BNCT医院中子照射器辐射场特性参数初步测量

为验证BNCT医院中子照射器的设计效果,对其辐射场的特性参数如中子能谱、中子通量密度及其空间分布、中子和γ吸收剂量率及其空间分布等进行了测量。针对该照射器的特点,建立了一套由多球谱仪、235U裂变电离室、金箔、组织等效正比计数器和热释光探测器组成的测量系统,利用蒙特卡洛计算方法优化设计探测器的结构,以提高超热能区的分辨率和甄别不同能量成分中子的能力。初步测量结果表明,该照射器的中子通量密度达到了预期设计要求。

医院中子照射器反应堆实验研究

医院中子照射器是专用于硼中子俘获治疗的核装置,所用反应堆功率为30 kW,采用235U富集度为12.5%的UO2为燃料,金属铍反射层,轻水为慢化剂和冷却剂。堆芯产生的热量靠自然循环冷却。在反应堆堆芯相对两侧分别设置了热中子束流和超热中子束流,用于治疗患者。在微堆零功率实验装置上,完成了临界质量、控制棒效率、上铍反射层效率及其它部件反应性的测量,确定了最终燃料元件的装载,为工程物理启动提供实验数据。

低浓化医院中子照射器(IHNI-1)堆芯的物理方案设计

采用蒙特卡罗程序MCNP/4B模拟计算了功率为30 kW的低浓化医院中子照射器的堆芯物理参数,设计了合理的堆芯布置方案、235U富集度、控制棒价值、后备反应性和停堆深度,得到固有安全性较高、寿期达10年且无需换料、采用低浓化UO2燃料的医院中子照射器的堆芯物理设计方案,为后续反应堆工程设计以及硼中子俘获治疗肿瘤用中子束的设计提供理论依据。

医院中子照射器热中子束能谱特性研究

医院中子照射器是我国建造的第1座用于医疗目的的微型反应堆,已于2009年12月7日首次达临界,2010年1月22日达到满功率运行。在治疗前,需测量出口处的中子通量密度及能谱等参数,为后续实验提供依据。本文用MCNP建立医院中子照射器模型,得到能谱计算值。选用金箔活化法测量绝对中子通量密度,多箔活化法测量中子能谱,用SAND-Ⅱ程序解谱,并将实验结果与计算结果进行了比较。

医院中子照射器中子束流出口处热中子注量率的测量

医院中子照射器是基于微型反应堆而设计的专门用于硼中子俘获治疗(BNCT)的核反应堆装置,其额定功率为30kW。在堆芯相对两侧分别设有一条热中子束流和超热中子束流用于病人照射,在热中子束流内引出一条实验用热中子束流,用于瞬发γ法测量病人血硼浓度。本工作利用235 U裂变靶和白云母探测片测量了热、超热和实验用热中子束流出口处的热中子绝对注量率。结果显示,在30kW额定功率运行时,热、超热和实验用热中子束流出口处的热中子注量率分别为1.67×109、2.44×107和3.03×106 cm-2.s-1。以上结果达到了BNCT设计要求,并能满足瞬发γ测量血硼浓度的要求。

医院中子照射器建造

医院中子照射器装置于2007年开始建造,2008年12月完成了反应堆厂房建造,2009年3月完成了相关系统的安装和调试。2009年12月7日首次达到临界,2010年1月22日达到满功率运行。物理调试结果表明,医院中子照射器反应堆最终后备反应性为4.2 mk,满功率最大可连续运行时间为12 h,功率波动小于0.3%;4.2 mk反应性释放实验表明,反应堆在229 s时达到85.7 kW的最大峰值功率,随后,由于燃料元件多普勒效应和慢化剂的负温度效应会非能动地把功率限制在允许的安全水平之下,反应堆具有良好的固有安全特性。

医院中子照射器性能与特性

介绍了医院中子照射器及其相关系统的设计情况,描述了医院中子照射器的性能和特性。为验证医院中子照射器的固有安全特性,进行了4.2 mk反应性释放实验。实验结果表明,反应堆功率快速上升,在229 s时,功率达到85.7 kW峰值,随后,由于燃料元件多普勒效应和慢化剂的负温度效应会非能动地把功率限制在允许的安全水平之下。满功率运行时,各个工艺房间γ剂量率小于1μSv/h,且中子剂量率为本底水平,具有低辐射特点。

医院中子照射器物理启动

医院中子照射器是专门用于硼中子俘获治疗的核装置。在堆芯相对两侧,设有热中子束流和超热中子束流用于治疗,另外,在热中子束流内引出1条热中子束流用于病人血硼浓度测量。本文介绍其物理启动的6个实验,实验结果表明:满功率最大运行时间为12h,最终后备反应性为4.2mk,满功率运行时各工艺房间辐射水平满足设计辐射分区要求,4.2mk反应性释放实验证明医院中子照射器具有固有安全特性。

用于硼中子俘获治疗的医院中子照射器的反应堆光致缓发中子参数

在介绍单群扩散方程基础上,引入堆芯和反射层的中子价值,根据考虑了光致缓发中子及其价值因素的点堆动态方程,建立了利用现有计算程序进行计算和分析的方法,分析了医院中子照射器光致缓发中子的特性参数,在原有6组缓发中子基础上增加了9组光致缓发中子,为进一步进行用于硼中子俘获治疗的医院中子照射器反应堆的点堆动力学研究提供了重要参数。

一种二元放疗靶向治癌的新技术——中子俘获疗法(NCT)与医院中子照射器(IHNI)

中子俘获疗法已成为当前对抗癌症的一项新选择,而且正在迈向治癌的一种例行疗法。面临的难题,首先就是掺硼化合物,目前已进入第三代开发阶段,也就是要对特定的肿瘤取得治疗功效上的突破。再之,乃是中子源装置。老研究堆不具备临床医疗的"亲和性",一般又达退役年龄,难以成为推广例行治疗的基础设施。中国开发成功以微型研究堆为基础的专为中子俘获疗法设计的医院中子照射器,可安装在医院内,由医生自行掌握,具备2条中子束,可供浅部与深部肿瘤的照射治疗,为中子俘获疗法实现例行治疗,提供了一种安全、简便、廉价与实用的治疗装置。

医院中子照射器试运行

医院中子照射器及其辅助系统于2010年年初完成热调试试验,随后投入试运行至今,共开堆99次(天),累积释放能量1 832.42 kW.h(折合积分中子注量为2.198 9×1017cm-2)。试运行期间实验数据显示,医院中子照射器及其辅助系统满足规定的运行限值和条件,未发生任何事故,具有很好的安全性与可靠性,达到了设计要求。

基于MCNP的医院中子照射器零功率实验的计算

介绍了医院中子照射器(IHNI)零功率实验及其装置,利用MCNP程序,对IHNI零功率实验装置进行模拟计算,得到中心控制棒价值、上铍反射层效率、径向燃料元件效率、铝瓦效率等。计算值和实验值相互验证,结果符合较好。

基于WIMS和MCNP耦合程序的医院中子照射器Ⅰ型堆燃耗计算

建立了基于WIMS和MCNP的临界-燃耗耦合计算方法,并对此方法进行了验算。通过栅元和组件问题的分析计算以及西安脉冲堆燃耗实验对比,验证了此耦合程序的可靠性和正确性。最后应用此耦合程序对医院中子照射器Ⅰ型堆的燃耗进行了计算和分析。

医院中子照射器Ⅰ型堆热中子束流孔道等效平面源的模拟计算

采用蒙特卡罗程序MCNP模拟计算了医院中子照射器Ⅰ型堆(IHNI-1)热中子束流孔道出口处的等效平面源。对B堆芯进行了临界搜索计算,模拟计算了热中子束流孔道及出口处中子、γ的束流参数,应用等效平面源模型建立了BNCT等效中子、γ平面源。为人体头颅等效模型剂量分布的快速计算提供了较为可靠的平面源。

医院中子照射器Ⅰ型堆超热中子束流孔道的优化设计

采用蒙特卡罗程序(Monte Carlo neutron and photo transport code,MCNP)对医院中子照射器Ⅰ型堆(IHNI-1)超热中子束流孔道的慢化层、反射层进行了优化设计。首先对FLUENTAL、Al等材料组成的6种慢化体方案进行了分析比较,给出了孔道出口处超热中子通量密度较大的两种设计方案;基于此两种慢化体设计方案,在保持束流孔道外框尺寸不变情况下,对慢化体周围的反射层进行了分析比较,给出了反射层的推荐方案;基于慢化体和反射层优化方案,最后给出了超热中子束流孔道出口处束流参数的空间分布。

事故工况下医院中子照射器Ⅰ型堆瞬态特性研究

采用RELAP5/SCDAP/MOD3.4程序对医院中子照射器Ⅰ型堆(IHNI-1)在事故工况下的瞬态特性进行研究,对意外大反应性引入和池水丧失事故工况进行了计算和分析,计算结果表明:IHNI-1堆具有良好的固有安全性,在发生大反应性引入和池水丧失事故时,最终能够稳定在较低功率,确保反应堆安全。

医院中子照射器的反应堆水净化系统抗震分析

医院中子照射器堆水净化系统实际设计等级为3级,有抗震要求,抗震设计标准为TECDOC-1347规范,可以使用等效静力法对堆水净化系统进行抗震计算。首先根据TECDOC-1347规范,说明如何取抗震计算参数。然后根据所取的参数,对整体结构进行了抗震计算。计算中直接考虑了螺栓联接,避免了手动计算螺栓强度。根据TECDOC-1347的要求,要对结构进行屈曲分析。在软件中建立的三维计算模型,忽略螺栓的影响,计算了整体结构的临界屈曲载荷。通过分析证明,结构能够满足抗震要求,在地震载荷和内压的作用下,结构不会发生屈曲。

医院中子照射器分析室剂量场研究

医院中子照射器建成后,对分析室内及其屏蔽门外的γ剂量率和中子剂量当量率进行了测量,测量结果显示:分析室内局部γ剂量率与设计值相差较大,分析室屏蔽门外γ剂量率超过原设计监督区限值7.5μSv/h,因此需对分析室内部及其屏蔽门进行屏蔽改造。根据蒙特卡罗程序模拟计算结果及实际使用情况给出最终屏蔽方案,即在分析室束流孔道所在墙面加装厚度为16cm的铅屏蔽材料屏蔽γ射线,对四周墙面及屏蔽门内侧加装厚度为1cm的含锂聚乙烯板屏蔽散射中子。改造后分析室剂量最高点γ剂量率下降277倍,中子剂量当量率下降5.8倍,屏蔽门外γ剂量率下降近90倍。

医院中子照射器中子照射束流等效平面源研究

为了在医院中子照射器上开展肿瘤硼中子俘获治疗(BNCT),需要为配套的治疗计划系统SERA研制等效中子源。在医院中子照射器全堆芯模型的基础上,利用蒙特卡罗方法围绕热束和超热束中子金箔活化实验开展模拟研究,评估了屏蔽准直结构和材料以及金箔活化实验中金箔、有机玻璃等结构材料对中子束流的影响,明确了准直孔道末端锂聚乙烯材料成分及形状等是对金箔活化实验结果影响较大的因素。在此基础上,开展了全堆芯蒙卡模拟,获得热束中子结果与实验结果平均偏差-1.74%;模拟的超热束中子结果与实验结果平均偏差6.14%。在此基础上制作了治疗计划系统SERA的源,模拟的超热束中子通量与全堆芯模拟结果小于10%。

我国自主建成世界首台医院中子照射器示范装置

我国首台用于治疗恶性肿瘤的小型医疗专用中子照射器示范装置近日建成，这也是目前世界上首台医院中子照射器。它的建成填补了我国在该领域的空白，为我国在中子俘获疗法领域赶超国际水平创建了一个特色平台。