退役伽马刀放射源制备工业钴源的辐照应用

秦磊

（中核比尼（北京）核技术有限公司，北京100000）

废旧放射源是指不打算用于初始目的的放射源[1]。废旧放射源虽然已不再使用，但仍有放射性，甚至活度还相对较高。对于已经收贮入库或者交回生产单位的废旧放射源，最终处置显然不是最好的解决方式。我国辐射安全监管部门在促进废旧放射源收贮、规范放射性废物管理的同时，积极鼓励废旧放射源的回收再利用，以减少放射源最终处置的环境负担[2]。

成都中核高通同位素股份有限公司（以下简称高通公司）联合中核比尼（北京）核技术有限公司（以下简称比尼公司）、中核同辐(四川)辐射技术有限公司（以下简称四川辐照）就现有退役医用钴-60 放射源回收再利用项目提出解决方案。该方案包括新型源的设计定型、相关的安全分析、工艺的评定、放射源的生产、储运容器的设计更改和相关申报备案工作。比尼公司负责放射源源架、盛源框及其他相关部件的修改设计及装源后的剂量场的分布分析，四川辐照负责辐照源在辐照站内试验。

本文着重研究放射源源架、盛源框、装卸源工作台、长杆工具以及试验操作平台的设计。

1 项目背景

高通公司是最先开始致力于发展废旧放射源回收再利用技术的公司之一。近年来高通公司持续回收储存近4700 多枚医用伽玛刀放射源，全部存放在公司储源铅罐内，给公司的钻-60 伽玛刀放射源可持续生产造成很大压力。为此，高通公司联合比尼公司与四川辐照共同研发医用钴-60 放射源改造工业放射源以及改造后工业放射源的辐照应用。

该项目计划分为三个阶段实施：

1.1 第一阶段为设计阶段。包括完成新型辐照源盛源框、装卸源工作台、长杆工具、试验源架、源架升降设备和试验操作平台等设施。

1.2 第二阶段为工厂样机制造和试验阶段。为了安全稳妥地推进这个项目，确保不发生卡源、落源等重大事故，同时也为了减少试验对正常生产活动的影响，盛源框、源架和装卸源工具等新研发的设备在进入四川辐照站贮源井内测试之前，必须经过试验操作平台进行试验，将事先考虑不周的问题暴露出来，针对性的进行进一步修改完善予以解决。

1.3 第三阶段是在四川辐照站内测试，通过真实场景下操作使用，最终验证该项目的可行性。

本论文重点研究第一阶段，即设计阶段的研究。

2 设备设计

四川辐照目前钴-60 放射源活度为57 万多居里，采用了由比尼公司提供的BFT 型辊道输送式伽玛辐照装置，设计容量为400 万居里。其源架共有2 台，每台源架能容纳12 个盛源框，每个盛源框可放置50 根CN-101 或C-188 规格的钴-60 工业辐照源。目前四川辐照使用的工业辐照源规格为CN-101 包壳，如图1，密封源外包壳管和端塞材料均采用316L 不锈钢，外包壳管：φ9.68*0.64mm（壁厚），内包壳管：φ8.0*0.64mm（壁厚）。

图1 CN-101 型工业辐照源

高通公司设计的由退役医用钴-60 放射源改造的新型工业钴-60 放射源结构整体尺寸为φ17.5*451.5mm，如图2、图3所示。

高通公司设计的由退役医用钴-60 放射源改造的新型工业钴-60 放射源结构整体尺寸为φ17.5*451.5mm，与现有CN-101 放射源相同，仅源棒活性区及两端的端塞直径略有不同。因此，辐照装置中与放射源配合的设备均需要重新设计。

图2

图3

2.1 盛源框的设计

由于新型工业钴-60 放射源的外形尺寸将明显大于原来的CN-101 工业放射源。现有的盛源框（如图4、图5）结构尺寸无法容纳新型辐照源，不能直接利用。因此需要开发新的盛源框。对于辐照企业而言，原有的工业辐照源还要继续利用，这就要求两种源棒可以在一台源架上同时使用。

比尼公司设计建造的BFT 型γ 辐照装置中，不是将工业钴-60 放射源直接装入提升源架，而是事先通过放射源排源软件计算分析，然后按照排源软件计算的最优设计将工业钴-60放射源源棒放入盛源框，最后将盛源框放入源架。盛源框在辐照装置中起到“承上启下”的作用，既承载放射源，又装入提升源架。在本项目中，根据新型工业钴-60 放射源尺寸重新设计的盛源框能否和可以存放标准工业钴源盛源框在源架共架布置决定了该项目是否可行。

图4

图5

按照新型工业钴-60 源结构整体尺寸为φ17.5*451.5mm考虑，对盛源框进行重新设计，其外形尺寸基本保持不变，仍可适应现有的源架滑槽结构。新设计的盛源框方式分为两种：一种为弹夹型，如图6 所示；另一种为试管架型，如图7 所示；根据试验结果，选取一种更适合应用于现有辐照装置的盛源框。

图6 弹夹式盛源框

图7 试管架式盛源框

弹夹型盛源框的优点是源棒紧密排列，源棒在弹夹型盛源框中完全做到了只有非活性部位及两头11.1mm 直径的端塞与源架金属接触，这样在源架长期升降运动过程中，只有两端受到磨损，杜绝了活性区包壳磨损的可能性。其缺点是初装源时就填充了大量“假源棒”，以后随着新源的补充，假源棒被不断地替换下来，在加新源时工作量比较大。由于新型源棒尺寸变化较大，在盛源框外形与原有盛源框基本一致的情况下，弹夹型盛源框容纳新型放射源的容量为30 根左右，而装CN-101 工业放射源的成员框可以装50 根源棒。

试管架型盛源框的优点是装卸调整某根源棒时，不必扰动其所在盛源框的其他源棒，在装卸放射源时工作量相对弹夹式盛源框较少。但其缺点是试管架型盛源框的源架排源时除了考虑剂量场还要考虑源架两侧重量要均衡，否则源架会向稍重的一侧倾斜，长期运行会加剧源架导向部件和钢丝绳的磨损。试管架型盛源框外形与原有盛源框基本一致的情况下，容量为20根左右。

通过对盛源框的重新设计，两种新型盛源框与原有的盛源框可以同时存放在现有源架内，这就使得新型放射源在设计阶段可以成功的应用于现有辐照装置中，不给企业增加过多的经济负担就可以应用新型放射源；并且三种盛源框可随意排列、随意互换，以便更好地配置源棒排列，获得理想的剂量场分布。

2.2 装卸源工作台

装卸源工作台主要是用于辐照站加入新放射源以及提升装置维修、更换零部件时对放射源及盛源框进行操作的工作台。平时存放于库房，需要使用时放入贮源井，操作人员站在贮源井井边使用长杆工具进行操作。

新设计的盛源框在外形主要尺寸上与原来的盛源框接近，但其厚度、结构和重量已经发生了明显的改变，现有的装卸源工作台（如图8）已经无法对其进行操作，必须在现有的装卸源工作台基础上设计一款新的装卸源操作平台，使其能同时对三种不同的盛源框进行操作。

为了适应新的盛源框，在现有装卸源工作台构架的基础上保持已有功能，对其进行改造设计。在保证原尺寸不变的基础上，减少源棒花篮暂存区的空间，增加试管型盛源框操作区以及额外两个新型盛源框暂存区。这种结构设计既适应了新的盛源框暂存，还增加了试管型盛源框的操作空间，同时还适用于现有BFT 型辐照装置，无需修改其他装置的设计结构，就可以成功的进行放射源装卸、更换的操作，提高了设备的兼容性以及实用性。图9 为新设计的装卸源工作台。

图8

图9

2.3 长杆工具

长杆工具是操作人员站在贮源井边进行井下设备操作的工具，特别是在装卸源过程中，利用长杆工具在装卸源工作台上进行装卸源操作。由于新型伽马刀放射源改造的工业放射源尺寸较CN-101 放射源棒比，直径有所增加，因此对应操作放射源长杆工具也需要进行部分重新设计。

针对新增加的试管架式和弹夹式两种盛源框以及新源棒直径的变更，目前BFT 装置的长杆工具不能满足完成对源棒以及盛源框的所有操作，需要增加工具的种类。增加的工具主要包括：

（1）新盛源框夹具，用于拾取和释放厚度增加的新盛源框；

（2）盛源框锁板操作工具：用于开关新的弹夹型盛源框锁板；

（3）源棒夹钳，用于在垂直状态下夹取大尺寸的新源棒；

（4）大源棒叉：用于操作大尺寸的新源棒。

2.4 试验操作平台

配套新型放射源再利用项目的盛源框、装卸源工作台以及长杆工具加工完成后需要在现有辐照站中验证其可行性。倘若直接将上述设备放入辐照站中进行试验验证，若试验过程中出现源架卡组，盛源框不能正常出入提升源架，或者设备设计、加工过程中存在问题，都会有很大的安全隐患。从安全角度考虑，该项目需要设计制造一个试验操作平台，如图10 所示，将新型放射源的模拟源棒、盛源框、提升源架、放射源工作台，长杆工具等集中于该试验操作平台上先期进行模拟试验。

通过试验操作平台可以模拟源架上升、下降等完整过程，观察其在运动过程中是否平稳、顺畅；源架在偏载时其导向装置与导向钢丝绳的摩擦情况；在快速升降或停止时（如迫降，发生卡阻），源架和盛源框的冲击震动情况，源棒是否仍旧能够被有效地约束而不散落等等。试验过程可以检查设备的设计以及制造过程可能出现的问题，杜绝直接将新设备放入现有辐照装置中可能存在的安全隐患。

图10

平台主体采用槽钢框架，分为上下两层。以下具体介绍试验操作平台。

2.4.1 试验操作平台下层

试验操作平台下层为源架升降模拟区，布置源架、盛源框、导向轮组以及提升装置等，用来模拟源架升降过程。下层试验操作平台也是本试验的核心部分，该部分需要验证以下几方面：

（1）新型放射源与新型弹夹式盛源框和试管架式盛源框配合情况；

（2）三种类型盛源框按照不同组合混装；

（3）源架在不同速度下的升降运行；

（4）源架迫降试验；

（5）模拟源架卡阻试验；

（6）模拟源架偏载实验；

（7）模拟源架受外力冲击试验等。

试验过程中，为了试验三种盛源框的互换性，在试验完盛源框与提升源架的配合情况后，重新设计三种盛源框的排列顺序，如图11 所示。试验过程中随时调整三种盛源框的排列，已验证盛源框的互换性。

图11

2.4.2 试验操作平台上层、装卸源工作台、长杆工具

试验操作平台上层为该试验的操作平台，试验过程中工作人员站在试验操作平台上层的进行操作，模拟站在贮源井边上使用长安工具对装卸源工作台上的新型工业放射源源棒以及盛源框进行装卸源操作。该部分主要验证以下几方面：

（1）倒源操作，如取放花篮，夹取源棒；

（2）使用装卸源工作台调整各种盛源框及源棒排列；

（3）在源架内取放各种盛源框；

（4）各种盛源框按照不同组合混装在源架中等。

2.4.3 源架提升系统

为便于布置和安装，该项目试验过程拟采用液压驱动的钴源升源设备，考虑到试验场地和空间，拟将提升装置的滑轮组倍率减少以缩短源架行程减小试验台架的高度。

试验过程中为了更好控制、调节油缸行程，在油缸支架上加入接近开关。在设定好行程后安装接近开关，当通过动滑轮靠近接近开关，到达指定位置后停止，以达到控制油缸形成的目的。

3 结论

通过本论文对改造后的新型工业放射源配套设备的设计，验证了医用钴-60 放射源改造后工业放射源可以应用于现有辐照装置中，仅需要改变与新型放射源配合的盛源框、装卸源工作台以及长杆工具，不需要过多的更改其他设备。

本轮研究的医用钴-60 放射源改造后工业放射源可以应用于现有辐照装置，设计阶段有很多技术参数以及设备特性、可靠性需要在试验阶段完成验证，待试验阶段完成后，可根据试验结果对设计进行优化及修改。

现在该项目的第一阶段即设备设计阶段已经完成，下一阶段准备让工厂进行设备加工及实验，待设备试验完成后最终送往四川辐照进行最终试验。通过该项目研究，四川辐照可使用高通公司制备的新型工业放射源，使资源得到充分利用，实现了废源减量化、再利用、再循环。高通公司既缓解医用钴-60 放射源贮存、处置压力，延长放射源安全使用寿命，同时又可推迟放射源最终处置时间。四川辐照则可以降低生产成本，保证了生产质量，提高了生产效率，增加了经济效益，实现了互利共赢。

废旧放射源的退役方案选取是一个当今以及未来都需要技术人员解决的问题。是送往处置场贮存，还是回收再利用，若回收再利用是否能实现经济价值都需要认真研究。退役医用钴-60 放射源作为废旧放射源的一种，如果可以经过回收再利用，作为一种新的放射源继续使用，继续创造价值，可以给人类创造更好的生活条件，其研究价值是值得肯定的。

退役医用钴-60 放射源改造工业放射源，最终应用于现有辐照装置的可行性研究作为废旧放射源回收再利用的一种研究方向。从长期看来，是一种可持续发展、循环使用的研究，可以为后续工业放射源的回收再利用打下基础。