▲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，就是中國核電起步的地方——中核集團旗下中國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)出了中國大陸第一度核電，更見證了我國核電技術(shù)更迭升級、多堆型多機組安全高質(zhì)量建造運營、核能多元綜合利用的發(fā)展歷程。
作為我國堆型最豐富的核電基地，秦山核電基地擁有我國唯一的商用重水堆，并具備生產(chǎn)同位素的優(yōu)勢和條件。《中國能源報》記者近日獲悉，秦山核電在實現(xiàn)工業(yè)和醫(yī)用鈷-60大規(guī)模輻照生產(chǎn)基礎(chǔ)上，在不影響機組運行發(fā)電的情況下，進一步拓展重水堆的同位素生產(chǎn)能力，不斷推動我國核電和核技術(shù)應(yīng)用產(chǎn)業(yè)協(xié)同融合發(fā)展。
同位素研發(fā)之路艱辛無比，從自主創(chuàng)新到打開局面，秦山核電在科技創(chuàng)新的道路上一往無前，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112大修中順利完成國內(nèi)首個商用堆同位素研發(fā)平臺安裝、冷態(tài)調(diào)試和系統(tǒng)標識，標志著國內(nèi)首個商用堆同位素研發(fā)平臺建成。據(jù)《中國能源報》記者了解，該平臺具備在線自動裝卸靶件的能力，結(jié)合重水堆中子通量高、穩(wěn)定運行時間長的特點，可以長期、穩(wěn)定、靈活地開展醫(yī)用同位素研制和小批量生產(chǎn)工作。
秦山核電專項工程處重水堆研發(fā)科副科長樊申告訴《中國能源報》記者，生產(chǎn)同位素需要中子輻照，重水堆堆芯設(shè)計顯著區(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，采用在線換料方式，允許同位素生產(chǎn)時進行調(diào)試等工作，加之機組年穩(wěn)定運行時間較長，使得重水堆具備生產(chǎn)種類多、長短半衰期同位素均能生產(chǎn)且產(chǎn)量大等特點。”
▲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。“我國加入世貿(mào)組織以后，國內(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200萬居里增至現(xiàn)在的1000-1200萬居里。”樊申告訴記者，利用國內(nèi)兩臺重水堆生產(chǎn)鈷-60，可以填補國內(nèi)空白，符合建立節(jié)約型社會和可持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展的要求。
在國內(nèi)成功生產(chǎn)鈷-60之前，我國每年鈷-60的需求量大約在800萬居里，幾乎全部依賴國外進口。“秦山核電三廠(重水堆)兩臺機組是從加拿大引進的坎杜6型反應(yīng)堆，其在滿功率運行期間有21根不銹鋼調(diào)節(jié)棒組件長期插在堆芯，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，通過中子輻照，便可以大量生產(chǎn)鈷-60輻射源。”秦山核電專項工程處重水堆研發(fā)科科長孟智良解釋。
從國際市場看，在我國成功生產(chǎn)鈷-60前，加拿大8座坎杜重水堆核電機組生產(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。秦山三期原副總工程師、鈷-60項目組組長唐炯然介紹：“重水堆具備生產(chǎn)周期短、生產(chǎn)規(guī)模大的優(yōu)勢，兩臺機組的鈷-60年產(chǎn)量高達600萬居里，將滿足國內(nèi)75%的市場需求，而且不影響機組的安全運行和經(jīng)濟性。”
加拿大早在1946年就實現(xiàn)了重水堆生產(chǎn)鈷-60，技術(shù)已十分成熟。國外有現(xiàn)成的技術(shù)，而我國又想在重水堆上應(yīng)用，所以彼時負責(zé)該項目的鈷-60項目組首先想到的是國際合作。
然而，“零”的突破沒有那么簡單。
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格談判階段有意取消了鈷-60生產(chǎn)，他們似乎想在合同價格之外提出更高的價格。”唐炯然說，“于是，第一次尋求合作的嘗試失敗了。”
1998年，國家有關(guān)部門進行初步設(shè)計審查時，再次提出做好同位素生產(chǎn)的準備。“當(dāng)時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，所以第二次又沒成功。” 唐炯然感慨道。
1999年，在中方的堅持和努力下，通過加拿大原子能有限公司聯(lián)系，秦山三期開始與MDSNordion公司進行談判。“談判很艱難，對方提出一次性付900萬美元和多余中間產(chǎn)品低價包銷的苛刻條件，我們顯然無法接受。” 談及第三次失敗，唐炯然顯得有些無奈，“其實，中間我們還與阿根廷談過，由于他們也是引進加拿大的技術(shù)，沒有自主知識產(chǎn)權(quán)，我們最終還是選擇了放棄。”
“三次尋求國際合作全部失敗，最終讓我們走上自主研發(fā)的道路。”唐炯然說。
上下一心打開同位素生產(chǎn)新局面
同位素研發(fā)項目啟動之初便面臨諸多挑戰(zhàn)——國外將相關(guān)技術(shù)完全封鎖，只能在一些公開發(fā)表的論文中找到只言片語，在引進的大型核電站上進行堆芯反應(yīng)性控制裝置變更，在國內(nèi)尚屬首次。“沒人敢干這事兒，因為涉及結(jié)構(gòu)設(shè)計、核設(shè)計、熱工安全、事故分析、鈷調(diào)節(jié)棒組件的研制、更換操作，以及強放射性物質(zhì)運輸?shù)妮椛浒踩椭圃斐鲇行抛u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識到該項目的巨大社會效益，歷屆管理者都積極推動項目開展。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“三個跨越”之一寫入了自身的 “333”發(fā)展戰(zhàn)略。
▲圖為工作人員正在進行鈷-60 出堆操作。
1999年，秦山三期開展項目可行性研究，從理論上論證了項目的可行性;2000年，項目管理工作移交給中核集團;2003年11月，在秦山三期兩臺機組投入商運后，中核集團組織各相關(guān)單位召開會議，確定正式開展自主設(shè)計研發(fā)。此后，由中國同位素公司牽頭的秦山三期重水堆生產(chǎn)鈷-60項目各項工作有條不紊地開展起來。
2003年至2006年，全部依靠國內(nèi)技術(shù)力量開展自主設(shè)計和研制。2004年2月，中核集團第二次總經(jīng)理辦公會決定項目實施方為中國同位素公司，秦山三期協(xié)助安全申請和實施堆上生產(chǎn);2006年6月，項目提交國家核安全局審查，2008年6月獲批準;2008年底，首批鈷調(diào)節(jié)棒開始換入1號機組開始生產(chǎn)鈷-60;2009年底，第二批鈷調(diào)節(jié)棒開始換入2號機組;2010年5月，經(jīng)一個循環(huán)周期安全輻照后，首批鈷調(diào)節(jié)棒順利出堆。
截至目前，秦山核電三廠兩臺重水堆產(chǎn)出的工業(yè)鈷-60同位可滿足國內(nèi)70%左右的市場需求，醫(yī)用鈷-60滿足國內(nèi)市場需求。尤其是在近年全球鈷-60供應(yīng)緊張的情況下，中國已連續(xù)向國際市場出口鈷-60百萬居里。
有了工業(yè)鈷-60的生產(chǎn)經(jīng)驗與基礎(chǔ)，醫(yī)用鈷-60項目僅歷時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)的首個醫(yī)用同位素生產(chǎn)項目，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，但碳-14同位素生產(chǎn)技術(shù)同樣屬于國內(nèi)首創(chuàng)，幾乎沒有任何可借鑒經(jīng)驗，這無疑是另一項開創(chuàng)性突破。
▲圖為三廠風(fēng)光。
《中國能源報》記者了解到，當(dāng)時的研發(fā)團隊為了完成2022年4月碳-14同位素靶件入堆這一目標，爭分奪秒研究靶件設(shè)計思路，進行公司內(nèi)部論證，編制技術(shù)規(guī)格書，并與合作單位開展技術(shù)討論，校核分析成果，審查靶件設(shè)計和論證文件，編寫審評報告，攻破了一道道技術(shù)難關(guān)。
這個過程中，最艱難的就是尋找靶件材料，共同研發(fā)工藝。時間緊迫，項目團隊在充分調(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)進行。通過安全審查是實現(xiàn)項目目標的重要一關(guān)，只有詳實的分析論證材料才能支撐項目安審。每次審評前，團隊成員和技術(shù)支持單位人員都召開審評準備會，反復(fù)審查報告內(nèi)容及提出質(zhì)疑問題，分析越辯越明，問題越理越清，方案越做越細，最終在上報審評文件8個月后拿到入堆許可批復(fù)文件。
2022年4月2日，碳-14同位素靶件通過出廠驗收，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，秦山核電將成為國內(nèi)最大的碳-14原料生產(chǎn)地，年產(chǎn)能完全滿足國內(nèi)市場需求，一舉打破我國碳-14幾乎全部依賴進口的歷史。”樊申充滿期待地說。
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)秀的人才隊伍。秦山核電通過機組建造、運維培養(yǎng)了一大批消化并掌握重水堆技術(shù)的人才，通過鈷-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)和實施的隊伍，積累了豐富的同位素輻照生產(chǎn)相關(guān)工作經(jīng)驗。
《中國能源報》記者還了解到，秦山核電擁有我國唯一的同位素水下操作團隊，主要負責(zé)同位素水下解體、裝載、發(fā)運等工作。團隊成立之初只有三人，開展同位素生產(chǎn)設(shè)備技術(shù)創(chuàng)新，對原有生產(chǎn)設(shè)備進行優(yōu)化升級，提高設(shè)備可用性，并在較短時間內(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)鈷同位素運輸容器沖洗裝置，以保證人員安全。
▲圖為秦山三期——我國唯一的重水堆機組。
“研發(fā)團隊首創(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，同時也為醫(yī)用鈷同位素生產(chǎn)提供了寶貴的實踐數(shù)據(jù)。自主研制的鈷同位素中心桿水下切割機及配套設(shè)施，填補了國內(nèi)高放射性小型物件水下切割的空白。此外，團隊形成了一整套規(guī)范的鈷同位素生產(chǎn)操作方法、設(shè)備標準、管理流程，《商用堆生產(chǎn)鈷同位素體系建立與優(yōu)化》還獲得了中國設(shè)備管理協(xié)會一等獎及公司‘先進操作法’。”團隊成員蔣軍建介紹。
展望未來，樊申表示，面對我國自主生產(chǎn)的鍶-89僅能滿足國內(nèi)20%的需求、镥-177僅能滿足國內(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滿足小規(guī)模臨床試驗需求;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，達成碘-131滿足部分國內(nèi)市場需求、2026年碳-14滿足國際市場大部分需求的目標。
“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，保障國內(nèi)供應(yīng)安全。”樊申說。
當(dāng)前，秦山核電同位素生產(chǎn)技術(shù)開發(fā)進展迅速，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，還開展了裂變鉬-99前期科研和重水堆廢樹脂中的碳-14脫除和提純研究。
▲圖為工作人員正在進行碳-14 靶件入堆操作。
重水堆廢樹脂中的碳-14脫除和提純技術(shù)不僅能夠生產(chǎn)碳-14，還能凈化廢樹脂，為廢樹脂的處理創(chuàng)造更有利的條件。據(jù)了解，重水堆運行過程中所產(chǎn)生的大量碳-14，主要以HCO3-的形式存在，被樹脂所吸附，在樹脂失效后被傳輸?shù)綇U樹脂貯槽中存放。秦山核電聯(lián)合國內(nèi)相關(guān)單位已開展實驗，研究廢樹脂中的碳-14脫除和提純，其目標是達到工業(yè)和醫(yī)療應(yīng)用水平，目前已完成工藝小試研究，試驗結(jié)果完全滿足技術(shù)指標要求。
奮進新征程，建功新時代。站在新的歷史起點，秦山核電總結(jié)、凝練三十多年的發(fā)展經(jīng)驗，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”，帶動同位素產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，打造全國核技術(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“健康中國”發(fā)展戰(zhàn)略及《醫(yī)用同位素中長期發(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)線建設(shè)，建成全國最大同位素基地，同時布局國際市場，努力發(fā)展成為國內(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，勇做新時代核電領(lǐng)跑者，為助力實現(xiàn)中核集團“三位一體”奮斗目標，浙江省“兩個先行”和“健康中國”建設(shè)作出新的更大貢獻。
