Brevet FR2499297A1 — publié le 19820806

La présente invention a pour objet une tra- versée étanche de la paroi d'une cellule chaude par un faisceau laser. Elle a également pour objet un procédé d'utilisation de cette traversée. Une installation d'usinage par faisceau laser se compose d'un laser, et d'une tête d'usinage, située à proximité de la pièce à usiner, qui focalise le faisceau laser. Comme on le sait, les densités de puissance délivrée par les lasers continus à CO2 permettent d'obtenir la température de fusion ou de volatilisa- tion de n'importe quel matériau par simple focalisa- tion du faisceau laser. Les faisceaux laser permet- tent donc, entre autres applications, des procédés d'usinage n'introduisant pas d'impuretés dans le ma- tériau à usiner ou à souder. Les procédés de découpa- ge par faisceau laser sont également particulièrement bien adaptés aux problèmes de découpe et de réduction de volume dans une cellule chaude de parties metalli- ques telles que des structures d'assemblages d'élé- ments combustibles nucléaires. Dans les installations de découpage ou de soudage actuellement connues, telles que, par exemple celle qui est décrite dans l'article de P. R. HIGGINSON et D.A. CAMPBELL "Dounreay Nuclear Power Development Establishment", le laser propre- ment dit est situé à l'extérieur de l'enceinte chaude et la tête d'usinage située à l'intérieur de la cel- lule focalise le faisceau du laser sur la pièce à découper. La tête d'usinage reste à l'intérieur de la cellule. De plus le document ne décrit aucune étan- chéité assurant le confinement de l'enceinte et aucun moyen n'est non plus défini pour le refroidissement des fenêtres ou lentilles placées sur le trajet du faisceau laser. La présente invention a pour objet une tra- versée étanche de la paroi de l'enceinte d'une cellu- le chaude par un faisceau laser au moyen de laquelle la tête d'usinage peut être entièrement rétractée derrière une paroi de protection en dehors des pério- des d'utilisation. Selon l'invention, la tête d'usinage est montée à l'extrémité d'un tube susceptible de coulis- ser à l'intérieur d'un conteneur de protection lui- même capable de se déplacer en translation et en ro- tation, à l'intérieur d'un fourreau et qui peut être accosté de façon étanche sur une bride solidaire de la paroi de confinement de la cellule chaude. Lorsque la tête d'usinage est rétractée à l'intérieur du con- teneur, ce dernier peut, après déverrouillage, recu- ler dans le fourreau, ce qui permet d'interposer un barillet de protection contre le rayonnement entre la cellule et la ligne d'usinage. L'étanchéité. vis-à-vis de l'atmosphère de la cellule est assurée par un soufflet disposé entre le tube et le.conteneur, ainsi que par un élément de focalisation fixé de manière étanche à l'intérieur de la tête d'usinage. Plus précisément, cette traversée étanche comprend: - un fourreau raccordé à la paroi épaisse de protec- tion biologique de la cellule, - une bride et une porte étanche, dite porte de cel- lule, ménagée dans la paroi de la cellule en regard du fourreau, - un conteneur étanche, de forme générale allongée, situé à l'intérieur du fourreau, le conteneur étant muni à son extrémité dirigée vers la paroi de la cellule d'une bride, dite bride de conteneur, rac- cordée par un soufflet d'étanchéité, une porte étanche dite porte de conteneur,s'adaptant sur la bride du conteneur, - des moyens pour déplacer le conteneur en transla- tion et en rotation dans le fourreau, - des moyens pour verrouiller de manière étanche la porte du conteneur sur la bride de celui-ci, - des moyens pour verrouiller la porte de la cellule sur la bride de celle-ci, - des moyens permettant la combinaison des deux mou- vements de verrouillage de. telle sorte que les por- tes étant verrouillées le conteneur puisse être re- culé, - des moyens permettant la combinaison des deux mou- vements de déverrouillage de telle sorte -que les portes du conteneur et de cellule soient solidari- sées entre elles par un verrou tournant, la porte de la cellule et la porte du conteneur pouvant alors être déposés ensembles à l'intérieur de la cellule, - une ligne d'usinage située à l'intérieur du conte- neur et reliée de manière étanche au conteneur par un soufflet, - des moyens pour déplacer en translation la ligne d'usinage à l'intérieur du conteneur, - des moyens de protection biologique pouvant être interposés entre la cellule et le conteneur lors- qu'il est en position rétractée. L'invention a également pour objet un pro- cédé d'utilisation de cette traversée étanche. Ce procédé se caractérise en ce que: - on fait pivoter le barillet de protection, - on effectue une translation du conteneur jusqu'à engager la bride de la porte de conteneur dans la bride de cellule comportant la porte de cellule, - on effectue une rotation du conteneur pour effec- tuer simultanément les verrouillages: - bride de conteneur sur la bride de cellule, 249929-7 - la porte dé conteneur sur la porte de la bride de cellule, - en même temps: la porte de conteneur se déver- rouille de la bride de conteneur, - on dépose, de l'intérieur de la cellule, -l'ensemble constitué par la porte de cellule et la porte de conteneur, - on réalise une translation du tube par rapport au fourreau, ce qui fait pénétrer la buse d'usinage à l'intérieur de la cellule. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple purement illustratif et nullement limitatif en référence aux dessins anne- xés, sur lesquels - la figure 1 représente.une vue d'ensemble de la traversée d'une paroi étanche conforme à l'in- vention, - la figure 2 représente une vue de détail de l'élément modulaire de la fenêtre d'étanchéité, - les figures 3 et 4 illustrent le fonc- tionnement de la traversée de paroi représentée sur les figures 1 et 2. Sur la figure 1, la référence 2 désigne l'intérieur d'une cellule dans laquelle on peut trai- ter des produits radioactifs. La cellule 2 est déli- mitée par une paroi de confinement 4. Une paroi épaisse de béton 6 assure une protection contre le rayonnement du milieu radioactif contenu dans la cel- lule 2. Comme on l'a rappelé précédemment, les pro- cédés de découpage pour faisceaux laser sont bien adaptés aux problèmes de découpe et de réduction de volume de matériaux tels que des structures d'assem- blage d'éléments combustibles de réacteur nucléaire contenu dans une enceinte telle que la cellule 2. La présente invention a pour objet une traversée étanche des parois 4 et 6 par un faisceau laser, de manière à permettre l'usinage des matériaux contenus à l'intérieur de la cellule chaude 2 au moyen d'un laser d'usinage 8 se trouvant à l'exté- rieur de la cellule 2, la tête d'usinage étant ré- tractable derrière un barillet de protection 40 con- tre le rayonnement en dehors des périodes d'utilisa- tion. Un fourreau métallique cylindrique 10, raccordé de manière étanche à la paroi de confinement 4 traverse la paroi de béton 6. Une porte étanche 9 s'adapte sur la bride 5 solidaire de la paroi de con- finement 4 et permet l'isolement ou la communication avec].'intérieur de l'enceinte 2. A l'intérieur du fourreau 10 se trouve un conteneur 12. Ce conteneur peut effectuer des mouvements de translation et de rotation par rapport au fourreau 10 au moyen de pa- liers à roulement 14. Des paliers de ce type sont connus. En conséquence, ils ne seront pas décrits en détail. A son extrémité 12a dirigée vers l'inté- rieur de la cellule chaude 2, extrémité que l'on ap- pellera dans la suite du texte extrémité interne du conteneur*, le conteneur comporte un soufflet d'étan- chéité 24 relié de manière étanche à une bride 25. Une porte étanche 14, dite porte de conteneur est montée sur la bride 25 du conteneur. La bride 25 peut s'adapter de manière étanche à la paroi 4 de la cel- lule chaude par verrouillage par rotation de la bride 25. Ce verrouillage étant réalisé, la porte de cellu- le 9 et la porte de conteneur 14 sont solidarisées de telle sorte qu'on peut les ôter ensemble de l'inté- rieur de la cellule, par exemple au moyen d'un télé- manipulateur. Des dispositifs permettant de verrouiller l'une sur l'autre deux enceintes étanches, telles que la cellule 2 et le conteneur 12, font partie de l'art antérieur. Ces dispositifs de tranfert étanche à dou- ble porte peuvent être utilisés pour connecter un conteneur sur une enceinte sans contamination des portes ni mise en contact de l'atmosphère intérieure de la cellule avec l'extérieur. Le transfert étanche entre la cellule et le conteneur s'effectue en verrouillant dans un premier temps le conteneur sur la cellule, et dans un deuxiè- me temps, les deux portes entre elles. L'ouverture de la double porte peut alors être faite au gant ou au télémanipulateur permettant d'effectuer le transfert sans rupture d'étanchéité. Le fonctionnement d'un dispositif de transfert étanche à double porte est le suivant. Le conteneur et l'enceinte étant fermés, on approche le conteneur, on le tourne de 600 dans le sens des aiguilles d'une montre. On sent un premier point dur lorsque la porte du conteneur vient en bu- tée, puis un deuxième lorsque les deux portes se dé- verrouillent. On ote alors l'ensemble des deux portes au gant ou à l'aide d'un télémanipulateur. On effec- tue le transfert et on replace le double porte. On effectue une rotation en deux temps qui déconnecte les deux portes, verrouille la porte du conteneur et déverrouille le conteneur de la bride de cellule. Ainsi, le conteneur et l'enceinte sont à nouveau fer- més. A son autre extrémité 12b, le conteneur 12 comporte un boîtier 16 fixé de manière étanche. Le boîtier 16 contient un miroir plan de renvoi 18. Il possède une fenêtre de confinement 20 par laquelle le faisceau 22 du laser 8 pénètre à l'intérieur du bol- tier 16 pour être réfléchi par le miroir plan 18. On remarque que lorsque la porte de confinement 14 est fermée, le conteneur 12 délimite un espace totalement étanche. A l'intérieur du conteneur 12 se trouve un tube 26 qui peut se déplacer en translation par rap- port à ce dernier. Cette translation est réalisée par exemple au moyen d'un système vis-écrou 26, 28. La vis 26 est entraînée en rotation par le moteur 30 au moyen d'une courroie 32. On réalise ainsi une trans- lation longitudinale du tube 26 par rapport au corte- neur 12. A son extrémité-26a dirigée vers l'inté- rieur de la cellule, le tube 26 comporte une lentille 34. Cette lentille joue les r8les d'éléments de con- finement des enceintes et de focalisation du faisceau laser. La lentille est en séléniure de zinc de focale adaptée au travail à effectuer. Une buse d'usinage 27 dont la longueur est fonction de la focale de la len- tille est fixée par des vis à l'extrémité 26a du tube 26. L'autre extrémité 26b du tube 26. est ouverte. La buse d'usinage 27 est également fixée à l'extrémité 26a du tube 26. Le tube 26 et la tête 27 constituent la ligne d'usinage L. La lentille 34 et la buse d'usinage 27 peuvent être entretenueshors de la cel- lule active en boite à gants. Un barillet 40, tournant autour de son axe 42, assure une protection contre le rayonnement y lorsque la ligne d'usinage est en position rentrée. Ce barillet comporte une ouverture cylindrique 44 suffisante pour permettre en position ouverte comme représenté sur la figure 1, le passage du conteneur 12. Lorsque la ligne d'usinage est rentrée, un moteur ml fait pivoter le barillet 40 de 1800 autour de l'axe 42 par l'intermédiaire d'une couronne dentée a. Le cylindre 46 pénètre alors dans l'ouverture 44 qui se trouve alors dans la position 44' indiquée-en trait mixte sur la figure 1. Lorsque le barillet 40 est en position ou-- verte, un bouchon extérieur 48 (visible sur les figu- res 3 et 4) assure une protection complémentaire con- tre le rayonnement y. La puissance transmise par le faisceau la- ser est telle qu'un refroidissement de la fenêtre 20, du système de focalisation 34 ainsi que du miroir plan 18 est nécessaire. Le dispositif de l'invention comporte donc des canalisations 50 d'amenée de gaz de refroidissement raccordées au bo!tier de distribu- tion 51. En outre, un filtre 52 est prévu sur le boitier pour la sortie des gaz de refroidissement. On réalise un écoulement de gaz- de refroidissement le long des faces de la fenêtre 20, du dispositif de focalisation 34, et du miroir plan 18. Le dispositif de refroidissement des composantes optiques est re- présenté a une échelle agrandie sur la figure 2. On a représenté sur la figure 2 une vue de détail de l'élément mobulaire comportant une lentille 34. Cet élément modulaire assure la séparation des zones de confinement froide et chaude. En remplace- ment de la lentille 34 l'élément modulaire peut être équipé de matériaux tels que ZnSe-AsGa-Nacl transmet- tant l'infra-rouge avec une faible absorption d'éner- gie. Les faces de la pièce 34 étant à faces parallè- les nous l'avons nommée fenêtre sous le repère-20. Comme on l'a déjà précisé, l'importance des puissances transmises nécessitent le refroidissement des éléments 20 et 34 traversés par le faisceau la- ser. Ceci est réalisé au moyen de courants gazeux qui circulent le long de ses faces. Le gaz utilisé est en général identique à celui de la cellule et est de l'azote sec filtré. Le gaz de refroidissement peut jouer en outre un rôle complémentaire. Dans le cas o le faisceau laser est utilisé pour le découpage, on peut utiliser de l'oxygène comme gaz de refroidisse- ment, de la face de la lentille 34 située dans la buse 27. Cet oxygène apporte une puissance complémen- taire à celle du faisceau laser par réaction exother- mique avec les matériaux à découper. Les quantités de gaz nécessaires sont faibles comparativement au volu- me de la cellule et sont sans incidence sur l'atmos- phère de celle-ci. Dans le cas d'une opération de soudage, le gaz de refroidissement peut être de l'hé- lium ou un gaz neutre. Les gaz de refroidissement sont amenés par des canalisations 58 et 60 débouchant dans des chambres annulaires 62 et 64 pratiquées dans les bagues 54. Des fentes annulaires débouchent à proximité de l'élément de focalisation 34 et dirigées vers celui-ci répartissent le gaz de refroidissement sur l'ensemble de la surface de ce dernier. Un ensemble de joints 68 assure les diffé- rentes étanchéités nécessaires, que ce soit entre la buse d'usinage 27 et la bague 54 entre la deuxième bague 54 et le tube 26, ou entre l'élément de focali- sation 34 et les bagues 54. On a représenté sur les figures 3 et 4 le fonctionnement d'une traversée étanche conforme à l'invention telle que celle qui a été décrite en ré- férence aux figures 1 et 2. La ligne d'usinage L est représentée sur la figure 3 en position rétractée. Dans cette position, le barillet 40 est en position fermée, c'est-à-dire que l'ouverture 44 qu'il compor- te n'est pas située en regard de la ligne d'usinage, mais diamétralement opposée. Le moteur ml permet de faire passer le barillet 40 de la position ouverte à la position fermée. Par ailleurs, un cylindre de pro- tection complémentaire 46 a été introduit au moyen d'une commande assurée par un moteur m2 et un système vis-écrou. L'ensemble assure ainsi une protection complète de l'extérieur de la cellule 2 contre le rayonnement y. La porte de cellule 9 est représentée fermée sur cette figure. On remarque également sur cette figure le blindage extérieur 70 et le bouchon 48 assurant une protection contre le rayonnement y lorsque le barillet 40 est en position ouverte. Le blindage 70 comporte une ouverture 72 par laquelle passe le faisceau laser. La ligne L étant en position rétractée sur la figure 3, l'ouverture 72 n'est pas située en regard dc la fenêtre 20. Des moyens 74, représentés schématiquement, permettent de commander de manière étanche la translation de la ligne L. Sur la figure 4, on a représenté la ligne d'usinage L en position sortie, avec la tête d'usina- ge à l'intérieur de la cellule 2. A partir de la position représentée sur la figure 3, on recule le cylindre 46 à l'aide du moteur m2 puis on ouvre le barillet 40 au moyen du moteur ml, la porte de cellu- le 9 restant ern position fermée. Ensuite, au moyen de la tige de commande 74, l'ensemble de la ligne L a été déplacé en translation de manière à amener la porte de conteneur 14 au contact de la porte de cel- lule 9. On verrouille alors la porte de conteneur sur la porte de cellule par rotation d'un quart de tour. Par cette rotation, la porte du conteneur est ver- rouillée sur la porte de cellule, et une étanchéité est réalisée entre la bride de la porte de cellule et la bride du conteneur par rotation, on déverrouille la porte de la cellule 9 au moyen d'un vérin. On ouvre alors la porte de cellule, soit au moyen d'un télémanipulateur, soit au moyen d'un second vérin la porte de conteneur 14 restant fixée sur la porte de 1l cellule 9. Les deux portes ayant été otées, on remar- que qu'une étanchéité est maintenue au moyen du souf- flet 24 reliant la bride de conteneur au conteneur 12. Le milieu radioactif peut certes pénétrer à l'in- térieur-de l'extrémité du conteneur 12, mais la con- tamination est limitée par le soufflet d'étanchéité 36 et par la fenêtre de confinement 34. La tête de découpe peut alors pénétrer à l'intérieur de la cellule chaude. La translation de la tête de découpe est assurée au moyen du moteur 30 et du système vis-écrou 28 qui permet le déplacement du tube 26 à l'extrémité duquel est fixée la.tête de découpe. Comme on peut le remarquer sur la figure 4, la translation de la ligne L amène la fenêtre 20 en regard de l'ouverture 72 pratiquée dans le blindage extérieur 70. Le laser peut donc être mis en oeuvre. La rentrée de la tête de découpe s'effectue dans l'ordre inverse. On commence par rétracter la tête de découpe à l'intérieur du conteneur 12 au moyen du moteur 30. L'ensemble des deux portes, porte de conteneur et porte de cellule, est alors remis en place, soit au moyen d'un télémanipulateur, soit au moyen d'un vérin la porte de la cellule 9 est ver- rouillée sur la bride de cellule 5 au moyen de verrou tournant commandé par un vérin. La rotation de la ligne L manoeuvrée par le ringard 74 solidarise la porte de conteneur 14 de la bride 25 du conteneur 12 qui est alors étanche et désolidarisé de la porte de cellule 9. Le ringard 74 permet le recul de la ligne L et le dégagement du barillet 40 que l'on actionne en rotation de 1800 par le moteur ml puis que l'on obtu- re par le coulissement du bouchon 46 vers la cellule au moyen du moteur m 2 et du dispositif vis-écrou qui lui est associé. REVENDICATIONS l.Traversée étanche de la paroi d'une cel- lule chaude par un faisceau laser, ladite cellule comportant une paroi de confinement et une paroi épaisse de protection biologique, traversée caracté- risée en ce qu'elle comporte: - un fourreau (10) raccordé à la paroi épaisse de protection biologique de la cellule, - une bride et une porte étanche, dite porte de cel- lule (9), ménagée dans la paroi (4) de la cellu- le (2) en regard du fourreau (10), - un conteneur étanche gée,-situé à l'intérieur du fourreau (10), le con- teneur gée vers la paroi de la cellule d'une bride - des moyens permettant la combinaison des deux mou- vements de verrouillage de telle sorte que les por- tes étant verrouillées le conteneur puisse être re- culé, - des moyens permettant la combinaison des deux mou- vements de déverrouillage de telle sorte que les portes du conteneur et de cellule soient solidari- sées entre elles par un verrou tournant, la porte de la cellule et la porte du conteneur pouvant alors être déposées ensemble à l'intérieur de la cellule, - une ligne d'usinage située à l'intérieur du conte- neur et reliée de manière étanche au conteneur par un soufflet, - des moyens pour déplacer en translation la ligne d'usinage à l'intérieur du conteneur, - des moyens de protection biologique pouvant être interposés entre la cellule et le conteneur lors- qu'il est en position rétractée. - des moyens de protection biologique (70) et (48) situés en arrière de la traverse étanche et proté- geant les personnels d'exploitation lorsque le con- teneur (12) est ouvert que la ligne d'usinage (L) est en action. 2. Traversée étanche selon la revendica- tion 1, caractérisée en ce que les moyens de protec- tion biologique sont constitués par un barillet d'axe parallèle à la ligne d'usinage, possédant une ouver- ture au travers de laquelle la tête d'usinage peut être introduite dans la cellule (2), et derrière la- quelle elle peut être rétractée lorsqu'elle n'est pas en service. 3. Traversée étanche selon l'une quelcon- que des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que la ligne d'usinage (L) est constituée par un tube (26) terminé par une buse d'usinage (27), le tube (26) étant muni, à son extrémité interne (26a), d'une fenêtre de confinement (34). 4. Traversée étanche selon l'une quelcon- que des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la fenêtre (20), le dispositif de focalisation (34) et le miroir plan (18) sont refroidis par un écoule- ment de gaz de refroidissement. 5. Traversée étanche selon la revendica- tion 4, caractérisée en ce que l'on utilise, pour le refroidissement, un gaz différent de celui de V'at- mosphère de la cellule, dans le cas o le laser est utilisé pour découper ou pour souder. 6. Traversée étanche selon l'une quelcon- que des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que le tube (26) comporte, à son extrémité (26a) un boî- tier (16) fixé de façon étanche, et comportant des canalisations d'amenée (50) du gaz de refroidissement ainsi que le filtre (51) de sortie de ce gaz. 7. Procédé d'utilisation d'une traversée étanche selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que: - on recule le bouchon mobile (46) dans son logement, - on fait pivoter le barillet de protection, - on effectue une translation du conteneur jusqu'à engager la bride de la porte de cellule dans la porte de cellule, - on déverrouille la porte du conteneur et, simulta- nément - on verrouille la bride de la porte de conteneur sur la bride de cellule, - on dépose, de l'intérieur de la cellule, l'ensemble costitué par la porte de cellule et la porte de conteneur, - on réalise une translation du tube par rapport au fourreau, ce qui fait pénétrer la buse d'usinage à l'intérieur de la cellule.