Brevet FR2674983A1 — publié le 19921009

La présente invention est relative à un pro- cédé et une installation de travail au laser sur une surface contenue dans une zone contaminée d'une installation nucléaire. L'invention s'applique notamment à la décon- tamination par faisceau laser, en milieu aqueux ou gazeux, de surfaces ayant reçu un dépôt de matières radioactives telles que des oxydes de métaux activés, afin de réduire le niveau de radiations et de per- mettre ainsi l'accès ou l'approche du personnel d'intervention Le circuit primaire des centrales nucléairejs à eau pressurisée est concerné par cette invention et plus particulièrement la boîte à eau des générateurs de vapeur et les tuyauteries primaires. La décontamination peut être nécessaire lors d'une vérification ou d'une réparation à effectuer dans la partie contaminée de la centrale, lors du remplacement d'un équipement tel qu'un générateur de vapeur, et également lors du démantèlement de cette centrale. On connait plusieurs procédés de décontamina- tion la projection de particules abrasives pour éliminer par abrasion la pellicule d'oxyde radioacti- ve, ou la dissolution chimique de cette pellicule, qui ont pour inconvénient de produire des quantités importantes d'effluents coûteux à traiter; la décontamination par faisceau laser Dans un procédé connu de ce type, décrit dans le FR-A-2 525 380, un faisceau laser est émis à l'entrée de la boîte à eau et renvoyé sur la paroi intérieure de celle-ci par des miroirs orientables fixés à la plaque tubulaire Ce procédé, de par sa conception même, ne permet pas, même avec des impulsions laser à forte densité d'énergie, de traiter de façon uniforme toutes les surfaces à décontaminer. L'invention a pour but de permettre de tra- vailler de façon efficace au moyen d'un laser dans une zone contaminée. A cet effet, le procédé suivant l'invention est caractérisé en ce qu'on émet hors de la zone contaminée un faisceau laser pulsé, on transporte ce faisceau jusqu'à un emplacement voisin de ladite surface, et, à cet emplacement, on amplifie lè faisceau et on envoie le faisceau amplifié sur ladite surface, éventuellement par l'intermédiaire d'un miroir de renvoi. Suivant d'autres caractéristiques on effectue le transport au moyen d'une fibre optique; on envoie un gaz protecteur ou actif dans la région de travail pendant le travail au laser; on confine la région de travail et, pendant le travail au laser, on aspire le gaz contenu dans la région confinée; on fait passer le faisceau amplifié à travers un orifice d'une électrode parallèle à ladite surface, et on crée un champ électrique entre cette électrode et ladite surface pendant le travail au laser; pour la décontamination de ladite surface, on utilise un faisceau laser qui, après amplifica- tion, possède des impulsions ayant une énergie de 0,3 à 2 joules, ou plus, une durée de 10 à 30 ns, et une densité d'énergie de 1 à 4-,5 J/cm 2. 3- L'invention a également pour objet un équipe- ment destiné à la mise en oeuvre d'un tel procédé. Cet équipement est caractérisé en ce qu'il comprend: un générateur de faisceau laser pulsé dis- posé en dehors de la zone contaminée; un amplificateur de faisceau laser; des moyens de transport du faisceau laser pulsé jusqu'à l'entrée de cet amplificateur; et des moyens pour déplacer l'amplificateur en regard de ladite surface et au voisinage de celle-ci, Suivant d'autres caractéristiques le générateur est du type Nd-YAG ou excimêt re, éventuellement muni d'un miroir gaussien de renvoi, et lesdits moyens de transport comprennent une fibre optique; la fibre optique a une longueur d'au moins m environ; l'équipement comprend un miroir de renvoi monté en sortie de l'amplificateur et éventuellement mobile par rapport à celui-ci. Des exemples de mise en oeuvre de l'invention vont maintenant être décrits en regard -des dessins annexés sur lesquels: la Figure 1 représente schématiquement un équipement de décontamination au laser conforme à l'invention; la Figure 2 représente à plus grande échelle un détail de cet équipement; la Figure 3 est une vue analogue à la Figure 2 d'une variante; et la Figure 4 est une vue partielle d'une autre variante. On a représenté à la Figure 1, en coupe axiale, l'un 1 des deux compartiments de la boîte à eau 2 d'un générateur de vapeur de réacteur nucléaire à eau pressurisée Ce compartiment 1 est délimité vers le haut par la plaque tubulaire 3, d'un côté par la cloison verticale médiane 4 de la boîte à eau, et de l'autre côté et vers le bas par le fond hémisphé- rique 5 de la boîte à eau, lequel est traversé par un trou d'homme 6. On a également représenté sur la Figure 1 un équipement 7 adapté pour permettre la décontamination, par faisceau laser des surfaces qui délimitent le compartiment 1 Cet équipement comprend un appareil- lage externe 8 disposé à l'extérieur de la boîte à eau, dans un local approprié protégé des radiations, et un appareillage interne 9 disposé à l'intérieur du compartiment 1 et pouvant être introduit dans celui-ci à travers le trou d'homme. L'appareillage 8 comprend un pupitre de commande 10, un générateur d'énergie électrique et de fluides 11, un générateur de faisceau laser pulsé 12, constitué par un oscillateur éventuellement suivi d'un préamplificateur, et une pompe aspirante 13 à l'entrée de laquelle est prévu un filtre 14. L'appareillage 9 comprend un amplificateur de faisceau laser 15 et une enceinte de confinement 16 portés par un support 17 L'entrée de l'amplifica- teur 15 est reliée à la sortie du générateur 12 par une fibre optique 18 de type multimode ayant une longueur d'au moins 15 m environ L'enceinte 16 est reliée d'une part, via une conduite 19, à une source de gaz protecteur (neutre ou réducteur) ou actif contenue dans le générateur 11, et d'autre part, via -une conduite 20, au filtre 14 et à la pompe 13 Le support 17 constitue l'extrémité d'un robot articulé, schématisé en 21, télécommandé depuis le pupitre 10 et permettant de disposer l'appareillage 9 en regard de n'importe quelle région des surfaces 3, 4, 5 à décontaminer et au voisinage de celle-ci. L'appareillage 9 est représenté plus en dé- tail sur la Figure 2 Comme on le voit sur cette figure, l'amplificateur 15 est logé dans un boîtier 22 fixé au support 17 et pourvu de conduites 23 d'alimentation électrique et 24 d'arrivée et -2 d'évacuation d'eau de refroidissement Les conduite F 23 à 25 sont reliées via une ligne 26 (Figure 1) au générateur 11 Une face d'entrée du boîtier 12 est percée d'un orifice dans lequel est fixée l'extrémité distale de la fibre optique 18, et une optique d'en- trée 27 permet d'introduire à l'entrée de l'amplifi- cateur 15 un faisceau parallèle de diamètre égal à celui du barreau de l'amplificateur Ce faisceau ressort amplifié à l'autre extrémité de l'amplifica- teur 15, et son diamètre est réduit par une optique de sortie 28, puis sort du boîtier 22 sous forme d'un faisceau pulsé parallèle à travers un orifice de sortie-29. A son extrémité distale, le support 17 porte un cadre 30 dans lequel plusieurs colonnettes 31 parallèles à l'axe X-X de l'amplificateur 15, solli- citées par des ressorts 32 dans le sens opposé à cet amplificateur, sont montées coulissantes L'enceinte 16, qui a une forme de coupelle, présente un fond 33 perpendiculaire à l'axe X-X qui est fixé à l'extré- mité distale des colonnettes 31, et une paroi laté- rale 34 dont le bord libre est muni de roulettes 35. -Le fond 33 comporte un orifice 36 d'axe X-X dont le diamètre est légèrement supérieur à celui du faisceau amplifié 37. Le générateur laser 12 est d'un type permet- tant le transport du faisceau par fibre optique Il peut être en particulier du type Nd-YAG (longueur d'onde 1,06 um) ou du type excimère (longueur d'onde 0,3 um) Il émet des impulsions ayant une durée de 10 à 30 ns Ce générateur 12 et l'amplificateur 15 sont réglés pour fournir un faisceau amplifié 37 dont les impulsions ont une énergie de 0,3 à 2 joules ou plus et une densité d'énergie (ou fluence) de 1 à 4, b J/Cm 2. En fonctionnement, les roulettes 35 sont appliquées, avec une force déterminée par les res- sorts 32, sur la surface à décontaminer, qui est la cloison 4 dans l'exemple représenté Un gaz protec- teur ou actif balaye l'enceinte 16, et le faisceau pulsé émis par le générateur 12, transporté par la fibre optique 18 et amplifié en 15 est envoyé direc- tement, sous la forme du faisceau parallèle 37, sur la surface à traiter, perpendiculairement à celle-ci. On balaie toutes les surfaces à décontaminer de cette manière en déplaçant le support 17 au moyen du robot 21. La densité d'énergie précitée est choisie de manière à permettre une pénétration thermique corres- pondant à l'épaisseur, ou à une partie de l'épais- seur de la couche d'oxyde radioactive à éliminer, chaque impulsion créant une onde de choc sur cette couche L'utilisation d'un gaz neutre ou réducteur de balayage réduit l'oxydation de la surface décapée, tandis que l'utilisation d'un gaz actif, notamment 7- -d'oxygène, permet d'augmenter l'épaisseur de la couche d'oxyde intéressée par les impulsions laser. Le choix du gaz de balayage sera donc établi en fonction des conditions particulières de chaque application. L'utilisation d'une fibre optique multimode pour le transport du faisceau laser non amplifié, procure un avantage considérable lié à la répartition d'énergie dans le faisceau en sortie de ladite fibre, et donc au niveau de la tache d'impact du faisceau sur la paroi En effet, dans ce cas, la répartition d'énergie est sensiblement constante sur toute là surface de la tache; elle est en forme de créneau au lieu d'avoir une répartition comportant un pic cen- tral comme c'est le cas avec une transmission du faisceau par voie aérienne Il faut cependant que la fibre soit suffisamment longue pour que l'homogénéi- sation de l'énergie soit correcte, par exemple au moins 15 m environ Avec une fibre optique plus courte, il conviendrait dans certains cas d'utiliser dans le générateur 12 un miroir dit "gaussien", connu en soi, fournissant une répartition homogène, en créneau, de l'énergie. Comme on le comprend, une répartition en créneau de l'énergie permet de travailler sans perte d'efficacité avec des puissances laser réduites, ce qui est avantageux. L'utilisation d'un amplificateur 15 à proxi- mité de la surface à décontaminer présente de nom- breux avantages: le générateur laser 12 est disposé en de- hors de la zone contaminée; le faisceau laser peut être transporté par fibre optique jusqu'au voisinage de la surface à traiter, avec les avantages précités, ce qui ne serait pas le cas si toute l'énergie du faisceau 37 était fournie par le générateur 12, à cause des possibilités limitées de transport de puissance laser des fibres optiques; le faisceau 37 étant un faisceau parallèle qui arrive perpendiculairement sur la surface à traiter, la distance entre cette surface et l'orifice de sortie de faisceau 29 de l'amplificateur n'est pas critique, et il n'est pas nécessaire de la maintenir constante- L'appareillage 9 A représenté sur la Figure 3 diffère de celui de la Figure 2 par le fait que le support 17 est agencé de façon que l'axe X-X de l'am- plificateur 15 soit parallèle à la surface à traiter. Les colonnettes 31 sont perpendiculaires à cet axe X-X, et un miroir de renvoi 38 incliné à 45 est fixé en regard de l'orifice 36 de l'enceinte 16 Le fonc- tionnement de cette variante est le même que celui décrit plus haut Cette variante s'applique notamment au travail au laser dans des espaces réduits, par exemple pour décontaminer la paroi des tuyauteries primaires. La variante de la Figure 3 peut être modifiée comme suit: l'ensemble enceinte 16-colonnettes 31- miroir 38 est relié au support 17 par l'intermédiaire d'un autre support monté mobile sur ce dernier, en translation et/ou en rotation autour de l'axe de l'amplificateur 15 On peut ainsi, pour chaque posi- tion de l'amplificateur, balayer efficacement une région relativement étendue à traiter, quelle que soit la forme de cette région. La Figure 4 illustre des moyens autres que des moyens d'aspiration pour capturer les particules d'oxyde détachées de la surface par l'impact du faisceau laser Il s'agit dans ce cas d'une électrode 39 maintenue parallèle à la surface à traiter par des entretoises non représentées et percée d'un orifice permettant le passage du faisceau laser 37 Cette électrode est portée, grâce à une alimentation élec- trique 41, à un potentiel élevé par rapport à la surface traitée, de sorte que les particules d'oxyde détachées, ionisées par le faisceau laser, sont attirées sur l'électrode 39. REVENDICATIONS 1 Procédé de travail au laser sur une sur- face ( 3, 4, 5) contenue dans une zone contaminée ( 2) d'une installation nucléaire, caractérisé en ce qu'on émet hors de la zone contaminée (en 12) un faisceau laser pulsé, on transporte ce faisceau jusqu'à un emplacement voisin de ladite surface, et, à cet emplacement, on amplifie (en 15) le faisceau et on envoie le faisceau amplifié sur ladite surface, éventuellement par l'intermédiaire d'un miroir de renvoi. 2 Procédé suivant la revendication 1, car ractérisé en ce qu'on effectue le transport au moyen d'une fibre optique ( 18). 3 Procédé suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on envoie un gaz protecteur ou actif dans la région de travail pendant le travail au laser. 4 Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'on confine la région de travail et, pendant le travail au laser, on aspire le gaz contenu dans la région confinée. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'on fait passer le faisceau amplifié ( 37) à travers un orifice ( 40) d'une électrode ( 39) parallèle à ladite surface, et on crée un champ électrique entre cette électrode et ladite surface pendant le travail au laser. 6 Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, pour la décontamination de ladite surface ( 3 à 5), caractérisé en ce qu'on utilise un faisceau laser qui, après amplification, -possède des impulsions ayant une énergie de 0,3 à 2 joules, ou plus, une durée de 10 à 30 ns, et une densité d'énergie de 1 à 4,5 J/cm 2. 7 Equipement de travail au laser sur une surface ( 3, 4, 5) contenue dans une zone contaminée ( 2) d'une installation nucléaire, caractérisé en ce qu'il comprend: un générateur de faisceau laser pulsé ( 12) disposé en dehors de la zone contaminée ( 2); un amplificateur de faisceau laser ( 15); des moyens ( 18) de transport du faisceau laser pulsé jusqu'à l'entrée de cet amplificateur; eit des moyens ( 21) pour déplacer l'amplifica- teur ( 15) en regard de ladite surface et au voisinage de celle-ci. 8 Equipement suivant la revendication 7, caractérisé en ce que le générateur ( 12) est du type Nd-YAG ou excimère, éventuellement muni d'un miroir gaussien de renvoi, et en ce que lesdits moyens de transport ( 18) comprennent une fibre optique. 9 Equipement suivant la revendication 8, caractérisé en ce que la fibre optique ( 18) a une longueur d'au moins 15 m environ. Equipement suivant l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce qu'il com- prend un miroir de renvoi ( 38) monté en sortie de l'amplificateur ( 15) et éventuellement mobile par rapport à celui-ci. 11 Equipement suivant l'une quelconque des revendications 7 à 10, caractérisé en ce qu'il com- prend une enceinte de confinement ( 16) mobile soli- dairement avec l'amplificateur ( 15) ou avec le miroir ( 38) et munie de moyens d'aspiration ( 13, 14, 20) et -éventuellement de moyens ( 19) d'introduction d'un gaz protecteur ou actif. 12 Equipement suivant l'une quelconque des revendications 7 à 11, caractérisé en ce qu'il com- prend une électrode ( 39) parallèle à ladite surface, percée d'un orifice ( 40) de passage du faisceau laser amplifié et mobile solidairement avec l'amplificateur ( 15), et des moyens ( 41) pour créer un champ électri- que entre cette électrode et ladite surface.