重水堆 国产重水堆支持国产伽马刀 两种“过时”技术为何联姻？

4月4日的《科技日报》有这样一条消息：

记者3日从中核集团获悉，经过两年堆芯辐照后，我国首批医用钴靶件经辐照后在秦山核电重水堆1号机组顺利出堆，标志着我国通过自主研发成功打破医用钴-60全部依赖进口的局面，伽马刀医疗设备即将装备“中国芯”。

医用钴-60是伽马刀设备的“心脏”，主要用于肿瘤精确放射治疗。医用钴-60市场前景非常广阔，经济效益与社会效益明显。此前用于生产医用钴-60的加拿大研究堆即将退役，阿根廷重水堆机组已停堆改造，医用钴-60供应短缺，医用钴-60放射源国产化迫在眉睫。

乍看之下，又一项技术突破，可喜可贺。不过，既然钴-60 “应用广泛”、“前景广阔”、“效益明显”，为什么国外的产能纷纷关停，以致于国内医用钴-60供应短缺呢？

1钴60从哪里来

笔者上中学时从课本上了解到，钴-60是放射性同位素，只发生β衰变，放射性强烈，是良好的γ射线源，可以应用在工业探伤、辐射育种、辐照杀菌、治疗肿瘤等许多方面。不过钴-60如何生产，课本上并没有提。

被加工制成放射源的钴-60

钴-60的衰变方程

如上图所示，钴60原子核在发生β衰变时，质量亏损产生的能量小部分通过电子和电子中微子（约0.31兆电子伏特）放出，大部分转变为两个高能光子（能量分别达到1.17兆电子伏特和1.33兆电子伏特），这就是钴-60的γ射线来源。

钴-60的半衰期只有5.27年，想找到大量天然钴-60是不现实的，为了获得足够的钴-60，只能借助于核反应。自然界中钴元素，绝大部分是稳定同位素钴-59。要制取钴-60，就要让钴-59的原子核俘获一个中子：

因此，制取钴-60的基本思路就是把金属钴放进裂变核反应堆里接受中子辐照。但是，核反应堆里的中子是引发和维持核燃料链式反应的关键要素，而且核反应堆本身也需要尽可能稳定的运行，并不能随便开启。可以用来生产钴-60的反应堆，需要满足两个条件：

第一：反应堆能够产生足够多的中子，在维持链式反应之外还有剩余。

第二：在尽可能不影响反应堆正常运行的前提下，能够完成受辐照物料的放入和取出。

对于同时满足这些条件的环境，报道中给出了一个关键词——“重水堆”。

秦山核电站三期工程的1、2号核电机组，是国产钴-60的“产房”，也是中国仅有的两台重水反应堆

2核电站和重水堆

核反应堆分类（超简略版）

目前全世界用于商业发电的核电站基本上有轻水堆（包括沸水堆和压水堆）及重水堆两类。

沸水（轻水）堆结构示意图

上图是压水（轻水）堆结构示意图，在理想状态下，反应堆运行时和外部设备之间只有能量传递，没有物质交换，减少了放射性物质泄漏的风险，是当今核电站的主流技术。

上面两张图说明，轻水堆像一个巨大的电瓶，所有用来“烧水”的核燃料棒都挤在一起。而重水堆就像是电池组，每个组件都相对独立：重水堆的核心是一根根压力管单元，每根压力管中装着十来根铀燃料棒，压力管中灌注重水作为冷却剂。这些压力管单元通过支架连接起来，泡在另一个装满重水作为减速剂的大容器中，就构成了重水反应堆的堆芯。

重水堆的结构示意图，秦山核电站三期工程引入了加拿大坎杜重水堆的技术

重水减速剂相比普通轻水，本身很少吸收中子，因此重水反应堆内部的慢中子浓度很高，可以使用铀235浓度很低的天然铀作为燃料，同时也为辐照生产钴-60创造了条件。

另一方面，重水反应堆因为组件彼此独立，能够不停堆换料。在反应堆正常运行的状态下，从一端将反应过的燃料棒从压力管中用调节棒“捅出来”，然后从另一端“塞入”新燃料棒，换料就完成了。只要将压力管中的原本由不锈钢制成的控制组件换成钴制组件再插入反应堆，就可以让钴59接受大量的额外中子照射转变为钴60。

重水堆的机器换料

当然，实际的钴-60生产过程远没有这么简单，核电站是一个要求万无一失的地方，即便只是把钴棒插入反应堆，也要对整个技术流程进行安全测评。

生产钴-60的可行性分析则早在1999年就已经开始，秦山三期重水堆于2003年才正式运营，同时钴-60生产正式开展设计研发；2008年项目获国家核安全局批准，同年年底首批钴调节棒换入１号机组，正式开始生产钴-60；直到2010年5月27日，首批国产钴-60才终于面世。医用钴-60的要求比工业用更高，所以这几天才实现国产。

能够使用天然铀和不停堆换料，是重水堆相对于轻水堆的优势。但优势也带来了相应的缺陷：更加频繁的换料，使用昂贵的重水作为减速剂和冷却剂，结果就是成本高，辐射强度大，给换料、检修人员带来了更大的健康风险。

优劣相互对比，重水堆对于今天多数核电企业来说已经不大划算，一些原本建设了重水堆的国家，近年来都在纷纷关停淘汰重水堆，而生产钴-60，终究只是重水堆的一个“添头”，并不能挽回这一趋势：

作为中国重水堆技术的来源国，加拿大前后共建有25台重水堆，均为坎杜重水堆，已经计划在到期后停运并永久关闭。

阿根廷曾有3台重水堆核电机组，目前已经全部停堆改造。

韩国曾有23台在运核电机组，其中4台为重水堆，即月城核电站1～4号机组，自文在寅上台后，已开始实行全面废核计划。

目前世界上的核电国家，只有印度因为缺乏铀矿资源加上核燃料加工技术落后，仍然以重水堆发电为主，且有新建重水堆的计划。而中国除了已有的两台重水堆机组外，近年来新上马的大规模核电建设计划中也不考虑重水堆。

在这种情况下，秦山重水堆攻关技术标准和附加值更高的医用钴-60，除了“填补国内空白”、“缓解供应短缺”之外，也有为企业自身谋发展的考虑。

3伽玛刀与射线疗法

伽玛刀（Gamma Knife）是现代放射医学的主要治疗手段之一。通过头架固定，影像扫描，将患者颅内的肿瘤或病变组织确定为靶点，再将医用钴-60放射源阵列的γ射线聚焦于靶点上，达到杀灭肿瘤或病变组织的目的，也就是俗称的“放疗”。

相比手术和化疗，放疗患者遭受痛苦较小，但伽玛刀本身的局限同样很大：除了颅腔内的病灶位置相对比较固定以外，人体躯干和四肢部分的脏器和组织会随着呼吸和膈肌运动而发生厘米级的相对位移，这意味着病灶很难被准确地定位，而γ射线的聚焦位置则可能会偏移到脊髓上，导致截瘫，又或者偏移到肠胃上，引起消化系统的出血穿孔。因此伽玛刀基本只能用于治疗脑部肿瘤，用在躯体上风险极大，而效果却要大打折扣。

因此，和工业用钴60相比，医用钴-60要求具有更高的比活度，也就是更高的钴-60纯度，就是为了能够把放射源做得更小，以提高伽玛刀的精度和减小副作用。中国的重水堆数量少，这方面的经验远不如数十台重水堆的加拿大，因此医用放射源过去完全依赖进口。

在上海核电办公室的网站上，我们找到了这样一段话：

上海核工院于2010年自主立项“秦山三期钴-60医用源设计方案研究”课题，通过3年多的科研攻关，完成了医用钴调节棒组件的初步设计工作，相继攻克了小尺寸钴芯块离散化效应评估、镀镍层完整性试验评价技术研究等多项关键技术，并通过专利及技术秘密等手段对科研成果进行了有效知识产权保护。

http://www.shhdb.gov.cn/tpxw/1658963.htm

到此，中国才算完全解决了伽马刀的生产问题。

由于伽玛刀的局限性，近年来又有两种射线疗法逐渐兴起，它们也被称为质子放疗和中子放疗（或硼中子俘获治疗法，BNCT）。

质子治疗的基本思路是利用加速器产生的高能质子流射入人体来杀灭肿瘤；中子放疗法则是一种“放化疗结合”的治疗手段：先给病人注射一种含硼-10同位素的特殊化合物。这种化合物与癌细胞有很强的亲和力，会在进入人体后，迅速聚集于癌细胞内，而其他组织内分布很少。此时再用加速器生成的中子流照射这些化合物聚集的位置。硼-10的原子核有很强的中子亲和力，会捕获中子转化为硼的放射性同位素，进而发生α衰变，α粒子的穿透能力很弱而杀伤能力很强，正好可以杀死癌细胞而较少伤及周围的正常组织。

质子治疗系统

质子放疗的支持者经常使用布雷格峰模型（Bragg Peak）来说明质子疗法的优越性，该模型反映了不同种类的粒子流进入人体后能量释放的分布方式。如上图所示，X射线和γ射线都是光子流，其特点是能量沿进入路径迅速衰减；相比之下，进入人体组织的质子流（proton beam）的大部分能量则在质子到达的终点处释放。

这样一来，为了对埋藏在一定深度下的肿瘤造成足够强度的辐射杀伤，X射线或γ射线布雷格峰曲线曲线下方的面积就会显著大于质子流曲线下方的面积，这就意味着质子放疗对病灶以外的人体组织释放的能量比伽玛刀要少得多，对人体的伤害和副作用小得多。当然现实人体内部的情况比模型复杂得多，不可一概而论。

质子放疗和中子放疗还有另外一个优点，那就是它们的质子流或者中子流由加速器产生，可以像自来水一样随时开关，而不像钴-60放射源那样始终带着放射性，必须时刻警惕。随着技术的进一步发展，质子刀和中子刀有可能被做成微型探头一样的设备，深入人体内部直接对病灶处进行辐照。

利益相关方把新技术吹上天，这在哪个技术领域都屡见不鲜。但总的来说，这两种射线疗法的确在原理上更有优势。只是医疗技术不能仅仅考虑原理，更要考虑成本和产业链。伽马刀设备早已实现了国产化，甚至还能出口创汇，眼下的钴60国产，基本实现了全产业链国产。而质子疗法和中子疗法的相关技术还基本掌握在瓦里安、IBA、日立、住友、三菱等美欧日科技企业手中。

结论：后进者的技术追赶之路，脚踏实地最关键

重水堆是一种面临淘汰的核电技术，伽马刀在新的射线疗法的冲击下前途未卜。两种技术“弱弱联合”，主要原因还在于中国急需扩大放疗应用规模。

根据WHO的统计，约45%的肿瘤可以治愈，这其中又有约40%可由放疗治愈，约70%的肿瘤患者在不同阶段需要接受放疗，中国每年新发肿瘤数百万例，肿瘤患者保守估计在1500万人以上，但每年接受放疗的患者仅有100万人次左右。

面对 “数量比质量更稀缺”的格局，中国人的第一要务是保证足够的供给。而通过重水堆生产钴-60，是一个从可行性到方案都已经被充分验证过的项目。

对于作为后进者的中国来说，这就是在追赶世界先进水平，就是创新。毕竟技术不是科学，经济可行性与适应国情才是最重要的因素。