СПОСОБ ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТИ ОБЪЕКТА, ЗАГРЯЗНЕННОГО РАДИОНУКЛИДАМИ Российский патент 1998 года по МПК G21F9/30 

Изобретение относится к области методов обработки поверхности, в частности поверхности, загрязненной радионуклидами.

В ядерной промышленности поверхности объектов, включающих механические узлы и конструкционные элементы, могут загрязняться радионуклидами, такими как кобальт-60, цезий-137 или стронций-90 или радиоактивными соединениями, такими как PuO₂ или UO₂. Обычная практика обработки этих поверхностей включает использование химических реагентов и струйную обработку абразивными материалами. Однако загрязняющие радионуклиды могут глубоко проникать в участки на поверхности узлов или конструкционных элементов и создавать трудности при их удалении в случае использования этих известных способов обработки поверхности.

Другими исследователями был опробован ряд альтернативных способов обработки поверхности. Один из них описан в Европейском патенте N EP 91646 A1, в котором приводится способ удаления оксида радиоактивного металла с поверхности радиоактивного узла с помощью лазерного луча, направленного на поверхность. В патенте Великобритании N GB 2242060 A бетонную поверхность, загрязненную тритием, обрабатывают путем воздействия ВЧ излучением с целью испарить в поверхности воду, тем самым удаляя тритий. Германский патент N DE 3500750 A описывает способ удаления с поверхности железобетона радиоактивно загрязненных слоев бетона путем индуктивного нагрева металлического каркаса, находящегося внутри конструкции. В следующем методе, который описывается в Патенте Японии N JP 3002595 A, радиоактивно загрязненные слои бетона удаляют, подвергая поверхность воздействию ВЧ излучения.

Во всех указанных альтернативных способах обработки радиоактивные загрязнения удаляются с поверхности или же удаляется сама загрязненная поверхность. Вследствие самой природы этих способов обработки загрязнения переносятся в воздушную фазу, требуя дополнительного применения технологии их выделения, что приводит к дальнейшим усложнениям и затратам.

В соответствии с настоящим изобретением предлагается способ обработки поверхности, загрязненной радионуклидами, состоящий, с целью закрепления или герметичного изолирования радионуклидов на поверхности, в перемещении по поверхности локального участка интенсивного теплового излучения.

Как указывалось ранее, упомянутые выше альтернативные методы обработки используются для удаления загрязнений с поверхности или удаления поверхностного слоя, содержащего загрязнения. Ни в одном из этих упомянутых выше методов не предлагается способ, в котором достигалось бы закрепление или герметичное изолирование загрязнений на поверхности, как это предлагается в настоящем изобретении. Настоящее изобретение позволяет осуществить более простую и дешевую обработку.

Желательно в соответствии с настоящим изобретением использовать источник интенсивного теплового излучения с уровнем энергии не менее 150 Вт/см². Предпочтительно использовать в качестве источника интенсивного теплового излучения лазер или осуществлять передачу теплового излучения от лазера с помощью волоконно-оптического кабеля.

Перемещение по поверхности локального участка интенсивного теплового излучения можно осуществлять, например в виде X - Y растра, перемещая объект, поверхность которого подвергается обработке, и/или перемещая источник интенсивного теплового излучения. Относительно большие площади обработки достигаются при перекрывании путей перемещения объекта и/или источника интенсивного теплового излучения.

Загрязненная поверхность может представлять собой слой, закрепленный на объекте, например краску, или же пластиковое покрытие, например эпоксидный слой.

По крайней мере один слой покровного материала может быть нанесен перед или после воздействия интенсивным источником теплового излучения для закрепления или герметичного изолирования радионуклидов на объекте или внутри него путем расплавления покровного материала и формирования связей покровного материала с поверхностью субстрата или же формирования сплавленного слоя, состоящего из покровного материала и материала указанного субстрата. Примерами покровных материалов являются стекло, металл, керамика, пуццолан, шамот или смесь указанных материалов. Для закрепления покрытия на поверхности могут потребоваться дополнительные обработки источником интенсивного теплового излучения.

В случае применения изобретения для обработки металлической поверхности локальный участок интенсивного теплового излучения вызывает локальное плавление поверхности, которая позже по мере перемещения локального участка интенсивного теплового излучения вдоль поверхности застывает. Плавление и последующее затвердевание в приповерхностном слое приводят к закреплению радионуклидов в металле и могут способствовать залечиванию локальных дефектов на поверхности, таких как поры и трещины.

Изобретение далее иллюстрируется примером, который приводится лишь в качестве пояснения к прилагаемым фигурам, где:
на фиг. 1 - боковой поперечный разрез для случая применения способа по настоящему изобретению для обработки металлического объекта;
на фиг. 2 - вид в направлении стрелки А на фиг. 1;
на фиг. 3 - боковой поперечный разрез для случая применения способа по настоящему изобретению для обработки объекта с покрытием из бетона;
на фиг. 4 - боковой поперечный разрез для случая применения альтернативного способа обработки объекта с покрытием из бетона по настоящему изобретению; и
на фиг. 5 - боковой поперечный разрез для случая применения еще одного альтернативного способа по настоящему изобретению.

На фиг. 1 показана часть стального объекта 10 с поверхностью 12 и внутренним слоем 13, в котором находятся включения радионуклидов 14. Источник лазерного излучения 16 направлен на поверхность 12, создавая локальный участок 18 интенсивного теплового излучения на поверхности 12. Как показано на фиг. 2, источник лазерного излучения установлен таким образом, чтобы перемещаться по поверхности в виде растра, как это показано стрелками, с целью перемещения локального участка 18 интенсивного теплового излучения по поверхности 12.

В процессе обработки локальный участок 18 интенсивного теплового излучения от источника лазерного излучения 16 вызывает локальное плавление на поверхности 12 без испарения, при этом расплавленная поверхность 12 позже, по мере прохождения источника лазерного излучения 16 над поверхностью 12, застывает и тем самым закрепляет внутри себя радионуклиды 14.

В альтернативном примере использования способа по настоящему изобретению, приведенном на фиг. 3, изображен объект из бетона 50 с поверхностью 52, загрязненной радионуклидами (не показаны). На поверхность 52 наносится слой 54 герметика, который расплавляется с помощью локального участка 55 интенсивного теплового излучения от источника лазерного излучения 56, с целью закрепить радионуклиды на поверхности 52. Подходящими герметиками являются неорганическая паста, такая как жидкое стекло, металлический порошок, керамический порошок, порошок стекла, пуццолан и шамот, а также смесь указанных материалов, которые могут быть нанесены обычными способами, например пульверизацией. Использование пуццолана и шамота на бетонных поверхностях способствует их взаимодействию со свободной известью при повышенных температурах. Это приводит к образованию керамической связи покрытия с поверхностью бетона, и в результате обработки интенсивным тепловым излучением формируется практически лишенное пор покрытие. Можно наносить более чем один слой 54.

Осуществление способа по настоящему изобретению можно проводить, используя альтернативные источники теплового излучения, такие как открытое пламя, ионная плазма, ультразвук, микроволновое излучение и индуктивный нагрев, например, для плавления слой 54. Подходящими источниками лазерного излучения являются CO₂ лазер, Nd-ИАГ лазер, эксимерный лазер или полупроводниковый лазер. В качестве источника лазерного излучения предпочтителен лазер с активным кристаллом на основе неодим-иттрийалюминиевого граната (Nd-ИАГ), поскольку генерируемое им излучение можно передавать по волоконно-оптическому кабелю. Такой кабель можно легко передвигать с тем, чтобы обеспечить возможность перемещать по поверхности локальный участок интенсивного теплового излучения, энергия к которому передается от лазера.

В случае необходимости использовать подходящий герметик слой 54 может быть нанесен на небетонную поверхность, например на сталь.

Для большинства случаев применения способа по настоящему изобретению предпочтителен локальный участок интенсивного теплового излучения с удельной мощностью 150 Вт/см².

Ясно, что вместо или вместе с перемещением лазерного источника или волоконно-оптического кабеля в рассмотренных выше случаях применения способа по настоящему изобретению можно перемещать объект с загрязненной поверхностью так, чтобы его поверхность пересекала локальный участок с интенсивным тепловым излучением.

На фиг. 4 показана часть бетонного объекта 60 с поверхностью 62, загрязненной радионуклидами (не показаны). На поверхность 62 наносится первый слой 64 цементирующего материала и прикрепляется к поверхности 62 с помощью тепла от лазерного источника 66, который установлен таким образом, чтобы перемещаться по первому слою 64. Указанный слой смачивают водой в течение приблизительно одной минуты из источника воды 68 с целью предотвратить дегидратацию извести в первом слое 64 и оставляют не менее чем на двадцать четыре часа. На поверхность первого слоя 64 наносят второй слой 70 цементирующего материала, подобный первому слою 64, и тепло от лазерного источника 66 передается по второму слою 70 в виде X - Y растра с целью закрепления слоя 70 и образования стеклообразной поверхности 72.

Цементирующий материал для первого слоя 64 преимущественно состоит из смеси, оптимальные пропорции для которой составляют:
шамот - 70%
пуццолана - 10%
промышленное жидкое стекло - 20%,
а второй слой 70 преимущественно состоит из смеси, оптимальные пропорции для которой составляют:
пуццолана - 40%
пуццолан - 35%
шамот - 20%
промышленное жидкое стекло - 5%
вода -
Такой цементирующий материал должен содержать достаточное количество силиката, чтобы образовать стекло в слое 70 после его нагрева с помощью лазерного источника 66, однако при необходимости первый слой 64 и второй слой 70 могут иметь отличные друг от друга составы.

Желательно, чтобы направление сканирования лазерного источника 66 по второму слою 70 было перпендикулярно направлению сканирования лазерного источника по первому слою 64, поскольку это должно приводить к образованию более гладкой поверхности слоя 70 с улучшенным сопротивлением удару.

Некоторые преимущества в смысле увеличения сопротивления удару слоя 70 могут быть достигнуты с помощью введения в цементирующую смесь небольших количеств гранитного порошка, металлических порошков, таких как нержавеющая сталь. Небольшие добавки порошка цинка в смеси также должны приводить к более гладкой поверхности слоев 64 и 70.

Для некоторых применений толщина каждого слоя 64 и 70 в пределах от 0,5 мм до 0,8 мм может быть вполне достаточной.

Подходящие лазеры включают Electrox CO₂ лазер мощностью 2 кВт и Lumonics Nd-ИАГ лазер мощностью 400 Вт. Излучение Nd-ИАГ лазера можно передавать по оптическому волокну. Можно использовать лазерный луч с размером пятна от 4 до 8 мм. В случае необходимости поверхность, которая подвергается нагреву от источника лазерного излучения, может быть защищена завесой инертного газа, например азота или аргона.

На фиг. 5 показана часть бетонного объекта 80 с поверхностью 82, загрязненной радионуклидами (не показаны). На поверхность 82 наносится толстый слой 84 (например более 5 мм) цементирующего материала и на поверхность 84 направляется тепловое излучение от источника лазерного излучения 86 с целью образования стеклообразного покрытия (1 мм) на поверхности 88 слоя 84. Слой 84 преимущественно состоит из следующей смеси:
шамот
песок/гранит
пуццолана (небольшие количества)
промышленное жидкое стекло
вода
Использование относительно большого количества пуццолан/пуццолана поверх слоя 84 способствует образованию стеклообразного покрытия на поверхности 88.

Может быть использован лазерный источник 86, аналогичный лазерному источнику 66. Толщина слоя 84 препятствует теплу от лазерного источника 86 достигать поверхности 82 при температурах, достаточно больших (500^oC), чтобы вызвать значительную дегидратацию свободной извести в слое 84 на поверхности 82.

Перед нанесением слоя 84 на поверхность 82 можно провести предварительную тепловую обработку поверхности 82 с помощью лазерного источника 86.

Способ включает нанесение на загрязненную поверхность слоя герметичного покровного материала и последующую обработку поверхности интенсивным тепловым излучением. Для этого вдоль поверхности перемещают источник теплового излучения с удельной мощностью не менее 150 Вт/см². Герметичный покровный материал расплавляется, а после прекращения теплового излучения на поверхности материала образуется стеклообразное покрытие, которое закрепляет внутри себя радионуклиды. Преимущественно в качестве источника теплового излучения используют лазер с активным кристаллом на основе неодим-иттрийалюминиевого граната. Обработке могут быть подвергнуты поверхности из бетона или металла. Поверхностные слои могут быть выполнены из стекла, керамики, шамота и т.д. Техническим результатом изобретения является закрепление или герметичное изолирование радионуклидов на поверхности. 8 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ обработки поверхности объекта, загрязненного радионуклидами, при котором осуществляют перемещение вдоль поверхности локального участка интенсивного теплового излучения, отличающийся тем, что предварительно на поверхность наносят слой герметичного покровного материала, который расплавляют интенсивным тепловым излучением и который образует стеклообразное покрытие после прекращения воздействия теплового излучения, при этом используют интенсивность теплового излучения с удельной мощностью по меньшей мере в 150 Вт/см². 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что интенсивное тепловое излучение подают от источника, являющегося источником лазерного излучения. 3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что источник лазерого излучения включает волоконно-оптический кабель, через который передают интенсивное тепловое излучение от лазера. 4. Способ по п. 2, отличающийся тем, что используют источник лазерного излучения, состоящий из лазера с активным кристаллом на основе неодим-иттрийалюминиевого граната. 5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что интенсивное тепловое излучение передают на поверхность путем перемещения объекта относительно источника интенсивного теплового излучения. 6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что перекрывают путь перемещения источника интенсивного теплового излучения и путь перемещения объекта. 7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что поверхность представляет собой металл, при этом применяют таковое интенсивное тепловое излучение, чтобы расплавить поверхность. 8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что до обработки интенсивным тепловым излучением на поверхность наносят по крайней мере один слой герметичного покровного материала. 9. Способ по п. 8, отличающийся тем, что после обработки интенсивным тепловым излучением на поверхность наносят дополнительный слой покровного герметичного материала.