卡源故障下懸掛鏈式輻照室火災危險性研究*

姚小林

(1.西南交通大學 地球科學與環境工程學院，四川 成都 610031；2.瀘州職業技術學院，四川 瀘州 646000)

0　引言

鈷-60放射源輻照裝置在農業、工業、醫學等方面有著廣泛的應用[1-4]。據不完全統計，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]。鈷放射源在生產過程中一旦發生輻射事故將造成重大的經濟和社會影響。

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，無法正常放回設計的位置。這樣會導致被照射物品長時間受輻照，溫度升高，可能引發火災，導致輻射事故。因此卡源故障條件下輻照室內的火災危險性是一個必須要關注的問題[10-12]。陳曦等[13]探討輻照室生產運行期間可能發生的放射性物質的泄漏，輻照室內爆炸和火災，并提出了相應的；喬海濤等[14]對輻照裝置卡源故障引發的火災進行了分析，提出了一些處理建議；栗朝陽等[15]針對某卡源故障引起的火災，分析了輻射性火災的特點，輻射性火災的起火原因，總結了輻射性火災的防范救援措施。

相關研究人員對輻照室內卡源故障情況下的輻射性火災只作了定性的分析，沒有量化的結論。本文以典型的鈷-60懸掛鏈式輻照室為研究對象，選取輻照室內最不利條件下，發生卡源故障時對室內火災危險性運用FDS火災模擬軟件進行數值模擬[16-17]，利用點著溫度測定儀測定常見易燃輻照物品的點著溫度，采用定性與定量分析，數值模擬和實驗研究相結合的方式分析得出相應結論。卡源故障條件下，通過擬合溫度隨時間增長曲線，能準確得出不同火災場景下輻照室內典型輻照物品被點燃的時間。從而能夠可以定量的分析輻照室內可能發生火災的時間，確定火災危險性，為卡源故障采取相應救援措施提供了時間參考。

1　輻照室模型的構建

1.1　輻照室簡介

本文選取典型的鈷-60懸掛鏈式輻照室為研究對象，輻照室位于地上一層，房間凈長15 m，寬凈7 m，凈高4.6 m，混凝土墻體厚度為2 m。設有3個門，采用懸掛鏈式貨物輸送方式，1個供吊具進，1個供吊具出，1個供工作人員出入，沒有開窗，正常工作條件下設有通風系統，建筑平面圖如圖1所示。放射源均勻放置在長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　輻照室火災模型的構建

1.2.1輻照室火災危險狀態判據分析

通過分析，輻照室在發生卡源故障情況下存在的火災風險主要有：貨物照射時間過長，室內溫度不斷上升，引燃室內物品進而引發火災；室內溫度不斷升高造成墻體等結構構件的破壞。查閱國內外相關文獻資料，混凝土墻體在溫度不超過300℃時，強度變化不明顯；溫度在600～700℃時，表面出現裂縫，強度下降較多；溫度達到在800～900℃時，混凝土構件出現酥裂破壞，強度幾乎為零。而室內易燃輻照物品的引燃溫度一般在150～300℃之間，遠低于混凝土的失效溫度，因此輻照室火災危險狀態應選擇室內輻照物品的點著溫度作為判據。

1.2.2火災模型

為了得到最不利條件下輻照室內的火災危險性，文中的理論計算和數值模擬作了如下假設：

源被卡住，不能正常下降，放射源持續釋放熱量，相當于點火源；通風系統不能正常工作，排風失效；輻照室進出貨口堆滿物品，人的進出口封閉，輻照室形成1個密閉空間。

本文采用了國內外廣泛使用的FDS火災模擬軟件對設定火災場景進行計算。設定計算區域內外環境溫度均為20℃。壓力為1個標準大氣壓，計算區域內通風系統失效,輻照室鋼筋混凝土墻體導熱系數K取0.72 W/m·k。一般火災場景模擬時間為1 200 s左右，模擬時間過長會導致計算時間增加，模擬結果數據所占存儲空間成倍增大，為了更為科學而有效的得出研究結果，本文火災模擬時間設為21 600 s，FDS模型如圖2。

圖2　 輻照室FDS模型Fig.2　Model of FDS

1.2.3火災場景

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。根據源活度與發熱功率的關系，活度為1 000居里時發熱功率為15.4 W，本文設定了3種活度鈷-60放射源，設置了3組火災場景進行模擬計算，模型中溫度測點的具體坐標如表1。

表1　各火災場景溫度測點坐標位置

根據數值模擬結果，對1～6 h的FDS數值模擬結果進行線性擬合，判斷輻照室內溫度是否能達到輻照物品的點著溫度及對達到點著溫度的時間進行預測。采用線性擬合，擬合得出的時間結果比實際值小，結論偏保守，更加趨于安全。

1.3　輻照物品點著溫度測定

點著溫度又稱燃點，根據國家標準GB/T4610-2008 《塑料 熱空氣爐法點著溫度的測定》，采用DW-02型點著溫度測定儀對具有代表性的輻照物品進行點著溫度測試，測試結果如表2，相關實驗圖片如圖3，圖4。

（1）管理不規范。在日常養殖工作中，未能配備相應專業的消毒人員或者管理人員，致使養殖現場出現臟、亂、差的問題，引發動物疾病。

表2　點著溫度實驗測試結果

圖3　實驗前相關試樣Fig.3　Test sample

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

2　數值模擬結果及分析

2.1　火災場景A模擬結果分析

鈷-60放射源活度為100萬居里時，發熱功率為15.4 kW，考慮FDS模擬計算所需時間長，模擬時間設置為6 h。溫度測點位于源架附近，輻照室內各測點溫度隨時間變化曲線如圖5。

圖5　各測點溫度變化曲線Fig.5　Temperature variety curve of every measure point

在0～1 h范圍內，輻照室內溫度上升較快，在卡源初期30 s內，輻照室內溫度能上升到40℃。在1～6 h范圍內，隨著時間的的增長，溫度逐漸上升，上升的速率慢慢放緩。從圖中可得出，1 h后溫度隨時間上升的曲線基本成線性增長。2號測點溫度最高，火災危險性最大，對2號測點在1～6 h時間范圍內溫度變化曲線進行線性擬合，得到擬合直線如圖6，擬合公式為T=0.758 9t+45.816 7，輻照室內點著溫度最低的物品為辣椒面，其點著溫度T為210℃，通過擬合公式算出達到其點著溫度的時間t為216.34 h，即為在此火災場景條件下卡源故障發生9 d后室內輻照物品有可能被引燃，進而引發火災。

圖6　2號測點溫度變化曲線Fig.6　Liner fitting curve of temperature for 2# measure point

2.2　火災場景B模擬結果分析

火災場景B為鈷-60放射源活度為200萬居里，發熱功率為30.8 kW，模擬時間設置為6 h。2個溫度測點位于源架附近，所在高度不同，輻照室內各測點溫度隨時間變化曲線如圖7。

圖7　各測點溫度變化曲線Fig.7　Temperature variety curve of every measure point

在0～1 h范圍內，輻照室內溫度上升較快，在1～6 h范圍內，隨著時間的的增長，溫度逐漸上升，上升的速率慢慢放緩。2號測點溫度最高，對2號測點在1～6 h時間范圍內溫度變化曲線進行線性擬合，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到辣椒面點著溫度的時間t為95.75 h，也就說在卡源故障發生4 d后室內輻照物品有被引燃的危險，進而引發火災。

圖8　2號測點溫度變化曲線Fig.8　Liner fitting curve of temperature for 2# measure point

2.3　火災場景C模擬結果分析

鈷-60放射源活度為300萬居里時，發熱功率為46.2 kW，模擬時間為6 h。輻照室內各測點溫度隨時間變化曲線如圖9。

圖9　各測點溫度變化曲線Fig.9　Temperature variety curve of every measure point

各測點溫度變化曲線規律和火災場景B相似。2號測點溫度最高，火災危險性最大，對2號測點在1～6 h時間范圍內溫度變化曲線進行線性擬合，得到擬合直線如圖10，擬合公式為T=2.235 8t+80.661 0，輻照室內點著溫度最低的物品為辣椒面，通過線性擬合公式算出達到其點著溫度的時間t為57.85 h，即在卡源故障發生2.4 d后室內輻照物品有可能被引燃，進而引發火災。隨著放射源活度的增大，相應發熱功率隨之增加，引燃輻照室內可燃物需要的時間變短，火災危險性越大。

圖10　2號測點溫度變化曲線Fig.10　Liner fitting curve of temperature for 2# measure point

3　結論

1)輻照室內常見典型輻照物品瓦楞紙、辣椒面、衛生紙、紗布點著溫度通過試驗測定分別為230℃，210℃，240℃，290℃，點著溫度較低，容易被引燃。

2)各火災場景卡源初期1 h，溫度上升速率較快。隨著時間的增長，室內溫度不斷上升，但上升速率逐漸放緩。通過對溫度值較高的2號測點在1～6 h時間范圍內溫度變化曲線進行線性擬合，得到了溫度與時間的關系表達式。由此推算可得，火災場景A卡源故障發生9 d后，室內局部溫度能達到210℃，有引燃輻照物品的危險。火災場景B卡源故障發生4 d后，室內輻照物品有可能被引燃。火災場景C卡源故障發生2.4 d后，室內輻照物品有被引燃的危險。

盡管卡源故障導致火災的可能性小，但仍有可能發生。所以在發生卡源故障后，盡量移除室內外可燃物，保證各進出口暢通。通風系統正常工作，降低室內溫度，避免輻照物品被引燃而導致輻照事故。

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