СПОСОБ УДАЛЕНИЯ РАДИОАКТИВНОЙ ПЛЕНКИ С ПОВЕРХНОСТЕЙ ОБЪЕКТА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2003 года по МПК G21F9/00 B23K26/12 

Изобретение относится к области лазерной технологии и может быть использовано при дезактивации металлических конструкций и трубопроводов АЭС при снятии их с эксплуатации.

Известен способ очистки (дезактивации) материалов, включающий подачу лазерного излучения на обрабатываемую поверхность изделия в нейтральной газовой среде с давлением от 10 до 40 атм. [1].

Известен способ очистки (дезактивации) поверхности материалов, включающий облучение поверхности с удалением продуктов испарения с обрабатываемой поверхности потоком газа, направление движения которого совпадает с направлением очистки поверхности материала [2].

Недостатком приведенных технических решений является низкая производительность.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) к предлагаемому изобретению является способ удаления радиоактивной пленки с поверхностей объекта, преимущественно плоской формы, включающий смывание потоком жидкости загрязненной поверхности объекта, формирование пучка лазерного излучения и последующее сканирование сформированным пучком по загрязненной поверхности объекта через слой омывающей жидкости в направлении, поперечном направлению потока.

Устройство для реализации данного способа содержит размещенные в корпусе генератор лазерного излучения, систему для подачи омывающей жидкости на объект, включающую емкость, гидронасос, подключенный выходом через фильтрующее устройство к емкости, устройство для перемещения объекта, первое устройство отклонения пучка лазерного излучения, первое зеркало, а также блок управления, к которому подключены генератор лазерного излучения, гидронасос и первое устройство отклонения пучка лазерного излучения [3].

Недостатками вышеуказанных механических решений являются:
1. Пониженное качество удаления радиоактивной пленки (т.к. край объекта со стороны подачи омывающей жидкости практически очистить невозможно);
2. Повышенные энергозатраты при очистке объекта, связанные с тем, что на боковых краевых участках объекта "эффективное пятно" лазерного излучения имеет большую площадь, чем в средней части объекта (т.к. пучок лазерного излучения подается не нормально к обрабатываемой поверхности) и для достижения необходимой плотности излучения необходимо повышение интенсивности источника излучения;
3. Пониженная производительность, связанная с тем, что за один цикл можно обрабатывать только лишь одну поверхность объекта.

С помощью предлагаемых технических решений достигается новый технический результат, заключающийся в повышении качества удаления радиоактивной пленки, снижение энергозатрат и повышение производительности.

В соответствии с предлагаемым изобретением технический результат достигается тем, что в способе удаления радиоактивной пленки с поверхности объекта, преимущественно плоской формы, включающем омывание потоком жидкости загрязненной поверхности объекта, формирование пучка лазерного излучения и последующее сканирование сформированным пучком по загрязненной поверхности объекта через слой омывающей жидкости в направлении, поперечном направлению ее потока, дополнительно сформированный пучок лазерного излучения разделяют на два пучка равной интенсивности, полученные пучки подают встречнонаправленно на противоположные поверхности объекта и, при сканировании пучками по поверхностям объекта, последний перемещают в направлении, противоположном потоку омывающей жидкости, при этом омывание объекта потоком жидкости осуществляют в полном объеме.

Кроме того, перед разделением сформированного пучка лазерного излучения осуществляют его коллимирование.

Кроме того, пучки лазерного излучения подают нормально к поверхностям объекта.

Кроме того, скорость перемещения объекта выбирают из условия

где N - частота сканирования;
L - размер эффективного пятна лазерного излучения на поверхностях объекта в направлении его перемещения.

Устройство для удаления радиоактивной пленки с поверхности объекта содержит размещенные в корпусе генератор лазерного излучения, гидросистему для подачи омывающей жидкости на объект, включающую емкость, гидронасос, подключенный выходом через фильтрующее устройство к емкости, устройство для перемещения объекта, первое устройство отклонения пучка лазерного излучения, первое зеркало, а также блок управления, к которому подключены генератор лазерного излучения, гидронасос и первое устройство отклонения пучка лазерного излучения, причем устройство снабжено расширителем пучка лазерного излучения, светоделительной призмой, вторым зеркалом и вторым устройством отклонения пучка лазерного излучения, подключенным к блоку управления, гидросистема дополнительно содержит кювету для размещения объекта, вход которой гидравлически связан с выходом емкости, выход с входом гидронасоса, причем кювета со стороны, противоположной ее выходу, выполнена открытой для прохода объекта, при этом на противоположных стенках кюветы предусмотрены прозрачные окна, выполненные в виде фокусирующих цилиндрических линз, фокальные оси которых ориентированы вдоль направления потока омывающей жидкости, причем первое и второе устройства отклонения пучков лазерного излучения расположены напротив окон кюветы, а оси качения их светоотражающих элементов совмещены с фокальными осями окон кюветы, расширитель пучка лазерного излучения и светоделительная призма последовательно установлены на выходе генератора лазерного излучения, а отражающие поверхности светоделительной призмы оптически сопряжены через первое и второе зеркала со светоотражающими элементами первого и второго устройств отклонения пучков лазерного излучения.

Кроме того, устройство дополнительно содержит оптронную пару, элементы которой расположены на противоположных стенках кюветы в области ее прозрачных окон.

Кроме того, в полости кюветы предусмотрены направляющие для ориентации объекта.

Кроме того, направляющие для ориентации объекта выполнены в виде пальцев, установленных с возможностью перемещения ортогонально потоку омывающей жидкости с последующей фиксацией их положения.

Кроме того, на концах пальцев установлены подпружиненные тела вращения шарообразной формы.

Кроме того, внутренняя полость кюветы выполнена прямоугольной формы в сечении, нормальном направлению потока омывающей жидкости.

Кроме того, в кювете со стороны ее открытого конца предусмотрены откидные створки, концы которых выполнены из эластичного материала.

Кроме того, прозрачные окна кюветы смещены относительно друг друга вдоль потока омывающей жидкости на величину

где l - линейный размер отражающих элементов устройств отклонения пучков лазерного излучения в направлении, ортогональном плоскости сканирования.

Кроме того, устройство для перемещения объекта выполнено в виде вентильного электродвигателя, подключенного к блоку управления и взаимодействующего через редуктор с валом вращающегося барабана, связанным с объектом посредством гибкой связи, в виде тросика круглого сечения.

Кроме того, барабан установлен на валу и зафиксирован от проворота относительно последнего.

Кроме того, на валу вмонтирована шпонка, размещенная в шпоночном пазу, выполненном в барабане, причем на последнем предусмотрен осевой резьбовой выступ, установленный в резьбовом отверстии, выполненном в корпусе.

Кроме того, диаметр гибкой связи барабана с объектом равен шагу резьбы резьбового выступа барабана и резьбового отверстия корпуса.

Рассмотрим реализацию предлагаемого способа с помощью графических материалов, где на фиг.1 изображен поперечный разрез устройства для осуществления способа в плоскости сканирования пучков лазерного излучения; на фиг.2 - сечение А-А на фиг. 1; на фиг.3 - узел I на фиг.2; на фиг.4 - продольное сечение кюветы со смещенными относительно друг друга ее прозрачными окнами; на фиг. 5 - осевое сечение барабана устройства для перемещения объекта; на фиг. 6 - эффективное пятно лазерного излучения на загрязненных поверхностях объекта при их очистке (дезактивации); на фиг.7 - устройство для перемещения объекта, выполненное в виде ведомых и ведущих упругих роликов.

Устройство для удаления радиоактивной пленки с поверхностей объекта содержит размещенные в корпусе 1 генератор лазерного излучения 2, коллиматор 3, светоотделительную призму 4, оптически сопряженную своими светоделительными поверхностями через первое 5 и второе 6 зеркала с первым 7 и вторым 8 устройствами отклонения световых пучков, выполненных в виде одноосных сканеров (для увеличения плотности излучения между зеркалами 5 и 6 и сканерами 7 и 8 могут быть установлены устройства сужения световых пучков в виде коллиматоров 9 и 10, повернутых своими объективами в сторону зеркал 5, 6).

Устройство также содержит гидросистему для подачи омывающей жидкости 11 на обрабатываемый объект 12, включающую емкость 13 (см. фиг.2), выход которой гидравлически связан с входом кювета 14, выполненной с внутренней полостью прямоугольной формы в плоскости сканирования (в сечении, нормальном потоку омывающей жидкости 11), а выход кюветы 14 через гидронасос 15 и фильтрующее устройство 16 гидравлически связан с входом емкости 13. Кювета 14 со стороны, противоположной ее выходу, выполнена открытой для прохода объекта 12, при этом на противоположных стенках кюветы 14 (со сторон обрабатываемых поверхностей объекта 12) предусмотрены прозрачные окна 16 и 17 в виде фокусирующих цилиндрических линз, фокальные оси F₁ и F₂ которых ориентированы вдоль направления потока омывающей жидкости 12, причем устройство отклонения световых пучков 7 и 8 расположены напротив окон 16 и 17 кюветы 14, а оси качания их светоотражающих элементов совмещены с фокальными осями F₁ и F₂ окон 16 и 17 кюветы 14.

Для перемещения объекта 12 устройство содержит привод 18 в виде вентильного электродвигателя 19, взаимодействующего через редуктор 20 с валом 21, барабана 22, связанного с объектом 12 посредством гибкой связи в виде тросика 23 круглого сечения. Барабан 22 установлен на валу 21 (см. фиг.2, 5) и зафиксирован от проворота посредством шпонки 24, расположенной в шпоночном пазу 25 барабана 21, при этом на последнем предусмотрен осевой резьбовой выступ 26, взаимодействующий с резьбовым отверстием 27 корпуса 1, причем шаг резьбы выступа 26 и отверстия 27 равны диаметру гибкой связи 22.

Для ориентации объекта 12 в полости кюветы 14 на боковых стенках последней со стороны ее окон 16 и 17 предусмотрены направляющие в виде резьбовых пальцев 28, установленных с возможностью перемещения ортогонально направлению потока жидкости 11 с последующей фиксацией их положения с помощью гаек 29. Для уменьшения трения на концах пальцев 28 установлены тела качения 30 шарообразной формы, подпружиненные в осевом направлении с помощью упругих элементов 31 (см. фиг.3).

Для обеспечения автоматического отключения системы в кювете 14 предусмотрена оптронная пара в виде светодиода 32 и фотодиода 33, расположенных на противоположных стенках кюветы 14 в области ее окон 16 и 17.

Со стороны открытого конца кюветы 14 для уменьшения расхода омывающей жидкости 11 установлены откидные створки 34, концы которых армированы эластичным материалом.

Контроль за системой осуществляется с блока управления 35, подключенного к генератору лазерного излучения 2, устройствам отклонения световых пучков лазерного излучения 7, 8, гидронасосу 15 вентильному электродвигателю 19 и фотодиоду 33 оптронной пары.

Для исключения "подгорания" светоотражающих поверхностей (в результате наложения световых пучков при окончании процесса дезактивации) прозрачные окна 16, 17 кюветы 14 и сканеры 7, 8 могут быть смещены относительно друг друга вдоль направления потока омывающей жидкости 11 на величину

где l - линейный размер отражающих элементов сканеров 7, 8 (устройств отклонения пучков лазерного излучения) в направлении, ортогональном плоскости сканирования (см. фиг.4).

Необходимо отметить, что устройство для перемещения объекта 12 может быть выполнено в виде рядов пар эластичных роликов 34, 35, взаимодействующих с объектом 12 по его обрабатываемым поверхностям и установленных на осях 35, 37 (см. фиг.7), причем левые ряды роликов 36 подключены к приводу, а правые ряды 37 подпружинены в сторону объекта 12 с усилием "Р" (на фиг.7 условно не показано).

Для исключения "провала" объекта 12 в сторону выхода кюветы 14 в последней предусмотрена пара стержней 38, закрепленных концами в стенках кюветы 14.

Реализация способа по приведенной схеме осуществляется следующим образом.

Перед началом рабочего цикла, створки 34 кюветы 14 откидываются, занимая положение, показанное на фиг.2 пунктиром, затем объект 12, связанный гибкой связью 23 с барабаном 22, опускают в полость кюветы 14 (положение S₁ на фиг. 2), после чего створки 34 возвращают в исходное положение. При опускании объекта 12 в полость кюветы 14 с блока управления 35 подается сигнал на реверсивный ход моментного электродвигателя 19, который через редуктор 20 приводит во вращение вал 21 барабана 22, чем достигается сматывание гибкой связи (тросика) 23, при этом барабан 22 перемещается в право (см. фиг.2, 5).

Затем с блока управления 35 подается команда на запуск генератора лазерного излучения 2 (см. фиг.1) и гидронасоса 15 (см. фиг.2), обеспечивающего циркуляцию жидкости 11 по замкнутому контуру (емкость - кювета - гидронасос - фильтрующее устройство - емкость) и смывание объекта 2 в полном объеме.

Пучок лазерного излучения, сформированный в генераторе 2, расширяют с помощью коллиматора 3, затем разделяют на два пучка равной интенсивности с помощью светоделительной призмы 4, полученные пучки подают на зеркала 5, 6 и после их сужения (для повышения плотности излучения) в коллиматорах 9, 10 подают на устройства их отклонения 7, 8, которые производят сканирование пучков в плоскости, ортогональной направлению потока омывающей жидкости 11.

Пучки с устройств 7, 8 встречно-направленно подают через прозрачные окна в виде фокусирующих цилиндрических линз 16, 17 кюветы 14 на обрабатываемые поверхности объекта 12. Т.к. фокальные оси F₁ и F₂ цилиндрических линз 16, 17 совмещены с осями качения отражающих элементов сканеров 7, 8 и направлены вдоль потока омывающей жидкости 11, то эффективные пятна 39 лазерного излучения в любых точках на обрабатываемых поверхностях объекта 12 будут одинаковы (по форме и размерам) за счет подачи сканирующих пучков нормально к обрабатываемым поверхностям (см. фиг.1).

Одновременно с подачей пучков сканирующего излучения на электродвигатель 19 подается команда на его обратный ход. При этом обеспечивается равномерное перемещение объекта 12 в сторону, противоположную направлению потока жидкости 11, равномерность перемещения достигается за счет перемещения барабана 22 влево (см. фиг.2, 5), при этом последний своим пазом 25 будет скользить относительно шпонки 24 вала 21, а гибкая связь 25 (тросик) будет наматываться в один слой "виток к витку" на барабан 22 за счет равенства шагов резьбы отверстия 27 корпуса 1, осевого выступа 26 и диаметра тросика 23.

Для обеспечения воздействия лазерного излучения по всей площади обрабатываемых поверхностей объекта 12 скорость перемещения V последнего выбирают из условия:

где N - частота сканирования, а L - размер эффективного пятна лазерного излучения на поверхностях объекта в направлении его перемещения.

Продукты, получаемые при разрушении радиоактивной пленки с поверхностей объекта 12, увлекаются потоком жидкости 11 и отфильтровываются в устройстве 16.

После выхода объекта 12 из зоны облучения (положение S₂, фиг.2) и получения с фотодиода 33 сигнала с блока управления 35 подается команда на отключение генератора 2 и гидронасоса 14, а после выхода объекта 12 из кюветы 14 на отключение электродвигателя 19. Обработанный объект освобождают отгибкой связи и складируют.

Следует отметить, что при выходе из кюветы объекта 12 створки 34, взаимодействуя своими эластичными концами с обработанными поверхностями объекта 12, осуществляют удаление омывающей жидкости 11, адгезированной на поверхностях объекта 12.

После обработки ряда объектов при достижении уровня радиоактивной загрязненности выше допустимой омывающая жидкость сливается, гидросистема промывается и после замены фильтрующего устройства заполняется вновь.

Из вышеприведенного следует, что предложенные технические решения имеют преимущества по сравнению с известными, а именно:
1. повышается качество удаления радиоактивной пленки, т.к. поверхности объекта очищаются по всей площади, включая и краевые участки;
2. понижаются энергозатраты за счет подачи сканирующих пучков нормально к поверхности всей площади очищаемых поверхностей (что обеспечивает стабильный размер и форму эффективного пятна лазерного излучения);
3. повышается производительность в два раза за счет одновременной обработки двух поверхностей объекта (при одностороннем загрязнении объекта, обработке могут подвергаться два изделия одновременно, повернутые друг к другу "чистыми" поверхностями).

Следовательно, предложенный способ и устройство для его осуществления при использовании дают новый технический результат, заключающийся в повышении качества удаления радиоактивной пленки, снижении энергозатрат и повышении производительности.

По материалам заявки в данное время на предприятии изготовлен макетный образец устройства, который при испытаниях подтвердил достижение вышеуказанного технического результата.

Источники информации
1. Авт. св. СССР 1127775, МКИ В 28 D 1/00, В 23 К 7/06.

2. Патент РФ 2104846, МПК В 23 К 26/14, 26/16, 1996 г.

3. Патент Франции 2700882, МПК G 21 F 9/30, 1993 г. (прототип).

Изобретение относится к области лазерной технологии и может быть использовано при дезактивации металлических конструкций и трубопроводов АЭС при снятии их с эксплуатации. Способ удаления радиоактивной пленки с поверхности объекта включает в себя омывание потоком жидкости загрязненной поверхности объекта, формирование пучка лазерного излучения и последующее сканирование сформированным пучком по загрязненной поверхности объекта через слой омывающей жидкости в направлении, поперечном направлению ее потока, при этом сформированный пучок лазерного излучения разделяют на два пучка равной интенсивности, полученные пучки подают встречно-направленно на противоположные поверхности объекта и, при сканировании пучками по поверхностям объекта, последний перемещают в направлении, противоположном потоку омывающей жидкости, причем омывание объекта потоком жидкости осуществляют в полном объеме. Устройство для реализации способа дополнительно снабжено расширителем пучка лазерного излучения, светоделительной призмой, вторым зеркалом и вторым устройством отклонения пучка лазерного излучения, подключенным к блоку управления, гидросистема дополнительно содержит кювету для размещения объекта, вход которой гидравлически связан с выходом емкости, выход с входом гидронасоса, причем кювета со стороны, противоположной ее выходу, выполнена открытой для прохода объекта, при этом на противоположных стенках кюветы предусмотрены прозрачные окна, выполненные в виде фокусирующих цилиндрических линз, фокальные оси которых ориентированы вдоль направления потока омывающей жидкости. Технический результат, достигаемый при реализации изобретения, заключается в повышении качества удаления радиоактивной пленки, снижении энергозатрат и повышении производительности. 2 с. и 14 з.п.ф-лы, 7 ил.

1. Способ удаления радиоактивной пленки с поверхностей объекта, преимущественно плоской формы, включающий омывание потоком жидкости загрязненной поверхности объекта, формирование пучка лазерного излучения и последующее сканирование сформированным пучком по загрязненной поверхности объекта через слой омывающей жидкости в направлении, поперечном направлению ее потока, отличающийся тем, что сформированный пучок лазерного излучения разделяют на два пучка равной интенсивности, полученные пучки подают встречно-направленно на противоположные поверхности объекта и, при сканировании пучками по поверхностям объекта, последний перемещают в направлении, противоположном потоку омывающей жидкости, при этом омывание объекта потоком жидкости осуществляют в полном объеме. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что перед разделением сформированного пучка лазерного излучения осуществляют его коллимирование. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что пучки лазерного излучения подают нормально к поверхностям объекта. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что скорость перемещения объекта выбирают из условия

где N - частота сканирования;
L - размер эффективного пятна лазерного излучения на поверхностях объекта в направлении его перемещения. 5. Устройство для удаления радиоактивной пленки с поверхностей объекта, содержащее размещенные в корпусе генератор лазерного излучения, гидросистему для подачи омывающей жидкости на объект, включающую емкость, гидронасос, подключенный через фильтрующее устройство к емкости, устройство для перемещения объекта, первое устройство отклонения пучка лазерного излучения, первое зеркало, а также блок управления, к которому подключены генератор лазерного излучения, гидронасос и первое устройство отклонения пучка лазерного излучения, отличающееся тем, что оно снабжено расширителем пучка лазерного излучения, светоделительной призмой, вторым зеркалом и вторым устройством отклонения пучка лазерного излучения, подключенным к блоку управления, гидросистема дополнительно содержит кювету для размещения объекта, вход которой гидравлически связан с выходом емкости, выход - с входом гидронасоса, причем кювета со стороны, противоположной ее выходу, выполнена открытой для прохода объекта, при этом на противоположных стенках кюветы предусмотрены прозрачные окна, выполненные в виде фокусирующих цилиндрических линз, фокальные оси которых ориентированы вдоль направления потока омывающей жидкости, причем первое и второе устройства отклонения пучков лазерного излучения расположены напротив окон кюветы, а оси качения их светоотражающих элементов совмещены с фокальными осями окон кюветы, расширитель пучка лазерного излучения и светоделительная призма последовательно установлены на выходе генератора лазерного излучения, а отражающие поверхности светоделительной призмы оптически сопряжены через первое и второе зеркала со светоотражающими элементами первого и второго устройств отклонения пучков лазерного излучения. 6. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит оптронную пару, элементы которой расположены на противоположных стенках кюветы в области ее прозрачных окон и подключены к блоку управления. 7. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что в полости кюветы предусмотрены направляющие для ориентации объекта. 8. Устройство по п. 5 или 7, отличающееся тем, что направляющие для ориентации объекта выполнены в виде пальцев, установленных с возможностью перемещения ортогонально потока омывающей жидкости с последующей фиксацией их положения. 9. Устройство по п. 8, отличающееся тем, что на концах пальцев установлены подпружиненные тела вращения шарообразной формы. 10. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что внутренняя полость кюветы выполнена прямоугольной формы в сечении, нормальном направлению потока омывающей жидкости. 11. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что в кювете со стороны ее открытого конца предусмотрены откидные створки, концы которых выполнены из эластичного материала. 12. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что прозрачные окна кюветы смещены относительно друг друга вдоль потока омывающей жидкости на величину

где l - линейный размер отражающих элементов устройств отклонения пучков лазерного излучения в направлении, ортогональном плоскости сканирования. 13. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что устройство для перемещения объекта выполнено в виде вентильного электродвигателя, подключенного к блоку управления и взаимодействующего через редуктор с валом вращающегося барабана, связанным с объектом посредством гибкой связи в виде тросика круглого сечения. 14. Устройство по п. 13, отличающееся тем, что барабан установлен на валу и зафиксирован от проворота относительно последнего. 15. Устройство по п. 5 или 14, отличающееся тем, что на валу вмонтирована шпонка, размещенная в шпоночном пазу, выполненном в барабане, причем на последнем предусмотрен осевой резьбовой выступ, установленный в резьбовом отверстии, выполненном в корпусе. 16. Устройство по п. 13 или 15, отличающееся тем, что диаметр гибкой связи барабана с объектом равен шагу резьбы резьбового выступа барабана и резьбового отверстия корпуса.