辐照加工技术和γ辐照装置以投资少、见效快、杀虫灭菌彻底、操作工艺简单、无污染残留等优点, 在食品保鲜、医疗器械药品杀菌消毒、材料改性等方面得到了广泛的应用, 产生了良好的社会和经济效益^[1]。

随着辐照装置数量、装源活度以及使用频率的不断增加, 安全事故成为了不容忽视的问题, 辐照事故中着火事故的发生比较少见, 但确更容易引起外界关注^[2]。辐照装置本身不会着火, 但放射源会释放热量, 如果被辐照物中含有易燃、易爆物质, 积热或由于机械、电器产生的火花会引起着火。着火事故不但会危及放射源本身的安全, 严重时引起放射源包壳损坏产生放射性污染, 并且着火事故还会造成公众的恐慌, 引发社会问题。

近年来国内外发生了数起被辐照物着火事件: 1989年2月18日, 广州某辐照装置辐照的3包甘蔗着火, 同时引燃了旁边的20包医用橡胶手套, 该事故未对放射源本身造成伤害, 因此没有放射性物质泄漏, 没有造成人员伤亡; 2001年12月7日, 美国新泽西州某辐照装置辐照邮件时, 由于邮件本身温度过高导致燃烧, 超过40.8 kg(90磅)的邮件被烧毁; 2009年6月, 河南杞县利民辐照厂, 在辐照辣椒面作业时, 货堆倒塌, 放射源不能落回水井内, 周围辣椒面受积热自然, 造成当地居民恐慌, 纷纷逃离避难。

1 研究内容和方法^[3-4]

本项目对辐照物品进行分类, 选取典型物品进行实验, 得出物品的着火点、热释放率等参数, 利用火灾模拟软件Fire Dynamics Simulator(FDS)数值计算的方法, 得出自卡源时刻到物品开始着火燃烧的时间。

1.1 代表性辐照物品的选择

随着辐照利用的不断深入, 辐照物品也越来越多, 常见的有医疗器械物品、化妆品、日常用品、食品和工业产品, 本文依照辐照频度高、着火点低、有过着火史等原则选取了典型物品有瓦楞纸、辣椒面、卫生纸、纱布。

1.2 放射源活度

放射源活度是源释热率的决定因素, 根据调研, 目前国内钴源辐照装置中最小的装源活度不足3.7×10¹¹Bq, 最大的为1.11E+13 Bq, 因此考虑偏保守情况, 本文选择用于计算的源活度分别为: 1.85E+12 Bq、3.70E+12 Bq、7.40E+12 Bq以及1.11E+13 Bq。

1.3 辐照方式

目前常用的物品受照方式主要有三种。

1.3.1 堆码式

即受照物品围绕放射源码放, 一般适合装源活度较小的辐照装置。

1.3.2 悬挂链式

即受照物品装载在辐照箱内, 辐照箱悬挂于辐照室顶部, 由传送机构送入辐照室, 此种方式在实际中较为常见。

1.3.3 地轨式

即受照物品装载在辐照箱内, 辐照箱放置于平行于地面或略高于地面的输送轨道上。悬挂链式和地轨式随输运方式不同, 但当到达放射源周边辐照位置时, 物品排列方式基本相同, 因此本文在受照方式选择时只考虑了堆码式和悬挂链式。

1.4 放射源释热率

⁶⁰Co每衰变一次放出两个光子, 能量分别是1173.2 keV和1332.5 keV, 同时伴随β衰变, 平均能量为95.8 keV。

计算公式为:

式中:W-热功率, 单位:W; A-源活度, 单位: Bq; E-能量, 单位:eV; e-电子电量, 1e=1.6×10^-19 J/eV

计算:

1 Bq ⁶⁰Co源释放热量为4.162×10^-13W

1.5 代表性物品着温度的测试

在一定温度下, 固体可燃物料会挥发或蒸发出一部分的可燃烧气体或蒸汽, 当温度升高到某一数值时, 挥发或蒸发出的可燃气体或蒸汽的浓度足够高, 以致被明火点燃后能形成持续的火焰(> 5 s), 则能出现这种现象的最低温度即称为着火点(也称燃点)。

根据国家标准GB 4610-84《塑料燃烧性能测试方法-点着温度的测定》, 采用DW-02型点着温度测定仪(见图 1)对辐照物品瓦楞纸、辣椒面、卫生纸、纱布进行点燃温度测试, 测试结果如表 1。

1.6 建模 1.6.1 悬挂链式辐照室

以国内某辐照室原型为基础, 房间长15 m, 宽8.4 m, 净高4.6 m, 墙厚为2 m。设有3个门, 一个供吊具进, 一个供吊具出, 一个供工作人员出入, 没有开窗, 正常工作条件下设有通风系统。模型如图 2所示。在卡源故障情况下, 为了安全起见, 此时辐照物输送系统不能正常运作, 出入口被堵住, 3个门考虑为封闭情况, 通风系统不能正常工作, 整个辐照室处于完全封闭状态。图中所标注区域为计算区域, 即辐照室。辐照室放射源均匀放置在长5.0 m, 高2.0 m, 厚0.1 m的源架上, 架外边包裹1 mm厚铝板。

1.6.2 堆码式辐照室

堆码式辐照室直径7.0 m, 高4.8 m, 源位于中心, 是一个直径为0.4 m的圆柱, 辐照时距离底、顶各1.0 m, 物品围绕源堆放, 里层距源0.2 m, 高度假设从地面直接到顶。辐照室有一个1.4 m宽的开口, 如图 3。

2 结果

火灾动态模拟软件(Fire Dynamics Simulator, FDS)是最具特色的火灾烟气运动场模型, 它全面地考虑了火灾烟气运动的各个分过程, 湍流部分分别采用高级数值模拟方法直接模拟及大涡模拟处理, 辐射换热采用了有限容积模型(Finite Volume Method); 燃烧模型基于Huggett提出的"状态关联"思想定量给出反应物与生成物之间的关系, 根据湍流模型的不同分别采用混合分数模型(用于LES)及有限反应模型(用于DNS); FDS在模型的构建过程中较其他模型采用了尽可能少的假设, 其理论基础坚实, 能够描述很宽范围的火灾现象。

本文采用了FDS模拟计算软件和计算模型对本项目内的火灾场景进行模拟, 每个模型选取2个温度测试点。假设计算区域内外温度均为20℃。压力为1个标准大气压, 计算区域内风速为0 m/s, 辐照室钢筋混凝土墙体导热系数K取0.72 W/m·k。考虑到数值模拟所需时间长, 本报告火灾模拟时间为6 h, 即21 600 s。根据数值模拟结果, 对1 h到6 h的FDS数值模拟结果进行线性拟合, 判断辐照室内温度是否能达到辐照物品的点着温度及达到点着温度的时间进行预测。采用线性拟合, 拟合得出的结果趋于保守, 更加趋于安全。

本文针对活度为1.11E+13 Bq 7.40E+12 Bq、3.70E+12 Bq的悬挂链式辐照室以及1.85E+12 Bq堆码式辐照室进行分别模拟, 图 4和图 5给出了1.11E+17 Bq(300万Ci)悬挂链式辐照室1号温度测点的FDS模拟计算结果和线性拟合结果, 其他活度计算结果线型图在此省略。

3 讨论

本文对具典型代表意义1.11E+13 Bq(悬挂链式), 7.40E+12 Bq(悬挂链式), 3.70E+12 Bq(悬挂链式), 1.85E+12 Bq(堆码式)的悬挂链式和堆码式辐照室在卡源故障情况下室内温度场分布进行了理论计算和FDS数值模拟, 对具有代表性的易燃辐照物品进行了点着温度实验测试。在卡源故障情况下, 通风系统失效, 辐照室处于相对密闭的环境前提下, 通过分析得出结论如下:

瓦楞纸、辣椒面、卫生纸、纱布点着温度在210~ 290℃范围内, 点着温度较低, 容易被引燃。

根据数值模拟得出, 卡源初期1 h, 温度上升速率较快, 达到50℃以上。随着时间的增长, 室内温度不断上升, 但上升速率逐渐放缓, 最终辐照室内温度趋于平衡, 达到稳定。

自卡源时刻起, 至所选取的典型物品着火的时间△t见表 2。

通过计算和分析，辐照装置卡源故障中如果处理 不当，辐照物品很有可能发生着火，着火时间主要取决 于辐照物品着火点和辐照装置的装源活度。因此，必 须重视辐照装置卡源故障后的通风和实时观察，必要 时通过注水或强力通风消除火宅隐患，避免发生火灾。