國產重水堆支持國產伽馬刀 兩種“過時”技術為何聯姻？_風聞

4月4日的《科技日報》有這樣一條消息：

記者3日從中核集團獲悉，經過兩年堆芯輻照後，我國首批醫用鈷靶件經輻照後在秦山核電重水堆1號機組順利出堆，標誌着我國通過自主研發成功打破醫用鈷-60全部依賴進口的局面，伽馬刀醫療設備即將裝備“中國芯”。

醫用鈷-60是伽馬刀設備的“心臟”，主要用於腫瘤精確放射治療。醫用鈷-60市場前景非常廣闊，經濟效益與社會效益明顯。此前用於生產醫用鈷-60的加拿大研究堆即將退役，阿根廷重水堆機組已停堆改造，醫用鈷-60供應短缺，醫用鈷-60放射源國產化迫在眉睫。

乍看之下，又一項技術突破，可喜可賀。不過，既然鈷-60 “應用廣泛”、“前景廣闊”、“效益明顯”，為什麼國外的產能紛紛關停，以致於國內醫用鈷-60供應短缺呢？

1****鈷60從哪裏來

筆者上中學時從課本上了解到，鈷-60是放射性同位素，只發生β衰變，放射性強烈，是良好的γ射線源，可以應用在工業探傷、輻射育種、輻照殺菌、治療腫瘤等許多方面。不過鈷-60如何生產，課本上並沒有提。

被加工製成放射源的鈷-60

鈷-60的衰變方程

如上圖所示，鈷60原子核在發生β衰變時，質量虧損產生的能量小部分通過電子和電子中微子（約0.31兆電子伏特）放出，大部分轉變為兩個高能光子（能量分別達到1.17兆電子伏特和1.33兆電子伏特），這就是鈷-60的γ射線來源。

鈷-60的半衰期只有5.27年，想找到大量天然鈷-60是不現實的，為了獲得足夠的鈷-60，只能藉助於核反應。自然界中鈷元素，絕大部分是穩定同位素鈷-59。要製取鈷-60，就要讓鈷-59的原子核俘獲一箇中子：

因此，製取鈷-60的基本思路就是把金屬鈷放進裂變核反應堆裏接受中子輻照。但是，核反應堆裏的中子是引發和維持核燃料鏈式反應的關鍵要素，而且核反應堆本身也需要儘可能穩定的運行，並不能隨便開啓。可以用來生產鈷-60的反應堆，需要滿足兩個條件：

第一：反應堆能夠產生足夠多的中子，在維持鏈式反應之外還有剩餘。

第二：在儘可能不影響反應堆正常運行的前提下，能夠完成受輻照物料的放入和取出。

對於同時滿足這些條件的環境，報道中給出了一個關鍵詞——“重水堆”。

秦山核電站三期工程的1、2號核電機組，是國產鈷-60的“產房”，也是中國僅有的兩台重水反應堆

2****核電站和重水堆

核反應堆分類（超簡略版）

目前全世界用於商業發電的核電站基本上有輕水堆（包括沸水堆和壓水堆）及重水堆兩類。

沸水（輕水）堆結構示意圖

上圖是壓水（輕水）堆結構示意圖，在理想狀態下，反應堆運行時和外部設備之間只有能量傳遞，沒有物質交換，減少了放射性物質泄漏的風險，是當今核電站的主流技術。

上面兩張圖説明，輕水堆像一個巨大的電瓶，所有用來“燒水”的核燃料棒都擠在一起。而重水堆就像是電池組，每個組件都相對獨立：重水堆的核心是一根根壓力管單元，每根壓力管中裝着十來根鈾燃料棒，壓力管中灌注重水作為冷卻劑。這些壓力管單元通過支架連接起來，泡在另一個裝滿重水作為減速劑的大容器中，就構成了重水反應堆的堆芯。

重水堆的結構示意圖，秦山核電站三期工程引入了加拿大坎杜重水堆的技術

重水減速劑相比普通輕水，本身很少吸收中子，因此重水反應堆內部的慢中子濃度很高，可以使用鈾235濃度很低的天然鈾作為燃料，同時也為輻照生產鈷-60創造了條件。

另一方面，重水反應堆因為組件彼此獨立，能夠不停堆換料。在反應堆正常運行的狀態下，從一端將反應過的燃料棒從壓力管中用調節棒“捅出來”，然後從另一端“塞入”新燃料棒，換料就完成了。只要將壓力管中的原本由不鏽鋼製成的控制組件換成鈷制組件再插入反應堆，就可以讓鈷59接受大量的額外中子照射轉變為鈷60。

重水堆的機器換料

當然，實際的鈷-60生產過程遠沒有這麼簡單，核電站是一個要求萬無一失的地方，即便只是把鈷棒插入反應堆，也要對整個技術流程進行安全測評。

生產鈷-60的可行性分析則早在1999年就已經開始，秦山三期重水堆於2003年才正式運營，同時鈷-60生產正式開展設計研發；2008年項目獲國家核安全局批准，同年年底首批鈷調節棒換入１號機組，正式開始生產鈷-60；直到2010年5月27日，首批國產鈷-60才終於面世。醫用鈷-60的要求比工業用更高，所以這幾天才實現國產。

能夠使用天然鈾和不停堆換料，是重水堆相對於輕水堆的優勢。但優勢也帶來了相應的缺陷：更加頻繁的換料，使用昂貴的重水作為減速劑和冷卻劑，結果就是成本高，輻射強度大，給換料、檢修人員帶來了更大的健康風險。

優劣相互對比，重水堆對於今天多數核電企業來説已經不大划算，一些原本建設了重水堆的國家，近年來都在紛紛關停淘汰重水堆，而生產鈷-60，終究只是重水堆的一個“添頭”，並不能挽回這一趨勢：

作為中國重水堆技術的來源國，加拿大前後共建有25台重水堆，均為坎杜重水堆，已經計劃在到期後停運並永久關閉。

阿根廷曾有3台重水堆核電機組，目前已經全部停堆改造。

韓國曾有23台在運核電機組，其中4台為重水堆，即月城核電站1～4號機組，自文在寅上台後，已開始實行全面廢核計劃。

目前世界上的核電國家，只有印度因為缺乏鈾礦資源加上核燃料加工技術落後，仍然以重水堆發電為主，且有新建重水堆的計劃。而中國除了已有的兩台重水堆機組外，近年來新上馬的大規模核電建設計劃中也不考慮重水堆。

在這種情況下，秦山重水堆攻關技術標準和附加值更高的醫用鈷-60，除了“填補國內空白”、“緩解供應短缺”之外，也有為企業自身謀發展的考慮。

3****伽瑪刀與射線療法

伽瑪刀（Gamma Knife）是現代放射醫學的主要治療手段之一。通過頭架固定，影像掃描，將患者顱內的腫瘤或病變組織確定為靶點，再將醫用鈷-60放射源陣列的γ射線聚焦於靶點上，達到殺滅腫瘤或病變組織的目的，也就是俗稱的“放療”。

相比手術和化療，放療患者遭受痛苦較小，但伽瑪刀本身的侷限同樣很大：除了顱腔內的病灶位置相對比較固定以外，人體軀幹和四肢部分的臟器和組織會隨着呼吸和膈肌運動而發生釐米級的相對位移，這意味着病灶很難被準確地定位，而γ射線的聚焦位置則可能會偏移到脊髓上，導致截癱，又或者偏移到腸胃上，引起消化系統的出血穿孔。因此伽瑪刀基本只能用於治療腦部腫瘤，用在軀體上風險極大，而效果卻要大打折扣。

因此，和工業用鈷60相比，醫用鈷-60要求具有更高的比活度，也就是更高的鈷-60純度，就是為了能夠把放射源做得更小，以提高伽瑪刀的精度和減小副作用。中國的重水堆數量少，這方面的經驗遠不如數十台重水堆的加拿大，因此醫用放射源過去完全依賴進口。

在上海核電辦公室的網站上，我們找到了這樣一段話：

上海核工院於2010年自主立項“秦山三期鈷-60醫用源設計方案研究”課題，通過3年多的科研攻關，完成了醫用鈷調節棒組件的初步設計工作，相繼攻克了小尺寸鈷芯塊離散化效應評估、鍍鎳層完整性試驗評價技術研究等多項關鍵技術，並通過專利及技術秘密等手段對科研成果進行了有效知識產權保護。

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

到此，中國才算完全解決了伽馬刀的生產問題。

由於伽瑪刀的侷限性，近年來又有兩種射線療法逐漸興起，它們也被稱為質子放療和中子放療（或硼中子俘獲治療法，BNCT）。

質子治療的基本思路是利用加速器產生的高能質子流射入人體來殺滅腫瘤；中子放療法則是一種“放化療結合”的治療手段：先給病人注射一種含硼-10同位素的特殊化合物。這種化合物與癌細胞有很強的親和力，會在進入人體後，迅速聚集於癌細胞內，而其他組織內分佈很少。此時再用加速器生成的中子流照射這些化合物聚集的位置。硼-10的原子核有很強的中子親和力，會捕獲中子轉化為硼的放射性同位素，進而發生α衰變，α粒子的穿透能力很弱而殺傷能力很強，正好可以殺死癌細胞而較少傷及周圍的正常組織。

質子治療系統

質子放療的支持者經常使用佈雷格峯模型（Bragg Peak）來説明質子療法的優越性，該模型反映了不同種類的粒子流進入人體後能量釋放的分佈方式。如上圖所示，X射線和γ射線都是光子流，其特點是能量沿進入路徑迅速衰減；相比之下，進入人體組織的質子流（proton beam）的大部分能量則在質子到達的終點處釋放。

這樣一來，為了對埋藏在一定深度下的腫瘤造成足夠強度的輻射殺傷，X射線或γ射線佈雷格峯曲線曲線下方的面積就會顯著大於質子流曲線下方的面積，這就意味着質子放療對病灶以外的人體組織釋放的能量比伽瑪刀要少得多，對人體的傷害和副作用小得多。當然現實人體內部的情況比模型複雜得多，不可一概而論。

質子放療和中子放療還有另外一個優點，那就是它們的質子流或者中子流由加速器產生，可以像自來水一樣隨時開關，而不像鈷-60放射源那樣始終帶着放射性，必須時刻警惕。隨着技術的進一步發展，質子刀和中子刀有可能被做成微型探頭一樣的設備，深入人體內部直接對病灶處進行輻照。

利益相關方把新技術吹上天，這在哪個技術領域都屢見不鮮。但總的來説，這兩種射線療法的確在原理上更有優勢。只是醫療技術不能僅僅考慮原理，更要考慮成本和產業鏈。伽馬刀設備早已實現了國產化，甚至還能出口創匯，眼下的鈷60國產，基本實現了全產業鏈國產。而質子療法和中子療法的相關技術還基本掌握在瓦里安、IBA、日立、住友、三菱等美歐日科技企業手中。

結論：後進者的技術追趕之路，腳踏實地最關鍵

重水堆是一種面臨淘汰的核電技術，伽馬刀在新的射線療法的衝擊下前途未卜。兩種技術“弱弱聯合”，主要原因還在於中國急需擴大放療應用規模。

根據WHO的統計，約45%的腫瘤可以治癒，這其中又有約40%可由放療治癒，約70%的腫瘤患者在不同階段需要接受放療，中國每年新發腫瘤數百萬例，腫瘤患者保守估計在1500萬人以上，但每年接受放療的患者僅有100萬人次左右。

面對 “數量比質量更稀缺”的格局，中國人的第一要務是保證足夠的供給。而通過重水堆生產鈷-60，是一個從可行性到方案都已經被充分驗證過的項目。

對於作為後進者的中國來説，這就是在追趕世界先進水平，就是創新。畢竟技術不是科學，經濟可行性與適應國情才是最重要的因素。