秦山核电勇拓同位素生产创新之路

▲图为秦山核电基地。

天空澄碧，纤云不染。位于浙江省海盐县的杭州湾畔，九座核岛巍然矗立。这里，就是中国核电起步的地方——中核集团旗下中国核电投资控股的秦山核电基地。

自秦山核电站1991年12月并网发电至今，秦山核电基地不仅发出了中国大陆第一度核电，更见证了我国核电技术更迭升级、多堆型多机组安全高质量建造运营、核能多元综合利用的发展历程。

作为我国堆型最丰富的核电基地，秦山核电基地拥有我国唯一的商用重水堆，并具备生产同位素的优势和条件。近日，秦山核电在实现工业和医用钴-60大规模辐照生产基础上，在不影响机组运行发电的情况下，进一步拓展重水堆的同位素生产能力，不断推动我国核电和核技术应用产业协同融合发展。

同位素研发之路艰辛无比，从自主创新到打开局面，秦山核电在科技创新的道路上一往无前，一座“老”电站正焕发出“新活力”。

“零”的突破并非易事

今年4月，秦山核电在秦三厂112大修中顺利完成国内首个商用堆同位素研发平台安装、冷态调试和系统标识，标志着国内首个商用堆同位素研发平台建成。据了解，该平台具备在线自动装卸靶件的能力，结合重水堆中子通量高、稳定运行时间长的特点，可以长期、稳定、灵活地开展医用同位素研制和小批量生产工作。

秦山核电专项工程处重水堆研发科副科长樊申告诉记者，生产同位素需要中子辐照，重水堆堆芯设计显著区别于压水堆，堆芯的热中子通量更高，大概是压水堆的五到六倍。“此外，重水堆的慢化剂处于低温常压水平，采用在线换料方式，允许同位素生产时进行调试等工作，加之机组年稳定运行时间较长，使得重水堆具备生产种类多、长短半衰期同位素均能生产且产量大等特点。”

▲图为钻-60棒束。

秦山核电的同位素生产之路，还得从钴-60的突破说起。

钴-60是金属元素钴的放射性同位素，可用于食品保鲜、工业探伤、γ手术刀等诸多领域。“我国加入世贸组织以后，国内辐射加工产业发展迅猛，工业钴-60放射源需求从1998年约200万居里增至现在的1000-1200万居里。”樊申告诉记者，利用国内两台重水堆生产钴-60，可以填补国内空白，符合建立节约型社会和可持续协调发展的要求。

在国内成功生产钴-60之前，我国每年钴-60的需求量大约在800万居里，几乎全部依赖国外进口。“秦山核电三厂(重水堆)两台机组是从加拿大引进的坎杜6型反应堆，其在满功率运行期间有21根不锈钢调节棒组件长期插在堆芯，用以展平中子通量，若将其全部不锈钢调节棒组件更换成钴-59调节棒组件，通过中子辐照，便可以大量生产钴-60辐射源。”秦山核电专项工程处重水堆研发科科长孟智良解释。

从国际市场看，在我国成功生产钴-60前，加拿大8座坎杜重水堆核电机组生产的钴-60占全世界产量的80%以上，几乎垄断了世界钴源市场。秦山三期原副总工程师、钴-60项目组组长唐炯然介绍：“重水堆具备生产周期短、生产规模大的优势，两台机组的钴-60年产量高达600万居里，将满足国内75%的市场需求，而且不影响机组的安全运行和经济性。”

加拿大早在1946年就实现了重水堆生产钴-60，技术已十分成熟。国外有现成的技术，而我国又想在重水堆上应用，所以彼时负责该项目的钴-60项目组首先想到的是国际合作。

然而，“零”的突破没有那么简单。

在1996年核电工程技术谈判期间，秦山三期就向加方提出在秦山三期重水堆核电工程增加钴-60生产。“但加方在工程合同价格谈判阶段有意取消了钴-60生产，他们似乎想在合同价格之外提出更高的价格。”唐炯然说，“于是，第一次寻求合作的尝试失败了。”

1998年，国家有关部门进行初步设计审查时，再次提出做好同位素生产的准备。“当时的工程总包方加拿大原子能有限公司(AECL)以钴-60生产的知识产权为加拿大MDSNordion公司所有为名拒绝了，所以第二次又没成功。” 唐炯然感慨道。

1999年，在中方的坚持和努力下，通过加拿大原子能有限公司联系，秦山三期开始与MDSNordion公司进行谈判。“谈判很艰难，对方提出一次性付900万美元和多余中间产品低价包销的苛刻条件，我们显然无法接受。” 谈及第三次失败，唐炯然显得有些无奈，“其实，中间我们还与阿根廷谈过，由于他们也是引进加拿大的技术，没有自主知识产权，我们最终还是选择了放弃。”

“三次寻求国际合作全部失败，最终让我们走上自主研发的道路。”唐炯然说。

上下一心打开同位素生产新局面

同位素研发项目启动之初便面临诸多挑战——国外将相关技术完全封锁，只能在一些公开发表的论文中找到只言片语，在引进的大型核电站上进行堆芯反应性控制装置变更，在国内尚属首次。“没人敢干这事儿，因为涉及结构设计、核设计、热工安全、事故分析、钴调节棒组件的研制、更换操作，以及强放射性物质运输的辐射安全和制造出有信誉的合格产品等一系列技术难题。”唐炯然回忆道。

好在秦山核电管理层充分认识到该项目的巨大社会效益，历届管理者都积极推动项目开展。在前期给予大量人力物力支持的情况下，2009年，秦山三期明确将做好同位素钴-60的生产作为发展“三个跨越”之一写入了自身的 “333”发展战略。

▲图为工作人员正在进行钴-60 出堆操作。

1999年，秦山三期开展项目可行性研究，从理论上论证了项目的可行性;2000年，项目管理工作移交给中核集团;2003年11月，在秦山三期两台机组投入商运后，中核集团组织各相关单位召开会议，确定正式开展自主设计研发。此后，由中国同位素公司牵头的秦山三期重水堆生产钴-60项目各项工作有条不紊地开展起来。

2003年至2006年，全部依靠国内技术力量开展自主设计和研制。2004年2月，中核集团第二次总经理办公会决定项目实施方为中国同位素公司，秦山三期协助安全申请和实施堆上生产;2006年6月，项目提交国家核安全局审查，2008年6月获批准;2008年底，首批钴调节棒开始换入1号机组开始生产钴-60;2009年底，第二批钴调节棒开始换入2号机组;2010年5月，经一个循环周期安全辐照后，首批钴调节棒顺利出堆。

截至目前，秦山核电三厂两台重水堆产出的工业钴-60同位可满足国内70%左右的市场需求，医用钴-60满足国内市场需求。尤其是在近年全球钴-60供应紧张的情况下，中国已连续向国际市场出口钴-60百万居里。

有了工业钴-60的生产经验与基础，医用钴-60项目仅历时3年就完成了靶件入堆。很快，秦山核电又将目光锁定碳-14的生产研发。

碳-14同位素生产是秦山核电同位素生产基地建设的首个医用同位素生产项目，尽管已经积累了成功生产工业和医用钴-60的经验，但碳-14同位素生产技术同样属于国内首创，几乎没有任何可借鉴经验，这无疑是另一项开创性突破。

▲图为三厂风光。

记者了解到，当时的研发团队为了完成2022年4月碳-14同位素靶件入堆这一目标，争分夺秒研究靶件设计思路，进行公司内部论证，编制技术规格书，并与合作单位开展技术讨论，校核分析成果，审查靶件设计和论证文件，编写审评报告，攻破了一道道技术难关。

这个过程中，最艰难的就是寻找靶件材料，共同研发工艺。时间紧迫，项目团队在充分调研基础上提出解决思路，并迅速召集靶件研制各方反复论证，终于找到解决办法，靶件制造得以继续进行。通过安全审查是实现项目目标的重要一关，只有详实的分析论证材料才能支撑项目安审。每次审评前，团队成员和技术支持单位人员都召开审评准备会，反复审查报告内容及提出质疑问题，分析越辩越明，问题越理越清，方案越做越细，最终在上报审评文件8个月后拿到入堆许可批复文件。

2022年4月2日，碳-14同位素靶件通过出厂验收，4月11日成功取得入堆许可，4月26日首批靶件入堆辐照。“在堆内辐照两年后，首批商用堆辐照碳-14靶件将出堆，秦山核电将成为国内最大的碳-14原料生产地，年产能完全满足国内市场需求，一举打破我国碳-14几乎全部依赖进口的历史。”樊申充满期待地说。

核能科技创新大有可为

梳理秦山核电同位素生产“从无到有”之路不难发现，科技创新贯穿始终，而关键核心是一支优秀的人才队伍。秦山核电通过机组建造、运维培养了一大批消化并掌握重水堆技术的人才，通过钴-60生产又培养了一支熟悉同位素辐照生产技术研发和实施的队伍，积累了丰富的同位素辐照生产相关工作经验。

记者还了解到，秦山核电拥有我国唯一的同位素水下操作团队，主要负责同位素水下解体、装载、发运等工作。团队成立之初只有三人，开展同位素生产设备技术创新，对原有生产设备进行优化升级，提高设备可用性，并在较短时间内自主研发了钴同位素生产应急工具五件套，保证了钴-60及后续碳-14生产的安全性;成功研发钴同位素运输容器冲洗装置，以保证人员安全。

▲图为秦山三期——我国唯一的重水堆机组。

“研发团队首创同位素生产模式并建立同位素生产体系，为后续生产同位素提供技术支持，同时也为医用钴同位素生产提供了宝贵的实践数据。自主研制的钴同位素中心杆水下切割机及配套设施，填补了国内高放射性小型物件水下切割的空白。此外，团队形成了一整套规范的钴同位素生产操作方法、设备标准、管理流程，《商用堆生产钴同位素体系建立与优化》还获得了中国设备管理协会一等奖及公司‘先进操作法’。”团队成员蒋军建介绍。

展望未来，樊申表示，面对我国自主生产的锶-89仅能满足国内20%的需求、镥-177仅能满足国内5%的需求的现状，秦山核电制定了“三步走”战略规划：到2023年，钇-90满足小规模临床试验需求;到2024年，在已有工业钴-60、医用钴-60、碳-14等核素生产之外，建成碘-131、锶-89、镥-177等核素生产能力;到2025年，达成碘-131满足部分国内市场需求、2026年碳-14满足国际市场大部分需求的目标。

“秦山核电将充分利用俘获法、裂变法、从废物中分离提取等途径开展重要工业/医用同位素生产，形成稳定的、规划化的生产供应能力，保障国内供应安全。”樊申说。

当前，秦山核电同位素生产技术开发进展迅速，除了重水堆辐照生产碳-14和短半衰期同位素锶-89、镥-177、碘-131和钇-90等同位素的辐照生产外，还开展了裂变钼-99前期科研和重水堆废树脂中的碳-14脱除和提纯研究。

▲图为工作人员正在进行碳-14 靶件入堆操作。

重水堆废树脂中的碳-14脱除和提纯技术不仅能够生产碳-14，还能净化废树脂，为废树脂的处理创造更有利的条件。据了解，重水堆运行过程中所产生的大量碳-14，主要以HCO3-的形式存在，被树脂所吸附，在树脂失效后被传输到废树脂贮槽中存放。秦山核电联合国内相关单位已开展实验，研究废树脂中的碳-14脱除和提纯，其目标是达到工业和医疗应用水平，目前已完成工艺小试研究，试验结果完全满足技术指标要求。

奋进新征程，建功新时代。站在新的历史起点，秦山核电总结、凝练三十多年的发展经验，创造性提出 “1+1+2+4”发展思路，其中特别提到要建设“同位素生产基地”，带动同位素产业链发展，打造全国核技术应用产业示范基地。“十四五”期间，秦山核电将继续落实“健康中国”发展战略及《医用同位素中长期发展规划(2021-2035 年)》相关要求，持续深化企地共生、共赢、共荣发展，企地联合发展同位素产业，完成钴-60、碳-14在内的多条同位素生产线建设，建成全国最大同位素基地，同时布局国际市场，努力发展成为国内外工业、农业、医学和科研等领域核技术应用整体解决方案的供应商，勇做新时代核电领跑者，为助力实现中核集团“三位一体”奋斗目标，浙江省“两个先行”和“健康中国”建设作出新的更大贡献。