СПОСОБ ДЕЗАКТИВАЦИИ ПОВЕРХНОСТИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДЕЗАКТИВАЦИИ ЛАЗЕРОМ ПОВЕРХНОСТИ Российский патент 1997 года по МПК G21F9/28 

Предлагаемое изобретение касается способа работы с лазером в зоне радиоактивного заражения ядерной установки и устройства для его осуществления.

Данное изобретение применяется, в частности, для дезактивации с помощью лазерного луча в водной или газообразной среде поверхностей, загрязненных отложениями радиоактивных материалов таких, например, как окислы активированных металлов, с целью в определенной степени снизить уровень радиоактивности этих поверхностей и обеспечить, таким образом, возможность доступа или подхода к ним обслуживающего персонала.

Предлагаемое изобретение, в частности, имеет отношение к первичному контуру ядерных теплоэлектроцентралей на воде под давлением и особенно это изобретение касается водяной рубашки парогенераторов таких теплоэлектроцентралей и системы трубопроводов первичного контура этих установок.

Для таких ядерных установок дезактивация может оказаться необходимой в случае проверки или ремонта соответствующего оборудования, осуществляемых в зоне радиоактивного заражения теплоэлектроцентрали, например, при замене парогенераторов, а также при разрушении или демонтаже этой ядерной установки.

В настоящее время известно достаточно много способов дезактивации, например:
выброс абразивных частиц для абразивного удаления пленки радиоактивного окисла в среде, соприкасающейся с поверхностью, подвергшейся радиоактивному заражению, или химическое растворение этой пленки специальными растворителями. Этот способ имеет тот недостаток, что при его использовании образуется значительное количество жидких или газообразных пыленасыщенных отходов, которым необходима весьма дорогостоящая обработка.

дезактивация при помощи обработки поверхностей, подвергшихся радиоактивному загрязнению, лазерным лучом. В соответствии с одним из известных способов дезактивации этого типа, описанном в патенте FR-A-2 525 380, лазерный луч формируется и излучается на входе в водяную рубашку ядерной установки и посылается на внутренние стенки этой рубашки при помощи ориентируемых в пространстве зеркал, закрепленных на трубной плите. Этот способ уже по самой своей концепции и даже при использовании импульсного лазера с высокой плотностью энергии луча не позволяет вполне однородным образом провести обработку всех поверхностей внутренней полости водяной рубашки, имеющих радиоактивное загрязнение.

Предлагаемое изобретение имеет задачей обеспечить возможность достаточно эффективной работы по дезактивации при помощи лазера в зонах радиоактивного загрязнения.

Для решения поставленной задачи в данном изобретении предлагается способ, в соответствии с которым импульсный или пульсирующий лазерный луч формируется и излучается за пределами зоны радиоактивного загрязнения, подлежащей дезактивации. Далее этот лазерный луч соответствующим образом транспортируется в зону, располагающуюся в непосредственной близости от поверхности, дезактивацию которой предполагается проводить упомянутым выше способом. В специальном усилителе, располагающемся в упомянутой выше зоне, лазерный луч усиливается и уже этот усиленный луч направляется на обрабатываемую поверхность с радиоактивным загрязнением. В случае необходимости усиленный лазерный луч может направляться на нужный участок обрабатываемой поверхности посредством зеркала.

В соответствии с другими своими характеристиками предлагаемый способ работы с лазером в зоне радиоактивного загрязнения отличается тем, что:
транспортировка лазерного луча от его источника в зону радиоактивного загрязнения к устройству усиления луча осуществляется с помощью оптического волокна световода,
в рабочую зону лазерной дезактивационной установки в период работы лазера направляется специальный защитный или в соответствующем смысле активный газ,
пространство рабочей зоны установки ограничивается и в период работы лазера осуществляется откачка газа, содержащегося в этом ограниченном пространстве,
лазерный луч после излучения, транспортировки к рабочей зоне и усиления пропускается через отверстие в электроде, параллельно расположенном по отношению к обрабатываемой поверхности, причем этим электродом и упомянутой выше поверхностью в период работы лазера создается электрическое поле,
для дезактивации поверхности, загрязненный радиоактивными материалами, используется лазерный луч, который после усиления обладает энергией в импульсе от 0,3 до 5 джоулей или более, причем продолжительность импульса лазерного излучения составляет от 10 до 30 нс, а плотность энергии на обрабатываемой поверхности колеблется в пределах от 1 до 15 Дж/ см ².

Задача данного изобретения состоит также в том, чтобы предложить специальное устройство, предназначенное для практической реализации способа работы с лазером в зоне радиоактивного загрязнения в соответствии с данным изобретением. Предлагаемое устройство отличается тем, что содержит:
импульсный квантовый генератор или пульсирующий лазер, расположенный за пределами обрабатываемой зоны радиоактивного загрязнения,
усилитель лазерного луча,
средства для транспортировки пульсирующего лазерного луча от импульсного квантового генератора или импульсного лазера до входа упомянутого выше усилителя лазерного луча,
средство для перемещения усилителя лазерного луча параллельно упомянутой выше обрабатываемой поверхности с радиоактивным загрязнением и в непосредственной близости от этой поверхности.

В соответствии с другими своими особенностями предлагаемое устройство отличается тем, что:
в качестве источника лазерного луча используется квантовый генератор типа IIo-VAG, сапфировый или рубиновый лазер или лазерный эксимер, причем в случае необходимости этот источник лазерного луча оснащается гауссовым зеркалом,
упомянутое выше средство транспортировки лазерного луча от его источника до усилителя лазерного луча могут представлять собой оптическое волокно,
в составе предлагаемого устройства длина упомянутого выше волоконно-оптического средства транспортировки лазерного луча от его источника до усилителя составляет, по меньшей мере, 15 метров,
в комплекс используемого оборудования входит отражающее зеркало, установленное на выходе из усилителя лазерного луча и в случае необходимости имеющее возможность перемещаться относительно выхода этого усилителя.

Ниже будет дано описание примеров практической реализации и применения предлагаемого изобретения со ссылками на приведенные чертежи, на которых: фиг. 1 схематично представлено устройство для дезактивации поверхности с радиоактивным загрязнением при помощи лазера в соответствии с предлагаемым изобретением; фиг. 2 в увеличенном масштабе один из элементов этого устройства, фиг. 3 другой возможный вариант реализации элемента предлагаемого устройства, аналогично элементу, показанному на фиг. 2; фиг. 4 - вид части другого варианта практической реализации предлагаемого устройства для дезактивации с помощью лазера.

На фиг. 1 в осевом сечении представлен один из двух отсеков 1 водяной рубашки 2 парогенератора ядерного реактора теплоэлектроцентрали с использованием воды под давлением. Этот отсек 1 водяной рубашки ограничен сверху трубной плитой 3. Одна из боковых стенок этого отсека образована вертикальной перегородкой 4, делящей полость упомянутой выше водяной рубашки пополам. С другой стороны и снизу этот отсек ограничен полусферической стенкой 5 водяной рубашки, в которой устроен смотровой люк-лаз 6.

На фиг. 1 представлено также специальное оборудование 7, приспособленное для того, чтобы обеспечивать дезактивацию лазерным лучом тех поверхностей, которые внутри ограничивают объем отсека 1.

Комплекс этого оборудования включает внешнюю аппаратуру 8, располагающуюся снаружи по отношению к водяной рубашке парогенератора ядерного реактора, внутри специального помещения, соответствующим образом защищенного от воздействия радиации, и внутреннюю аппаратуру 9, располагающуюся внутри отсека 1 упомянутой выше водяной рубашки и вводимую во внутреннюю полость этой рубашки через упомянутый выше смотровой люк-лаз.

В состав аппаратуры 8 входит пульт управления 10, генераторная установка, обеспечивающая питание оборудования электрической энергией и необходимыми газами или жидкостями 11, генератор импульсного лазерного луча 12, состоящий из квантового генератора (лазера) и включенного последовательно с ним, в случае необходимости предварительного усиления лазерного луча, и откачивающего насоса 13, на выходе которого предусматривается установка специального фильтра 14.

В состав внутренней аппаратуры 9 входит усилитель лазерного луча 15 и ограничительная камера 16, размещенная на держателе 17. Вход усилителя 15 связан с выходом квантового генератора 12 при помощи волоконно-оптического кабеля 18 многофункционального типа, имеющего длину, по меньшей мере, 15 м. Ограничительная камера 16 соединена, с одной стороны, при помощи трубопровода 19 с источником защитного (нейтрального или раскисляющего) или активного газа, поступающего из генератора 11, и с другой стороны, через трубопровод 20 с фильтром 14 и отсасывающим насосом 13. Держатель 17 выполнен на оконечной части манипулятора специального робота, схематически представленного в виде рычага 21 и дистанционно управляемого выше пульта управления 10. Применение робота дает возможность без риска для жизни обслуживающего персонала располагать аппаратуру 9 против любого участка поверхностей 3, 4 или 5 с радиоактивным загрязнением и в непосредственной близости от них.

Внутренняя аппаратура 9 более детально представлена на фиг. 2. Как видно на этом рисунке, усилитель лазерного луча 15 размещен в корпусе 22, закрепленном на держателе 17 и оборудованном специальными каналами 23 для подвода электропитания, 24 для подвода охлаждающей воды и 25 для удаления этой охлаждающей воды после отбора тепла от работающего усилителя. Каналы 23 и 25 соединены магистралью 26 (фиг. 1) с генераторной установкой 11. Корпус 12 на своем входном торце имеет отверстие, в котором закреплен конец волокно-оптического кабеля. Входное оптическое устройство 27 позволяет подать на вход усилителя 15 пучок параллельных лучей диаметром, равным диаметру стержня или активного элемента этого усилителя. Этот параллельный лазерный луч выходит усиленным на другом конце усилителя 15, и его диаметр уменьшается выходной оптической системой 28. Затем этот усиленный узкий пульсирующий лазерный луч, параллельный оси усилителя, выводится из корпуса 22 через выходное отверстие 29.

На конце держателя 17, расположенном ближе к обрабатываемой поверхности, расположена рамка 30, в которой смонтированы несколько свободно скользящих в ней стержней 31, параллельных продольной оси X-X усилителя лазерного луча 15 и подпружиненных цилиндрическими пружинами 32 в направлении, противоположном направлению расположения этого усилителя.

Камера 16, которая выполнена в форме чашки, имеет дно 33, перпендикулярное продольной оси X-X усилителя лазерного луча и прикрепленное к концам подпружиненных стержней 31. Боковая стенка камеры 16 одной своей стороной соединяется с дном камеры, а ее свободная сторона оборудована роликами 35. Дно 33 камеры 16 имеет отверстие 36, расположенное по оси X-X. Диаметр этого отверстия немного превышает диаметр выходящего из оптической системы усилителя параллельного лазерного луча 37.

В качестве лазера 12 используется квантовый генератор оптического диапазона, позволяющий транспортировать лазерный луч при помощи волоконно-оптического кабеля. Здесь могут использоваться, в частности, квантовые генераторы типа d-VAG (длина волны излучения 1,06 мкм), рубиновый или сапфировый квантовый генератор (длина волны излучения в среднем 0,78 мкм) или лазерный аксимер (длины волны излучения 0,3 мкм). Квантовый генератор выбранного типа излучает импульсы электромагнитных колебаний продолжительностью от 10 до 30 нс. Этот квантовый генератор 12 и усилитель лазерного луча 15 регулируется таким образом, чтобы получать на выходе усиленный лазерный луч 37, энергия которого в импульсе составляет от 0,3 до 5 джоулей и даже более, а плотность энергии достигает от 1,0 до 15 Дж/см².

В процессе функционирования предлагаемого дезактивационного устройства ролики 35 прижимаются к обрабатываемой поверхности с радиоактивным загрязнением под действием силы, определяемой параметрами пружин 32. В представленном на фиг. 2 примере этой поверхностью является перегородка 4 водяной рубашки парогенератора.

Защитный или специальный активный газ постоянно вентилирует внутреннюю полость камеры 16 и пульсирующий или импульсный лазерный луч, сформированный в квантовом генераторе 12, переданный в радиоактивную зону по волоконно-оптическому кабелю 18 и усиленный в устройстве 15, непосредственно направляется в форме параллельного пучка 37 на обрабатываемую загрязненную поверхность перпендикулярно к ней. В результате перемещения держателя 17 при помощи робота 21 могут быть обработаны все поверхности внутренней полости водяной рубашки парогенератора, имеющие радиоактивное загрязнение и требующие дезактивации.

Названная выше величина используемой в данном случае плотности энергии выбирается таким образом, чтобы обеспечить соответствующее тепловое проникновение на всю толщину или на часть толщины, по меньшей мере, подлежащего удалению слоя радиоактивных оксидов. При этом каждый лазерный импульс создает ударную волну в этом слое. Использование в процессе дезактивации с помощью лазерного луча нейтрального или раскисляющего (восстанавливающего) газа продувки уменьшает степень окисления очищаемой поверхности, тогда как использование активного газа, например, кислорода, позволяет увеличить толщину слоя оксидов, затрагиваемую воздействием направленных на этот слой лазерных импульсов. Таким образом, выбор конкретного газа, используемого для продувки рабочей зоны устройства дезактивации с использованием лазерного луча, должен осуществляться в зависимости от конкретных условий в каждом случае применения предлагаемой установки.

Использование многофункционального волоконно-оптического кабеля для транспортировки не усиленного специально лазерного луча обеспечивает существенное преимущество, связанное с распределением энергии в луче на выходе их упомянутого выше кабеля, а значит и на уровне рабочего пятна этого луча на обрабатываемой поверхности. Действительно, в этом случае распределение энергии оказывается практически постоянным на всей площади рабочего пятна этого лазерного луча. Это распределение графически представляется в форме почти прямоугольного зубца, тогда как график распределения энергии в лазерном луче в случае его передачи на значительное расстояние по воздуху имеет выраженный центральный пик или максимум. Необходимо, однако, чтобы используемое в данном случае для транспортировки лазерного луча оптическое волокно имело достаточно большую длину с тем, чтобы гомогенизация энергии была корректной. Эта длина должна составлять, по меньшей мере, 15 метров. При использовании по тем или иным причинам оптического волокна меньшей длины можно в некоторых случаях применить в квантовом генераторе 12 так называемое гауссово зеркало, известное само по себе и обеспечивающее достаточно равномерное распределение энергии в лазерном луче.

Совершенно очевидно, что, чем более равномерное распределение энергии в луче удается обеспечить, тем более эффективно может работать такая дезактивационная установка, причем при меньшей мощности используемого квантового генератора, что является несомненным преимуществом.

Использование усилителя квантового луча 15, расположенного в непосредственной близости дезактивируемой поверхности, обеспечивает также многочисленные преимущества предлагаемого способа и оборудования для его практической реализации:
квантовый генератор или лазер 12 располагается за пределами зоны радиоактивного загрязнения,
лазерный луч от генератора 12 может быть транспортирован с помощью оптического волокна в зону, находящуюся в непосредственной близости от обрабатываемой поверхности, с использованием уже упомянутых выше преимуществ именно такой передачи лазерного луча. Использование этих преимуществ может оказаться под вопросом в том случае, если вся необходимая для эффективной обработки загрязненной поверхности энергия будет излучаться непосредственно квантовым генератором 12, из-за того, что возможности передачи мощности лазерного луча волоконно-оптическими средствами ограничены,
весьма существенным преимуществом данного способа лазерной дезактивации и устройства для его практической реализации является то обстоятельство, что расстояние между обрабатываемой поверхностью и выходным отверстием 29 лазерного луча из усилителя не является критической величиной и поддерживать это расстояние строго постоянным нет необходимости, поскольку лазерный луч 37 является существенно параллельным лучом и падает он на обрабатываемую поверхность перпендикулярно к ней.

Другой вариант практической реализации внутренней аппаратуры лазерной дезактивационной установки 9A представлен на фиг. 3. Этот вариант отличается от внутренней аппаратуры 9, показанной на фиг. 2, тем, что держатель 17 устроен таким образом, что ось X-X усилителя лазерного луча располагается параллельно к обрабатываемой поверхности. Соответственно, подпружиненные стержни 31 располагаются перпендикулярно к этой оси. Кроме того, на том же держателе 17 закреплено зеркало 38, отражающая поверхность которого наклонена под углом 45^o и обеспечивает поворот лазерного луча, выходящего из усилителя, к расположенному напротив этого зеркала отверстию 36 рабочей камеры 16. Показанный на фиг. 3 вариант практической реализации лазерной установки в соответствии с предлагаемым изобретением функционирует так же, как было описано выше. Это вариант конструктивного построения установки применяется, в частности, при работе с лазером в пространствах ограниченных габаритов, например, для осуществления дезактивации стенок первичных трубопроводов.

Вариант конструктивного построения дезактивационной лазерной установки, показанный на фиг. 3, может быть модифицирован следующим образом: конструктивный узел, содержащей рабочую камеру 16, подпружиненные стержни 31 и зеркало 38, может быть связан с держателем 17 посредством другого, промежуточного, держателя, закрепленного подвижным образом на упомянутом выше держателе 17 и способного совершать поступательное и /или вращательное движение относительно оси X-X усилителя лазерного луча. Таким образом, для каждого положения усилителя, определяемого положением держателя 17, можно обеспечить эффективную обработку достаточно протяженной зоны поверхности при любой ее форме.

В отличие от описанных выше средств продувки рабочей зоны дезактивационной лазерной установки в соответствии с предлагаемым изобретением нейтральным или активным газом для отсоса продуктов обработки загрязненной поверхности на фиг. 4 показаны другие средства захвата частиц радиоактивных оксидов, оторванных от обрабатываемой поверхности воздействием лазерного луча. В этом случае речь идет об электроде 39, удерживаемом параллельно обрабатываемой поверхности с помощью специальных распорок, не показанных на приведенном рисунке. В этом электроде выполнено отверстие 40, сквозь которое проходит лазерный луч 37. На этом электроде от источника электропитания 41 создается высокий электрический потенциал относительно обрабатываемой поверхности. При этом частицы радиоактивных оксидов, оторванные от обрабатываемой поверхности воздействием лазерного луча и ионизированные им, притягиваются к упомянутому выше электроду 39.

Использование: изобретение относится к способу работы с лазером в зоне радиоактивного загрязнения ядерной установки и устройству для его осуществления. Сущность: в соответствии с предлагаемым способом за пределами зоны радиоактивного загрязнения осуществляется формирование пульсирующего или импульсного лазерного луча в оптическом квантовом генераторе, этот лазерный луч транспортируется затем в зону, находящуюся в непосредственной близости от упомянутой выше поверхности, и в этой зоне упомянутой выше импульсный или пульсирующий лазерный луч усиливается специальным усилителем, после чего этот луч направляется на упомянутую выше поверхность. Способ и устройство, предлагаемые данным изобретением, могут быть использованы, в частности, для осуществления дезактивации внутренних поверхностей первичного контура охлаждения водо- водяных ядерных реакторов. 2 с. и 11 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ дезактивации поверхности, расположенной в зоне радиоактивного загрязнения ядерной установки, включающий обработку поверхности импульсным лазерным лучом, отличающийся тем, что импульсный лазерный луч формируют за пределами зоны радиоактивного загрязнения, транспортируют указанный луч с помощью оптического волокна в рабочую зону, находящуюся в непосредственной близости от дезактивируемой поверхности, и в этой зоне указанный луч усиливают посредством усилителя и направляют усиленный лазерный луч на дезактивируемую поверхность, причем лазерный луч после усиления имеет в импульсном режиме энергию 0,3 5,0 Дж или более, длительность 10 30 нс, а плотность энергии 1 15 Дж/см². 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что усиленный лазерный луч направляют на дезактивируемую поверхность посредством отражающего зеркала. 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что в рабочую зону в период работы лазера подают защитный или активный газ. 4. Способ по одному из пп.1 3, отличающийся тем, что ограничивают рабочую зону и в период работы лазера откачивают газ, содержащийся в ограниченной зоне. 5. Способ по одному из пп.1 4, отличающийся тем, что параллельно указанной поверхности размещают электрод с отверстием, пропускают через отверстие электрода усиленный лазерный луч и между указанным электродом и указанной поверхностью создают электрическое поле. 6. Устройство для дезактивации лазером поверхности, находящейся в зоне радиоактивного загрязнения ядерной установки, включающее генератор импульсного лазерного луча, оптически связанный с поверхностью, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит усилитель лазерного луча и оптическое волокно для транспортировки импульсного лазерного луча до входа указанного усилителя, при этом в качестве генератора использован оптический квантовый генератор типа Nd YAG или сапфировый квантовый генератор или лазерный эксимер, причем генератор расположен за пределами зоны радиоактивного загрязнения и связан с усилителем посредством оптического волокна, которое имеет длину по меньшей мере 15 м, а усилитель снабжен средством для перемещения усилителя параллельно указанной поверхности в непосредственной близости от нее. 7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что генератор импульсного лазерного луча снабжен гауссовым отражательным зеркалом. 8. Устройство по п.6 или 7, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит отражательное зеркало, установленное на выходе усилителя. 9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что отражательное зеркало выполнено подвижным относительно усилителя. 10. Устройство по п. 6 или 7, отличающееся тем, что оно дополнительно включает ограничительную камеру, выполненную с возможностью перемещения совместно с указанным усилителем и оборудованную средствами откачки. 11. Устройство по п.9, отличающееся тем, что оно дополнительно включает ограничительную камеру, выполненную с возможностью перемещения совместно с зеркалом и оборудованную средствами откачки. 12. Устройство по п.10 или 11, отличающееся тем, что ограничительная камера снабжена средствами подачи в нее защитного или активного газа. 13. Устройство по пп.6-12, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит электрод, имеющий отверстие и средства для создания электрического поля между электродом и указанной поверхностью, при этом электрод установлен параллельно указанной поверхности и выполнен подвижным совместно с усилителем.