(fā)展。

2 電子加速器介紹

截至2016年底，中國共有約500座輻射加工用電子加速器，總設(shè)計功率約為35 000 kW。其中地納米加速器約400余臺，高能電子加速器約有47座，高能電子加速器絕大多數(shù)能量為10 MeV。電子加速器是輻照行業(yè)主流技術(shù)發(fā)展方向，用于工業(yè)輻照的電子加速器目前有3種類型。

2.1 地納米加速器Dynamitron

地納米加速器即高頻高壓加速器，其束流能量一般在2～5 MeV，功率為幾十到上百千瓦。地納米加速器主要用于電線電纜的聚乙烯絕緣材料和聚乙烯發(fā)泡塑料的輻射交聯(lián)、橡膠硫化、高強(qiáng)度耐溫聚乙烯熱縮管等。由于地納米加速器體積較大，要求輻照裝置建設(shè)高度達(dá)十幾米，因此不適宜作為本文討論的鈷源輻照裝置改造的加速器類型。

2.2 直線電子加速器Linac

直線加速器通常指利用高頻電磁場進(jìn)行加速，同時被加速粒子的運動軌跡為直線的加速器。按采用的加速波分類，有行波與駐波兩類。

行波加速可使結(jié)構(gòu)設(shè)計成等阻抗或等梯度型，缺點是微波功率在結(jié)構(gòu)中的損耗不均勻。駐波加速結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)穩(wěn)定性的主要途徑是采用所謂的雙周期結(jié)構(gòu)，即除了由負(fù)載形成的周期性加速單元外，還引進(jìn)周期性的耦合單元，調(diào)節(jié)耦合單元的位置和尺寸，提高結(jié)構(gòu)的抗干擾性。

直線電子加速器是本文推薦的適用于鈷源輻照裝置結(jié)構(gòu)改造的加速器類型。

2.3 梅花瓣型電子加速器Rhodotron

梅花瓣型加速器的加速電廠分布在一個圓形諧振腔的徑向，然后借助數(shù)塊磁鐵改變電子束的路徑，從而使電子來回穿過腔體而被電場反復(fù)加速。梅花瓣型加速器單位功率成本低，輻照加工產(chǎn)能大。目前國內(nèi)已有6臺梅花瓣型加速器。

梅花瓣型加速器亦適用于本文所討論的改造方案。而且直線電子加速器、梅花瓣型加速器與鈷源的輻照服務(wù)客戶基本重合，進(jìn)行改造后可延續(xù)原有輻照服務(wù)業(yè)務(wù)。

2.4 電子加速器與鈷源對比

以直線電子加速器為例，將其與鈷-60輻照裝置進(jìn)行比較，情況如表1所示。

表1 直線電子加速器與鈷-60輻照裝置比較

比較內(nèi)容直線電子加速器鈷-60輻照裝置 購買成本約1 500萬元18.8元/居里（200萬居里鈷源成本為3 760萬元） 維護(hù)成本電能及配件損耗鈷-60半衰期為5.3年，每年消耗12.3%，每2年需進(jìn)行一次加源 退役處理僅提交裝置退役申請，退役簡單需進(jìn)行鈷源及輻照裝置退役，根據(jù)放射源數(shù)量退役費用需幾百萬至上千萬元，且手續(xù)煩瑣，耗費時間長 政策政府提倡、引導(dǎo)方向?qū)Ψ派湓吹墓芸厝遮厙?yán)格，中西部地區(qū)不再審批新建50萬居里以下、東部地區(qū)不再審批新建100萬居里以下的鈷源輻照裝置 應(yīng)用范圍應(yīng)用范圍廣（食品、藥品、醫(yī)療器械、高分子材料等）多只用于食品、藥品的消毒滅菌 處理能力輻照劑量率高，穿透能力稍弱于鈷源，對物品包裝要求高。處理速度快，可在幾秒鐘時間內(nèi)完成照射輻照劑量率低，穿透能力強(qiáng)，可處理各包裝類型物品。處理速度慢，需幾小時 射線利用率方向性強(qiáng)，利用率高達(dá)80%以上4π方向發(fā)射，利用率約為20%～40% 安全性安全性高，斷電后無輻射產(chǎn)生安全性低，放射源持續(xù)釋放射線，需進(jìn)行處理 技術(shù)難度技術(shù)難度大，一般加速器制造商提供相關(guān)技術(shù)支持操作簡單

鈷源衰變時放出的兩條γ射線的能量為1.33 MeV和1.17 MeV（1 MeV=1.602×10－13J），1居里的定義為1 s進(jìn)行3.7×1010次衰變，定義1居里鈷源每秒鐘釋放的能量為kJ，則可以計算出：=（1.33+1.17）×3.7×1010×1.602×10－13=1.48×10－2焦耳/（居里·秒）。

1居里鈷源的輸出功率為0.014 8 W，則100萬居里鈷源每秒產(chǎn)生的能量為14.8 kW。即常說的15 kW加速器的輻射加工能力約等于100萬居里的鈷源的輻射加工能力。但實際上由于鈷源向4π方向發(fā)射，其輻照利用率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于加速器輻照裝置，所以15 kW的加速器的實際輻射加工能力要遠(yuǎn)高于100萬居里的鈷源。

3 改造實施方案

3.1 改造實施思路

改造實施的核心是利用鈷源輻照室內(nèi)的水井，將其改造為放置電子加速器機(jī)頭的基坑。鈷源水井是在地面下挖的深井，而工業(yè)用直線加速器機(jī)頭通常懸掛在輻照室頂端。解決好機(jī)頭的放置是改造的關(guān)鍵所在。

由于鈷-60的射線能量是1.33 MeV和1.17 MeV，而目前廣泛使用的電子加速器的能量是10 MeV。一般來說鈷源輻照室的屏蔽墻厚度不足以屏蔽加速器的射線，因此需要將加速器機(jī)頭放置在鈷源水井內(nèi)。由于加速器產(chǎn)生的射線具有方向性，射線指向地面，因此可充分利用大地作為屏蔽體。而地面以上僅有少量折射和反射的射線，鈷源室的屏蔽墻一般足以屏蔽這部分射線。

3.2 改造方法

鈷源水井一般深約7～10 m，需墊高水井底部至深約3～4 m。從水井兩側(cè)開挖斜坡，用于后續(xù)板鏈的安裝。改造前后鈷源水井如圖3、圖4所示。

鈷源裝置一般使用吊箱輸送帶或人工進(jìn)出（靜態(tài)堆碼源）搬運貨物，而電子加速器的束下裝置多為傳送板鏈。在改造過程中，需要根據(jù)實際情況決定水井邊坡的傾角，定制束下傳送裝置，裝置設(shè)置前后擋板隔斷，防止貨物傾斜翻覆。在進(jìn)行水井邊坡開挖前，應(yīng)請有資質(zhì)的專業(yè)建筑設(shè)計院進(jìn)行設(shè)計，防止邊坡開挖破壞建筑穩(wěn)定。

圖3 改造前鈷源水井

圖4 改造后鈷源水井

3.3 改造后加速器輻照室環(huán)境影響預(yù)測分析

3.3.1 電子線環(huán)境影響分析

1980年第三次國際輻射加工會議對電子最大穿透物質(zhì)厚度給出下列公式：當(dāng)＞1.0 MeV時，電子最大穿透厚度=電子/3，為密度，g/cm3，的單位為cm。

以10 MeV電子加速器為例，電子線在鋼筋混凝土（密度取2.35 g/cm3）中最大穿透厚度為1.42 cm，且垂直射向零平面下地坑底部的混凝土，因此在射線直射方向上的完全可以忽略。

3.3.2 天空反散射

電子束產(chǎn)生的韌致輻射光子有可能穿透天花板，再從大氣反散射回地面，在輻照區(qū)的臨近區(qū)域產(chǎn)生輻射劑量。改造后天空反散射是地坑中產(chǎn)生的韌致輻射光子透射過地坑頂部水泥結(jié)構(gòu)蓋板到達(dá)零平面的劑量率，再以一層主機(jī)室零平面的中心點為參考點進(jìn)行估算。經(jīng)計算，在距離輻照區(qū)20 m處地面，天空反散射造成的劑量率為7.46×10－4μSv/h。由計算可知，天空反散射產(chǎn)生的輻射遠(yuǎn)小于項目區(qū)背景值，對環(huán)境影響幾乎可以忽略不計。

4 結(jié)論

由于鈷-60持續(xù)衰變產(chǎn)生射線，即使配有足夠的安全防護(hù)措施，也仍有由地震、火災(zāi)等引發(fā)極小概率放射性泄漏的可能，即使沒有放射性泄漏也有可能造成一定的社會輿論恐慌。電子加速器在斷電后即停止產(chǎn)生射線，在輻射防護(hù)措施到位、按規(guī)程操作的前提下，加速器在安全性方面優(yōu)于鈷源。電子加速器是高端輻照裝備制造業(yè)的發(fā)展方向，也符合供給側(cè)改革的指導(dǎo)方向。與鈷源相比，其處理貨物的效率可以大大提高，而且維護(hù)運營成本較低。

將實現(xiàn)無限制開放使用的原鈷源輻照裝置改造為電子加速器輻照裝置，是對已有資源的充分利用，無需租用土地、建設(shè)廠房。與新建輻照裝置相比，大大節(jié)省了建設(shè)費用和建設(shè)時間，對原有員工進(jìn)行培訓(xùn)后即可上崗。由于改造用時短，可以維護(hù)住原有輻照客戶并拓展新輻照領(lǐng)域的客戶。

因此，將鈷源輻照裝置改造為電子加速器輻照裝置在輻射防護(hù)上是可行的，在改造技術(shù)上也是可行的，是鈷源輻照加工單位實現(xiàn)轉(zhuǎn)型發(fā)展可實踐的一種選擇。

［1］中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會.2016—2017年核技術(shù)應(yīng)用學(xué)科發(fā)展報告［R］.北京：中國科學(xué)技術(shù)出版社，2018.

［2］中國同位素與輻射行業(yè)協(xié)會輻射加工專業(yè)委員會.輻射加工產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃及建議［J］.中國核工業(yè)，2011（1）：34-39.

TL50

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.15.015

2095－6835（2019）15－0044－03

楊斌（1977—），男，碩士，核技術(shù)高級工程師，國家注冊核安全工程師，研究方向為核技術(shù)應(yīng)用、核儀器儀表開發(fā)應(yīng)用。

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕