姚小林

(1.西南交通大學(xué) 地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川 成都 610031；2.瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 瀘州 646000)

0　引言

鈷-60放射源輻照裝置在農(nóng)業(yè)、工業(yè)、醫(yī)學(xué)等方面有著廣泛的應(yīng)用[1-4]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，到目前為止我國輻照裝置有200余座，百萬居里以上的已有20多座[5-9]。鈷放射源在生產(chǎn)過程中一旦發(fā)生輻射事故將造成重大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)影響。

輻照裝置卡源故障是指放射源在放回貯源井過程中被卡住，無法正常放回設(shè)計(jì)的位置。這樣會(huì)導(dǎo)致被照射物品長(zhǎng)時(shí)間受輻照，溫度升高，可能引發(fā)火災(zāi)，導(dǎo)致輻射事故。因此卡源故障條件下輻照室內(nèi)的火災(zāi)危險(xiǎn)性是一個(gè)必須要關(guān)注的問題[10-12]。陳曦等[13]探討輻照室生產(chǎn)運(yùn)行期間可能發(fā)生的放射性物質(zhì)的泄漏，輻照室內(nèi)爆炸和火災(zāi)，并提出了相應(yīng)的；喬海濤等[14]對(duì)輻照裝置卡源故障引發(fā)的火災(zāi)進(jìn)行了分析，提出了一些處理建議；栗朝陽等[15]針對(duì)某卡源故障引起的火災(zāi)，分析了輻射性火災(zāi)的特點(diǎn)，輻射性火災(zāi)的起火原因，總結(jié)了輻射性火災(zāi)的防范救援措施。

相關(guān)研究人員對(duì)輻照室內(nèi)卡源故障情況下的輻射性火災(zāi)只作了定性的分析，沒有量化的結(jié)論。本文以典型的鈷-60懸掛鏈?zhǔn)捷椪帐覟檠芯繉?duì)象，選取輻照室內(nèi)最不利條件下，發(fā)生卡源故障時(shí)對(duì)室內(nèi)火災(zāi)危險(xiǎn)性運(yùn)用FDS火災(zāi)模擬軟件進(jìn)行數(shù)值模擬[16-17]，利用點(diǎn)著溫度測(cè)定儀測(cè)定常見易燃輻照物品的點(diǎn)著溫度，采用定性與定量分析，數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方式分析得出相應(yīng)結(jié)論?？ㄔ垂收蠗l件下，通過擬合溫度隨時(shí)間增長(zhǎng)曲線，能準(zhǔn)確得出不同火災(zāi)場(chǎng)景下輻照室內(nèi)典型輻照物品被點(diǎn)燃的時(shí)間。從而能夠可以定量的分析輻照室內(nèi)可能發(fā)生火災(zāi)的時(shí)間，確定火災(zāi)危險(xiǎn)性，為卡源故障采取相應(yīng)救援措施提供了時(shí)間參考。

1　輻照室模型的構(gòu)建

1.1　輻照室簡(jiǎn)介

本文選取典型的鈷-60懸掛鏈?zhǔn)捷椪帐覟檠芯繉?duì)象，輻照室位于地上一層，房間凈長(zhǎng)15 m，寬凈7 m，凈高4.6 m，混凝土墻體厚度為2 m。設(shè)有3個(gè)門，采用懸掛鏈?zhǔn)截浳镙斔头绞剑?個(gè)供吊具進(jìn)，1個(gè)供吊具出，1個(gè)供工作人員出入，沒有開窗，正常工作條件下設(shè)有通風(fēng)系統(tǒng)，建筑平面圖如圖1所示。放射源均勻放置在長(zhǎng)5.0 m，高2.0 m，厚0.1 m的源架上，架外包裹1 mm厚鋁板。

圖1　 輻照室建筑平面Fig.1　The plans of the irradiation room

1.2　輻照室火災(zāi)模型的構(gòu)建

1.2.1輻照室火災(zāi)危險(xiǎn)狀態(tài)判據(jù)分析

通過分析，輻照室在發(fā)生卡源故障情況下存在的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)主要有：貨物照射時(shí)間過長(zhǎng)，室內(nèi)溫度不斷上升，引燃室內(nèi)物品進(jìn)而引發(fā)火災(zāi)；室內(nèi)溫度不斷升高造成墻體等結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞。查閱國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)資料，混凝土墻體在溫度不超過300℃時(shí)，強(qiáng)度變化不明顯；溫度在600～700℃時(shí)，表面出現(xiàn)裂縫，強(qiáng)度下降較多；溫度達(dá)到在800～900℃時(shí)，混凝土構(gòu)件出現(xiàn)酥裂破壞，強(qiáng)度幾乎為零。而室內(nèi)易燃輻照物品的引燃溫度一般在150～300℃之間，遠(yuǎn)低于混凝土的失效溫度，因此輻照室火災(zāi)危險(xiǎn)狀態(tài)應(yīng)選擇室內(nèi)輻照物品的點(diǎn)著溫度作為判據(jù)。

1.2.2火災(zāi)模型

為了得到最不利條件下輻照室內(nèi)的火災(zāi)危險(xiǎn)性，文中的理論計(jì)算和數(shù)值模擬作了如下假設(shè)：

源被卡住，不能正常下降，放射源持續(xù)釋放熱量，相當(dāng)于點(diǎn)火源；通風(fēng)系統(tǒng)不能正常工作，排風(fēng)失效；輻照室進(jìn)出貨口堆滿物品，人的進(jìn)出口封閉，輻照室形成1個(gè)密閉空間。

本文采用了國內(nèi)外廣泛使用的FDS火災(zāi)模擬軟件對(duì)設(shè)定火災(zāi)場(chǎng)景進(jìn)行計(jì)算。設(shè)定計(jì)算區(qū)域內(nèi)外環(huán)境溫度均為20℃。壓力為1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，計(jì)算區(qū)域內(nèi)通風(fēng)系統(tǒng)失效,輻照室鋼筋混凝土墻體導(dǎo)熱系數(shù)K取0.72 W/m·k。一般火災(zāi)場(chǎng)景模擬時(shí)間為1 200 s左右，模擬時(shí)間過長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致計(jì)算時(shí)間增加，模擬結(jié)果數(shù)據(jù)所占存儲(chǔ)空間成倍增大，為了更為科學(xué)而有效的得出研究結(jié)果，本文火災(zāi)模擬時(shí)間設(shè)為21 600 s，F(xiàn)DS模型如圖2。

圖2　 輻照室FDS模型Fig.2　Model of FDS

1.2.3火災(zāi)場(chǎng)景

目前為止我國輻照裝置放射源活度在百萬居里以上的較為常見。根據(jù)源活度與發(fā)熱功率的關(guān)系，活度為1 000居里時(shí)發(fā)熱功率為15.4 W，本文設(shè)定了3種活度鈷-60放射源，設(shè)置了3組火災(zāi)場(chǎng)景進(jìn)行模擬計(jì)算，模型中溫度測(cè)點(diǎn)的具體坐標(biāo)如表1。

表1　各火災(zāi)場(chǎng)景溫度測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)位置

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，對(duì)1～6 h的FDS數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行線性擬合，判斷輻照室內(nèi)溫度是否能達(dá)到輻照物品的點(diǎn)著溫度及對(duì)達(dá)到點(diǎn)著溫度的時(shí)間進(jìn)行預(yù)測(cè)。采用線性擬合，擬合得出的時(shí)間結(jié)果比實(shí)際值小，結(jié)論偏保守，更加趨于安全。

1.3　輻照物品點(diǎn)著溫度測(cè)定

點(diǎn)著溫度又稱燃點(diǎn)，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T4610-2008 《塑料 熱空氣爐法點(diǎn)著溫度的測(cè)定》，采用DW-02型點(diǎn)著溫度測(cè)定儀對(duì)具有代表性的輻照物品進(jìn)行點(diǎn)著溫度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表2，相關(guān)實(shí)驗(yàn)圖片如圖3，圖4。

（1）管理不規(guī)范。在日常養(yǎng)殖工作中，未能配備相應(yīng)專業(yè)的消毒人員或者管理人員，致使養(yǎng)殖現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)臟、亂、差的問題，引發(fā)動(dòng)物疾病。

表2　點(diǎn)著溫度實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

圖3　實(shí)驗(yàn)前相關(guān)試樣Fig.3　Test sample

圖4　試樣加熱之前與加熱之后對(duì)比Fig.4　Comparison diagram before and after the test

2　數(shù)值模擬結(jié)果及分析

2.1　火災(zāi)場(chǎng)景A模擬結(jié)果分析

鈷-60放射源活度為100萬居里時(shí)，發(fā)熱功率為15.4 kW，考慮FDS模擬計(jì)算所需時(shí)間長(zhǎng)，模擬時(shí)間設(shè)置為6 h。溫度測(cè)點(diǎn)位于源架附近，輻照室內(nèi)各測(cè)點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化曲線如圖5。

圖5　各測(cè)點(diǎn)溫度變化曲線Fig.5　Temperature variety curve of every measure point

在0～1 h范圍內(nèi)，輻照室內(nèi)溫度上升較快，在卡源初期30 s內(nèi)，輻照室內(nèi)溫度能上升到40℃。在1～6 h范圍內(nèi)，隨著時(shí)間的的增長(zhǎng)，溫度逐漸上升，上升的速率慢慢放緩。從圖中可得出，1 h后溫度隨時(shí)間上升的曲線基本成線性增長(zhǎng)。2號(hào)測(cè)點(diǎn)溫度最高，火災(zāi)危險(xiǎn)性最大，對(duì)2號(hào)測(cè)點(diǎn)在1～6 h時(shí)間范圍內(nèi)溫度變化曲線進(jìn)行線性擬合，得到擬合直線如圖6，擬合公式為T=0.758 9t+45.816 7，輻照室內(nèi)點(diǎn)著溫度最低的物品為辣椒面，其點(diǎn)著溫度T為210℃，通過擬合公式算出達(dá)到其點(diǎn)著溫度的時(shí)間t為216.34 h，即為在此火災(zāi)場(chǎng)景條件下卡源故障發(fā)生9 d后室內(nèi)輻照物品有可能被引燃，進(jìn)而引發(fā)火災(zāi)。

圖6　2號(hào)測(cè)點(diǎn)溫度變化曲線Fig.6　Liner fitting curve of temperature for 2# measure point

2.2　火災(zāi)場(chǎng)景B模擬結(jié)果分析

火災(zāi)場(chǎng)景B為鈷-60放射源活度為200萬居里，發(fā)熱功率為30.8 kW，模擬時(shí)間設(shè)置為6 h。2個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)位于源架附近，所在高度不同，輻照室內(nèi)各測(cè)點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化曲線如圖7。

圖7　各測(cè)點(diǎn)溫度變化曲線Fig.7　Temperature variety curve of every measure point

在0～1 h范圍內(nèi)，輻照室內(nèi)溫度上升較快，在1～6 h范圍內(nèi)，隨著時(shí)間的的增長(zhǎng)，溫度逐漸上升，上升的速率慢慢放緩。2號(hào)測(cè)點(diǎn)溫度最高，對(duì)2號(hào)測(cè)點(diǎn)在1～6 h時(shí)間范圍內(nèi)溫度變化曲線進(jìn)行線性擬合，得到擬合直線如圖8，擬合公式為T=1.523 8t+64.097 6，通過擬合公式算出達(dá)到辣椒面點(diǎn)著溫度的時(shí)間t為95.75 h，也就說在卡源故障發(fā)生4 d后室內(nèi)輻照物品有被引燃的危險(xiǎn)，進(jìn)而引發(fā)火災(zāi)。

圖8　2號(hào)測(cè)點(diǎn)溫度變化曲線Fig.8　Liner fitting curve of temperature for 2# measure point

2.3　火災(zāi)場(chǎng)景C模擬結(jié)果分析

鈷-60放射源活度為300萬居里時(shí)，發(fā)熱功率為46.2 kW，模擬時(shí)間為6 h。輻照室內(nèi)各測(cè)點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化曲線如圖9。

圖9　各測(cè)點(diǎn)溫度變化曲線Fig.9　Temperature variety curve of every measure point

各測(cè)點(diǎn)溫度變化曲線規(guī)律和火災(zāi)場(chǎng)景B相似。2號(hào)測(cè)點(diǎn)溫度最高，火災(zāi)危險(xiǎn)性最大，對(duì)2號(hào)測(cè)點(diǎn)在1～6 h時(shí)間范圍內(nèi)溫度變化曲線進(jìn)行線性擬合，得到擬合直線如圖10，擬合公式為T=2.235 8t+80.661 0，輻照室內(nèi)點(diǎn)著溫度最低的物品為辣椒面，通過線性擬合公式算出達(dá)到其點(diǎn)著溫度的時(shí)間t為57.85 h，即在卡源故障發(fā)生2.4 d后室內(nèi)輻照物品有可能被引燃，進(jìn)而引發(fā)火災(zāi)。隨著放射源活度的增大，相應(yīng)發(fā)熱功率隨之增加，引燃輻照室內(nèi)可燃物需要的時(shí)間變短，火災(zāi)危險(xiǎn)性越大。

圖10　2號(hào)測(cè)點(diǎn)溫度變化曲線Fig.10　Liner fitting curve of temperature for 2# measure point

3　結(jié)論

1)輻照室內(nèi)常見典型輻照物品瓦楞紙、辣椒面、衛(wèi)生紙、紗布點(diǎn)著溫度通過試驗(yàn)測(cè)定分別為230℃，210℃，240℃，290℃，點(diǎn)著溫度較低，容易被引燃。

2)各火災(zāi)場(chǎng)景卡源初期1 h，溫度上升速率較快。隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，室內(nèi)溫度不斷上升，但上升速率逐漸放緩。通過對(duì)溫度值較高的2號(hào)測(cè)點(diǎn)在1～6 h時(shí)間范圍內(nèi)溫度變化曲線進(jìn)行線性擬合，得到了溫度與時(shí)間的關(guān)系表達(dá)式。由此推算可得，火災(zāi)場(chǎng)景A卡源故障發(fā)生9 d后，室內(nèi)局部溫度能達(dá)到210℃，有引燃輻照物品的危險(xiǎn)?；馂?zāi)場(chǎng)景B卡源故障發(fā)生4 d后，室內(nèi)輻照物品有可能被引燃?；馂?zāi)場(chǎng)景C卡源故障發(fā)生2.4 d后，室內(nèi)輻照物品有被引燃的危險(xiǎn)。

盡管卡源故障導(dǎo)致火災(zāi)的可能性小，但仍有可能發(fā)生。所以在發(fā)生卡源故障后，盡量移除室內(nèi)外可燃物，保證各進(jìn)出口暢通。通風(fēng)系統(tǒng)正常工作，降低室內(nèi)溫度，避免輻照物品被引燃而導(dǎo)致輻照事故。

[1]李德平，陳明峻. 使用密封放射源的裝置在設(shè)計(jì)與運(yùn)行中應(yīng)當(dāng)注意的一些安全問題[J].輻射防護(hù)，1985,5(3):161-168.

LI Deping, CHEN Mingjun.Safety considerations in design and operation of installations using sealed sources[J].Radiation Protection，1985,5(3):161-168.

[2]俞榮生. 13次倒裝鈷源的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)督及受照劑量控制對(duì)策[J].中國輻射衛(wèi)生，2001,10(3):133-134.

YU Rongsheng.Monitor in situ and personnel dose control in Cobalt- 60 source replenishment[J].Chinese Journal of Radiological Health，2001,10(3):133-134.

[3]鄭美揚(yáng)，金國華，沈根芳.60Co輻照室環(huán)境放射防護(hù)評(píng)價(jià)[J].核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù)，2010,30(9):1224-1225.

ZHENG Meiyang，JIN Guohua，SHEN Genfang.The radiation protection environmental assesment for 60Co irradiation room[J].Nuclear Electronics & Detection Technology，2010,30(9):1224-1225.

[4]王傳真.γ輻射裝置經(jīng)濟(jì)有效運(yùn)行若干問題[M].北京：北京原子能出版社,1997：2-5.

[5]劉海生，許獻(xiàn)洪，顧國興，等. 60Co輻照裝置的輻射防護(hù)監(jiān)測(cè)[J].同位素，2006,19(1):57-62.

LIU Haisheng, XU Xianhong, GU Guoxing, et al.The radiation protection assesment for 60co irradiation equipment[J].Journal of Isotopes，2006,19(1):57-62.

[6]史建君，趙小俊，付俊杰. 60Co輻照室增源后劑量場(chǎng)的劑量測(cè)定[J].核農(nóng)學(xué)報(bào)，1999,13(2):81-85.

SHI Jianjun，ZHAO Xiaojun，F(xiàn)U Junjie.Measurement of dose field after supplement source in 60co irradiation chamber[J].Acta Agriculturae Nucleatae Sinica，1999,13(2):81-85.

[7]葛良全,周四春.核輻射測(cè)量方法[M].成都:成都理工大學(xué)核技術(shù)與自動(dòng)化工程學(xué)院,2007：2-10.

[8]馬崇智.放射性同位素手冊(cè)[ M].北京:科學(xué)出版社,1979:394

[9]劉雄華,王正明.放射衛(wèi)生防護(hù)基本知識(shí)[M].武漢:武漢測(cè)繪科技大學(xué)出版社,1991: 82.

[10]范深根，張永祥，許昌恒. 60Co源輻照裝置安全技術(shù)措施和經(jīng)驗(yàn)[J].原子能科學(xué)技術(shù)，1989,23(3):88-93.

FAN Gensheng,ZHANG Yongxiang, XU Changheng.Safe technique and experience of 60Co irradiator[J].Atomic Energy Science and Technology，1989,23(3):88-93.

[11]李小華，唐朝.積分法評(píng)估60Co工業(yè)輻照裝置卡源事故劑量[J].核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù)，2016，36(1)：30-33.

LI Xiaohua,TANG Chao.Dose assessment of source locked accident in Cobalt-60 industry radiation facility based on integral method[J].Nuclear Electronics & Detection Technology，2016，36(1)：30-33.

[12]張之華，米向秒，李潤(rùn)東.CITP-Ⅱ輻照裝置的安全性及可行性研究[J].原子能科學(xué)技術(shù)，2014,48：410-414.

ZHANG Zhihua，MI Xiangmiao，LI Rundong.Safety and feasibility research of CITP-Ⅱ irradiation device[J].Atomic Energy Science and Technology，2014,48：410-414.

[13]陳曦，童寧. 輻照室潛在事故可能性及對(duì)策建議[J].人類工效學(xué)，2000,6(2):56-57.

CHEN Xi，TONG Ning.Research on problems and countermeasures of irradiation room[J].Chinese Journal of Ergonomics，2000,6(2):56-57.

[14]喬海濤, 李航, 涂興明. 輻照裝置火災(zāi)隱患分析及防治研究[J]中國輻射衛(wèi)生，2015,24(5):522-524.

QIAO Haitao，LI Hang，TU Xingming. Study on fire hidden trouble and countermeasures of Irradiation room[J].Chinese Journal of Radiological Health，2015,24(5):522-524.

[15]栗朝陽，孫紹玉，郭志新. 關(guān)于輻照企業(yè)輻射性火災(zāi)的幾點(diǎn)思考[J].消防科學(xué)與技術(shù)，2009,28(11):870-872.

[16]Korhonen T，H?stikka S，Heliovaara S，et al. Evacuation Module for Fire Dynamics Simulator[A]. Proceedings of the 11th International Conference on Fire Science and Engineering[C]. London,UK:2007:1443-1448.

[17]Korhonen T，H?stikka S，Heliovaara S，et al. Modeling Social Interactions in Fire Evacuation[A].Proceedings of the 7th International Conference on Performance-Based Codes and Fire Safety Design Methods[C]. MD, USA:2008: 241-250.