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大型钴源辐照装置技术创新与产业化


  彭伟

  (北京三强核力辐射工程技术有限公司,北京100037)


  摘要:围绕大型钴源辐照装置在工艺、控制、安全、运行管理等方面的技术创新和如何推进大型钴源辐照装置的产业化进行探讨,重点描述了怎么进行技术创新和产业化推进,简述了青年应该在技术创新与产业化实践中发挥积极作用。

  关键词:大型钴源装置;辐照装置;辐射防护;安全联锁系统

  1概述

  据不完全统计,全世界现有大型钴源辐照装置210多座,总装源量超过9.25×1018Bq(2.5亿Ci)。美国已设计建造了装源能力超过3.7×1017贝可(1000万Ci)的大型辐射灭菌装置。国外大型辐照装置的特点主要是大型化、专业化、高度机械化、高度自动化、高运行率。

  近10多年来,我国辐射加工有了长足的进步,据不完全统计,目前我国正在运行和使用的各类y辐照装置150多座,可以商用的工业y辐照装置设计装源能力1.11×1016Bq(30万Ci)以上的约101座,此外还有多座新装置正在建设中,总设计装源能力已超过3.7×1018Bq(1亿Ci),实际装源超过1.48×1018Bq(4000万Ci)。近几年国产工业辐照装置的建设发展很快,目前最大设计装源能力已达1.85×1017Bq(500万Ci)。去年我国又出口了1台设计装源能力为2.22×1017Bq(600万Ci)的大型钻源辐照装置,该装置已经通过验收现已实际装源7.4×1016Bq(200万Ci)且运行良好近年来我国辐照装置从数量上、技术上和管理上都取得了非常大的进步,尽管在某些技术细节和运行管理上还与国外存在一定的差异,但总体上说我国的钻源辐照装置已经处于国际先进水平并已经成为国际认可的供货商。现在我就结合我公司和我个人的情况谈谈我们如何根据中国的实际国情并结合国际先进技术进行不断的技术创新,改进设计和管理,使我们的装置达到国际先进水平,在国内外市场竞争中占有一席之地的。

  2先进的装置需要创新

  要保持辐照装置的先进性,技术上就需要创新,并不断创新。多年来,我们直注意我们的装置与国际上先进装置的差异,关注我们已建成运行的装置存在什么题,并且时刻留意市场的需要,在此基础上我们对装置进行不断改进、不断创新、不断完善,这样才保证了我们装置始终处于国内外的先进水平。

  2.1优化辐射防护设计

  钴源辐照装置的辐射防护设计一般采用标准或相关手册推荐的经验计算公式计算即可,我们最早也是采用这样的方法但这样的方法,需要进行大量繁琐和重复的计算,并且很容易出错。针对以上弊端,我们设计了自己的辐射防护软件,可以很方便快速的计算出各项数据。比如迷道的计算,采用手算,需要大概1周时间才能完成,但采用计算软件1天即可完成。在此基础上,我们还广泛的应用蒙特卡罗和点核积分方法和程序(如MCNP、QAD等)进行辐射防护的优化和校算。

  2.2完善安全联锁系统

  由于放射性的原因,安全联锁系统对于辐照装置来说是至关重要的。许多事故的发生都是由于安全联锁系统不完善或者功能不全造成的。同时国家监管部门也对辐照装置的安全联锁系统提出了一系列要求。我们在装置的设计中,始终把安全联锁系统的设计和完善放在很高的位置上,最大程度上确保装置的运行安全。我们在实际中对安全联锁的技术创新主要体现在适当增加一些能对安全起关键作用的安全设备和完善已有成熟设备。这样的技术创新有很多,下面是两个简单的例子:

  例一:在水井底部增加一个水下摄像头,该摄像头置于贮源井的远离源架的个角落,离源架的距离一般可以大于三米且有水作为辐射防护屏蔽实体,因此,不必再对摄像头采取特殊的屏蔽措施,只需要对其进行防水处理即可,而普通水下摄像头的技术是非常成熟的,价格也是比较低廉的。安装摄像头后,操作人员每次进入辐照室之前可以很清晰直观的看到源架是否完全位于贮存位置,起到很好的安全作用。当然还可以对其进行进一步的设计如设计成可以控制摄像头的角度和高度这样还可以为紧急情况发生时提供一个观察源架位置的途径

  例二:对于辐照室屋顶设有进源孔的辐照装置,监管部门与国家标准都明确要求其屏蔽塞应该与源的升降联锁,以便在防护塞被卸下的情况下不能进行升源探作。而现在大多数情况是在辐照室天花板设有信号探测屏蔽塞是否就位,然而实际上的屏蔽塞通常由两块或三块组成的,为了充分保证屏蔽塞的完整性,我们还在辐照室屋顶上设置探测信号以监测是否所有屏蔽塞就位,这样才能充分达到对屏蔽塞控制的目的。

  2.3选择合适的辐照工艺

  辐照工艺需要考虑的方面非常多,首先要考虑的是源架、过源机械以及货箱的设计,这是决定辐照装置性能的关键。对此,我们开发了辐照装置剂量计算软件可以很方便的计算出各种模式下的产量、剂量不均匀度、能量利用率、产品内的剂量分布情况、辐照时间等参数,对于不同的客户需要,我们进行详细的计算以确定最适合的设计,比如源架与货箱的关系,源架与辐照工位的关系等。

  输送系统的选择对于大型钴源辐照装置是非常重要的,其运行的好坏直接决定着装置的最终运行效率。我们现在采取的输送系统一般是电动悬挂链与气动悬挂过源相结合的形式,该系统经过多年的运行证明是十分适合于当今我国的钴源辐照装置的。但随着市场的变化,越来越多的食品和其他高密度产品加入辐照的行列,悬挂系统承重差的弱点也开始暴露,在此情况下,我们很早就着手了辊道输送系统的研发并进行了一系列的试验,现已成功的将其应用在杭州某辐照装置的设计中大多钴源辐照装置的过源机械的驱动系统位于辐照室的内部即过源机械的顶部,这样的设置不仅由于辐射导致驱动系统的频繁损坏,同时过源机械顶部空间有限给维修工作带来不便。因此,我们在最新的设计中将过源机械的驱动系统全部放置在辐照室屋顶上的房间内,通过传动装置来驱动过源机械确定采取什么样的方式和路线将放射源从辐照室外运输到贮源井内也是需要慎重考虑的。对此,国内通常采取的有两种模式:一种是顺辐照室迷道采取人工的方式将源罐推到辐照室,在辐照室内采用手拉葫芦将源罐转移到贮源井里;另一种是在辐照室顶部开设一个进源孔并设置2~3块屏蔽塞,通过进源间内的固定葫芦直接将源罐输送到贮源井底部。我们采用的都是后者,主要考虑的因素是后者的操作能够减少人员的受照剂量并能减小事故发生的概率。

  2.4改进控制系统和软件

  控制系统的先进程度决定了装置的先进程度,控制系统能在很大程度上决定装置的安全正常运行。现在采用PLC可编程逻辑控制器的技术已经比较成熟。在大的功能方面,大型钴源辐照装置的控制系统也是比较完善了,但是在细节上还有许多需要改进的地方。

  比如以前安全联锁系统中大部分安全触点采取的是常开信号,即:安全时触点断开,而危险时触点闭合。这样的设计能够延长触点的使用寿命和节约能源,是符合普通控制原理的,但其削弱了安全的功能,比如出现了触点损坏和线路断路的情况下则不能发挥应有的报警功能,这样是不利于辐照装置的安全运行的。因此,我们将安全联锁系统的相关触点均改为常闭信号便克服了以上的不足。

  控制软件(SCADA)通常采用组态软件编制,国内采用的大多是国产二次开发的组态软件,在这样的软件基础上进行应用软件的编制比较简单并且很容易获得相关的技术支持,但这种应用软件有其先天的不足,不是国际通用的软件,不利于辐照装置的国际化,为了装置的国际化推广,我们采用了国际通用软件Win CC开发了全新的控制软件,得到了国外用户和专家的好评。

  3先进的运行管理

  对于装置使用者来说,不仅需要先进的装置,同时也需要先进的运行管理先进的运行管理首先应该确定管理运行模式,在确定好管理运行模式的基础上为了提高运行管理的效率和节约管理成本还应该编制生产控制管理软件实现网络化的管理,该生产控制软件是根据用户的管理运行模式的要求进行编制的,但其主要包括以下主要内容:待辐照产品信息的收集和处理(市场部),确定待辐照产品的辐照参数(质量部),生产任务的计划调度和下达(计划调度部),装卸产品的信息收集与验证(装卸料处),与辐照装置控制系统的连接(包括向控制系统传递辐照参数和接受反馈的加工信息),对加工信息进行汇总和处理并生成完整的产品加工报告(市场部),对辐照装置的远程管理与监控(经理)。

  管理者可以在该生产控制软件上给各种人员以特定的权限,这些赋予权限的人员必须使用给定的用户和自设的密码登陆系统后才能进行相关操作,同时所有的操作都能被实时记录,这就保证了运行管理的可追溯性。

  4专利

  申请专利是保护技术创新和维护专利所有人合法权益的重要手段,因此,在进行技术创新的同时不能忽视了专利的申请。近几年,我们共申请获得了6项专利主要涉及源架、装卸料站、长杆工具、全过程条码监控、过源机械等方面,这不仅保护了权益,也是对技术创新的肯定。

  5产业化推进

  首先,我们始终坚持以市场为导向研发我们的装置,市场有什么需求,我们就努力的满足这个需求。在2000年之前,许多国际大型医疗用品的生产制造单位将工厂建立在中国,但他们在中国找不到合适的辐照装置进行辐照消毒处理,便把生产好的产品送到美国、澳大利亚和东南亚等地区进行辐照。我们便是瞄准了这一市场需求,开发出了符合国际要求的SQ(H)安全高效多功能大型工业钴源辐照装置并在苏州投入运行,该装置很快便获得了TUV认证,也就获得了大量的辐照订单。在此基础上,我们在短短几年的时间内就将该类型装置推广到无锡、南通、张家港、苏州、兰州、北京、天津、南京、杭州以及泰国等地,总设计装源能力达1.35×10Bq(3650万C),已经成为中国大型钻源辐照装置的主流。

  当然,在产业化推进,我们并不满足现状,始终将市场和技术创新结合起来以技术创新来满足市场的需要,在这个过程中比较典型的就是开发了具有国际先进水平的条码管理监控系统和自动换层装置,使我们的装置大大减少了人为因素的影响和生产的可追溯性,得到了用户和相关认证机构的高度评价。

  产业化的推进还应该借助各种机会来对装置进行宣传,这包括参加各种专业的会议以及进行访问等。我们就先后组团参加了多届国际辐射加工大会(MRP),并于2006年在吉隆坡召开的14届国际辐射加工大会上以大会报告的形式向与会代表详细介绍了我们开发的SQ(H)型大型工业钻源辐照装置的性能和设计特点,受到国内外专家的广泛关注。

  产业化推进的另外一个重要因素是要放眼世界,紧盯国际辐射加工和辐照装置的发展趋势,在这方面我们是通过对国外辐照装置的访问和与相关国家专家的交流来实现的。

  产业化的推进还应该借助国家相关部门和行业协会的力量。积极申请各种专项资金,参加行业协会的相关认证等,我们在去年和今年就分别获得了中国同位素与辐射行业协会颁发的《行业认证合格企业》和《辐射加工产业化推进奖优秀集体》的称号,这些也能起动很好的产业化推进作用

  6青年应在技术创新和产业化

  推进中发挥积极作用辐射行业作为一个特殊的行业,由于历史的原因,在人员上出现了青黄不接的情况,这就要求我们青年在技术创新和产业化推进中发挥积极的作用。现在仍然有许多老同志活跃在工作岗位上,这对于我们青年来说是一个很好的也是很难得的学习机会。我们青年应该在老同志的带领下,充分吸收老同志的宝贵经验,积极主动的在技术创新和产业化推进中发挥作用,并逐渐承担起主导作用。

  青年的思维是非常活跃、开放的,接受新鲜事物快,又具有计算机应用、外语水平较高等有利条件,我们青年在技术创新中大有用武之地,应成为技术创新的生力军,为推动我国辐射加工产业化发挥更大的作用。■

  参考文献

  1.GB17568-1998.y辐照装置设计建造和使用规范.北京,1999

  2.赵文彦,潘秀苗主编.辐射加工技术及其应用.北京:兵器工业出版社,2003

  3.IAEA Safety Series No107.Y和电子加速器辐照装置的辐射安全,维也纳.1992

  4.国务院令第449号.放射性同位素与射线装置安全和防护条例.北京2005

  5.中国同位素与辐射行业协会,信息与交流一四届四次理事会议专刊.北京.2007

  6.Wang Chuanzhen,Zhang Hehu,Peng Wei.Safety,Good-efficiency and Multi-function,SQ(H)-Type Industrial Cobalt-60 Y Irradiator.IMRP 14th.Kuala Lumpur.2006



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