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(dòng)力核技術(shù)的重要組成部分，在國(guó)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(wèn)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?qǐng)鏊桨傅目尚行?，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?qǐng)?，改造?shí)施方案

1 前言

輻照加工是民用非動(dòng)力核技術(shù)的重要組成部分，截至2016-12底，中國(guó)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(guó)同輻協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2015年中國(guó)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(zhǎng)率保持在20%左右，總體呈現(xiàn)加速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，有望成為當(dāng)前經(jīng)濟(jì)環(huán)境下新的增長(zhǎng)熱點(diǎn)。2002—2015年核技術(shù)應(yīng)用年產(chǎn)值增長(zhǎng)情況如圖1所示，中國(guó)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(lái)對(duì)輻照加工技術(shù)服務(wù)有相關(guān)需求的重點(diǎn)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]?？梢钥闯鲚椪占庸づc民生息息相關(guān)，是經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展不可或缺的技術(shù)服務(wù)行業(yè)。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2017年中國(guó)已有130座鈷-60γ輻照裝置，設(shè)計(jì)裝源量1.7億居里，實(shí)際裝源活度約為7 000萬(wàn)居里。目前中國(guó)工業(yè)鈷源的年需求量約為1000萬(wàn)～1200萬(wàn)居里，其中，國(guó)產(chǎn)源供應(yīng)約為500萬(wàn)居里，從加拿大進(jìn)口約300萬(wàn)～500萬(wàn)居里，從俄羅斯進(jìn)口約100萬(wàn)～200萬(wàn)居里。截至2015年底，產(chǎn)值規(guī)模已達(dá)到144億美元，年增長(zhǎng)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(diǎn)由建設(shè)時(shí)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(huì)發(fā)生卡源、屏蔽結(jié)構(gòu)開(kāi)裂造成的射線泄漏等安全隱患，同時(shí)會(huì)引發(fā)極大的社會(huì)恐慌。由于工業(yè)用鈷源均為Ⅰ類放射源，對(duì)此類放射源的管控日趨嚴(yán)格，放射源購(gòu)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(fèi)時(shí)間長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)成本高。在如此高成本和嚴(yán)管控情況下，越來(lái)越多的鈷-60輻照裝置將會(huì)被退役處理。

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

圖2 中國(guó)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(shí)現(xiàn)無(wú)限制開(kāi)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(guó)共有約500座輻射加工用電子加速器，總設(shè)計(jì)功率約為35 000 kW。其中地納米加速器約400余臺(tái)，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(chǎng)進(jìn)行加速，同時(shí)被加速粒子的運(yùn)動(dòng)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(jì)成等阻抗或等梯度型，缺點(diǎn)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(shí)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(gè)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(lái)回穿過(guò)腔體而被電場(chǎng)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(guó)內(nèi)已有6臺(tái)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(duì)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(gòu)買成本約1 500萬(wàn)元18.8元/居里（200萬(wàn)居里鈷源成本為3 760萬(wàn)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(qǐng)，退役簡(jiǎn)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(fèi)用需幾百萬(wàn)至上千萬(wàn)元，且手續(xù)煩瑣，耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng) 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(wàn)居里以下、東部地區(qū)不再審批新建100萬(wàn)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(duì)物品包裝要求高。處理速度快，可在幾秒鐘時(shí)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(shí) 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(wú)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(jiǎn)單

鈷源衰變時(shí)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(jì)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(wàn)居里鈷源每秒產(chǎn)生的能量為14.8 kW。即常說(shuō)的15 kW加速器的輻射加工能力約等于100萬(wàn)居里的鈷源的輻射加工能力。但實(shí)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(shí)際輻射加工能力要遠(yuǎn)高于100萬(wàn)居里的鈷源。

3 改造實(shí)施方案

3.1 改造實(shí)施思路

改造實(shí)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(lái)說(shuō)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(kāi)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(yùn)貨物，而電子加速器的束下裝置多為傳送板鏈。在改造過(guò)程中，需要根據(jù)實(shí)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(kāi)挖前，應(yīng)請(qǐng)有資質(zhì)的專業(yè)建筑設(shè)計(jì)院進(jìn)行設(shè)計(jì)，防止邊坡開(kāi)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(cè)分析

3.3.1 電子線環(huán)境影響分析

1980年第三次國(guó)際輻射加工會(huì)議對(duì)電子最大穿透物質(zhì)厚度給出下列公式：當(dāng)＞1.0 MeV時(shí)，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?gòu)拇髿夥瓷⑸浠氐孛?，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(guò)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(diǎn)為參考點(diǎn)進(jìn)行估算。經(jīng)計(jì)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(jì)算可知，天空反散射產(chǎn)生的輻射遠(yuǎn)小于項(xiàng)目區(qū)背景值，對(duì)環(huán)境影響幾乎可以忽略不計(jì)。

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(méi)有放射性泄漏也有可能造成一定的社會(huì)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(yùn)營(yíng)成本較低。

將實(shí)現(xiàn)無(wú)限制開(kāi)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(duì)已有資源的充分利用，無(wú)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(fèi)用和建設(shè)時(shí)間，對(duì)原有員工進(jìn)行培訓(xùn)后即可上崗。由于改造用時(shí)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(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型發(fā)展可實(shí)踐的一種選擇。

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

［2］中國(guó)同位素與輻射行業(yè)協(xié)會(huì)輻射加工專業(yè)委員會(huì).輻射加工產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃及建議［J］.中國(guó)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(jí)工程師，國(guó)家注冊(cè)核安全工程師，研究方向?yàn)楹思夹g(shù)應(yīng)用、核儀器儀表開(kāi)發(fā)應(yīng)用。

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕