走進(jìn)中核集團(tuán)秦山核電三廠2號(hào)機(jī)組反應(yīng)堆廠房，在機(jī)器轟鳴聲中沿樓梯上到五樓，來(lái)到501平臺(tái)，腳下就是我國(guó)唯一商用重水堆核心裝置——反應(yīng)堆堆芯。秦山核電的醫(yī)用同位素生產(chǎn)平臺(tái)就安裝在這里。
春節(jié)臨近，秦山核電正在為醫(yī)用同位素的生產(chǎn)而緊張忙碌著。秦山核電副總工程師李世生告訴記者，將外形像一列小火車的靶件放入反應(yīng)堆孔道的安全套管中，進(jìn)行一段時(shí)間的輻照再取出，就可以生產(chǎn)出釔-90、镥-177等醫(yī)用同位素。“目前我們?cè)谝酝?jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，正在拓展新的醫(yī)用同位素品種，并進(jìn)一步優(yōu)化技術(shù)和工藝。”李世生說(shuō)。
秦山核電三廠重水堆機(jī)組
醫(yī)用同位素作為核醫(yī)療的基礎(chǔ)，在惡性腫瘤、心腦血管等重大疾病的診斷和治療方面發(fā)揮著重要作用。不過(guò)，長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)除了通過(guò)加速器和研究型反應(yīng)堆生產(chǎn)一小部分，主要依賴進(jìn)口，面臨價(jià)格高昂、供貨不穩(wěn)定等問題，極大制約了我國(guó)醫(yī)用同位素的應(yīng)用和發(fā)展。
近年來(lái)，在中核集團(tuán)指導(dǎo)下，秦山核電依托重水堆核電機(jī)組的資源優(yōu)勢(shì)，進(jìn)行輻照生產(chǎn)醫(yī)用同位素的研發(fā)和技術(shù)改造，解決了一系列關(guān)鍵技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)了成功投運(yùn)，不僅打破了國(guó)外廠商的市場(chǎng)壟斷，也開辟了秦山核電發(fā)展的“第二曲線”。
尋找新的增長(zhǎng)點(diǎn)
秦山核電位于浙江省嘉興市海鹽縣，自1991年并網(wǎng)發(fā)電以來(lái)，經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展，已經(jīng)成為我國(guó)核電機(jī)組數(shù)量最多、堆型最豐富的核電基地，被譽(yù)為“國(guó)之光榮”。
一家專注于核能發(fā)電的企業(yè)，為何會(huì)生產(chǎn)醫(yī)用同位素?近日，記者走進(jìn)秦山核電，一探究竟。秦山核電總經(jīng)理尚憲和將這段故事向記者娓娓道來(lái)。
“2015年秦山核電9臺(tái)機(jī)組全部并網(wǎng)發(fā)電之后，我們持續(xù)提升安全運(yùn)行能力，到2019年前后，各項(xiàng)指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到世界領(lǐng)先水平，同時(shí)也面臨發(fā)展的‘天花板’問題。”尚憲和對(duì)記者坦言。
秦山核電如何尋求新的增長(zhǎng)點(diǎn)?公司上下開展了熱烈的討論，一個(gè)想法得到了越來(lái)越多人的贊同——生產(chǎn)同位素。
其實(shí)，早在2010年，秦山核電就成功實(shí)現(xiàn)了工業(yè)鈷-60的批量生產(chǎn)。2019年又實(shí)現(xiàn)了醫(yī)用鈷-60生產(chǎn)的突破。
尚憲和告訴記者，這主要得益于秦山核電擁有國(guó)內(nèi)僅有的兩臺(tái)70萬(wàn)千瓦級(jí)的重水堆核電機(jī)組。
“重水堆具有堆芯中子通量高、可以不停堆換料、運(yùn)行穩(wěn)定等特點(diǎn)，在同位素生產(chǎn)方面具有效率高、產(chǎn)量大、比活度高、連續(xù)生產(chǎn)、供應(yīng)穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)。”尚憲和說(shuō)。
秦山核電醫(yī)用同位素生產(chǎn)裝置
秦山核電能夠生產(chǎn)醫(yī)用同位素的另一優(yōu)勢(shì)條件，是擁有一支人才隊(duì)伍。作為國(guó)內(nèi)起步最早、堆型最豐富的核電站，秦山核電在發(fā)展過(guò)程中需要自主解決各種技術(shù)難題，專項(xiàng)工程處則是解決這些難題的重要力量。
2019年9月25日，秦山核電召開會(huì)議，學(xué)習(xí)習(xí)近平總書記關(guān)于核工業(yè)創(chuàng)建60周年的重要指示精神，以及中核集團(tuán)、中國(guó)核電安全發(fā)展創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃，并就秦山核電如何落實(shí)戰(zhàn)略規(guī)劃展開深入研討。
會(huì)上，秦山核電提出了幾項(xiàng)具體任務(wù)，其中一項(xiàng)為“利用秦山核電基地開展核素生產(chǎn)的可行性研究”，探討是否可以利用秦山核電的反應(yīng)堆輻照生產(chǎn)鍶-89、碳-14等放射性同位素。該項(xiàng)工作安排公司專項(xiàng)工程處牽頭，運(yùn)行、維修、技術(shù)和化學(xué)等部門配合。
專項(xiàng)工程處負(fù)責(zé)此項(xiàng)任務(wù)的孟智良接到任務(wù)后，立即開始收集信息和進(jìn)行可行性評(píng)估，經(jīng)衡量后，在原定6種放射性同位素的基礎(chǔ)上增加了鉬-99、镥-177、碘-131等放射性同位素。
使用商用堆進(jìn)行放射性同位素生產(chǎn)，首先需要找到可用的生產(chǎn)位置。商用堆在設(shè)計(jì)上是用來(lái)發(fā)電的，因此堆芯內(nèi)除了燃料組件和反應(yīng)性控制保護(hù)裝置，沒有事先設(shè)計(jì)和安裝好的輻照孔道。同時(shí)，商用堆的堆芯在設(shè)計(jì)時(shí)考慮了良好的中子經(jīng)濟(jì)性，使得堆芯外圍的中子通量較低，不適合同位素輻照生產(chǎn)，因此還得在堆芯內(nèi)部找。
孟智良在重水堆和壓水堆的堆芯內(nèi)部鎖定了4個(gè)潛在位置，重水堆3個(gè)，壓水堆1個(gè)，經(jīng)過(guò)綜合比較，發(fā)現(xiàn)重水堆在同位素生產(chǎn)方面優(yōu)勢(shì)顯著。在隨后的3個(gè)月內(nèi)，專項(xiàng)工程處的技術(shù)人員對(duì)初步可行性研究報(bào)告進(jìn)行了持續(xù)完善，最終報(bào)告獲得了秦山核電專家的認(rèn)可。
為了進(jìn)一步確認(rèn)生產(chǎn)方案是否可行，為后續(xù)研發(fā)提供指導(dǎo)，2020年初，秦山核電選擇了6種放射性同位素，正式委托上海核工院開展生產(chǎn)的可行性專題論證。上海核工院歷時(shí)8個(gè)月完成論證，并發(fā)布相關(guān)評(píng)估報(bào)告，證實(shí)秦山核電進(jìn)行上述放射性同位素生產(chǎn)是可行的。
2020年底，秦山核電編制并發(fā)布了《秦山核電同位素生產(chǎn)基地建設(shè)發(fā)展規(guī)劃》，并納入《秦山核電“十四五”高質(zhì)量發(fā)展規(guī)劃》，統(tǒng)籌推進(jìn)重要醫(yī)用同位素產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)研發(fā)和能力建設(shè)，全力確保在“十四五”期間建立鉬-99、镥-177、碳-14等多種醫(yī)用同位素的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)能力。2021年初，中核集團(tuán)組織專題會(huì)議討論后，將秦山核電的醫(yī)用同位素生產(chǎn)納入集團(tuán)的實(shí)施方案中。
攻克技術(shù)難關(guān)
雖然進(jìn)行了可行性研究和論證，且此前有鈷-60生產(chǎn)的經(jīng)驗(yàn)，不過(guò)，要生產(chǎn)新的醫(yī)用同位素品種，還需要進(jìn)行新的探索和實(shí)踐。
秦山核電首先攻關(guān)的是碳-14的生產(chǎn)。回憶起科技攻關(guān)的場(chǎng)景，李世生向記者打開了話匣子。
李世生告訴記者，與目前生產(chǎn)碳-14主要依靠的研究堆相比，秦山核電重水堆機(jī)組輻照生產(chǎn)碳-14具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，一是堆芯空間大，輻照靶件數(shù)量多、產(chǎn)量大，二是在安全穩(wěn)定發(fā)電的同時(shí)生產(chǎn)碳-14，生產(chǎn)成本相對(duì)較低。
2020年11月，在明確重水堆輻照生產(chǎn)碳-14原理上可行的情況下，秦山核電充分發(fā)揮黨建引領(lǐng)作用，由專項(xiàng)工程處黨支部牽頭成立同位素輻照生產(chǎn)黨員突擊隊(duì)，與上海核工院、中核北方就項(xiàng)目開發(fā)進(jìn)行了一輪深入探討。擺在大家面前的第一個(gè)問題是靶件如何設(shè)計(jì)，這需要兼顧制造、輻照安全以及后端處理便利性等問題。
“項(xiàng)目組綜合考慮前端制造廠技術(shù)水平、重水堆安全穩(wěn)定運(yùn)行需要、后端熱室處理技術(shù)，最終確定以氮化鋁粉末作為靶材，以某特殊金屬作為包殼的靶件設(shè)計(jì)方案。”李世生說(shuō)。
接下來(lái)的難題是靶件的封裝密度，太松會(huì)導(dǎo)致裝料太少且不利于傳熱，太緊則不利于后端處理，在相關(guān)專家支持下，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)多次討論，最終確定了最佳值。
在生產(chǎn)同位素的過(guò)程中，核安全是重中之重。在進(jìn)行核安全評(píng)審時(shí)，項(xiàng)目組廣泛了解國(guó)內(nèi)同類工作經(jīng)驗(yàn)，從多個(gè)國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)中找支撐材料，經(jīng)過(guò)充分討論交流，再匯總編制論證報(bào)告。
“最終，輻照方案成熟性報(bào)告以翔實(shí)的論據(jù)、充分的數(shù)據(jù)，有力地說(shuō)明了靶件入堆的安全性與成熟性，獲得了審評(píng)人員的認(rèn)可，為項(xiàng)目最終獲得國(guó)家核安全局的許可奠定了基礎(chǔ)。”李世生說(shuō)。
2022年4月11日，秦山核電獲得國(guó)家核安全局入堆許可，4月21日，完成靶件安裝，具備了入堆條件，4月26日14時(shí)55分，隨著現(xiàn)場(chǎng)操作人員將靶件緩緩插入堆芯，現(xiàn)場(chǎng)指揮發(fā)出報(bào)告：全國(guó)首根商用堆碳-14靶件入堆工作順利完成!在北京、海鹽等地以視頻會(huì)議方式同步召開的入堆見證和匯報(bào)會(huì)現(xiàn)場(chǎng)響起了熱烈的掌聲。
2024年4月20日13時(shí)48分，碳-14靶件從秦山重水堆機(jī)組成功抽出，這是我國(guó)首次利用核電商用堆批量生產(chǎn)碳-14同位素，中國(guó)由此破解了國(guó)內(nèi)碳-14同位素依賴進(jìn)口的難題，實(shí)現(xiàn)了碳-14輻照生產(chǎn)的全面國(guó)產(chǎn)化。
秦山核電生產(chǎn)的碳-14出堆場(chǎng)景
相比于碳-14，镥-177、鍶-89、碘-131的半衰期要短得多。如果采用中子輻照方法進(jìn)行生產(chǎn)，相應(yīng)的輻照時(shí)間較短，不能采用在機(jī)組停堆期間進(jìn)行靶件更換的生產(chǎn)方式，而是需要在機(jī)組滿功率正常運(yùn)行期間進(jìn)行靶件的在線裝卸。因此，需要研制一套專用的在線輻照裝置，以完成靶件裝入堆芯、卸出堆芯、裝入屏蔽容器等操作。
李世生告訴記者，重水堆機(jī)組內(nèi)可用于安裝輻照裝置的孔道有多個(gè)選擇。但是就安裝工作而言，一方面，要考慮孔道附近要有足夠的安裝空間;另一方面，要保證在選擇的孔道安裝輻照裝置后，不會(huì)影響機(jī)組原有的設(shè)計(jì)功能。孔道的選擇是核電站各專業(yè)綜合評(píng)價(jià)的結(jié)果。
孔道確定后，即開始輻照裝置的設(shè)計(jì)工作。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)反復(fù)討論，確定了方案，由特殊設(shè)計(jì)的靶件輻照裝置承載靶盒，將靶盒及靶件輸?shù)蕉研净钚詤^(qū)停留接受輻照，輻照完成后，將靶盒轉(zhuǎn)移出堆芯，并在堆頂?shù)倪m當(dāng)位置將靶盒裝入一個(gè)特殊設(shè)計(jì)的屏蔽轉(zhuǎn)運(yùn)器中，通過(guò)傳輸機(jī)構(gòu)將屏蔽轉(zhuǎn)運(yùn)容器運(yùn)至遠(yuǎn)端吊運(yùn)區(qū)。
為證實(shí)其技術(shù)可行性，秦山核電決定以該方案開展原理樣機(jī)驗(yàn)證。原理樣機(jī)研制于2021年下半年啟動(dòng)，2022年年終完成。
采訪中，李世生拿出模型，向記者講述創(chuàng)新的歷程。
比如，靶件輻照裝置的某個(gè)機(jī)構(gòu)底部需要有一個(gè)配重塊，但是在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，配重塊經(jīng)常卡住，于是，技術(shù)人員在配重塊上鉆了一個(gè)洞，從而使得配重塊以傾斜的姿態(tài)沿管壁下滑，避免被卡住。但在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)中又發(fā)現(xiàn)，配重塊到了金屬通道焊接的位置，只要焊縫略微不齊，依然容易被卡住，于是技術(shù)人員又將配重塊改成了紡錘形，從而可以順利地上下移動(dòng)。
“一項(xiàng)技術(shù)從研發(fā)到真正實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，需要一個(gè)反復(fù)試驗(yàn)的過(guò)程。”李世生對(duì)記者說(shuō)，“比如金屬通道會(huì)不會(huì)磨破，靶件輻照裝置反復(fù)使用會(huì)不會(huì)導(dǎo)致可靠性降低，這些都需要反復(fù)試驗(yàn)才能確定。”
2022年下半年，在原理樣機(jī)研制完成的基礎(chǔ)上，秦山核電作出大孔道輻照裝置工程化實(shí)施的決策，并同步開展工程樣機(jī)的研制工作。從概念設(shè)計(jì)到原理樣機(jī)，再到工程裝置，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)不斷改進(jìn)、優(yōu)化方案，從現(xiàn)場(chǎng)布置到部件制造，再到現(xiàn)場(chǎng)安裝，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)攻克一道又一道難關(guān)。
安裝金屬通道的過(guò)程中，中核集團(tuán)首席技師何少華和他的團(tuán)隊(duì)發(fā)揮了重要作用。
何少華向記者介紹說(shuō)，重水堆核電站在建設(shè)的時(shí)候，會(huì)在反應(yīng)堆上預(yù)留兩個(gè)孔道，用于首次啟動(dòng)時(shí)觀察反應(yīng)堆運(yùn)行是否正常。這一孔道就是金屬通道安裝的位置。不過(guò)，由于反應(yīng)堆已經(jīng)封閉運(yùn)行，所以安裝金屬通道的難點(diǎn)在于，看不到下面的情形，十幾米長(zhǎng)的金屬通道只能“盲裝”，安裝過(guò)程中還不能晃動(dòng)，否則會(huì)碰壞反應(yīng)堆的排管。
“對(duì)安裝的精度要求也很高，如果金屬通道的上面偏離了哪怕1毫米，下面就會(huì)偏離7—8毫米之多。”何少華說(shuō)。
經(jīng)過(guò)反復(fù)探討和實(shí)驗(yàn)，何少華帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)，首先對(duì)一號(hào)機(jī)組的孔道進(jìn)行測(cè)量，以保證金屬通道能夠符合安裝要求，順利裝入反應(yīng)堆。接下來(lái)，何少華帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出了桁架和定位夾持輸送系統(tǒng)，把金屬通道上方的基準(zhǔn)延伸到反應(yīng)堆中，最終一次性把金屬通道在二號(hào)機(jī)組堆芯孔道中準(zhǔn)確安裝就位。
2023年4月3日，國(guó)家核安全局正式批準(zhǔn)秦山核電利用輻照試驗(yàn)裝置進(jìn)行釔-90輻照試驗(yàn)，4月23日，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)在秦山核電三廠112大修中接續(xù)奮戰(zhàn)近120小時(shí)，圓滿完成裝置安裝、冷態(tài)調(diào)試及系統(tǒng)標(biāo)識(shí)作業(yè)，12月14日，隨著首根釔-90靶件順利出堆，裝置熱態(tài)試驗(yàn)成功完成。
2024年12月26日，我國(guó)首個(gè)商用堆在線輻照生產(chǎn)同位素裝置在秦山核電正式投運(yùn)，在此生產(chǎn)的首批镥-177醫(yī)用同位素同步出堆，標(biāo)志著我國(guó)成功掌握批量化在線輻照生產(chǎn)短半衰期同位素的關(guān)鍵技術(shù)。
李世生告訴記者，該裝置無(wú)需停堆即可規(guī)模化、穩(wěn)定持續(xù)生產(chǎn)镥-177、鍶-89和釔-90等短半衰期醫(yī)用同位素，將顯著提升我國(guó)在同位素生產(chǎn)供應(yīng)領(lǐng)域的自主能力以及國(guó)際市場(chǎng)的參與度。
由此，秦山核電的第二增長(zhǎng)曲線，從概念走進(jìn)了現(xiàn)實(shí)。
建設(shè)醫(yī)用同位素生產(chǎn)基地
秦山核電聯(lián)合上海核工院、中核北方等單位，歷經(jīng)三年協(xié)同攻關(guān)，累計(jì)進(jìn)行了2200余次實(shí)驗(yàn)，終于在確保安全可靠的前提下實(shí)現(xiàn)了同位素的高效生產(chǎn)。
李世生告訴記者，下一步，計(jì)劃在1號(hào)重水堆機(jī)組上也安裝一套醫(yī)用同位素生產(chǎn)裝置。“有兩套裝置的話，可以確保醫(yī)用同位素的穩(wěn)定可靠和持續(xù)供應(yīng)。”
醫(yī)用同位素產(chǎn)業(yè)化工作也在同步緊鑼密鼓地進(jìn)行中。2021年，中國(guó)同輻、秦山核電、海鹽縣國(guó)有資本投資公司共同成立中核秦山同位素公司，負(fù)責(zé)醫(yī)用同位素的分離和提純。2024年4月，秦山核電在專項(xiàng)工程處基礎(chǔ)上，與海鹽縣國(guó)有資本投資公司共同成立秦山科技有限公司，負(fù)責(zé)醫(yī)用同位素生產(chǎn)相關(guān)技術(shù)和工藝的開發(fā)，為秦山核電打造新的增長(zhǎng)點(diǎn)。
“秦山核電作為中國(guó)核電起步的地方，應(yīng)該主動(dòng)作為，特別是秦山核電擁有國(guó)內(nèi)唯一的商用重水堆，具備同位素產(chǎn)量大、質(zhì)量穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)性好等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。”2024年1月，秦山核電黨委書記、董事長(zhǎng)，浙江省人大代表黃潛在浙江省十四屆人大二次會(huì)議上提出了《關(guān)于支持海鹽打造全國(guó)同位素產(chǎn)業(yè)科創(chuàng)高地的建議》。
黃潛的建議得到了浙江省的重視和采納，推動(dòng)研究起草了浙江省醫(yī)用同位素產(chǎn)業(yè)發(fā)展實(shí)施意見，并支持海鹽引進(jìn)落地重大項(xiàng)目，建立產(chǎn)學(xué)研深度融合的協(xié)同創(chuàng)新模式。
2024年7月2日，全國(guó)首個(gè)核藥領(lǐng)域重大外資項(xiàng)目——諾華項(xiàng)目在海鹽縣舉辦奠基儀式。目前，海鹽縣同位素產(chǎn)業(yè)園已集聚核素核藥研發(fā)生產(chǎn)項(xiàng)目23個(gè)，總投資超80億元，項(xiàng)目達(dá)產(chǎn)后預(yù)計(jì)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)值超200億元，到2035年將實(shí)現(xiàn)“千畝千億”核技術(shù)應(yīng)用產(chǎn)業(yè)集群。
從核能發(fā)電到醫(yī)用同位素生產(chǎn)，對(duì)秦山核電而言是歷史性的跨越。尚憲和告訴記者，他當(dāng)前的一項(xiàng)重要工作，就是積極與醫(yī)院、藥廠、研究機(jī)構(gòu)溝通，以打通從創(chuàng)新到市場(chǎng)的路徑。
“對(duì)于合作伙伴需要的同位素材料，我們首先看能不能輻照出來(lái)，其次看能不能轉(zhuǎn)化出來(lái)。”尚憲和說(shuō)，“我們要和產(chǎn)業(yè)鏈上的各方協(xié)同發(fā)力，把彼此的需求進(jìn)行契合，才能在第二曲線這個(gè)新的賽道上真正跑起來(lái)。”
對(duì)于秦山核電同位素下一步的發(fā)展，尚憲和表示，將陸續(xù)完成包括碳-14、镥-177在內(nèi)的多條同位素生產(chǎn)線建設(shè)，建成全國(guó)最大醫(yī)用同位素生產(chǎn)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，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)。
