Raporty IChTJ. Seria B nr 1/2021
REKONSTRUKCJA UKŁADU TRANSPORTERA W STACJI STERYLIZACJI RADIACYJNEJ INSTYTUTU CHEMII I TECHNIKI JĄDROWEJ
(Reconstruction of the transporter system in the Radiation Sterilization Station of the Institute of Nuclear Chemistry and Technology)
Z. Zimek, S. Długoń, K. Roman
Plik do pobrania (PDF 2.3 MB)
Stacja Sterylizacji Radiacyjnej Instytutu Chemii i Techniki Jądrowej (IChTJ) powstała ze względu na rosnące zapotrzebowanie na sterylizację radiacyjną wyrobów medycznych jed-norazowego użytku. Utworzono ją w 1993 r. i wyposażono w akcelerator typu Elektronika 10/10 (nominalna energia elektronów – 10 MeV, mocy średnia wiązki – do 10 kW). Ważne z punktu widzenia techniczno-ekonomicznego było i jest zapewnienie świadczenia usług sterylizacji radiacyjnej bez przerw wynikających z napraw akceleratora oraz pełne zabezpieczenie bieżącego zapotrzebowania na wyroby medyczne jednorazowego użytku produkowane w kraju. Czas pracy instalacji z wiązką przyśpieszonych elektronów w poszczególnych latach mieścił się w przedziale 2000-2500 h. Można przyjąć, że łączny czas pracy instalacji to ponad 60.000 h. Układ transportera po 28 latach ciągłej eksploatacji zaczął wykazywać szereg nieprawidłowości w działaniu, co groziło obniżeniem jakości procesu sterylizacji. Do najistotniejszych należała niestabilna prędkość transportera, czego bezpośrednią przyczyną była postępująca korozja i zanieczyszczenia elementów transportera, a tym samym znaczne zwiększenie oporów przesuwu taśmy nośnej. Dla podtrzymania stabilnej pracy układu transportera o regulowanej prędkości przeprowadzono jego rekonstrukcję obejmującą kluczowe części mechaniczne.
Wcześniej wymieniono sekcję przyśpieszającą oraz zastosowano magnetron nowej konstrukcji, co umożliwiło zwiększenie maksymalnej mocy średniej wiązki elektronów do 15 kW przy energii 10 MeV. Już na etapie projektowania budynku dla akceleratora Elektronika 10/10 dostrzeżono potrzebę zainstalowania drugiego akceleratora przeznaczonego do sterylizacji radiacyjnej. Zainstalowanie drugiego akceleratora zapewni większą wydajność instalacji oraz będzie miało istotne korzyści eksploatacyjne.
W trakcie długoletniej eksploatacji rozproszone promieniowanie jonizujące niekorzystnie oddziaływało na elementy elektryczne (silnik, tachometr, przewody łączące) rozmieszczone w pobliżu wyprowadzenia wiązki elektronów. Promieniowanie to jest bezpo-średnią przyczyną degradacji elementów izolacyjnych, co w efekcie prowadzi do uszkodzeń mogących wyeliminować dane urządzenie z dalszej eksploatacji. Brak dostępnych na rynku części zamiennych (np. silników prądu stałego o określonych parametrach i gabarytach) oraz uszkodzenia radiacyjne elementów elektrycznych układu powodują, że konieczne jest wprowadzenie istotnych zmian konstrukcyjnych, np. zastąpienie silnika prądu stałego silnikiem prądu zmiennego. Tego typu zmiany wiążą się z odpowiednią modyfikacją układu sterowania regulacją prędkości transportera.
Ponadto należy rozważyć wprowadzenie dodatkowych zmian w celu optymalizacji wykorzystania wiązki elektronów. Straty wiązki w powietrzu i oknie wyjściowym akceleratora są do pominięcia przy energii elektronów 5-10 MeV w przypadku instalacji przeznaczonej do prowadzenia procesu obróbki radiacyjnej. Straty związane z systemem transportu wynikają bezpośrednio z geometrii wiązki i obiektu poddawanego obróbce. Straty ze względu na zasięg elektronów są dla odmiany związane z parametrami materiałów poddawanych obróbce radiacyjnej z wykorzystaniem systemu transportu zainstalowanego w Stacji Sterylizacji Radiacyjnej IChTJ. Ze względu na charakterystykę sterylizowanych wyrobów medycz-nych aktualnie przyjęto geometrię układu wyprowadzenia wiązki, dla której maksymalna użyteczna wysokość materiałów poddawanych obróbce radiacyjnej wynosi 20 cm. Proponowana zmiana polega na możliwości okresowego obniżenia poziomu transportera o regulowanej prędkości o 25 cm, co zwiększy wysokość użytkową do 45 cm. Czynność ta w warunkach eksploatacyjnych powinna być wykonana zdalnie w czasie nieprzekraczającym 10 min. Należy w związku z tym zainstalować podpory o regulowanej wysokości dla transportera o regulowanej prędkości, a także rozważyć modyfikację transporterów podającego i odbierającego pojemniki z wyrobami przeznaczonymi do sterylizacji radiacyjnej.
The Radiation Sterilization Station of the Institute of Nuclear Chemistry and Technology (INCT) was created due to the existing demand for radiation sterilization of single-use medical devices. The station was equipped with an Elektronika 10/10 accelerator (nominal electron energy – 10 MeV, average beam power – up to 10 kW), and commissioned in 1993. It should be noticed that the accelerating section was replaced at early stage of accelerator modernization. Also the new magnetron structure was applied which made possible to increase the maximum average electron beam power to 15 kW at electrons energy of 10 MeV.
The needs to provide radiation sterilization services without interruptions resulting from accelerator repairs, and full protection of the current demand for this type of products manufactured in the country was an important technical and economic element of facility exploitation. The operating time of the installation with the accelerated electron beam ranged from 2000 to 2500 h in individual years. It can be assumed that the total operating time of the installation is currently over 60,000 h, which may affect the quality of the sterilization process. The unstable speed of the transporter was found to be one of the most important faults. It is related to the progressive corrosion and contamination of the transporter elements, and thus the significant increase in the resistance of the carrier belt movement. To maintain the stable operation of the transporter system, its reconstruction was carried out, including the key mechanical parts of the speed-regulated transporter.
The need to install a second accelerator for radiation sterilization was noticed already at the stage of designing the building for the Elektronika 10/10 accelerator. This solution ensures greater installation efficiency and significant operational benefits. The main reason for commencing work on the construction of the LAE 10/15 accelerator was the need to maintain the safety of the continuity of operation of the Radiation Sterilization Station using the Russian linear electron accelerator and the related disruptions in the supply of spare parts.
Another unfavorable factor was the influence of ionizing radiation on the electrical components (engine, tachometer, connecting cables) located near the electron beam exit. The cause of the problems in this case is the degradation of the insulating elements, resulting in damage that may eliminate the device from further use. At the same time, the lack of spare parts available on the market (e.g. DC motors) as well as radiation damage to the electrical components of the system require significant changes to eliminate the instability of the transporter operation. The choice of a specific structure is determined by the need to replace a DC motor with an AC motor, which is related to the appropriate modification of the transporter speed regulation control.
Moreover, the additional changes related to the optimization of the use of the electron beam should be considered. The beam losses in the air and in the accelerator exit window are negligible at the electron energy in the range of 5-10 MeV, which is usually the case in an installation designed to carry out the irradiation process. The losses associated with the transporter system are directly related to the geometry of the beam and the treated object. On the other hand, the losses due to the range of electrons are only indirectly related to the transporter system in the Radiation Sterilization Station. Due to the characteristics of the sterilized medical devices, the current geometry of the beam exit system has been adopted, for which the maximum useful height of the materials subjected to radiation treatment is 20 cm. The proposed change consists in the possibility of periodically lowering the level of the speed-regulated transporter by 25 cm. Under operating conditions, this activity should be performed remotely within 10 min. The required changes are the installation of height-adjustable supports for the transporter. The necessity to modify the transporters delivering and receiving containers with products intended for radiation sterilization should be also considered.