СПОСОБ УДАЛЕНИЯ РАДИОАКТИВНОЙ ПЛЕНКИ С ПОВЕРХНОСТЕЙ ОБЪЕКТА Российский патент 2008 года по МПК G21F9/28 

Изобретение относится к области обработки материалов с радиоактивным загрязнением, в частности с помощью лазера, и может быть использовано при дезактивации оборудования, поверхности которого загрязнены радионуклидами.

Известен способ дезактивации лазером загрязненной радионуклидами поверхности /1/, в котором импульсный лазерный луч формируют за пределами зоны радиоактивного загрязнения, транспортируют указанный луч с помощью оптического волокна в рабочую зону лазерной дезактивационной установки, находящуюся в непосредственной близости от дезактивируемой поверхности, а затем направляют лазерный луч на дезактивируемую поверхность. 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.

В ходе дезактивации с применением известного способа /1/ существует большая опасность радиоактивного заражения территории вне зоны обработки, т.к. продукты дезактивации транспортируются при помощи газа. Объемы использованного газа достаточно велики. Велика и возможность распространения экологически вредных продуктов очистки.

Известен также способ удаления радиоактивной пленки с поверхностей объекта, предусматривающий формирование пучка лазерного излучения и последующее сканирование сформированным пучком по загрязненной поверхности объекта через слой вещества, удаляющего радиоактивную пленку /2/.

В известном способе в качестве вещества, удаляющего радиоактивную пленку, используют слой жидкости, потоком которой омывают загрязненные поверхности объекта. Сканирование сформированным лазерным пучком по загрязненным поверхностям объекта осуществляется через слой омывающей жидкости.

Применение жидкости в качестве вещества, удаляющего радиоактивные загрязнения, является более эффективным, чем применение газа /1/, с точки зрения ограничения возможности распространения продуктов очистки и уменьшения их объема. Тем не менее, потенциальная опасность распространения экологически вредных продуктов очистки в процессе удаления радиоактивной пленки остается достаточно высокой, а количество жидких радиоактивных отходов достаточно велико. Так, например, при дезактивации крупногабаритного оборудования, объем жидких радиоактивных отходов может достигать нескольких тысяч кубических метров. Их обработка, обеспечивающая экологическую безопасность, трудоемка и требует значительных финансовых затрат.

Задачей создания предлагаемого способа является повышение эффективности процесса удаления радиоактивной пленки за счет уменьшения потенциальной опасности радиоактивного заражения в процессе дезактивации при одновременном уменьшении объемов продуктов дезактивации.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе удаления радиоактивной пленки с поверхностей объекта, включающем формирование пучка лазерного излучения и последующее сканирование сформированным пучком по загрязненной поверхности объекта через слой вещества, удаляющего радиоактивную пленку, в качестве вещества, удаляющего радиоактивную пленку используют прозрачный для лазерного излучения пленочный материал, который перед сканированием размещают между источником лазерного излучения и загрязненной поверхностью объекта, затем производят сканирование по всей загрязненной поверхности объекта лазерным пучком, интенсивность излучения которого удовлетворяет соотношению:

0,1q_th<q<q_th,

где q - интенсивность лазерного излучения на загрязненной поверхности объекта;

q_th - граница интенсивности лазерного излучения, соответствующая температуре кипения материала удаляемой радиоактивной пленки при нормальном давлении,

а после окончания сканирования пленочный материал удаляют.

В ряде случаев целесообразно, чтобы пленочный материал со стороны, обращенной к загрязненной поверхности объекта, был дополнительно снабжен слоем сорбирующего материала.

Пленочный материал целесообразно располагать на расстоянии не менее 0,1 мм от поверхности объекта.

Целесообразно также, чтобы диаметр пятна лазерного излучения на загрязненной поверхности объекта составлял не менее 1 мм².

Применение в качестве вещества, удаляющего радиоактивную пленку не газообразного, не жидкого, а твердого вещества, в частности пленочного материала, значительно снижает потенциальную опасность распространения в процессе дезактивации экологически вредных продуктов очистки за счет образования непосредственно у обрабатываемой поверхности твердых радиоактивных отходов. Снижается вероятность радиоактивного загрязнения окружающей среды и поражения персонала, занятого в процессе дезактивации. Процессы утилизации и переработки твердых радиоактивных отходов являются более безопасными по сравнению с процессами утилизации и переработки газов и жидкостей. Кроме того, объем твердых радиоактивных отходов, по сравнению с жидкими, при дезактивации того же самого оборудования, меньше на 2÷3 порядка. Указанные выше преимущества позволяют значительно сократить затраты на дезактивацию оборудования.

В предлагаемом способе сканирование пучком лазерного излучения по загрязненной поверхности объекта осуществляется через пленочный материал, который прозрачен для лазерного излучения. При этом в радиоактивной пленке, находящейся на поверхности обрабатываемого объекта, возникают термические напряжения, энергия которых преобразуется в кинетическую энергию движения фрагмента радиоактивной пленки от поверхности объекта. На практике наблюдается отслаивание пленки от поверхности объекта, сопровождаемое характерным звуком. Отслоившаяся радиоактивная пленка движется в направлении, перпендикулярном поверхности обрабатываемого объекта, и оседает на прозрачном для лазерного излучения пленочном материале.

При условии, что интенсивность лазерного излучения на загрязненной поверхности объекта в процессе удаления радиоактивной пленки q≥q_th, происходит процесс испарения материала радиоактивной пленки, сопровождающийся сильным выносом продуктов испарения; может также происходить разрушение пленочного материала, через который осуществляется сканирование лазерным излучением, плавление и испарение основного материала обрабатываемого объекта. При этом радиоактивная пленка частично вплавляется, а частично испаряясь, оседает обратно на поверхности обрабатываемого объекта.

Экспериментально установлено, что при интенсивности лазерного излучения на загрязненной поверхности объекта q≤0,1q_th, отрыв радиоактивной пленки от поверхности обрабатываемого объекта практически прекращается.

После окончания сканирования лазерным излучением по всей поверхности обрабатываемого объекта пленочный материал с осевшей на него радиоактивной пленкой удаляют из зоны обработки и помещают, например, в контейнер.

Наличие на пленочном материале со стороны, обращенной к загрязненной поверхности обрабатываемого объекта, сорбирующего материала способствует более эффективному удержанию радиоактивной пленки на его поверхности.

При условии, что прозрачный для лазерного излучения пленочный материал размещен на расстоянии 0,1 мм и менее, наблюдается его деформация, а в ряде случаев и прогорание за счет температурного влияния плазменного факела, возникающего над обрабатываемой поверхностью.

Экспериментально установлено, что в случае размещения пленочного материала на расстоянии, превышающем 50 мм от обрабатываемой поверхности, количество собранных на пленочном материале отходов начинает снижаться за счет того, что материал удаляемой радиоактивной пленки не полностью долетает до пленочного материала, частично разлетаясь и возвращаясь обратно.

При размере пятна лазерного излучения на загрязненной поверхности обрабатываемого объекта меньше, чем 1 мм², снижается производительность способа. Кроме того, в указанном диапазоне интенсивности лазерного излучения q [МВт/см²] в ряде случаев наблюдается разрушение материала пленки и вплавление ее в обрабатываемую поверхность. Максимальный размер пятна лазерного излучения ограничивается диапазоном интенсивности излучения, в котором реализуется предлагаемый способ. Экспериментально установлено, что при размере пятна лазерного излучения, превышающем 20 см², наблюдается неравномерное отслаивание пленки от поверхности объекта, вызванное перераспределением в ней термических напряжений.

Предлагаемый способ поясняется чертежом, где представлена схема процесса удаления радиоактивной пленки с загрязненной поверхности объекта, где: 1 - обрабатываемый объект (основной материал), 2 - плотный тонкий оксидный слой, 3 - удаленная радиоактивная пленка, 4 - прозрачный для лазерного излучения пленочный материал, 5 - лазерный луч, 6 - радиоактивная пленка на загрязненной поверхности объекта, V_SC - скорость сканирования. Стрелкой обозначено направление движения лазерного луча.

Предлагаемый способ был опробован при очистке стальных фрагментов демонтированного ядерного реактора. Был использован 1.06 μm 10 ns Nd YAG-лазер.

Между источником лазерного излучения и загрязненной поверхностью обрабатываемого объекта 1 с радиоактивной пленкой 6 на расстоянии 10 мм от загрязненной поверхности был размещен прозрачный для лазерного излучения пленочный материал 4, в частности лавсан с клеевой основой, со стороны, обращенной к обрабатываемой поверхности.

Было установлено, что температура кипения материала радиоактивной пленки 6 при нормальном давлении составляет 2500°С. Этой температуре соответствовала интенсивность лазерного излучения q_th=150 МВт/см². Сканирование по всей поверхности через прозрачный для лазерного излучения пленочный материал 4 осуществлялось лазерным лучом 5, интенсивность излучения которого на поверхности обрабатываемого объекта составляла 100 МВт/см². Размер пятна лазерного излучения на поверхности объекта составлял 6 мм. В процессе сканирования радиоактивная пленка 6 отслаивалась, перемещаясь в сторону пленочного материала 4, и плотно прилипала к нему, образуя на нем слой радиоактивной пленки 3. После окончания сканирования пленочный материал был удален с помощью специального перемоточного устройства и помещен в контейнер, что полностью исключает распространение экологически вредных продуктов очистки. Объем контейнера в 10³ раз меньше, чем объем жидкости, использованной для удаления пленки с аналогичного фрагмента ядерного реактора.

Источники информации

1. Патент Российской Федерации №2084978, заявл. 24.03.92, опубл. 20.07.07, МПК 6: G21F 9/28. «Способ дезактивации поверхности и устройство для дезактивации лазером поверхности».

2. Патент Российской Федерации №2212067, заявл. 13.12.01, опубл. 10.09.03, МПК 7: G21F 9/00. «Способ удаления радиоактивной пленки с поверхностей объекта и устройство для его осуществления» - прототип.

Способ удаления радиоактивной пленки с поверхностей объекта относится к области обработки материалов с помощью лазера и предусматривает сканирование сформированным пучком лазерного излучения по загрязненной поверхности объекта, через прозрачный для лазерного излучения пленочный материал, выполненный из полимерного материала. Интенсивность лазерного излучения должна удовлетворять соотношению: где g - интенсивность лазерного излучения на загрязненной поверхности объекта; - граница интенсивности лазерного излучения, соответствующая температуре кипения материала удаляемой радиоактивной пленки при нормальном давлении. Размещают пленочный материал на расстоянии 0,1-50 мм от загрязненной поверхности объекта. Изобретение позволяет повысить эффективность процесса удаления радиоактивной пленки за счет уменьшения потенциальной опасности радиоактивного заражения в процессе дезактивации и уменьшения объемов продуктов дезактивации. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ удаления радиоактивной пленки с поверхностей объекта, включающий формирование пучка лазерного излучения и последующее сканирование сформированным пучком по загрязненной поверхности объекта через слой вещества, удаляющего радиоактивную пленку, в качестве которого используют прозрачный для лазерного излучения пленочный материал, выполненный из твердого вещества, который перед сканированием размещают между источником лазерного излучения и загрязненной поверхностью объекта, затем производят сканирование по всей загрязненной поверхности объекта лазерным пучком, а после окончания сканирования пленочный материал удаляют, отличающийся тем, что пленочный материал выполняют из полимерного материала, в частности лавсана с клеевой основой, и размещают его на расстоянии 0,1-50 мм от загрязненной поверхности, при этом интенсивность излучения удовлетворяет соотношению: 0,1q_th<q<q_th где q - интенсивность лазерного излучения на загрязненной поверхности объекта; q_th - граница интенсивности лазерного излучения, соответствующая температуре кипения материала удаляемой радиоактивной пленки при нормальном давлении.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что пленочный материал со стороны, обращенной к загрязненной поверхности объекта, дополнительно снабжен слоем сорбирующего материала.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что размер пятна лазерного излучения на загрязненной поверхности объекта составляет не менее 1 мм².