JPH08505704A - 放射性物質除染 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 レーザービームを汚染表面にあてる、埋封されている汚染物を金属表面から除去する方法。レーザービームは、レーザー生成メルトプール液体を金属表面から直接放逐し、それによって前記埋封汚染物を含む金属表面層を除去するのに十分な出力密度を有する。金属表面の再汚染またはまだ汚染されていない表面の汚染を予防するため、レーザー放逐材料を回収する手段が備えられている。

Description

【発明の詳細な説明】放射性物質除染 本発明は放射性汚染物の除去、特に埋封されている放射性汚染物を金属表面か らレーザービームを使用して除去することに係わる。 核処理プラント作業において、表面が放射性物質で汚染されることは避けられ ない。その結果、かかるプラントを閉鎖する際には汚染表面を安全な方法で除染 する必要がある。多くの場合に汚染表面はステンレス鋼または軟鋼からなり、典 型的な汚染物としてはＵＯ₂、ＰＵＯ₂、Ｃｏ−６０、Ｓｒ−９０、Ｃｓ−１３４ 及びＣｓ−１３７が挙げられる。汚染物は、鋼基質中に約４ｍｍの深さまで浸透 し得る微粒子または溶液の形態であり得る。かかる状況で公知の除染方法、例え ば化学洗浄、流体剪断吹付け、またはペースト／ストリッピングは、埋封されて いる汚染物を除去するのには有効でない。 汚染物を低減する１つの最近の方法は、放射性汚染物を特定のゾーン内に閉じ 込めるように核汚染要因物内に負の圧力を維持することである。しかしながら、 かかる方法は運用費が高いという欠点を有する。 欧州特許第００９１６４６号明細書は、金属表面から薄 い（４０ミクロン未満）金属酸化物フィルムをレーザー（ｎｓパルス）アブレー ション／蒸発する方法を記載している。アブレーション法は、（１ＧＷを超える ）高エネルギーレーザーパルスを適用して熱段階を経ずに分子結合を直接切断す ることにより行われる。除去される層の典型的な厚さは数ミクロンのオーダーで ある。レーザー蒸発除去法は、多くの熱が伝導によって失われ得るが故に、金属 表面には有効でない。除去層の深さはやはりミクロンの範囲である。 特開昭６３０２４１３９号公報に記載の別の公知の方法では、レーザー生成し た溶融材料を除去するためにレーザーメルトプール中に軸をずらしてガスを注入 する。この方法では数ミリメートルのオーダーの表面層が除去される。しかしな がら、メルトプールに対してガスジェットを整列させることが重要であり、目標 物の距離が変化すると正確に整列するのが困難になることが多い。別の欠点は、 この方法が一方向の処理にしか適さないことである。 本発明によれば、レーザービームを汚染表面にあてることからなる、埋封され ている汚染物を金属表面から除去する方法であって、レーザーが、金属表面から レーザー生成 （レーザーにより生成された）メルトプール液体を直接放逐し、埋封汚染物を含 む金属表面層を除去するのに十分な出力密度を有することを特徴とする方法が提 供される。 出力密度は６ＭＷ／ｃｍ²より大きいのが好ましい。 レーザービームは、例えば少なくとも１ｍｓのパルス長及び５Ｊのパルスエネ ルギーを有するパルスエネルギーからなるのが好ましい。 本発明方法は、レーザー生成蒸気圧力及び光圧力を利用してレーザー溶融液体 を直接放逐するが、レーザー生成蒸気反跳圧力は通常は５〜１００バールである 。溶融液体はメルトプールから少なくとも０．１メートル、最高で２．５メート ルほどの距離に放逐され得る。 金属表面はステンレス鋼または軟鋼からなると好都合である。 有利なことに、別のガスジェットをメルトプール中に吹込まずとも、レーザー 生成メルトプール液体は放逐される。 本発明方法は、汚染表面層を最高５ｍｍの深さまで除去し得る。 金属表面の再汚染またはまだ汚染されていない表面の汚 染を予防するために、レーザー放逐材料を回収するための手段を備えることが望 ましく、回収手段は空気／水吹付け及び排出（ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ）系からな り得る。 レーザービームを生成するレーザーは気相または固相タイプのレーザーとし得 る。 本発明者らは、大部分（９０％以上）の埋封汚染物は汚染鋼の表面の１ｍｍ以 内にあることから、この表面層を除去すれば汚染物レベルを大幅に低下させ得る と認識した。従って本発明は、かかる埋封汚染物を安全に除去及び回収する上で 特に有利である。 本発明は、金属製原子力装置の除染の際に通常の手段では汚染物を流去または 除去し得ない接合部、狭隙、縁部、コーナー、間隙などによって規定されるよう な直線形経路に沿った汚染除去に特に適している。 本発明は更に、金属パイプまたは管の内側表面から汚染物を除去するために使 用され得る。 本発明方法によって生成されるメルトプールは強度に放射線放射性であり、本 発明者らは、参照により本明細書の一部に含まれるものとする英国特許第９３２ ３０５４．８号明細書を優先権とする本出願人の同日出願の同時係属国 際特許出願に記載の方法において、放射された放射線を検出し、ディジタル化し 、分析し得ることを見い出した。それによって生成される画像は、メルトプール を生成する熱またはレーザー源に対する表面の向き、局所的な形状、及び隔離距 離についての情報を与える。 以下、例示のみの目的で、添付の図面を参照して本発明の実施態様を記載する ： 図１は、静止対象物（ｗｏｒｋｐｉｅｃｅ）の材料のレーザー生成液体放逐を 示す側面図であり； 図２は、移動対象物の材料のレーザー生成液体放逐を示す側面図であり； 図３は、材料のレーザー生成液体放逐と回収手段とを示す側面図であり； 図４は、材料のレーザー生成液体放逐と別の回収手段とを示す側面図であり； 図５は、金属除去の深度対レーザーパルス長のグラフであり； 図６は、金属除去の深度対レーザーパルスエネルギーのグラフであり； 図７は、溶融深度対レーザー移動速度のグラフである。 図１を参照すると、静止金属対象物６の表面４上に発射するレーザービーム２ が示されており、表面４は埋封放射性汚染物８の層を有する。レーザービーム２ は６ＭＷ／ｃｍ²より大きい出力密度を有しており、数ミリ秒のパルス長で作動 される。レーザービーム２が表面４と衝突する箇所で、レーザーメルトプール１ ２が形成される。放射性汚染物８を含む溶融材料１０は、５〜１００バールのレ ーザー生成蒸気反跳圧力とそれよりは小さいが（光速で除算した出力密度である ）レーザー光圧力とにより、メルトプール１２から放逐される。放逐された材料 はメルトプール１２から最高２.５メートルの距離に投げ出され得る。 図２においては、対象物６が矢印で示された方向に移動しているなかで、対象 物６の表面４に発射するレーザービーム２が示されている。図１に関して記載し たように、放射性汚染物８を含む溶融材料１０はレーザーメルトプール１２から 最高２.５メートルの距離に放逐される。対象物６が矢印で示された方向に移動 するとき、溶融材料１０もその方向に放逐される傾向がある。レーザービーム２ が移動し、対象物６が静止しているような状況では、溶融材料１０はレーザービ ーム２の移動方向とは反対の方向に放逐 される。 図３を参照すると、溶融材料１０が図２に関して記載したように放逐されるよ う移動する対象物６の表面４に発射するレーザービーム２が示されている。表面 ４に発射する前に、レーザービーム２は表面４に極めて近接して配置された回収 手段２０を通過する。回収手段２０は、レーザー入口２４とレーザー出口２６を 有するハウジング２２からなる。レーザレーザー入口２４とレーザー出口２６は 、レーザービーム２が妨害されずにハウジング２２を通過して表面４に発射する ように整列されている。ハウジング２２は、レーザービーム２に対してほぼ垂直 であるハウジング２２の対称軸上に位置する２つの向かい合った排出口３６，３ ８を有する。ノズル２８がハウジング２２内に、レーザービーム２に対してほぼ 垂直の方向を向くよう設置されている。ノズル２８はチューブ３０を介して圧縮 空気入口３２と水入口３４とに接続されている。回収装置２０は、モーター駆動 回転装置（図示せず）によって回転可能である。 作動時、回収装置２０はレーザービーム２の移動と同調して移動し、放逐され た溶融材料１０にノズル２８から空 気／水の噴霧４０が吹付けられる。それによって溶融材料１０は冷却され、放射 性汚染物８を含む金属粒子が形成される。かかる粒子と水は、出口３６，３８に 作用する適当な排出手段（図示せず）によって排出口３６，３８を通してハウジ ング２２から除去される。回収装置２０は、レーザー処理が全ての向きで行われ 得るようモーター駆動回転装置（図示せず）によって回転させ得る。 水／空気噴霧を使用すると放逐された溶融材料は極めて有効に冷却され、それ によって（一般的には３ｍｍまでの直径を有する）金属粒子の回収が容易になる ことが判った。ステンレス鋼及び軟鋼対象物の場合、イットリウムアルミニウム ガーネット（ＹＡＧ）レーザーを使用して材料が放逐される一般的な深さは約０ ．５〜１．５ｍｍ／パルス（継続時間１〜１０ミリ秒）である。表面から材料が 放逐される速度は５０〜１００ｃｍ²／ｋＷ時である。 図４には、中空円筒形ハウジング５２からなる別の回収手段５０が示されてい る。ハウジング５２は、一端が開放であり、レーザービーム２の向きに対して垂 直であり表面４に極めて近接している対称軸を有している。ハウジング５２は、 レーザービーム２が妨害されずにハウジング５２ を通過して表面４に発射するように構成されたレーザー入口５４とレーザー出口 ５６とを有する。ノズル５８はその閉鎖端部６０を介してハウジング５２内に突 出しており、レーザービーム２を貫いて放出するようにハウジング５２の対称軸 に沿って配向されている。ノズル５８はチューブを介して圧縮空気入口６２と水 入口６４とに接続されている。 回収装置５０の作動時には、放逐された溶融材料１０にノズル５８から空気／ 水噴霧６６が吹付けられる。それによって溶融材料は冷却され、放射性汚染物８ を含む金属粒子が形成される。粒子と水は、ハウジング５２の開放端部に作用す る適当な排出手段（図示せず）によってハウジング５２から除去される。 上述の回収装置を使用すると、レーザー溶融材料を直接放逐することにより表 面から除去された汚染材料が回収及び除去され、溶融汚染材料が除染表面に堆積 して除染表面が再汚染されることがない。 図５〜７は、１０〜５５Ｊで動作するＹＡＧレーザーを使用し、１〜８ミリ秒 パルス時、反復速度３〜３０Ｈｚ及びレーザースポット直径約１ｍｍとしたとき の、上述の方 法における多数の作動パラメーターと材料除去深度との相関を示す。 図５は除去された材料の深度対レーザーパルス長のグラフであり、図６は除去 された材料の深度対レーザーパルスエネルギーのグラフであり、図７は溶融材料 の深度対レーザービーム移動速度を示すグラフである。これらの相関から、溶融 液体放逐を開始するためには、或る最小出力エネルギー及び相互作用時間が必要 であることが判る。相互作用時間が長すぎると、一部のエネルギーが伝導によっ て失われると共に気化した材料を加熱するので、あまり効率的でない。除去深度 に適合する相関を有する最適なエネルギー及び相互作用時間があり、除去深度は パルス幅及びエネルギー密度に大きく左右される。レーザービームの移動速度は 材料除去深度に極めて僅かしか影響を及ぼさない。しかしながら、移動速度があ まりに遅いと、所定の深さで低レーザー出力密度（ビームデフォーカス）で同じ 箇所が繰返し加熱されることから、低高度スパッタリングが起こり、これが火山 様クレーターや砕片を生成し得る。移動速度が速すぎると材料が不連続に除去さ れ易い。最適移動速度は、レーザースポットサイズにレーザーパルス周波数を乗 算し た値におおよそ等しいものであることが判明した。従って、高レーザービーム反 復速度は高処理速度を可能にする。 他のレーザー除染法と比較し、レーザー生成液体放逐はガス節約の点でより経 済的である。圧縮空気／水噴霧を（５００リットル／分未満の空気流量及び０． ２リットル／分の水流量で）使用することで、放逐された材料を単一工程で冷却 及び回収し得る。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ステイーン，ウイリアム・マツクスウエル イギリス国、エル・69・３・ビー・エツク ス、リバプール、ピー・オー・ボツクス・ 147、リバプール・ユニバーシテイ、デパ ートメント・オブ・メカニカル・エンジニ アリング気付（番地なし) (72)発明者 モダーン，ピーター・ジユリアン イギリス国、ピー・アール・４・０・エツ クス・ジエイ、エヌ・アール・プレスト ン、サルウイツク、スプリングフイール ズ・ワークス、ブリテイツシユ・ニユクリ アー・フユールズ・ピー・エル・シー気付 （番地なし)

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．レーザービームを汚染表面にあてることからなる、埋封されている汚染物を 金属表面から除去する方法であって、前記レーザービームが、レーザー生成メル トプール液体を前記金属表面から直接放逐し、それによって前記埋封汚染物を含 む金属表面層を除去するのに十分な出力密度を有することを特徴とする方法。 ２．前記レーザー生成メルトプール液体の直接放逐が、前記メルトプール中に別 のガスジェットを吹込まずに行われる請求項１に記載の方法。 ３．前記レーザー生成メルトプール液体の直接放逐が、レーザー生成蒸気圧力を 使用することにより行われる請求項１または２に記載の方法。 ４．前記レーザー生成反跳圧力が５〜１００バールである請求項１から３のいず れか一項に記載の方法。 ５．前記レーザービーム出力密度が６ＭＷ／ｃｍ²より大きい請求項１から４の いずれか一項に記載の方法。 ６．前記レーザービームが、少なくとも１ｍｓのパルス長を有するパルスエネル ギーからなる請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。 ７．前記レーザービームを生成するレーザーが気相または固相タイプのレーザー である請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。 ８．前記金属表面がステンレス鋼またはは軟鋼からなる請求項１から７のいずれ か一項に記載の方法。 ９．前記金属表面の再汚染またはまだ汚染されていない表面の汚染を予防するた めに、レーザー放逐された材料を回収する手段を備えている請求項１に記載の方 法。 １０．前記回収手段が空気／水吹付け及び排出系からなる請求項９に記載の方法 。