DE69204879T2

DE69204879T2 - Verfahren und Einrichtung zum Arbeiten mit Laser in einer kontaminierten Zone einer Nuklearanlage.

Info

Publication number: DE69204879T2
Application number: DE69204879T
Authority: DE
Inventors: Jean-Pierre Cartry
Original assignee: Framatome SA
Current assignee: Areva NP SAS
Priority date: 1991-04-05
Filing date: 1992-03-10
Publication date: 1996-04-04
Anticipated expiration: 2012-03-11
Also published as: EP0507641B1; ZA922453B; CA2062623A1; FR2674983A1; EP0507641A1; RU2084978C1; FR2674983B1; DE69204879D1; TW201356B; ES2078681T3; KR920020528A

Description

Diese Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zum Arbeiten mit Laser auf einer Fläche innerhalb einer kontaminierten Zone einer Nuklearanlage.
Insbesondere findet die Erfindung Anwendung bei der Dekontaminierung von Flächen, auf denen sich radioaktive Stoffe wie z. B. aktiver Metalloxide abgelagert haben, durch Laserstrahl in wässrigem oder gasförmigem Medium, um die Strahlungsstärke zu verringern und so den Zugang oder das Annähern des Servicepersonals zu ermöglichen.
Von dieser Erfindung sind der Primärkreislauf von Druckwasser-Kernkraftwerken und insbesondere das Wassergefäß der Dampfgeneratoren sowie die Primärrohrleitungen betroffen.
Die Dekontaminierung kann bei einer im kontaminierten Teil des Kraftwerks durchzuführenden Überprüfung oder Reparatur, beim Austausch eines Ausrüstungsteils wie z. B. eines Dampfgenerators, sowie auch beim Abbau dieses Kraftwerks erforderlich sein.

Es sind mehrere Dekontaminierungsverfahren bekannt:

- das Aufspritzen von Schleifteilchen, um durch Abrieb die radioaktive Oxidschicht zu beseitigen, oder das chemische Auflosen dieser Schicht, die den Nachteil haben, daß sie große Mengen von kostenaufwendig zu behandelnden Abfällen erzeugen;
- die Dekontaminierung durch Laserstrahl. Bei einem bekannten Verfahren dieser Art, das in EP-A-0 091 646 beschrieben ist, wird ein Laserstrahl am Eingang des Wassergefäßes abgegeben und durch drehbare, an der rohrförmigen Platte befestigte Spiegel auf die Innenwand umgelenkt. Bei diesem Verfahren können durch dessen Aufbau selbst die zu dekontaminierenden Flächen nicht alle gleichmäßig mit Laserimpulsen mit hoher Energiedichte behandelt werden.
Die Erfindung hat zur Aufgabe, es zu ermöglichen, daß in einer kontaminierten Zone wirksam mit einem Laser gearbeitet werden kann.
Zu diesem Zweck entspricht das erfindungsgemäße Verfahren dem Anspruch 1. Nach diesem Verfahren wird außerhalb der kontaminierten Zone ein impulsförmiger Laserstrahl abgegeben, dieser Laserstrahl mittels einer Lichtleitfaser bis zu einem Ort in der Nähe der genannten Fläche transportiert, der Strahl an diesem Ort verstärkt und der verstärkte Strahl, eventuell über einen Umlenkspiegel, auf die genannte Fläche gelenkt wobei der Laserstrahl nach der Verstärkung Impulse mit einer Energie von 0,3 bis 5 Joules oder mehr, einer Dauer von 10 bis 30 ns und einer Energiedichte von 1 bis 15 J/cm² aufweist.

Gemäß weiterer Merkmale:

- wird während der Arbeit mit dem Laser ein Schutzgas oder aktives Gas in den Arbeitsbereich geleitet;
- ist der Arbeitsbereich eingeschlossen und wird während der Arbeit mit dem Laser das in dem eingeschlossenen Bereich enthaltene Gas abgesaugt;
- wird der verstärkte Strahl durch eine Öffnung einer Elektrode geleitet, die parallel zu der genannten Fläche ist, und wird während der Arbeit mit dem Laser ein elektrisches Feld zwischen dieser Elektrode und der genannten Fläche erzeugt.

Die Erfindung hat zum Gegenstand auch eine Einrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens. Diese Einrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß sie umfaßt:

- einen Erzeuger von impulsförmigen Laserstrahlen des Typs Nd-YAG, Saphir oder Exzimer, der eventuell mit einem Gaußschen Umlenkspiegel ausgestattet ist, der außerhalb der kontaminierten Zone angeordnet ist,
- einen Laserstrahlen-Verstärker,
- eine Lichtleitfaser zum Transport des impulsförmigen Laserstrahls bis zum Eingang dieses Verstärkers, wobei diese Lichtleitfaser eine Länge von mindestens ca. 15 m hat,
- Mittel zum Verschieben des Verstärkers gegenüber der genannten Fläche und in deren Nähe.
Gemäß weiterer Merkmale weist die Einrichtung einen Umlenkspiegel auf, der am Ausgang des Verstärkers und eventuell beweglich gegenüber diesem angebracht ist.
Es werden nun Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei
- Fig. 1 schematisch eine erfindungsgemäße Einrichtung zur Dekontaminierung mit Laser zeigt,
- Fig. 2 ein Detail dieser Einrichtung in größerem Maßstab zeigt,
- Fig. 3 eine Ansicht einer Variante analog zu Fig. 2 zeigt,
- Fig. 4 eine Teilansicht einer weiteren Variante zeigt.
In Fig. 1 ist im axialen Schnitt eine 1 der beiden Kammern des Wassergefäßes 2 eines Dampfgenerators eines Druckwasser-Kernkraftwerks dargestellt. Diese Kammer 1 ist oben durch die rohrförmige Platte 3, zur einen Seite durch die senkrechte Mitteltrennwand 4 des Wassergefäßes und zur anderen Seite und unten durch den kugelförmigen Boden 5 des Wassergefäßes begrenzt, durch den ein Arbeitsloch 6 verläuft.
In Fig. 1 ist auch eine Einrichtung 7 dargestellt, die geeignet ist, die Dekontaminierung der Flächen, die die Kammer 1 umgrenzen, durch Laserstrahl zu ermöglichen. Diese Einrichtung umfaßt eine externe Geräteanordnung 8, die außerhalb des Wassergefäßes an einem geeigneten, vor den Strahlen geschützten Ort angeordnet ist, sowie eine innere Geräteanordnung 9, die innerhalb der Kammer 1 angeordnet ist und in diesen durch das Arbeitsloch eingeführt werden kann.
Die Geräteanordnung 8 umfaßt ein Steuerpult 10, einen Erzeuger für elektrische Energie und für Fluide 11, einen Erzeuger impulsförmiger Laserstrahlen 12, der aus einem Oszillator und eventuell einem nachgeschalteten Vorverstärker besteht, sowie eine Ansaugpumpe 13, an deren Eingang ein Filter 14 vorgesehen ist.
Die Geräteanordnung 9 umfaßt einen Laserstrahlen-Verstärker 15 und einen Einschlußbehälter 16, die auf einem Tragelement 17 ruhen. Der Eingang des Verstärkers 15 ist mit dem Ausgang des Erzeugers 12 durch eine Mehrfachwellentyp-Lichtleitfaser 18 verbunden, die die eine Länge von mindestens ca. 15 m hat. Der Behälter 16 ist einerseits über eine Leitung 19 mit einer Quelle für neutrales oder reduzierendes Schutzgas oder aktives Gas verbunden, die in dem Erzeuger 11 enthalten ist, und andererseits über eine Leitung 20 mit dem Filter 14 und der Pumpe 13 verbunden. Das Tragelement 17 bildet das Ende eines mit 21 schematisch dargestellten Roboters mit Gelenken, der von dem Pult 10 aus ferngesteuert wird und mit dem die Geräteanordnung 9 gegenüber jedem beliebigen Bereich der zu dekontaminierenden Flächen 3, 4, 5 und in deren Nähe angeordnet werden kann.
Die Geräteanordnung 9 ist detaillierter in Fig. 2 dargestellt. Wie in dieser Figur zu sehen ist, ist der Verstärker 15 in einem Gehäuse 22 untergebracht, das an dem Tragelement 17 befestigt ist und mit elektrischen Versorgungsleitungen 23 sowie Kühlwasserzufuhrleitungen 24 und -ablaßleitungen 25 versehen ist. Die Leitungen 23 bis 25 sind über eine Leitung 26 (Fig. 1) mit dem Erzeuger 11 verbunden. Durch eine Eingangsseite des Gehäuses 22 verläuft eine Öffnung, in der das entfernte Ende der Lichtleitfaser 18 befestigt ist, und eine Eingangsoptik 27 ermöglicht es, in den Eingang des Verstärkers 15 einen parallelen Strahl einzuführen, dessen Durchmesser gleich dem des Stabes des Verstärkers ist. Dieser Strahl tritt am anderen Ende des Verstärkers 15 verstärkt wieder aus, wobei sein Durchmesser durch eine Ausgangsoptik 28 verkleinert wird, und tritt sodann aus dem Gehäuse 22 als paralleler, impulsförmiger Strahl durch eine Ausgangsöffnung 29 aus.
An seinem entfernten Ende stützt das Tragelement 17 einen Rahmen 30, in dem mehrere, parallel zur Achse X-X des Verstärkers 15 verlaufende kleine Säulen 31 gleitend angebracht sind, die durch Federn 32 in entgegengesetzter Richtung zu diesem Verstärker belastet werden. Der Behälter 16, der die Form eines Napfes hat, weist einen senkrecht zur Achse X-X liegenden Boden 33, der am entfernten Ende der kleinen Säulen 31 befestigt ist, sowie eine Seitenwand 34, deren freier Rand mit Röllchen versehen ist, auf. Der Boden 33 enthält eine Öffnung 36 mit der Achse X-X, deren Durchmesser etwas größer ist als der des verstärkten Strahls 37.
Der Laserstrahlen-Erzeuger 12 ist solcherart, daß er den Transport des Laserstrahls mittels Lichtleitfaser erlaubt. Er kann insbesondere des Typs Nd-YAG (Wellenlänge 1,06 um), des Typs Saphir (Wellenlänge zentriert auf 0,78 um), oder des Typs Exzimer (Wellenlänge 0,3 um) sein. Er sendet Impulse mit einer Dauer von 10 bis 30 ns aus. Dieser Erzeuger 12 und der Verstärker 15 sind so eingestellt, daß ein verstärkter Laserstrahl 37 abgegeben wird, dessen Impulse eine Energie von 0,3 bis 5 Joules oder mehr und eine Energiedichte (oder Fluenz) von 1 bis 15 J/cm² haben.
Bei Betrieb werden die Röllchen 35 mit einer durch die Federn 32 bestimmten Kraft auf die zu dekontaminierende Fläche gedrückt, die in dem dargestellten Beispiel die Trennwand 4 ist. Ein Schutzgas oder aktives Gas spült den Behälter 16 aus, und der vom Erzeuger 12 abgegebene impulsförmige Laserstrahl, der durch die Lichtleitfaser 18 transportiert und in 15 verstärkt wird, wird in Form des parallelen Strahls 37 direkt auf die zu behandelnde Fläche gerichtet, und zwar senkrecht zu dieser. Auf diese Weise werden alle zu dekontaminierenden Flächen gespült, indem das Tragelement 17 mittels des Roboters 21 verschoben wird.
Die oben erwähnte Energiedichte wird so gewählt, daß ein der Dicke oder einem Teil der Dicke der zu beseitigenden radioaktiven Oxidschicht entsprechendes eindringen von Wärme stattfinden kann, wobei jeder Impuls eine Stoßwelle auf diese Schicht erzeugt. Durch die Verwendung eines neutralen oder reduzierenden Spülgases wird die Oxidierung der gestrahlten Fläche reduziert, während bei Verwendung eines aktiven Gases, insbesondere von Sauerstoff, die Dicke der von den Laserimpulsen betroffenen Oxidschicht erhöht werden kann. Die Wahl des Spülgases wird also abhängig von den besonderen Umständen jeder Anwendung getroffen.
Die Verwendung einer Mehrfachwellen-Lichtleitfaser für den Transport des nicht verstärkten Laserstrahls birgt einen beträchtlichen Vorteil, der mit der Energieverteilung in dem Strahl bei Austritt aus der genannten Faser und damit mit dem Niveau des Auftreff-Flecks des Strahls auf der Wand zusammenhängt. In diesem Fall ist nämlich die Energieverteilung über die gesamte Fläche des Flecks im wesentlichen konstant; sie hat die Form eines Rechteckimpulses, anstatt eine Verteilung mit einer zentralen Spitze aufzuweisen, wie es bei einer Übertragung des Strahls durch die Luft der Fall wäre. Damit die Homogenisierung der Energie einwandfrei ist, muß die Faser jedoch ausreichend lang sein, z. B. mindestens etwa 15 m. Bei einer kürzeren Lichtleitfaser müßte in bestimmten Fällen im Erzeuger 12 ein sogenannter, in sich bekannter Gaußscher Umlenkspiegel verwendet werden, der eine rechteckige, homogene Energieverteilung bewirkt.
Wie sich zeigt, ermöglicht eine rechteckige Energieverteilung das verlustfreie Arbeiten mit niedrigeren Laserstärken, was einen Vorteil darstellt.
Die Verwendung eines Verstärkers 15 in der Nähe der zu dekontaminierenden Fläche hat zahlreiche Vorteile:
- der Lasererzeuger 12 ist außerhalb der kontaminierten Zone angeordnet,
- der Laserstrahl kann - mit den obengenannten Vorteilen -mittels Lichtleitfaser bis nahe an die zu behandelnde Fläche transportiert werden, was nicht der Fall wäre, wenn aufgrund der begrenzten Möglichkeiten der Lichtleitfaser zum Transport von Laserenergie die gesamte Energie des Strahls 37 von dem Erzeuger 12 abgegeben würde,
- da der Strahl 37 ein parallel verlaufender Strahl ist, der senkrecht auf die zu behandelnde Fläche auftrifft, ist der Abstand zwischen dieser Fläche und der Strahlaustrittsöffnung 29 des Verstärkers nicht kritisch, und es ist nicht erforderlich, ihne konstant zu halten.
Die in Fig. 3 dargestellte Geräteanordnung 9A unterscheidet sich von der in Fig. 2 dadurch, daß das Tragelement 17 dergestalt aufgebaut ist, daß die Achse X-X des Verstärkers 15 parallel zu der zu behandelnden Fläche verläuft. Die kleinen Säulen 31 befinden sich senkrecht zu dieser Achse X- X, und ein um 45 º geneigter Umlenkspiegel 38 ist gegenüber der Öffnung 36 des Behälters 16 befestigt. Die Arbeitsweise dieser Variante ist die gleiche wie die oben beschriebene. Diese Variante findet Anwendung insbesondere bei der Arbeit mit Laser in kleinen Räumen, z. B. um die Wand von Primärkreisrohrleitungen zu dekontaminieren.
Die Variante von Fig. 3 kann folgendermaßen modifiziert werden: Die Anordnung Behälter 16 - kleine Säulen 31 - Spiegel 38 ist mit dem Tragelement 17 über ein weiteres Tragelement verbunden, das an diesem letzteren verschiebbar und/oder um die Achse des Verstärkers 15 drehbar angebracht ist. Es kann daher in jeder Position des Verstärkers ein relativ großer zu behandelnder Bereich wirksam bestrichen werden, welche Form auch immer dieser Bereich hat.
Fig. 4 zeigt andere Mittel als Ansaugmittel zum Einsammeln der Oxidpartikel, die durch das Auftreffen des Laserstrahls von der Fläche gelöst wurden. Es handelt sich dabei um eine Elektrode 39, die durch nicht dargestellte Querstreben parallel zu der zu behandelnden Fläche gehalten wird und durch die eine Öffnung 40 für den Durchlaß des Laserstrahls 37 verläuft. Diese Elektrode wird mit Hilfe einer Stromversorgung 41 auf ein hohes Potential gegenüber der behandelten Fläche gebracht, so daß die gelösten Oxidpartikel, die von dem Laserstrahl ionisiert werden, auf die Elektrode 39 gezogen werden.

Claims

1. Verfahren zur Dekontaminierung einer Fläche (3, 4, 5) innerhalb einer kontaminierten Zone einer Nuklearanlage mittels eines impulsförmigen Laserstrahls (12), der außerhalb der kontaminierten Zone abgegeben wird, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Strahl mittels einer Lichtleitfaser (18) bis zu einer Stelle transportiert wird, die nahe bei der genannten, in der kontaminierten Zone befindlichen Fläche liegt und daß an dieser Stelle der Strahl verstärkt wird (15) und der verstärkte Strahl (37), eventuell über einen Umlenkspiegel (38), auf die genannte Fläche gesandt wird, wobei der Laserstrahl nach der Verstärkung Impulse mit einer Energie von 0,3 bis 5 Joules oder mehr, einer Dauer von 10 bis 30 ns und einer Energiedichte von 1 bis 15 J/cm² hat.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß während der Arbeit mit dem Laser ein Schutzgas oder aktives Gas in den Arbeitsbereich geleitet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitsbereich eingeschlossen ist und daß während der Arbeit mit dem Laser das in dem eingeschlossenen Bereich enthaltene Gas abgesaugt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der verstärkte Strahl (37) durch eine Öffnung (40) einer Elektrode (39) geleitet wird, die parallel zu der genannten Fläche ist, und daß während der Arbeit mit dem Laser ein elektrisches Feld zwischen dieser Elektrode und der genannten Fläche erzeugt wird.

5. Einrichtung zur Dekontaminierung einer Fläche (3, 4, 5) innerhalb einer kontaminierten Zone (2) einer Nuklearanlage mittels Laser zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie umfaßt:

- einen Erzeuger von impulsförmigen Laserstrahlen (12) des Typs Nd-YAG, Saphir oder Exzimer, der eventuell mit einem Gaußschen Umlenkspiegel ausgestattet ist, der außerhalb der kontaminierten Zone (2) angeordnet ist,

- einen Laserstrahlen-Verstärker (15),

- eine Lichtleitfaser (18) zum Transport des impulsförmigen Laserstrahls bis zum Eingang dieses Verstärkers, wobei diese Lichtleitfaser (18) eine Länge von mindestens ca. 15 m hat, und

- Mittel (21) zum Verschieben des Verstärkers (15) gegenüber der genannten Fläche und in deren Nähe.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Umlenkspiegel (38) aufweist, der am Ausgang des Verstärkers (15) und eventuell beweglich gegenüber diesem angebracht ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Einschlußbehälter (16) aufweist, der zusammen mit dem Verstärker (15) oder mit dem Spiegel (38) verschiebbar ist und mit Absaugmitteln (13, 14, 20) und ggf. mit Mitteln (19) zum Einführen eines Schutzgases oder aktiven Gases versehen ist.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Elektrode (39), die parallel zu der genannten Fläche liegt, mit einer durchgehenden Öffnung (40) für den Durchlaß des verstärkten Laserstrahls versehen ist und zusammen mit dem Verstärker (15) verschiebbar ist, sowie Mittel (41) zur Erzeugung eines elektrischen Feldes zwischen dieser Elektrode und der genannten Fläche aufweist.