利用退役钴源辐照装置改建成电子加速器辐照装置的可行性分析

杨斌，张玥，靳健乔，刘钊，唐卫东

利用退役钴源辐照装置改建成电子加速器辐照装置的可行性分析

杨斌，张玥，靳健乔，刘钊，唐卫东

（天津市技术物理研究所，天津 300192）

辐射加工是民用非动力核技术的重要组成部分，在国民经济发展中占有重要地位。目前辐照加工的主要技术手段有钴源和电子加速器。由于成本、安全性等问题，钴源辐照装置正逐步被电子加速器所取代。讨论了利用原有退役钴源辐照屏蔽装置改造电子加速器辐照场所方案的可行性，结果显示此方案是可行的。

钴源辐照屏蔽装置；电子加速器；电子加速器辐照场，改造实施方案

1 前言

辐照加工是民用非动力核技术的重要组成部分，截至2016-12底，中国从事核技术应用研发的科研机构、高校和应用单位达400多家。中国同辐协会统计数据显示，2015年中国核技术应用产业的年产值约为3 000亿元，是2010年的3倍，年增长率保持在20%左右，总体呈现加速增长态势，有望成为当前经济环境下新的增长热点。2002—2015年核技术应用年产值增长情况如图1所示，中国核技术应用2016年各应用领域产值分布情况如图2所示[1]。未来对辐照加工技术服务有相关需求的重点行业和领域包括新能源产业、高铁与轨道交通、造船业、航空航天、电子信息、先进制造业、农产品与食品加工、医疗用品、环境治理、公共安全等[2]。可以看出辐照加工与民生息息相关，是经济和社会发展不可或缺的技术服务行业。

据统计，截至2017年中国已有130座钴-60γ辐照装置，设计装源量1.7亿居里，实际装源活度约为7 000万居里。目前中国工业钴源的年需求量约为1000万～1200万居里，其中，国产源供应约为500万居里，从加拿大进口约300万～500万居里，从俄罗斯进口约100万～200万居里。截至2015年底，产值规模已达到144亿美元，年增长率保持在19%左右。辐照材料改性、医疗卫生用品辐照灭菌灯辐射加工服务以及辐射技术装备领域产值分别达到72亿美元、58亿美元及14亿美元[1]。

随着城市扩建和人口的增加，许多辐照装置的地点由建设时的空旷地带发展为繁华城市。如发生地震、火灾等安全事故，不仅会发生卡源、屏蔽结构开裂造成的射线泄漏等安全隐患，同时会引发极大的社会恐慌。由于工业用钴源均为Ⅰ类放射源，对此类放射源的管控日趋严格，放射源购买、退役乃至辐照装置的建设与退役都有着严格的审批流程，手续繁杂、耗费时间长、经济成本高。在如此高成本和严管控情况下，越来越多的钴-60辐照装置将会被退役处理。

图1 2002—2015年核技术应用年产值增长情况

图2 中国核技术应用2016年各应用领域产值分布情况

本文将探讨已实现无限制开放使用的原钴-60辐照装置，如其辐射防护屏蔽设施完好未受破坏，将其改造成为电子加速器辐照装置的可行性，以利于钴-60辐照供应商的转型发展。

2 电子加速器介绍

截至2016年底，中国共有约500座辐射加工用电子加速器，总设计功率约为35 000 kW。其中地纳米加速器约400余台，高能电子加速器约有47座，高能电子加速器绝大多数能量为10 MeV。电子加速器是辐照行业主流技术发展方向，用于工业辐照的电子加速器目前有3种类型。

2.1 地纳米加速器Dynamitron

地纳米加速器即高频高压加速器，其束流能量一般在2～5 MeV，功率为几十到上百千瓦。地纳米加速器主要用于电线电缆的聚乙烯绝缘材料和聚乙烯发泡塑料的辐射交联、橡胶硫化、高强度耐温聚乙烯热缩管等。由于地纳米加速器体积较大，要求辐照装置建设高度达十几米，因此不适宜作为本文讨论的钴源辐照装置改造的加速器类型。

2.2 直线电子加速器Linac

直线加速器通常指利用高频电磁场进行加速，同时被加速粒子的运动轨迹为直线的加速器。按采用的加速波分类，有行波与驻波两类。

行波加速可使结构设计成等阻抗或等梯度型，缺点是微波功率在结构中的损耗不均匀。驻波加速结构，实现稳定性的主要途径是采用所谓的双周期结构，即除了由负载形成的周期性加速单元外，还引进周期性的耦合单元，调节耦合单元的位置和尺寸，提高结构的抗干扰性。

直线电子加速器是本文推荐的适用于钴源辐照装置结构改造的加速器类型。

2.3 梅花瓣型电子加速器Rhodotron

梅花瓣型加速器的加速电厂分布在一个圆形谐振腔的径向，然后借助数块磁铁改变电子束的路径，从而使电子来回穿过腔体而被电场反复加速。梅花瓣型加速器单位功率成本低，辐照加工产能大。目前国内已有6台梅花瓣型加速器。

梅花瓣型加速器亦适用于本文所讨论的改造方案。而且直线电子加速器、梅花瓣型加速器与钴源的辐照服务客户基本重合，进行改造后可延续原有辐照服务业务。

2.4 电子加速器与钴源对比

以直线电子加速器为例，将其与钴-60辐照装置进行比较，情况如表1所示。

表1 直线电子加速器与钴-60辐照装置比较

比较内容直线电子加速器钴-60辐照装置 购买成本约1 500万元18.8元/居里（200万居里钴源成本为3 760万元） 维护成本电能及配件损耗钴-60半衰期为5.3年，每年消耗12.3%，每2年需进行一次加源 退役处理仅提交装置退役申请，退役简单需进行钴源及辐照装置退役，根据放射源数量退役费用需几百万至上千万元，且手续烦琐，耗费时间长 政策政府提倡、引导方向对放射源的管控日趋严格，中西部地区不再审批新建50万居里以下、东部地区不再审批新建100万居里以下的钴源辐照装置 应用范围应用范围广（食品、药品、医疗器械、高分子材料等）多只用于食品、药品的消毒灭菌 处理能力辐照剂量率高，穿透能力稍弱于钴源，对物品包装要求高。处理速度快，可在几秒钟时间内完成照射辐照剂量率低，穿透能力强，可处理各包装类型物品。处理速度慢，需几小时 射线利用率方向性强，利用率高达80%以上4π方向发射，利用率约为20%～40% 安全性安全性高，断电后无辐射产生安全性低，放射源持续释放射线，需进行处理 技术难度技术难度大，一般加速器制造商提供相关技术支持操作简单

钴源衰变时放出的两条γ射线的能量为1.33 MeV和1.17 MeV（1 MeV=1.602×10－13J），1居里的定义为1 s进行3.7×1010次衰变，定义1居里钴源每秒钟释放的能量为kJ，则可以计算出：=（1.33+1.17）×3.7×1010×1.602×10－13=1.48×10－2焦耳/（居里·秒）。

1居里钴源的输出功率为0.014 8 W，则100万居里钴源每秒产生的能量为14.8 kW。即常说的15 kW加速器的辐射加工能力约等于100万居里的钴源的辐射加工能力。但实际上由于钴源向4π方向发射，其辐照利用率远远低于加速器辐照装置，所以15 kW的加速器的实际辐射加工能力要远高于100万居里的钴源。

3 改造实施方案

3.1 改造实施思路

改造实施的核心是利用钴源辐照室内的水井，将其改造为放置电子加速器机头的基坑。钴源水井是在地面下挖的深井，而工业用直线加速器机头通常悬挂在辐照室顶端。解决好机头的放置是改造的关键所在。

由于钴-60的射线能量是1.33 MeV和1.17 MeV，而目前广泛使用的电子加速器的能量是10 MeV。一般来说钴源辐照室的屏蔽墙厚度不足以屏蔽加速器的射线，因此需要将加速器机头放置在钴源水井内。由于加速器产生的射线具有方向性，射线指向地面，因此可充分利用大地作为屏蔽体。而地面以上仅有少量折射和反射的射线，钴源室的屏蔽墙一般足以屏蔽这部分射线。

3.2 改造方法

钴源水井一般深约7～10 m，需垫高水井底部至深约3～4 m。从水井两侧开挖斜坡，用于后续板链的安装。改造前后钴源水井如图3、图4所示。

钴源装置一般使用吊箱输送带或人工进出（静态堆码源）搬运货物，而电子加速器的束下装置多为传送板链。在改造过程中，需要根据实际情况决定水井边坡的倾角，定制束下传送装置，装置设置前后挡板隔断，防止货物倾斜翻覆。在进行水井边坡开挖前，应请有资质的专业建筑设计院进行设计，防止边坡开挖破坏建筑稳定。

图3 改造前钴源水井

图4 改造后钴源水井

3.3 改造后加速器辐照室环境影响预测分析

3.3.1 电子线环境影响分析

1980年第三次国际辐射加工会议对电子最大穿透物质厚度给出下列公式：当＞1.0 MeV时，电子最大穿透厚度=电子/3，为密度，g/cm3，的单位为cm。

以10 MeV电子加速器为例，电子线在钢筋混凝土（密度取2.35 g/cm3）中最大穿透厚度为1.42 cm，且垂直射向零平面下地坑底部的混凝土，因此在射线直射方向上的完全可以忽略。

3.3.2 天空反散射

电子束产生的韧致辐射光子有可能穿透天花板，再从大气反散射回地面，在辐照区的临近区域产生辐射剂量。改造后天空反散射是地坑中产生的韧致辐射光子透射过地坑顶部水泥结构盖板到达零平面的剂量率，再以一层主机室零平面的中心点为参考点进行估算。经计算，在距离辐照区20 m处地面，天空反散射造成的剂量率为7.46×10－4μSv/h。由计算可知，天空反散射产生的辐射远小于项目区背景值，对环境影响几乎可以忽略不计。

4 结论

由于钴-60持续衰变产生射线，即使配有足够的安全防护措施，也仍有由地震、火灾等引发极小概率放射性泄漏的可能，即使没有放射性泄漏也有可能造成一定的社会舆论恐慌。电子加速器在断电后即停止产生射线，在辐射防护措施到位、按规程操作的前提下，加速器在安全性方面优于钴源。电子加速器是高端辐照装备制造业的发展方向，也符合供给侧改革的指导方向。与钴源相比，其处理货物的效率可以大大提高，而且维护运营成本较低。

将实现无限制开放使用的原钴源辐照装置改造为电子加速器辐照装置，是对已有资源的充分利用，无需租用土地、建设厂房。与新建辐照装置相比，大大节省了建设费用和建设时间，对原有员工进行培训后即可上岗。由于改造用时短，可以维护住原有辐照客户并拓展新辐照领域的客户。

因此，将钴源辐照装置改造为电子加速器辐照装置在辐射防护上是可行的，在改造技术上也是可行的，是钴源辐照加工单位实现转型发展可实践的一种选择。

［1］中国科学技术协会.2016—2017年核技术应用学科发展报告［R］.北京：中国科学技术出版社，2018.

［2］中国同位素与辐射行业协会辐射加工专业委员会.辐射加工产业“十二五”发展规划及建议［J］.中国核工业，2011（1）：34-39.

TL50

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.15.015

2095－6835（2019）15－0044－03

杨斌（1977—），男，硕士，核技术高级工程师，国家注册核安全工程师，研究方向为核技术应用、核仪器仪表开发应用。

〔编辑：严丽琴〕