核辐射加工技术近年来已在轻工、化工、电力、食品保藏、医疗卫生等行业获得越来越广泛的应用。钴辐照装置是核辐照加工技术的主要技术装备, 是带有强放射性的核设备。钴辐照装置的安全性能至关重要, 直接关系到工作人员的身体健康和辐照事业的发展。由于部分钴辐照装置的安全防护系统不完善, 放射事故时有发生。对中、小型, 尤其是早期的一些中、小型钴辐照装置的安全防护控制系统的改造与优化显得尤为重要。我们以控制论的有关理论为指导, 在优化扬州大学农学院钴辐照装置的安全性能方面进行了应用研究。这对中、小型钴辐照装置的安全防护控制系统的改造与完善有一定的借鉴意义。

1 钴辐照装置的基本条件

该钴辐照装置建于80年代初期, 由钴辐照室(圆形、直径7 m)、贮源水井、圆形迷道、防护门、控制室、钴源升降装置、通风装置等组成。源架采用单层栅板篮结构, 装有导向装置。

目前装源容量为2.96×10¹⁵ Bq, 在国内属中、小型钴辐照装置, 以静态堆码方式辐照物品, 因此工作人员进出钴辐照室的次数较为频繁。

2 钴辐照装置的钴源运行状态与放射防护事故因素分析

钴辐照装置的钴源盛放在单层栅板篮中, 通过提升机使栅板篮在工作位与贮源位之间进行运动。

目前钴辐照装置大多采用水层作为贮源时对射线的屏蔽, 当工作人员进入钴辐照室时, 放射源应存放在贮源水井中一定水层以下的安全位置, 以确保工作人员免受超剂量照射; 当辐照装置工作时, 由提升机通过钢丝绳将源架升至水层以上固定的工作位置。

根据钴辐照装置运行的实际情况, 源架的运行状态并非只有上述两种, 若源架上升超出工作时的固定位置, 其后果将使源架超程运行, 若源架不降至贮源位置, 停留在升源位置或水井中某一位置, 则会由于无屏蔽或水层屏蔽不够, 此时当工作人员进入辐照室时, 就会使工作人员接受不同程度的超剂量照射, 而造成事故。

制订钴辐照装置运行管理制度和安全操作规程等规章制度, 是保证钴辐照装置安全运行的必要条件, 但不是充分条件。还必须有性能优良的硬件设施作为保证, 否则极有可能由于工作人员一时疏忽大意而导致放射事故的发生。据报道在核设施运行时发生的各种异常事件中, 人为失误事件占有相当的比例^[1]。

目前, 部分原有的中、小型钴辐照装置是根据图 1所示的原理而设计的一种简单的安全防护控制系统。

这是一种简单的开环控制系统, 在此控制系统中, 人机关系的质量是相当差的, 操作人员不能及时获取各种所需的系统安全运行的相关信息, 极有可能因工作人员的误操作或其他因素而造成事故的发生。

3 钴辐照装置的闭环控制及反馈系统的建立

我们应用控制论中的反馈理论对原有的钴辐照装置的控制系统进行重新设计(如图 2所示)。

与图 1所示的钴辐照装置的控制框图相比, 这是一个闭环控制装置, 关键在于控制系统中增加了各种反馈系统, 图中的控制装置能根据受控量的反馈信息来产生各种控制信号, 这种控制在控制论中叫做闭环控制。在闭环系统中, 这种把输出反过来馈送到输入端的联系就叫做反馈。反馈是现代控制论中一个重要的概念^[2], 它的作用, 正如人在走路时, 一方面要用眼睛观察路的方向是否偏离目标, 另一方面根据走路的实际情况来控制走路的动作。应用控制论的反馈理论, 结合有关国家标准的设计安全原则^[3], 设置了如下各种反馈系统。

3.1 贮源水井水位监测反馈系统

如前所述, 贮源的水井水位直接影响到对射线的屏蔽能力。贮源水井的水位会由于蒸发等因素而不断降低, 增加该反馈系统可以使工作人员了解到水位的变化并及时加以补充, 如钴室外的水位计。

3.2 源位反馈系统

源位反馈系统可以跟踪源架的实际运行情况, 将信息反馈到控制台, 一方面使工作人员了解到源架的运行情况, 另一方面控制系统将根据源架运行的情况发出相应的控制信号, 如控制台上的源位指示灯。

3.3 钴辐照室剂量监测反馈系统

射线是一种能量的传递, 它是不能被我们的感觉器官所感知的, 因此必须借助于剂量监测仪表来测量, 如台式剂量监测仪表。

3.4 个人剂量仪表工作状态反馈系统

当工作人员进入辐照室前, 必须携带个人剂量监测仪表或报警仪表, 本反馈系统的设置功能为:(1)工作人员必须从指定位置取下并携带个人剂量监测仪表或报警仪表, 才能进入辐照室。(2)当工作人员离开辐照室后必须将个人剂量监测仪表或报警仪表正确放回指定位置, 才能升源, 这样就可以防止工作人员因粗心大意而不携带个人剂量监测仪表或报警仪表就进入辐照室, 从而避免放射事故; 或将个人剂量监测仪表或报警仪表遗留在辐照室内而引起仪表的超量照射或事故隐患。如γ-辐射仪归位反馈系统。

3.5 防超程运行反馈系统

目前大多数钴辐照装置都采用三相电机作为升降电机, 但三相电机极有可能因三相供电相序的改变而造成电机的转向颠倒、超程运行, 从而引发事故。如钴源到位反馈系统、防钢丝绳松弛反馈系统、钴源升降电机的升源到位与降源到位反馈系统。

3.6 防护门开关反馈系统

辐照室迷道口的防护门在保证钴辐照装置的安全和防止放射事故的发生方面具有十分重要的作用, 它的关闭受源架的位置所制约:当源架不在贮源位置时, 防护门将不能被打开; 只有当源架在贮源位置时, 防护门才能被打开。反过来, 它又制约着源架的升降, 当防护门未关上时, 源架将不能提升, 若当源架处于工作位置而防护门被强行打开时, 源架将迅速下降至贮源的位置。该反馈系统正是为完成上述功能而设置的。

3.7 复位反馈系统

在升源前, 为了确保辐照室内无工作人员遗留, 必须由负责升源的工作人员巡视辐照室一周, 并使位于辐照室内四角的复位开关复位, 将信息反馈给控制系统, 控制系统只有在接到复位信号后才能接受升源指令, 提升源架。如辐照室内设置了3个复位开关、控制室内设置了4个安全牌归位反馈系统。

3.8 应急反馈系统

应急反馈系统的作用可以使遗留在辐照室内的人员中断升源程序并立即将源架降至贮源位置。该反馈系统与防护门开关反馈系统一样具有"优先中断权", 即不管控制系统现在进行什么样的操作程序, 它们均能使所有运行停止并迅速使源架下降至贮源位。如辐照室内及迷道口处均设置了应急降源开关。

3.9 升源预警反馈系统

升源预警反馈系统的设置是为了在提升源架前进一步证实辐照室内无人员遗留。由工作人员发出即将提升源架的信号, 即发出报警声响和熄灭辐照室内的照明灯光。发出预警时间的长短应保证误留人员能够安全走出辐照室。

3.10 通风换气反馈系统

辐照室内, 由于γ射线照射导致O₃等有害气体的产生, 这些气体如果不及时排出, 将会对工作人员的身体健康产生严重影响, 因此, 在进入辐照室前必须进行通风换气。根据本单位辐照室的体积及风机的换气能力, 加1倍安全系数, 每次通风10 min是必需的。通风时间是由特定的计时控制系统控制的。

3.11 电源控制系统

为保证辐照装置的安全运行, 我们实行双岗"制, 即每次进出辐照室都必须有两名值班工作人员在场。这主要通过控制台电源双开关系统得以实现, 即电源开关由两把独立的钥匙控制, 分别由两人保管, 必须两把钥匙同时打开, 电源才能接通, 这就从源头上切断了放射事故发生的可能。

4 钴辐照装置的综合安全性能分析

在钴辐照装置中设置反馈系统可以有效地改善人机因素质量, 使工作人员及时地了解到辐照装置的运行情况, 减少了误操作。并能通过声、光等多种表现形式, 以调动人的各种器官的能动警觉性, 以避免放射事故的发生。不断完善硬件防护措施, 以弥补人的主观能动性的失误。

各种反馈系统在保障钴辐照装置的安全性能方面相互补充, 实现了"纵深防御、冗余性、多样性、独立性"的安全设计原则, 大大地降低了放射事故发生的概率。针对钴辐照装置运行中每一种可能出现的情况, 均设置了两种以上的独立的安全控制措施, 体现了"预防为主"的方针。

经多年来的运行, 钴辐照装置未出现任何事故。2000年通过了江苏省卫生、公安、环保等有关部门领导与专家组的论证和验收, 认为该钴辐照装置的安全控制系统可在省内中、小型钴辐照装置中进行示范。