钴源辐射加工, 是利用⁶⁰Co放射源放出的γ射线作用于物质, 使其品质或性能得以改善的一种工艺过程。随着核技术的不断发展和核技术应用领域的逐步扩大, 近年来钴源辐射加工场所(又称辐照加工业)发展迅速, 山东省目前共有10家钴源辐射加工场所, 拥有辐照装置11个。辐射加工对象和加工目的也越来越多, 如农副产品的保鲜和灭菌、中成药灭菌、烟草灭菌、副食调味品灭菌、医疗器械和材料灭菌、化工材料改性、食品防霉变等, 已成为产品深加工的有力手段。钴源辐射加工经营者在收到良好经济效益的同时, 也创造了很好的社会效益, 为人们的生产和生活带来了方便。但是由于钴源辐射加工所用的⁶⁰Co放射源活度比较大, 一般都在PBq(几十万Ci)的数量级以上, 加之控制装置复杂以及经营者安全管理等问题, 使某些钴源辐射加工场所存有不安全隐患, 甚至发生重大人员辐射事故。为加强钴源辐射加工场所辐射安全, 强化经营者安全生产和辐射防护意识, 查找不符合《γ辐照装置设计建造和使用规范》和核安全与辐射环境保护的问题, 提出安全评价意见, 规范辐照加工生产秩序, 笔者在对多家钴源辐射加工场所现场进行安全检查的同时, 对有关问题进行了调查研究。在此基础上提出辐射加工场所安全问题的分析与评价, 以方便于行政管理部门对辐射加工场所的安全管理和检查验收, 为经营者开展内部安全管理、自查自纠和安全生产提供技术支持与技术服务。

1 钴源辐射加工工艺 1.1 辐射加工原理

γ射线是放射性核素自发放出射线的一种, 属于中性、不带电粒子, 其穿透能力非常强。γ射线的能量取决于核素本身, 不同核素的γ射线能量不尽相同。一般说来, 射线能量越大, 穿透能力就越强。⁶⁰Co核素主要放出能量分别为1.17MeV和1.33MeV的两种γ射线, 属高能射线。γ射线穿入或穿过物质时会以光电效应、康普顿效应和电子对效应三种作用方式, 首先在该物质中产生一个或几个能量较高的带电粒子, 这些带电粒子再与物质的电子相互作用, 引起物质的大量电离, 从而使物质发生性质的改变。钴源辐射加工, 就是利用物质受到放射性辐射后能使该物质发生性质改变这一特性达到辐射加工目的。辐射加工通常采用堆积式或悬挂运动式辐射照射, 用于农作物改良、杀虫灭菌、刺激生物增产、农副产品加工、食品蔬菜保鲜保藏、水晶着色等方面。

1.2 辐射加工工艺

辐射加工工艺, 一般采用⁶⁰Co放射性元件组成活度很高的辐射源。⁶⁰Co元件(源棒)多数进口于加拿大或俄罗斯, 一般将源棒排列成单栅板形式, 分排分层安装在一个平面上, 形成单栅板源结构。在栅板源外设有1mm多厚的不锈钢保护罩, 保护源体免受腐蚀。

为最大可能利用辐射源有效辐射面积, 提高辐射效率, 一般将货物装入密集架, 悬挂吊入辐射源两侧, 每侧分三排密集架, 以停留或缓慢运动方式进行辐射加工。

1.3 辐射加工的工艺流程

辐射加工多采用悬挂链式货物输送系统。在辐照装置外的上货区, 工作人员将货物装在货篮内, 由悬挂链输送系统自动将货物运至辐照室。为了使货物受到均匀辐射, 悬挂链输送系统在运行过程中自动改变方向更换货物的辐射面向。被加工货物吸收剂量达到要求后, 再由悬挂链输送系统自动将货物从辐照室运至卸货区。图 1是一个辐射加工工艺流程简图。

2 钴源辐射加工场所布局

钴源辐射加工场所一般按长方形布局, 主要有辐照室、装卸室、仓库、控制室、电源室、水处理室、实验室、办公室、浴室、卫生间。其中, 装卸室和仓库布局在一起, 占据辐照加工场所占地面积的一半。另外, 在辐照室顶部建有送、排风机室和提升装置室。辐射加工场所平面布局示意图如图 2所示。

按照《γ辐照装置设计建造和使用规范》^[1]的要求, 辐照加工场所要划分控制区、监督区和非限制区。辐照室迷道入口以内的区域为控制区; 控制室、电源室、浴室、值班室、水处理室、办公室、送排风室和提升装置室及限值为1/10~3/10年有效剂量当量的区域均为监督区; 凡限值不超过1/10年有效剂量当量的工作区域为非限制区。

3 钴源辐射加工场所安全设计

钴源辐射加工场所的安全设计, 可分为基础设施安全设计和安全联锁设计。

3.1 基础设施安全设计

基础设施安全设计, 主要是在土建工程阶段或主体工程建设阶段为达到辐射防护之目的而进行的一系列安全设计。主要包括以下几个方面:

3.1.1 贮源水井

贮源水井用于贮存钴源, 并为装、换源操作提供安全保障。一般贮源水井的容积为长6m、宽2m、深7m。井壁采用钢筋混凝土结构, 在井壁表面采用厚3mm以上不锈钢板作为复面板。井水采用优质去离子水或电导率1~10μS/cm、氯离子(Cl^-)含量不大于1×10^-6、pH值为5.5~8.5的去离子水。

贮源水井能屏蔽钴源放出的γ射线, 能在井内进行倒源、换源工作, 以免工作人员受到照射。去离子水能保证钴源包壳和贮源水井壁不锈钢复面免受腐蚀, 防止放射性物质泄漏。所以贮源水井是一项很重要的基础安全设施。

3.1.2 辐照室

辐照室是辐射加工的主要场所, 或者称为剂量场所。辐照室占地面积约为7m×14m, 高度约4m。辐照室采用迷道型设计, 防护墙采用密度为2.3t/m³的钢筋混凝土结构, 墙厚和房顶厚均约2m。贮源水井位于辐照室的中央。辐照室的安全设计要保证在最大装源量的条件下, 辐照室墙外剂量率不超过2.5μSv/h, 以保证辐照工作人员个人年有效剂量不超过5mSv, 公众成员年有效剂量当量不超过0.1mSv。

3.2 安全联锁设计

安全联锁设计, 是为使辐照加工安全运行而采取的一系列安全联动的受控设计。其联动的结果是使安全因素最大化。作为辐射加工场所, 主要安全联锁设计有以下十项。

3.2.1 防止人员误入

为了防止在辐照加工过程中人员误入辐照室, 采取了多个防人员误入辐照室措施。一是迷道入口墙的上方有醒目的“工作”指示灯; 二是迷道入口设有多级红外、光电报警和踏板联锁。当人员误入时, 第一级红外、光电被触动而发出报警, 若第二、第三和第四道被触动则在自动报警的同时启动降源。三是在迷道入口处设置自动推拉门。推拉门开始处于关闭状态, 当货篮运动接近推拉门时, 推拉门自动开启, 货篮进入迷道, 之后推拉门又关闭迷道。这一设计主要是防止外来人员误入。

3.2.2 人员误留辐照室处理

辐照室内和迷道墙上均设置了拉线开关和紧急按钮, 当人员误留辐照室时, 只要拉动一下拉线开关的拉线, 或者按一下紧急按钮, 则钴源就无法通过控制台操作而被提起, 同时在控制台面板上立即显示辐照室内有人的报警信号。

3.2.3 停电自动降源

当辐射加工场所停电时, 钴源能自动降至贮源水井, 处于安全位置。

3.2.4 源升降安全控制

放射源的升降安全控制是辐照装置的重要环节。为了有效控制钴源的升降, 设置了升降源系统和剂量率监测系统。升降源系统装有行程开关, 当源过升或过降时, 控制台上均显示“源过升”和“源过降”报警信号; 剂量率监测系统能显示辐照室内剂量率数据。当源提升时, 剂量率会逐渐增大; 当源下降时, 剂量率逐渐减小。通过剂量率的数据变化, 可以佐证放射源是否提起或者是否降到安全位置。

3.2.5 清场复位开关

辐照室设有四个“清场复位”开关, 在启动升源前, 工作人员必须进入辐照室清场, 并确认无人或无其他安全问题后再顺序按下“清场复位开关”按钮。只有四个“清场复位开关”按钮全部被复位时, 才具备升源的第一个条件, 其中任何一个没有被复位, 将无法升源。

3.2.6 水处理系统与源泄漏报警

为防止钴源发生放射性泄漏污染井水, 要求辐射加工场所设置水处理系统。水处理系统要采用多级离子交换树脂, 在第一级离子交换树脂处安装γ探头, 用以监测离子交换树脂上的剂量率, 发现剂量率超过阈值时报警, 对放射源是否泄漏进行了监督监测。

3.2.7 贮源井水水位监测

当贮源井水水位降到标准高度以下时, 水位监测系统会在控制台上显示“低水位”, 并与辐照室大门联锁, 同时补充去离子水。

3.2.8 控制台电源钥匙、辐照室入口大门钥匙和剂量监测报警仪的联锁

为防止控制台电源开关钥匙和辐照室大门钥匙在管理上可能出现的问题, 杜绝不带剂量监测报警仪进入辐照室, 要将两把钥匙与监测报警仪捆系在一起, 并由一人管理。

3.2.9 送、排风控制

在升源准备工作一切就绪后, 要求先启动排风机后再启动送风机, 然后按升源按钮, 源升起至辐照位。当辐照加工完毕, 源降至安全位时, 需延时送、排风。

3.2.10 火灾报警

辐照室内和操作区域按一级防火设计, 并设置火灾报警装置, 遇有火灾险情能及时发现、报警, 放射源自动降至安全位置, 并能及时采取有效灭火措施。

4 安全联锁及其落实情况分析与评价

通过辐射加工场所安全检查发现, 基础设施安全问题较少, 基本符合要求。但安全联锁问题较多, 这里主要对安全联锁进行分析与评价。上面讲到的十项安全联锁是辐照加工场所主要的安全措施, 也是《γ辐照装置设计建造和使用规范》^[1]和《钴-60辐照装置的辐射防护与安全标准》^[2]明确要求的。作为辐射加工业主, 必须按照国家规范和标准, 落实各项辐射防护措施和安全联锁措施, 同时落实人员培训、查体制度, 建立监测计划、应急预案和人员档案, 制定各项管理、操作、值班、巡逻检查、交接班等规定, 只有这样, 才保证辐射加工场所的安全。

4.1 安全联锁分析与评价

从纵深防御角度考虑, 辐射加工场所必须具备十项安全联锁, 这十项安全联锁从多个方面保障辐照装置的安全运行和辐射加工场所的安全。

4.1.1 有效控制源的升降

为了有效控制源的升降, 设置了源升降安全控制和剂量率监测系统。源升降安全控制主要靠行程开关来完成, 行程开关是比较可靠的器件; 剂量率监测系统的探头固定安装在辐照室内, 其工作稳定性和可靠性也比较好。工作人员在控制室通过信号显示, 就能准确判断源的位置。源升降控制至少有两个信号可以作为控制依据, 一是行程开关的动作激活的位置信号; 二是剂量率监测器监测的剂量率数据。另外还有一个, 就是通过闭路监视器观察升降源钢丝绳松紧程度, 这些都是有效控制源升降的纵深防御措施, 是可行有效的。

4.1.2 防止人员误入、误留辐照室

在这方面有防人员误入、防人员误留和清场复位开关。在防人员误入上, 就有四道光电、红外报警及踏板报警。应该说只要这些联锁都有效, 人员误入时会自动报警且强迫降源; 人员误留时可拉动拉线开关, 使源无法提升, 使已升起的源迫降; 通过执行按动“清场复位开关”的工作程序, 将辐照室清场, 有效防止了人员误留情况发生。另外辐射加工场所在升源前先发出报警, 并用高音喇叭放出“准备升源”的声音, 这时既使有人员误留辐照室, 也可拉动拉线开关, 迫使放射源无法被提起。为防止工作人员由于工作无序或工作中的误会而导致的辐射事故, 采取了将控制台电源钥匙、辐照室入口大门钥匙和剂量监测报警仪进行联锁, 有效防止了有人在辐照室工作, 而有人在操作控制台操作的混乱状况发生, 也防止了在有些安全联锁失效而提供假信号的情况下, 使工作人员受到照射。

4.1.3 放射源贮存安全

为保证放射源的贮存安全, 有贮源井水水位监测系统和水处理系统及源泄漏报警系统。其中水处理系统和源泄漏报警系统也是纵深防御, 合乎要求的去离子水对源外包壳和井壁的腐蚀作用很小, 一般在放射源使用期限内不会泄漏。泄漏报警系统是对水处理系统在安全方面的进一步加强。

4.1.4 辐照室空气质量保障

为使辐照室工作时通风换气, 设有送、排风控制系统。有效防止了辐照室内氢气、臭氧和氮氧化物浓度过高。

4.1.5 停电发生时的紧急处理

停电时能够立即将放射源降至水井是最好的安全措施, 所以有关规范要求辐射加工场所必须设置停电自动降源系统。停电降源系统能防止放射源长时间在工作位置, 产生大量臭氧和氮氧化物且又无法排出, 另外放射源长时间照射被加工物品, 使某些被加工物品吸收大量能量而产生热量, 甚至引起火灾。所以停电自动降源是非常必要的。

4.1.6 防火

在防火方面, 有烟感火灾报警, 并能与降源系统联锁。

所以, 为了防止可能发生的辐射事故, 保证放射源应用安全, 采取了很多安全联锁措施。这些安全联锁措施都是为了达到纵深防御之目的而设置的。

4.2 安全联锁落实情况分析与评价

山东省共有辐射加工场所11个, 在2005年辐射环境安全检查中, 对11个辐射加工场所进行了安全检查, 从落实十项安全联锁检查情况来看, 有些辐射加工场所存在不少问题。有的是先天性不足, 即在设计建造时就未考虑全面; 有的是设备、装置、器件等老化、失效。山东省辐射加工场所安全联锁落实情况见表 1。

从表 1可以看出, 10个辐射加工场所在防人员误入、人员误留辐照室、源升降安全控制、送排风及钥匙与报警仪联锁方面都得到落实。在停电自动降源、水处理系统和源泄漏报警方面, 有60%~70%的单位在设计时就未考虑, 对此提出了整改意见, 需加强督促落实。有10%~30%的单位, 清场复位开关、水位监测和火灾报警失效, 对此提出了限期改正意见。

由表 1可看出, 全面落实十项安全联锁措施的有5家, 存有问题的有5家, 各占总数的50%。由此看来, 加强对辐射加工场所的安全监管, 落实各项安全措施的任务还是很艰巨的, 同时也是一项长期的任务, 并非一劳永逸。

5 安全检查方法

辐射加工场所安全联锁检查方法是辐射安全行政管理部门、竣工验收部门和经营单位日常管理和维护必须掌握的方法, 是发现问题、纠正问题、确保辐射安全的重要措施。

5.1 防止人员误入辐照室联锁检查

先确认放射源已处于安全位置, 然后将控制源升降的电动机电源线拧开(断电), 一名检查人员在控制台前观看操作人员的操作, 并观察控制台面板信号指示, 另一检查人员携带辐射监测仪器进入迷道, 依次通过各道红外、光电开关和踏板, 完成任务后走出迷道, 与控制台前检查人员汇总情况, 验证各道红外、光电开关和踏板是否有效。

5.2 防止人员误留辐照室联锁检查

先将源降至安全位, 找一长铁丝, 从电动机房钢丝绳孔穿至辐照室, 系在拉线开关的拉线, 拉住电动机房的另一头, 注意不要影响钢丝绳索的运动。然后进入控制室, 按正常升源操作, 观察是否能够提起放射源。若能提起放射源, 升降源电动机会转动, 剂量率数据会增高, 操作台会显示“正在升源”信号指示, 出现这种情况说明防人员误留辐照室拉线开关联锁系统失灵。若提不起放射源, 说明防人员误留辐照室联锁系统能保证已降至安全位置的放射源不能提起。

再检查紧急降源联锁。先提起放射源至工作位, 然后在电动机房内拉动铁丝, 使拉线开关动作, 观察放射源是否立即迫降。若能立即迫降, 说明人员误留辐照室紧急降源联锁系统正常。

5.3 停电自动降源安全联锁检查

先将源升起至辐照位置, 然后由一名检查人员到升降源电动机房注意观察提源钢丝绳索是否下行并变为松驰状态, 另一名检查人员拉下辐射加工场所总电源开关, 切断电源。之后携带剂量率仪, 边看仪器读数边缓慢进入辐照室。如果随着总电源的切断, 电动机上的钢丝绳索下行并变为松驰状态, 且辐照室剂量率处于本底水平, 则说明停电自动降源安全联锁系统正常, 否则不正常。

5.4 源升降安全控制检查

首先升源, 注意观察控制台上剂量率数据是否由小到大变化, 另外验证源升到预定高度时能否自动停止升源, 控制台是否显示“源在工作位”指示。然后进行降源操作, 注意观察控制台上剂量率数据是否由大到小变化, 另外验证源降到安全贮存位时, 控制台是否显示“安全贮存位”指示。

5.5 清场复位开关检查

将源降至安全贮存位, 接着执行升源操作, 若能升源, 说明清场复位开关不起作用。若不能升源, 则说明清场复位开关起作用, 这时携带剂量率仪进入辐照室检查有无人员滞留, 并逐一按动复位开关, 确认辐照室内安全后, 按正常升源程序升源, 这时若能升源则说明清场复位开关正常。

5.6 水处理系统与源泄漏报警系统检查

一是取两个水样, 即贮源井水和水处理装置的出水口水样, 对这两个水样送实验室检测电导率、氯离子浓度和pH值是否满足对贮源井水的理化指标要求。二是用检查部门所带仪器的校准源检查源泄漏报警系统。将该校准源靠近第一级离子交换树脂处的γ探头, 观察控制台上是否有贮源井水剂量率报警指示。若有报警指示, 则说明源泄漏报警系统信号是通畅的。

5.7 水位监测控制系统检查

目前多数辐照装置的水位监测是利用行程开关来实现水位自动控制, 因此可人为用一干净的长杆顶住低水位控制行程开关, 观察进水口是否有水流入。然后再顶住高水位控制行程开关, 观察是否停止进水。

5.8 其他联锁系统的检查

钥匙、报警仪联锁和送排风控制, 在以上几方面检查过程中可以同时检查。

关于火灾报警检查, 可根据火灾报警探头的类型采取不同方法进行检查。如果装有烟雾报警器, 可用点燃的香烟靠近烟雾报警器, 观察有无相应的火灾报警信号。如果装有热敏传感器, 则可用烧热的电烙铁或电熨斗靠近热敏传感器, 观察有无相应的火灾报警信号。

6 结语

随着经济的不断发展, 辐射加工项目在“十一五”期间会以较快速度增加。因此辐射加工场所的辐射安全工作越来越重。另外对于已运行多年的辐射加工单位, 若不摆正安全与效益的关系, 不认清安全系数随时间的负斜率变化, 不在管理、维护上对负斜率变化进行有效补偿, 辐射事故的发生不是没有可能。

贮源井水的质量不容忽视。有些老辐射加工场所在设计时未安装贮源井水自动处理系统, 造成贮源井水长时间不能更新、交换处理, 当缺水时也不能保证加入符合要求的去离子水, 以致贮源井水的电导率很高, 有的达到800μS/cm。这样的水将会腐蚀放射源外壳, 影响环境安全。

环境保护管理部门, 应加强对辐射加工场所安全监管, 确保其始终处于良好状态下运行, 防止辐射安全事故的发生。