医院中子照射器性能与特性

李义国，夏 普，彭 旦，邹淑芸，吴小波，张金花，张紫竹，高集金，王理玉，付金树，刘 彤，周永茂

(1.中国原子能科学研究院，北京102413;2.北京凯佰特科技公司，北京102413;3.中国核工业集团中原对外工程有限公司，北京100191)

1 前言

硼中子俘获治疗(boron neutron capture therapy，BNCT)是一种二元靶向放射治疗肿瘤的方法，利用中子与硼发生反应产生的4He和7Li粒子来杀死癌细胞，从而达到治疗癌症的目的。该方法与现行的治疗癌症的方法相比，具有定位准确、疗效显著的特点。

医院中子照射器(in-hospital neutron irradiator，IHNI)[1]是在中国原子能科学研究院于20世纪80年代设计、建造的微型中子源反应堆的基础上，根据硼中子俘获治疗的需要，专门设计用于硼中子俘获治疗的核装置。在反应堆堆芯相对两侧分别设置了热中子束流和超热中子束流，用于治疗病人。

2 IHNI和辅助系统

该装置采用“罐 －池”式结构，额定功率为30 kW。采用UO2作燃料，轻水作慢化剂和冷却剂，金属铍作反射层，通过自然循环进行堆芯冷却。其主要参数见表1。

表1 IHNI的主要性能参数Table 1 Main parameters of IHNI

2.1 水池

反应堆水池位于反应堆大厅中心，为长方体，容量为40 t去离子水，分上下两部分，上下部尺寸分别为 4 m ×2.3 m ×4.7 m 和 2.6 m ×1.1 m ×1.8 m，主要用于冷却堆水和屏蔽。

2.2 本体

2.2.1 反应堆容器

反应堆容器为圆柱体，由上下两节组成，内径为0.6 m，厚为 0.01 m，上下筒节分别为 4.882 m 和1.21 m。燃料元件位于下筒节内。

2.2.2 堆芯

反应堆堆芯由燃料元件组成的鸟笼架和铍反射层组成。采用235U富集度为12.5%的UO2作燃料元件，由上下栅板通过5根拉杆连接组成燃料元件鸟笼架，燃料元件以同心圆排列，共10圈。

2.2.3 反射层

在燃料组件周围，有侧铍反射层、底铍反射层、上铍反射层(见图1)。侧铍反射层内径为240 mm，外径为440 mm，高为246 mm。底铍反射层直径为350 mm，厚度为100 mm，中心有直径为20 mm的空腔，底铍反射层的上表面与侧铍反射层下表面的距离为4.5 mm(即冷却水入口流道高度为4.5 mm)。顶铍反射层外径为264 mm，内径为20 mm，厚度为110 mm，中心有直径为20 mm的空腔。

图1 铍反射层尺寸 (单位:mm)Fig.1 Dimension of Be reflector (unit:mm)

3 辅助系统

辅助系统主要包括控制系统以及堆水、池水和堆气净化系统。

3.1 控制系统

3.1.1 反应堆控制棒

反应堆内设有中心控制棒、辅助控制棒和反应性调节棒。中心控制棒位于燃料组件中心，采用镉管，内衬铝棒，镉管外包壁厚为0.5 mm的不锈钢。侧铍反射层直径340 mm轴线上有一个辅助控制棒和两个反应性调节棒。辅助控制棒由镉(内衬铝棒)吸收体段、过渡铝段、铍跟随体段组成，高度分别为250 mm、30 mm、250 mm，包壳为铝，其外径为29 mm，壁厚为2.5 mm，用于反应堆的停堆和添加上铍反射层时反应堆后备反应性的控制。反应性调节棒由镉(内衬铝棒)吸收体段和铍跟随体段组成，高度都为250 mm，其铝包壳的外径为29 mm，壁厚为2.5 mm，用于反应堆后备反应性的调节，不参与反应堆的运行控制。

3.1.2 反应堆控制与监测

在侧铍反射层直径为340 mm的轴线上设有两个微型裂变室，用于反应堆的核功率监测，裂变室尺寸为φ5×23 mm。在冷却水入口流道和出口流道处设有镍铬－镍铝(K型)热电偶(各4付)，用于反应堆的热功率监测。在反应堆的堆水和池水内设有堆水水温、堆水水质和池水水温、池水水质检测系统。在反应堆堆容器的顶部、两个辐照房间及血硼浓度分析房间分别设有γ监测探头。

反应堆设有控制系统和辅助控制系统，控制系统由中心控制棒、驱动机构及控制电路组成，辅助控制系统由辅助控制棒、驱动机构及控制电路组成，采用“三取二”的原则实现停堆。

3.2 净化系统

3.2.1 堆水净化系统

反应堆容器内的水为堆水，堆芯所产生的热量靠自然循环，由堆水带出经容器器壁传给池水，从而冷却堆芯。净化的方法是采用树脂离子交换法。系统的流程为:用水泵抽取堆水，先经过机械过滤器，然后通过混合离子交换柱除掉水中杂质的阴阳离子，从而达到净化堆水的目的，系统的流量为0.5 m3/h。堆水水质标准为:电导率:≤2 μs/cm(25℃);pH 值:6.0±0.5(25℃);固体总量:≤5 mg/L;Cl－离子浓度为:≤0.1 mg/L;Cu++离子浓度为:≤0.05 mg/L。

3.2.2 池水净化系统

与堆水净化系统流程相同，流量为2 m3/h，池水水质的电导率:≤3 μs/cm(25℃)，其他技术指标与堆水指标相同。

3.2.3 堆气净化系统

医院中子照射器堆芯装在一个密封的容器之中，在反应堆运行过程中，一些有害气体，如:41Ar和16N等，会在堆容器顶部120 L的空间累积下来，这些气体需定期通过堆气净化系统排出。正常工况下，气体经过高效过滤器经烟筒排入大气。在发现有裂变气体情况下，经高效过滤器和除碘过滤器、烟筒排入大气。

4 中子束流装置[2]

在反应堆堆芯相对的两侧分别设有供辐照病人用的热中子束流和超热中子束流，在热中子束流铋层的侧向处，引出一条用于血硼浓度测量的实验热中子束流装置。

热中子滤束装置由慢化层、γ射线屏蔽吸收层和中子束流准直器组成，其出口处到堆芯中心点的距离为1605 mm。实验孔道由慢化层、准直孔和反射层组成，其出口处到热中子滤束装置中心轴线的距离为1840 mm。超热中子装置由慢化层、镉屏、铋屏和中子束流准直器组成，其出口处到堆芯中心点的距离为1595 mm。

5 医院中子照射器的特性[3]

采用安全可靠的UO2作芯体、Zr－4作包壳的核燃料元件。其特点是熔点高、辐照稳定性好，Zr－4对水有较强的抗腐蚀性。实验证明，长期在低温(60℃去离子水中)条件下，腐蚀率很低，平均腐蚀率为 －1.54×10－6g/(g·a)。计算结果指出:在1000℃以下裂变气体基本上储存在UO2芯体的晶格内。IHNI堆正常运行时，燃料芯体温度低于200℃。因此即使包壳失效，裂变气体向外释放的量也可以忽略不计。

医院中子照射器反应堆燃料中含大量的238U，意味着238U的多普勒负反应性快效应大大增加，同时慢化剂为负温度系数，在反应性释放时由于燃料的多普勒效应和慢化剂的负效应将抑制功率的上升。

在4.2 mk后备反应性释放时，反应堆功率快速上升，在229 s时，功率达到峰值，为85.7 kW。由于限制冷态后备反应性在4.5 mk，所以IHNI堆在任何失控状态，都会非能动地把功率限制在允许的安全水平之下。在满功率(30 kW)运行时，各工艺房间辐射水平与环境水平相当，对工作人员辐射剂量远低于国家规定的水平，见表2。

表2 各工艺房间辐射水平Table 2 The dose rate of γ and neutron at different rooms

6 结语

医院中子照射器是一座低功率、无环境后果的核反应堆装置。热中子束流装置和超热中子束流装置出口处的技术指标能满足硼中子俘获治疗的需要。动态实验表明，在最大后备反应性(4.2 mk)瞬时释放时，反应堆功率能够自动限制在安全运行水平，具有良好的固有安全性。满功率运行时，各个工艺房间辐射水平远低于国家允许值。

[1] 李义国，夏 普，高集金.医院中子照射器－I[J] .核动力工程，2006(4):28 －29.

[2] 江新标，张文首，王 凯，等.医院中子照射器中子束理论设计[R] .北京:中国原子能科学研究院，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.