如今的中國人對伽馬刀手術(shù)應(yīng)該不再陌生，世界第一臺伽馬刀是在1967年由瑞典人研制出來的，當(dāng)這項(xiàng)技術(shù)被引入中國，很快便有了重大創(chuàng)新。

伽馬刀并非通常意義上的手術(shù)刀，而是一臺機(jī)器，它利用聚焦照射的γ射線對體內(nèi)病變組織進(jìn)行單次或多次大劑量照射，從而像手術(shù)刀一樣精準(zhǔn)地摧毀病變，而對周圍正常組織沒有損害，因此形象地稱其為伽馬刀。

γ射線又稱γ粒子流，是繼α、β射線后人類發(fā)現(xiàn)的第三種原子核射線，具有很強(qiáng)的穿透力。

伽馬刀的γ射線來自于安裝在設(shè)備內(nèi)的醫(yī)用鈷－60放射源。

鈷－60是金屬元素鈷的一種放射性同位素，它便是伽馬刀技術(shù)創(chuàng)新的關(guān)鍵所在，甚至可以說得鈷－60者前途不可“鈷”量。

一、臨淵羨“魚”，不如自家養(yǎng)“魚”

鈷－60在經(jīng)濟(jì)生活中具有廣泛的用途，但制備這種放射源卻是相當(dāng)困難的。

首先，人們無法從自然界直接獲取鈷－60；其次，只有在特定的核反應(yīng)條件下才能生產(chǎn)出鈷－60。

我們平常見到的鈷或者自然界中的鈷它叫鈷－59，它的質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)一共59個(gè)，但是如果在中子輻照的情況下，它會(huì)吸收一個(gè)中子變成鈷－60。

鈷－60相對于鈷－59而言，它不是一個(gè)穩(wěn)定的原子核狀態(tài)，既然不穩(wěn)定就要衰變，衰變過程就釋放出γ射線。

2010年之前，中國的工業(yè)鈷－60放射源依賴進(jìn)口，當(dāng)時(shí)世界上只有加拿大、俄羅斯等三四個(gè)國家掌握著生產(chǎn)技術(shù)。

當(dāng)時(shí)，我們從國外進(jìn)口的價(jià)格非常高，2000年左右接近30元人民幣一居里，當(dāng)時(shí)我國對鈷－60的需求每年大約1000萬居里，因此每年都要耗費(fèi)大量的外匯儲備來購買。

實(shí)現(xiàn)鈷－60放射源的國產(chǎn)化，是中國核技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)既定目標(biāo)。

上世紀(jì)九十年代初，在與加拿大方面展開合作談判時(shí)，中方就提出在引進(jìn)重水堆機(jī)組的同時(shí)，也能引進(jìn)生產(chǎn)鈷－60的相應(yīng)技術(shù)，但掌握此技術(shù)知識產(chǎn)權(quán)的加拿大公司，卻開出了極為苛刻的條件。

加拿大當(dāng)時(shí)處于世界壟斷地位，絕大部分鈷－60都是在加拿大的重水堆上生產(chǎn)的，因此他們要900萬美元的天價(jià)技術(shù)購買費(fèi)，而且還要低價(jià)包銷中國的鈷－60產(chǎn)品。

先解釋一下“重水堆”和鈷－60的關(guān)系，它們之間的關(guān)系就相當(dāng)于是水池和魚的關(guān)系，加拿大愿意把“水池”賣給中國，但是不愿意教中國如何在里面養(yǎng)出這種名叫鈷－60的“魚”，如果中國想要這種養(yǎng)鈷－60的技術(shù)，就得拿900萬美元出來購買，更過分的是，最后養(yǎng)出來的鈷－60還只許低價(jià)賣給加拿大，這樣加拿大就可以繼續(xù)壟斷世界鈷－60市場。

這當(dāng)然是不能接受的。

2002年、2003年，我國引進(jìn)了加拿大技術(shù)建造的兩臺重水堆核電機(jī)組，在秦山核電基地相繼投入商業(yè)運(yùn)行，這也是我國僅有的兩臺重水堆的核電機(jī)組。

引進(jìn)技術(shù)建造重水堆核電機(jī)組，推進(jìn)了中國核電技術(shù)的成長。

同時(shí)也帶來另一個(gè)契機(jī)，重水堆反應(yīng)堆堆芯獨(dú)特的構(gòu)造使之有了生產(chǎn)鈷－60的獨(dú)門絕技。

面對國外的核心技術(shù)封鎖和壁壘，隨著秦山核電基地兩座重水堆的投入運(yùn)行，有了“水池”的中國核工業(yè)人決定，干脆自力摸索如何在這樣的“水池”中養(yǎng)出中國自主的鈷－60。

二、自主研發(fā)不容易，多部攜手共克艱難

鈷－60的自主研發(fā)主要有幾方面的困難，但看起來卻很簡單。

因?yàn)殁挘?0的生產(chǎn)過程就是把鈷－59的調(diào)節(jié)棒放入重水堆中進(jìn)行核反應(yīng)。

首先是要把重水堆中的原不銹鋼調(diào)節(jié)棒換成鈷－59調(diào)節(jié)棒，但是，這需要一個(gè)物理設(shè)計(jì)計(jì)算，不是隨隨便便拿根鈷－59調(diào)節(jié)棒往重水堆里一插就可以的，掌握這個(gè)計(jì)算能力是前提，然后在此計(jì)算基礎(chǔ)上生產(chǎn)出的鈷－59調(diào)節(jié)棒才可以使用。

此外，這不是普通的化學(xué)反應(yīng)，在整個(gè)反應(yīng)堆上還要有屏蔽的容器，還有生產(chǎn)出來鈷－60后該如何保證儲存運(yùn)輸?shù)陌踩��?/p>

這么說吧，整個(gè)生產(chǎn)線都是從零開始。

2004年中國核工業(yè)集團(tuán)決定，由核技術(shù)應(yīng)用的專業(yè)公司牽頭，聯(lián)合國內(nèi)的核工業(yè)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)單位展開鈷－60項(xiàng)目的科研攻關(guān)。

其中，研制鈷－59調(diào)節(jié)棒組件的重要任務(wù)由中核北方核燃料元件有限公司承擔(dān)。

從加拿大引進(jìn)的重水堆的核電機(jī)組反應(yīng)堆的調(diào)節(jié)棒是不銹鋼組件，必須用鈷－59調(diào)節(jié)棒組件來取代它們，但這不是簡單的替換問題，而是涉及到材料和金屬工藝技術(shù)的一系列革新。

調(diào)節(jié)棒里的核心是鈷－59芯塊，這個(gè)設(shè)計(jì)對它里面的晶粒度、性能，還有密度都有嚴(yán)格要求。

它是用一種粉末冶金的工藝制備出來的，與普通的金屬熔煉工藝大不同，但是粉末冶金的工藝制備有一個(gè)問題就是成品密度達(dá)不到很高的理論密度。

最后，中國的科研人員采取了一種特殊的方式，很好地解決了它的密度和晶粒度。

鈷－59芯塊經(jīng)過反應(yīng)堆輻照成為高放射性的鈷－60，為防止芯塊萬一掉落金屬末污染環(huán)境，還要給芯塊鍍上10微米的鎳層。

因此在組裝過程中，要提前將鈷－59芯塊裝入鋯合金棒，將鈷棒進(jìn)行密封。

最后進(jìn)行相關(guān)的檢測之后，才可以進(jìn)行鈷棒束的組裝，生產(chǎn)完鈷棒束之后，再采取穿“糖葫蘆”方式，將鈷棒束依次穿入連接部件，然后再用鎖緊螺母將組件進(jìn)行鎖緊，這樣一個(gè)整體的組件就生產(chǎn)完畢了。

經(jīng)過近四年的研發(fā)，2008年8月，第一批符合設(shè)計(jì)要求的鈷－59調(diào)節(jié)棒組件終于生產(chǎn)出來。

2008年底，首批國產(chǎn)21根鈷－59調(diào)節(jié)棒被放入秦山基地重水堆機(jī)組的反應(yīng)堆。

經(jīng)過一個(gè)循環(huán)周期的輻照后，2010年5月27日，這21根鈷調(diào)節(jié)棒安全卸出反應(yīng)堆，宣告了我國批量生產(chǎn)工業(yè)用鈷－60同位素獲得成功，當(dāng)把它們掛在乏燃料水池邊上，它們發(fā)出了優(yōu)美的藍(lán)光，令人印象非常深刻。

然而，鈷－60源具有高強(qiáng)度的放射性，為了保證人員和環(huán)境的安全，裝載、運(yùn)輸鈷－60源的容器，必須要做到高度的屏蔽，還要堅(jiān)固、防火、防摔，確保萬無一失。

2007年中國核電工程公司、北京核工程研究設(shè)計(jì)院的科研人員便開始研發(fā)大容量的鈷－60源裝載運(yùn)輸容器。

上圖就是盛放運(yùn)輸鈷－60源的容器，看著很普通，但是它的研發(fā)制造涉及了結(jié)構(gòu)工藝、焊接材料、熱工、屏蔽、力學(xué)等各個(gè)專業(yè)。

比如力學(xué)計(jì)算，要保證容器的結(jié)構(gòu)從9米跌落的事故條件下的包容性完好。

還有屏蔽，40萬或20萬居里的放射性是非常大的，容器便采用了不銹鋼鉛屏的屏蔽結(jié)構(gòu)。

還有熱工，正常的運(yùn)輸條件下它的表面溫度不能超過一定的限值，在事故條件下，容器里邊的鉛不會(huì)融化。

在多部門的協(xié)同努力下，鈷－60同位素實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，打破了國外對鈷－60放射源的長期壟斷，從而改變我國在鈷－60源定價(jià)上的被動(dòng)局面。

2011年，國產(chǎn)的工業(yè)的鈷－60正式投放市場，目前我們已經(jīng)在國內(nèi)占據(jù)了70％以上的鈷－60市場。

2018年1月份，我們的工業(yè)鈷源成功地走出國門，出口到英國和加拿大。

三、真的“核芯”技術(shù)，前途不可“鈷”量

工業(yè)鈷－60源實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化之后，為我國輻照產(chǎn)業(yè)的發(fā)展注入了新的動(dòng)能。

鈷－60釋放高能γ射線的特性除了在醫(yī)學(xué)上用于伽馬刀放射治療腫瘤，還有眾多堪稱神奇的用途。

輻照加工最大的優(yōu)點(diǎn)是能在常溫產(chǎn)品完好包裝下實(shí)施深度殺菌，并延長食品和農(nóng)產(chǎn)品的保存時(shí)間，同時(shí)，還能抑制土豆、洋蔥、大蒜等農(nóng)作物發(fā)芽。

以前的產(chǎn)品里面添加防腐劑的時(shí)候，它的保質(zhì)期最多也就達(dá)到6個(gè)月左右，進(jìn)行輻照處理之后，它的保質(zhì)期能達(dá)到9個(gè)月。

產(chǎn)品只要通過流水線，依次進(jìn)入一個(gè)密室內(nèi)，在不用打開包裝的情況下，接受核素發(fā)出的射線輻照即可，而射線就來自于封閉在室內(nèi)的工業(yè)鈷－60放射源。

經(jīng)過γ射線輻照過的食品，是否會(huì)殘留放射性物質(zhì)，從而給食用者帶來健康危害呢？

當(dāng)然不會(huì)，它滅菌的原理其實(shí)與太陽下曬被子的原理很相似。

太陽下曬被子它、利用的是紫外線，而γ射線不會(huì)有任何的殘留，而且在輻照的過程中它不會(huì)與產(chǎn)品產(chǎn)生任何的反應(yīng)產(chǎn)生有毒有害物質(zhì)。

目前全球有70多個(gè)國家和地區(qū)批準(zhǔn)對幾百種食品可采用輻照處理，在中國每年的食品輻照總量已超過10萬噸。

除了食品，鈷－60源發(fā)出的γ射線還可以用于更嚴(yán)苛的醫(yī)療用品消毒滅菌。

傳統(tǒng)醫(yī)療用品傳統(tǒng)滅菌方法有兩種，一類是高壓蒸汽，它的成本是比較高的；第二是用化學(xué)法（環(huán)氧乙烷），它的問題是殘留，所以用環(huán)氧乙烷滅菌的醫(yī)療器械，都要經(jīng)過檢驗(yàn)證明，它的環(huán)氧乙烷小于10個(gè)ppm（濃度）才能使用，如果高于10個(gè)ppm（濃度）的話會(huì)對人體有害。

傳統(tǒng)的方法與輻照滅菌相比，不經(jīng)濟(jì)也不安全。

因?yàn)獒t(yī)療器械是一定要進(jìn)入人體的，所以它的安全性是頭等重要的，輻照滅菌可以確保達(dá)到十的負(fù)六次方的無菌保證水平，也就是確保這個(gè)產(chǎn)品是無菌的。

鈷－60除了用于食品殺菌保鮮和醫(yī)療用品的滅菌消毒外，在農(nóng)業(yè)、工業(yè)上也有著特殊的用途，通過輻射誘變育種，培育高品質(zhì)高產(chǎn)量的農(nóng)作物新品種，輻照還能將一些工業(yè)材料改性，使這些材料更加堅(jiān)固耐用和安全，還可以對工業(yè)產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行探傷檢驗(yàn)。

四、終極挑戰(zhàn)：醫(yī)用鈷－60源的“中國芯”

創(chuàng)新沒有停止，伽馬刀產(chǎn)業(yè)在中國的發(fā)展，使得伽馬刀醫(yī)用鈷－60源的國產(chǎn)化、自主化變得更加迫切。

醫(yī)用鈷－60源源和工業(yè)鈷－60源源最主要的區(qū)別就是鈷芯塊的結(jié)構(gòu)方面，醫(yī)用鈷源的鈷芯塊的尺寸比工業(yè)鈷源更小一些，它最小的直徑是2．5毫米，醫(yī)用鈷源的規(guī)格更多一些，它的比活度要求很高，也就是它的放射性要特別高。

2012年到2013年，秦山重水堆大修周期延長到了兩年，鈷－59在堆芯內(nèi)輻照之后，它的源的強(qiáng)度就可以達(dá)到醫(yī)用鈷的使用要求。

雖然重水反應(yīng)堆的輻照具備了條件，但醫(yī)用鈷－60從芯塊到調(diào)節(jié)棒的制造，再到后期鈷源的分裝，在技術(shù)上都需要改造。

2017年4月，研發(fā)制造成功的醫(yī)用鈷－60調(diào)節(jié)棒組件被送入秦山重水堆反應(yīng)堆，在經(jīng)過兩年的輻照后，2019年4月1日，醫(yī)用鈷－60順利出堆，這標(biāo)志著我國通過自主研發(fā)成功掌握了醫(yī)用鈷－60生產(chǎn)技術(shù)。

生產(chǎn)出來的醫(yī)用鈷－60放射源還要在熱室里進(jìn)行分裝，然后裝入密封的屏蔽容器，專業(yè)運(yùn)輸?shù)劫ゑR刀生產(chǎn)企業(yè)裝配。

這一舉打破了國外高比度醫(yī)用伽馬刀源的壟斷地位，同時(shí)也大大地降低了伽馬刀源的成本，也為國內(nèi)伽馬刀設(shè)備的生產(chǎn)廠家解除了后顧之憂。

醫(yī)用鈷－60實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化讓國產(chǎn)伽馬刀裝備上了“中國芯”，醫(yī)用鈷源成本的降低，也讓中國的伽馬刀在國際市場上更具競爭力，中國生產(chǎn)的伽馬刀，已出口至摩洛哥、越南、土耳其、美國等國家。

歷經(jīng)15年，中國的核工業(yè)人不斷求索，不懈努力，相繼實(shí)現(xiàn)了工業(yè)核醫(yī)用鈷－60源自主化、國產(chǎn)化，鈷－60源從進(jìn)口到出口這180度的逆轉(zhuǎn)，是我國提高關(guān)鍵核心技術(shù)，自主創(chuàng)新能力又一個(gè)精彩詮釋。