FR3101558A1 - Procédé pour décontaminer une pièce métallique contenant un gaz par irradiation laser dans un milieu liquide - Google Patents
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Abstract
Procédé pour décontaminer une pièce métallique contenant un gaz par irradiation laser dans un milieu liquide La présente invention concerne un procédé pour décontaminer une pièce métallique contenant un gaz dans un milieu liquide ainsi qu’un dispositif pour la mise en œuvre de ce procédé de décontamination. Le procédé selon 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, 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, 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
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.
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.
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/cm2et 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/cm2et 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.
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/cm2et 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 µm voire 50 µm. En particulier, le tritium est capable de contaminer une pièce métallique jusqu’à une profondeur d’environ 10 µm. 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 µm 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 pulse en joules sur la durée du pulse 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/cm2et 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 ces 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
Exemple 1 : 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 µm 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 µm et 50 passages pour une profondeur d’environ 10 µm.
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 (10)
- 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/cm2et 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. - 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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/cm2et 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. - 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.
- Dispositif selon l’une des revendications 6 ou 7 dans lequel la tête d’irradiation (4) est entourée d’un compartiment étanche (10).
- 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.
- Dispositif selon l’une 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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