卡源故障下悬挂链式辐照室火灾危险性研究*

姚小林

(1.西南交通大学 地球科学与环境工程学院，四川 成都 610031；2.泸州职业技术学院，四川 泸州 646000)

0　引言

钴-60放射源辐照装置在农业、工业、医学等方面有着广泛的应用[1-4]。据不完全统计，到目前为止我国辐照装置有200余座，百万居里以上的已有20多座[5-9]。钴放射源在生产过程中一旦发生辐射事故将造成重大的经济和社会影响。

辐照装置卡源故障是指放射源在放回贮源井过程中被卡住，无法正常放回设计的位置。这样会导致被照射物品长时间受辐照，温度升高，可能引发火灾，导致辐射事故。因此卡源故障条件下辐照室内的火灾危险性是一个必须要关注的问题[10-12]。陈曦等[13]探讨辐照室生产运行期间可能发生的放射性物质的泄漏，辐照室内爆炸和火灾，并提出了相应的；乔海涛等[14]对辐照装置卡源故障引发的火灾进行了分析，提出了一些处理建议；栗朝阳等[15]针对某卡源故障引起的火灾，分析了辐射性火灾的特点，辐射性火灾的起火原因，总结了辐射性火灾的防范救援措施。

相关研究人员对辐照室内卡源故障情况下的辐射性火灾只作了定性的分析，没有量化的结论。本文以典型的钴-60悬挂链式辐照室为研究对象，选取辐照室内最不利条件下，发生卡源故障时对室内火灾危险性运用FDS火灾模拟软件进行数值模拟[16-17]，利用点着温度测定仪测定常见易燃辐照物品的点着温度，采用定性与定量分析，数值模拟和实验研究相结合的方式分析得出相应结论。卡源故障条件下，通过拟合温度随时间增长曲线，能准确得出不同火灾场景下辐照室内典型辐照物品被点燃的时间。从而能够可以定量的分析辐照室内可能发生火灾的时间，确定火灾危险性，为卡源故障采取相应救援措施提供了时间参考。

1　辐照室模型的构建

1.1　辐照室简介

本文选取典型的钴-60悬挂链式辐照室为研究对象，辐照室位于地上一层，房间净长15 m，宽净7 m，净高4.6 m，混凝土墙体厚度为2 m。设有3个门，采用悬挂链式货物输送方式，1个供吊具进，1个供吊具出，1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，建筑平面图如图1所示。放射源均匀放置在长5.0 m，高2.0 m，厚0.1 m的源架上，架外包裹1 mm厚铝板。

图1　 辐照室建筑平面Fig.1　The plans of the irradiation room

1.2　辐照室火灾模型的构建

1.2.1辐照室火灾危险状态判据分析

通过分析，辐照室在发生卡源故障情况下存在的火灾风险主要有：货物照射时间过长，室内温度不断上升，引燃室内物品进而引发火灾；室内温度不断升高造成墙体等结构构件的破坏。查阅国内外相关文献资料，混凝土墙体在温度不超过300℃时，强度变化不明显；温度在600～700℃时，表面出现裂缝，强度下降较多；温度达到在800～900℃时，混凝土构件出现酥裂破坏，强度几乎为零。而室内易燃辐照物品的引燃温度一般在150～300℃之间，远低于混凝土的失效温度，因此辐照室火灾危险状态应选择室内辐照物品的点着温度作为判据。

1.2.2火灾模型

为了得到最不利条件下辐照室内的火灾危险性，文中的理论计算和数值模拟作了如下假设：

源被卡住，不能正常下降，放射源持续释放热量，相当于点火源；通风系统不能正常工作，排风失效；辐照室进出货口堆满物品，人的进出口封闭，辐照室形成1个密闭空间。

本文采用了国内外广泛使用的FDS火灾模拟软件对设定火灾场景进行计算。设定计算区域内外环境温度均为20℃。压力为1个标准大气压，计算区域内通风系统失效,辐照室钢筋混凝土墙体导热系数K取0.72 W/m·k。一般火灾场景模拟时间为1 200 s左右，模拟时间过长会导致计算时间增加，模拟结果数据所占存储空间成倍增大，为了更为科学而有效的得出研究结果，本文火灾模拟时间设为21 600 s，FDS模型如图2。

图2　 辐照室FDS模型Fig.2　Model of FDS

1.2.3火灾场景

目前为止我国辐照装置放射源活度在百万居里以上的较为常见。根据源活度与发热功率的关系，活度为1 000居里时发热功率为15.4 W，本文设定了3种活度钴-60放射源，设置了3组火灾场景进行模拟计算，模型中温度测点的具体坐标如表1。

表1　各火灾场景温度测点坐标位置

根据数值模拟结果，对1～6 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对达到点着温度的时间进行预测。采用线性拟合，拟合得出的时间结果比实际值小，结论偏保守，更加趋于安全。

1.3　辐照物品点着温度测定

点着温度又称燃点，根据国家标准GB/T4610-2008 《塑料 热空气炉法点着温度的测定》，采用DW-02型点着温度测定仪对具有代表性的辐照物品进行点着温度测试，测试结果如表2，相关实验图片如图3，图4。

（1）管理不规范。在日常养殖工作中，未能配备相应专业的消毒人员或者管理人员，致使养殖现场出现脏、乱、差的问题，引发动物疾病。

表2　点着温度实验测试结果

图3　实验前相关试样Fig.3　Test sample

图4　试样加热之前与加热之后对比Fig.4　Comparison diagram before and after the test

2　数值模拟结果及分析

2.1　火灾场景A模拟结果分析

钴-60放射源活度为100万居里时，发热功率为15.4 kW，考虑FDS模拟计算所需时间长，模拟时间设置为6 h。温度测点位于源架附近，辐照室内各测点温度随时间变化曲线如图5。

图5　各测点温度变化曲线Fig.5　Temperature variety curve of every measure point

在0～1 h范围内，辐照室内温度上升较快，在卡源初期30 s内，辐照室内温度能上升到40℃。在1～6 h范围内，随着时间的的增长，温度逐渐上升，上升的速率慢慢放缓。从图中可得出，1 h后温度随时间上升的曲线基本成线性增长。2号测点温度最高，火灾危险性最大，对2号测点在1～6 h时间范围内温度变化曲线进行线性拟合，得到拟合直线如图6，拟合公式为T=0.758 9t+45.816 7，辐照室内点着温度最低的物品为辣椒面，其点着温度T为210℃，通过拟合公式算出达到其点着温度的时间t为216.34 h，即为在此火灾场景条件下卡源故障发生9 d后室内辐照物品有可能被引燃，进而引发火灾。

图6　2号测点温度变化曲线Fig.6　Liner fitting curve of temperature for 2# measure point

2.2　火灾场景B模拟结果分析

火灾场景B为钴-60放射源活度为200万居里，发热功率为30.8 kW，模拟时间设置为6 h。2个温度测点位于源架附近，所在高度不同，辐照室内各测点温度随时间变化曲线如图7。

图7　各测点温度变化曲线Fig.7　Temperature variety curve of every measure point

在0～1 h范围内，辐照室内温度上升较快，在1～6 h范围内，随着时间的的增长，温度逐渐上升，上升的速率慢慢放缓。2号测点温度最高，对2号测点在1～6 h时间范围内温度变化曲线进行线性拟合，得到拟合直线如图8，拟合公式为T=1.523 8t+64.097 6，通过拟合公式算出达到辣椒面点着温度的时间t为95.75 h，也就说在卡源故障发生4 d后室内辐照物品有被引燃的危险，进而引发火灾。

图8　2号测点温度变化曲线Fig.8　Liner fitting curve of temperature for 2# measure point

2.3　火灾场景C模拟结果分析

钴-60放射源活度为300万居里时，发热功率为46.2 kW，模拟时间为6 h。辐照室内各测点温度随时间变化曲线如图9。

图9　各测点温度变化曲线Fig.9　Temperature variety curve of every measure point

各测点温度变化曲线规律和火灾场景B相似。2号测点温度最高，火灾危险性最大，对2号测点在1～6 h时间范围内温度变化曲线进行线性拟合，得到拟合直线如图10，拟合公式为T=2.235 8t+80.661 0，辐照室内点着温度最低的物品为辣椒面，通过线性拟合公式算出达到其点着温度的时间t为57.85 h，即在卡源故障发生2.4 d后室内辐照物品有可能被引燃，进而引发火灾。随着放射源活度的增大，相应发热功率随之增加，引燃辐照室内可燃物需要的时间变短，火灾危险性越大。

图10　2号测点温度变化曲线Fig.10　Liner fitting curve of temperature for 2# measure point

3　结论

1)辐照室内常见典型辐照物品瓦楞纸、辣椒面、卫生纸、纱布点着温度通过试验测定分别为230℃，210℃，240℃，290℃，点着温度较低，容易被引燃。

2)各火灾场景卡源初期1 h，温度上升速率较快。随着时间的增长，室内温度不断上升，但上升速率逐渐放缓。通过对温度值较高的2号测点在1～6 h时间范围内温度变化曲线进行线性拟合，得到了温度与时间的关系表达式。由此推算可得，火灾场景A卡源故障发生9 d后，室内局部温度能达到210℃，有引燃辐照物品的危险。火灾场景B卡源故障发生4 d后，室内辐照物品有可能被引燃。火灾场景C卡源故障发生2.4 d后，室内辐照物品有被引燃的危险。

尽管卡源故障导致火灾的可能性小，但仍有可能发生。所以在发生卡源故障后，尽量移除室内外可燃物，保证各进出口畅通。通风系统正常工作，降低室内温度，避免辐照物品被引燃而导致辐照事故。

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