退役伽馬刀放射源制備工業(yè)鈷源的輻照應(yīng)用

秦磊

（中核比尼（北京）核技術(shù)有限公司，北京100000）

廢舊放射源是指不打算用于初始目的的放射源[1]。廢舊放射源雖然已不再使用，但仍有放射性，甚至活度還相對較高。對于已經(jīng)收貯入庫或者交回生產(chǎn)單位的廢舊放射源，最終處置顯然不是最好的解決方式。我國輻射安全監(jiān)管部門在促進(jìn)廢舊放射源收貯、規(guī)范放射性廢物管理的同時，積極鼓勵廢舊放射源的回收再利用，以減少放射源最終處置的環(huán)境負(fù)擔(dān)[2]。

成都中核高通同位素股份有限公司（以下簡稱高通公司）聯(lián)合中核比尼（北京）核技術(shù)有限公司（以下簡稱比尼公司）、中核同輻(四川)輻射技術(shù)有限公司（以下簡稱四川輻照）就現(xiàn)有退役醫(yī)用鈷-60 放射源回收再利用項目提出解決方案。該方案包括新型源的設(shè)計定型、相關(guān)的安全分析、工藝的評定、放射源的生產(chǎn)、儲運容器的設(shè)計更改和相關(guān)申報備案工作。比尼公司負(fù)責(zé)放射源源架、盛源框及其他相關(guān)部件的修改設(shè)計及裝源后的劑量場的分布分析，四川輻照負(fù)責(zé)輻照源在輻照站內(nèi)試驗。

本文著重研究放射源源架、盛源框、裝卸源工作臺、長桿工具以及試驗操作平臺的設(shè)計。

1 項目背景

高通公司是最先開始致力于發(fā)展廢舊放射源回收再利用技術(shù)的公司之一。近年來高通公司持續(xù)回收儲存近4700 多枚醫(yī)用伽瑪?shù)斗派湓?，全部存放在公司儲源鉛罐內(nèi)，給公司的鉆-60 伽瑪?shù)斗派湓纯沙掷m(xù)生產(chǎn)造成很大壓力。為此，高通公司聯(lián)合比尼公司與四川輻照共同研發(fā)醫(yī)用鈷-60 放射源改造工業(yè)放射源以及改造后工業(yè)放射源的輻照應(yīng)用。

該項目計劃分為三個階段實施：

1.1 第一階段為設(shè)計階段。包括完成新型輻照源盛源框、裝卸源工作臺、長桿工具、試驗源架、源架升降設(shè)備和試驗操作平臺等設(shè)施。

1.2 第二階段為工廠樣機制造和試驗階段。為了安全穩(wěn)妥地推進(jìn)這個項目，確保不發(fā)生卡源、落源等重大事故，同時也為了減少試驗對正常生產(chǎn)活動的影響，盛源框、源架和裝卸源工具等新研發(fā)的設(shè)備在進(jìn)入四川輻照站貯源井內(nèi)測試之前，必須經(jīng)過試驗操作平臺進(jìn)行試驗，將事先考慮不周的問題暴露出來，針對性的進(jìn)行進(jìn)一步修改完善予以解決。

1.3 第三階段是在四川輻照站內(nèi)測試，通過真實場景下操作使用，最終驗證該項目的可行性。

本論文重點研究第一階段，即設(shè)計階段的研究。

2 設(shè)備設(shè)計

四川輻照目前鈷-60 放射源活度為57 萬多居里，采用了由比尼公司提供的BFT 型輥道輸送式伽瑪輻照裝置，設(shè)計容量為400 萬居里。其源架共有2 臺，每臺源架能容納12 個盛源框，每個盛源框可放置50 根CN-101 或C-188 規(guī)格的鈷-60 工業(yè)輻照源。目前四川輻照使用的工業(yè)輻照源規(guī)格為CN-101 包殼，如圖1，密封源外包殼管和端塞材料均采用316L 不銹鋼，外包殼管：φ9.68*0.64mm（壁厚），內(nèi)包殼管：φ8.0*0.64mm（壁厚）。

圖1 CN-101 型工業(yè)輻照源

高通公司設(shè)計的由退役醫(yī)用鈷-60 放射源改造的新型工業(yè)鈷-60 放射源結(jié)構(gòu)整體尺寸為φ17.5*451.5mm，如圖2、圖3所示。

高通公司設(shè)計的由退役醫(yī)用鈷-60 放射源改造的新型工業(yè)鈷-60 放射源結(jié)構(gòu)整體尺寸為φ17.5*451.5mm，與現(xiàn)有CN-101 放射源相同，僅源棒活性區(qū)及兩端的端塞直徑略有不同。因此，輻照裝置中與放射源配合的設(shè)備均需要重新設(shè)計。

圖2

圖3

2.1 盛源框的設(shè)計

由于新型工業(yè)鈷-60 放射源的外形尺寸將明顯大于原來的CN-101 工業(yè)放射源?，F(xiàn)有的盛源框（如圖4、圖5）結(jié)構(gòu)尺寸無法容納新型輻照源，不能直接利用。因此需要開發(fā)新的盛源框。對于輻照企業(yè)而言，原有的工業(yè)輻照源還要繼續(xù)利用，這就要求兩種源棒可以在一臺源架上同時使用。

比尼公司設(shè)計建造的BFT 型γ 輻照裝置中，不是將工業(yè)鈷-60 放射源直接裝入提升源架，而是事先通過放射源排源軟件計算分析，然后按照排源軟件計算的最優(yōu)設(shè)計將工業(yè)鈷-60放射源源棒放入盛源框，最后將盛源框放入源架。盛源框在輻照裝置中起到“承上啟下”的作用，既承載放射源，又裝入提升源架。在本項目中，根據(jù)新型工業(yè)鈷-60 放射源尺寸重新設(shè)計的盛源框能否和可以存放標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)鈷源盛源框在源架共架布置決定了該項目是否可行。

圖4

圖5

按照新型工業(yè)鈷-60 源結(jié)構(gòu)整體尺寸為φ17.5*451.5mm考慮，對盛源框進(jìn)行重新設(shè)計，其外形尺寸基本保持不變，仍可適應(yīng)現(xiàn)有的源架滑槽結(jié)構(gòu)。新設(shè)計的盛源框方式分為兩種：一種為彈夾型，如圖6 所示；另一種為試管架型，如圖7 所示；根據(jù)試驗結(jié)果，選取一種更適合應(yīng)用于現(xiàn)有輻照裝置的盛源框。

圖6 彈夾式盛源框

圖7 試管架式盛源框

彈夾型盛源框的優(yōu)點是源棒緊密排列，源棒在彈夾型盛源框中完全做到了只有非活性部位及兩頭11.1mm 直徑的端塞與源架金屬接觸，這樣在源架長期升降運動過程中，只有兩端受到磨損，杜絕了活性區(qū)包殼磨損的可能性。其缺點是初裝源時就填充了大量“假源棒”，以后隨著新源的補充，假源棒被不斷地替換下來，在加新源時工作量比較大。由于新型源棒尺寸變化較大，在盛源框外形與原有盛源框基本一致的情況下，彈夾型盛源框容納新型放射源的容量為30 根左右，而裝CN-101 工業(yè)放射源的成員框可以裝50 根源棒。

試管架型盛源框的優(yōu)點是裝卸調(diào)整某根源棒時，不必擾動其所在盛源框的其他源棒，在裝卸放射源時工作量相對彈夾式盛源框較少。但其缺點是試管架型盛源框的源架排源時除了考慮劑量場還要考慮源架兩側(cè)重量要均衡，否則源架會向稍重的一側(cè)傾斜，長期運行會加劇源架導(dǎo)向部件和鋼絲繩的磨損。試管架型盛源框外形與原有盛源框基本一致的情況下，容量為20根左右。

通過對盛源框的重新設(shè)計，兩種新型盛源框與原有的盛源框可以同時存放在現(xiàn)有源架內(nèi)，這就使得新型放射源在設(shè)計階段可以成功的應(yīng)用于現(xiàn)有輻照裝置中，不給企業(yè)增加過多的經(jīng)濟負(fù)擔(dān)就可以應(yīng)用新型放射源；并且三種盛源框可隨意排列、隨意互換，以便更好地配置源棒排列，獲得理想的劑量場分布。

2.2 裝卸源工作臺

裝卸源工作臺主要是用于輻照站加入新放射源以及提升裝置維修、更換零部件時對放射源及盛源框進(jìn)行操作的工作臺。平時存放于庫房，需要使用時放入貯源井，操作人員站在貯源井井邊使用長桿工具進(jìn)行操作。

新設(shè)計的盛源框在外形主要尺寸上與原來的盛源框接近，但其厚度、結(jié)構(gòu)和重量已經(jīng)發(fā)生了明顯的改變，現(xiàn)有的裝卸源工作臺（如圖8）已經(jīng)無法對其進(jìn)行操作，必須在現(xiàn)有的裝卸源工作臺基礎(chǔ)上設(shè)計一款新的裝卸源操作平臺，使其能同時對三種不同的盛源框進(jìn)行操作。

為了適應(yīng)新的盛源框，在現(xiàn)有裝卸源工作臺構(gòu)架的基礎(chǔ)上保持已有功能，對其進(jìn)行改造設(shè)計。在保證原尺寸不變的基礎(chǔ)上，減少源棒花籃暫存區(qū)的空間，增加試管型盛源框操作區(qū)以及額外兩個新型盛源框暫存區(qū)。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計既適應(yīng)了新的盛源框暫存，還增加了試管型盛源框的操作空間，同時還適用于現(xiàn)有BFT 型輻照裝置，無需修改其他裝置的設(shè)計結(jié)構(gòu)，就可以成功的進(jìn)行放射源裝卸、更換的操作，提高了設(shè)備的兼容性以及實用性。圖9 為新設(shè)計的裝卸源工作臺。

圖8

圖9

2.3 長桿工具

長桿工具是操作人員站在貯源井邊進(jìn)行井下設(shè)備操作的工具，特別是在裝卸源過程中，利用長桿工具在裝卸源工作臺上進(jìn)行裝卸源操作。由于新型伽馬刀放射源改造的工業(yè)放射源尺寸較CN-101 放射源棒比，直徑有所增加，因此對應(yīng)操作放射源長桿工具也需要進(jìn)行部分重新設(shè)計。

針對新增加的試管架式和彈夾式兩種盛源框以及新源棒直徑的變更，目前BFT 裝置的長桿工具不能滿足完成對源棒以及盛源框的所有操作，需要增加工具的種類。增加的工具主要包括：

（1）新盛源框夾具，用于拾取和釋放厚度增加的新盛源框；

（2）盛源框鎖板操作工具：用于開關(guān)新的彈夾型盛源框鎖板；

（3）源棒夾鉗，用于在垂直狀態(tài)下夾取大尺寸的新源棒；

（4）大源棒叉：用于操作大尺寸的新源棒。

2.4 試驗操作平臺

配套新型放射源再利用項目的盛源框、裝卸源工作臺以及長桿工具加工完成后需要在現(xiàn)有輻照站中驗證其可行性。倘若直接將上述設(shè)備放入輻照站中進(jìn)行試驗驗證，若試驗過程中出現(xiàn)源架卡組，盛源框不能正常出入提升源架，或者設(shè)備設(shè)計、加工過程中存在問題，都會有很大的安全隱患。從安全角度考慮，該項目需要設(shè)計制造一個試驗操作平臺，如圖10 所示，將新型放射源的模擬源棒、盛源框、提升源架、放射源工作臺，長桿工具等集中于該試驗操作平臺上先期進(jìn)行模擬試驗。

通過試驗操作平臺可以模擬源架上升、下降等完整過程，觀察其在運動過程中是否平穩(wěn)、順暢；源架在偏載時其導(dǎo)向裝置與導(dǎo)向鋼絲繩的摩擦情況；在快速升降或停止時（如迫降，發(fā)生卡阻），源架和盛源框的沖擊震動情況，源棒是否仍舊能夠被有效地約束而不散落等等。試驗過程可以檢查設(shè)備的設(shè)計以及制造過程可能出現(xiàn)的問題，杜絕直接將新設(shè)備放入現(xiàn)有輻照裝置中可能存在的安全隱患。

圖10

平臺主體采用槽鋼框架，分為上下兩層。以下具體介紹試驗操作平臺。

2.4.1 試驗操作平臺下層

試驗操作平臺下層為源架升降模擬區(qū)，布置源架、盛源框、導(dǎo)向輪組以及提升裝置等，用來模擬源架升降過程。下層試驗操作平臺也是本試驗的核心部分，該部分需要驗證以下幾方面：

（1）新型放射源與新型彈夾式盛源框和試管架式盛源框配合情況；

（2）三種類型盛源框按照不同組合混裝；

（3）源架在不同速度下的升降運行；

（4）源架迫降試驗；

（5）模擬源架卡阻試驗；

（6）模擬源架偏載實驗；

（7）模擬源架受外力沖擊試驗等。

試驗過程中，為了試驗三種盛源框的互換性，在試驗完盛源框與提升源架的配合情況后，重新設(shè)計三種盛源框的排列順序，如圖11 所示。試驗過程中隨時調(diào)整三種盛源框的排列，已驗證盛源框的互換性。

圖11

2.4.2 試驗操作平臺上層、裝卸源工作臺、長桿工具

試驗操作平臺上層為該試驗的操作平臺，試驗過程中工作人員站在試驗操作平臺上層的進(jìn)行操作，模擬站在貯源井邊上使用長安工具對裝卸源工作臺上的新型工業(yè)放射源源棒以及盛源框進(jìn)行裝卸源操作。該部分主要驗證以下幾方面：

（1）倒源操作，如取放花籃，夾取源棒；

（2）使用裝卸源工作臺調(diào)整各種盛源框及源棒排列；

（3）在源架內(nèi)取放各種盛源框；

（4）各種盛源框按照不同組合混裝在源架中等。

2.4.3 源架提升系統(tǒng)

為便于布置和安裝，該項目試驗過程擬采用液壓驅(qū)動的鈷源升源設(shè)備，考慮到試驗場地和空間，擬將提升裝置的滑輪組倍率減少以縮短源架行程減小試驗臺架的高度。

試驗過程中為了更好控制、調(diào)節(jié)油缸行程，在油缸支架上加入接近開關(guān)。在設(shè)定好行程后安裝接近開關(guān)，當(dāng)通過動滑輪靠近接近開關(guān)，到達(dá)指定位置后停止，以達(dá)到控制油缸形成的目的。

3 結(jié)論

通過本論文對改造后的新型工業(yè)放射源配套設(shè)備的設(shè)計，驗證了醫(yī)用鈷-60 放射源改造后工業(yè)放射源可以應(yīng)用于現(xiàn)有輻照裝置中，僅需要改變與新型放射源配合的盛源框、裝卸源工作臺以及長桿工具，不需要過多的更改其他設(shè)備。

本輪研究的醫(yī)用鈷-60 放射源改造后工業(yè)放射源可以應(yīng)用于現(xiàn)有輻照裝置，設(shè)計階段有很多技術(shù)參數(shù)以及設(shè)備特性、可靠性需要在試驗階段完成驗證，待試驗階段完成后，可根據(jù)試驗結(jié)果對設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化及修改。

現(xiàn)在該項目的第一階段即設(shè)備設(shè)計階段已經(jīng)完成，下一階段準(zhǔn)備讓工廠進(jìn)行設(shè)備加工及實驗，待設(shè)備試驗完成后最終送往四川輻照進(jìn)行最終試驗。通過該項目研究，四川輻照可使用高通公司制備的新型工業(yè)放射源，使資源得到充分利用，實現(xiàn)了廢源減量化、再利用、再循環(huán)。高通公司既緩解醫(yī)用鈷-60 放射源貯存、處置壓力，延長放射源安全使用壽命，同時又可推遲放射源最終處置時間。四川輻照則可以降低生產(chǎn)成本，保證了生產(chǎn)質(zhì)量，提高了生產(chǎn)效率，增加了經(jīng)濟效益，實現(xiàn)了互利共贏。

廢舊放射源的退役方案選取是一個當(dāng)今以及未來都需要技術(shù)人員解決的問題。是送往處置場貯存，還是回收再利用，若回收再利用是否能實現(xiàn)經(jīng)濟價值都需要認(rèn)真研究。退役醫(yī)用鈷-60 放射源作為廢舊放射源的一種，如果可以經(jīng)過回收再利用，作為一種新的放射源繼續(xù)使用，繼續(xù)創(chuàng)造價值，可以給人類創(chuàng)造更好的生活條件，其研究價值是值得肯定的。

退役醫(yī)用鈷-60 放射源改造工業(yè)放射源，最終應(yīng)用于現(xiàn)有輻照裝置的可行性研究作為廢舊放射源回收再利用的一種研究方向。從長期看來，是一種可持續(xù)發(fā)展、循環(huán)使用的研究，可以為后續(xù)工業(yè)放射源的回收再利用打下基礎(chǔ)。