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Die Erfindung betrifft einen Mikrowellen-Applikator
und seine Verwendung zur Beseitigung von kontaminierten Beton-Oberflächen.
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Die Abtragung von stillgelegten Kernkraftwerken
ist verbunden mit der Zerstörung
von kontaminiertem Material, insbesondere seiner Zerstückelung,
wobei diese Stücke
in Bitumen-Fässer
geworfen werden, die dann in spezialisierten Anlagen zwischengelagert
werden. Die Betonwände,
die zerkleinert werden müssen,
machen diese Operation aufgrund ihrer Dicke schwierig. Da aber die
Kontamination nur in die Oberflächenschichten
des Betons eindringt, besteht kein Grund, auch den Kern dieser Wände, der
nicht kontaminiert ist, einer speziellen Behandlung zuzuführen.
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Durch das Bestreben, das Materialvolumen, das
zwischengelagert werden muss, nicht exzessiv zu vergrößern, haben
die Abtragungsunternehmen eine Schältechnik entwickelt, mit der
sie die kontaminierten Schichten vom Rest der Betonwände abtrennen,
indem sie nur die Oberflächen
der Betonwände entfernen
und den nicht kontaminierten Teil zurücklassen. Dazu verwenden sie
eine bestimmte Anzahl rein mechanischer Werkzeuge, zum Beispiel
Stock- oder Scharrierhämmer,
Presslufthämmer,
Druckwasserstrahlrohre sowie Vorrichtungen zur Anwendung von Mikrowellen.
Diese neue Technik nutzt die Präsenz
von Wasser im Beton, das durch die Mikrowellen erhitzt wird bis
es siedet, was dann, wie erwünscht,
zu einer explosionsartigen Absprengung der Oberfläche führt.
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Die richtige Anwendung des Verfahrens
beruht jedoch auf einer entsprechenden Auswahl bestimmter Parameter
wie zum Beispiel der Leistung der Mikrowellen, ihrer Frequenz, ihrer
Anwendungsfläche
und ihrer Richtung. Bei einer Vorrichtung, beschrieben in dem Artikel "Microwave system
for removal of concrete surface layers" von P. Corleto und Mitarbeitern und
veröffentlicht
durch die italienische Agentur für
neue Technologien, Energie und Umwelt (ENEA), verwendet man mehrere
leistungsstarke Magnetrone. um über
eine große
Fläche
verteilte Mikrowellen zu emittieren. Derart erwärmt man ein großes Betonvolumen,
und dies um so mehr, als die Mikrowellen, deren Frequenz relativ
niedrig ist (2450 MHz in der vorgeschlagenen Ausführung),
tiefer in den Beton eindringen. Diese Vorrichtung scheint effizient
zu sein, jedoch ist anzunehmen, dass andere Vorgehensweisen sich
ebenso eignen, indem sie zum Beispiel ermöglichen, eine ebenso große Betonoberfläche mit
sehr viel weniger Leistung zu schälen, um zu verhindern, dass
die Wellen divergieren bzw. sich zerstreuen, was zu einer Verringerung
der in den Beton eingespeisten Volumenleistung führt und definitiv eine reduzierte
Effizienz des Verfahrens zur Folge hat. Bei der Konzeption der Erfindung
wurden diese Überlegungen
berücksichtigt,
und ihre wesentliche Charakteristik besteht darin, dass die Mikrowellen
auf eine nahezu punktförmige
oder nahezu fadenförmige
Zone fokussiert werden, in der sich die erzeugte Erhitzung konzentriert,
was die Betonschältiefe
bestimmt, sobald die Fokussierzone stabilisiert worden ist.
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Die bekannten Betonschälvorrichtungen
umfassen im Wesentlichen einen Applikator mit einem Kopf, durch
den die Mikrowellen einen Lichtleiter verlassen. Dieser Applikatorkopf,
auf die Betonwand aufgesetzt oder mit einem geringen Abstand von
dieser entfernt, muss so konzipiert sein, dass er die gewünschte Fokussierung
herstellt. Obwohl die Fokussierung von Wellen in der Technik, die
uns beschäftigt,
nicht vorgeschlagen wurde, kennt man auf dem Gebiet der Medizin
entwickelte Applikatoren, die Mikrowellen fokussieren und in dem
Körper
eines Patienten eine lokale Hyperthermie erzeugen, zum Beispiel
um im Brennpunkt einen Tumor zu zerstören. Drei verschiedene Vorrichtungen
sind beschrieben in den Artikeln "A direct-contact microwave lens applicator
with a microcomputer-controlled heating system for local hyperthermia" von Nikawa et al.
(IEEE transactions on microwave theory and techniques, Vol. MTT-34,
Nr. 5, Mai 1986), "An
electric field converging applicator with heating pattern controller
for microwave hyperthermia",
wieder von Nikawa et al. (dieselbe Quelle), und "Microwave applicator using two slots
on sphere" von Krairiksh
et al., veröffentlicht durch
IEEE anlässlich
der Konferenz "Asia-Pacific Microwave" 1992 in Adelaide,
Australien. Eine dieser Vorrichtungen umfasst eine Sammellinse am
Ausgang des Wellenleiters. Eine andere umfasst einen Wellenleiter
mit einer Endverbreiterung bzw. erweiterung, an dieser Stelle durch
parallele Platten unterteilt, die einem Mikrowellenstrahl ausgesetzt
werden, divergierend gemacht beim Eintritt in die Verbreiterung
bzw. Erweiterung. Wellenreflexionen, erzeugt auf den parallelen
Platten, machen den Strahl konvergierend und fokussieren ihn auf
den Ausgang des Applikators. Die dritte Vorrichtung betrifft schließlich einen
hemisphärischen
Applikatorkopf, den die Mikrowellen durch kreisbogenförmige Schlitze
verlassen. Man erhält
mit diesen Systemen eine zufriedenstellende Fokussierung, erwünscht sich
aber eine andere für
die Betonschältechnik,
denn diese Applikatorköpfe
mit großen Öffnungsflächen können leicht durch
Stäube
und Betonsplitter beschädigt
werden, die sich von dem abgeschälten
Beton lösen.
Man stellt auch fest, dass die großen Öffnungen zu einem Leistungsverlust
führen,
denn der Anteil der durch den Beton nach außen reflektierten Mikrowellen,
die dann verloren sind, ist größer.
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Zu erwähnen ist noch die Vorrichtung
des Patents EP-A-0 438 179, wo Mikrowellen, die in einem elliptischen
Spiegel eintreffen, eine Entladungsbirne bzw. -lampe entzünden, deren
Licht der Spiegel reflektiert. Da die Birne bzw. Lampe in einem
der Brennpunkte der Ellipse angeordnet ist, konzentriert sich das
Licht im anderen Brennpunkt, wo es einen Kristall schmelzen kann.
Wie man sehen wird, finden sich einige dieser Maßnahmen in der Erfindung wieder,
die jedoch nicht auf eine Energiekonversion zurückgreift und keine im Wesentlichen
geschlossene reflektierende Hülle
benutzen kann, wie es der Spiegel ist.
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Der wesentliche Gegenstand der Erfindung ist
also ein Applikator mit einem Kopf, gebildet durch eine mit einer
Austrittsöffnung
der Mikrowellen versehene Hülle,
die ermöglicht,
einen Mikrowellenstrahl mit guter Schärfe auf ein Ziel zu fokussieren,
wobei weder ihre Struktur kompliziert noch ihre Öffnung groß ist.
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Und da die vorgesehene Hauptanwendung, nämlich das
Betonschälen,
Behandlungen großen Ausmaßes mit
einem großen
Energieaufwand erfordert, ist es auch wünschenswert, die Mikrowellenverluste
am Ausgang des Applikators zu begrenzen und vor allem die Retourreflexionen
in den Mikroleiter in Richtung Mikrowellenerzeuger, der leicht beschädigt werden
könnte.
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Diese verschiedenen Probleme werden
mit einem Applikator gelöst,
der einen Wellenleiter umfasst und einen Kopf, in dem dieser Wellenleiter
endet, wobei der Kopf eine auf ein Ziel der Mikrowellen ausgerichtete Öffnung aufweist
und im Wesentlichen eine die Mikrowellen reflektierende Hülle umfasst. Zwei
Hauptvarianten werden vorgeschlagen, deren gemeinsames neuartiges
Element darin besteht, dass der Längsschnitt der Hülle einer
abgeschnittenen Ellipse mit zwei Fokalzonen entspricht, von denen
eine, außerhalb
der Öffnung
befindlich, der Ort der Fokussierung der Mikrowellen ist. Die andere
Fokalzone ist ein Ort der Dispersion bzw. Zerstreuung der aus dem
Mikroleiter kommenden Mikrowellen in Richtung Hüllenoberfläche, wo die Mikrowellen reflektiert
werden, um in Richtung Fokussierungszone zu konvergieren. Bei der
einen der Varianten wird die Dispersionszone eingenommen von einem
die Mikrowellen reflektierenden Teil, wobei der Wellenleiter auf dieses
Teil ausgerichtet ist, das insbesondere sphärisch, rotationszylindrisch
oder dieder- bzw. zweiflachförmig
mit auf den Wellenleiter ausgerichtetem Winkel sein kann. Bei einer
anderen Ausführung
gibt es in der Innen-Fokalzone keine Reflexion sondern eine Diffusion
der Mikrowellen, die den Wellenleiter an dieser Stelle verlassen.
Ein Diffusionsteil, versehen mit multiplen Schlitzen, in dem der
Wellenleiter endet, kann vorgesehen werden.
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Die vorgesehene Hauptanwendung ist
also das Schälen
von kontaminiertem Beton. Jedoch ist dies nicht die einzige Anwendung,
sondern die Erfindung könnte
auch zur Zerkleinerung von Steinen oder in der Medizin angewendet
werden.
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Die Erfindung wird nun mit Hilfe
der folgenden Figuren beschrieben, die einige Beispiele ihrer Anwendung
liefern:
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die 1 zeigt
eine Gesamtansicht der Erfindung,
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die 2 zeigt
eine erste Konzeption des Applikators,
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die 3 zeigt
eine andere Ansicht des Applikators,
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die 4 zeigt
eine zweite Konzeption des Applikators,
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die 5 zeigt
eine dritte Konzeption des Applikators,
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und die 6 und 7 zeigen
Ausführungsvarianten
der 2 und 4.
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Die Vorrichtung kann auf einen Wagen 1 montiert
sein, der auf der zu schälenden
Betonwand 2 rollt. Er umfasst einen Mikrowellengenerator 3,
einen Applikatorkopf 4, einen Wellenleiter 5,
der den Mikrowellengenerator und den Applikator verbindet, eine
Absaugeinrichtung 6, eine Absaughaube 7 und eventuell
eine Membran 9, die die Öffnung 10 des Applikatorkopfs 4 verschließt. Die
von dem Generator 3 kommenden Mikrowellen durchlaufen den
Wellenleiter 5 und treten aus dem Applikatorkopf 4 durch die Öffnung 10 aus,
die direkt auf der Wand 2 aufliegt oder nur sehr wenig
von ihr entfernt ist, um die Verluste zu minimieren. Die fakultative
Membran 9 dient dem Schutz der Innenseite des Applikatorkopfs 4 gegen
Stäube
und Splitter des abgeschälten
Betons, lässt
jedoch selbstverständlich
die Mikrowellen durch. Die Stäube
und Splitter dringen in die Haube 7 ein und werden durch
die Saugeinrichtung 6 abgesaugt.
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In den 2 und 3 sieht man, dass der Applikatorkopf 4 eine
Hülle mit
der Form eines abgeschnittenen Zylinders mit elliptischer Basis
oder eines ellipsoidischen Zylinders ist, der zwei Fokalzonen F1
und F2 umfasst und so abgeschnitten ist, dass die zweite Fokalzone
F2 sich außerhalb
der Hülle
befindet, unter der Oberfläche
der Betonwand 2. Der Wellenleiter 5, der eine
metallische Leitung mit rechteckigem Querschnitt sein kann, hat
eine Symmetrieebene, die mit der Ebene zusammenfällt, die die Fokalzonen F1
und F2 des ellipsoidischen Zylinders verbindet. Die erste Zone F1,
in der Hülle
befindlich, wird eingenommen durch einen Reflektor 11, hier
gebildet durch einen metallischen Rotationszylinder, verbunden mit
dem Applikatorkopf 4. Die Wellen M, deren Weg anhand einer
von ihnen durch Pfeile dargestellt ist, treten aus dem Wellenleiter 5 parallel
zu der Symmetrieebene der Hülle
aus und werden dann durch den Reflektor 11 in Richtung
Innenoberfläche
des Applikatorkopfs 4 reflektiert, der sie seinerseits
in Richtung Fokalzone F2 reflektiert, unabhängig von ihrem anfänglichen
Weg und insbesondere ihrem Reflexionspunkt auf dem Reflektor 11:
die Fokussierung ist nahezu perfekt aufgrund der geometrischen Eigenschaften
des ellipsoidischen Zylinders und wird nur beeinträchtigt durch
den Nichtnull- Durchmesser
des Reflektors 11, der die Reflexion der ersten Fokalzone
F1 selbst verunmöglicht.
Die zweite Fokalzone F2 befindet sich aufgrund der Brechung der
bei der Trennung der Luft und des Betons erzeugten Wellen in Wirklichkeit
etwas tiefer in der Betonwand 2, als dies dargestellt ist.
Die Luft-Beton-Grenzfläche
erzeugt auch Wellenreflexionen in alle Richtungen, in Richtung Wellenleiter 5 und
insbesondere in Richtung Außenseite
bzw. nach außen. Die
ersteren haben jedoch keine schädlichen
Auswirkungen, denn der Reflektor 11 hält den größten Teil davon auf und schützt folglich
den Wellenleiter 5, und die zweiten werden reduziert durch
den engen Abstand der Öffnung
10.
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Der Vorteil einer Hülle mit
der Form eines Zylinders mit elliptischer Basis besteht darin, dass
man ihr eine Breite geben kann, die in Querrichtung wesentlich größer ist
als ihre Verschiebung 1, um die Erhitzung über eine
größere Breite
des Betons auszudehnen und diesen längs dieser breiteren Streifen
zu schälen.
Die 3 zeigt, dass die
Fokalzonen F1 und F2 linear sind und das Aussehen von Segmenten haben,
die parallel sind zu der Achse des Reflektors 11 mit der
Form eines ellipsoidischen Zylinders, und dass die Fokalzone F2
die Breite des in dem Beton erhitzten Streifens darstellt. Der rechteckige
Wellenleiter 5 weist einen Querschnitt auf, dessen Längsseite
parallel ist zu der Querrichtung, um die Wellen über eine größere Breite zu emittieren.
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Da der zylindrische Reflektor 11 jedoch
den Nachteil hat, einen Teil der Strahlung, der praktisch mit der
Hauptachse der Ellipse zusammenfällt,
in Richtung Wellenleiter 5 zurückzusenden, was den Sender 3 beschädigen kann,
ist es empfehlenswert, diesen zu ersetzen durch den Dieder oder
Zweiflach 14 der 4,
gebildet durch zwei ebene Facetten 15, die einen Winkel 16 bilden,
der gegen die Wellen 5 ausgerichtet ist und in Richtung Öffnung 10 offen
ist. Dadurch entfallen die bezüglich
des Wellenleiters 5 normal oder rechtwinklig reflektierenden
Reflektorteile und somit die Reflexionen, die den Sender 3 beschädigen könnten. Der
Nachteil des Dieders oder Zweiflachs 14 ist jedoch, dass
er die Strahlung weniger gut auf den zweiten Brennpunkt F2 fokussiert.
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Es kann noch eine weitere Konzeption
vorgeschlagen werden, bei der der mit dem Applikationskopf 4 koaxiale
Wellenleiter 5 ersetzt wird durch einen Wellenleiter 20,
der koaxial ist mit der ersten Fokalzone F1 und sich in ihrer Verlängerung
befindet. Der Wellenleiter 20 erstreckt sich im Innern
der Hülle in
Form eines Rohrs .17, das dünne
Strahlenschlitze 18 aufweist, die sich entsprechend seiner
Länge erstrecken
und über
einen großen
Teil seiner Oberfläche
verteilt sind, aber nicht in Richtung Öffnung 10. Die Wellen
verlassen das Rohr 17 nach allen vom ersten Brennpunkt
F1 ausgehenden Richtungen. Wie bei den vorhergehenden Ausführungen
werden sie von der Innenoberfläche
des Applikationskopfs 4 reflektiert in Richtung zweite
Fokalzone F2. Da der Weg der Wellen derselbe ist wie vorher mittels
der ersten Fokalzone F1, bleibt auch die Funktionsweise der Vorrichtung
dieselbe.
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Das Ellipsoid des Applikationskopfs 4 kann eine
mehr oder weniger große
Querausdehnung haben: die vorhergehenden Figuren haben den Fall
von breiten Applikationsköpfen 4 illustriert,
mit Reflektoren 11, 15 oder 17, langgestreckt
in Querrichtung und mit linearen Fokalzonen F1 und F2. Es können auch rotationssymmetrische
Applikationsköpfe
gewählt werden,
wobei die Fokalzonen dann durch Brennpunkte ersetzt werden. Das
reflektierende Teil ist dann eine Sphäre oder ein Konus, der den
Zylinder 11 oder den Dieder 14 ersetzt, und es
wird mit dem Applikationskopf 4 durch Aufhängungsstangen
verbunden. Die Darstellungen der 2 und 4 bleiben dann gültig, wobei
dann alle Schnitte des Applikationskopfes abgeschnittene Ellipsenschnitte
sind.
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Die 6 und 7 zeigen schließlich Ausführungsvarianten
der 2 und 4, die sich dadurch unterscheiden,
dass der Wellenleiter 5, anstatt bündig abzuschließen mit
der Innenoberfläche
der Hülle
des Applikationskopfs 4, eine Verlängerung 19 umfasst, die
in die Kammer hineinragt, umgeben von dem Applikationskopf 4,
in Richtung Fokalzone F1. Die Verlängerung endet mit einem Abstand
von ungefähr
einer Viertelwellenlänge
der Mikrowellen. Es wurde festgestellt, dass diese Anordnung dank
der verlängerten
Leitung der Mikrowellen gute Fokussierungsresultate liefert. Außerdem wurde
festgestellt, dass es vorteilhaft ist, wenn der Reflektor 11 oder 14 größenmäßig in etwa
einer Viertelwellenlänge
entspricht. Diese Werte sind jedoch Näherungswerte und resultieren
aus empirischen Versuchen, so dass es in Abhängigkeit von insbesondere der
Form des Reflektors durchaus die Möglichkeit anderer guter, ja sogar
besserer Lösungen
gibt.