Brevet FR2525380A1 — publié le 19831021

Procédé de décontamination par laser La présente invention concerne des procédés de décontamination et elle a trait, plus particulièrement, à des procédés pour décontaminer des composants de centrales nucléaires à l'aide de lasers. Pendant le fonctionnement des centrales nucléaires et des appareils similaires, certains composants se trouvent exposés aux radiations et une mince pellicule radioactive peut se former sur la surface de ce composant De temps en temps, il est nécessaire soit de vérifier soit de réparer ces composants de la centrale nucléaire Pendant la vérifi- cation ou la réparation des composants, il est nécessaire que la maind'oeuvre exécutant ce travail pénètre dans le composant ou soit posté au voisinage immédiat du composant, ce qui fait que cette main-d'oeuvre peut se trouver exposée aux radiations émises par le composant contaminé Dans certains cas, les radiations émises par ces composants sont telles qu'un exécutant reçoit la dose de radiations maximale admissible en moins de cinq minutes de temps de travail Une telle situation signifie qu'un exécutant donné ne peut con- sacrer qu'un temps de travail relativement bref à l'opération de vérification ou de réparation du composant nucléaire Du fait que chaque exécutant ne peut consacrer qu'un temps relativement bref au procédé de réparation ou de vérification, il est nécessaire, pour obtenir le résultat recherché, d'utiliser un grand nombre d'exécutants dont chacun travaille pendant un temps bref Bien que ceci puisse être une pratique acceptable pour des procédés de vérification ou de réparation peu importants, il n'en est pas de m 9 me lorsqu'il faut exécuter un travail de vérification ou de réparation important. Lorsque le travail devant être effectué est un travail long, il est vraisemblable qu'un nombre inhabituellement important de personnes très entraînées serait nécessaire pour exécuter cette tâche Une telle situation peut non seulement être inacceptable du point de vue financier, mais encore être inadmissible du point de vue du niveau de la main d'oeuvre. Une solution à ce problème peut consister à réduire le champ de radiations associé au composant pour permettre au personnel d'exécution de travailler pendant un temps plus long Une des méthodes utilisées pour réduire le champ de radiations associé au composant nucléaire sur lequel l'opération de réparation doit être effectuée consiste à enlever des surfaces exposées du composant nucléaire la pellicule d'oxyde métallique radioactif qui ya été déposée. Il existe plusieurs procédés connus dans la technique pour enlever du composant nucléaire la couche radioactive d'oxyde de manière à réduire le champ de radiations associé à ce composant Par exemple, on peut projeter des particules abrasives contre le composant pour éliminer du composant, par abrasion,la pellicule d'oxyde,de manière à réduire le champ de radiations associé au composant. De plus, on a tenté d'appliquer des procédés chimiques pour enlever du composantpar dissolution,la pellicule d'oxyde,de manière à éliminer de ce composant la pellicule d'oxyde et le champ de radiations associé. En plus des procédés que l'on a tenté d'appliquer antérieurement-pour réduire les champs de radiations associés aux composants nucléaires, il est connu dans la technique antérieure d'utiliser des radiations laserset des radiations de lampes à éclairs pulséespour enlever d'objets,tels que des ouvrages d'art et des structures, diverses sortes de pelli- cules superficielles Ce type de radiations laserspeut faire appel à des intensités qui ont la capacité de tuer les moisissures sur les livres anciens rares, d'enlever la peinture de surfaces métalliques, d'éliminer des peintures rupestres,par désintégration,les dépôts de chaux ou de transformer la rouille en magnétite sur les structures en acier Toutefois, aucune de ces façons de procéder n'a été mise au point pour être utilisée à l'élimination des pelli- cules d'oxyde radioactives des composants nucléaires de manière à empêcher un endommagement du composant nucléaire et à prévenir un nouveau dépôt d'importance plus grande d'oxydesradioactifs sur le composant nucléaire. C'est pourquoi la présente invention a pour objet principal un procédé de décontamination qui réduit le champ de radiations adjacent aux composants des centrales nucléaires sans endommager le composant ou sans créer une situation dans laquelle la vitesse de dépôt d'oxyde radioactif sur le composant se trouve accélérée lorsque le composant est remis en service. Compte tenu de cet objet, la présente invention réside dans un procédé pour décontaminer des composants nucléaires radioactifs par élimination de la surface desdits composants une mince couche d'oxyde de métal contaminé de. façon radioactive en diminuant ainsi le niveau de radiations associé audit composant, ce procédé étant caractérisé par le fait que l'on balaie la surface desdits composants à l'aide d'un faisceau laser ayant, d'une parts une densité d'énergie suffisante pour permettre une pénétration thermique corres- pondant à l'épaisseur de ladite couche d'oxyde et, d'autre part, une largeur sensiblement plus grande que l'épaisseur de ladite couche d'oxyde. La'présente invention apparaitra aisément dans la description donnée ci-après d'un mode de réalisation préféré représenté, à titre d'exemple uniquement, dans le dessin annexé, dont la figure unique est une représentation schéma- tique de l'appareil laser devant être utilisé L'invention décrite dans le présent exposé est un procédé pour décontaminer par laser des composants nucléaires de telle sorte que le personnel d'exécution puisse effectuer des opérations sur ces composants. Un modèle de chauffage de surface monodimensionneld'un faisceau laser agissant réciproquement avec une soefaoe est connu d'une façon générale dans la technique Ce modèle suppose que le faisceau laser soit uniforme sans aucune variation trans- versale et que la pellicule de surface soit à peu près uniforme Le modèle suppose également que la surface soit plane et perpendiculaire au faisceau laser incident Ces conditions sont à peu près vraies si: 1 Les dimensions transversales du faisceau laser réel sont beaucoup plus grandes que l'épaisseur de la pellicule de surface; 2 Les dimensions transversales du faisceau laser réel sont beaucoup plus grandes que la distance de diffusion thermique dans la matière; et 3 La dimension d'échelle latérale pour les variations dans le contour de la surface et dans l'épaisseur de la pellicule est beaucoup plus grande que l'épaisseur moyenne de la pellicule. La première condition est satisfaite dans la plupart des cas si les faisceaux lasers ont un diamètre de 0,1 à 1 cm et si les pellicules d'oxyde concernées sont, de façon typique, inférieures '10-4 cm (environ 40 micropouces) Dans le cas des composants nucléaires types, les dimensions trans- versales du faisceau laser réel sont beaucoup plus grandes que les épaisseurs des pellicules d'oxyde du composant de réacteur nucléaire, ce qui satisfait la première condition La seconde condition exige de tenir compte de la diffusibilité thermique de la matière et de la durée de l'impulsion laser Pour des métaux et des oxydes métalliques types des composants de réacteur nucléaire, la diffusibilité thermique est d'environ 0,2 cm 2 par seconde La distance qu'une onde thermique parcourt dans une telle matière pendant une longueur d'impulsion laser type d'environ 1 microseconde est à peu près de 4,0 x 10-4 cm, ce qui satisfait aisément la seconde condition exigeant que les dimensions transversales du faisceau laser réel soient beaucoup plus grandes que la distance de diffusion thermique dans la matière La troisième condition doit être satisfaite - sur la majeure partie de la superficie du composant nucléaire, car la dimension d'échelle latérale des variations dans le contour de la surface et dans l'épaisseur de l'oxyde est beaucoup plus grande que l'épaisseur moyenne elle-même de l'oxyde Par conséquent, il semble qu'un modèle de chauffage de surface monodimensionnel d'un faisceau laser agissant de façon réciproque avec une surface recouverte d'oxyde prédise de façon adéquate l'interaction d'un laser approprié sur la couche d'oxyde d'un composant nucléaire. Comme on l'a noté antérieurement, les pellicules d'oxyde rencontrées sur les composants nucléaires ont, de façon typique, une épaisseur inférieure a environ 10 cm. On s'est aperçu que,pour obtenir des profondeurs de pénétration thermiques comparables aux épaisseurs de pellicule de ces composants de manière à éviter ainsi un endommagement thermique prononcé du métal de base, il faut que la durée de l'impulsion laser soit d'environ une microseconde On peut utiliser pour satisfaire ce critère de durée d'impulsion à la fois le laser à CO} TE pulsé et le laser YAG commuté en mode Q. En plus de déterminer la profondeur de pénétration d'une impulsion du laser, il est également important de pouvoir déterminer les températures des surfaces d'oxyde en fonction de la durée de l'impulsion laser incidente de manière à être à même de se rendre compte des densités d'énergie laser nécessaires Pour éliminer les pellicules d'oxyde de cette nature, il faut généralement des températures de surface élevées d'environ 2000-30000 K Du fait que des impulsions lasers brèves d'environ 1 microseconde sont nécessaires pour limiter la profondeur depénétration thermique afin d'éviter un endommagement du métal de base et qu'il faut obtenir des températures de surface d'environ 2000-30000 K avec une durée d'impulsion laser d'environ 1 microseconde, il est généralement souhaitable de disposer de densités d'énergie laser d'environ 1,5 à, 3 joules par cm 2 On obtient facilement des densités d'énergie laser d'environ 1,5 à 3 joules par cm 2 avec des lasers à C 02 et deslasers YAG. On peut voir, d'après l'analyse ci-dessus, qu'il existe des lasers présentant les caractéristiques requises pour éliminer les pellicules d'oxyde radioactives des compo- sants nucléaires sans endommager le métal de base du composant. En se référant à la figure unique du dessin annexé, on voit que l'on y a représenté en le désignant dans son ensemble par la référence 20 un composant nucléaire type qui peut convenir pour une décontamination de radioactivité et qui peut être un générateur de vapeur d'eau nucléaire Le générateur 20 de vapeur d'eau comprend une enveloppe extérieure -25380 22 munie d'une plaque de séparation 24,et d'une plaque tubulaire 26 qui y est disposée comme il est bien connu dans la technique L'enveloppe extérieure 22, la plaque de séparation 24, et la plaque tubulaire 26 délimitent une chambre 28 à travers laquelle passe le réfrigérant du réacteur. De plus, un trou d'homme 30 est formé dans l'enveloppe extérieure 22 pour permettre au personnel d'accéder dans la chambre 28 Pendant le fonctionnement du générateur 20 de vapeur d'eau, le réfrigérant du réacteur s'écoule à travers la chambre 28 et à travers les tubes 32 qui traversent la plaque tubulaire 26 Du fait que le réfrigérant du réacteur s'écoulant à travers le générateur 20 de vapeur d'eau est radioactif, diverses surfaces du générateur 20 de vapeur d'eau se recouvrent d'une pellicule d'oxyde qui est radio- active Par exemple, la surface intérieure de l'enveloppe 22, de la plaque de séparation 24 et de la surface inférieure de la plaque tubulaire 26 se recouvre d'un revêtement d'oxyde qui est radioactif Lorsqu'il est souhaitable d'effectuer l'entretien des tubes 32 de l'échangeur de chaleur, le personnel d'entretien peut pénétrer dans la chambre 28 par le trou d'homme 30 de manière à procéder à l'entretien des tubes 32 Pour augmenter le temps durant lequel le personnel d'en- tretien peut rester dans la chambre 28 pour effectuer l'entre- tien, il est souhaitable de réduire le champ de radiations dans cette chambre 28 On peut obtenir ce résultat en éliminant la pellicule d'oxyde qui s'est déposée sur les surfaces des composants du générateur 22 de vapeur d'eau, comme par exemple la plaque de séparation 24, la plaque tubulaire 26 et la surface intérieure de l'enveloppe 22,en réduisant de cette façon le champ de radiations émis par ces éléments L'invention décrite dans le présent exposé fait appel à un moyen de décontamination par laser pour éliminer la pellicule d'oxyde présente sur les surfaces du générateur 20 de vapeur d'eau de manière à réduire ainsi le champ-de radiations associé à ces surfaces. En se référant encore à la figure unique du dessin annexé, on voit que lorsque le générateur 20 de vapeur d'eau a été rendu inactif, un mécanisme optique 34 peut être placé dans la chambre 28 et suspendu à la plaque tubulaire 26 par une fixation aux extrémités ouvertes des tubes 32 Ce méca- nisme optique 34 peut comprendre un mécanisme réflecteur mobile 36 commandé électriquement en vue de réfléchir une radiation, comme par exemple de la lumière, sur diverses surfaces du générateur de vapeur d'eau Par exemple, le mécanisme réflecteur 36 peut comprendre plusieurs miroirs ou prismes fixés à la base du mécanisme optique 34 en vue de réfléchir une radiation qui est dirigée vers ces surfaces réflectrices Le mécanisme optique 34 est relié électriquement par un câble électrique 38 à une alimentation 40 de mécanisme optique qui peut être placée à distance du générateur 20 de vapeur d'eau et qui est séparée de ce dernier par un écran biologique 42 De cette manière, le mécanisme optique 34 peut être commandé et manipulé à distance de manière que l'opérateur ne soit pas exposé au champ de radiations associé au générateur de vapeur d'eau L'alimentation 40 du mécanisme optique constitue un moyen grâce auquel le mécanisme optique 34 peut être réglé de manière à modifier les angles de réflexion des miroirs et des prismes du mécanisme réflecteur 36 qui renvoie, de cette façon, la radiation qui est réfléchie par les miroirs ou le prisme vers la surface voulue à décontaminer. Un laser de puissance 46,tel que décrit précédemment dans le présent exposé, peut être disposé près de l'ouverture du trou d'home 30 de manière que la radiation émise par ce laser de puissance 46 puisse être dirigée vers le mécanisme optique 34, comme représenté sur le dessin On peut monter le laser de puissance 46 sur un dispositif de support 48 qui peut le déplacer par rapport au trou d'homme 30 et par rapport au mécanisme optique 34 en vue d'aligner convenablement le faisceau de radiations émis par ce laser de puissance 46 On peut monter le dispositif 48 sur une plate-forme 50 de générateur disposée près de l'ouverture du trou d'homme 30. Le laser de puissance 46 est relié électriquement par un câble électrique 52 à l'alimentation 54 de laser disposée à quelque distance du générateur 20 de vapeur d'eau et derrière un écran biologique 42. Le laser de puissance 46 peut être un laser capable d'émettre des impulsions de 'radiations dont les durées sont inférieures à 100 microsecondes et, de préférence, inférieures à environ 1 microseconde Le laser de puissance 46 peut également être capable d'émettre des impulsions ayant une longueur d'onde inférieure à environ 12 micromètres et, de préférence, comprises entre environ 0,30 et 1,5 micromètre pour des applications de décontamination types De plus, le laser de puissance 46 peut aussi etre capable d'engendrer des impulsions présentant des densités d'énergie comprises entre 0,5 et 1,5 x 103 joules/cm 2 et, de préférence, d'environ 4,5-23 joules/cm 2 à la surface devant être décontaminée Bien entendu, on peut utiliser avec le laser de puissance 46 des instruments optiques typiques, tels que des lentilles et des miroirs, pour obtenir les densités d'énergie voulues à l'en- droit de la surface Plus spécifiquement, le laser de puissance 46 peut être un laser pulsé YAG au Néodynium, capable d'émettre des impulsions de radiations présentant une longueur d'onde d'environ 1,06 micromètres, une énergie de sortie d'environ 0,3 joules/impulsion, une durée d'impulsion de 30-40 nano- secondes et une densité d'énergie d'environ 8-9 joules/cm 2. Une plaque de protection 56 comportant une ouverture 58 peut être boulonnée sur l'extérieur du trou d'homme 30 pour isoler la chambre 28 vis-à-vis de l'extérieur du générateur 20 de vapeur d'eau en vue de s'opposer à la propagation des radiations éliminées des surfaces de la chambre 28 L'ouverture 58 est prévue pour permettre le passage du faisceau de radiations du laser de puissance 46 en direction du mécanisme optique 34 Un mécanisme d'aspiration 60 peut aussi être fixé à la plaque de protection 56 et s'étendre à travers celle-ci jusque dans la chambre 28 et ce mécanisme peut se prolonger à son autre extrémité jusqu'à un système 62 de filtrage de résidus radioactifs Le mécanisme d'aspiration 60 constitue un moyen grâce auquel la contamination éliminée de la chambre 28 peut être extraite de cette dernière par aspiration et envoyée dans le système 62 de filtrage de résidus radioactifs en vue du rejet de ces résidus. Lorsque l'on procède à une telle opération, on met hors fonction le générateur 20 de vapeur d'eau et on évacue de celui-ci le réfrigérant du réacteur On enlève le couvercle. du trou d'homme 30 et on suspend le mécanisme optique 34 à la plaque tubulaire 26 soit manuellement soit par télécommande. On fixe alors la plaque de protection 56 au trou d'homme 30 et on dispose le laser de puissance 46 près de l'ouverture 58 comme représenté sur le dessin Ensuite, on met sous tension le laser-de puissance 46 à l'aide de l'alimentation 54 de manière qu'un faisceau de radiations soit émis par ce laser et dirigé vers les surfaces réflectrices du mécanisme optique 34 À partir du mécanisme réflecteur 36 du mécanisme optique 34, la radiation émise par le laser de puissance 46 est réfléchie vers la surface choisie de l'intérieur du générateur de vapeur d'eau Le laser de puissance 46 peut être pulsé à l'aide d'une impulsion d'une durée d'environ 30-40 nano- secondes et cela à un niveau d'énergie d'environ 0,3 joules/ impulsion de manière que le faisceau laser heurte la surface à décontaminer avec une densité d'énergie d'environ 7,7-9,2 joules/cm 2 Comme on l'a décrit antérieurement, la radiation laser est telle qu'elle élimine des surfaces de la chambre 28 une couche d'oxyde d'environ 0,0005 mm et réduit de cette façon le champ de radiations associé à cette pellicule d'oxyde sans endommager le métal de base La couche dioxyde éliminée est évacuée de la chambre 28 au moyen du mécanisme d'aspiration 60 Au fur et à mesure que cette opération se déroule, on commande le mécanisme optique 34 de manière à permettre au faisceau laser du laser de puissance 46 de balayer toutes les surfaces de l'intérieur de la chambre 28. De cette manière, on peut décontaminer la totalité de l'inté- rieur de la chambre 28 Bien entendu, il n'est pas indispen- sable que lé laser de puissance 46 soit dirigé vers le mécanisme optique 34 et il peut être dirigé directement sur la surface à décontaminer. L'invention constitue donc un procédé de déconta- mination qui réduit le champ de radiations dans des composants de centrales nucléaires sang endommager ces composants. RSVETE ICATIONS 1 Procédé pour décontaminer des composants nucléaires radioactifs en éliminant de la surface desdits composants une mince couche d'oxyde de métal contanimé par la radioactivité en abaissant ainsi le niveau de radiations associé audit composant, caractérisé par le fait que l'on balaie la surface desdits composants à l'aide d'un faisceau laser présentant, d'une part, une densité d'énergie suffisante pour obtenir une pénétration thermique correspondant à l'épaisseur de ladite couche d'oxyde et, d'autre part, une largeur sensiblement plus grande que l'épaisseur de ladite couche d'oxyde. 2 Procédé suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que l'on aspire et évacue lesdits composants les contaminants libérés de ladite surface. 3 Procédé suivant la revendication 2, caractérisé par le fait que l'on filtre le courant de contaminants aspirés pour recueillir lesdits contaminants en vue de leur élimination. 4 Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1, 2 ou 3, caractérisé par le fait que ledit laser présente à l'endroit de ladite surface une densité d'énergie de 4,6 à 23 joules/cm 2. Procédé suivant la revendication 4, caractérisé par le fait que ledit laser engendre à l'endroit de ladite surface une densité d'énergie d'environ 8,5 joules/cm 2. 6 Procédé suivant la revendication 5, caractérisé par le fait que l'on utilise un laser qui émet des impulsions d'environ 0,3 joules/impulsion avec une durée d'impulsion de -40 nanosecondes et une longueur d'onde d'environ 1,06 micromètre. 7 Procédé suivant la revendication 6, caractérisé par le fait que ledit laser est un laser pulsé YAG au Néodymium. 8 Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que l'on dirige le faisceau laser sur ladite surface et qu'on le déplace le long de celle- ci à l'aide d'un mécanisme réflecteur mobile commandé à distance et disposé près dudit composant.