李義國，夏 普，彭 旦，鄒淑蕓，吳小波，張金花，張永保，張紫竹，劉 彤，周永茂

(1.中國原子能科學(xué)研究院，北京 102413;2.北京凱佰特科技有限公司，北京 102413;3.中國核工業(yè)集團(tuán)中原對外工程有限公司，北京 100191)

1 前言

硼中子俘獲治療(boron neutron capture therapy，BNCT)始于20世紀(jì)60年代，通過幾十年的研究、發(fā)展，該方法在治療惡性腫瘤方面，如腦膠質(zhì)瘤、黑色素瘤、頭頸部腫瘤等，取得了很好的療效，被國際上公認(rèn)為是目前治療惡性腫瘤的有效方法。該方法原理是通過將具有選擇性的含硼藥物注入人體血液，待含硼藥物富集在腫瘤組織后，利用熱中子照射腫瘤部位，經(jīng)由10B(n，α)7Li反應(yīng)放出的高能量、短射程的α粒子和7Li粒子，來殺死腫瘤細(xì)胞。

醫(yī)院中子照射器是根據(jù)硼中子俘獲治療的需要而設(shè)計(jì)的專用于硼中子俘獲治療的核反應(yīng)堆裝置。該裝置于2007年開始建造，2010年達(dá)到滿功率運(yùn)行。文章將介紹該裝置的建造和物理調(diào)試情況。

2 醫(yī)院中子照射器建造[1]

醫(yī)院中子照射器(in-hospital neutron irradiator，IHNI)[1]反應(yīng)堆燃料采用UO2作燃料，金屬鈹作反射層，輕水作慢化和冷卻劑。反應(yīng)堆產(chǎn)生的熱量通過自然循環(huán)方式冷卻。在反應(yīng)堆堆芯相對兩側(cè)分別設(shè)置了熱中子束流和超熱中子束流，用于治療病人。堆芯位于密閉的堆容器的下部，堆容器直徑為620 mm，高度為6082 mm，堆容器懸掛在水池內(nèi)，水池的下部尺寸為2600 mm×1100 mm×1800 mm，上部尺寸為4000 mm×2300 mm×4700 mm。

2.1 堆芯

堆芯由燃料組件和鈹反射層組成，堆芯布置見圖1。燃料組件位于堆芯中心，由燃料元件和鳥龍架組成。采用235U富集度為12.5%的UO2作燃料元件，上下柵板通過5根拉桿組成燃料元件架，燃料元件以同心圓排列，共10圈。在燃料組件上下和周圍，有金屬鈹反射層(上鈹、側(cè)鈹和底鈹)。上鈹反射層為不同厚度半圓型，中心控制棒位于堆芯中心。醫(yī)院中子照射器為一次裝料，最大后備反應(yīng)性為4.5 mk，隨著運(yùn)行時間變化，通過添加上鈹反射層來增加后備反應(yīng)性，上鈹反射層高度為110 mm，當(dāng)全部上鈹反射層添加完畢后，堆不能繼續(xù)運(yùn)行時，反應(yīng)堆到壽期。

圖1 醫(yī)院中子照射器堆芯和中子束流布置圖 (單位:mm)Fig.1 Diagram of IHNI core and neutron beams(unit:mm)

2.2 中子束流

在堆芯相對的兩側(cè)設(shè)有兩條中子束流用于病人治療，一條為熱中子束流，另一條為超熱中子束流，見圖1。熱中子束流由石墨、鉍屏和硼聚乙烯以及圓錐形鉍組成，石墨為中子慢化層，鉍屏為屏蔽射線，硼聚乙烯和圓錐形鉍為中子束流準(zhǔn)直器，斷面尺寸為 1200 mm×1200 mm，距離堆芯中心1615 mm。超熱中子束流由鋁慢化層、鎘吸收屏、鉍屏蔽層和硼聚乙烯與圓錐形鉍中子束流準(zhǔn)直器組成，斷面尺寸為1200 mm×1200 mm，距離堆芯中心1605 mm。在熱中子束流裝置內(nèi)引出一條實(shí)驗(yàn)中子束流用于血硼濃度測量，實(shí)驗(yàn)中子束流內(nèi)部材料為鉍，外部材料為石墨，距離熱中子束流軸線為1840 mm，斷面尺寸為600 mm×600 mm。

2.3 反應(yīng)堆廠房

反應(yīng)堆廠房為三層建筑，其中地下一層，地上兩層，設(shè)計(jì)抗震能力為8級烈度，見圖2。堆芯位于地下一層，在堆芯的兩側(cè)有兩個病人治療照射室，在治療房間外設(shè)有治療期間大夫觀察室?？刂剖液痛髲d在地上二層，水凈化系統(tǒng)在地上一層。反應(yīng)堆水池周圍為900 mm的重混凝土，照射室與觀察室之間為1000 mm的重混凝土，總建筑面積為477 m2。

3 醫(yī)院中子照射器調(diào)試

在醫(yī)院中子照射器B階段調(diào)試工作中，完成了臨界實(shí)驗(yàn)、現(xiàn)場零功率實(shí)驗(yàn)、功率提升實(shí)驗(yàn)、滿功率運(yùn)行實(shí)驗(yàn)、安全功能特性實(shí)驗(yàn)以及環(huán)境監(jiān)測。

圖2 IHNI廠房圖Fig.2 Cross section of the IHNI building

按照零功率實(shí)驗(yàn)確定的裝載和布置，在初始冷態(tài)條件下，采用水位法使反應(yīng)堆安全達(dá)到臨界。在水溫為17℃時，采用周期法測定了堆的后備反應(yīng)性為4.2 mk，停堆深度為5.98 mk。為檢驗(yàn)反應(yīng)堆熱態(tài)運(yùn)行工況和滿功率實(shí)驗(yàn)做準(zhǔn)備，分別在中子注量率為5 ×1011cm－2·s－1和 8 ×1011cm－2·s－1條件下自動模式開堆運(yùn)行，反應(yīng)堆熱工測量系統(tǒng)工作正常。利用自動模式開堆，在中子注量率為1×1012cm－2·s－1(滿功率)穩(wěn)定運(yùn)行時，測定堆的最大可連續(xù)運(yùn)行時間為12 h，功率波動小于0.3%。各工藝房間劑量水平滿足輻射分區(qū)要求，即照射室和水池為控制區(qū)，其他工藝房間為監(jiān)督區(qū)。

將反應(yīng)堆中心控制棒手動提升250 mm(棒位到頂)，釋放堆的后備反應(yīng)性為4.2 mk，反應(yīng)堆功率在229 s達(dá)到85.7 kW時對應(yīng)堆芯中子注量率為2.856 ×1012cm－2·s－1，隨后，由于溫度效應(yīng)自動地下降到安全水平(見圖3)。

圖3 反應(yīng)堆動態(tài)特性Fig.3 Dynamic characteristics of reactor

4 設(shè)計(jì)參數(shù)[2]

反應(yīng)堆參數(shù)見表1。熱中子束孔道、超熱中子束孔道和實(shí)驗(yàn)熱中子束孔道出口處參數(shù)計(jì)算結(jié)果分別見表2、表3。表2和表3中，φth為熱中子注量率，為快中子劑量率，φepi為超熱中子注量率，為 γ劑量率，Jn+為中子流密度，φn為中子注量率(包括熱、超熱和快中子)。

表1 反應(yīng)堆參數(shù)Table 1 Parameters of reactor

表2 熱中子束裝置和實(shí)驗(yàn)孔道出口處的中子、γ參數(shù)的計(jì)算值Table 2 Calculated results of neutron and γ parameters at thermal neutron equipment and experimental exit

表3 超熱中子束裝置出口處的中子、γ參數(shù)的計(jì)算值Table 3 Calculated results of neutron and γ parameters at epithermal neutron equipment exit

5 結(jié)語

醫(yī)院中子照射器滿功率運(yùn)行時間大于2 h，中子束流設(shè)計(jì)參數(shù)滿足目前國際BNCT治療要求。B階段調(diào)試表明，堆后備反應(yīng)性為4.2 mk，滿足最大后備反應(yīng)性要求(4.5 mk);停堆深度為5.98 mk，大于設(shè)計(jì)值(2.5 mk)要求;在全部后備反應(yīng)性4.2 mk釋放后，反應(yīng)堆功率可以自動地下降到安全水平，具有良好的固有安全特性。醫(yī)院中子照射器中子束流設(shè)計(jì)參數(shù)，滿足BNCT治療要求。

[1] 李義國，夏 普，高集金.醫(yī)院中子照射器－I[J] .核動力工程，2006(4):28 －29.

[2] 江新標(biāo)，張文首，王 凱，等.醫(yī)院中子照射器中子束理論設(shè)計(jì)[R] .北京:中國原子能科學(xué)研究院，2005.