让“看不见”的电子束服务看得见的生活

山东乖宝宠物食品集团有限责任公司,高能大功率电子辐照加速器,

让“看不见”的电子束服务看得见的生活——记10MeV/20kW高能大功率电子辐照加速器研制

加速器控制台

■聚 焦

原梓萱

山东乖宝宠物食品集团有限责任公司是一家宠物食品出口生产加工企业,出口额连续三年超过1亿美元。为企业发展插上腾飞翅膀的,是企业5年前花3000万元,从中国原子能科学研究院(简称原子能院)核技术所购置的两台10MeV/20kW(10兆电子伏/20千瓦)高能大功率电子辐照加速器,如今这两台加速器每天能辐照80余吨宠物食品。企业发展了,市场份额扩大了,利润增加了,也有再投入的动力了。近日,乖宝集团又从原子能院购买了2台同型号的辐照加速器。

乖宝宠物食品集团的产品主要出口欧美,产品要求必须经过灭菌处理,而且灭菌只能采用辐照方式。此前,乖宝宠物食品集团产品也使用辐照方式灭菌,但采取租赁他人设备的“外协”方式,每年支付的辐照服务费上千万,这还不包括运输及辐照排队的时间成本。

所谓辐照,即利用高能、大功率的电子束照射物品,通过辐射效应达到材料改性、杀菌消毒的作用。原子能院核技术所所长王国宝介绍,辐照所需要的装置,一种是钴60,一种是电子加速器。其中电子加速器具有可控、能量高、辐照时间短、无核废物、不危害环境的优点。

“在我们做这个项目前,国内10MeV电子辐照加速器的最大功率只能做到5千瓦,我们定的指标是15—20千瓦。”核技术所直线加速器研究室主任曾自强说,单从数字上来看,只是加速器功率增长了三四倍,但功率为5千瓦的电子加速器在经济性上和钴源比没有竞争力,而当加速器的功率达到15千瓦时,相当于100万居里的钴源,经济性上已有明显优势。

原子能院是我国能够产业化生产高能电子加速器的研发机构,创造了我国电子直线加速器研制史上的八个第一。虽有长期的技术积累,但研制20kW高能大功率电子辐照加速器并非易事。

“高能大功率电子辐照加速器对稳定性和可靠性要求更高。”王国宝解释,加速器的稳定性主要指稳定的束流品质,可靠性则是较低的故障率。10MeV/20kW的电子加速器,意味着在100kV以上的高压下,科研人员每秒要“指挥”1.25×1016个电子往同一个方向有序“前进”。

在国防科工局支持下,科研团队经过科技攻关与自主创新,突破高能电子辐照加速器大功率束流稳定加速、大功率宽脉冲高压调制电源、大功率束流耦合加载及热效应稳定性控制、强流长寿命电子枪等重大技术难题。

“我们的目标瞄准应用,要实现长期稳定运行,更要实现傻瓜式操作,而且要便于零部件更换。”王国宝说,这对电源和器件提出了很高要求,在可靠性方面,科研人员也设计了很多保护手段,对一些异常情况的反应速度达到微秒级,选用的器件均经过考验,有些甚至是按照军工产品的标准。

经过攻关,20kW加速器装置自主设计了热屏蔽及聚焦的枪体结构和新型可更换阴极组件,延长了电子枪寿命,提高了加速器的持续稳定运行时间;自主开发了高效水流分配的大功率高精度自适应冷却技术,提高了加速器的冷却效率和运行稳定性。

“这台直线加速器装置属国际先进水平。”曾自强介绍道。

2007年12月18日,由核技术所自主研发的10MeV/15-20kW电子加速器辐照装置通过验收,并在房山燕房园工业开发区投入使用,成为我国首台投入使用的高能大功率电子加速器辐照装置,目前累计稳定运行超过36000小时,并开展了医疗器械、调味料、保健品等工业化辐照。辐照后的产品性能优良。

“这台加速器我们在设计时就是要满足工业化应用标准要求。”王国宝介绍。

装置的研制成功,显著提升了我国电子辐照加速器的制造技术和产业化水平;实现了我国高能大功率辐照加速器从技术落后依赖进口,到替代进口领先国外的跨越;对优化辐照加工产业结构、提高经济效益、实现核技术应用可持续发展具有重大意义;同时,产生了很好的社会效益和经济效益。山东项目的成功带来的市场示范效应,有效提高了市场对国产高能大功率电子辐照加速器的认知度。2013、2014年原子能院相继接到了河南、吉林等用户的订单。

凭借先进的技术水平和长期稳定运行的能力,20kW高能大功率电子辐照加速器迅速成为辐照行业的新宠,短短数年便产值过亿,2015年还获得了国防科技工业军民融合发展产业先锋提名奖,对促进军民融合发展、核技术应用推广普及意义重大。

项目还带动了一批核心技术发展,相关技术可应用于军用雷达、军用核数据测量用白光中子源装置及生物反恐装备等,对国防科技工业具有重要的应用价值。

“加速器市场中的民营企业大多依托研究所,产品型号固定,而我们除了固定型号外还一直在自主研发新技术、新产品,把满足用户要求作为最重要的标准,适应性专业性更强。”王国宝说,在民用加速器市场上,核技术所最大的优势是自主研发能力强,多年来一直走在创新发展的前列,可以根据用户和市场的需求对产品进行设计研制,把加速器的应用推广到更广阔的领域。

谈及加速器产业未来的发展,王国宝说,在中核集团和原子能院的支持下,核技术所正在积极探索新的发展模式,推动加速器产业化。“目前在加速器方面世界上发展最好的是美国,有一千多台,而我国只有五百台不到,潜力还很大。我们不仅要做更大功率的加速器,还要实现大功率加速器小型化、智能化、移动化,开发加速器应用的新产品。”

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责任编辑: 符雪苑