EP4038642A1 - Procédé pour décontaminer une pièce métallique contenant un gaz par irradiation laser dans un milieu liquide - Google Patents

Procédé pour décontaminer une pièce métallique contenant un gaz par irradiation laser dans un milieu liquide

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Publication number
EP4038642A1
EP4038642A1 EP20786025.5A EP20786025A EP4038642A1 EP 4038642 A1 EP4038642 A1 EP 4038642A1 EP 20786025 A EP20786025 A EP 20786025A EP 4038642 A1 EP4038642 A1 EP 4038642A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
liquid medium
metal part
liquid
interface
pulsed laser
Prior art date
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Pending
Application number
EP20786025.5A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Grégoire AUGE
Jean-Michel Duchazeaubeneix
Laurence BESNAULT
Philippe Jacob
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Meliad
Onet Technologies CN SAS
Original Assignee
Meliad
Onet Technologies CN SAS
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Filing date
Publication date
Application filed by Meliad, Onet Technologies CN SAS filed Critical Meliad
Publication of EP4038642A1 publication Critical patent/EP4038642A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21F—PROTECTION AGAINST X-RADIATION, GAMMA RADIATION, CORPUSCULAR RADIATION OR PARTICLE BOMBARDMENT; TREATING RADIOACTIVELY CONTAMINATED MATERIAL; DECONTAMINATION ARRANGEMENTS THEREFOR
    • G21F9/00—Treating radioactively contaminated material; Decontamination arrangements therefor
    • G21F9/02—Treating gases
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B08—CLEANING
    • B08B—CLEANING IN GENERAL; PREVENTION OF FOULING IN GENERAL
    • B08B3/00—Cleaning by methods involving the use or presence of liquid or steam
    • B08B3/04—Cleaning involving contact with liquid
    • B08B3/10—Cleaning involving contact with liquid with additional treatment of the liquid or of the object being cleaned, e.g. by heat, by electricity or by vibration
    • B08B3/102—Cleaning involving contact with liquid with additional treatment of the liquid or of the object being cleaned, e.g. by heat, by electricity or by vibration with means for agitating the liquid
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B08—CLEANING
    • B08B—CLEANING IN GENERAL; PREVENTION OF FOULING IN GENERAL
    • B08B7/00—Cleaning by methods not provided for in a single other subclass or a single group in this subclass
    • B08B7/0035—Cleaning by methods not provided for in a single other subclass or a single group in this subclass by radiant energy, e.g. UV, laser, light beam or the like
    • B08B7/0042—Cleaning by methods not provided for in a single other subclass or a single group in this subclass by radiant energy, e.g. UV, laser, light beam or the like by laser
    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21F—PROTECTION AGAINST X-RADIATION, GAMMA RADIATION, CORPUSCULAR RADIATION OR PARTICLE BOMBARDMENT; TREATING RADIOACTIVELY CONTAMINATED MATERIAL; DECONTAMINATION ARRANGEMENTS THEREFOR
    • G21F9/00—Treating radioactively contaminated material; Decontamination arrangements therefor
    • G21F9/001—Decontamination of contaminated objects, apparatus, clothes, food; Preventing contamination thereof
    • G21F9/005—Decontamination of the surface of objects by ablation
    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21F—PROTECTION AGAINST X-RADIATION, GAMMA RADIATION, CORPUSCULAR RADIATION OR PARTICLE BOMBARDMENT; TREATING RADIOACTIVELY CONTAMINATED MATERIAL; DECONTAMINATION ARRANGEMENTS THEREFOR
    • G21F9/00—Treating radioactively contaminated material; Decontamination arrangements therefor
    • G21F9/28—Treating solids
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/10—Nuclear fusion reactors

Definitions

  • the present invention relates to the laser decontamination of a metal part containing a gas, in particular in the nuclear field.
  • the present invention relates to a method for decontaminating a metal part containing a gas which may be radioactive, by laser irradiation in a liquid medium, as well as to a device for implementing this decontamination method.
  • the metal parts present in nuclear installations and in particular in contact with the heat transfer fluid comprising radioactive compounds can be found contaminated by radioactive substances. This contamination can be on the surface or internally. To avoid contamination of the environment during the dismantling of nuclear installations or to limit human exposure to the radioactivity emitted by these parts during maintenance or dismantling activities of these installations, it is often necessary to decontaminate the metal parts. present in these facilities.
  • radioactive gases such as tritium ( 3 H) which is the radioactive isotope of hydrogen and which is capable of diffusing into the material to end up in the base metal of the metal part.
  • ITER international thermonuclear experimental reactor which is a nuclear fusion reactor project, using deuterium and tritium as fuel. Because of the ability of tritium to diffuse in the material, the management of tritiated waste by confinement is difficult and the techniques for surface decontamination of waste, in particular metallic waste, are not appropriate.
  • the present application aims to propose a solution making it possible to effectively decontaminate a metal part containing a gas which may be radioactive, that is to say whose base metal has adsorbed this gas, by reducing the risks of dispersion of the gas. gas in the air and the new contamination of the part by the redeposition of gas particles on the surface of the part and its diffusion in the material.
  • the present invention provides a method for decontaminating a metal part containing a gas by laser irradiation in a liquid medium and a device for implementing this method.
  • a first object of the invention relates to a method for decontaminating a metal part containing a gas by laser irradiation in a liquid medium, in which
  • a glass interface capable of allowing the wavelength of a pulsed laser beam to pass, the interface being arranged between the metal part and said beam, at a distance of between 10 mm and 250 mm of said part
  • liquid medium circulation system capable of directing the liquid medium located between the interface and the metal part, along said part
  • a second object of the invention relates to a device for decontaminating a metal part containing a gas by laser in a liquid medium, comprising:
  • a pulsed laser capable of emitting a pulsed laser beam at a wavelength between 1000 and 1080 nm, with a fluence between 30 and 200 J / cm 2 and a power peak between 1.2 and 7.5 kW, said laser comprising an irradiation head
  • a glass interface capable of allowing the wavelength of the pulsed laser beam to pass, intended to be placed between the metal part and said beam and to be immersed in the liquid medium a system for circulating the liquid medium, all or part of which is intended to be placed between said part and the glass interface, capable of directing the liquid medium located between the interface and the metal part, along said part.
  • FIG. 1 represents a diagram of the device according to the present invention implemented according to a mode not immersed in the liquid medium.
  • the metal part (1) the liquid medium (2)
  • the compartment comprising the liquid medium (3) the head of the pulsed laser (4)
  • the glass interface (5) the nozzle (6 )
  • the engine (7) the circulation system (8)
  • FIG. 2 represents a diagram of the device according to the present invention implemented according to a mode immersed in the liquid medium.
  • the metal part (1) the liquid medium (2)
  • the compartment comprising the liquid medium (3) the head of the pulsed laser (4)
  • the glass interface (5) the nozzle (6 )
  • the engine (7) the circulation system (8)
  • the hooking support (9) the waterproof compartment (10).
  • the method for decontaminating a metal part containing a radioactive gas by laser irradiation in a liquid medium and the device for implementing this method proposed by the inventors advantageously make it possible to effectively decontaminate a metal part having adsorbed into the material a gas which may be radioactive. , while reducing the risks of dispersing gas which may be radioactive in the air, therefore environmental and human contamination, but also new contamination of the part by the redeposition of gas particles on the surface of the part and its diffusion into the room. matter.
  • the objects of the present application make it possible in particular to avoid or reduce the difficulties of using a pulsed laser in a liquid medium, such as the reduction in the efficiency of decontamination and the generation of fumes at the surface of the liquid. .
  • a first object of the invention relates to a method for decontaminating a metal part containing a gas by laser irradiation in a liquid medium, in which
  • a glass interface capable of allowing the wavelength of a pulsed laser beam to pass, the interface being arranged between the metal part and said beam, at a distance of between 10 mm and 250 mm of said part
  • liquid medium circulation system capable of directing the liquid medium located between the interface and the metal part along said part
  • the pulsed laser includes an irradiation head.
  • laser irradiation head or “laser head” is understood to mean a coherent light source generating a pulsed laser beam and an optical module for focusing this beam and directing it along at least one axis on the surface of the part. to be decontaminated.
  • metal part containing a gas is understood to mean a metal part of which the base metal, that is to say the metallic material of which the part is made, and not only the surface, contains a gas such as hydrogen or again tritium which is a radioactive gas.
  • the present invention is particularly advantageous for the decontamination of a metal part containing a radioactive gas, because the radioactive gases and in particular tritium have the capacity to diffuse in the metallic material, to a depth which can go up to 35 ⁇ m or even 50. pm.
  • tritium is able to contaminate a metal part to a depth of about 10 ⁇ m.
  • the metal part implemented in the context of the present invention is a metal part containing a radioactive gas and more preferably said gas is tritium.
  • the ability of the process to effectively decontaminate a metal part containing a gas in a liquid medium is determined as a function of the ability of the process to pickle, to abrade the metal part and in particular as a function of the depth of abrasion of the part which must be sufficient to release all or part of the gas present in the material.
  • the process according to the present invention is considered to be effective when it allows to abrade at least 10 ⁇ m of the base metal of the part.
  • base metal is understood to mean the metallic material in which the metallic part is made.
  • the metal part can be in direct or indirect contact with a nuclear installation and this part can be subjected to the process according to the invention in cut or whole form.
  • the base metal in which the part is made can for example be stainless steel, black steel or a metal alloy such as those comprising high proportions of nickel, chromium, iron such as INOCONEL® 600, 625 , 718.
  • the liquid medium can be contained in a compartment, the dimensions and composition of which are suited to the metal part, to the liquid medium considered and to the process according to the invention.
  • the liquid medium can be water, demineralized water, a concentrated chemical solution with cerium or a nitrifying solution.
  • the liquid medium considered in the context of the present invention is water, preferably demineralized.
  • the metal part, the glass interface and the system for circulating the liquid medium can, independently of one another, be totally or partially immersed in the liquid medium. However, care will be taken to ensure that the part of the part to be subjected to the decontamination process is completely immersed in said medium.
  • the glass interface can for example be completely immersed in the liquid medium or else be placed on the surface of this medium.
  • the glass interface implemented in the method according to the invention can for example be produced from fused silica and comprises an anti-reflective coating whose refractive index is between 1.20 and 1.45.
  • the thickness of this interface can vary depending on the part to be decontaminated, the liquid medium in which the part is located, the gas contaminating said part or even the parameters of the process.
  • the thickness of the glass interface can be between 5 and 100 mm, preferably between 10 and 50 mm.
  • the glass interface is permanently or removably connected to the irradiation head of the pulsed laser by a fastening system or integrated into the irradiation head of the laser, preferably on the front face of said head.
  • the fluence corresponds to the energy density of the laser per unit area, and according to a preferred aspect of the method according to the invention, the fluence can be between 50 and 150 J / cm 2 .
  • the power peak in watts corresponds to the ratio of the energy per pulse in joules over the duration of the pulse in seconds, according to a preferred aspect of the method according to the invention, the power peak may be between 1.2 and 7, 5 kW.
  • the width of the pulsed laser beam is able to be modulated to adapt to the dimensions of the metal part to be decontaminated.
  • the pulsed laser implemented in the method according to the invention is an Nd: YAG laser emitting at a wavelength of 1064 nm.
  • the wavelength is 1064 nm
  • the fluence is between 50 and 150 J / cm 2
  • the power peak is between 2 and 4 kW
  • the speed of displacement is between 3000 and 20,000 mm / seconds.
  • the speed of movement or scanning speed refers to the speed at which the pulsed laser beam is applied to the metal part, according to a preferred aspect of the method according to the invention, the speed of movement is between 5000 and 10 000 mm / seconds.
  • the pulsed laser beam is applied to the metal part enough times and for a sufficient time for the gas to be released from the material, that is to say to abrade the base metal. the room to a depth at which all or part of the gas is found.
  • the number of passes depends on the parameters of the laser, the dimensions of the metal part considered, the type and depth of contamination by the gas.
  • the laser beam in the method according to the invention is applied to the workpiece between 10 and 150 times at the same location, preferably between 30 and 100 times.
  • each pass is made at the same place as the previous one.
  • the pulsed laser beam is applied to the metal part in the same direction on each pass.
  • the present invention relates to a method according to the first object in which, the liquid medium is water, the glass interface is placed in the water at a distance of between 10 and 50 mm from said part. , the wavelength is 1064 nm, the fluence is between 100 and 150 J / cm 2 , the power peak is between 2 and 4 kW and the laser beam is applied between 30 and 60 times on the metal part with a displacement speed between 5000 and 10 000 mm / second.
  • the head of the pulsed laser is placed at a focal distance from the metal part sufficient for the laser use to be effective.
  • This focal length corresponds to the distance between the focusing device of the irradiation head of the laser and the surface of the metal part to be decontaminated.
  • the head of the pulsed laser is placed at a focal length whose value is increased by 25% compared to the value of the distance between the metal part and the surface of the liquid.
  • the method according to the invention can be implemented according to an immersed mode, that is to say in which the irradiation head of the laser is totally or partially immersed in the liquid medium or according to a non-immersed mode, in which said head is not immersed in the liquid medium.
  • the irradiation head of the laser to which the glass interface is connected via the attachment system is placed outside the liquid medium.
  • the glass interface is arranged on the surface of the liquid medium.
  • the irradiation head of the laser to which the glass interface is connected via the attachment system or integrated is totally or partially immersed in the liquid medium.
  • the irradiation head is surrounded by a sealed compartment.
  • the liquid circulation system implemented in the method according to the present invention comprises a motor and a nozzle, said nozzle being immersed in the liquid medium and located between the interface and the metal part, along an axis parallel to the metal part.
  • the motor can also be immersed in the liquid medium, thanks to a sealed compartment surrounding it.
  • the liquid medium circulation system advantageously makes it possible to direct the liquid medium situated between the glass interface and the metal part, precisely the surface of said part, along said part, that is to say - say according to the longitudinal axis of the part and according to a laminar flow.
  • the nozzle of the circulation system is arranged at a sufficient distance between the interface and the part to ensure the direction of the liquid medium along the part, along the longitudinal axis of the part and with a laminar flow.
  • the motor of the circulation system has sufficient power to ensure said direction of the liquid medium.
  • the method according to the invention can comprise an additional step of collecting the liquid medium in which the gas is located after decontamination of the part, by means of a collection system which communicates with the liquid medium.
  • the collection system comprises a conduit, one end of which communicates with the liquid medium and the other end communicates with a compartment for collecting the contaminated liquid, said system comprising a pump connected directly or indirectly to said conduit and capable of aspirate the liquid to direct it to the collection compartment.
  • the step of collecting the liquid medium comprising the gas can be carried out during or after the implementation of the decontamination process, preferably during.
  • the collected liquid medium is stored in tanks in order to reduce the radioactivity to tritium by simple radioactive decay.
  • the liquid medium can be stored for a period equal to the radioactive decay period of tritium which is 12.3 years so as to reduce its activity by a factor of 2.
  • the method according to the invention comprises an additional step of decontamination of the liquid medium comprising the gas collected, in particular the radioactive gas.
  • This step can be carried out by any of the methods of decontaminating liquid effluents containing a radioactive gas such as tritium, known from the prior art.
  • a liquid decontamination method reference can be made to vacuum distillation which is based on the difference in volatility between the isotopes of water or to the separation of tritium by direct electrolysis of water. which is based on the difference in voltage of electrolysis and diffusion of ions in the electrolyte and which results in the decomposition of tritium into dioxygen and hydrogen gas.
  • chemical exchange processes which include two main steps, namely the transfer of the tritiated liquid, in particular water, to a flow of gaseous hydrogen gas circulating in countercurrent in the presence of a catalyst based on platinum, followed by a step of separating and concentrating the tritium and concentrating the gaseous tritium, in particular using cryogenic distillation.
  • the present invention also relates to a device for implementing the method according to the first object.
  • the device according to the invention comprises a compartment comprising a liquid medium (1), a pulsed laser, a glass interface (5) and a system for circulating the liquid medium (8).
  • a second object of the invention relates to a device for decontaminating a metal part (1) containing a gas by laser in a liquid medium (2), comprising:
  • compartment (3) comprising a liquid medium in which the metal part is intended to be immersed
  • a pulsed laser capable of emitting a pulsed laser beam at a wavelength between 1000 and 1080 nm, with a fluence between 30 and 200 J / cm 2 and a power peak between 1.2 and 7.5 kW, said laser comprising an irradiation head (4)
  • the dimensions of the compartment depend on the dimensions of the metal part to be decontaminated.
  • the pulsed laser implemented in the context of the present invention is a laser, the amplifying medium of which is composed of a neodymium-doped yttrium-aluminum garnet commonly known as an Nd: YAG laser. More preferably, the pulsed laser is an Nd: YAG laser emitting at a wavelength of 1064 nm.
  • the glass interface (5) is permanently or removably connected to the irradiation head of the pulsed laser (4) by a fastening system (9) or integrated into the irradiation head of the laser. laser, preferably on the front face of said head.
  • the irradiation head of the laser (4) to which the glass interface (5) is connected via the attachment system (9) is intended to be placed outside the liquid medium ( Figure 1 ).
  • the glass interface (5) is intended to be placed on the surface of the liquid medium (2).
  • the irradiation head of the laser (4) to which the glass interface (5) is connected via the attachment system (9) or integrated is able to be totally or partially immersed. in the liquid medium (2).
  • the irradiation head (4) is surrounded by a sealed compartment (10) (FIG. 2).
  • the total or partial immersion of the irradiation head (4) in the liquid medium advantageously makes it possible to be able to implement the method according to the invention easily in various configurations.
  • the system for circulating the liquid medium (8) comprises a motor (7) and a nozzle (6), said nozzle being intended to be immersed in the liquid medium (2) and arranged between the interface (5) and the metal part (1), along an axis parallel to the metal part.
  • the device according to the invention comprises a system for collecting the liquid comprising a pipe, one end of which communicates with the liquid medium and the other end communicates with a compartment for collecting the liquid, and a connected pump. directly or indirectly to said conduit and capable of sucking the liquid.
  • the present invention also relates to the use of a device according to the present invention for decontaminating a metal part containing a gas, preferably tritium, by laser in a liquid medium.
  • a device according to the present invention for decontaminating a metal part containing a gas, preferably tritium, by laser in a liquid medium.
  • the pulsed laser used emits at a wavelength of 1064 nm, has a power of 100 W, a frequency of 100 KHz and a focal length of 100 mm. Several distances between the metal part and the surface of the liquid were tested. Ten successive passes were carried out, with a total duration of about 80 seconds and an overlap of 10%.
  • the method implemented does not allow the samples to be effectively and homogeneously stripped in the presence of water, regardless of the distance between the part and the surface of the liquid.
  • the formation of bubbles of pickled material is observed, formed on the surface of the metal parts.
  • the presence of fumes at the surface of the compartment comprising the liquid medium and in which the metal part is placed has also been observed.
  • the process tested is not capable of abrading the base metal of the part.
  • Example 2 Implementation of an optimized process for the decontamination of a metal part in a liquid medium by a pulsed laser with a liquid circulation system.
  • Example 1 The same conditions relating to the material and method as for Example 1 were implemented.
  • a liquid circulation system has been implemented in this process.
  • This system comprises a motor and a rotating propeller submerged in the liquid compartment, located in the horizontal axis of the metal part.
  • Example 3 Implementation of a method for decontaminating a metal part according to the invention.
  • This study aims to determine the efficiency of a pulsed laser in the presence of a glass interface and a liquid circulation system, to decontaminate a metal part containing a gas in the base metal in a liquid medium. . Abrasion of the base metal of the part to a depth of at least 6 ⁇ m will be considered representative of the depth of contamination of a metal part with tritium.
  • the metal part was immersed in a compartment comprising demineralized water as a liquid medium, with a glass interface transparent to the 1064 nm wavelength of the laser, with a thickness of 5 mm.
  • the glass interface is placed on the surface of the liquid medium, between the pulsed laser beam and the metal part.
  • the metal part is placed at a water height below the surface of 25 mm.
  • the liquid circulation system comprises a motor and a nozzle, the nozzle being immersed in the compartment, arranged between the interface and the part, along an axis parallel to the metal part.
  • the pulsed laser implemented in the present study emits at a wavelength of 1064 nm, has a power of 100 W, a frequency of 100 KHz, a focal length of 140.3 mm. Several passes of the laser beam over the same area of the part were tested.
  • the capacity of the process to avoid the phenomena of material bubbles on the surface of the metal plate and to avoid the formation of fumes on the surface of the liquid was analyzed visually.
  • Surface topography analyzes by optical 3D measurements were carried out, in the same direction as the laser treatment and with a profile width of 0.5 mm, to characterize the step height between the reference surface and the etched surface.
  • the step height represents the difference in height between the surface of the part not treated by the laser and that treated.

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Abstract

La présente invention concerne un procédé pour décontaminer une pièce métallique (1) contenant un gaz dans un milieu liquide (2) ainsi qu'un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé de décontamination. Le procédé selon l'invention concerne un procédé pour décontaminer une pièce métallique (1) contenant un gaz par irradiation laser dans un milieu liquide (2), dans lequel on dispose la pièce métallique (1) dans le milieu liquide (2), on dispose dans le milieu liquide une interface en verre (5) apte à laisser passer la longueur d'ondes d'un faisceau laser pulsé, à une distance comprise entre 10 mm et 250 mm de ladite pièce, on dispose dans le milieu liquide (2), tout ou partie d'un système de circulation (8) du milieu liquide (2) apte à diriger le milieu liquide (2) situé entre l'interface et la pièce métallique (1) le long de ladite pièce, on applique sur la pièce métallique (1) un faisceau d'un laser pulsé émettant à une longueur d'ondes comprise entre 1000 et 1080 nm, avec une fluence comprise entre 30 et 200 J/cm2, un pic de puissance compris entre 1,2 et 7,5 kW, avec une vitesse de déplacement compris entre 3000 et 20 000 mm/secondes.

Description

Description
Titre de l'invention : Procédé pour décontaminer une pièce métallique contenant un gaz par irradiation laser dans un milieu liquide
Domaine Technique
La présente invention concerne la décontamination laser d'une pièce métallique contenant un gaz, en particulier dans le domaine nucléaire. En particulier la présente invention concerne un procédé pour décontaminer une pièce métallique contenant un gaz pouvant être radioactif, par irradiation laser dans un milieu liquide ainsi qu'un dispositif pour la mise en œuvre de ce procédé de décontamination.
Technique antérieure
Dans le domaine de l'industrie nucléaire, les pièces métalliques présentes au sein des installations nucléaires et notamment au contact du fluide caloporteur comprenant des composés radioactifs, peuvent se retrouver contaminées par des substances radioactives. Cette contamination peut être en surface ou en interne. Pour éviter la contamination de l'environnement lors du démantèlement des installations nucléaires ou encore pour limiter l'exposition humaine à la radioactivité émise par ces pièces lors des activités de maintenance ou de démantèlement de ces installations, il est souvent nécessaire de décontaminer les pièces métalliques présentes dans ces installations.
Diverses solutions existent à ce jour pour décontaminer la surface radioactive de pièces métalliques, par exemple à l'aide d'agents chimiques, par des techniques hydromécaniques à base de jets d'eau à haute pression, ou encore à l'aide de lasers.
On peut aussi faire référence au procédé de décontamination par laser pulsé effectué sous air tel que décrit dans EP0091646 qui permet de décontaminer une fine épaisseur de la contamination à la surface des déchets métalliques et non pas en interne et dont l'application du laser a tendance à créer une zone fondue sur cette surface sur laquelle les aérosols radioactifs produits ont tendance à se déposer à nouveau.
Parmi les substances radioactives pouvant contaminer les pièces métalliques présentes au sein des installations nucléaires que ce soit dans les réacteurs nucléaires, dans les installations de fusion nucléaire, ou dans les usines de traitement de combustibles usés, on retrouve les gaz radioactifs tels que le tritium (3H) qui est l'isotope radioactif de l'hydrogène et qui est capable de diffuser dans la matière pour se retrouver dans le métal de base de la pièce métallique.
L'essentiel des déchets tritiés se trouve sous forme solide et résulte des activités liées à la défense, des activités de recherche du Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives, et prochainement des activités de fonctionnement et de démantèlement de la machine de fusion ITER « réacteur thermonucléaire expérimental international » qui est un projet de réacteur nucléaire par fusion nucléaire, utilisant le deutérium et le tritium comme combustible. Du fait de la capacité du tritium à diffuser dans la matière, la gestion des déchets tritiés par confinement est délicate et les techniques de décontamination en surface des déchets notamment métalliques ne sont pas appropriées.
La gestion des déchets métalliques tritiés prévoit le stockage final de ces déchets, il est toutefois nécessaire de soumettre en amont ces déchets à des traitements pour diminuer leur teneur en tritium et leur taux de dégazage. Ces traitements peuvent simplement consister à découper puis entreposer ces déchets dans une installation en amont et / ou à les soumettre à des traitements thermiques ou de fusion.
On peut par exemple faire référence au procédé décrit dans EP0204634 qui propose de faire fondre les déchets métalliques tritiés, d'en extraire les gaz adsorbés dans la masse de déchets et de les soumettre à un traitement de détritiation. La mise en œuvre de ce procédé nécessite toutefois de s'assurer de la collecte des gaz radioactifs émis afin qu'ils ne se dispersent pas dans l'air ou dans les pièces environnantes ou qu'ils ne contaminent pas à nouveau les déchets métalliques.
Il existe donc un besoin de disposer d'une solution permettant de décontaminer efficacement les déchets métalliques contenant un gaz radioactif tel que le tritium, tout en limitant les risques de dispersion dans l'air de ce gaz et donc les risques de contamination environnementale et humaine. Il existe également un besoin de prévenir et/ou de limiter les risques de redépôt du gaz radioactif sur et dans les déchets métalliques et les pièces environnantes.
Ainsi, la présente demande a pour objectif de proposer une solution permettant de décontaminer efficacement une pièce métallique contenant un gaz pouvant être radioactif, c'est-à-dire dont le métal de base a adsorbé ce gaz, en réduisant les risques de dispersion du gaz dans l'air et la nouvelle contamination de la pièce par le redépôt des particules de gaz sur la surface de la pièce et sa diffusion dans la matière. Pour ce faire, la présente invention propose un procédé pour décontaminer une pièce métallique contenant un gaz par irradiation laser dans un milieu liquide et un dispositif pour la mise en œuvre de ce procédé.
Exposé de l'invention
Un premier objet de l'invention concerne un procédé pour décontaminer une pièce métallique contenant un gaz par irradiation laser dans un milieu liquide, dans lequel
- on dispose la pièce métallique dans le milieu liquide
- on dispose dans le milieu liquide une interface en verre apte à laisser passer la longueur d'ondes d'un faisceau laser pulsé, l'interface étant disposée entre la pièce métallique et ledit faisceau, à une distance comprise entre 10 mm et 250 mm de ladite pièce
- on dispose dans le milieu liquide, tout ou partie d'un système de circulation du milieu liquide apte à diriger le milieu liquide situé entre l'interface et la pièce métallique, le long de ladite pièce
- on applique sur la pièce métallique un faisceau d'un laser pulsé émettant à une longueur d'ondes comprise entre 1000 et 1080 nm, avec une fluence comprise entre 30 et 200 J/cm2 et un pic de puissance compris entre 1,2 et 7,5 kW, ledit faisceau étant appliqué sur la pièce métallique avec une vitesse de déplacement compris entre 3000 et 20 000 mm/secondes.
Un second objet de l'invention concerne un dispositif pour décontaminer une pièce métallique contenant un gaz par laser dans un milieu liquide, comprenant :
- un compartiment comprenant un milieu liquide dans lequel la pièce métallique est destinée à être immergée,
- un laser pulsé apte à émettre un faisceau laser pulsé à une longueur d'ondes comprise entre 1000 et 1080 nm, avec une fluence comprise entre 30 et 200 J/cm2 et un pic de puissance compris entre 1,2 et 7,5 kW, ledit laser comprenant une tête d'irradiation
- une interface en verre apte à laisser passer la longueur d'ondes du faisceau laser pulsé, destinée à être disposée entre la pièce métallique et ledit faisceau et à être immergée dans le milieu liquide - un système de circulation du milieu liquide dont tout ou partie est destiné à être disposé entre ladite pièce et l'interface en verre, apte à diriger le milieu liquide situé entre l'interface et la pièce métallique, le long de ladite pièce.
Brève description des dessins
[Fig. 1] La figure 1 représente un schéma du dispositif selon la présente invention mis en œuvre selon un mode non immergé dans le milieu liquide. On y distingue, la pièce métallique (1), le milieu liquide (2), le compartiment comprenant le milieu liquide (3), la tête du laser pulsé (4), l'interface en verre (5), la buse (6), le moteur (7), le système de circulation (8), le support d'accroche (9).
[Fig. 2] La figure 2 représente un schéma du dispositif selon la présente invention mis en œuvre selon un mode immergé dans le milieu liquide. On y distingue, la pièce métallique (1), le milieu liquide (2), le compartiment comprenant le milieu liquide (3), la tête du laser pulsé (4), l'interface en verre (5), la buse (6), le moteur (7), le système de circulation (8), le support d'accroche (9) et le compartiment étanche (10).
Description détaillée
Le procédé pour décontaminer une pièce métallique contenant un gaz radioactif par irradiation laser dans un milieu liquide et le dispositif de mise en œuvre de ce procédé proposés par les inventeurs permettent avantageusement de décontaminer efficacement une pièce métallique ayant adsorbé dans la matière un gaz pouvant être radioactif, tout en réduisant les risques de dispersion du gaz pouvant être radioactif dans l'air, donc la contamination environnementale et humaine mais aussi la nouvelle contamination de la pièce par le redépôt des particules de gaz sur la surface de la pièce et sa diffusion dans la matière. Les objets de la présente demande permettent en particulier d'éviter ou de réduire les difficultés de mise en œuvre d'un laser pulsé dans un milieu liquide telles que la diminution de l'efficacité de décontamination et la génération de fumées à la surface du liquide. En effet, lors de la mise en œuvre de l'invention, certaines difficultés liées à l'irradiation d'une pièce par un faisceau de laser en milieu liquide ont été identifiées. On peut en particulier faire référence à la présence de phénomènes de remous du milieu liquide à la surface de la pièce ne permettant pas de décontaminer de façon efficace et homogène la pièce, sans en altérer la surface. Les inventeurs ont en effet pu mettre en évidence que la décontamination d'une pièce métallique contenant un gaz pouvant être radioactif pouvait être mise en œuvre de façon avantageuse et efficace dans un milieu liquide, avec la présence d'une interface en verre disposée à proximité de la pièce, entre la pièce métallique et le faisceau de laser pulsé, et un système de circulation du milieu liquide apte à diriger le liquide entre l'interface et la surface de la pièce métallique avec un écoulement laminaire.
Ainsi, un premier objet de l'invention concerne un procédé pour décontaminer une pièce métallique contenant un gaz par irradiation laser dans un milieu liquide, dans lequel
- on dispose la pièce métallique dans le milieu liquide
- on dispose dans le milieu liquide une interface en verre apte à laisser passer la longueur d'ondes d'un faisceau laser pulsé, l'interface étant disposée entre la pièce métallique et ledit faisceau, à une distance comprise entre 10 mm et 250 mm de ladite pièce
- on dispose dans le milieu liquide, tout ou partie d'un système de circulation du milieu liquide apte à diriger le milieu liquide situé entre l'interface et la pièce métallique le long de ladite pièce
- on applique sur la pièce métallique un faisceau d'un laser pulsé émettant à une longueur d'ondes comprise entre 1000 et 1080 nm, avec une fluence comprise entre 30 et 200 J/cm2 et un pic de puissance compris entre 1,2 et 7,5 kW, ledit faisceau étant appliqué sur la pièce métallique avec une vitesse de déplacement compris entre 3000 et 20 000 mm/secondes.
Le laser pulsé comprend une tête d'irradiation. On entend par « tête d'irradiation du laser » ou « tête du laser », une source de lumière cohérente générant un faisceau laser pulsé et un module optique pour focaliser ce faisceau et le diriger selon au moins un axe sur la surface de la pièce à décontaminer. On entend par « pièce métallique contenant un gaz », une pièce métallique dont le métal de base c'est-à-dire le matériau métallique dont la pièce est composée, et pas seulement la surface, contient un gaz tel que l'hydrogène ou encore le tritium qui est un gaz radioactif.
La présente invention est particulièrement intéressante pour la décontamination de pièce métallique contenant un gaz radioactif, car les gaz radioactifs et en particulier le tritium ont la capacité de diffuser dans la matière métallique, jusqu'à une profondeur pouvant aller jusqu'à 35 pm voire 50 pm. En particulier, le tritium est capable de contaminer une pièce métallique jusqu'à une profondeur d'environ 10 pm. De préférence, la pièce métallique mise en œuvre dans le cadre de la présente invention est une pièce métallique contenant un gaz radioactif et de préférence encore ledit gaz est le tritium.
La capacité du procédé à décontaminer efficacement une pièce métallique contenant un gaz dans un milieu liquide, est déterminée en fonction de la capacité du procédé à décaper, à abraser la pièce métallique et en particulier en fonction de la profondeur d'abrasion de la pièce qui doit être suffisante pour libérer tout ou partie du gaz présent dans la matière. Le procédé selon la présente invention est considéré comme efficace lorsqu'il permet d'abraser au moins 10 pm du métal de base de la pièce.
On entend par « métal de base », le matériau métallique dans lequel la pièce métallique est constituée.
La pièce métallique peut être en contact direct ou indirect avec une installation nucléaire et cette pièce peut être soumise au procédé selon l'invention sous forme découpée ou entière. Le métal de base dans lequel la pièce est composée peut par exemple être l'acier inoxydable, l'acier noir ou encore un alliage de métaux tel que ceux comprenant de fortes proportions de nickel, chrome, fer comme l'INOCONEL® 600, 625, 718.
La présente demande fait référence à la pièce métallique au singulier pour des raisons de clarté, mais il est possible mettre en œuvre le procédé sur une ou plusieurs pièces métalliques de façon concomitante ou successive.
Le milieu liquide peut être contenu dans un compartiment dont les dimensions et la composition sont adaptées à la pièce métallique, au milieu liquide considéré ainsi qu'au procédé selon l'invention.
Le milieu liquide peut être de l'eau, de l'eau déminéralisée, une solution chimique concentrée au cérium ou une solution nitrifiante. De préférence le milieu liquide considéré dans le cadre de la présente invention est de l'eau, de préférence déminéralisée.
Dans le cadre du procédé selon l'invention, la pièce métallique, l'interface en verre et le système de circulation du milieu liquide peuvent indépendamment l'un de l'autre, être totalement ou partiellement immergés dans le milieu liquide. Toutefois on veillera à ce que la partie de la pièce devant être soumise au procédé de décontamination soit totalement immergée dans ledit milieu. L'interface en verre peut par exemple être totalement immergée dans le milieu liquide ou bien être disposée à la surface de ce milieu. L'interface en verre mise en œuvre dans le procédé selon l'invention peut par exemple être réalisée à partir de silice fondue et comprend un revêtement antireflet dont l'indice de réfraction est compris entre 1,20 et 1,45.
L'épaisseur de cette interface peut varier en fonction de la pièce à décontaminer, du milieu liquide dans lequel la pièce se trouve, du gaz contaminant ladite pièce ou encore des paramètres du procédé. Par exemple l'épaisseur de l'interface en verre peut être comprise entre 5 et 100 mm, de préférence entre 10 et 50 mm.
En particulier, l'interface en verre est reliée de façon permanente ou amovible à la tête d'irradiation du laser pulsé par un système d'accroche ou intégrée à la tête d'irradiation du laser, de préférence sur la face avant de ladite tête.
La fluence correspond à la densité d'énergie du laser par unité de surface, et selon un aspect préféré du procédé selon l'invention, la fluence peut être comprise entre 50 et 150 J/cm2.
Le pic de puissance en watts correspond au rapport de l'énergie par puise en joules sur la durée du puise en secondes, selon un aspect préféré du procédé selon l'invention, le pic de puissance peut être compris entre 1,2 et 7,5 kW.
De façon avantageuse, la largeur du faisceau laser pulsé est apte à être modulée pour s'adapter aux dimensions de la pièce métallique à décontaminer.
De préférence, le laser pulsé mis en œuvre dans le procédé selon l'invention est un laser Nd :YAG émettant à une longueur d'onde de 1064 nm.
Selon un aspect particulier du procédé selon l'invention, la longueur d'ondes est de 1064 nm, la fluence est comprise entre 50 et 150 J/cm2, le pic de puissance est compris entre 2 et 4 kW, et la vitesse de déplacement est comprise entre 3000 et 20 000 mm/secondes.
La vitesse de déplacement ou vitesse de balayage fait référence à la vitesse à laquelle le faisceau laser pulsé est appliqué sur la pièce métallique, selon un aspect préféré du procédé selon l'invention, la vitesse de déplacement est comprise entre 5000 et 10 000 mm/secondes.
Dans le procédé selon l'invention, le faisceau laser pulsé est appliqué sur la pièce métallique suffisamment de fois et pendant une durée suffisante pour que le gaz soit libéré de la matière, c'est-à-dire pour abraser le métal de base de la pièce jusqu'à une profondeur à laquelle se trouve tout ou partie du gaz. Le nombre de passages dépend des paramètres du laser, des dimensions de la pièce métallique considérée, du type et de la profondeur de contamination par le gaz. En particulier, le faisceau laser dans le procédé selon l'invention est appliqué sur la pièce entre 10 et 150 fois au même endroit, de préférence entre 30 et 100 fois.
On entend par « au même endroit », le fait que chaque passage soit effectué au même endroit que le précédent. De préférence, le faisceau laser pulsé est appliqué sur la pièce métallique dans la même direction à chaque passage.
Selon un aspect particulier, la présente invention concerne un procédé selon le premier objet dans lequel, le milieu liquide est de l'eau, l'interface en verre est disposée dans l'eau à une distance comprise entre 10 et 50 mm de ladite pièce, la longueur d'ondes est de 1064 nm, la fluence est comprise entre 100 et 150 J/cm2, le pic de puissance est compris entre 2 et 4 kW et le faisceau laser est appliqué entre 30 et 60 fois sur la pièce métallique avec une vitesse de déplacement comprise entre 5000 et 10 000 mm/secondes.
Lors de la mise en œuvre du procédé selon l'invention, la tête du laser pulsé est disposée à une distance focale de la pièce métallique suffisante pour que l'utilisation laser puisse être efficace. Cette distance focale correspond à la distance entre le dispositif de focalisation de la tête d'irradiation du laser et la surface de la pièce métallique à décontaminer.
En particulier, la tête du laser pulsé est disposée à une distance focale dont la valeur est augmentée de 25 % par rapport à la valeur de la distance comprise entre la pièce métallique et la surface du liquide.
Le procédé selon l'invention peut être mis en œuvre selon un mode immergé c'est-à-dire dans lequel la tête d'irradiation du laser est totalement ou partiellement immergée dans le milieu liquide ou selon un mode non immergé, dans lequel ladite tête n'est pas immergée dans le milieu liquide.
Selon un mode de réalisation particulier, la tête d'irradiation du laser à laquelle l'interface en verre est reliée via le système d'accroche est disposée hors du milieu liquide. De préférence selon ce mode de réalisation, l'interface en verre est disposée à la surface du milieu liquide.
Selon un autre mode de réalisation particulier, la tête d'irradiation du laser à laquelle l'interface en verre est reliée via le système d'accroche ou intégrée, est immergée totalement ou partiellement dans le milieu liquide. Dans ce mode de réalisation particulier, la tête d'irradiation est entourée d'un compartiment étanche. En particulier, le système de circulation du liquide mis en œuvre dans le procédé selon la présente invention comprend un moteur et une buse, ladite buse étant immergée dans le milieu liquide et située entre l'interface et la pièce métallique, selon un axe parallèle à la pièce métallique. Le moteur peut également être immergé dans le milieu liquide, grâce à un compartiment étanche l'entourant.
Tel qu'indiqué en amont, le système de circulation du milieu liquide permet avantageusement de diriger le milieu liquide situé entre l'interface en verre et la pièce métallique, précisément la surface de ladite pièce, le long de ladite pièce c'est-à-dire selon l'axe longitudinal de la pièce et selon un écoulement laminaire.
En particulier selon l'invention, la buse du système de circulation est disposée à une distance suffisante entre l'interface et la pièce pour assurer la direction du milieu liquide le long e la pièce, selon l'axe longitudinal de la pièce et avec un écoulement laminaire.
Le moteur du système de circulation présente une puissance suffisante pour assurer ladite direction du milieu liquide.
Le procédé selon l'invention peut comprendre une étape supplémentaire de collecte du milieu liquide dans lequel se trouve le gaz après décontamination de la pièce, grâce à un système de collecte qui communique avec le milieu liquide.
De préférence, le système de collecte comprend un conduit dont l'une des extrémités communique avec le milieu liquide et l'autre extrémité communique avec un compartiment de collecte du liquide contaminé, ledit système comprenant une pompe reliée directement ou indirectement audit conduit et apte à aspirer le liquide pour le diriger vers le compartiment de collecte.
L'étape de collecte du milieu liquide comprenant le gaz peut être effectuée pendant ou après la mise en œuvre du procédé de décontamination, de préférence pendant.
Selon un aspect, le milieu liquide collecté est entreposé dans des cuves afin de réduire la radioactivité en tritium par simple décroissance radioactive. Par exemple, le milieu liquide peut être entreposé pendant une période égale à la période de décroissance radioactive du tritium qui est de 12,3 ans de sorte à réduire son activité d'un facteur 2.
Selon un autre aspect, le procédé selon l'invention comprend une étape supplémentaire de décontamination du milieu liquide comprenant le gaz collecté en particulier le gaz radioactif. Cette étape peut être réalisée par l'une quelconque des méthodes de décontamination d'effluents liquides contenant un gaz radioactif tel que le tritium, connue de l'art antérieur.
A titre d'exemple de méthode de décontamination du liquide on peut faire référence, à la distillation sous vide qui se base sur la différence de volatilité entre les isotopes de l'eau ou encore à la séparation du tritium par électrolyse directe de l'eau qui est basée sur la différence de tension d'électrolyse et de diffusion des ions dans l'électrolyte et qui aboutit à la décomposition du tritium en dioxygène et dihydrogène gazeux. On peut aussi faire référence aux procédés d'échanges chimiques qui comprennent deux étapes principales à savoir le transfert du liquide tritié, en particulier de l'eau, vers un flux de dihydrogène gazeux circulant à contre-courant en présence d'un catalyseur à base de platine, suivi d'une étape de séparation et de concentration du tritium et de concentration du tritium gazeux en utilisant notamment la distillation cryogénique.
La présente invention concerne également un dispositif pour la mise en œuvre du procédé selon le premier objet. Le dispositif selon l'invention comprend un compartiment comprenant un milieu liquide (1), un laser pulsé, une interface en verre (5) et un système de circulation du milieu liquide (8).
Plus précisément, un second objet de l'invention concerne dispositif pour décontaminer une pièce métallique (1) contenant un gaz par laser dans un milieu liquide (2), comprenant :
- un compartiment (3) comprenant un milieu liquide dans lequel la pièce métallique est destinée à être immergée,
- un laser pulsé apte à émettre un faisceau laser pulsé à une longueur d'ondes comprise entre 1000 et 1080 nm, avec une fluence comprise entre 30 et 200 J/cm2 et un pic de puissance compris entre 1,2 et 7,5 kW, ledit laser comprenant une tête d'irradiation (4)
- une interface en verre (5) apte à laisser passer la longueur d'ondes du faisceau laser pulsé, destinée à être disposée entre la pièce métallique et ledit faisceau, et à être immergée dans le milieu liquide (2)
- un système de circulation du milieu liquide (8) dont tout ou partie est destiné à être disposé entre ladite pièce et l'interface en verre, apte à diriger le milieu liquide situé entre l'interface (5) et la pièce métallique (1), le long de ladite pièce.
Les éléments énoncés précédemment pour les caractéristiques du procédé selon le premier objet de l'invention, définitions, structures, configurations, avantages s'appliquent de la même façon à œs mêmes caractéristiques pour le dispositif selon le second objet de l'invention.
Les dimensions du compartiment dépendent des dimensions de la pièce métallique à décontaminer.
De préférence, le laser pulsé mis en œuvre dans le cadre de la présente invention est un laser dont le milieu amplificateur est composé d'un grenat d'yttrium-aluminium dopé au néodyme communément appelé laser Nd : YAG. De préférence encore, le laser pulsé est un laser Nd : YAG émettant à une longueur d'onde de 1064 nm.
Selon un aspect particulier, l'interface en verre (5) est reliée de façon permanente ou amovible à la tête d'irradiation du laser (4) pulsé par un système d'accroche (9) ou intégrée à la tête d'irradiation du laser, de préférence sur la face avant de ladite tête.
Selon un mode de réalisation particulier, la tête d'irradiation du laser (4) à laquelle l'interface en verre (5) est reliée via le système d'accroche (9) est destinée à être disposée hors du milieu liquide (Figure 1). De préférence selon ce mode de réalisation, l'interface en verre (5) est destinée à être disposée à la surface du milieu liquide (2).
Selon un autre mode de réalisation particulier, la tête d'irradiation du laser (4) à laquelle l'interface en verre (5) est reliée via le système d'accroche (9) ou intégrée, est apte à être immergée totalement ou partiellement dans le milieu liquide (2). Selon aspect encore particulier de ce mode de réalisation du dispositif selon l'invention, la tête d'irradiation (4) est entourée d'un compartiment étanche (10) (Figure 2). L'immersion totale ou partielle de la tête d'irradiation (4) dans le milieu liquide permet avantageusement de pouvoir mettre en œuvre le procédé selon l'invention facilement dans diverses configurations.
En particulier, le système de circulation du milieu liquide (8) comprend un moteur (7) et une buse (6), ladite buse étant destinée à être immergée dans le milieu liquide (2) et disposée entre l'interface (5) et la pièce métallique (1), selon un axe parallèle à la pièce métallique.
Selon un aspect particulier, le dispositif selon l'invention comprend un système de collecte du liquide comprenant un conduit dont l'une des extrémités communique avec le milieu liquide et l'autre extrémité communique avec un compartiment de collecte du liquide, et une pompe reliée directement ou indirectement audit conduit et apte à aspirer le liquide.
La présente invention concerne également l'utilisation d'un dispositif selon la présente invention pour décontaminer une pièce métallique contenant un gaz, de préférence du tritium, par laser dans un milieu liquide. Les exemples ci-dessous sont indiqués à titre illustratif de l'invention, sans intention d'en limiter la portée.
EXEMPLES
: Mise en œuvre d'un procédé de décontamination d'une pièce métallique dans un milieu liquide par un laser pulsé, sans plaque de verre et sans système de circulation du fluide.
Cette étude permet d'observer macroscopiquement la possible capacité du laser pulsé à décontaminer ou pas une pièce métallique dans un milieu liquide une pièce métallique. La possibilité de décontaminer la pièce métallique est évaluée dans un premier temps ici par rapport à la capacité du procédé à décaper un marquage à la peinture réalisé à la surface de la pièce.
- Matériel et méthode :
Des plaques métalliques en Inox 304L ne comprenant pas de gaz radioactif ont été utilisées pour ce test, avec une zone de marquage à la peinture. Ces plaques ont été immergées dans un compartiment comprenant de l'eau déminéralisée comme milieu liquide.
Le laser pulsé mis en œuvre émet à une longueur d'ondes de 1064 nm, présente une puissance de 100 W, une fréquence de 100 KHz et une distance focale de 100 mm. Plusieurs distances entre la pièce métallique et la surface du liquide ont été testées. Dix passages successifs ont été réalisés, avec une durée totale d'environ 80 secondes et un recouvrement de 10 %.
- Résultats : L'efficacité du procédé a été évaluée visuellement.
[Table 1] Efficacité du procédé sans plaque de verre et sans système de circulation du fluide
Le procédé mis en œuvre, ne permet pas de décaper de façon efficace et homogène les échantillons en présence d'eau, quelle que soit la distance entre la pièce et la surface du liquide. On observe la formation de bulles de matière décapée, formées à la surface des pièces métalliques. La présence de fumées à la surface du compartiment comprenant le milieu liquide et dans lequel la pièce métallique est disposée a également été observée. Le procédé testé n'est pas capable d'abraser le métal de base de la pièce.
Il est nécessaire d'optimiser le procédé mis en œuvre afin d'être en mesure d'éviter les phénomènes de bulles de matière à la surface de la pièce métallique et ainsi pouvoir disposer d'un procédé capable de décontaminer, abraser, de façon homogène les échantillons en présence d'eau. Exemple 2 : Mise en œuvre d'un procédé optimisé de décontamination d'une pièce métallique dans un milieu liquide par un laser pulsé avec un système de circulation du liquide.
Cette étude est similaire à celle réalisée selon l'exemple 1, dans celle-ci un système permettant la circulation du liquide à la surface de la pièce métallique a été implémenté pour tenter de diminuer les phénomènes de bulles de matière à la surface de la pièce métallique et pouvoir ainsi décaper de façon homogène les échantillons en présence d'eau.
- Matériel et méthode :
Les mêmes conditions relatives au matériel et méthode que pour l'exemple 1 ont été mises en œuvre.
En complément, un système de circulation du liquide a été mis en œuvre dans ce procédé. Ce système comprend un moteur et une hélice rotative immergée dans le compartiment liquide, située dans l'axe horizontal de la pièce métallique.
- Résultats : L'efficacité du procédé a été évaluée visuellement.
[Table 2] Efficacité du procédé avec un système de circulation du liquide, sans plaque en verre
Ces résultats mettent en évidence que la présence du système de circulation de liquide n'a pas permis d'éviter la formation de bulles de matière à la surface de la pièce métallique, menant ainsi à un décapage non homogène et à la formation de marques. Le procédé testé n'est pas capable d'abraser le métal de base de la pièce.
Il est nécessaire d'optimiser le procédé mis en œuvre afin d'être en mesure d'éviter les phénomènes de bulles de matière à la surface de la pièce métallique et ainsi pouvoir disposer d'un procédé capable de décontaminer, abraser, de façon homogène les échantillons en présence d'eau.
Exemple 3 : Mise en œuvre d'un procédé de décontamination d'une pièce métallique selon l'invention.
Cette étude a pour objectif de déterminer l'efficacité d'un laser pulsé en présence d'une interface en verre et d'un système de circulation du liquide, à décontaminer une pièce métallique contenant un gaz dans le métal de base dans un milieu liquide. Une abrasion du métal de base de la pièce jusqu'à une profondeur d'au moins 6 pm sera considérée comme représentative de la profondeur de contamination d'une pièce métallique au tritium.
- Matériel et méthode :
Des plaques métalliques en Inox 304L ne comprenant pas de gaz radioactif et portant des traces de peinture ont été utilisées pour ce test.
Dans cette étude, la pièce métallique a été immergée dans un compartiment comprenant de l'eau déminéralisée comme milieu liquide, avec une interface en verre transparente à la longueur d'ondes de 1064 nm du laser, avec une épaisseur de 5 mm. L'interface en verre est disposée à la surface du milieu liquide, entre le faisceau laser pulsé et la pièce métallique. La pièce métallique est placée à une hauteur d'eau sous la surface de 25 mm.
Le système de circulation du liquide comprend un moteur et une buse, la buse étant immergée dans le compartiment, disposée entre l'interface et la pièce, selon un axe parallèle à la pièce métallique.
Le laser pulsé mis en œuvre dans la présente étude, émet à une longueur d'ondes de 1064 nm, présente une puissance de 100 W, une fréquence de 100 KHz, une distance focale de 140,3 mm. Plusieurs passages du faisceau laser sur une même zone de la pièce ont été testés.
La capacité du procédé à éviter les phénomènes de bulles de matière à la surface de la plaque métallique et à éviter la formation de fumées à la surface du liquide a été analysée visuellement. Des analyses de topographie de surface par mesures 3D optiques ont été réalisées, dans la même direction que le traitement laser et avec une largeur de profil de 0,5 mm, pour caractériser la hauteur de marche entre la surface de référence et la surface décapée. La hauteur de marche représente la différence de hauteur entre la surface de la pièce non traitée par le laser et celle traitée.
- Résultats :
[Table 3] Efficacité du procédé selon l'invention
Ces résultats mettent en évidence une relation qui semble linéaire entre le nombre de passages et la hauteur de matière enlevée. On constate que 30 passages du faisceau laser sur la pièce métallique située à une hauteur de 25 mm sous la surface du milieu liquide ont été suffisants pour abraser la pièce jusqu'à une profondeur d'environ 6 pm et 50 passages pour une profondeur d'environ 10 pm.
De plus, aucun phénomène de formation de bulles de matière à la surface de la pièce et de fumées à la surface du liquide n'a été observé, menant ainsi à une abrasion efficace et homogène de la pièce métallique.
Il est donc possible de décontaminer efficacement une pièce métallique dans un milieu liquide grâce à un procédé de décontamination par laser pulsé selon la présente invention.

Claims

Revendications
[Revendication 1] Procédé pour décontaminer une pièce métallique contenant un gaz par irradiation laser dans un milieu liquide, dans lequel
- on dispose la pièce métallique dans le milieu liquide
- on dispose dans le milieu liquide une interface en verre apte à laisser passer la longueur d'ondes d'un faisceau laser pulsé, l'interface étant disposée entre la pièce métallique et ledit faisceau, à une distance comprise entre 10 mm et 250 mm de ladite pièce
- on dispose dans le milieu liquide, tout ou partie d'un système de circulation du milieu liquide apte à diriger le milieu liquide situé entre l'interface et la pièce métallique, le long de ladite pièce
- on applique sur la pièce métallique un faisceau d'un laser pulsé émettant à une longueur d'ondes comprise entre 1000 et 1080 nm, avec une fluence comprise entre 30 et 200 J/cm2 et un pic de puissance compris entre 1,2 et 7,5 kW, ledit faisceau étant appliqué sur la pièce métallique avec une vitesse de déplacement compris entre 3000 et 20 000 mm/secondes.
[Revendication 2] Procédé selon la revendication 1 dans lequel la longueur d'ondes est de 1064 nm, la fluence est comprise entre 50 et 150 J/cm2, le pic de puissance est compris entre 2 et 4 kW, et la vitesse de déplacement est comprise entre 3000 et 20 000 mm/secondes.
[Revendication 3] Procédé selon l'une des revendications 1 à 2 dans lequel on applique le faisceau laser sur la pièce entre 10 et 150 fois au même endroit, de préférence entre 30 et 100 fois.
[Revendication 4] Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel, le milieu liquide est de l'eau, l'interface en verre est disposée dans l'eau à une distance comprise entre 10 et 50 mm de ladite pièce, la longueur d'ondes est de 1064 nm, la fluence est comprise entre 100 et 150 J/cm2, le pic de puissance est compris entre 2 et 4 kW et le faisceau laser est appliqué entre 30 et 60 fois sur la pièce métallique avec une vitesse de déplacement comprise entre 5000 et 10 000 mm/secondes.
[Revendication 5] Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le système de circulation du liquide comprend un moteur et une buse, ladite buse étant immergée dans le milieu liquide et située entre l'interface et la pièce métallique, selon un axe parallèle à la pièce métallique.
[Revendication 6] Dispositif pour décontaminer une pièce métallique contenant un gaz par laser dans un milieu liquide, comprenant :
- un compartiment (3) comprenant un milieu liquide dans lequel la pièce métallique est destinée à être immergée,
- un laser pulsé apte à émettre un faisceau laser pulsé à une longueur d'ondes comprise entre 1000 et 1080 nm, avec une fluence comprise entre 30 et 200 J/cm2 et un pic de puissance compris entre 1,2 et 7,5 kW, ledit laser comprenant une tête d'irradiation (4)
- une interface en verre (5) apte à laisser passer la longueur d'ondes du faisceau laser pulsé, destinée à être disposée entre la pièce métallique et ledit faisceau, et à être immergée dans le milieu liquide (2)
- un système de circulation du milieu liquide (8) dont tout ou partie est destiné à être disposé entre ladite pièce et l'interface en verre, apte à diriger le milieu liquide situé entre l'interface (5) et la pièce métallique (1), le long de ladite pièce.
[Revendication 7] Dispositif selon la revendication 6 dans lequel l'interface en verre (5) est reliée de façon permanente ou amovible à la tête d'irradiation du laser pulsé (4) par un système d'accroche (9) ou intégrée à la tête d'irradiation du laser, de préférence sur la face avant de ladite tête.
[Revendication 8] Dispositif selon l'une des revendications 6 ou 7 dans lequel la tête d'irradiation (4) est entourée d'un compartiment étanche (10).
[Revendication 9] Dispositif selon l'une des revendications 6 à 8 dans lequel le système de circulation du milieu liquide (8) comprend un moteur (7) et une buse (6), ladite buse étant destinée à être immergée dans le milieu liquide (2) et disposée entre l'interface (5) et la pièce métallique (1), selon un axe parallèle à la pièce métallique.
[Revendication 10] Dispositif selon des revendications 6 à 9 comprenant un système de collecte du liquide comprenant un conduit dont l'une des extrémités communique avec le milieu liquide et l'autre extrémité communique avec un compartiment de collecte du liquide, et une pompe reliée directement ou indirectement audit conduit et apte à aspirer le liquide.
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