JP5500620B2 - 除染装置及び除染方法 - Google Patents

Description

本発明は、放射性物質で汚染された試料における放射性物質の除去（除染）を行う除染装置、及び除染方法に関する。

原子炉や加速器等、強い放射線を発する装置（以下、加速器等）の解体・廃棄や定期点検に際しては、放射性物質で汚染された部材を廃棄することが必要になる。これらの部材を解体・廃棄するに際しては、^６０Ｃｏ等の放射性物質（汚染物質）を除去した上で廃棄することが必要である。この汚染物質の除去（除染）を行う方法（除染方法）としては、多数のものが知られている。例えば、汚染された被汚染試料の表面をブラスト処理等で物理的に、あるいは化学反応を利用して化学的に削ることによって放射性物質を除去することができる。ただし、これらの除染処理においては、高い除染効率が得られるものの、除去された放射性物質を含む廃棄物（二次廃棄物）が大量に発生するため、その処理が更に必要となる。

これに対して、レーザー光で除染対象試料（被汚染試料）表面を照射することによって放射性物質を昇華させ、除去させる技術は、二次廃棄物が比較的少ないという点では極めて有利である。例えば、特許文献１には、数百ｆ（フェムト）秒以下という極めて短い持続時間を持つパルス状のレーザー光で除染対象試料の表面を照射することによって汚染物質を蒸発させる技術が記載されている。ここでは、こうした短い持続時間をもつパルス状のレーザー光（非熱的レーザー光）を照射することによって、極めて短い時間内に汚染物質を昇華させ、汚染物質を非熱的に除去する。除去された汚染物質は除染対象試料表面を流れる流体に乗せて回収される。また、除染対象試料の温度を上昇させないために、汚染物質の拡散や再付着を抑制することもできる。特許文献２には、特に水噴流導光レーザーをこのレーザー光として用いることによって、特に冷却効率を高くし、除染対象試料の温度上昇を抑制し、汚染物質の拡散が更に抑制される。

また、非特許文献１には、特許文献１に記載のレーザー光より長いパルス長（７５ｎｓ）、７．５×１０^７Ｗ／ｃｍ^２のパルスエネルギーをもつパルスレーザー光を用いて炭素鋼上の除染処理を行った結果が示された。これによると、炭素鋼上ではこの条件で十分な除染効果が得られた。

特開２００７−３１５９９５号公報 特開２００７−３１５９９６号公報

林宏一、北村高一、中村保之、高城久承、吉川博雄、風間正彦、日本原子力学会２００７年秋の年会、Ｊ０８

しかしながら、上記の非特許文献１において、炭素鋼上と同じ条件でステンレス鋼上の除染処理を行った場合には、その除染効率は極めて低く、不充分であった。

すなわち、レーザー光を用いて実際の被汚染試料における除染を効率よく行うことは困難であった。

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、上記問題点を解決する発明を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決すべく、以下に掲げる構成とした。
本発明の除染装置は、部材上に放射性物質が付着した除染対象試料における放射性物質の除去を、レーザー光を照射することによって行う除染装置であって、パルス状のレーザー光を発振するレーザー光源と、前記レーザー光を前記除染対象試料表面で集光させる集光光学系と、前記レーザー光源及び前記集光光学系を制御することによって、前記レーザー光の前記除染対象試料表面における単位パルス当たりのエネルギーを１Ｊ／ｃｍ^２〜１０００Ｊ／ｃｍ^２の範囲とし、前記集光光学系を制御することによって、前記レーザー光の集光位置及びレイリー長に対応した部分が前記除染対象試料に形成された亀裂よりも深くなるように調整する制御部と、を具備することを特徴とする。
本発明の除染装置において、前記制御部は、前記レーザー光の集光位置及びレイリー長に対応した部分を前記集光光学系において制御することを特徴とする。
本発明の除染装置は、前記除染対象試料表面において流体を流すことを特徴とする。
本発明の除染方法は、部材上に放射性物質が付着した除染対象試料における放射性物質の除去を、レーザー光を照射することによって行う除染方法であって、レーザー光源が発したパルス状のレーザー光を集光光学系によって前記除染対象試料表面で集光させ、前記レーザー光の前記除染対象試料表面における単位パルス当たりのエネルギーを１Ｊ／ｃｍ^２〜１０００Ｊ／ｃｍ^２の範囲とし、かつ前記レーザー光の集光位置及びレイリー長に対応した部分が前記除染対象試料に形成された亀裂よりも深くなるように調整し、前記放射性物質を蒸発又は昇華させることを特徴とする。
本発明の除染方法は、前記レーザー光の集光位置及びレイリー長に対応した部分を集光光学系において制御することを特徴とする。
本発明の除染方法は、前記除染対象試料表面において流体を流すことを特徴とする。

本発明は以上のように構成されているので、被汚染試料における除染をレーザー光を用いて効率よく行うことができる。

本発明の実施の形態に係る除染装置の構成を示す図である。 パルスエネルギーと除染効率との関係を示す測定結果である。

以下、本発明の実施の形態に係る除染装置、除染方法につき説明する。本発明の実施の形態に係る除染装置の構成を図１に示す。

この除染装置によって、除染対象試料２０の除染が特に効率的に行われる。この除染装置においては、レーザー光を除染対象試料２０表面に向けて発するレーザー光源１１が用いられ、このレーザー光は、集光光学系１２を通った後で除染対象試料２０表面に達する。レーザー光源１１及び集光光学系１２は、制御部１３によって制御される。

レーザー光源１１は、例えばフラッシュランプ励起型Ｎｄ：ＹＡＧレーザーであり、波長１０６４ｎｍのレーザー光を発する。このレーザー光はパルス状に発振され、そのパルス幅、及びパルス毎の照射エネルギーは、制御部１３によって制御される。この際、パルス当たりのエネルギーの面密度は、集光光学系１２を介して除染対象試料２０表面近傍で１Ｊ／ｃｍ^２〜１０００Ｊ／ｃｍ^２の範囲内で制御される。

集光光学系１２は、複数の光学素子（レンズ、反射鏡等）で構成され、レーザー光を被汚染試料２０上で集光させる。ここで、集光とは、ビームサイズを光軸上のある１点で最小（ある有限の大きさ：最小ビームサイズ）とすることを意味する。この集光位置と、レイリー長は、制御部１３によって制御される。ここで、レイリー長とは、例えば特許３２８３２６５号公報でＺｒとして定義された量であり、集光の焦点深度に対応する。具体的には、最小ビームサイズをｗ_０、波長をλとしてＺｒ＝π・ｗ_０ ^２／λである。この制御は、集光光学系１２を構成する光学素子を例えば図１中の上下方向に移動させることによって行われる。ｗ_０やレイリー長は、照射される際のパルス当たりのエネルギーの面密度が上記の範囲になるべく設定されるが、具体的には、ｗ_０は４０μｍ、レイリー長は、２．４ｃｍ程度とすることができる。

制御部１３は、例えばパーソナルコンピュータであり、使用者が入力したパラメータによって上記の制御を行う。すなわち、レーザー光源１１と集光光学系１２を制御する。

ここで除染処理が行われる対象である除染対象試料２０の断面構造は、模式的には、図１に示されるように、母材２１上に放射性物質２２が付着し、その上に酸化鉄（錆）層２３が付着した構成となっている。更に、母材２１の表面には、経年変化による応力腐食割れに起因した亀裂や孔食が形成されており、これらの中にも放射性物質２２が侵入している。特に、原子炉等の冷却水配管の廃棄物は、特にこの形態となっている場合が多い。図１においては、亀裂２４の走る方向に垂直な断面が示されている。例えば廃炉の際の廃棄物の場合には、亀裂や孔食の深さが数百μｍ以上にもなる場合があるが、この深さは、前記のレイリー長よりも小さい。なお、母材１１は、例えば原子炉等の冷却水配管の場合には、ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４Ｌ、３１６Ｌ等）が用いられる。

この構造の除染対象試料２０において除去すべき対象は、図１中の上側から見て、酸化鉄層２３、放射性物質２２と、亀裂２４の深さまでの母材２１であり、深さ方向においては図１中の矢印で示された範囲内である。

この除染装置においては、制御部１３が集光光学系１２を制御することにより、酸化鉄層２３の表面（図１における上側の面）、放射性物質２２の表面（図１中の上側の面）、及び亀裂２４がその深さ方向において集光位置からレイリー長の範囲内に含まれるように調整される。具体的には、図１において、酸化鉄層２３、放射性物質２２、及び亀裂２４が、厚さ方向において矢印で示された２Ｚｒの範囲内に収まるように調整される。

上記の構成において、レーザー光源１１として、フラッシュランプ励起型Ｎｄ：ＹＡＧレーザー（波長１０６４ｎｍ）を用い、ｗ_０＝４０μｍ、Ｚｒ＝２．４ｃｍとして、レーザー光の単位パルス当たりの照射エネルギーを変えて、除染効率の測定を行った。ここで、除染対象試料２０として、ＳＵＳ３０４Ｌ上に約２μｍの模擬放射性物質（主な放射線源は^６０Ｃｏであるため、^５９Ｃｏを用いた）、約１００μｍの酸化鉄（錆）層が積層され、亀裂の深さは約４０μｍ程度となったものを用いた。除染速度は、単位時間当たりの除去量としたが、以下の結果においては、相対値で示されている。なお、測定された除染速度のばらつきは±２０％程度である。

その結果、有意な除染速度が得られたのは、パルスエネルギーが１Ｊ／ｃｍ^２以上の場合であった。すなわち、パルスエネルギーがこの値未満である場合には、上記の除染対象試料における除染処理を行うことができなかった。

更に、除染効率として、除染速度／パルスエネルギーを調べた。この除染効率とは、いかに少ないパルスエネルギーで除染処理を行うことができるかを示す量であり、ここでは、パルスエネルギーが１Ｊ／ｃｍ^２の場合の値を基準とした相対値で示している。この測定結果を図２に示す。この結果より、パルスエネルギーが１０００Ｊ／ｃｍ^２まではパルスエネルギーの増加に伴って除染効率は増大するが、１０００Ｊ／ｃｍ^２を越えると、除染効率は低下する。

表１は、この結果より、パルスエネルギー領域を３つに分類して除染の状況について分類した結果である。この結果より、パルスエネルギーの範囲は、１〜１０００Ｊ／ｃｍ^２の範囲が好ましいことがわかる。

上記の例では、レーザー光源１１として、フラッシュランプ励起型Ｎｄ：ＹＡＧレーザー（波長１０６４ｎｍ）を用いた場合の結果であるが、この傾向は、レーザーの種類（波長）に依存しない。表２は、レーザー光源１１の種類を４種類とし、パルス幅をｎｓ〜ｐｓ程度とした場合の除染速度を測定した結果である。ここで、波長０．５３μｍの場合の値を１とした相対値で示してある。波長が０．５３μｍ〜２２μｍの広い範囲にわたっても、同程度の高い除染速度が得られる。なお、ここでは、除染速度が１程度の場合について記載したが、これよりも高い除染速度の場合についても同様であった。

また、パルスエネルギーを１０〜１００Ｊ／ｃｍ^２の範囲とした場合に、パルス幅を１００ｆｓ（１００×１０^−１５ｓ）から１００ｎｓ（１００×１０^−９ｓ）まで変えた場合の除染速度を測定した。ここで、パルス幅が１００ｆｓ、１０ｐｓの場合のレーザー光源としてはチタンサファイアレーザー（波長９００ｎｍ）を用い、パルス幅が１０ｎｓ、１００ｎｓの場合には、フラッシュランプ励起型Ｎｄ：ＹＡＧレーザー（波長１０６４ｎｍ）を用いた。表３はその結果である。ここで、パルス幅１００ｎｓの場合の値を１とした相対値で示してある。このパルス幅の範囲内では、明確なパルス幅依存性は見られないことが確認できる。なお、ここでは、除染速度が１程度の場合について記載したが、これよりも高い除染速度の場合についても同様であった。

以上より、例えば安価で入手が容易な出力１００ｍＪ程度のレーザー光源を用いた場合でも、除染対象試料２０の表面においてパルスエネルギーを１Ｊ／ｃｍ^２〜１０００Ｊ／ｃｍ^２の範囲に設定することによって、ステンレス鋼上においても、特に高い除染効率を得ることができる。この際、レーザー光の波長及びパルス幅に依存せず、この高い除染効率を得ることができる。従って、レーザー光源として、上記の特性が得られる範囲内で任意のものを用いることができる。

これに対して、例えば特許文献１に記載の技術においては、ｆｓ程度の極めて短いパルス幅の発振が可能である高価なレーザー光源（例えばチタンサファイアレーザー）が必要である。本実施の形態の除染装置においては、例えばパルス幅が１０ｎｓ以上であり、安価なレーザー光源として、例えばＱスイッチＹＡＧレーザーを用いることもできる。

また、非特許文献１に記載の技術においては、炭素鋼上では充分な除染効率が得られたが、ステンレス鋼上では得られなかった。この理由は、ステンレス鋼上においては、レーザー光がステンレス鋼表面で反射することにより、エネルギー面密度が実質的に不足するためであると考えられる。

これに対して、本実施の形態に係る除染装置によって、ステンレス鋼上の除染においても、特に高い除染効率が得られる。その理由は、下記の通りである。まず、焦点位置からレイリー長の範囲内に除去対象物質（酸化鉄層２３、放射性物質２２、及び亀裂２４の深さまでの母材２１）が含まれることにより、これらに効率的にレーザー光のエネルギーを吸収させ、蒸発、昇華させることができる。この点は、非熱的レーザーを用いる特許文献１に記載の技術とは対照的である。

なお、特許文献１に記載の技術と同様に、除染対象試料２０の表面において流体を流し、蒸発・昇華した物質が除染対象試料２０の表面に再付着することを抑制した構成とすることもできる。この流体としては、不活性ガス等の気体や、水等の液体を用いることができる。ただし、特許文献１に記載の技術においてこの流体は除染対象試料２０表面の照射領域付近の冷却を行う役割をしたのに対し、本実施の形態に係る除染装置においては、冷却を行う必要はない。

また、特許文献１に記載の技術と同様に、除染対象試料２０表面へのレーザー光の入射角度を９０°からずらすことにより、剥離物質（蒸発・昇華した物質）がレーザー光によって反跳されて再付着する可能性を減少させることができる。

１１ レーザー光源
１２ 集光光学系
１３ 制御部
２０ 除染対象試料（被汚染試料）
２１ 母材
２２ 放射性物質
２３ 酸化鉄層
２４ 亀裂

Claims (6)

1. 部材上に放射性物質が付着した除染対象試料における放射性物質の除去を、レーザー光を照射することによって行う除染装置であって、
   パルス状のレーザー光を発振するレーザー光源と、
   前記レーザー光を前記除染対象試料表面で集光させる集光光学系と、
   前記レーザー光源及び前記集光光学系を制御することによって、前記レーザー光の前記除染対象試料表面における単位パルス当たりのエネルギーを１Ｊ／ｃｍ^２〜１０００Ｊ／ｃｍ^２の範囲とし、前記集光光学系を制御することによって、前記レーザー光の集光位置及びレイリー長に対応した部分が前記除染対象試料に形成された亀裂よりも深くなるように調整する制御部と、
   を具備することを特徴とする除染装置。
2. 前記制御部は、前記レーザー光の集光位置及びレイリー長に対応した部分を前記集光光学系において制御することを特徴とする請求項１に記載の除染装置。
3. 前記除染対象試料表面において流体を流すことを特徴とする請求項１又は２に記載の除染装置。
4. 部材上に放射性物質が付着した除染対象試料における放射性物質の除去を、レーザー光を照射することによって行う除染方法であって、
   レーザー光源が発したパルス状のレーザー光を集光光学系によって前記除染対象試料表面で集光させ、
   前記レーザー光の前記除染対象試料表面における単位パルス当たりのエネルギーを１Ｊ／ｃｍ^２〜１０００Ｊ／ｃｍ^２の範囲とし、かつ前記レーザー光の集光位置及びレイリー長に対応した部分が前記除染対象試料に形成された亀裂よりも深くなるように調整し、前記放射性物質を蒸発又は昇華させることを特徴とする除染方法。
5. 前記レーザー光の集光位置及びレイリー長に対応した部分を集光光学系において制御することを特徴とする請求項４に記載の除染方法。
6. 前記除染対象試料表面において流体を流すことを特徴とする請求項４又は５に記載の除染方法。