醫(yī)院中子照射器性能與特性

李義國(guó)，夏 普，彭 旦，鄒淑蕓，吳小波，張金花，張紫竹，高集金，王理玉，付金樹(shù)，劉 彤，周永茂

(1.中國(guó)原子能科學(xué)研究院，北京102413;2.北京凱佰特科技公司，北京102413;3.中國(guó)核工業(yè)集團(tuán)中原對(duì)外工程有限公司，北京100191)

1 前言

硼中子俘獲治療(boron neutron capture therapy，BNCT)是一種二元靶向放射治療腫瘤的方法，利用中子與硼發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生的4He和7Li粒子來(lái)殺死癌細(xì)胞，從而達(dá)到治療癌癥的目的。該方法與現(xiàn)行的治療癌癥的方法相比，具有定位準(zhǔn)確、療效顯著的特點(diǎn)。

醫(yī)院中子照射器(in-hospital neutron irradiator，IHNI)[1]是在中國(guó)原子能科學(xué)研究院于20世紀(jì)80年代設(shè)計(jì)、建造的微型中子源反應(yīng)堆的基礎(chǔ)上，根據(jù)硼中子俘獲治療的需要，專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)用于硼中子俘獲治療的核裝置。在反應(yīng)堆堆芯相對(duì)兩側(cè)分別設(shè)置了熱中子束流和超熱中子束流，用于治療病人。

2 IHNI和輔助系統(tǒng)

該裝置采用“罐 －池”式結(jié)構(gòu)，額定功率為30 kW。采用UO2作燃料，輕水作慢化劑和冷卻劑，金屬鈹作反射層，通過(guò)自然循環(huán)進(jìn)行堆芯冷卻。其主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 IHNI的主要性能參數(shù)Table 1 Main parameters of IHNI

2.1 水池

反應(yīng)堆水池位于反應(yīng)堆大廳中心，為長(zhǎng)方體，容量為40 t去離子水，分上下兩部分，上下部尺寸分別為 4 m ×2.3 m ×4.7 m 和 2.6 m ×1.1 m ×1.8 m，主要用于冷卻堆水和屏蔽。

2.2 本體

2.2.1 反應(yīng)堆容器

反應(yīng)堆容器為圓柱體，由上下兩節(jié)組成，內(nèi)徑為0.6 m，厚為 0.01 m，上下筒節(jié)分別為 4.882 m 和1.21 m。燃料元件位于下筒節(jié)內(nèi)。

2.2.2 堆芯

反應(yīng)堆堆芯由燃料元件組成的鳥(niǎo)籠架和鈹反射層組成。采用235U富集度為12.5%的UO2作燃料元件，由上下柵板通過(guò)5根拉桿連接組成燃料元件鳥(niǎo)籠架，燃料元件以同心圓排列，共10圈。

2.2.3 反射層

在燃料組件周?chē)袀?cè)鈹反射層、底鈹反射層、上鈹反射層(見(jiàn)圖1)。側(cè)鈹反射層內(nèi)徑為240 mm，外徑為440 mm，高為246 mm。底鈹反射層直徑為350 mm，厚度為100 mm，中心有直徑為20 mm的空腔，底鈹反射層的上表面與側(cè)鈹反射層下表面的距離為4.5 mm(即冷卻水入口流道高度為4.5 mm)。頂鈹反射層外徑為264 mm，內(nèi)徑為20 mm，厚度為110 mm，中心有直徑為20 mm的空腔。

圖1 鈹反射層尺寸 (單位:mm)Fig.1 Dimension of Be reflector (unit:mm)

3 輔助系統(tǒng)

輔助系統(tǒng)主要包括控制系統(tǒng)以及堆水、池水和堆氣凈化系統(tǒng)。

3.1 控制系統(tǒng)

3.1.1 反應(yīng)堆控制棒

反應(yīng)堆內(nèi)設(shè)有中心控制棒、輔助控制棒和反應(yīng)性調(diào)節(jié)棒。中心控制棒位于燃料組件中心，采用鎘管，內(nèi)襯鋁棒，鎘管外包壁厚為0.5 mm的不銹鋼。側(cè)鈹反射層直徑340 mm軸線(xiàn)上有一個(gè)輔助控制棒和兩個(gè)反應(yīng)性調(diào)節(jié)棒。輔助控制棒由鎘(內(nèi)襯鋁棒)吸收體段、過(guò)渡鋁段、鈹跟隨體段組成，高度分別為250 mm、30 mm、250 mm，包殼為鋁，其外徑為29 mm，壁厚為2.5 mm，用于反應(yīng)堆的停堆和添加上鈹反射層時(shí)反應(yīng)堆后備反應(yīng)性的控制。反應(yīng)性調(diào)節(jié)棒由鎘(內(nèi)襯鋁棒)吸收體段和鈹跟隨體段組成，高度都為250 mm，其鋁包殼的外徑為29 mm，壁厚為2.5 mm，用于反應(yīng)堆后備反應(yīng)性的調(diào)節(jié)，不參與反應(yīng)堆的運(yùn)行控制。

3.1.2 反應(yīng)堆控制與監(jiān)測(cè)

在側(cè)鈹反射層直徑為340 mm的軸線(xiàn)上設(shè)有兩個(gè)微型裂變室，用于反應(yīng)堆的核功率監(jiān)測(cè)，裂變室尺寸為φ5×23 mm。在冷卻水入口流道和出口流道處設(shè)有鎳鉻－鎳鋁(K型)熱電偶(各4付)，用于反應(yīng)堆的熱功率監(jiān)測(cè)。在反應(yīng)堆的堆水和池水內(nèi)設(shè)有堆水水溫、堆水水質(zhì)和池水水溫、池水水質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)。在反應(yīng)堆堆容器的頂部、兩個(gè)輻照房間及血硼濃度分析房間分別設(shè)有γ監(jiān)測(cè)探頭。

反應(yīng)堆設(shè)有控制系統(tǒng)和輔助控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)由中心控制棒、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)及控制電路組成，輔助控制系統(tǒng)由輔助控制棒、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)及控制電路組成，采用“三取二”的原則實(shí)現(xiàn)停堆。

3.2 凈化系統(tǒng)

3.2.1 堆水凈化系統(tǒng)

反應(yīng)堆容器內(nèi)的水為堆水，堆芯所產(chǎn)生的熱量靠自然循環(huán)，由堆水帶出經(jīng)容器器壁傳給池水，從而冷卻堆芯。凈化的方法是采用樹(shù)脂離子交換法。系統(tǒng)的流程為:用水泵抽取堆水，先經(jīng)過(guò)機(jī)械過(guò)濾器，然后通過(guò)混合離子交換柱除掉水中雜質(zhì)的陰陽(yáng)離子，從而達(dá)到凈化堆水的目的，系統(tǒng)的流量為0.5 m3/h。堆水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)為:電導(dǎo)率:≤2 μs/cm(25℃);pH 值:6.0±0.5(25℃);固體總量:≤5 mg/L;Cl－離子濃度為:≤0.1 mg/L;Cu++離子濃度為:≤0.05 mg/L。

3.2.2 池水凈化系統(tǒng)

與堆水凈化系統(tǒng)流程相同，流量為2 m3/h，池水水質(zhì)的電導(dǎo)率:≤3 μs/cm(25℃)，其他技術(shù)指標(biāo)與堆水指標(biāo)相同。

3.2.3 堆氣凈化系統(tǒng)

醫(yī)院中子照射器堆芯裝在一個(gè)密封的容器之中，在反應(yīng)堆運(yùn)行過(guò)程中，一些有害氣體，如:41Ar和16N等，會(huì)在堆容器頂部120 L的空間累積下來(lái)，這些氣體需定期通過(guò)堆氣凈化系統(tǒng)排出。正常工況下，氣體經(jīng)過(guò)高效過(guò)濾器經(jīng)煙筒排入大氣。在發(fā)現(xiàn)有裂變氣體情況下，經(jīng)高效過(guò)濾器和除碘過(guò)濾器、煙筒排入大氣。

4 中子束流裝置[2]

在反應(yīng)堆堆芯相對(duì)的兩側(cè)分別設(shè)有供輻照病人用的熱中子束流和超熱中子束流，在熱中子束流鉍層的側(cè)向處，引出一條用于血硼濃度測(cè)量的實(shí)驗(yàn)熱中子束流裝置。

熱中子濾束裝置由慢化層、γ射線(xiàn)屏蔽吸收層和中子束流準(zhǔn)直器組成，其出口處到堆芯中心點(diǎn)的距離為1605 mm。實(shí)驗(yàn)孔道由慢化層、準(zhǔn)直孔和反射層組成，其出口處到熱中子濾束裝置中心軸線(xiàn)的距離為1840 mm。超熱中子裝置由慢化層、鎘屏、鉍屏和中子束流準(zhǔn)直器組成，其出口處到堆芯中心點(diǎn)的距離為1595 mm。

5 醫(yī)院中子照射器的特性[3]

采用安全可靠的UO2作芯體、Zr－4作包殼的核燃料元件。其特點(diǎn)是熔點(diǎn)高、輻照穩(wěn)定性好，Zr－4對(duì)水有較強(qiáng)的抗腐蝕性。實(shí)驗(yàn)證明，長(zhǎng)期在低溫(60℃去離子水中)條件下，腐蝕率很低，平均腐蝕率為 －1.54×10－6g/(g·a)。計(jì)算結(jié)果指出:在1000℃以下裂變氣體基本上儲(chǔ)存在UO2芯體的晶格內(nèi)。IHNI堆正常運(yùn)行時(shí)，燃料芯體溫度低于200℃。因此即使包殼失效，裂變氣體向外釋放的量也可以忽略不計(jì)。

醫(yī)院中子照射器反應(yīng)堆燃料中含大量的238U，意味著238U的多普勒負(fù)反應(yīng)性快效應(yīng)大大增加，同時(shí)慢化劑為負(fù)溫度系數(shù)，在反應(yīng)性釋放時(shí)由于燃料的多普勒效應(yīng)和慢化劑的負(fù)效應(yīng)將抑制功率的上升。

在4.2 mk后備反應(yīng)性釋放時(shí)，反應(yīng)堆功率快速上升，在229 s時(shí)，功率達(dá)到峰值，為85.7 kW。由于限制冷態(tài)后備反應(yīng)性在4.5 mk，所以IHNI堆在任何失控狀態(tài)，都會(huì)非能動(dòng)地把功率限制在允許的安全水平之下。在滿(mǎn)功率(30 kW)運(yùn)行時(shí)，各工藝房間輻射水平與環(huán)境水平相當(dāng)，對(duì)工作人員輻射劑量遠(yuǎn)低于國(guó)家規(guī)定的水平，見(jiàn)表2。

表2 各工藝房間輻射水平Table 2 The dose rate of γ and neutron at different rooms

6 結(jié)語(yǔ)

醫(yī)院中子照射器是一座低功率、無(wú)環(huán)境后果的核反應(yīng)堆裝置。熱中子束流裝置和超熱中子束流裝置出口處的技術(shù)指標(biāo)能滿(mǎn)足硼中子俘獲治療的需要。動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)表明，在最大后備反應(yīng)性(4.2 mk)瞬時(shí)釋放時(shí)，反應(yīng)堆功率能夠自動(dòng)限制在安全運(yùn)行水平，具有良好的固有安全性。滿(mǎn)功率運(yùn)行時(shí)，各個(gè)工藝房間輻射水平遠(yuǎn)低于國(guó)家允許值。

[1] 李義國(guó)，夏 普，高集金.醫(yī)院中子照射器－I[J] .核動(dòng)力工程，2006(4):28 －29.

[2] 江新標(biāo)，張文首，王 凱，等.醫(yī)院中子照射器中子束理論設(shè)計(jì)[R] .北京:中國(guó)原子能科學(xué)研究院，2005.

[3] Li Yiguo，Xia Pu，Peng Dan.Start-up of the first in-hospital neutron irradiator＆presentation of the BNCT development status in China[C] //Proceeding of ICNCT －14.Buenos Aires，Argentina:Comisión Nacional de Energía Atómica，2010:371 － 374.