4月4日的《科技日?qǐng)?bào)》有這樣一條消息：

記者3日從中核集團(tuán)獲悉，經(jīng)過兩年堆芯輻照后，我國(guó)首批醫(yī)用鈷靶件經(jīng)輻照后在秦山核電重水堆1號(hào)機(jī)組順利出堆，標(biāo)志著我國(guó)通過自主研發(fā)成功打破醫(yī)用鈷-60全部依賴進(jìn)口的局面，伽馬刀醫(yī)療設(shè)備即將裝備“中國(guó)芯”。

醫(yī)用鈷-60是伽馬刀設(shè)備的“心臟”，主要用于腫瘤精確放射治療。醫(yī)用鈷-60市場(chǎng)前景非常廣闊，經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益明顯。此前用于生產(chǎn)醫(yī)用鈷-60的加拿大研究堆即將退役，阿根廷重水堆機(jī)組已停堆改造，醫(yī)用鈷-60供應(yīng)短缺，醫(yī)用鈷-60放射源國(guó)產(chǎn)化迫在眉睫。

乍看之下，又一項(xiàng)技術(shù)突破，可喜可賀。不過，既然鈷-60 “應(yīng)用廣泛”、“前景廣闊”、“效益明顯”，為什么國(guó)外的產(chǎn)能紛紛關(guān)停，以致于國(guó)內(nèi)醫(yī)用鈷-60供應(yīng)短缺呢？

1鈷60從哪里來

筆者上中學(xué)時(shí)從課本上了解到，鈷-60是放射性同位素，只發(fā)生β衰變，放射性強(qiáng)烈，是良好的γ射線源，可以應(yīng)用在工業(yè)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(chǎn)，課本上并沒有提。

被加工制成放射源的鈷-60

鈷-60的衰變方程

如上圖所示，鈷60原子核在發(fā)生β衰變時(shí)，質(zhì)量虧損產(chǎn)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(zhuǎn)變?yōu)閮蓚€(gè)高能光子（能量分別達(dá)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(xiàn)實(shí)的，為了獲得足夠的鈷-60，只能借助于核反應(yīng)。自然界中鈷元素，絕大部分是穩(wěn)定同位素鈷-59。要制取鈷-60，就要讓鈷-59的原子核俘獲一個(gè)中子：

因此，制取鈷-60的基本思路就是把金屬鈷放進(jìn)裂變核反應(yīng)堆里接受中子輻照。但是，核反應(yīng)堆里的中子是引發(fā)和維持核燃料鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的關(guān)鍵要素，而且核反應(yīng)堆本身也需要盡可能穩(wěn)定的運(yùn)行，并不能隨便開啟?？梢杂脕砩a(chǎn)鈷-60的反應(yīng)堆，需要滿足兩個(gè)條件：

第一：反應(yīng)堆能夠產(chǎn)生足夠多的中子，在維持鏈?zhǔn)椒磻?yīng)之外還有剩余。

第二：在盡可能不影響反應(yīng)堆正常運(yùn)行的前提下，能夠完成受輻照物料的放入和取出。

對(duì)于同時(shí)滿足這些條件的環(huán)境，報(bào)道中給出了一個(gè)關(guān)鍵詞——“重水堆”。

秦山核電站三期工程的1、2號(hào)核電機(jī)組，是國(guó)產(chǎn)鈷-60的“產(chǎn)房”，也是中國(guó)僅有的兩臺(tái)重水反應(yīng)堆

2核電站和重水堆

核反應(yīng)堆分類（超簡(jiǎn)略版）

目前全世界用于商業(yè)發(fā)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(jié)構(gòu)示意圖

上圖是壓水（輕水）堆結(jié)構(gòu)示意圖，在理想狀態(tài)下，反應(yīng)堆運(yùn)行時(shí)和外部設(shè)備之間只有能量傳遞，沒有物質(zhì)交換，減少了放射性物質(zhì)泄漏的風(fēng)險(xiǎn)，是當(dāng)今核電站的主流技術(shù)。

上面兩張圖說明，輕水堆像一個(gè)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(gè)組件都相對(duì)獨(dú)立：重水堆的核心是一根根壓力管單元，每根壓力管中裝著十來根鈾燃料棒，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(gè)裝滿重水作為減速劑的大容器中，就構(gòu)成了重水反應(yīng)堆的堆芯。

重水堆的結(jié)構(gòu)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(shù)

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(yīng)堆內(nèi)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(shí)也為輻照生產(chǎn)鈷-60創(chuàng)造了條件。

另一方面，重水反應(yīng)堆因?yàn)榻M件彼此獨(dú)立，能夠不停堆換料。在反應(yīng)堆正常運(yùn)行的狀態(tài)下，從一端將反應(yīng)過的燃料棒從壓力管中用調(diào)節(jié)棒“捅出來”，然后從另一端“塞入”新燃料棒，換料就完成了。只要將壓力管中的原本由不銹鋼制成的控制組件換成鈷制組件再插入反應(yīng)堆，就可以讓鈷59接受大量的額外中子照射轉(zhuǎn)變?yōu)殁?0。

重水堆的機(jī)器換料

當(dāng)然，實(shí)際的鈷-60生產(chǎn)過程遠(yuǎn)沒有這么簡(jiǎn)單，核電站是一個(gè)要求萬無一失的地方，即便只是把鈷棒插入反應(yīng)堆，也要對(duì)整個(gè)技術(shù)流程進(jìn)行安全測(cè)評(píng)。

生產(chǎn)鈷-60的可行性分析則早在1999年就已經(jīng)開始，秦山三期重水堆于2003年才正式運(yùn)營(yíng)，同時(shí)鈷-60生產(chǎn)正式開展設(shè)計(jì)研發(fā)；2008年項(xiàng)目獲國(guó)家核安全局批準(zhǔn)，同年年底首批鈷調(diào)節(jié)棒換入１號(hào)機(jī)組，正式開始生產(chǎn)鈷-60；直到2010年5月27日，首批國(guó)產(chǎn)鈷-60才終于面世。醫(yī)用鈷-60的要求比工業(yè)用更高，所以這幾天才實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)。

能夠使用天然鈾和不停堆換料，是重水堆相對(duì)于輕水堆的優(yōu)勢(shì)。但優(yōu)勢(shì)也帶來了相應(yīng)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(jié)果就是成本高，輻射強(qiáng)度大，給換料、檢修人員帶來了更大的健康風(fēng)險(xiǎn)。

優(yōu)劣相互對(duì)比，重水堆對(duì)于今天多數(shù)核電企業(yè)來說已經(jīng)不大劃算，一些原本建設(shè)了重水堆的國(guó)家，近年來都在紛紛關(guān)停淘汰重水堆，而生產(chǎn)鈷-60，終究只是重水堆的一個(gè)“添頭”，并不能挽回這一趨勢(shì)：

作為中國(guó)重水堆技術(shù)的來源國(guó)，加拿大前后共建有25臺(tái)重水堆，均為坎杜重水堆，已經(jīng)計(jì)劃在到期后停運(yùn)并永久關(guān)閉。

阿根廷曾有3臺(tái)重水堆核電機(jī)組，目前已經(jīng)全部停堆改造。

韓國(guó)曾有23臺(tái)在運(yùn)核電機(jī)組，其中4臺(tái)為重水堆，即月城核電站1～4號(hào)機(jī)組，自文在寅上臺(tái)后，已開始實(shí)行全面廢核計(jì)劃。

目前世界上的核電國(guó)家，只有印度因?yàn)槿狈︹櫟V資源加上核燃料加工技術(shù)落后，仍然以重水堆發(fā)電為主，且有新建重水堆的計(jì)劃。而中國(guó)除了已有的兩臺(tái)重水堆機(jī)組外，近年來新上馬的大規(guī)模核電建設(shè)計(jì)劃中也不考慮重水堆。

在這種情況下，秦山重水堆攻關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和附加值更高的醫(yī)用鈷-60，除了“填補(bǔ)國(guó)內(nèi)空白”、“緩解供應(yīng)短缺”之外，也有為企業(yè)自身謀發(fā)展的考慮。

3伽瑪?shù)杜c射線療法

伽瑪?shù)叮℅amma Knife）是現(xiàn)代放射醫(yī)學(xué)的主要治療手段之一。通過頭架固定，影像掃描，將患者顱內(nèi)的腫瘤或病變組織確定為靶點(diǎn)，再將醫(yī)用鈷-60放射源陣列的γ射線聚焦于靶點(diǎn)上，達(dá)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(shù)和化療，放療患者遭受痛苦較小，但伽瑪?shù)侗旧淼木窒尥瑯雍艽螅撼孙B腔內(nèi)的病灶位置相對(duì)比較固定以外，人體軀干和四肢部分的臟器和組織會(huì)隨著呼吸和膈肌運(yùn)動(dòng)而發(fā)生厘米級(jí)的相對(duì)位移，這意味著病灶很難被準(zhǔn)確地定位，而γ射線的聚焦位置則可能會(huì)偏移到脊髓上，導(dǎo)致截癱，又或者偏移到腸胃上，引起消化系統(tǒng)的出血穿孔。因此伽瑪?shù)痘局荒苡糜谥委熌X部腫瘤，用在軀體上風(fēng)險(xiǎn)極大，而效果卻要大打折扣。

因此，和工業(yè)用鈷60相比，醫(yī)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?shù)兜木群蜏p小副作用。中國(guó)的重水堆數(shù)量少，這方面的經(jīng)驗(yàn)遠(yuǎn)不如數(shù)十臺(tái)重水堆的加拿大，因此醫(yī)用放射源過去完全依賴進(jìn)口。

在上海核電辦公室的網(wǎng)站上，我們找到了這樣一段話：

上海核工院于2010年自主立項(xiàng)“秦山三期鈷-60醫(yī)用源設(shè)計(jì)方案研究”課題，通過3年多的科研攻關(guān)，完成了醫(yī)用鈷調(diào)節(jié)棒組件的初步設(shè)計(jì)工作，相繼攻克了小尺寸鈷芯塊離散化效應(yīng)評(píng)估、鍍鎳層完整性試驗(yàn)評(píng)價(jià)技術(shù)研究等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，并通過專利及技術(shù)秘密等手段對(duì)科研成果進(jìn)行了有效知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)。

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

到此，中國(guó)才算完全解決了伽馬刀的生產(chǎn)問題。

由于伽瑪?shù)兜木窒扌?，近年來又有兩種射線療法逐漸興起，它們也被稱為質(zhì)子放療和中子放療（或硼中子俘獲治療法，BNCT）。

質(zhì)子治療的基本思路是利用加速器產(chǎn)生的高能質(zhì)子流射入人體來殺滅腫瘤；中子放療法則是一種“放化療結(jié)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(xì)胞有很強(qiáng)的親和力，會(huì)在進(jìn)入人體后，迅速聚集于癌細(xì)胞內(nèi)，而其他組織內(nèi)分布很少。此時(shí)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(qiáng)的中子親和力，會(huì)捕獲中子轉(zhuǎn)化為硼的放射性同位素，進(jìn)而發(fā)生α衰變，α粒子的穿透能力很弱而殺傷能力很強(qiáng)，正好可以殺死癌細(xì)胞而較少傷及周圍的正常組織。

質(zhì)子治療系統(tǒng)

質(zhì)子放療的支持者經(jīng)常使用布雷格峰模型（Bragg Peak）來說明質(zhì)子療法的優(yōu)越性，該模型反映了不同種類的粒子流進(jìn)入人體后能量釋放的分布方式。如上圖所示，X射線和γ射線都是光子流，其特點(diǎn)是能量沿進(jìn)入路徑迅速衰減；相比之下，進(jìn)入人體組織的質(zhì)子流（proton beam）的大部分能量則在質(zhì)子到達(dá)的終點(diǎn)處釋放。

這樣一來，為了對(duì)埋藏在一定深度下的腫瘤造成足夠強(qiáng)度的輻射殺傷，X射線或γ射線布雷格峰曲線曲線下方的面積就會(huì)顯著大于質(zhì)子流曲線下方的面積，這就意味著質(zhì)子放療對(duì)病灶以外的人體組織釋放的能量比伽瑪?shù)兑俚枚?，?duì)人體的傷害和副作用小得多。當(dāng)然現(xiàn)實(shí)人體內(nèi)部的情況比模型復(fù)雜得多，不可一概而論。

質(zhì)子放療和中子放療還有另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，那就是它們的質(zhì)子流或者中子流由加速器產(chǎn)生，可以像自來水一樣隨時(shí)開關(guān)，而不像鈷-60放射源那樣始終帶著放射性，必須時(shí)刻警惕。隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，質(zhì)子刀和中子刀有可能被做成微型探頭一樣的設(shè)備，深入人體內(nèi)部直接對(duì)病灶處進(jìn)行輻照。

利益相關(guān)方把新技術(shù)吹上天，這在哪個(gè)技術(shù)領(lǐng)域都屢見不鮮。但總的來說，這兩種射線療法的確在原理上更有優(yōu)勢(shì)。只是醫(yī)療技術(shù)不能僅僅考慮原理，更要考慮成本和產(chǎn)業(yè)鏈。伽馬刀設(shè)備早已實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化，甚至還能出口創(chuàng)匯，眼下的鈷60國(guó)產(chǎn)，基本實(shí)現(xiàn)了全產(chǎn)業(yè)鏈國(guó)產(chǎn)。而質(zhì)子療法和中子療法的相關(guān)技術(shù)還基本掌握在瓦里安、IBA、日立、住友、三菱等美歐日科技企業(yè)手中。

結(jié)論：后進(jìn)者的技術(shù)追趕之路，腳踏實(shí)地最關(guān)鍵

重水堆是一種面臨淘汰的核電技術(shù)，伽馬刀在新的射線療法的沖擊下前途未卜。兩種技術(shù)“弱弱聯(lián)合”，主要原因還在于中國(guó)急需擴(kuò)大放療應(yīng)用規(guī)模。

根據(jù)WHO的統(tǒng)計(jì)，約45%的腫瘤可以治愈，這其中又有約40%可由放療治愈，約70%的腫瘤患者在不同階段需要接受放療，中國(guó)每年新發(fā)腫瘤數(shù)百萬例，腫瘤患者保守估計(jì)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(duì) “數(shù)量比質(zhì)量更稀缺”的格局，中國(guó)人的第一要?jiǎng)?wù)是保證足夠的供給。而通過重水堆生產(chǎn)鈷-60，是一個(gè)從可行性到方案都已經(jīng)被充分驗(yàn)證過的項(xiàng)目。

對(duì)于作為后進(jìn)者的中國(guó)來說，這就是在追趕世界先進(jìn)水平，就是創(chuàng)新。畢竟技術(shù)不是科學(xué)，經(jīng)濟(jì)可行性與適應(yīng)國(guó)情才是最重要的因素。