СПОСОБ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТЕЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК G21F9/00 

Настоящее изобретение относится к способу и устройству лазерной обработки на поверхности, находящейся в загрязненной зоне ядерной установки.

Изобретение применяется, в частности, при дезактивации пучком лазера, в водной или газовой среде, поверхностей, покрытых радиоактивными веществами такими как, например, окислы активных металлов, с целью уменьшения уровня радиации и обеспечения доступа к установке персонала.

Данное изобретение касается, в частности, первичной цепи ядерных электростанций с водой под давлением и особенно к резервуарам воды генератора пара и труб первичных контуров.

Дезактивация может производиться при проверке или ремонте в загрязненных участках станции, при замене оборудования, например, генератора пара, а также при демонтаже электростанции.

Известны различные способы дезактивации.

Распыление абразивных частиц для удаления пленки радиоактивного окисла или химическое растворение этого окисла. Недостатком этих методов является большое количество отходов, обработка которых требует значительных затрат.

Дезактивация лазерным лучом. В известном способе этого типа, лазерный пучок излучается на входе в водяную рубашку и посылается на внутреннюю стенку этого резервуара при помощи ориентируемых зеркал, закрепленных на трубной пластине. По своей концепции этот метод не позволяет, даже с помощью лазерных импульсов большой плотности энергии, равномерно обрабатывать все дезактивируемые поверхности. Кроме того, удаление радиоактивных отходов, проводимое путем засасывания воздуха в резервуаре, малоэффективно.

В основу изобретения положена задача эффективной обработки лазерным пучком загрязненной зоны. Поставленная задача решается тем, что в способе лазерной обработки поверхностей, расположенных в загрязненной зоне ядерной установки, согласно изобретению генерируют рабочую энергию в виде, по меньшей мере, двух импульсных лазерных пучков вне зоны загрязнения, указанная энергия передается при помощи, по меньшей мере, двух оптических волокон, связанных соответственно с указанными пучками, на участок, расположенный вблизи от указанной поверхности, на указанном участке комбинируют лазерные пучки, чтобы получить, по меньшей мере, один результирующий лазерный пучок, который направляют на указанную поверхность в случае необходимости при помощи, по меньшей мере, одного отражающего зеркала.

Целесообразно, герметизировать рабочую зону и во время работы лазера отсасывать воздух из загрязненной зоны.

Целесообразно также во время работы лазера подавать в рабочую зону защитный или активный газ.

Предпочтительно, чтобы результирующий лазерный пучок для дезактивации указанной поверхности состоял из импульсов с энергией от 0,3 до 2 джоуль и с плотностью энергии от 1 до 4,5 дж/см².

Целесообразно, чтобы длительность указанных импульсов составляла от 10 до 30 нсек.

Поставленная задача решается также тем, что предложенное устройство для лазерной обработки поверхностей в загрязненной зоне ядерной установки включает:
по меньшей мере, один импульсный лазерный генератор, в частности, типа Nd-YAG или эксимерный, располагаемый вне загрязненной зоны;
средства для подачи лазерной энергии в виде двух импульсных лазерных пучков;
устройство для комбинирования этих лазерных пучков для получения, по меньшей мере, одного результирующего пучка, направленного к указанной поверхности, в случае необходимости, при помощи, по меньшей мере, одного отражающего зеркала;
по меньшей мере, два оптических волокна для передачи указанных пучков на вход указанного устройства комбинирования;
средства для перемещения устройств комбинирования напротив указанной поверхности и вблизи этой поверхности.

Целесообразно, чтобы устройство включало в себя замкнутую камеру, подвижную вместе с устройством комбинирования или с зеркалом, и оборудованную средствами отсасывания.

Целесообразно также, чтобы устройство включало средства подачи защитного или активного газа в герметизирующую камеру.

Предпочтительно, чтобы устройство включало два генератора импульсной лазерной энергии, оптическое волокно, соединенной с каждым генератором, и устройство синхронизации двух генераторов.

Предпочтительно также, чтобы один генератор или оба генератора имели, по меньшей мере, один выходной усилитель.

Целесообразно, чтобы каждое оптическое волокно имело длину не менее 10 м.

Целесообразно также, чтобы направляющее зеркало было установлено на выходе устройства комбинирования, подвижно относительно этого устройства.

Предпочтительно, чтобы в случае лазерной обработки трубопровода устройство комбинирования удерживалось центрирующим держателем, аксиально подвижным в трубопроводе, а направляющее зеркало было закреплено в замкнутой камере, которая устанавливается вращающейся на держателе, на котором располагаются также средства вращения камеры.

В дальнейшем изобретение поясняется описанием примеров его осуществления со ссылками на чертежи, из которых: фиг. 1 схематически изображает устройство для лазерной дезактивации в соответствии с изобретением; фиг. 2 изображает в более крупном масштабе фрагмент устройства. фиг. 3 аналогичный фиг. 2 вариант; фиг. 4, 5 вид, аналогичный фиг. 2, при дезактивации, согласно изобретению, первичного трубопровода воды.

На фиг. 1 показан аксиальный разрез одной 1 из двух секций водяной рубашки 2 парогенератора ядерного реактора с водой под давлением. Эта секция 1 ограничена сверху трубной пластиной 3, с одной стороны вертикальной средней перегородкой 4 водяной рубашки, а с другой стороны и снизу полусферическим дном водяной рубашки, через которое проходит смотровое отверстие 6.

На фиг. 6 изображает устройство, предназначенное для дезактивации лазером поверхностей, которые ограничивают секцию 1. В это устройство входит наружная установка 8, находящаяся снаружи водяной рубашки в соответствующем месте, защищенном от радиации, и внутренняя установка 9, расположенная внутри секции 1 и размещаемая там через смотровое отверстие.

Установка 8 содержит пульт управления 10, генератор электрической энергии и текучей среды 11, два генератора лазерных импульсов 12А, 12В, которые идентичны, и засасывающий насос 13 на входе которого установлен фильтр 14.

Установка 9 содержит устройство или корпус 15 комбинирования лазерных пучков и закрепленную на опоре 17 замкнутую камеру 16. В корпусе 15 имеются два входа, соответственно соединенные с выходами генераторов 12А и 12В оптическим волокном 18А, 18В многомодового типа длиной не менее 15 м. Камера 16 с помощью трубопровода 19 соединяется с источником защитного газа (нейтрального или восстановительного) или активного газа, находящегося в генераторе 11, и, через трубопровод 12, с фильтром 14 и насосом 13. Опора 17 представляет собой конец шарнирного робота 21, который дистанционно управляется с пульта 10, он позволяет располагать установку 9 напротив любого участка поверхностей 3, 4, 5, которые дезактивируются вблизи этой поверхности.

На фиг. 2 более детально показана установка 9. Как видно из чертежа, корпус 15 закреплен на опоре 17 и снабжен (фиг. 1) источником электропитания 23, подключенного через линию. На входной стороне корпуса 15 имеются два отверстия, в которых соответственно закреплены концы оптических волокон 18А, 18В, и после их комбинирования в этом корпусе, два входных пучка образуют один импульсный параллельный лазерный пучок, который выходит через выходное отверстие 29.

На удаленном конце опоры 17 закреплена рамка 30, в которой скользят пальцы 31, параллельные оси X-X корпуса 15, за счет действия пружин 32, в направлении от корпуса. Камера 16 в форме купола, имеющая дно 33, перпендикулярное оси X-X, закрепляется на концах пальцев 31, причем на свободном крае боковой стенки 34 имеются ролики 35. В дне 33 имеется отверстие 36 с осью по X-X, диаметр которого немного больше диаметра комбинированного пучка 37.

Используемые лазерные генераторы 12А, 12В позволяют направлять пучок по оптическому волокну. В частности, это может быть генератор типа Nd-YAG (длина волны 1,06 мкм) или эксимерного типа (длина волны 0,3 мкм). На выходе генератора имеются два последовательно включенных усилителя 38, 39 (или в варианте, один усилитель). Генератор на выходе вырабатывает импульсы длительностью от 10 до 30 нсек. Устройство синхронизации 40, связано с двумя генераторами 12А, 12В и вся система регулируется таким образом, чтобы получать на выходе корпуса 15 комбинированный пучок 37, импульсы которого имеют энергию от 0,3 до 2 джоулей и более, плотность энергии (или течение) составляет от 1 до 4,5 дж/см².

При работе устройства ролики 35 прижимаются с силой, определяемой пружинами 32, к дезактивируемой поверхности в показанном примере это стенка 4. Защитный или активный газ подается в камеру 16, импульсные пучки от генератора 12А, 12В, передаваемые по оптическим волокнам 18А, 18В и скомбинированные в корпусе 15, подаются в форме одного параллельного пучка 37 на обрабатываемую поверхность, перпендикулярно к этой поверхности. Таким образом, сканируют все дезактивируемые поверхности, перемещая опору 17 при помощи робота 21.

Указанная выше плотность энергии выбирается такой, чтобы происходило термическое проникновение, соответствующее толщине или части толщины удаляемого радиоактивного слоя окисла, причем каждый импульс создает в этом слое ударную волну. При использовании нейтрального или восстановительного газа уменьшается окисление обрабатываемой поверхности, а при использовании активного газа, в частности, кислорода, происходит увеличение слоя окисла, обрабатываемого импульсами лазера. Таким образом, выбор газа определяется в зависимости от особых условий при каждом применении.

Применение многомодового волокна для передачи каждого пучка дает значительное преимущество за счет распределения энергии в пучке на выходе из указанного волокна и в пятне падения пучка на стенку. В этом случае распределение энергии будет постоянным по всей площади пятна, распределение в виде прямоугольного импульса вместо распределения с центральным пиком, которое получается при передаче пучка по воздуху. Однако, необходимо, чтобы волокна были достаточно длинным, чтобы гомогенизация энергии была достаточной, например, длина порядка 10 м. При использовании более коротких волокон в определенных случаях в генераторах 12А, 12В следует устанавливать известные устройства, которые обеспечивают равномерное распределение энергии в виде прямоугольного импульса можно работать эффективно используя меньшие мощности лазера, что дает преимущества.

Использование корпуса для комбинирования 15 вблизи дезактивируемой поверхности дает многочисленные преимущества:
лазерные генераторы 12А, 12В располагаются вне загрязненной зоны;
лазерные пучки могут подаваться по оптическому волокну непосредственно к обрабатываемой поверхности, с указанными преимуществами, что было бы невозможно, если вся энергия пучка 37 определялась бы одним лазерным генератором, в связи с ограниченными возможностями передачи лазерной мощности по оптическим волокнам;
поскольку пучок 37 параллельный и падает перпендикулярно на обрабатываемую поверхность, расстояние между этой поверхностью и выходным отверстием корпуса 15 для пучка 29 не является критическим, и нет необходимости выдерживать его постоянным.

Показанный на фиг. 9А вариант устройство отличается от варианта изображенного фиг. 2 тем, что держатель 17 работает так, что ось X-X корпуса комбинирования 15 параллельна обрабатываемой поверхности. Пальцы 31 перпендикулярны к этой оси X-X, и наклоненное под углом 45^o направляющее зеркало 31 закрепляется напротив отверстия 36 камеры 16. Работа такого варианта устройства аналогична описанной выше. Этот вариант применяется, в частности, при лазерной обработке в ограниченном пространстве.

Показанный на фиг. 3 вариант может быть модифицирован следующим образом: комплекс, включающий камеру 16, пальцы 31, зеркало 50, соединяется с держателем 17 при помощи другого держателя, подвижного относительно последнего, с возможностью перемещения и/или вращения вокруг оси корпуса 15. Таким образом, для каждого положения корпуса можно эффективно сканировать относительно большой участок обработки, независимо от формы этого участка.

На фиг. 4, 5 показана такая модификация для дезактивации стенки первичного трубопровода, прямого на фиг. 4 и изогнутого на фиг. 5.

Коробка 15 закрепляется в трубопроводе отсасывания 20 при помощи распорок 42, точно так же устанавливается двигатель 43. Трубопровод 20 закреплен на центрирующей и направляющей тележке 44 в дезактивируемом трубопроводе. Камера 16 представляет собой конец трубы в виде L 46, другой конец которой, непосредственно соединенный с этой камерой отводом 20А, устанавливается коаксиально вращающимся в конце трубопровода 20, в ней находится корпус 15. Зеркало 38 закрепляется в колене трубы 46. Снаружи ближнего конца этой трубы имеется зубчатое кольцо 47, которое зацепляется с входной шестерней 48 двигателя 43. Предусмотрены также соответствующие средства для перемещения тележки 44, в случае необходимости при помощи того же двигателя 43.

На фиг. 5 видна насадка 49 для направления и перемещения двигателя трубопровода 20, насадка временно устанавливается на конце трубы 45.

В другом способе реализации изобретения два генератора 12А, 12В могут быть заменены одним лазерным генератором, если излучаемая им мощность может быть передана по одному оптическому волокну, корпус 15 будет просто устройством оптической настройки лазерного пучка. В противном случае разделяют выходящий из генератора пучок на два пучка, и каждый передают по оптическому волокну, затем их рекомбинируют в корпусе 15.

Во всех случаях можно создавать несколько параллельных пучков 37, которые попадают в камеру 16 через несколько отверстий 36. В этом случае в каждый момент можно обрабатывать большую поверхность.

Использование: лазерная обработка поверхности, находящейся в загрязненной зоне ядерной установки. Сущность: согласно изобретению генерируют рабочую энергию в форме, по меньшей мере, двух лазерных импульсивных пучков вне загрязненной зоны, указанную энергию передают при помощи, по меньшей мере, двух оптических волокон к участку вблизи обрабатываемой поверхности. На этом участке комбинируют лазерные пучки и получают, по меньшей мере, один результирующий лазерный пучок, который подают на указанную поверхность при помощи, по меньшей мере, одного отражающего зеркала. 2 с. и 14 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ лазерной обработки поверхностей, расположенных в загрязненной зоне ядерной установки, включающий генерацию рабочей энергии, отличающийся тем, что генерируют рабочую энергию в виде по меньшей мере двух импульсных лазерных пучков, излучаемых соответственно по меньшей мере двумя синхронизированными генераторами импульсной лазерной энергии, располагаемыми вне загрязненной зоны, передают указанную энергию при помощи по меньшей мере двух оптических волокон на участок, расположенный вблизи указанной поверхности в загрязненной зоне, при этом на указанном участке комбинируют лазерные пучки с возможностью получения по меньшей мере одного результирующего лазерного пучка, который подают на указанную поверхность. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что результирующий лазерный пучок подают на указанную поверхность при помощи по меньшей мере одного отражающего зеркала. 3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что вокруг обрабатываемой поверхности создают замкнутую рабочую зону и в ходе лазерной обработки отсасывают газ из этой зоны. 4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что при лазерной обработке в рабочую зону подают защитный или активный газ. 5. Способ по одному из пп. 1 4, отличающийся тем, что указанный результирующий лазерный пучок состоит из импульсов с энергией 0,3 2,0 Дж и выше с плотностью энергии 1,0 4,5 Дж/см². 6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что указанные импульсы имеют длительность 10 30 нс. 7. Устройство для лазерной обработки поверхности в загрязненной зоне ядерной установки, включающее генератор импульсной лазерной энергии, предназначенный для получения импульсного лазерного пучка, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит по меньшей мере один дополнительный генератор импульсной лазерной энергии, предназначенный для получения по меньшей мере одного дополнительного лазерного пучка, устройство синхронизации генераторов, устройство комбинирования лазерных пучков, предназначенное для получения по меньшей мере одного результирующего лазерного пучка, направленного на указанную поверхность, по меньшей мере два оптических волокна и средство для перемещения устройства комбинирования, при этом генераторы размещены вне загрязненной зоны и соединены с устройством синхронизации, генераторы оптически связаны с входом устройства комбинирования посредством по меньшей мере двух оптических волокон, предназначенных для передачи лазерных пучков, а выход устройства комбинирования лазерных пучков оптически связан с указанной поверхностью, причем средство для перемещения устройства комбинирования выполнено так, что оно обеспечивает перемещение устройства комбинирования вдоль указанной поверхности и вблизи нее в пределах загрязненной зоны. 8. Устройство по п. 7, отличающееся тем, что в качестве генераторов лазерной энергии использованы генераторы типа Nd-YAG или эксимерные. 9. Устройство по п. 7 или 8, отличающееся тем, что выход устройства комбинирования оптически связан с указанной поверхностью посредством по меньшей мере одного отражающего зеркала. 10. Устройство по п. 7 или 8, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит замкнутую камеру, выполненную подвижной вдоль указанной поверхности вместе с устройством комбинирования и снабженную средствами отсасывания. 11. Устройство по п. 9, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит замкнутую камеру, выполненную подвижной вдоль указанной поверхности вместе с зеркалом и снабженную средствами отсасывания. 12. Устройство по п. 10 или 11, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено средством подачи защитного или активного газа в замкнутую камеру. 13. Устройство по одному из пп. 7 12, отличающееся тем, что один или оба генератора имеют по меньшей мере один усилитель. 14. Устройство по одному из пп. 7 13, отличающееся тем, что каждое оптическое волокно имеет длину не менее 10 м. 15. Устройство по п. 9, или 11, или 12, или 13, или 14, отличающееся тем, что отражающее зеркало, установленное на выходе устройства комбинирования, выполнено подвижным по отношению к этому устройству. 16. Устройство по п. 8, отличающееся тем, что для обработки поверхности трубопровода оно дополнительно снабжено центрирующей опорой, на которой установлено устройство комбинирования, выполненное аксиально подвижным в трубопроводе, при этом отражающее зеркало установлено на указанной опоре с возможностью вращения, а на опоре размещены средства, предназначенные для вращения камеры.