CN108597638B - 用于核电站构件放射性去污的复合激光去污装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于核电站构件放射性去污的复合激光去污装置及方法，所述复合激光去污装置包括至少两个激光发射模块、与所述激光发射模块一一对应的光束整形模块，以及一激光整形模块，所述激光发射模块发射的激光进入对应的光束整形模块进行光束整形，再进入所述激光整形模块进行激光整形，最后输出至核电站构件的待去污基层的表面；各个激光发射模块发射的激光的脉冲宽度不同，根据所述待去污基层的表面附着物状况确定开启相应的激光发射模块。本发明针对核电站去污提出了一种全新的复合激光去污解决方案，根据实际待去污表面的情况选择开启相应的激光发射模块。

Description

用于核电站构件放射性去污的复合激光去污装置及方法
技术领域
本发明涉及核工业放射性去污领域，尤其涉及一种用于核电站构件放射性去污的复合激光去污装置及方法。
背景技术
核电站在运行过程中，结构材料的腐蚀产物和一回路冷却剂受中子活化形成放射性物质，传送、分配、沉积在系统的管道、阀门和水泵的表面。随着核电站服役时间的增长，这些放射性物质积累日益增多，导致系统辐射场增强，工作人员受辐照剂量增加。因此，需要定期或不定期进行放射性去污，保障电站安全运行，并降低运行人员集体辐射剂量。随着国内核电站大规模建设及运行，亟需进行放射性去污的部件将越来越多。
现有技术中一般采用激光去污，但是采用的是单一激光去污技术，对于待去污部件本体及本体上的附着物采用相同的激光器进行去污处理，难以达到理想的去污效果。
发明内容
鉴于以上内容，有必要提供一种用于核电站构件放射性去污的复合激光去污装置及方法，技术方案如下：
一方面，本发明提供了一种复合激光去污装置，包括至少两个激光发射模块、与所述激光发射模块一一对应的光束整形模块，以及一激光整形模块，所述激光发射模块发射的激光进入对应的光束整形模块进行光束整形，再进入所述激光整形模块进行激光整形，最后输出至核电站构件的待去污基层的表面；
各个激光发射模块发射的激光的脉冲宽度不同，根据所述待去污基层的表面附着物状况确定开启相应的激光发射模块。
进一步地，所述装置还包括信号采集检测系统，所述信号采集检测系统用于检测所述待去污基层的表面附着物状况，所述待去污基层的表面附着物状况包括表面是否附着放射性物质。
进一步地，所述装置还包括控制器，所述信号采集检测系统与控制器的输入端连接，所述控制器的输出端与激光发射模块连接，所述控制器根据所述信号采集检测系统的检测结果，控制相应的激光发射模块工作。
进一步地，所述至少两个激光发射模块集成于同一个激光发射器或者被设置在不同的激光发射器上。
进一步地，所述装置还包括激光选择输出反射镜，所述激光选择输出反射镜根据旋转角度的变化将不同的光束整形模块输出的激光反射至所述激光整形模块的输入端。
进一步地，所述激光发射模块包括纳秒激光器和皮秒激光器，所述光束整形模块包括第一光束整形模块和第二光束整形模块，所述纳秒激光器的发射端与所述第一光束整形模块的输入端相对设置，所述皮秒激光器的发射端与所述第二光束整形模块的输入端相对设置。
进一步地，所述信号采集检测系统包括声波检测单元、视觉分析单元和/或LIBS激光诱导击穿光谱检测单元。
进一步地，所述纳秒激光器和皮秒激光器同轴相对设置，所述激光选择输出反射镜设置在所述第一光束整形模块与第二光束整形模块之间。
进一步地，所述装置还包括旋转电机，所述旋转电机用于驱动所述激光选择输出反射镜旋转至第一位置或第二位置，旋转至第一位置的激光选择输出反射镜将所述第一光束整形模块输出的激光反射至所述激光整形模块的输入端；旋转至第二位置的激光选择输出反射镜将所述第二光束整形模块输出的激光反射至所述激光整形模块的输入端，所述激光整形模块为二维振镜。
进一步地，所述激光发射模块包括第一激光发射模块、第二激光发射模块和第三激光发射模块，所述第二激光发射模块发射的激光的脉冲宽度大于第一激光发射模块发射的激光的脉冲宽度，所述第三激光发射模块发射的激光的脉冲宽度大于第二激光发射模块发射的激光的脉冲宽度。
另一方面，本发明提供了一种用于核电站构件放射性去污的复合激光去污方法，利用如上所述的复合激光去污装置，包括以下步骤：
S11、检测待去污基层的表面附着物状况，并匹配与其对应的激光发射模块；
S12、打开并移动所述对应的激光发射模块，使所述激光发射模块对所述待去污基层的表面进行激光去污；
S13、重复执行S11，直至所述待去污基层完成去污。
进一步地，所述去污方法包括以下步骤：
S21、利用信号采集检测系统对待去污基层的表面进行附着物状况检测；
S22、若检测到待去污基层的表面存在附着物和/或氧化层，则执行S23-S25，否则执行S26-S28；
S23、控制纳秒激光器打开；
S24、所述纳秒激光器发射的激光依次经过第一光束整形模块、激光整形模块后，到达所述待去污基层的表面并对所述附着物和/或氧化层进行去污；
S25、移动所述纳秒激光器，使激光扫描所述待去污基层的表面后，重复执行S21；
S26、控制皮秒激光器打开；
S27、所述皮秒激光器发射的激光依次经过第二光束整形模块、激光整形模块后，到达所述待去污基层的表面并对所述待去污基层本体进行烧蚀去污；
S28、移动所述皮秒激光器，使激光扫描所述待去污基层的表面。
进一步地，所述去污方法还包括预建立分析数据库，所述分析数据库中存储有信号采集检测系统的检测结果与激光发射模块的对应匹配关系。
进一步地，所述S11进一步包括：
根据去污工况选用声波检测单元、视觉分析单元和/或LIBS激光诱导击穿光谱检测单元中的一种或者多种，对待去污基层的表面附着物状况进行检测。
本发明具有下列优点：
a.根据工况，选择声波检测单元、视觉分析单元和LIBS激光诱导击穿光谱检测单元中的一种或组合使用，对待去污基层表面进行精准检测，为匹配相应的激光发射模块奠定基础；
b.采用复合激光对构件进行去污，针对不同的去污对象，采用不同的激光发射模块，提高去污效果。
附图说明
图1是本发明实施例提供的复合激光去污装置的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的复合激光去污装置的去污综合方法流程图；
图3是本发明实施例提供的对退役构件进行复合激光去污方法的流程图；
图4是本发明实施例提供的对在役构件进行去污的方法流程图；
图5是本发明实施例提供的LIBS激光诱导击穿光谱检测单元的结构示意图；
图6是本发明实施例提供的对放射性元素进行激光去污的状态示意图；
图7是本发明实施例提供的的对铁的氧化物去污去污初始状态示意图；
图8是图7状态对应的光谱检测结果；
图9是本发明实施例提供的对铁的氧化物去污去污的完成状态示意图；
图10是图9状态对应的光谱检测结果。
其中，附图标记为：1-待去污基层，2-激光整形模块，3-信号采集检测系统，4-激光选择输出反射镜，51-纳秒激光器，52-皮秒激光器，61-第一光束整形模块，62-第二光束整形模块，71-电源，72-数字脉冲时序同步器，73-处理器，74-CCD探测器，75-光栅，76-光收集器，81-不锈钢区域，82-铁的氧化物区域。
具体实施方式
以下结合说明书附图及具体实施例进一步说明本发明的技术方案。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
在本发明的一个实施例中，提供了一种复合激光去污装置，包括第一激光发射模块、第二激光发射模块、与所述激光发射模块一一对应的光束整形模块(包括第一光束整形模块61和第二光束整形模块62)，以及一激光整形模块2。所述激光发射模式有以下两种：其一、第一激光发射模块发射的激光进入第一光束整形模块61进行光束整形(由激光点到激光线的整形处理)，再进入所述激光整形模块2进行激光整形(由激光线到激光面的整形处理)，最后输出至核电站构件的待去污基层1的表面；其二、第二激光发射模块发射的激光进入第二光束整形模块62进行光束整形(由激光点到激光线的整形处理)，再进入所述激光整形模块2进行激光整形(由激光线到激光面的整形处理)，最后输出至核电站构件的待去污基层1的表面，其中，第一激光发射模块与第二激光发射模块发射的激光的脉冲宽度不同，在一个优选的实施例中，所述第一激光发射模块为纳秒激光器51，所述第二激光发射模块为皮秒激光器52，根据所述待去污基层1的表面附着物状况确定开启相应纳秒激光器51或皮秒激光器52。
纳秒激光去污和皮秒激光去污各有优缺点，成熟的用于激光去污的纳秒激光器目前最大可以做到500-1000W，效率高，可广泛用于放射性构件表面附着物的去污，但无法对已经活化的不锈钢基材表面进行有效去除，控制精度有限；用于激光去污的皮秒激光器目前最大可以做到30-100W，超短脉冲，热影响小，控制精确，同时单脉冲能量较高，同一位置利用高速振镜进行多脉冲烧蚀可以对不锈钢基层进行烧蚀去除。通过工艺控制(包括功率、脉宽、重频、扫描频率等的控制和时间控制)，可以精确控制不锈钢基层去除厚度。具体开启纳秒激光器51还是皮秒激光器52，根据待去污基层1的表面是否存在附着物而定：若存在，则开启纳秒激光器51，利用等离子体爆破振动及光致烧蚀原理，使附着物快速剥离所述待去污基层1，实现对待去污基层1的无损清洗去污；若不存在附着物，且该待去污基层1为退役构件(核电退役部件，不仅仅是表面附着物，基材表层也有一部分被活化，因为退役不用，需要最大限度降低放射性剂量)，因此使用纳秒激光对表面附着物进行去污后，还需要再使用皮秒激光去污工艺，(主要利用其烧蚀作用)对基材进行去污，将基材表面一层直接去除。
为了检测所述待去污基层1的表面附着物状况，即检测所述待去污基层1的表面附着物状况包括表面是否附着放射性物质，本发明实施例中的复合激光去污装置还包括信号采集检测系统3，所述信号采集检测系统3用于检测所述待去污基层1的表面附着物状况。在激光去污过程中，有各种信号产生，包括声信号、光信号、电信号、磁信号、光谱信息，利用各种相应的传感器如：麦克风、LIBS等光谱仪、激光测距仪、电磁探头、机器视觉等，我们可以实时的捕捉到这些信号，分析信号的强度，波长和频谱与激光去污过程的联系，建立起实时反馈控制系统，实现在线检测、矫正、控制，以实现最优激光去污的效果。在一个优选的实施例中，所述信号采集检测系统3包括声波检测单元、视觉分析单元和/或LIBS激光诱导击穿光谱检测单元。以下分别对各单元的工作过程及工作原理作出详细介绍：
声波检测单元，利用声波发射装置向待去污基层1发射声波，声波在待去污基层1表面发生反射而被声波接收装置接收，根据声波发射时间与声波接收时间之间的时间差，以及声波传播速度，可以计算声波检测单元与待去污基层1之间的距离，将此距离的计算值与预设的距离值比较，若计算值小于预设值，则检测结果即为所述待去污基层1表面上存在附着物(附着物的存在会缩短距离值)，否则检测结果为所述待去污基层1表面上不存在附着物；
视觉分析单元，利用图像处理与分析技术，分别从形状、颗粒大小及颜色等特征，分析待去污基层1的表面成像，判断是否存在附着物；
LIBS激光诱导击穿光谱检测单元，通过超短脉冲激光聚焦样品表面形成等离子体，利用光谱仪对等离子体发射光谱进行分析，以此来识别表层元素组成成分，如果识别出异于待去污基层1的元素组成，则检测结果为所述待去污基层1表面上存在附着物，参见图5，所述LIBS激光诱导击穿光谱检测单元包括光收集器76、光栅75、CCD探测器74、处理器73、数字脉冲时序同步器72，所述激光发射模块在电源71的供电作用下，向所述待去污基层1表面发射激光，所述光收集器76收集打在所述待去污基层1上的激光点处的反射光，并将收集的光通过光栅75后发送至CCD探测器74，所述CCD探测器74将探测结果发送至处理器73进行处理，其中，所述数字脉冲时序同步器72用于激光脉冲同步，下面以对铁的氧化物进行激光去污为例作出说明：
参见图6，激光发射器对铁的氧化物区域82进行激光去污，直至露出不锈钢区域81，去污过程中的检测及控制参见图7-图10，对铁的氧化物区域82进行激光去污使，发射光谱中有较强的氧原子发射线，参见图8，随着铁的氧化物区域82被去污，如图9所示，对应的光谱检测结果中，发射光谱中氧原子发射线强度急剧降低，直至低于预设的阈值，参见图10中的水平虚线，则表明该区域的铁的氧化物去污达到指定要求。
需要说明的是，所述信号采集检测系统3可以由上述声波检测单元、视觉分析单元和LIBS激光诱导击穿光谱检测单元中的一个或多个单元模块化集成，可以根据不同去污工况选用合适的检测单元或者组合使用。
进一步地，为了实现根据信号采集检测系统3的检测结果对激光发射模块进行自动控制，所述复合激光去污装置还包括控制器，所述信号采集检测系统3与控制器的输入端连接，所述控制器的输出端与激光发射模块连接，所述控制器根据所述信号采集检测系统3的检测结果，控制相应的激光发射模块工作。
在本发明的一个实施例中，所述两个激光发射模块集成于同一个激光发射器上，即可调激光器。
在本发明的另一个实施例中，所述两个激光发射模块被设置在不同的激光发射器上，如图1所示，所述纳秒激光器51的发射端与所述第一光束整形模块61的输入端相对设置，所述皮秒激光器52的发射端与所述第二光束整形模块62的输入端相对设置。所述装置还包括激光选择输出反射镜4，所述激光选择输出反射镜4根据旋转角度的变化将不同的光束整形模块输出的激光反射至所述激光整形模块2的输入端。优选地，所述纳秒激光器51和皮秒激光器52同轴相对设置，所述激光选择输出反射镜4设置在所述第一光束整形模块61与第二光束整形模块62之间。
进一步地，所述激光选择输出反射镜4优选通过旋转电机来驱动旋转至第一位置或第二位置，旋转至第一位置的激光选择输出反射镜4将所述第一光束整形模块61输出的激光反射至所述激光整形模块2的输入端；旋转至第二位置的激光选择输出反射镜4将所述第二光束整形模块62输出的激光反射至所述激光整形模块2的输入端，所述激光整形模块2优选为二维振镜。
需要说明的是，在本发明技术方案的基础上做出的简单变换应当同样落入本发明要求的保护范围，比如，将激光发射模块的数量由两个改为三个：包括第一激光发射模块、第二激光发射模块和第三激光发射模块，所述第二激光发射模块发射的激光的脉冲宽度大于第一激光发射模块发射的激光的脉冲宽度，所述第三激光发射模块发射的激光的脉冲宽度大于第二激光发射模块发射的激光的脉冲宽度。再比如，将纳秒激光器简单置换为脉冲宽度为999皮秒的皮秒激光器，或者将皮秒激光器简单置换为脉冲宽度为1纳秒的纳秒激光器。又或者，采用可调激光器(分档调节或无级调节)在激光去污过程中逐步调节激光脉冲宽度变小等等，都是在本发明的技术方案的基础上做出的简单改变，不需要付出创造性的劳动，都应当属于本发明要求的保护范围。
实施例2
在本发明的一个实施例中，提供了一种复合激光去污装置的去污方法，参见图2，综合方法包括以下步骤：
S11、检测待去污基层的表面附着物状况，并匹配与其对应的激光发射模块。
具体地，若检测到待去污基层的表面存在附着物，则匹配脉冲宽度较长的激光发射模块；若无附着物，则根据是否是退役构件，则匹配脉冲宽度较短的激光发射模块。
具体可根据去污工况选用信号采集检测系统中的声波检测单元、视觉分析单元和/或LIBS激光诱导击穿光谱检测单元中的一种或者多种，对待去污基层的表面附着物状况进行检测。
S12、打开并移动所述对应的激光发射模块，使所述激光发射模块对所述待去污基层的表面进行激光去污。
具体地，采用匹配的激光发射模块对待去污基层的表面进行扫描去污。
S13、重复执行S11，直至所述待去污基层完成去污。
具体地，完成扫描后将剥离的附着物从所述待去污基层的表面清除，然后再执行S11，再次对待去污基层的表面进行检测。直至附着物及放射性物质被去除，则完成去污。
优选地，所述去污方法还包括：
S10、预建立分析数据库，所述分析数据库中存储有信号采集检测系统的检测结果与激光发射模块的对应匹配关系。
在一个具体的方法实施例中，提供了一种对退役构件的复合激光去污方法，参见图3，所述方法包括以下步骤：
S21、利用信号采集检测系统对待去污基层的表面进行附着物状况检测；
S22、若检测到待去污基层的表面存在附着物和/或氧化层，则执行S23-S25，否则执行S26-S28；
S23、控制纳秒激光器打开；
S24、所述纳秒激光器发射的激光依次经过第一光束整形模块、激光整形模块后，到达所述待去污基层的表面并对所述附着物和/或氧化层进行去污；
S25、移动所述纳秒激光器，使激光扫描所述待去污基层的表面后，重复执行S21；
S26、控制皮秒激光器打开；
S27、所述皮秒激光器发射的激光依次经过第二光束整形模块、激光整形模块后，到达所述待去污基层的表面并对所述待去污基层本体进行烧蚀去污；
S28、移动所述皮秒激光器，使激光扫描所述待去污基层的表面，以对所述待去污基层的表面进行烧蚀去污。
针对在役构件，本发明实施例提供了一种对在役构件的去污方法，参见图4，所述方法包括以下步骤：
S31、利用信号采集检测系统对待去污基层的表面进行附着物状况检测；
S32、若检测到待去污基层的表面存在附着物和/或氧化层，则执行S33-S35，否则执行S36；
S33、控制纳秒激光器打开；
S34、所述纳秒激光器发射的激光依次经过第一光束整形模块、激光整形模块后，到达所述待去污基层的表面并对所述附着物和/或氧化层进行去污；
S35、移动所述纳秒激光器，使激光扫描所述待去污基层的表面后，重复执行S31；
S36、关闭纳秒激光器，完成在役构件去污。
本发明针对核电站去污提出了一种全新的复合激光去污解决方案，根据实际待去污表面的情况选择开启相应的激光发射模块，改善去污效果。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制其专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (11)

1.一种用于核电站构件放射性去污的复合激光去污装置，其特征在于，包括至少两个激光发射模块、与所述激光发射模块一一对应的光束整形模块，以及一激光整形模块(2)，所述激光发射模块发射的激光进入对应的光束整形模块进行光束整形，再进入所述激光整形模块(2)进行激光整形，最后输出至核电站构件的待去污基层(1)的表面；
各个激光发射模块发射的激光的脉冲宽度不同，所述激光发射模块包括纳秒激光器(51)和皮秒激光器(52)，所述光束整形模块包括第一光束整形模块(61)和第二光束整形模块(62)，所述纳秒激光器(51)的发射端与所述第一光束整形模块(61)的输入端相对设置，所述皮秒激光器(52)的发射端与所述第二光束整形模块(62)的输入端相对设置；
所述装置还包括信号采集检测系统(3)，所述信号采集检测系统(3)用于检测所述待去污基层(1)的表面附着物状况，所述待去污基层(1)的表面附着物状况包括表面是否附着放射性物质；根据所述待去污基层(1)的表面附着物状况确定开启相应的激光发射模块；
所述装置还包括激光选择输出反射镜(4)，若所述信号采集检测系统(3)检测到所述待去污基层(1)的表面有附着物，则所述激光选择输出反射镜(4)旋转至将第一光束整形模块(61)输出的激光反射至所述激光整形模块(2)的输入端；若所述信号采集检测系统(3)检测到所述待去污基层(1)的表面没有附着物，则所述激光选择输出反射镜(4)旋转至将第二光束整形模块(62)输出的激光反射至所述激光整形模块(2)的输入端。
2.根据权利要求1所述的用于核电站构件放射性去污的复合激光去污装置，其特征在于，所述装置还包括控制器，所述信号采集检测系统(3)与控制器的输入端连接，所述控制器的输出端与激光发射模块连接，所述控制器根据所述信号采集检测系统(3)的检测结果，控制相应的激光发射模块工作。
3.根据权利要求1所述的用于核电站构件放射性去污的复合激光去污装置，其特征在于，所述至少两个激光发射模块集成于同一个激光发射器或者被设置在不同的激光发射器上。
4.根据权利要求1所述的用于核电站构件放射性去污的复合激光去污装置，其特征在于，所述信号采集检测系统(3)包括声波检测单元、视觉分析单元和/或LIBS激光诱导击穿光谱检测单元。
5.根据权利要求1所述的用于核电站构件放射性去污的复合激光去污装置，其特征在于，所述纳秒激光器(51)和皮秒激光器(52)同轴相对设置，所述激光选择输出反射镜(4)设置在所述第一光束整形模块(61)与第二光束整形模块(62)之间。
6.根据权利要求1所述的用于核电站构件放射性去污的复合激光去污装置，其特征在于，所述装置还包括旋转电机，所述旋转电机用于驱动所述激光选择输出反射镜(4)旋转至第一位置或第二位置，旋转至第一位置的激光选择输出反射镜(4)将所述第一光束整形模块(61)输出的激光反射至所述激光整形模块(2)的输入端；旋转至第二位置的激光选择输出反射镜(4)将所述第二光束整形模块(62)输出的激光反射至所述激光整形模块(2)的输入端，所述激光整形模块(2)为二维振镜。
7.根据权利要求1所述的用于核电站构件放射性去污的复合激光去污装置，其特征在于，所述激光发射模块包括第一激光发射模块、第二激光发射模块和第三激光发射模块，所述第二激光发射模块发射的激光的脉冲宽度大于第一激光发射模块发射的激光的脉冲宽度，所述第三激光发射模块发射的激光的脉冲宽度大于第二激光发射模块发射的激光的脉冲宽度。
8.一种用于核电站构件放射性去污的复合激光去污方法，其特征在于，利用如权利要求1-7中任意一项所述的复合激光去污装置，包括以下步骤：
S11、检测待去污基层的表面附着物状况，并匹配与其对应的激光发射模块；
S12、打开并移动所述对应的激光发射模块，使所述激光发射模块对所述待去污基层的表面进行激光去污；
S13、重复执行S11，直至所述待去污基层完成去污。
9.根据权利要求8所述的用于核电站构件放射性去污的复合激光去污方法，其特征在于，包括以下步骤：
S21、利用信号采集检测系统对待去污基层的表面进行附着物状况检测；
S22、若检测到待去污基层的表面存在附着物和/或氧化层，则执行S23-S25，否则执行S26-S28；
S23、控制纳秒激光器打开；
S24、所述纳秒激光器发射的激光依次经过第一光束整形模块、激光整形模块后，到达所述待去污基层的表面并对所述附着物和/或氧化层进行去污；
S25、移动所述纳秒激光器，使激光扫描所述待去污基层的表面后，重复执行S21；
S26、控制皮秒激光器打开；
S27、所述皮秒激光器发射的激光依次经过第二光束整形模块、激光整形模块后，到达所述待去污基层的表面并对所述待去污基层本体进行烧蚀去污；
S28、移动所述皮秒激光器，使激光扫描所述待去污基层的表面。
10.根据权利要求8所述的用于核电站构件放射性去污的复合激光去污方法，其特征在于，还包括预建立分析数据库，所述分析数据库中存储有信号采集检测系统的检测结果与激光发射模块的对应匹配关系。
11.根据权利要求8所述的用于核电站构件放射性去污的复合激光去污方法，其特征在于，利用如权利要求4所述的复合激光去污装置，其特征在于，所述S11进一步包括：
根据去污工况选用声波检测单元、视觉分析单元和/或LIBS激光诱导击穿光谱检测单元中的一种或者多种，对待去污基层的表面附着物状况进行检测。
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