Thiết kế chế tạo các hệ công nghệ chính cho máy chiếu xạ công nghiệp nguồn cobalt - 60

Nội dung text: Thiết kế chế tạo các hệ công nghệ chính cho máy chiếu xạ công nghiệp nguồn cobalt - 60

1. THIẾT KẾ CHẾ TẠO CÁC HỆ CÔNG NGHỆ CHÍNH CHO MÁY CHIẾU XẠ CÔNG NGHIỆP NGUỒN COBALT - 60 Trần Danh Vũ1, PGS.TS Lê Hiếu Giang2, ThS. Lê Minh Tuấn3 1. Học viên cao học ngành kỹ thuật cơ khí 2. Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TP. HCM 3. Trung tâm Nghiên cứu và Triển khai Công nghệ bức xạ Tp.HCM TÓM TẮT Ứng dụng công nghệ bức xạ là một trong các ứng dụng thành công nhất của ngành hạt nhân nước ta đóng góp vào nền kinh tế đất nước. Chiếu xạ khử trùng các vật phẩm y tế và thanh trùng hàng thực phẩm đã phát triển thành một ngành với quy mô công nghiệp. Hiện nay, ở nước ta các máy chiếu xạ công nghiệp nguồn cobalt-60 đều hoàn toàn nhập ngoại. Vấn đề nội địa hóa, tiến tới tự sản xuất các máy chiếu xạ công nghiệp nguồn cobalt-60 là nhiệm vụ đặt ra đối với các cơ sở nghiên cứu và ứng dụng công nghệ chiếu xạ vừa có trình độ khoa học, kỹ thuật và kinh nghiệm vận hành. Trong bài báo này, việc thiết kết chế tạo các hệ công nghệ chính cho máy chiếu xạ công nghiệp nguồn cobalt - 60 được nghiên cứu rõ. ABSTRACT Application of radiation technology is one of the most successful applications of our country's nuclear industry to contribute to the country economy. Radiation sterilization of medical items and food pasteurization has developed into an industrial-scale industry. Since the goal of sustainable development, preserving the environment, improving human living conditions, irradiation technology using ionizing sources are widely used in the world and in Southeast Asia. Currently, in our country the industrial irradiation plant sources of cobalt-60 are fully imported. Proceed to self-manufacture of industrial radiation sources of cobalt-60 is the task set for the basis of research and application of irradiation technology has highly qualified scientists, technicians, and operational experience. This paper presents designing (manufacturing) major technology systems of cobalt irradiation - 60 is researched. Keywords: Tote-box product transportation, irradiator, cobalt-60, density, dose uniformity ratio. 1
2. I. Đặt vấn đề Theo số liệu chúng tôi có được, Máy chiếu xạ công nghiệp nguồn Cobalt-60 được ứng dụng vào Việt Nam bắt đầu năm 1991 với mục đích ban đầu là chiếu xạ bảo quản thực phẩm. Đến năm 1999, máy chiếu xạ thứ 2 được đưa vào hoạt động với mục đích ban đầu là chiếu xạ khử trùng dụng cụ y tế như găng tay phẫu thuật, bông, băng, gạc; các lọai thuốc đông nam dược và thanh trùng thực phẩm. Sau 5 năm hoạt động thành công của Máy chiếu xạ thứ 2, các công ty tư nhân đã xây dựng, lắp đặt các Máy chiếu xạ khác với tốc độ nhanh. Bảng 1 đưa ra móc thời gian, hoạt độ nguồn và mục đích của các Máy chiếu xạ để chúng ta có cái nhìn tổng quát sự phát triển của các Máy chiếu xạ ở Việt Nam. Bảng 1: Các thiết bị chiếu xạ công nghiệp ở Việt Nam hiện tại Tên công ty Năm Tên máy và Mục đích ban Sở Nước Vị trí đặt thành hoạt độ ban đầu hữu sản xuất máy lập đầu Trung tâm 1991 Máy chiếu xạ Bảo quản thực Nhà Liên xô Hà Nội chiếu xạ Hà nguồn Cobalt- phẩm, ức chế nước Nội 60, 107 kCi nẩy mầm rau củ quả Trung tâm 3/1999 Máy chiếu xạ Dụng cụ y tế, Nhà Hungary Tp. HCM Nghiên cứu nguồn Cobalt- đông nam dược nước và Phát triển 60, 400 kCi và thực phẩm Công nghệ bức xạ Công ty 7/2004 Máy chiếu xạ Thanh trùng Tư Hoa kỳ Tp. HCM TNHH Sơn 10/2006 nguồn tia X thực phẩm và nhân Sơn được chuyển rau quả đổi từ máy gia tốc, 5 MeV- 120 kW; 5 MeV-120kW Công ty cổ 5/2005 Máy chiếu xạ Dụng cụ y tế, Đa Hungary Bình phần An Phú nguồn Cobalt- đông nam dược sở Dương 60, 500 kCi và thực phẩm hữu Công ty cổ 6/2006 Máy chiếu xạ Dụng cụ y tế, Đa Hungary Bình phần An Phú nguồn Cobalt- đông nam dược sở Dương 60, 500 kCi và thực phẩm hữu Tập đoàn 3/2009 Máy chiếu xạ Dụng cụ y tế, Tư Hungary Cần Thơ 2
3. Thái Sơn nguồn Cobalt- đông nam dược nhân 60, 800kCi và thực phẩm Công ty cổ 9/2011 Máy chiếu xạ Dụng cụ y tế, Đa Hungary Vĩnh phần An Phú nguồn Cobalt- đông nam dược sở Long 60, 500kCi và thực phẩm hữu Trung tâm 8/2012 Máy chiếu xạ Dụng cụ y tế, Nhà Nga Tp. HCM Nghiên cứu nguồn tia đông nam dược nước và Phát triển Electron và thực phẩm Công nghệ 10MeV-15kW bức xạ Tập đoàn 8/2012 Máy chiếu xạ Dụng cụ y tế, Tư Trung Cần Thơ Thái Sơn nguồn Cobalt- đông nam dược nhân Quốc 60, 800kCi và thực phẩm Máy chiếu xạ công nghiệp nguồn Cobalt-60 được nhập từ nước ngoài phát triển với tốc độ nhanh, thực tế này cho thấy nhu cầu của xã hội trong việc khử trùng và thanh trùng hàng hóa rất cao. Để có thể đáp ứng được nhu cầu của thị trường về Máy chiếu xạ công nghiệp nguồn Cobalt-60 trong tương lai gần, đề tài “Thiết kế chế tạo các hệ công nghệ chính cho máy chiếu xạ công nghiệp nguồn cobalt-60” được đặt ra. Qua đề tài này cũng nhằm khẳng định đội ngũ nghiên cứu và kỹ thuật của Việt Nam có thể thiết kế, chế tạo máy chiếu xạ công nghiệp nguồn Cobalt-60 nói chung và các hệ công nghệ chính cho máy chiếu xạ nói riêng. Việc nghiên cứu, thiết kế chế tạo các hệ công nghệ chính này cũng đáp ứng được chủ trương của Đảng và Nhà nước ta là từng bước nội địa hóa từng phần, tiến tới nội địa toàn bộ các thiết bị ngoại nhập. II. Đối tượng, phương pháp và thiết bị nghiên cứu 1. Đối tương nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu thiết kế và chế tạo thử nghiệm là các hệ công nghệ chính ở Việt Nam. Các hệ công nghệ chính bao gồm: hệ đảo thùng hàng, hệ vận chuyển thùng hàng và hệ nạp-dỡ hàng là 3 hệ chủ yếu và cơ bản của máy chiếu xạ công nghiệp. Qua tìm hiểu và kinh nghiệm thực tế ở Trung tâm nghiên cứu và Triển khai công nghệ bức xạ cho thấy, với kích thước thùng hàng là 50 x 50 x 90 cm và nguyên lý hoạt động của hệ đảo hàng hiện tại của Trung tâm có thời gian nhanh nhất cho một chu trình chiếu liên tục là 2 giờ 45 phút. Thời gian này chỉ thích hợp cho việc khử trùng dụng cụ y tế, còn đối với việc thanh trùng hàng thực phẩm đông lạnh thì kích thước thùng hàng và thời gian một chu trình chiếu như trên chưa tối ưu. 3
4. Việc sử dụng hệ đảo hàng dạng thùng mới với kích thước thùng hàng là 50 x 67 x 90cm và nguyên lý hoạt động của hệ đảo hàng có thời gian cho một chu trình chiếu liên tục giảm xuống còn 1 giờ 21 phút 36 giây, đã giải quyết được cả việc khử trùng dụng cụ y tế mà cả thanh trùng thực phẩm đông lạnh. 2. Phương pháp tính khi nghiên cứu và thiết bị đo khi thực nghiệm Để tính toán tối ưu các thông số vật lý của hệ đảo hàng và phân bố liều trong thùng hàng, phương pháp Monte Carlo dựa trên phần mềm MCNP được sử dụng để tính toán. Phần mềm này được minh chứng bởi các số liệu tính toán và số liệu đo thực nghiệm trên máy chiếu xạ SVST- Co60/B của Trung tâm. Các thiết bị đo được sử dụng trong thực nghiệm gồm: thước đo để xác định chiều dài (Việt Nam), biến tần điều khiển tốc độ, sensor cảm biến từ để xác định điểm đầu, điểm cuối của xy lanh. III. Nguyên lý hoạt động, thiết kế chế tạo và khảo nghiệm thiết bị 1. Nguyên lý hoạt động Nguyên lý cấu tạo và hoạt động của hệ đảo hàng dạng thùng được trình bày ở hình 1. Hình 1: Nguyên lý hoạt động của Hệ đảo hàng dạng thùng Hệ đảo hàng dạng thùng gồm có các khung đứng, thanh đỡ, thanh giằng và các thanh dẫn bằng thép hình chữ U để dẫn hướng cho các thùng hàng được đánh số từ 1 đến 52 và các thùng hàng được dịch chuyển bởi các xy lanh khí nén được ký hiệu C1 4
5. đến C20, T là trên và D là dưới. Các khung được liên kết với nhau bằng bu lông và bằng mối hàn. Hệ đảo hàng được đặt trong buồng chiếu và trên bể chứa nguồn dạng ướt với kích thước dài 3,6m; rộng 2,6 m và sâu 6 m hoặc trên bể chứa nguồn dạng khô có kích thước lớn hơn kích thước giá nguồn. Hệ đảo hàng dạng thùng được thiết kế gồm 4 hàng, được sắp xếp theo 2 tầng với 2 hàng mỗi bên bản nguồn, 4 cơ cấu dịch chuyển thùng hàng giữa các hàng và 2 cơ cấu nâng-hạ thùng hàng giữa các tầng. Nguyên lý hoạt động của hệ đảo hàng được mô tả như sau: Khi xe chở thùng hàng mới vào cuối vị trí 0 trên Hình 1 thì C17K, C8D sẽ dương và C22D sẽ âm; tiếp theo C1D, C3D dương đẩy thùng 46, 33 đến vị trí 47, 34 và 39, 0 (thùng mới vào) đến 39’, 1’ trên hệ trượt ngang và thùng cuối 51 vào vị trí trên xe; tiếp đến C1D, C3D, C17K, C8D âm và C22D, C18DV dương để chặn thùng 51 và thùng 1’ trượt lại vi trí xe; lúc này xe bắt đầu đi ra ngoài khu nạp dỡ hàng; C18DV âm và C10N nâng thùng hàng mới lên tầng trên; tiếp theo C5D, C6D dương để chuẩn bị nhận thùng 32 và 45, đồng thời C12T và C14T dương đẩy thùng hàng mới vào vị trí 1 và thùng 13 vào vị trí 14; tiếp đến C12T, C14T và C10N âm trở về vị trí cũ, đồng thời C2D, C4D dương đẩy thùng 40’ đến vị trí 40 và thùng 26 đến vị trí 27; tiếp đến C2D, C4D âm và C15T, C16T dương đẩy hệ trượt ngang trên đến vị trí 7’, 20’ và 12’; tiếp đến C20N nâng lên để chuẩn bị nhận thùng 25 và C5D, C6D âm về vị trí củ; sau khi C20N có tín hiệu đến đầu cuối C11T, C13T đẩy 2 thùng 7’, 20’ vào vị trí 7, 20 và 12, 25 vào vị trí 12’, 26’; sau khi đến đầu cuối C11T, C13T lập tức hồi về vị trí củ ngay, C20N, C15T, C16T âm về vị trí cũ kết thúc toàn bộ hoạt động của hệ đảo hàng. Tùy vào thời gian đặt chiếu bởi nhân viên vận hành (tùy thuộc vào liều chiếu), xe chở hàng có thể nằm ngay vị trí 0 sau khi C15T, C16T có tín hiệu đầu cuối hoặc phải chờ ngoài hệ nạp dỡ một khoảng thời gian sau khi C20N, C15T, C16T âm về. Hệ vận chuyển thùng hàng được thiết kế và chế tạo dựa trên nguyên lý thiết kế của máy chiếu xạ SVST- Co60/B của Trung tâm. Hệ vận chuyển thùng hàng có chức năng đưa thùng hàng đi vào và đi ra từ hệ nạp-dỡ hàng và buồng chiếu xạ. Hệ vận chuyển thùng hàng là loại xe chở thùng hàng chạy trên đường ray với các cơ cấu chuyển động bằng dây cáp. Hệ nạp-dỡ hàng gồm 02 phần: Phần tự động và phần thao tác bằng tay. Phần tự động thực hiện chức năng nạp các thùng hàng mới để đưa đến xe, chuyển thùng hàng 5
6. mới lên xe, đẩy các thùng hàng đã chiếu xạ sang trái để đẩy xuống khu vực dỡ hàng. Phần thao tác bằng tay được công nhân bốc - xếp hàng thao tác, gồm các thao tác: kéo các thùng đã chiếu xạ (được tự động đẩy xuống) đến khu vực dỡ hàng, thực hiện dỡ hàng đã chiếu, nạp hàng mới vào thùng chứa hàng, đẩy thùng đã được nạp hàng mới vào cơ cấu nạp hàng tự động. Phần thao tác bằng tay gồm các rulô nhựa cho phần dịch chuyển thẳng và các vòng bi cầu cho phần dịch chuyển tại các góc vuông trên đường dịch chuyển. Phần nạp hàng và dỡ hàng được thực hiện bởi hai piston điều khiển bằng van tay. 2. Thiết kế chế tạo và khảo nghiệm thiết bị Trên cơ sở tính toán thùng hàng và thiết kế hệ đảo hàng theo nguyên lý hoạt động và chu trình làm việc, Trung tâm đã chế tạo thành công hệ đảo hàng dạng thùng. Hệ đảo hàng dạng thùng đã được các nhà khoa học chuyên ngành khảo nghiệm thực tiễn tại Trung tâm, bước đầu đạt được kết quả đáng khích lệ. Các thông số về độ bất đồng đều của hàng hóa có tỉ trọng từ 0,1 g/cm3 đến 0,5 g/cm3 là 1,36 đến 1,75; đây là thông số chấp nhận cho việc tiệt trùng dụng cụ y tế và thanh trùng thực phẩm trên máy chiếu xạ công nghiệp nguồn Cobalt-60. Hình 2 mô tả hệ đảo hàng dạng thùng và bảng 2 mô tả các thông số về thùng hàng. Hình 2: Hệ đảo hàng dạng thùng 6
7. Bảng 2: Mô tả các thông số về thùng hàng có kích thước 50 x 67 x 90 cm Dmax Trọng Thể Liều hấp Năng Kích thước lượng Hiệu Dmin tích thụ trung suất thực thùng 50 x 67 x Dmin Dmax 1 suất xử thùng bình tế 1 giờ 90 cm thùng lý (%) (m3) (kGy) (kg.kGy) (kg) Tỉ trọng 0,1g/cm3 24,75 33,60 1,36 0,26 26,00 2,11 2.862 15,90 Tỉ trọng 0,2g/cm3 21,41 30,60 1,43 0,26 52,16 1,87 5.085 28,38 Tỉ trọng 0,3g/cm3 21,88 27,98 1,5 0,26 78, 24 1,67 6812 38,01 Tỉ trọng 0,4g/cm3 20,09 25,90 1,58 0,26 104,32 1,51 8178 45,64 Tỉ trọng 0,5g/cm3 18,40 24,15 1,75 0,26 130,41 1,37 9302 51,91 Kết quả thực nghiệm cho thấy, độ bất đồng đều về liều và liều hấp thụ trung bình giảm khi tỉ trọng hàng hóa tăng, ngược lại hiệu suất xử lý tăng theo tỉ trọng hàng hóa. IV. Kết luận Kết quả thực nghiệm bước đầu với các hệ công nghệ chính của Trung tâm nghiên cứu và Triển khai Công nghệ bức xạ cho thấy đội ngũ cán bộ khoa học kỹ thuật của Việt Nam có thể tự tính toán, thiết kế chế tạo các hệ chính nói riêng và máy chiếu xạ công nghiệp nguồn Cobalt-60 nói chung. Hệ đảo hàng có thùng hàng với kích thước 50 cm x 67 cm x 90 cm có hiệu suất xử lý cao; 28,38% đối với tỉ trọng hàng 0,2g/cm3 và 45,64% đối với tỉ trọng hàng 0,4g/cm3; năng suất xử lý 5.085 kg.kGy/h đối với tỉ trọng hàng 0,2g/cm3 và 8.178 kg.kGy/h đối với tỉ trọng hàng 0,4g/cm3 (Kết quả được tính với hoạt độ nguồn là 335 kCi). Với kích thước thùng hàng 50cm x 67cm x 90cm, độ bất đồng đều về liều 3 3 (Dmax/Dmin) sẽ đạt từ 1,36 đến 1,75 đối với các tỉ trọng hàng từ 0,1g/cm đến 0,5g/cm . Đây là độ bất đồng đều tối ưu. Giá trị này thỏa mãn khuyến cáo về độ bất đồng đều về liều trong xử lý hàng dụng cụ y tế và hàng thực phẩm. Hệ vận chuyển thùng hàng với phần chính là cơ cấu xe hàng, cơ cấu kéo xe và cơ cấu căng cáp đã được thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh, riêng phần đường ray cho xe chở hàng được chế tạo đủ dài để kiểm tra hoạt động của toàn hệ. Hệ nạp-dỡ hàng được thiết kế, chế tạo với cơ chế nạp hàng tự động. 7
8. TÀI LIỆU THAM KHẢO TIẾNG VIỆT [1]. Trần Khắc Ân, Nghiên cứu phương án cải tiến thiết bị chiếu xạ SVST-Co60/B nhằm nâng cao hiệu suất xử lý, đáp ứng yêu cầu chiếu xạ hiện nay, Báo cáo tổng kết đề tài KH-CN cấp cơ sở, mã số CS/00/02-04, 2000. [2]. Nghiêm Hùng, Sách tra cứu thép gang thông dụng, NXB Trường ĐHBK Hà Nội, 1997. [3]. Nguyễn Trọng Hiệp, Nguyễn Văn Lẫm, Thiết kế chi tiết máy,NXB GD, 1999 [4]. Bùi Trọng Lựu, Sức bền vật liệu, NXB ĐH & THCN, Hà Nội, 1973. [5]. Trần Hữu Quế, Vẽ kỹ thuật cơ khí, NXB Giáo dục, 2004. [6]. Vũ Đình Lai, Sức bền vật liệu, NXB Giáo dục, 2010. [7]. Nguyễn Ngọc Phương, Huỳnh Nguyễn Hoàng, Kỹ thuật điều khiển bằng khí nén và thủy lực, Trường đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM, 2000. TIẾNG NƯỚC NGOÀI [8]. Gamma Irradiators for Radiation Processing, IAEA, Vienna, Austria, 2005. [9]. Gamma irradiators and their applications, Naarri Bulletin, Vol.XI, No.4, August 2003. [10]. Radiation safety of Gamma and Electron Irradiation facilities, IAEA, Safety series No. 107, 1992. [11]. Gamma sterilization fact book, Nordion Marketing Communications, 1994. [12]. Safe design and use of Panoramic, wet source storage gamma irradiators (Category IV), American National Standard N43.10, July 1984. [13]. Training manual on operation of food irradiation facilities, Vienna, First edition, 1992. [14]. Operation and Maintenance Manual for SVST-Co60/B type irradiator, Institude of Isotopes Co. Ldt., 2nd Edition, Vol. 1, 2, 3, May 1999. [15]. J.F.Briesmeister, Transport Methods Group, Los Alamos National Laboratory, MCNP- A General Monte Carlo N-Particle Transport Code Version 4C2, 1997. WEBSITE: [16]. www.boschrexroth.com/preumatics-catalog/ 8
9. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.