JP2011102812A - 放射性同位元素に汚染された表面近傍部位を非熱的レーザー剥離により再溶融無く、再拡散無く、且つ再汚染無く除染する方法とその装置 - Google Patents

Abstract

【解決課題】RIで汚染された表面固着皮膜に含まれているRIが表面固着層の下層の構造材内部に浸透、拡散して再汚染することなく、使用環境、有効性、適用対象、適用場所、適用条件に制限がほとんどなく、容易に、安価で、ほぼ完全な除染率を実現する非熱レーザー剥離による除染方法を提供する。
【解決手段】RIを含む表面固着層を有するステンレス鋼製コールド構造物１に、極短パルス非熱的レーザー２を照射すると同時に、レーザー照射箇所に流体吹き付け部３から除去用気体又は液体を吹き付けて、フェムト秒乃至ピコ秒極短パルス非熱的レーザー照射により剥離・切除された固着層破片３を吹き飛ばし、排気管４で吸引する。
【選択図】図１

Description

本発明は、加速器、原子炉、放射性同位元素製造工場、核燃料工場、核燃料再処理工場などの周辺において使用される数多くの放射性同位元素を取り扱う機器施設装置において、多くの放射性同位元素に汚染されている装置表面近傍部位を、パルス状レーザーのパルス持続時間幅が数百フェムト秒以下から数ピコ秒以下と極めて短く、このレーザーを照射された物質の領域から近接する周辺に、レーザー及びレーザーに誘起され、あるいは加速され、あるいはエネルギーを与えられる電子などのエネルギー伝達とその熱による影響が伝達されるよりも十分に早く照射領域の物質蒸発あるいは物質除去が行われるレーザー照射による物質の剥離を「非熱的レーザー剥離」と呼び、これを用いて再溶融無く、再拡散無く、且つ再汚染無く除染する方法とその装置に関する。

つまり、本発明は、放射性同位元素に汚染された表面近傍部位を、非熱的レーザー剥離により再溶融無く、再拡散無く、且つ再汚染無く除染する方法とその装置に関する。

「非熱的レーザー剥離」とは、パルス持続時間幅が数百フェムト秒以下から数ピコ秒以下と極めて短いパルス状レーザーを照射することで、レーザーを照射された物質の領域から近接する周辺に、レーザー及びレーザーに誘起され、あるいは加速され、あるいはエネルギーを与えられる電子などのエネルギー伝達とその熱による影響が伝達されるよりも十分に早く、つまり「非熱的に」、照射領域の物質が蒸発あるいは除去され、つまり「剥離」されることをいう。

従来、放射性同位元素に汚染されている装置等の表面近傍部の除去には、次の方法がとられている。
（１）放射性同位元素に汚染されている表面を物理的、機械的にサンドブラスト、グラインダー、表面研削工具などを用いて除去する方法
（２）放射性同位元素で汚染された表面固着皮膜をキレート剤、酸など薬剤で化学的に腐食させて除去する方法
（３）連続波レーザー、長パルスレーザー、１０ピコ秒より十分に長い間隔の短パルスレーザーを、放射性同位元素を含む表面固着皮膜に照射し、溶融、熱蒸発させる方法
（４）放射性同位元素で汚染された表面固着皮膜を電解研磨液に浸漬させ、電気化学的に電解研磨する方法
（５）放射性同位元素で汚染された表面固着皮膜に、塩素ガス雰囲気中でレーザー照射し、金属表面の汚染物質を酸化物から昇華性あるいは水溶性の塩化物に変換して除去する方法
（６）放射性同位元素で汚染された表面固着皮膜に、ゲル除染剤を塗布してレーザーを照射し、レーザー誘起化学反応により汚染物質を除去する方法
（７）冷間加工の一種である気中、水中で研磨剤を入れた、あるいは、入れない水ジェットを用いて、放射性同位元素で汚染された表面固着皮膜を物理的機械的に除去する方法
上記のような放射性同位元素で汚染された表面固着皮膜を除去する方法は利用実績があり、広く用いられているが、対象物、場所、形状等の適用可能条件が厳しく、応用範囲がかなり限定され、１００％除染できるわけではなく、半分以上は除染可能であるが、固着した放射性同位元素の大きな部分が残留し、その除染能力効果が限られており、次のような課題がある。

放射性同位元素で汚染された表面固着皮膜を除去する物理的機械的な方法は、本質的に冷間加工方法である。これらの方法では、除去過程で、基本的には表面固着皮膜と構造材の双方の表面と、サンドブラストの粒子、グラインダーの刃物又は表面研削工具の表面とが接触するため摩擦熱が発生し、局所的に千数百度以上に上昇する。結果として、機械的に構造材に亀裂や割れが発生し、進展する。このため表面固着皮膜の放射性同位元素は、構造材の表面及び亀裂や割れに局所的に、再溶融し、再拡散し、再汚染することになり、完全な除染が困難である。

通常、表面固着皮膜の下層の構造材表面は、製造時に不可避的に冷間加工されており、割れ感受性と引張残留応力が集中しているため、除染する以前の製造工程及び運転中に亀裂及び割れが進展する。さらに、軽水腐食環境下での運転中に、長い年月にわたり、この割れ感受性がある表面から構造材内部に応力腐食割れがさらに深く進展し、この割れに沿って深い領域まで放射性同位元素が侵入することになる。酸などの薬剤を用いる化学的除染方法では、酸による強い腐食環境下となるため、応力腐食割れがさらに短時間に進展し、この割れに沿って広く深い領域まで放射性同位元素が侵入することになる。このため、表面固着皮膜に存在していた放射性同位元素は、構造材の表面から内部に直接輸送されることになり、構造材内部に浸透し、拡散し、再汚染するので完全な除染が困難である。

特開2006-61966号公報 特開2003-17788号公報 特開2001-116892号公報 特開2000-346992号公報 特開平9-281296号公報

MINEHARA Eisuke J., JAERI FEL Applications in Nuclear Energy Industries, JAERI-Conf, ２００５年，JAERI-Conf 2005-004，pp.48-52

したがって、従来の除染方法では、放射性同位元素で汚染された表面固着皮膜に含まれている放射性同位元素が表面固着層の下層の構造材内部に浸透、拡散することによる再汚染を防止できなかった。

そこで本発明は、すでに除染前に製造工程や運転中の応力腐食割れ等により、表面固着層ばかりでなく構造材内部にまで深く広く浸透、拡散した放射性同位元素を、再汚染なしに除去する非熱レーザー剥離による除染方法及び装置を提供することを目的とする。従来の除染方法による使用する酸などの薬剤によって表面の冷間加工跡が応力腐食割れによって割れ進展し、放射性同位元素が浸透、拡散し、再汚染する恐れもなく、使用環境、有効性、適用対象、適用場所、その他の適用条件に制限がほとんどなく、容易に、安価で、通常の除染方法よりもはるかに高いほぼ完全な除染率を結果的に実現し、除染中の放射性同位元素の浸透や拡散を防ぎ、再汚染を無くす、あるいは最小にする、非熱レーザー剥離による除染方法を提供することにある。

本発明の「放射性同位元素に汚染された表面近傍部位を、非熱的レーザー剥離により再溶融無く、再拡散無く、且つ再汚染無く除染する方法とその装置」は、加速器、原子炉、放射性同位元素製造工場、核燃料工場、核燃料再処理工場などの放射性同位元素に汚染された表面を持つ部品や構造物などに、極短パルス非熱的レーザーを照射することにより、照射表面近傍に発生する熱がその周辺部に伝達されるよりも早く、レーザー照射された表面近傍部位を蒸発させ、除去するところの非熱的レーザー剥離を用いて、再溶融無く、再拡散無く、且つ再汚染無く除染することを特徴としている。

本発明によれば、パルス状レーザーのパルス持続時間幅が数百フェムト秒以下から数ピコ秒以下である極めて短いレーザーを、放射性同位元素で汚染された表面固着被膜及び当該表面固着被膜の下層の構造材に照射すると同時に気体又は液体を吹き付けて、当該表面固着被膜及び下層の構造材の放射性同位元素で汚染された部分を蒸発及び剥離させ、蒸発及び剥離した放射性同位元素で汚染された部分を吹き付けた気体又は液体で吹き飛ばして排気管により吸引除去することにより、レーザー照射により発生する熱がレーザーを照射した表面近傍の周辺部に伝達される前に、レーザーを照射した当該表面固着被膜及び当該構造材から放射性同位元素で汚染された部分を除去し、放射線検出器で剥離除染の程度をモニターすることを特徴とする、照射された物質の再溶融も再拡散も無く且つ再汚染も無いレーザー照射による物質の剥離を行う非熱的レーザー剥離により放射性同位元素に汚染された構造物を除染する方法が提供される。

また、本発明によれば、放射性同位元素を含む表面固着層を有する構造物に、パルス持続時間幅がフェムト秒乃至ピコ秒極短パルス非熱的レーザーを照射する極短パルスレーザー照射装置と、レーザー照射箇所に除去用気体又は液体を吹き付けて、フェムト秒乃至ピコ秒極短パルス非熱的レーザー照射により剥離・切除された破片を吹き飛ばす、流体吹き付け部と、吹き飛ばされた剥離・切除された破片を吸引する排気管と、放射性同位元素を含む表面固着層を有する構造物の近傍に位置づけられていて、剥離除染の程度をモニターする放射線検出器除染モニターと、を具備する、非熱的レーザー剥離により、放射性同位元素に汚染された表面固着被膜を有する構造体を除染する装置が提供される。

本発明によれば、従来の技術では不可能であった、高除染効率を実現し、母材の放射化以外の放射性同位元素の残留の無いほぼ完全な除染が可能である。すなわち、非熱的レーザー剥離による除染であるために照射表面近傍部位に再溶融無く、再拡散無く、且つ再汚染無く除染することが可能である。更に、この発明には、下記のこの発明に特有な顕著な効果を生ずる。
（１）人手によりあるいは自動機械によってサンドブラスト、グラインダー、表面研削工具などを用いて物理的、機械的に汚染を除去する必要がなく、容易に実行できる。
（２）キレート剤、酸など化学的腐食薬剤を用いて汚染を除去する必要がなく、容易に実行できる。
（３）周囲を腐食しやすい、有毒で危険で保存等に注意が必要な塩素ガス雰囲気中でレーザー照射し、金属表面の汚染物質を酸化物から昇華性あるいは水溶性の塩化物に変換して汚染を除去する必要がなく、容易に実行できる。
（４）電気化学的に電解研磨液と電解研磨装置を用いて汚染を除去する必要がなく、容易に実行できる。
（５）再溶融、再拡散、したがって再汚染が不可避に起こる、連続波レーザー、長パルスレーザー、１０ピコ秒より十分に長い間隔の短パルスレーザーを放射性同位元素を含む表面固着皮膜に照射し、溶融、熱蒸発させる方法を用いて汚染を除去する必要がなく、容易に実行できる。
（６）冷間加工の一種である気中、水中で研磨剤を入れた、あるいは入れない水ジェットを用いて放射性同位元素で汚染された表面固着皮膜を物理的機械的に除去する必要がなく、容易に実行できる。
（７）放射性廃棄物としての制限以外、対象物の重量、形状、化学的性質、周囲雰囲気、周囲環境、作業場所などによる制限はなく、大面積にわたって容易に安価に安全に実行できる。
（８）除染後の放射線線量率が除染で期待できる最低まで減少するために、従来は母材の放射化は少ないが表面汚染が完全に取れずに放射性廃棄物として処理しなければならなかった大部分の放射性廃棄物を一般廃棄物として再生利用できるようになる。

図１は、放射性同位元素（RI）を含む表面固着皮膜に気中にて非熱的レーザーを照射する非熱的レーザー剥離による除染方法及び装置の説明図である。 図２は、放射性同位元素（RI）を含む表面固着皮膜に水中にて非熱的レーザーを照射する非熱的レーザー剥離による除染方法及び装置の説明図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明を詳細に説明する。

図１は、放射性同位元素（RI）を含む表面固着皮膜に気中にて非熱的レーザーを照射する非熱的レーザー剥離による除染方法及び装置の説明図である。

図１に示すように、本発明では、放射性同位元素を含む表面固着層を有するステンレス鋼製コールド構造物１に、パルス持続時間幅がフェムト秒乃至ピコ秒極短パルス非熱的レーザー２を照射すると同時に、レーザー照射箇所に流体吹き付け部３から除去用気体又は液体を吹き付けて、フェムト秒乃至ピコ秒極短パルス非熱的レーザー照射により剥離・切除された固着層破片３を吹き飛ばし、排気管４で吸引する。放射性同位元素を含む表面固着層を有するステンレス鋼製コールド構造物１の近傍には、放射線検出器除染モニター６を設け、剥離除染の程度をモニターし、除染対象物であるステンレス鋼製コールド構造物１の界面５に溶融部分が無く、再汚染、再拡散が無いことを確認するまで本発明の非熱的レーザー剥離を続ける。

フェムト秒乃至ピコ秒極短パルス非熱的レーザー２は、最も高いキロワット級以上の平均出力を得ることができる唯一の数百フェムト秒以下から１０ピコ秒以下の極短パルスｋＷ級高平均出力レーザーである超伝導リニアック駆動自由電子レーザー装置である。

放射線検出器除染モニター６は、発光元素分析器又は放射線検出器である。

また、本発明では、剥離すべき表面固着層及び構造物の表面に対して、垂直入射照射ではなく、より水平に近い浅い入射角度となるように照射し、剥離物質が反跳する方向がレーザー入射方向と大きく異なる方向とすることによって、衝撃剥離する残渣の自動的反跳除去が容易に実現するようにしてもよい。また、高温の反跳残渣が非熱的レーザー照射面に堆積しない様に、この近傍に排気管４の吸引口を配置して、剥離物の除去を容易にすることが好ましい。

比較的高温の残渣や非熱的レーザー照射面が空気中の酸素と反応すると、酸化して高熱を発生するため、流体吹き付け部３から吹き付ける流体は希ガス等の不活性ガスを含むことが好ましく、希ガス等の除去用気体の噴射で空気を照射面から遮断隔離し、温度上昇を防ぎながら、照射面から残渣を流体噴射で吹き飛ばし高速で除去する。

非熱的レーザー照射及び流体吹き付け部３からの除去用気体又は液体による空気の遮断隔離を容易にするために、流体吹き付け部３からの除去用気体又は液体の流れ方向と非熱的レーザー照射方向をできれば同軸あるいは概略同方向とする。また流体吹き付け部３からの除去用気体又は液体が非熱的レーザー照射面を覆いやすいように、流れを妨げないように、非熱的レーザー照射面とレーザー装置と流体吹き付け孔等全体を筒状の、或いは遮断流体噴流等で遮蔽隔離する。

また噴射流体を断熱膨張させて液化気体の霧化噴射として用い、あるいは別種の霧状液体と気体の混合噴射を用いて、残渣を除去し易い超音速あるいは高速の噴射と非熱的レーザー照射面の冷却と効果的空気遮蔽を実現する。

１：ステンレス鋼製コールド構造材
２：フェムト秒ピコ秒極短パルス非熱的レーザー
３：除去用気体液体などの流体吹き付け部
４：剥離された固着層破片を吸入する排気管
５：溶融部分は無く、再汚染、再拡散が無いステンレス鋼製界面
６：剥離除染の程度をモニターする発光元素分析器、あるいは放射線検出器

Claims (6)

1. パルス状レーザーのパルス持続時間幅が数百フェムト秒以下から数ピコ秒以下である極めて短いレーザーが照射された物質の領域から近接する周辺に、レーザーによるエネルギー伝達と、そのレーザーに誘起され、加速され又はエネルギーを与えられる電子などによるエネルギー伝達と、そのエネルギー伝達で生ずる熱による影響とが発生するよりも十分に早い時期に、照射領域から物質蒸発又は物質除去が行われることにより、レーザー照射面で照射された物質の再溶融も再拡散も無く、且つ再汚染も無いレーザー照射による物質の剥離を行う非熱的レーザー剥離を用いることを特徴とする、放射性同位元素に汚染された表面近傍部位を除染する方法。
2. 除去したあるいは蒸発した放射性同位元素を含む物質が再度照射領域に戻ることがないように、パルス状レーザーと同時、非同時、時間的に連動させ又は非同期で連動させて気体、液体、縣濁液噴霧、霧状噴霧気体若しくは液体と気体との混合物からなる流体、又は固体微粒子を単独にて、若しくは固体微粒子と流体との混合物を吹き付け、これらレーザーとレーザー以外の物質の融合作用により力学的に照射物質を切削、単に移動させ、又は複合的に巻き込んで、レーザー照射領域の近接部位に配置した排気管で回収分別することによって照射物質を照射領域から除くことを特徴とする、請求項１記載の方法。
3. 化学反応及び／又は機械的手段と前記非熱的レーザー剥離とを併用し、又は最初から最後まで非熱的レーザー剥離のみで完全な除染が可能であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の方法。
4. 原子炉圧力容器や保管容器などの水中において、レーザーの照射を妨げないように水を気体で加圧排水された領域を確保するために、下方向にサイホン構造を持って半開放された半密閉式不完全水封部を持ち、上記容器内壁を必要に応じて水封部当り面として利用する構造を持ち、また直径方向は水圧に耐える機械構造を持ち、且つレーザー照射面にほぼ垂直な方向に広い範囲で傾けることが可能な伸縮自在のベローズ様ダクト又は他の伸縮可能な部位を用いることを特徴とする、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の方法。
5. 水中において、放射性同位元素に汚染された表面近傍部位を非熱的レーザー剥離を用いて再溶融無く、再拡散無く、且つ再汚染無く除染する装置であって、放射性同位元素で汚染された原子炉圧力容器内外面、原子炉格納容器内外面およびこの内部の原子炉構造物などから付着した照射物質を水中で除去するためのパイプ構造体を備え、その構造体が、水中においてレーザーの照射を妨げないように水を加圧気体で加圧排水された、気体で充満された領域を確保するために、下方向に半開放された半密閉式不完全水封部を持ち、直径方向は水圧に耐える機械構造を持ち、且つレーザー照射面にほぼ垂直な方向に広い範囲でパイプ構造体を傾けることが可能な伸縮自在のベローズ様ダクト又は他の伸縮可能な部位を持つことを特徴する、装置。
6. 非熱的レーザー剥離による除去部位近傍において、又は剥離除去後、排気管で回収分別された放射性同位元素が集積される部分近傍において、放射線検出器又は分光元素検出器で除染過程を監視することを特徴とする、請求項５記載の装置。