DE69409066T2 - Verfahren zur Behandlung einer Oberfläche - Google Patents
Verfahren zur Behandlung einer OberflächeInfo
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Description
- Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Behandlung einer nichtmetallischen Oberfläche, insbesondere einer kontaminierten Oberfläche mit eingebetteten Kontaminationsstoffen in der Oberflächenschicht oder in den Oberflächenschichten, und weiter insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, auf eine Oberfläche, die mit Radionukliden kontaminiert ist.
- In der Nuklearindustrie werden Oberflächen von Objekten, wie mechanische Komponenten und Konstruktionsmerkmale, mit Radionukliden kontaminiert. Zu den üblichen Kontaminationsstoffen gehören Uranoxid, Plutoniumoxid, Strontium-90, Caesium-137 und Kobalt-60. Diese Kontaminationsstoffe können in Form feiner, aus Partikeln bestehender Stoffe vorliegen oder werden von diese enthaltenden Lösungen verursacht. Wo sich derartige Kontaminationsstoffe auf Betonstrukturen absetzen, führt die poröse Beschaffenheit von Beton dazu, daß die Kontaminationsstoffe bis zu einer beträchtlichen Tiefe vorliegen können. Jedoch liegt der Hauptanteil der Kontaminationsstoffe, ungefähr 90%, innerhalb von einigen Millimetem unter der Oberfläche. Deshalb kann das sichere Abtragen der Oberflächenschicht oder der Oberflächenschichten den Grad vorliegender radioaktiver Kontamination stark reduzieren.
- Verschiedene Techniken wurden für die Dekontamination von Oberflächen vorgeschlagen. Jedoch waren die Techniken des chemischen Waschens, des Fluidscherblasens und des Klebens/Abzihens des früheren Stands der Technik aufgrund des eingebetteten Charakters der Kontaminationsstoffe nicht durchgehend erfolgreich. Weiter haben diese Verfahren nach dem Stand der Technik den Nachteil, sekundäre Abfallprobleme aufgrund der Mischung von zusätzlichen Materlalien mit der beseitigten Kontamination zu erzeugen, und vor allem beseitigen sie nur die Oberflächenkontaminationsstoffe und nicht die unterhalb der Oberfläche eingebetteten Kontaminationsstoffe.
- Die JP 3002595 beschreibt das Abtragen einer Betonoberflächenschicht durch Brechen aufgrund von unter Verwendung von Mikrowellen zur Bestrahlung der kontaminierten Oberflächenschicht erzeugter Hitze.
- Die DE 3500750 beschreibt ein induktives Heizen von Stahl-Verstärkungsstäben innerhalb einer Struktur, um das Abtragen von kontaminiertem Beton von dieser zu bewirken.
- In unserer gleichfalls anhängigen Patentanmeldung Nummer PCT/GB90/02404 beschreiben wir die Verwendung einer intensiven Heizquelle, die über eine kontaminierte Oberfläche geführt wird, um die radioaktiven Kontaminationsstoffe darin zu fixieren oder zu versiegeln.
- Bei allen diesen bekannten Behandlungsweisen verbleiben die radioaktiven Kontaminationsstoffe innerhalb großer Materialstücke, die eine Entsorgung in großen Stücken oder eine Weiterbehandlung erfordem, oder die Kontamination wird in dem Strukturkörper hermetisch abgeschlossen, wodurch das Gesamtniveau der Radioaktivität des Körners oder der fraglichen Struktur unverringert bleibt. Eines der Hauptprobleme der beschriebenen Verfahren nach dem früheren Stand der Technik liegt darin, daß sie große Betonstücke schaffen, die einen hohen Anteil von relativ unkontaminiertem, dem kontaminiertem Material zugehörigen Materlal autweisen. Daher erfordern unnötig große Materialvolumina eine Entsorgung oder Weiterbehandlung.
- Es ist ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren für die Beseitigung eingebetteter Kontamination nahe einer Oberflächenschicht oder mehrerer Oberflächenschichten von porösem Substrat zu schaffen, so daß die abgetragene Schicht auf sichere Weise gesammelt und entsorgt werden kann, so daß das Gesamtniveau von Kontaminationsstoffen in dem fraglichen Substrat oder Körner verringert wird.
- Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Abtragen einer kontaminierten Oberflächenschicht oder mehrerer kontaminierter Oberflächenschichten von einem Betonkörper oder einem anderen hydraulisch gebundenen Materialkörper vorgesehen, wobei das Verfahren die Schritte zum Erzeugen einer relativen wechselseitigen Bewegung zwischen der abzutragenden Oberfläche und einer Laserheizquelle umfaßt, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß ein Ablösen der Schicht nahe der Oberfläche aufgrund von Dehydratisierung des Betons oder des anderen hydraulisch gebundenen Materials vom Körner verursacht wird.
- Es kann ein Kohlenstoffdioxidlaser verwendet werden. Andere Arten von Lasem können eingesetzt werden, einschließlich YAG-Lasern, die den Vorteil der Übertragbarkeit durch optische Fasern haben.
- Gemäß einem ersten Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Ablösung der kontaminierten Oberfläche vom Körner durch das Erzeugen thermischer Spannungen unterhalb der Oberfläche veranlaßt werden, die ein Brechen des Betons und ein Abblättern einer Oberflächenschicht verursachen. Die Körperoberfläche kann mit einer Laserheizquelle behandelt werden, um den Beton zu heizen, jedoch 50, daß kein Schmelzen der Betonoberfläche auftritt. Beton beginnt bei ungefähr 200ºC zu dehydratisieren. Die thermische Spannung zusammen mit der Ausdehnung von Feuchtigkeit und Luft, die unterhalb der Oberfläche erzeugt wird, bewirkt ein Abblättern der Oberflächenschicht mit der eingefangenen Kontamination.
- Es wurde festgestellt, daß die Betonoberfläche während des Überquerens des Lasers abblättert, wobei die Blätter von der Oberfläche mit bedeutender Kraft und Geschwindigkeit abgestoßen werden. Die abgestoßenen Blätter können durch geeignete Mittel zum sicheren Entsorgen eingefangen und gesammelt werden.
- Der erforderliche Bereich für die Leistungsdichte eines Lasers liegt im Bereich von ungefähr 100 W/cm² bis ungefähr 800W/cm². Ein bevorzugter Bereich kann ungefähr 300 W/cm bis ungefähr 800W/cm² sein. Typische Werte der Überquergeschwindigkeit können im Bereich von ungefähr 30 mm/min bis ungefähr 300 mm/min liegen. Die Überquergeschwindigkeit darf nicht zu hoch sein, damit genügend Zeit zum Wärmeaufbau unter der Oberfläche bleibt. Ähnlich sollte die Leistungsdichte nicht so hoch sein, daß ein signifikantes Schmelzen oder Verdampfen der Oberfläche eintritt. Die Überquergeschwindigkeit ist teilweise vom Feuchtigkeitsgehalt des Betons abhängig. Wo der Feuchtigkeitsgehalt relativ hoch ist, kann auch die Überquergeschwindigkeit relativ hoch sein, weil der erzeugte Dampfdruck zur Beseitigung der Oberflächenblätter beitragen wird. Die Überquergeschwindigkeit wird auch durch die chemische Zusammensetzung und die physikalische Beschaffenheit des Betons bestimmt. Diese Faktoren beeinflussen auch die erforderliche Leistungsdichte, da beispielsweise ein hoher Feuchtigkeitsgehalt des Betons einen Laser mit geringerer Leistungsdichte bedingt. Die Überquergeschwindigkeit und die Leistungsdichte stehen miteinander in Wechselbeziehung und können bis zu einem gewissen Grad zur gegenseitigen Kompensation verwendet werden, d. h. eine geringere Leistungsdichte kann beispielsweise durch eine geringere Überquergeschwindigkeit kompensiert werden.
- Es wurde festgestellt, daß Betonabtragtiefen von ungefähr 1 mm bis ungefähr 4 mm in einem Arbeitsgang erreicht werden können. Es wurde auch festgestellt, daß die Volumengeschwindigkeit für Betonabtrag zwischen ungefähr 500 und ungefähr 800 cm³/h.kW liegt.
- Mehrere Arbeitsgänge können durchgeführt werden, um einen höheren Tiefenabtrag zu erzielen.
- Die Abtragrate kann durch Wässern des Betons vor der Laserbehandlung, um den Dampfdruck innerhalb des Betons zu erhöhen, gefördert werden.
- Die sich ergebende Betonoberfläche ist rauh, aber sauber, ohne Anzeichen des Heizeffektes des Lasers. Ein Vorteil des ersten Aspekts des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die hohe Effizienz des Oberflächenabtrags, weil ein Heizen des Betons bis zum Schmelzpunkt nicht erforderlich ist. Ein weiterer wichtiger Vorteil gegenüber dem Stand der Technik besteht darin, daß, falls gewünscht, nur das Material mit einem relativ hohen Kontaminationsgrad abgetragen werden kann. Die tatsächliche Abtragtiefe kann jedoch gewählt und durch mehrfache Arbeitsgänge erreicht werden. Dadurch ist eine genaue Kontrolle der Tiefe und der Kontaminationsabtragungsgeschwindigkeit möglich.
- Gemäß einem zweiten Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das Lösen der kontaminierten Oberflächenschicht vom Körper durch Heizen mit einer Laserheizquelle zum Erzeugen einer hitzebeeinflußten Zone (HBZ) in dem Körper unter dessen Oberfläche bewirkt werden, wobei mindestens ein Teil der HBZ einem Temperaturbereich zwischen ungefähr 550ºC und ungefähr 900ºC ausgesetzt wurde.
- Ein Brechen der hydratisierten, chemischen Bindung tritt bei auf gewöhnlichem Portland- Zement (GPZ) basierendem Beton ab ungefähr 550ºC ein, und die Druckfestigkeit von GPZ-Beton ist zwischen ungefähr 800 und 900ºC am schwächsten. Das Schmelzen einer Schicht des Oberflächenmaterlals mit einem Laser erzeugt während eines Heizens und während eines nachfolgenden Abkühlens der geschmolzenen Oberflächenschicht eine HBZ unterhalb der Oberfläche. Der Schmelzpunkt von Beton liegt im Bereich von ungefähr 1600 bis ungefähr 1750ºC, und daher wird die HBZ ein Gebiet aufweisen, das innerhalb des Bereichs von ungefähr 550ºC bis ungefähr 900ºC geheizt wurde.
- Es wurde festgestellt, daß die Oberflächenschicht aufgrund von Durchbrechen der HBZ abgelöst wird, nachdem ein Laserstrahl über den Oberflächenbereich eines kontaminierten Betonkörpers geführt wurde, wobei der Laser eine Verglasung der Oberfläche bewirkt.
- Durch Kontrolle der Leistungsdichte und der Überquergeschwindigkeit kann die Tiefe der HBZ gesteuert werden, und deswegen kann die Dicke der abgelösten Schicht ebenfalls gesteuert werden.
- Vorzugsweise wird ein relativ dünner erster Belag aus zementitartigem oder hitzebeständigem Material vor der Laserbehandlung auf die kontaminierte Oberfläche aufgetragen. Vorzugsweise ist die Dicke des aufgetragenen Belags kleiner als 1 mm, dies ist jedoch nicht kritisch, und er kann dicker sein.
- Der aufgetragene erste Belag kann eine Mischung aus Schamotte, Puzzolanerde, Wasserglas und Zement sein. Der Belag kann als Sprühbelag aufgetragen werden. Dieser Belag dient unter anderem dazu, jegliche Oberflächenkontamination zu versiegeln und in der Luft schwebende Kontamination zu binden.
- Nachfolgende Laserbehandlung kann ein Verglasen des aufgetragenen ersten Belags und der Oberfläche des Betonsubstrates bewirken, wodurch die Kontaminationsstoffe nahe der Oberfläche versiegelt werden. Die Erzeugung der darunterliegenden HBZ verursacht ein Abscheren des Betons durch die HBZ und bewirkt, daß die Oberflächenschicht des Betonkörpers und der verglaste, daran haftende erste Belag von dem Betonsubstrat gelöst werden.
- Vorzugsweise wird eine Schicht eines zweiten Belagmaterials auf die laserbehandelte Oberfläche aufgetragen. Das zweite Belagmaterial kann die verschiedensten Materialien enthalten und zum Beispiel Wasserglas, Zement, Zement enthaltende Mischungen oder Kunstharze wie Epoxydharz umfassen.
- Die Schicht aus dem zweiten Belagmaterial liefert einen zweifachen Vorteil, indem sie jegliche Oberflächenkontamination versiegelt, die während des Laserverglasungsschrittes erzeugt und wieder abgesetzt wurde, und ferner durch Zusammenbinden der gelösten Oberflächenschicht als eine zusammenhängende Tafel für mechanische Festigkeit sorgt.
- Die gelöste Oberflächenschicht kann durch Lasermittel in Abschnitte brauchbarer Größe geschnitten werden, die dann mit geeigneten Mitteln abgehoben werden können. Die geeigneten Mittel können zum Beispiel mechanische Greifeinrichtungen oder Vakuumgreifmittel umfassen.
- Die minimale Laserleistungsdichte für den zweiten Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens beträgt ungefähr 150 W/cm². Die maximale Leistungsdichte ist diejenige knapp an dem Punkt, an dem signifikantes Verdampfen der Oberfläche für die gegebenen Überquerbedingungen aufzutreten beginnt. Wieder sind Faktoren wie die Leistungsdichte und die Überquergeschwindigkeit voneinander abhängig, und Änderungen werden die Tiefe der HBZ beeinflussen.
- Dieser zweite Aspekt der vorliegenden Erfindung hat den besonderen Vorteil, daß alle Kontaminationsstoffe zusammen in einer festen Masse gebunden sind und leicht und sicher gehandhabt werden können. Weiter werden keine signifikanten Dunstkontaminationsbestandteile erzeugt.
- Der typische Tiefenabtrag in einem Durchlaufliegt, abhängig von den Prozeßparametern, zwischen ungefähr 3 mm und ungefährs mm.
- Obwohl die Überquergeschwindigkeiten relativ niedrig bei ungefähr 0,5 bis ungefähr 5 mm/s liegen, ist die Abtraggeschwindigkeit für das Betonvolumen relativ hoch, bei zwischen ungefähr 200 und ungefähr 400 cm³/h kW.
- Es wurde auch festgestellt, daß der erste und zweite Aspekt der vorliegenden Erfindung nicht nur auf Beton, sondern auch auf andere hydraulisch gebundene Materialien wie Mörtel, Putz, Rauhputz und Stein, wie etwa Sandstein, anwendbar ist. Natürlich können diese Materialien auch mit einer geeignet hohen Laserleistungsdichte verdampft werden.
- Zum besseren Verständnis der Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung rein vemnschaulichende Beispiele gegeben. Es zeigen:
- Figur 1 eine schematische Darstellung gemäß dem ersten Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens und
- die Figuren 2A bis 2D schematische Darstellungen eines Verfahrens gemäß dem zweiten Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens.
- Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung des ersten Aspekts des erfindungsgemäßen Verfahrens. Ein kontaminiertes Betonsubstrat wird allgemein bei 20 gezeigt. Das Substrat weist eine (nicht gezeigte) Kontaminationsstoffe enthaltende Oberflächenschicht 22 auf. Ein Laserstrahl 24 wird in rasternder Weise über die Oberfläche geseannt. Die Überquergeschwindigkeit und die Leistungsdichte sind derart, daß die Temperatur bei einer gewünschten Tiefe unter der Oberfläche 26 über 200ºC hinausgeht, was die Dehydratisierung des Betons und die daraus folgende Erzeugung von Wasserdampf und expandierender Luft verursacht. Dies führt dazu, daß Blätter kontaminierten Materials 28 der Oberflächenschicht 22 wegfliegen, während der Laserstrahl 24 darüber hinweggeht. Die Blätter des Materials 28 werden von einer Absaugvorrichtung aufgefangen, die schematisch bei 30 gezeigt ist, wobei die Blätter durch einen komprimierten Luftstrahl 32 zur Bewegung in Richtung der Absaugvorrichtung 30 veranlaßt wurden. Die sich ergebende Oberfläche 34 des Substrats 20 ist rauh, aber sauber und scheint vom Laserstrahl unbeeinflußt zu sein.
- Es wird nun auf Figur 2 Bezug genommen, wo ein kontaminiertes Betonsubstrat mit 40 bezeichnet ist. Das Substrat 40 weist eine Oberflächenschicht 42 mit (nicht gezeigten) Kontaminationsstoffen auf. Eine erste Belagschicht 44 aus einem zementitartigen Material mit einer Mischung aus Schamotte, Puzzolanerde, Wasserglas und Zement wird durch einen Sprühkopf 46 auf die Oberfläche 48 des Substrats 40 (Fig. 2A) gesprüht. Sobald der Belag 44 getrocknet wurde, wird ein Laserstrahl 50 auf rasternde Weise über den gesamten Oberflächenbereich geführt. Der Laserstrahl bewirkt, daß das erste Belagmaterial und die obere Zone 52 der kontaminierten Oberflächenschicht 42 eine glasartige verglaste Schicht bilden, wobei der verglaste Belag 44 und das verglaste Gebiet 52 miteinander verbunden werden und alle darin nahe der Oberfläche 48 enthaltenen Kontaminationsstoffe versiegeln. Außer der Ausbildung der verglasten Schicht wird auch eine HBZ 54 unter der verglasten Schicht erzeugt, die darin ein Gebiet aufweist, das einer Temperatur zwischen ungefähr 800 und ungefähr 900ºC (Fig. 2B) ausgesetzt wurde. Sobald die gesamte Oberfläche mit dem Laser gerastert wurde, wird ein zweiter Belag 56 mittels einer Sprüheinrichtung 58 auf die Oberfläche gesprüht. Der zweite Belag 56 kann aus jedem geeigneten Material, wie zum Beispiel Epoxydharz, Wasserglas oder Zement, sein. Der zweite Belag 56 wird dann je nach Eignung ausgeheilt oder getrocknet und dient dem Zweck der Fixierung aller Kontaminationsstoffe, die auf der Oberfläche 60 der verglasten Schicht abgeschieden wurden, und auch dem Zweck, der abgelösten Oberflächenschicht 62 mechanische Festigkeit zu verleihen, die bei 64 durch die HBZ 54 abgeschert wurde, um alles miteinander zu verbinden (Fig. 2C). Die vollständig gebundene, jedoch abgelöste kontaminierte Oberflächenschicht 62 wird dann mit einem Laser 66 in geeignet große Abschnitte geschnitten, um es Abtragmitteln zu erlauben, jeden Abschnitt zum Entsorgen abzuheben. In diesem Fall werden die Abtragmittel als ein Vakuumgreifer 68, an dem ein Unterdruck 70 angeschlossen ist, dargestellt (Fig. 2D).
- Geeignete Laser beziehen einen 2-kW-Electrox-Kohlendioxidlaser (Handelsmarke) und einen 400-W-Lumonics-Neodym-YAG-Laser (Handelsmarke) ein. Andere Lasertypen, wie Halbleiterlaser, CO-Laser, Farbstofflaser und alle anderen mit geeigneten Leistungsdichtemerkmale, können ebenfalls eingesetzt werden.
- Ein wichtiger Vorteil der vorliegenden Erfindung in beiden ihrer Aspekte liegt darin, daß die kontaminierte Oberfläche durch den Laserstrahl von fern behandelt werden kann. Daher können sich Personen, die mit der Dekontaminierung einer Struktur oder eines Körpers beauftragt sind, sich in sicherem Abstand von der Kontamination aufhalten.
- Obwohl die vorliegende Erfindung unter besonderer Bezugnahme auf die Dekontaminierung von mit Radionukliden kontaminierten Oberflächen beschrieben wurde, ist sie genauso gut für die Dekontamination von Oberflächen geeignet, die mit anderen Kontaminationsstoffen, wie zum Beispiel toxischen Kontaminationsstoffen und/oder Schwermetallionen, kontaminiert sind.
Claims (15)
1. Verfahren zum Abtragen einer kontaminierten Oberflächenschicht oder von
kontaminierten Oberflächenschichten von einem Betonkörper oder einem anderen
hydraulisch gebundenen Materialkörper (20; 40); wobei das Verfahren die Schritte des
Erzeugens einer relativen wechselseitigen Bewegung zwischen der abzutragenden
Oberfläche und einer Laserheizquelle (24; 50) umfaßt und wobei das Verfahren dadurch
gekennzeichnet ist, daß eine Schicht (22; 62) nahe der Oberfläche aufgrund von
Dehydratisierung des Betons oder des anderen hydraulisch gebundenen Materials vom
Körper gelöst wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Lösen der kontaminierten Oberfläche (22) vom
Körper (20) durch Erzeugen thermischer Spannungen unter der Oberfläche mittels der
Erzeugung von Wasserdampf durch Dehydratisierung des Materials bewirkt wird, wodurch
das Brechen und Abblättern (28) der Oberflächenschicht bewirkt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Lösen der kontaminierten Oberflächenschicht
(62) vom Körper (40) durch Heizen mit einer Laserheizquelle (50) zum Erzeugen einer
hitzebeeinflußten Zone (HBZ) (54) in dem Körper unter dessen Oberfläche bewirkt wird,
wobei mindestens ein Teil der HBZ einem Temperaturbereich zwischen ungefähr 550ºC und
ungefähr 900ºC ausgesetzt wurde.
4. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem eine Temperatur von mindestens 200ºC in oder
unter der kontaminierten Schicht (22) erzeugt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 2 oder Anspruch 4, bei dem die Laserleistungsdichte im
Bereich von ungefähr 100 W/cm² bis ungefähr 800 W/cm² liegt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2, 4 oder 5, bei dem die Überquergeschwindigkeit
im Bereich von ungefähr 30 mm/min bis ungefähr 300 mm/min liegt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 4 bis 6, bei dem die Materialabtragrate im
Bereich von ungefähr 500 cm³/h bis ungefähr 800 cm³/h liegt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 4 bis 7, bei dem die Tiefe der
Materialabtragung im Bereich von ungefähr 1 mm bis ungefähr 4 mm liegt.
9. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die Ablösung in der HBZ (54) erfolgt, die einem
Temperaturbereich von ungefähr 800º C bis ungefähr 900º C ausgesetzt war.
10. Verfahren nach Anspruch 3 oder Anspruch 9, bei dem eine Schicht aus einem ersten
zementitartigem oder hitzebeständigem Materlalbelag (44) auf die Oberfläche des Substrats
vor der Behandlung mit dem Laser aufgetragen wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die Dicke der ersten Belagschicht (44) ungefähr
1 mm oder weniger beträgt.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 9 bis 11, bei dem die minimale
Laserleistungsdichte 150 W/cm² ist.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 9 bis 12, bei dem die
Überquergeschwindigkeit im Bereich von ungefähr 0,5 bis ungefähr 5 mm/s liegt.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 9 bis 13, bei dem eine zweite Belagschicht
(56), die aus der Gruppe der Kunstharze, von Zement, Zement enthaltenden Mischungenv
hitzebeständigen Materialien und Wasserglas ausgewählt ist, auf die laserbehandelte
Oberfläche (60) aufgetragen wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, das weiter den Schritt des Schneidens der
laserbehandelten, abgelösten, kontaminierten Oberfläche in Abschnitte vor deren Abtragen
umfaßt.
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