退役伽马刀源再利用技术研究

李杨 黄勇 龙礼国 杨天伟 赵建华 张强

摘  要：退役伽马刀源仍具有很高放射性，合理再利用可以缓解退役伽马刀源处置压力，延长放射源安全使用寿命，实现废源减量化和再利用。研究利用退役伽马刀源制备新型工业辐照源，开展新型工业辐照源结构设计、自动焊接工艺研究、密封源安全等级试验等工作，确保新型工业辐照源符合国家标准相关要求；并按照放射性物品运输规程要求，成功取得特殊形式放射性物品设计批准书，满足市场应用需求。

关键词：退役伽马刀源  工业辐照源  安全等级试验  再利用

中图分类号：X799.5

Research on Reuse Technology for Retired Gamma Knife Sources

LI Yang  HUANG Yong  LONG Liguo  YANG Tianwei  ZHAO Jianhua  ZHANG Qiang

（CNNC Chengdu Gaotong Isotope Co.， Ltd.， Chengdu， Sichuan Province， 610000 China）

Abstract： Retired gamma knife sources still have high radioactivity， and reasonable reuse can alleviate the disposal pressure of retired gamma knife sources， extend the safe service life of radioactive sources and achieve the reduction and reuse of waste sources. This study utilizes retired gamma knife sources to prepare new industrial irradiation sources， and carries out the structural design of new industrial irradiation sources， the research on automatic welding processes and the safety level test of sealed sources to ensure that new industrial irradiation sources comply with the relevant requirements of national standards. And in accordance with the requirements of the regulations for the transportation of radioactive materials， they have successfully obtained the design approval for the special forms of radioactive materials to meet the needs of market applications.

Key Words： Retired gamma knife source; Industrial irradiation source; Safety level test; Reuse

鈷-60半衰期约为5.27年，在医疗、工业等众多领域广泛应用[1]，伽马刀源在使用一定时间后比活度降低，需进行退役并更换新源[2]，我国每年约回收10万～20万居里伽马刀源，考虑到退役回收伽马刀源仍然具有很高放射性，具有可观再利用价值，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，积极鼓励企业对废旧放射源进行再利用[3]。退役放射源需要对放射源活度、结构与技术、经济代价等因素综合考量后再予以实施[4]，本研究重点选用退役伽马刀源制备成工业辐照源，用于工业辐照，实现退役放射源减量化和再利用，缓解放射源回收企业储存压力和最终处置压力，延长放射源安全使用寿命，可以降低生产企业废源最终处置经济成本，辐照站也以相对较低成本增加站内总活度，提高辐照生产效率，实现互利共赢[5- 6]。

1 退役伽马刀源的源项情况

目前我国在用伽马刀设备有几百台，年均退役伽马刀源10万居里以上，截至2020年就有退役回收各型号伽马刀源5 000多枚。退役放射源再利用须对伽马刀源结构尺寸进行分析，据统计，国内伽马刀生产厂家主要使用的钴-60源结构见表1。

为实现退役伽马刀源最大程度再利用，工业辐照源设计需尽可能涵盖使用所有型号回收伽马刀源，表1中的数据显示，绝大多数伽马刀源内包壳直径小于12 mm。由于伽马刀源的整体外部尺寸较大，直接使用不利于工业辐照源结构设计开展，如果将伽马刀源的内、外包壳全部去除，技术难度大，且容易造成生产线设备设施污染，影响后续生产；仅去除外包壳因放射性物质仍在内包壳密封包裹下，技术相对简单，且放射性污染程度小。

2 工业辐照源结构设计

国内辐照站目前使用的标准工业辐照源外形尺寸一般为φ11.1×451.4 mm[7]，为保证新设计的工业辐照源可在源架上面和标准工业源互换使用，须和标准工业源长度一致，同时对其直径尺寸需要适当增大，根据源项统计数据，将工业辐照源内包壳内直径设计为12 mm，可以使用国内绝大部分伽马刀源作为新型工业辐照源源芯，也可以增装部分新钴-60原料，用以增加单根工业辐照源总活度。

为保证新型工业辐照源安全使用寿期，减少辐照站倒装源次数，在内包壳外面增加外包壳，内、外包壳两端均采用无填丝自动氩弧环焊密封，材质均为316L不锈钢，源体外形尺寸为：φ17.5 mm×451.4 mm，其结构示意如图1所示。

3 焊接工艺评定

新型工业辐照源结构、尺寸确定之后，采用无填丝自动氩弧环焊，设计了专用焊接工装，焊机加装远程控制模块，生产人员在热室前区远程控制焊机。根据以往生产和焊接经验，结合新型工业辐照源内、外包壳的厚度、材料等选定焊接参数[8]，使用和真源结构、尺寸、材料完全一致的试样进行试焊，对焊接试样进行焊缝外观检查、泄漏检测、金相检验、晶间腐蚀试验和拉伸试验[9]，来确定焊接工艺参数

根据试样各检测结果，确定了新型工业辐照源的内、外包壳焊接参数为：外包壳焊接电流变化区间值100～110 A，预熔电流66 A；内包壳焊接电流变化区间值80～85 A，预熔电流51 A。氩气流量约25 L/min，在焊接启动前30 s送气和焊接完成滞后20 s停气。此焊接参数，焊接质量稳定，满足生产技术要求，可以作为工业辐照源的内、外包壳生产使用的焊接参数。

4 密封源安全等级试验

为确保新型工业辐照源的安全和质量，密封放射源需要满足标准《密封放射源一般要求及分级》中相关分级要求，本研究设计的工业辐照源全部按照标准内最高安全等级开展试验。按照新型工业辐照源的技术要求加工、焊接各项试验要求数量的假源试样，假源试样与真源的结构和原材料是一致的，分别对源体进行了温度、外压、冲击、振动、穿刺、弯曲试验，并对各项试验试样按照《密封放射源的泄露检验方法》中检验方法进行泄露检验。

4.1 温度试验（6級）

试样先进行-40 ℃的低温试验，然后再进行800 ℃的高温试验，最后再进行800 ℃至20 ℃的热冲击。试样完毕源体呈紫铜色，且有少量黑斑，焊口呈黑色并伴有氧化层，泄漏检验结果合格。

4.2 外压试验（6级）

将试样放置到绝对压力25 kPa的环境，试验完毕后进行检验；再将试样放入到充满水的高压舱内，增压设备将高压舱压力增高至170 MPa，压力下降至正常大气压力然后取出试样。试样样品如图3所示。

4.3 穿刺试验（6级）

将试样安装在平面钢砧上，钢锤重量为1 kg，下部安装高度为6 mm，直径为3 mm的半球形撞针，撞针硬度在50～60 HRC之间，确保撞针下表面与试样源体薄弱上表面距离为1 m，然后释放钢锤进行穿刺试验。

4.4 冲击试验（6级）

将试样牢固安装在平面钢砧上，确保在冲击时不发生位移；钢锤重量为20 kg，使其下表面悬空与源体薄弱上表面的1 m处，然后释放钢锤进行冲击。试样样品如图4所示。

4.5 振动试验（4级）

将试样固定于振动平台上，分别对其轴向和径向在峰与峰之间振幅为1.5 mm条件下，以25～80 Hz进行振动试验；再将试样分别对其轴向和径向在196 m/s2以80～2 000 Hz进行振动试验。

4.6 弯曲试验（7级）

新型工业辐照源外包直径为16 mm（D），活性区长度为370 mm（L），L/D＞10且L大于100 mm，按照7级弯曲试验进行检验。试样样品如图5所示。

经过上述所有试验检验，检验结果均符合相应等级要求，此工业辐照源满足《密封放射源一般要求及分级》中的相应安全等级要求，证明其结构设计满足要求。

5 特殊形式放射性物品设计批准书申报

根据《放射性物质安全运输规程》的相关规定对试样进行附录C3所规定的冲击、撞击、挠曲和耐热试验，并对试验试样按照《密封放射源的泄露检验方法》中的泄露检验方法进行检验。

分别编制了《特殊形式放射性物品试验大纲》和《特殊形式放射性物品试验方案》文件，新型工业辐照源结构设计通过了专家评审，并对特殊形式放射性物品的试验过程进行了现场见证，试验结果均符合相关各项规定要求，于2022年成功取得了特殊形式放射性物品设计批准书。

6 结语

新型工业辐照源的研制经过焊接工艺评定，严苛的安全等级试验检验，最终成功取得特殊形式放射性物品批准书。退役伽马刀源制备新型工业辐照源的研究开展，是首次实现对退役伽马刀源的再利用，是对退役源回收再利用理念进行的深入探索和实践应用，为退役源最终处置节约了大量经济成本。项目成功实施对于退役源回收再利用迈出去了坚实一步，有助于推动后续其他类型退役源回收再利用进程、具有重要的借鉴意义，同时具备重大的环保效益、经济效益和社会效益。

参考文献

[1] 林廷睿，彭静，翟茂林.钴-60源与辐射技术[J].大学化学，2019，34（9）：13-20.

[2] ASHRAPOV U.，SADIKOV I.，MIRZAEV B.，et al.Disposal of Spent Ionizing Radiation Sources Cobalt-60[J].Machines Technologies Materials，2022，16（7）：238-240.

[3] 董微.我国废旧放射源回收再利用初探[J].核安全，2013，12（S1）：138-143.

[4] 赵庆会，史蕾，王辉.废旧放射源回收再利用的可行性分析[J].中国辐射卫生，2015，24（4）：383-385.

[5] 秦磊.退役伽馬刀放射源制备工业钴源的辐照应用[J].科学技术创新，2021（9）：5-8.

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[9] 唐智.对钴-60密封放射源焊接参数的研究[J].现代制造技术与装备，2019（5）：65-66.