▲圖為秦山核電基地。
天空澄碧，纖云不染。位于浙江省海鹽縣的杭州灣畔，九座核島巍然矗立。這里，就是中國(guó)核電起步的地方——中核集團(tuán)旗下中國(guó)核電投資控股的秦山核電基地。
自秦山核電站1991年12月并網(wǎng)發(fā)電至今，秦山核電基地不僅發(fā)出了中國(guó)大陸第一度核電，更見(jiàn)證了我國(guó)核電技術(shù)更迭升級(jí)、多堆型多機(jī)組安全高質(zhì)量建造運(yùn)營(yíng)、核能多元綜合利用的發(fā)展歷程。
作為我國(guó)堆型最豐富的核電基地，秦山核電基地?fù)碛形覈?guó)唯一的商用重水堆，并具備生產(chǎn)同位素的優(yōu)勢(shì)和條件。《中國(guó)能源報(bào)》記者近日獲悉，秦山核電在實(shí)現(xiàn)工業(yè)和醫(yī)用鈷-60大規(guī)模輻照生產(chǎn)基礎(chǔ)上，在不影響機(jī)組運(yùn)行發(fā)電的情況下，進(jìn)一步拓展重水堆的同位素生產(chǎn)能力，不斷推動(dòng)我國(guó)核電和核技術(shù)應(yīng)用產(chǎn)業(yè)協(xié)同融合發(fā)展。
同位素研發(fā)之路艱辛無(wú)比，從自主創(chuàng)新到打開(kāi)局面，秦山核電在科技創(chuàng)新的道路上一往無(wú)前，一座“老”電站正煥發(fā)出“新活力”。
“零”的突破并非易事
今年4月，秦山核電在秦三廠(chǎng)112大修中順利完成國(guó)內(nèi)首個(gè)商用堆同位素研發(fā)平臺(tái)安裝、冷態(tài)調(diào)試和系統(tǒng)標(biāo)識(shí)，標(biāo)志著國(guó)內(nèi)首個(gè)商用堆同位素研發(fā)平臺(tái)建成。據(jù)《中國(guó)能源報(bào)》記者了解，該平臺(tái)具備在線(xiàn)自動(dòng)裝卸靶件的能力，結(jié)合重水堆中子通量高、穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)，可以長(zhǎng)期、穩(wěn)定、靈活地開(kāi)展醫(yī)用同位素研制和小批量生產(chǎn)工作。
秦山核電專(zhuān)項(xiàng)工程處重水堆研發(fā)科副科長(zhǎng)樊申告訴《中國(guó)能源報(bào)》記者，生產(chǎn)同位素需要中子輻照，重水堆堆芯設(shè)計(jì)顯著區(qū)別于壓水堆，堆芯的熱中子通量更高，大概是壓水堆的五到六倍。“此外，重水堆的慢化劑處于低溫常壓水平，采用在線(xiàn)換料方式，允許同位素生產(chǎn)時(shí)進(jìn)行調(diào)試等工作，加之機(jī)組年穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)，使得重水堆具備生產(chǎn)種類(lèi)多、長(zhǎng)短半衰期同位素均能生產(chǎn)且產(chǎn)量大等特點(diǎn)。”
▲圖為鉆-60棒束。
秦山核電的同位素生產(chǎn)之路，還得從鈷-60的突破說(shuō)起。
鈷-60是金屬元素鈷的放射性同位素，可用于食品保鮮、工業(yè)探傷、γ手術(shù)刀等諸多領(lǐng)域。“我國(guó)加入世貿(mào)組織以后，國(guó)內(nèi)輻射加工產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，工業(yè)鈷-60放射源需求從1998年約200萬(wàn)居里增至現(xiàn)在的1000-1200萬(wàn)居里。”樊申告訴記者，利用國(guó)內(nèi)兩臺(tái)重水堆生產(chǎn)鈷-60，可以填補(bǔ)國(guó)內(nèi)空白，符合建立節(jié)約型社會(huì)和可持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展的要求。
在國(guó)內(nèi)成功生產(chǎn)鈷-60之前，我國(guó)每年鈷-60的需求量大約在800萬(wàn)居里，幾乎全部依賴(lài)國(guó)外進(jìn)口。“秦山核電三廠(chǎng)(重水堆)兩臺(tái)機(jī)組是從加拿大引進(jìn)的坎杜6型反應(yīng)堆，其在滿(mǎn)功率運(yùn)行期間有21根不銹鋼調(diào)節(jié)棒組件長(zhǎng)期插在堆芯，用以展平中子通量，若將其全部不銹鋼調(diào)節(jié)棒組件更換成鈷-59調(diào)節(jié)棒組件，通過(guò)中子輻照，便可以大量生產(chǎn)鈷-60輻射源。”秦山核電專(zhuān)項(xiàng)工程處重水堆研發(fā)科科長(zhǎng)孟智良解釋。
從國(guó)際市場(chǎng)看，在我國(guó)成功生產(chǎn)鈷-60前，加拿大8座坎杜重水堆核電機(jī)組生產(chǎn)的鈷-60占全世界產(chǎn)量的80%以上，幾乎壟斷了世界鈷源市場(chǎng)。秦山三期原副總工程師、鈷-60項(xiàng)目組組長(zhǎng)唐炯然介紹：“重水堆具備生產(chǎn)周期短、生產(chǎn)規(guī)模大的優(yōu)勢(shì)，兩臺(tái)機(jī)組的鈷-60年產(chǎn)量高達(dá)600萬(wàn)居里，將滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)75%的市場(chǎng)需求，而且不影響機(jī)組的安全運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)性。”
加拿大早在1946年就實(shí)現(xiàn)了重水堆生產(chǎn)鈷-60，技術(shù)已十分成熟。國(guó)外有現(xiàn)成的技術(shù)，而我國(guó)又想在重水堆上應(yīng)用，所以彼時(shí)負(fù)責(zé)該項(xiàng)目的鈷-60項(xiàng)目組首先想到的是國(guó)際合作。
然而，“零”的突破沒(méi)有那么簡(jiǎn)單。
在1996年核電工程技術(shù)談判期間，秦山三期就向加方提出在秦山三期重水堆核電工程增加鈷-60生產(chǎn)。“但加方在工程合同價(jià)格談判階段有意取消了鈷-60生產(chǎn)，他們似乎想在合同價(jià)格之外提出更高的價(jià)格。”唐炯然說(shuō)，“于是，第一次尋求合作的嘗試失敗了。”
1998年，國(guó)家有關(guān)部門(mén)進(jìn)行初步設(shè)計(jì)審查時(shí)，再次提出做好同位素生產(chǎn)的準(zhǔn)備。“當(dāng)時(shí)的工程總包方加拿大原子能有限公司(AECL)以鈷-60生產(chǎn)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)為加拿大MDSNordion公司所有為名拒絕了，所以第二次又沒(méi)成功。” 唐炯然感慨道。
1999年，在中方的堅(jiān)持和努力下，通過(guò)加拿大原子能有限公司聯(lián)系，秦山三期開(kāi)始與MDSNordion公司進(jìn)行談判。“談判很艱難，對(duì)方提出一次性付900萬(wàn)美元和多余中間產(chǎn)品低價(jià)包銷(xiāo)的苛刻條件，我們顯然無(wú)法接受。” 談及第三次失敗，唐炯然顯得有些無(wú)奈，“其實(shí)，中間我們還與阿根廷談過(guò)，由于他們也是引進(jìn)加拿大的技術(shù)，沒(méi)有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，我們最終還是選擇了放棄。”
“三次尋求國(guó)際合作全部失敗，最終讓我們走上自主研發(fā)的道路。”唐炯然說(shuō)。
上下一心打開(kāi)同位素生產(chǎn)新局面
同位素研發(fā)項(xiàng)目啟動(dòng)之初便面臨諸多挑戰(zhàn)——國(guó)外將相關(guān)技術(shù)完全封鎖，只能在一些公開(kāi)發(fā)表的論文中找到只言片語(yǔ)，在引進(jìn)的大型核電站上進(jìn)行堆芯反應(yīng)性控制裝置變更，在國(guó)內(nèi)尚屬首次。“沒(méi)人敢干這事兒，因?yàn)樯婕敖Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、核設(shè)計(jì)、熱工安全、事故分析、鈷調(diào)節(jié)棒組件的研制、更換操作，以及強(qiáng)放射性物質(zhì)運(yùn)輸?shù)妮椛浒踩椭圃斐鲇行抛u(yù)的合格產(chǎn)品等一系列技術(shù)難題。”唐炯然回憶道。
好在秦山核電管理層充分認(rèn)識(shí)到該項(xiàng)目的巨大社會(huì)效益，歷屆管理者都積極推動(dòng)項(xiàng)目開(kāi)展。在前期給予大量人力物力支持的情況下，2009年，秦山三期明確將做好同位素鈷-60的生產(chǎn)作為發(fā)展“三個(gè)跨越”之一寫(xiě)入了自身的 “333”發(fā)展戰(zhàn)略。
▲圖為工作人員正在進(jìn)行鈷-60 出堆操作。
1999年，秦山三期開(kāi)展項(xiàng)目可行性研究，從理論上論證了項(xiàng)目的可行性;2000年，項(xiàng)目管理工作移交給中核集團(tuán);2003年11月，在秦山三期兩臺(tái)機(jī)組投入商運(yùn)后，中核集團(tuán)組織各相關(guān)單位召開(kāi)會(huì)議，確定正式開(kāi)展自主設(shè)計(jì)研發(fā)。此后，由中國(guó)同位素公司牽頭的秦山三期重水堆生產(chǎn)鈷-60項(xiàng)目各項(xiàng)工作有條不紊地開(kāi)展起來(lái)。
2003年至2006年，全部依靠國(guó)內(nèi)技術(shù)力量開(kāi)展自主設(shè)計(jì)和研制。2004年2月，中核集團(tuán)第二次總經(jīng)理辦公會(huì)決定項(xiàng)目實(shí)施方為中國(guó)同位素公司，秦山三期協(xié)助安全申請(qǐng)和實(shí)施堆上生產(chǎn);2006年6月，項(xiàng)目提交國(guó)家核安全局審查，2008年6月獲批準(zhǔn);2008年底，首批鈷調(diào)節(jié)棒開(kāi)始換入1號(hào)機(jī)組開(kāi)始生產(chǎn)鈷-60;2009年底，第二批鈷調(diào)節(jié)棒開(kāi)始換入2號(hào)機(jī)組;2010年5月，經(jīng)一個(gè)循環(huán)周期安全輻照后，首批鈷調(diào)節(jié)棒順利出堆。
截至目前，秦山核電三廠(chǎng)兩臺(tái)重水堆產(chǎn)出的工業(yè)鈷-60同位可滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)70%左右的市場(chǎng)需求，醫(yī)用鈷-60滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求。尤其是在近年全球鈷-60供應(yīng)緊張的情況下，中國(guó)已連續(xù)向國(guó)際市場(chǎng)出口鈷-60百萬(wàn)居里。
有了工業(yè)鈷-60的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)與基礎(chǔ)，醫(yī)用鈷-60項(xiàng)目?jī)H歷時(shí)3年就完成了靶件入堆。很快，秦山核電又將目光鎖定碳-14的生產(chǎn)研發(fā)。
碳-14同位素生產(chǎn)是秦山核電同位素生產(chǎn)基地建設(shè)的首個(gè)醫(yī)用同位素生產(chǎn)項(xiàng)目，盡管已經(jīng)積累了成功生產(chǎn)工業(yè)和醫(yī)用鈷-60的經(jīng)驗(yàn)，但碳-14同位素生產(chǎn)技術(shù)同樣屬于國(guó)內(nèi)首創(chuàng)，幾乎沒(méi)有任何可借鑒經(jīng)驗(yàn)，這無(wú)疑是另一項(xiàng)開(kāi)創(chuàng)性突破。
▲圖為三廠(chǎng)風(fēng)光。
《中國(guó)能源報(bào)》記者了解到，當(dāng)時(shí)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)為了完成2022年4月碳-14同位素靶件入堆這一目標(biāo)，爭(zhēng)分奪秒研究靶件設(shè)計(jì)思路，進(jìn)行公司內(nèi)部論證，編制技術(shù)規(guī)格書(shū)，并與合作單位開(kāi)展技術(shù)討論，校核分析成果，審查靶件設(shè)計(jì)和論證文件，編寫(xiě)審評(píng)報(bào)告，攻破了一道道技術(shù)難關(guān)。
這個(gè)過(guò)程中，最艱難的就是尋找靶件材料，共同研發(fā)工藝。時(shí)間緊迫，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)在充分調(diào)研基礎(chǔ)上提出解決思路，并迅速召集靶件研制各方反復(fù)論證，終于找到解決辦法，靶件制造得以繼續(xù)進(jìn)行。通過(guò)安全審查是實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目目標(biāo)的重要一關(guān)，只有詳實(shí)的分析論證材料才能支撐項(xiàng)目安審。每次審評(píng)前，團(tuán)隊(duì)成員和技術(shù)支持單位人員都召開(kāi)審評(píng)準(zhǔn)備會(huì)，反復(fù)審查報(bào)告內(nèi)容及提出質(zhì)疑問(wèn)題，分析越辯越明，問(wèn)題越理越清，方案越做越細(xì)，最終在上報(bào)審評(píng)文件8個(gè)月后拿到入堆許可批復(fù)文件。
2022年4月2日，碳-14同位素靶件通過(guò)出廠(chǎng)驗(yàn)收，4月11日成功取得入堆許可，4月26日首批靶件入堆輻照。“在堆內(nèi)輻照兩年后，首批商用堆輻照碳-14靶件將出堆，秦山核電將成為國(guó)內(nèi)最大的碳-14原料生產(chǎn)地，年產(chǎn)能完全滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求，一舉打破我國(guó)碳-14幾乎全部依賴(lài)進(jìn)口的歷史。”樊申充滿(mǎn)期待地說(shuō)。
核能科技創(chuàng)新大有可為
梳理秦山核電同位素生產(chǎn)“從無(wú)到有”之路不難發(fā)現(xiàn)，科技創(chuàng)新貫穿始終，而關(guān)鍵核心是一支優(yōu)秀的人才隊(duì)伍。秦山核電通過(guò)機(jī)組建造、運(yùn)維培養(yǎng)了一大批消化并掌握重水堆技術(shù)的人才，通過(guò)鈷-60生產(chǎn)又培養(yǎng)了一支熟悉同位素輻照生產(chǎn)技術(shù)研發(fā)和實(shí)施的隊(duì)伍，積累了豐富的同位素輻照生產(chǎn)相關(guān)工作經(jīng)驗(yàn)。
《中國(guó)能源報(bào)》記者還了解到，秦山核電擁有我國(guó)唯一的同位素水下操作團(tuán)隊(duì)，主要負(fù)責(zé)同位素水下解體、裝載、發(fā)運(yùn)等工作。團(tuán)隊(duì)成立之初只有三人，開(kāi)展同位素生產(chǎn)設(shè)備技術(shù)創(chuàng)新，對(duì)原有生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)，提高設(shè)備可用性，并在較短時(shí)間內(nèi)自主研發(fā)了鈷同位素生產(chǎn)應(yīng)急工具五件套，保證了鈷-60及后續(xù)碳-14生產(chǎn)的安全性;成功研發(fā)鈷同位素運(yùn)輸容器沖洗裝置，以保證人員安全。
▲圖為秦山三期——我國(guó)唯一的重水堆機(jī)組。
“研發(fā)團(tuán)隊(duì)首創(chuàng)同位素生產(chǎn)模式并建立同位素生產(chǎn)體系，為后續(xù)生產(chǎn)同位素提供技術(shù)支持，同時(shí)也為醫(yī)用鈷同位素生產(chǎn)提供了寶貴的實(shí)踐數(shù)據(jù)。自主研制的鈷同位素中心桿水下切割機(jī)及配套設(shè)施，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)高放射性小型物件水下切割的空白。此外，團(tuán)隊(duì)形成了一整套規(guī)范的鈷同位素生產(chǎn)操作方法、設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)、管理流程，《商用堆生產(chǎn)鈷同位素體系建立與優(yōu)化》還獲得了中國(guó)設(shè)備管理協(xié)會(huì)一等獎(jiǎng)及公司‘先進(jìn)操作法’。”團(tuán)隊(duì)成員蔣軍建介紹。
展望未來(lái)，樊申表示，面對(duì)我國(guó)自主生產(chǎn)的鍶-89僅能滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)20%的需求、镥-177僅能滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)5%的需求的現(xiàn)狀，秦山核電制定了“三步走”戰(zhàn)略規(guī)劃：到2023年，釔-90滿(mǎn)足小規(guī)模臨床試驗(yàn)需求;到2024年，在已有工業(yè)鈷-60、醫(yī)用鈷-60、碳-14等核素生產(chǎn)之外，建成碘-131、鍶-89、镥-177等核素生產(chǎn)能力;到2025年，達(dá)成碘-131滿(mǎn)足部分國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求、2026年碳-14滿(mǎn)足國(guó)際市場(chǎng)大部分需求的目標(biāo)。
“秦山核電將充分利用俘獲法、裂變法、從廢物中分離提取等途徑開(kāi)展重要工業(yè)/醫(yī)用同位素生產(chǎn)，形成穩(wěn)定的、規(guī)劃化的生產(chǎn)供應(yīng)能力，保障國(guó)內(nèi)供應(yīng)安全。”樊申說(shuō)。
當(dāng)前，秦山核電同位素生產(chǎn)技術(shù)開(kāi)發(fā)進(jìn)展迅速，除了重水堆輻照生產(chǎn)碳-14和短半衰期同位素鍶-89、镥-177、碘-131和釔-90等同位素的輻照生產(chǎn)外，還開(kāi)展了裂變鉬-99前期科研和重水堆廢樹(shù)脂中的碳-14脫除和提純研究。
▲圖為工作人員正在進(jìn)行碳-14 靶件入堆操作。
重水堆廢樹(shù)脂中的碳-14脫除和提純技術(shù)不僅能夠生產(chǎn)碳-14，還能凈化廢樹(shù)脂，為廢樹(shù)脂的處理創(chuàng)造更有利的條件。據(jù)了解，重水堆運(yùn)行過(guò)程中所產(chǎn)生的大量碳-14，主要以HCO3-的形式存在，被樹(shù)脂所吸附，在樹(shù)脂失效后被傳輸?shù)綇U樹(shù)脂貯槽中存放。秦山核電聯(lián)合國(guó)內(nèi)相關(guān)單位已開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，研究廢樹(shù)脂中的碳-14脫除和提純，其目標(biāo)是達(dá)到工業(yè)和醫(yī)療應(yīng)用水平，目前已完成工藝小試研究，試驗(yàn)結(jié)果完全滿(mǎn)足技術(shù)指標(biāo)要求。
奮進(jìn)新征程，建功新時(shí)代。站在新的歷史起點(diǎn)，秦山核電總結(jié)、凝練三十多年的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，創(chuàng)造性提出 “1+1+2+4”發(fā)展思路，其中特別提到要建設(shè)“同位素生產(chǎn)基地”，帶動(dòng)同位素產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，打造全國(guó)核技術(shù)應(yīng)用產(chǎn)業(yè)示范基地。“十四五”期間，秦山核電將繼續(xù)落實(shí)“健康中國(guó)”發(fā)展戰(zhàn)略及《醫(yī)用同位素中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃(2021-2035 年)》相關(guān)要求，持續(xù)深化企地共生、共贏、共榮發(fā)展，企地聯(lián)合發(fā)展同位素產(chǎn)業(yè)，完成鈷-60、碳-14在內(nèi)的多條同位素生產(chǎn)線(xiàn)建設(shè)，建成全國(guó)最大同位素基地，同時(shí)布局國(guó)際市場(chǎng)，努力發(fā)展成為國(guó)內(nèi)外工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)和科研等領(lǐng)域核技術(shù)應(yīng)用整體解決方案的供應(yīng)商，勇做新時(shí)代核電領(lǐng)跑者，為助力實(shí)現(xiàn)中核集團(tuán)“三位一體”奮斗目標(biāo)，浙江省“兩個(gè)先行”和“健康中國(guó)”建設(shè)作出新的更大貢獻(xiàn)。
