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，唐衛東

（天津市技術物理研究所，天津 300192）

輻射加工是民用非動力核技術的重要組成部分，在國民經濟發展中占有重要地位。目前輻照加工的主要技術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的重要組成部分，截至2016-12底，中國從事核技術應用研發的科研機構、高校和應用單位達400多家。中國同輻協會統計數據顯示，2015年中國核技術應用產業的年產值約為3 000億元，是2010年的3倍，年增長率保持在20%左右，總體呈現加速增長態勢，有望成為當前經濟環境下新的增長熱點。2002—2015年核技術應用年產值增長情況如圖1所示，中國核技術應用2016年各應用領域產值分布情況如圖2所示[1]。未來對輻照加工技術服務有相關需求的重點行業和領域包括新能源產業、高鐵與軌道交通、造船業、航空航天、電子信息、先進制造業、農產品與食品加工、醫療用品、環境治理、公共安全等[2]?？梢钥闯鲚椪占庸づc民生息息相關，是經濟和社會發展不可或缺的技術服務行業。

據統計，截至2017年中國已有130座鈷-60γ輻照裝置，設計裝源量1.7億居里，實際裝源活度約為7 000萬居里。目前中國工業鈷源的年需求量約為1000萬～1200萬居里，其中，國產源供應約為500萬居里，從加拿大進口約300萬～500萬居里，從俄羅斯進口約100萬～200萬居里。截至2015年底，產值規模已達到144億美元，年增長率保持在19%左右。輻照材料改性、醫療衛生用品輻照滅菌燈輻射加工服務以及輻射技術裝備領域產值分別達到72億美元、58億美元及14億美元[1]。

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

圖1 2002—2015年核技術應用年產值增長情況

圖2 中國核技術應用2016年各應用領域產值分布情況

本文將探討已實現無限制開放使用的原鈷-60輻照裝置，如其輻射防護屏蔽設施完好未受破壞，將其改造成為電子加速器輻照裝置的可行性，以利于鈷-60輻照供應商的轉型發展。

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能量為10 MeV。電子加速器是輻照行業主流技術發展方向，用于工業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泡塑料的輻射交聯、橡膠硫化、高強度耐溫聚乙烯熱縮管等。由于地納米加速器體積較大，要求輻照裝置建設高度達十幾米，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。

行波加速可使結構設計成等阻抗或等梯度型，缺點是微波功率在結構中的損耗不均勻。駐波加速結構，實現穩定性的主要途徑是采用所謂的雙周期結構，即除了由負載形成的周期性加速單元外，還引進周期性的耦合單元，調節耦合單元的位置和尺寸，提高結構的抗干擾性。

直線電子加速器是本文推薦的適用于鈷源輻照裝置結構改造的加速器類型。

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加速。梅花瓣型加速器單位功率成本低，輻照加工產能大。目前國內已有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客戶基本重合，進行改造后可延續原有輻照服務業務。

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年需進行一次加源 退役處理僅提交裝置退役申請，退役簡單需進行鈷源及輻照裝置退役，根據放射源數量退役費用需幾百萬至上千萬元，且手續煩瑣，耗費時間長 政策政府提倡、引導方向對放射源的管控日趨嚴格，中西部地區不再審批新建50萬居里以下、東部地區不再審批新建100萬居里以下的鈷源輻照裝置 應用范圍應用范圍廣（食品、藥品、醫療器械、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，可在幾秒鐘時間內完成照射輻照劑量率低，穿透能力強，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，利用率高達80%以上4π方向發射，利用率約為20%～40% 安全性安全性高，斷電后無輻射產生安全性低，放射源持續釋放射線，需進行處理 技術難度技術難度大，一般加速器制造商提供相關技術支持操作簡單

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方向發射，其輻照利用率遠遠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的水井，將其改造為放置電子加速器機頭的基坑。鈷源水井是在地面下挖的深井，而工業用直線加速器機頭通常懸掛在輻照室頂端。解決好機頭的放置是改造的關鍵所在。

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頭放置在鈷源水井內。由于加速器產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。從水井兩側開挖斜坡，用于后續板鏈的安裝。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出（靜態堆碼源）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，需要根據實際情況決定水井邊坡的傾角，定制束下傳送裝置，裝置設置前后擋板隔斷，防止貨物傾斜翻覆。在進行水井邊坡開挖前，應請有資質的專業建筑設計院進行設計，防止邊坡開挖破壞建筑穩定。

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境影響預測分析

3.3.1 電子線環境影響分析

1980年第三次國際輻射加工會議對電子最大穿透物質厚度給出下列公式：當＞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，在輻照區的臨近區域產生輻射劑量。改造后天空反散射是地坑中產生的韌致輻射光子透射過地坑頂部水泥結構蓋板到達零平面的劑量率，再以一層主機室零平面的中心點為參考點進行估算。經計算，在距離輻照區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，天空反散射產生的輻射遠小于項目區背景值，對環境影響幾乎可以忽略不計。

4 結論

由于鈷-60持續衰變產生射線，即使配有足夠的安全防護措施，也仍有由地震、火災等引發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生射線，在輻射防護措施到位、按規程操作的前提下，加速器在安全性方面優于鈷源。電子加速器是高端輻照裝備制造業的發展方向，也符合供給側改革的指導方向。與鈷源相比，其處理貨物的效率可以大大提高，而且維護運營成本較低。

將實現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、建設廠房。與新建輻照裝置相比，大大節省了建設費用和建設時間，對原有員工進行培訓后即可上崗。由于改造用時短，可以維護住原有輻照客戶并拓展新輻照領域的客戶。

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上是可行的，在改造技術上也是可行的，是鈷源輻照加工單位實現轉型發展可實踐的一種選擇。

［1］中國科學技術協會.2016—2017年核技術應用學科發展報告［R］.北京：中國科學技術出版社，2018.

［2］中國同位素與輻射行業協會輻射加工專業委員會.輻射加工產業“十二五”發展規劃及建議［J］.中國核工業，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，核技術高級工程師，國家注冊核安全工程師，研究方向為核技術應用、核儀器儀表開發應用。

〔編輯：嚴麗琴〕