Raporty IChTJ. Seria B nr 1/2018




PRE-FEASIBILITY STUDY OF SETTING UP AN ELECTRON BEAM R&D FACILITY

(Wstępne studium wykonalności instalacji radiacyjnej z wykorzystaniem wiązki elektronów, przeznaczonej do prowadzenia badań i wdrożeń)

Zbigniew Zimek

Plik do pobrania (PDF 1.7 MB)

Electron beam is commonly accepted as an instrument for research study and industrial implementation in various fields of applications such as sterilization of medical items, crosslinking of insulation in wires and cables, modification of polymers properties and other radiation tech-nologies. The importance of radiation technology is related to unique properties and quality improvement of irradiated products. Technical and economical parameters of radiation facility should be evaluated before initiation radiation processing practical implementation. The present report provides the assessment which was carried out. The technical and economical pre-feasibility study related to installation accelerator facility was performed. It was based on comprehensive technical and financial profiles of the technology represented by four different accelerators implementation.
Radiation processing is usually based on moving conveyor and scanned electron beam which provides possibility to irradiate cartons containing modified (or sterilized) products. It should be noticed that sometime two-sided irradiation is applied for certain product dimensions at density even for electron energy range as high as 10 MeV. Radiation facility located at the Institute of Nuclear Chemistry and Technology (INCT) has been build, towards higher technical and economical effectiveness, better operational characteristics suitable for radiation processing and research programs in order to promote in Poland the radiation processing tech-nologies where high energy electrons are required. The objective of the home made project was 10 MeV, 10 kW linear electron accelerator equipped with microwave source based on modern klystron device and standing wave accelerating section. Similar accelerator construction is offered by CORAD Company (Saint Petersburg, Russia). It was designed for installation inside of industrial buildings or warehouses.
Resonant HF accelerators are based on the large resonant cavities working in the frequency range of one to several hundred MHz. Those cheap and reliable accelerators require relatively simply and compact HF generators. Medium and high electron energy level with appropriate beam power can be obtained. ILU type electron accelerators provided by the Institute of Nuclear Physics (INP, Novosibirsk, Russia) are based on one coaxial resonator operating in pulse regime covering energy range up to 5 MeV with average beam power up to 20 kW. Finally, Rhodotron type electron accelerator provided by IBA (Belgium) based on multipass concept of electron beam arrangement was also included to the comparison. Accelerator is char-acterized by continuous beam operation but with RF modulation of the electron intensity. The compact construction, relatively high (up to 50% of electrical efficiency) energy 5-10 MeV and high beam power make this accelerator suitable for wide range of industrial applications.
Radiation facility assumed to be operated 46 weeks/year due to typical accelerator avail-ability level, holidays and maintenance periods, what corresponds 1840 h/year (8 h for 5 days/week). The total operation time with electron beam is limited to 1552 h/year (one shift) because of daily switching off and on procedures. The investment and operating costs for elec-tron beam accelerators vary widely because of different accelerator specification, type of accelerator and accelerator producers price policy. High facility throughput which is directly related to the beam current level may significantly reduce total unit cost of the process. The accelerators with higher energy of electrons cost more than low energy devices with the same beam power level. Therefore, the lowest energy rating with suitable dose distribution in irradiated object will give better economical parameters of the radiation process. A reduction of the operating time would increase the unit cost significantly because fixed annual cost of investment will be allocated to fewer hours of accelerator exploitation. The detailed analysis should be performed regarding product profile and selection of irradiation configuration and conveyor technical ca-pabilities and properties to optimize irradiation process.


Wiązka przyspieszonych elektronów jest powszechnie stosowana do prowadzenia badań i we wdrożeniach przemysłowych, takich jak sterylizacja wyrobów medycznych, modyfikacja izolacji w przewodach i kablach elektrycznych, modyfikacja własności polimerów czy inne technologie radiacyjne. Technologie radiacyjne mają duże znaczenie ze względu na możliwość uzyskania unikalnych własności i poprawy jakości produktów poddanych obróbce radiacyjnej. Przed rozpoczęciem prac z wykorzystaniem wiązki elektronów należy poznać techniczne i ekonomiczne parametry instalacji. Niniejszy raport przedstawia wstępne studium wykonalności instalacji radiacyjnej opracowane na podstawie oceny technologii radiacyjnej realizowanej przy wykorzystaniu czterech różnych konstrukcji akceleratorowych.
W procesie obróbki radiacyjnej zwykle jest wykorzystywany przenośnik taśmowy, który umożliwia wprowadzenie obrabianych materiałów (pojemników) w strefę oddziaływania strumienia przyspieszonych elektronów. Niekiedy stosuje się dwustronne napromieniowanie dla zwiększenia zasięgu elektronów, nawet przy wiązce o energii 10 MeV. Tego typu instalacja została zbudowana w Instytucie Chemii i Techniki Jądrowej (IChTJ) dla promocji w Polsce technologii radiacyjnych. Skonstruowany we własnym zakresie akcelerator elektronów o energii 10 MeV i mocy wiązki 10 kW charakteryzuje się efektywnością ekonomiczną i eksploatacyjną pozwalającą na jego wykorzystanie w technologiach radiacyjnych i programach badawczych. W urządzeniu tym zastosowano klistron jako źródło energii mikrofalowej o częstotliwości 3 GHz oraz sekcję przyspieszającą z falą stojącą. Analizą zostało też objęte podobne urządzenie oferowane przez firmę CORAD Company (Petersburg, Rosja).
Akceleratory rezonansowe mają jedną wnękę rezonansową pracującą z częstotliwościami rzędu 100 MHz i generatory na bazie lamp próżniowych dużej mocy. Są względnie tanie i nie-zawodne oraz umożliwiają uzyskanie średnich i wysokich energii elektronów przy odpowiednio dużej mocy średniej wiązki. Akceleratory typu IŁU-10 są produkowane przez Instytut Fizyki Jądrowej z Nowosybirska (Rosja). Urządzenie to zapewnia uzyskanie energii elektronów na poziomie 5 MeV i mocy wiązki do 20 kW. Akcelerator elektronów typu Rhodotron oferowany przez firmę IBA (Belgia) został opisany jako jeden z wariantów. Akceleratory tego typu mają jedną wnękę rezonansową, którą wiązka elektronów pokonuje wielokrotnie aż do osiągnięcia energii 10 MeV. Kompaktowa konstrukcja i stosunkowo wysoka sprawność elektryczna sprawiają, że akcelerator ten jest odpowiedni do prowadzenia procesu obróbki radiacyjnej w skali przemysłowej.
Zakłada się, że instalacja radiacyjna jest eksploatowana przez 46 tygodni w ciągu roku (1840 godz./rok), ze względu na okresy świąteczne i urlopowe, a także przestoje techniczne związane z awaryjnością akceleratora. Biorąc pod uwagę pracę na jedną zmianę, straty powodowane koniecznością prowadzenia konserwacji oraz czas na załączanie i wyłączanie akceleratora, to czas jego efektywnej pracy z wiązką wynosi 1552 godz./rok. Koszty inwestycyjne i eksploatacyjne instalacji radiacyjnej zmieniają w istotny sposób zależnie od specyfikacji technicznej akceleratora i jego ceny. Wielkość mocy wiązki bezpośrednio określa wydajność instalacji, co przekłada się na poziom kosztów jednostkowych. Zmniejszenie czasu eksploatacji akceleratora z wiązką elektronów prowadzi do zwiększenia kosztów jednostkowych ze względu na rosnący udział kosztów inwestycyjnych i kosztów stałych. Szczegółowa analiza techniczno-ekonomiczna powinna zostać przeprowadzona z uwzględnieniem parametrów prowadzonej obróbki radiacyjnej określonych wymaganiami danej technologii (produktu), w celu optymalizacji procesu oraz określenia konfiguracji i technicznych możliwości transportera.