制備125I的堆照循環(huán)回路模擬系統(tǒng)調(diào)試

于寧文，沈亦佳，吳宇軒，鄧新榮，向?qū)W琴，羅志福

(中國原子能科學(xué)研究院 同位素研究所，北京 102413)

125I(T1/2=59.7 d)是碘的一種放射性同位素，通過電子捕獲釋放低能γ射線(27 KeV ，X射線)。由于125I半衰期較長，γ射線能量低，無β-輻射，因而廣泛應(yīng)用于核醫(yī)學(xué)臨床診斷、生物醫(yī)學(xué)研究和腫瘤近距離治療等領(lǐng)域。近年來，125I的醫(yī)學(xué)應(yīng)用得到了迅速發(fā)展。125I通過持續(xù)短距離釋放射線，靶向作用于腫瘤組織，而正常組織不受損傷或微小損傷，以達(dá)到治療目的。臨床上，125I已用于多種惡性腫瘤(頭頸部、消化系統(tǒng)、胸部以及泌尿系統(tǒng)腫瘤等)的近距離放射治療，被認(rèn)為是一種安全有效、并發(fā)癥低的治療技術(shù)。隨著125I的醫(yī)學(xué)應(yīng)用日漸廣泛，國內(nèi)125I的需求快速增長。但目前國內(nèi)125I供應(yīng)完全依靠進口，因此開展醫(yī)用核素125I制備的工藝研究迫在眉睫。

制備125I的間歇循環(huán)回路系統(tǒng)由中國先進研究堆(CARR)內(nèi)輻照部分與反應(yīng)堆外循環(huán)回收部分組成。堆內(nèi)輻照部分包括安裝在反應(yīng)堆孔道內(nèi)的輻照瓶和反應(yīng)堆水池內(nèi)的監(jiān)測儀器；堆外循環(huán)回收部分包括衰變瓶、尾氣凈化裝置和分子泵等。本研究對125I間歇循環(huán)回路系統(tǒng)在CARR安裝和輻照試驗前進行模擬 調(diào)試，擬為建立反應(yīng)堆輻照制備125I回路系統(tǒng)提供參考。

1 實驗原理

大規(guī)模生產(chǎn)125I是利用反應(yīng)堆熱中子輻照124Xe得到125Xe，125Xe衰變產(chǎn)生125I。其核反應(yīng)示于圖1。

a——堆內(nèi)輻照；b——堆外衰變圖1 125I核反應(yīng) a——Irradiation inside the reactor； b——Decay outside the reactorFig.1 Nuclear reaction of 125I

設(shè)計的間歇循環(huán)回路系統(tǒng)工藝示于圖2， 間歇循環(huán)回路[1]是在完全密閉的金屬真空系統(tǒng)中進行間歇循環(huán)操作?；驹硎牵合到y(tǒng)在真空狀態(tài)下，從原料氣瓶放出氙氣(124Xe)充入堆照瓶中，輻照24 h，回收堆照后氙氣(包括125Xe)，待125Xe衰變成125I后分離收集125I，余下的氙氣(124Xe)重新入堆進行循環(huán)輻照。循環(huán)操作完成后，將氙氣(包括125Xe)全部轉(zhuǎn)移到反應(yīng)堆活性區(qū)以外的收集衰變瓶內(nèi)，取下收集衰變瓶回收125I。

圖2 間歇循環(huán)回路系統(tǒng)工藝圖Fig.2 Process drawing of intermittent loop system

2 主要材料與儀器

2.1 原料氣體

天然氙氣：純度99.99%，124Xe豐度為2.4%，核工業(yè)理化工程研究院提供。

2.2 儀器

ZDF-11A1型真空計(真空計Ⅰ)：上海維太真空技術(shù)有限公司；PKR 251型真空計(真空計Ⅱ)：德國Preiffer真空技術(shù)；RHOENIX L300i型氦質(zhì)譜檢漏儀：瑞士oerlikon公司；ATM.1ST型高精度壓力傳感器：瑞士STS傳感器技術(shù)有限公司；FD-110B型分子泵：北京中科科儀股份有限公司。

3 模擬回路調(diào)試工藝

125I間歇循環(huán)回路全部采用金屬連接的密閉高真空循環(huán)系統(tǒng)，模擬的真空系統(tǒng)示意圖示于圖3。依據(jù)中國先進研究堆(CARR)提供的場地條件，建立1∶1的模擬回路系統(tǒng)，進行模 擬真空驗證及氣體轉(zhuǎn)移實驗。在安裝調(diào)試過程中，使用真空計、壓力表和真空壓力傳感器監(jiān)測真空度和壓力，使用氦質(zhì)譜檢漏儀檢測系統(tǒng)泄漏。

3.1 準(zhǔn)備工作

影響管路真空度的因素較多，如材料出氣率、連接部位的泄漏、材料表面清潔度、蒸汽、溫度、濕度等，要去除材料內(nèi)的灰塵和減少真空系統(tǒng)中的大量可凝性蒸汽。在調(diào)試工作前，檢查真空泵狀態(tài)，檢查管路連接及儀表狀況。管路中的閥門等各備件經(jīng)清洗、干燥后置于白瓷盤中備用。將不銹鋼管加工成適宜長度，準(zhǔn)備安裝到管路中。準(zhǔn)備50 L液氮，用以調(diào)試過程中使用。

3.2 真空系統(tǒng)調(diào)試

依據(jù)真空設(shè)計手冊調(diào)試125I間歇循環(huán)回路真空系統(tǒng)[2]。125I間歇循環(huán)回路系統(tǒng)總長約40 m，不銹鋼管路直徑0.95 cm，由標(biāo)準(zhǔn)鈦管通過卡套和法蘭連接形成一條細(xì)長的管路。系統(tǒng)長度遠(yuǎn)大于20倍的管路直徑，為長管路系統(tǒng)。在安裝過程中，采取分段驗證調(diào)試。根據(jù)管路轉(zhuǎn)彎節(jié)點選取距分子泵4 m、18 m、34 m和40 m四個節(jié)點進行真空度測試，真空度達(dá)到10-6Pa后方能繼續(xù)進行，直到系統(tǒng)安裝完畢。

3.3 真空泄漏率測定

第四節(jié)點測試合格后，即完成了125I間歇循環(huán)回路系統(tǒng)調(diào)試，對系統(tǒng)進行泄漏率檢測。氦質(zhì)譜檢漏靈敏度高(10-13Pa·m3/s)，能夠?qū)?很小漏率的產(chǎn)品進行泄漏檢測。選用氦質(zhì)譜檢漏技術(shù)中的噴吹法檢測該管路的氣密性，系統(tǒng)泄漏率按照GB/T 32218—2015的檢測工序[3]：開啟真空泵對管路抽真空，打開檢漏儀，待檢漏本底信號穩(wěn)定后，打開標(biāo)定系統(tǒng)的有效最小可檢漏率，并確定系統(tǒng)的反應(yīng)時間。

圖3 模擬真空系統(tǒng)示意圖Fig.3 Diagrammatic sketch of analog vacuum system

3.4 天然氙模擬實驗

向安裝調(diào)試好的系統(tǒng)中充入不同壓力的天然氙氣，進行循環(huán)回收模擬實驗。根據(jù)堆熱工測算，氙氣在輻照過程中產(chǎn)生的熱量很少，體積膨脹很小。堆照瓶一次充入原料氙氣。為滿足反應(yīng)堆安全的要求，輻照實驗時，堆照瓶內(nèi)最高壓力不超過101.3 kPa，考慮反應(yīng)發(fā)生工況事故時，輻照孔道內(nèi)最高溫度可能升高到200 ℃的極端狀況，確定堆照瓶內(nèi)安全定量最大充氣壓力不超過86.1 kPa。在此條件下，靶材發(fā)熱率和堆照容器表面均滿足安全要求。

4 結(jié)果與討論

4.1 調(diào)試節(jié)點測試

4.1.1第一節(jié)點實驗

按工藝要求將第一節(jié)點管線接入系統(tǒng)。分子泵端為真空計Ⅰ，遠(yuǎn)端輻照瓶上為真空計Ⅱ。開啟真空泵，待電阻規(guī)讀數(shù)穩(wěn)定后開啟分子泵，記錄電離規(guī)讀數(shù)，實驗4次至兩個真空計讀數(shù)達(dá)到相對穩(wěn)定，記錄真空計達(dá)到穩(wěn)定的時間與真空計數(shù)據(jù)。開啟分子泵后的第一節(jié)點測試數(shù)據(jù)列于表1。

表1 第一節(jié)點抽真空測試數(shù)據(jù)Table 1 Vacuum datas of the first test point after turn on molecule pump

本系統(tǒng)為細(xì)長管路，在真空管路內(nèi)氣流有三種基本流動狀態(tài)：湍流、粘滯流和分子流。從表1數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出，真空計Ⅰ的讀數(shù)很快降低至10-6Pa數(shù)量級，管路氣體湍流狀態(tài)很短，很快進入粘滯流狀態(tài)。第一次開啟分子泵后系統(tǒng)抽氣約40 min，真空度達(dá)到較穩(wěn)定狀態(tài)。而隨著泵關(guān)停，第二次到第四次實驗真空度達(dá)到較穩(wěn)定狀態(tài)所需抽氣時間越來越短，符合真空系統(tǒng)特點。

依據(jù)真空設(shè)計手冊，進行系統(tǒng)真空及抽真空時間核算。125I間歇循環(huán)回路真空系統(tǒng)管路總長約40 m。實驗結(jié)果表明管路狀態(tài)為粘滯流，采用粘滯流狀態(tài)進行計算驗證[4]。

計算平均流導(dǎo)用泊稷葉( Poiseuille) 公式

(1)

式中：U是長度為L的管路流導(dǎo)，L/s；D為管路直徑，cm ；L為管路長度，cm；P平為平均壓力，Pa。

計算管路最遠(yuǎn)端真空度：

(2)

式中：P2為管路最遠(yuǎn)端壓力，Pa ；P0為管路初始壓力，Pa；S為真空泵有效抽速，L/s。

計算管路抽真空時間：

1 315 s=22 min

(3)

式中：t為抽氣時間，min ；V為真空設(shè)備體積，L。

計算結(jié)果是理想狀態(tài)下的數(shù)據(jù)，影響管路真空度的因素較多，如材料表面清潔度、蒸汽、溫度、濕度及材料放氣率(不銹鋼的放氣率為3.74×10-4Pa·L/s·m2)等。因此在實際操作中，達(dá)到相應(yīng)真空度需要的時間較長，為了達(dá)到更優(yōu)的狀態(tài)，建議延長煉氣時間。

4.1.2第二、三、四節(jié)點實驗

將系統(tǒng)抽空煉氣48 h后進行真空調(diào)試。同第一節(jié)點測試方法，依次加長系統(tǒng)管路至18 m、34 m和40 m，順序開啟真空泵和分子泵，記錄電離規(guī)的讀數(shù)，實驗4次。第二、第三和第四節(jié)點的測試數(shù)據(jù)列于表2。由表2數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出，管路加長后，系統(tǒng)抽空速率減慢，因此長管路真空系統(tǒng)實際操作中必須有練氣環(huán)節(jié)，否則會降低工作效率。經(jīng)過約1 h，系統(tǒng)的真空度達(dá)到高真空區(qū)域并能保持此真空度水平，表明系統(tǒng)密封性好。

4.2 真空系統(tǒng)泄漏率檢測

每次開啟分子泵抽空系統(tǒng)后，關(guān)閉分子泵維持系統(tǒng)真空狀態(tài)48 h，記錄真空計數(shù)據(jù)[5]，結(jié)果列于表3。

表2 第二、三、四節(jié)點抽真空測試數(shù)據(jù)Table 2 Vacuum datas of the second, the third and the fourth test point after turn on molecule pump

表3 維持真空48 h后的泄漏率Table 3 Leakage rate after 48 hours vacuum maintenance

由表3數(shù)據(jù)結(jié)果可看出，系統(tǒng)維持真空48 h后的平均泄漏率為5.1×10-7Pa·m3/s，相對此系統(tǒng)的體積和長度，系統(tǒng)維持了較好的真空度，符合125I輻照實驗循環(huán)回路對真空度的要求。

4.3 天然氙模擬實驗

4.3.1預(yù)實驗

抽空系統(tǒng)和收集瓶后，關(guān)閉收集瓶和分子泵，打開原料瓶向堆照瓶分別充入20.3 kPa、45.6 kPa和70.9 kPa天然氙氣。待穩(wěn)定后，打開收集瓶回收天然氙，讀取回收壓力值并記錄時間。回收實驗數(shù)據(jù)列于表4。從表4結(jié)果可以看出，逐漸增加氙氣壓力，回收時間有所增加，但都在2 min之內(nèi)，系統(tǒng)運轉(zhuǎn)正常。

4.3.2充放氣實驗

充入86.1 kPa天然氙氣模擬充放氣實驗，與實際125I輻照實驗條件相同，進行多次模擬實驗，以驗證模擬系統(tǒng)。

抽空系統(tǒng)和收集瓶后，關(guān)閉收集瓶和分子泵，打開原料瓶向堆照瓶充入86.1 kPa天然氙。收集瓶的冷阱加入液氮，待收集瓶徹底冷卻后，打開收集瓶回收天然氙，讀取回收壓力值，記錄時間。充入86.1 kPa天然氙模擬回收實驗數(shù)據(jù)。

表4 天然氙預(yù)實驗數(shù)據(jù)Table 4 Pre-experimental datas of nurual Xenon

表5 86.1 kPa天然氙模擬實驗數(shù)據(jù)Table 5 Simulated experimental datas of nurual Xenon (P=86.1 kPa)

由表5實驗數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出，系統(tǒng)對氙氣回收時間需要約120 s。氙氣入堆的堆內(nèi)體積為2.382 L，氙氣的平均回收速率約為0.02 L/s，滿足實際生產(chǎn)需要。

5 小結(jié)

依據(jù)反應(yīng)堆的設(shè)計要求和場地條件，設(shè)計的125I間歇循環(huán)回路經(jīng)模擬驗證，實驗系統(tǒng)密封性好，可實現(xiàn)原料氣體安全和高效的轉(zhuǎn)移，滿足安全設(shè)計要求。影響管路真空度的因素很多，實際操作中，達(dá)到相應(yīng)真空度需要的時間較長，建議延長煉氣時間。本研究開展的系統(tǒng)冷調(diào)試實驗為天然氙在CARR堆輻照制備125I提供了依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] Farr J R, Jawad M H. ASME壓力容器設(shè)計指南[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

[2] 達(dá)道安. 真空設(shè)計手冊(第3版)[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，2004.

[3] 中華人民共和國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會. GB/T 32218—2015 真空技術(shù) 真空系統(tǒng)漏率測試方法[S]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2015.

[4] 馬紅芳，駱彩萍，鮑賢康，等. 真空系統(tǒng)的工藝計算[J]. 化工設(shè)計，2011,21(6)：9-12.

Ma Hongfang, Luo caiping, Bao Xiankang, et al. Process calculation of vacuum system[J]. Chemical Engineering Design, 2011, 21(6): 9-12(in Chinese).

[5] 白國云，廖旭東，陳濤，等. 細(xì)長管道檢測長度對檢漏結(jié)果及效率影響的實驗測試及分析[J]. 真空科學(xué)技術(shù)學(xué)報,2012, 32(12)：1 140-1 144.

Bai Guoyun, Liao Xudong, Chen Tao,et al. Influence of pipeline length on leak detection and efficiency[J]. Journal of Vacuum Science and Technology, 2012, 32(12): 1 140-1 144(in Chinese).