Brevet FR2678418A1 — publié le 19921231

i La présente invention est relative à un procédé et un équipement de travail au laser sur une surface contenue dans une zone contaminée d'une ins- tallation nucléaire. L'invention s'applique notamment à la décontamination 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 permet- tre ainsi l'accès ou l'approche du personnel d'inter- vention. Le circuit primaire des centrales nucléai- res à eau pressurisée est concerné par cette invention et plus particulièrement la boîte à eau des généra- teurs de vapeur et les tuyauteries primaires. La décontamination peut être nécessaire lors d'une vérification ou d'une réparation à effec- tuer 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 décontami- nation: la projection de particules abrasives pour éliminer par abrasion la pellicule d'oxyde ra- dioactive, ou la dissolution chimique de cette pelli- cule, qui ont pour inconvénient de produire des quan- tités importantes d'effluents coûteux à traiter; la décontamination par faisceau laser. Dans un procédé connu de ce type, décrit dans le EP-A- 91 646, 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 De plus, l'élimination des résidus radioactifs, effectuée par aspiration de l'air contenu dans la boîte à eau, est peu efficace. 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 génère la puissance de travail, sous forme d'énergie laser pulsée, hors de la zone contaminée; on transporte cette énergie au moyen d'au moins une fibre optique jusqu'à un emplacement voisin de ladite surface; à cet emplacement, on traite ladite énergie de façon à produire au moins un fais- ceau laser résultant; on envoie ce faisceau sur ladite surface, éventuellement par l'intermédiaire d'au moins un miroir de renvoi; on confine la région de travail; et, pendant le travail au laser, on aspire le gaz contenu dans la région confinée. Suivant d'autres caractéristiques on envoie un gaz protecteur ou actif dans la région de travail pendant le travail au laser; on génère ladite puissance sous forme d'au moins deux faisceaux laser, et ledit traitement comprend éventuellement une combinaison de ces fais- ceaux; pour la décontamination de ladite surfa- ce, ledit faisceau laser résultant possède des impul- sions ayant une énergie de 0,3 à 2 joules, ou plus, et une densité d'énergie de 1 à 4,5 J/cm 2; lesdites impulsions ont une durée de 10 à ns. L'invention a également pour objet un équipement destiné à la mise en oeuvre d'un tel procé- dé Cet équipement est caractérisé en ce qu'il com- prend: au moins un générateur d'énergie laser pulsée disposé en dehors de la zone contaminée; un dispositif de traitement de cette énergie laser, produisant au moins un faisceau laser résultant dirigé vers ladite surface, éventuellement par l'intermédiaire d'au moins un miroir de renvoi; au moins une fibre optique de transport de l'énergie laser pulsée jusqu'à l'entrée de ce dis- positif de traitement; des moyens pour déplacer le dispositif de traitement en regard de ladite surface et au voisinage de celle-ci; et une enceinte de confinement mobile soli- dairement avec le dispositif de combinaison ou avec le miroir et munie de moyens d'aspiration. Suivant d'autres caractéristiques l'équipement comprend des moyens d'intro- duction d'un gaz protecteur ou actif dans l'enceinte de confinement; l'équipement comprend deux générateurs d'énergie laser pulsée, une fibre optique associée à chaque générateur, et éventuellement un dispositif de synchronisation des générateurs, auquel cas le dispo- sitif de traitement comprend un dispositif de combi- naison de faisceaux laser; le ou chaque générateur est du type Nd- YAG ou excimère; le ou chaque générateur comprend au moins un amplificateurs de sortie; la ou chaque fibre optique a une longueur d'au moins 10 m environ; le miroir de renvoi monté en aval du dispositif de traitement est mobile par rapport à celui-ci; le dispositif de traitement est porté par un support centreur mobile axialement dans la canalisation, et le miroir de renvoi est fixé dans l'enceinte de confinement, laquelle est montée rota- tive sur ce support, ce dernier portant des moyens d'entraînement en rotation de l'enceinte. Des exemples de mise en oeuvre de l'inven- tion vont maintenant être décrits en regard des des- sins 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 les Figures 4 et 5 sont des vues analo- gues à la Figure 2 illustrant la décontaminationr, conformément à l'invention, d'une conduite d'eau pri- maire. 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 hémisphérique 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 décontamina- tion 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, deux générateurs de faisceau laser pulsé 12 A, 12 B identiques, et une pompe aspirante 13 à l'en- trée de laquelle est prévu un filtre 14. L'appareillage 9 comprend un dispositif ou boîtier 15 de combinaison de faisceaux laser et une enceinte de confinement 16, portés par un support 17- Le boîtier 15 comporte deux entrées respectivement reliées à la sortie des générateurs 12 A et 12 B par une fibre optique 18 A, 18 B 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 con- tenue dans le générateur 11, et d'autre part, via une conduite 20, au filtre 14 et à la pompe 13 Le sup- port 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 figu- re, le boîtier 15 est fixé au support 17 et pourvu d'une alimentation électrique 23 reliée via une ligne 26 (Figure 1) au générateur 11 Une face d'entrée du boîtier 15 est percée de deux orifices dans lesquels sont respectivement fixées l'extrémité distale des fibres optiques 18 A, 18 B, et, après leur combinaison dans ce boîtier, les deux faisceaux entrants forment un faisceau laser pulsé parallèle unique qui en res- sort 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 du boîtier 15, sollicitées par des ressorts 32 dans le sens opposé à ce boîtier, 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'extrémité distale des co- lonnettes 31, et une paroi latérale 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 combiné 37. Chaque générateur laser 12 A et 12 B est d'un type permettant le transport du faisceau par fibre optique Il peut être en particulier du type Nd-YAG (longueur d'onde 1,06)lm) ou du type excimère (lon- gueur d'onde 0,3 pm) Il comprend à sa sortie deux amplificateurs 38, 39 en série (ou, en variante, un seul amplificateur) et émet des impulsions ayant une durée de 10 à 30 ns Un dispositif ou boîtier de sync- hronisation 40 est associé aux deux générateurs 12 A, 12 B, et l'ensemble est réglé pour fournir à la sortie du boîtier de combinaison 15 un faisceau combiné 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 4,5 J/cm 2. En fonctionnement, les roulettes 35 sont appliquées, avec une force déterminée par les ressorts 32, sur la surface à décontaminer, qui est la cloison 4 dans l'exemple représenté Un gaz protecteur ou actif balaye l'enceinte 16, et les faisceaux pulsés émis par les générateurs 12 A et 12 B, transportés par les fibres optiques 18 A,18 B et combinés en 15, sont envoyés directement, sous la forme du faisceau paral- T lèle unique 37, sur la surface à traiter, perpendicu- lairement 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 cor- respondant 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 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 de chaque faisceau laser 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 la surface de la tache; elle est en forme de créneau au lieu d'avoir une répartition comportant un pic central comme c'est le cas avec une transmission du faisceau par voie aérienne Il faut cependant que les fibres soient suffisamment longues pour que l'homogénéisation de l'énergie soit correcte, par exemple de l'ordre de 10 m Avec des fibres optiques plus courtes, il convien- drait dans certains cas d'utiliser dans les généra- teurs 12 A et 12 B des artifices connus en soi fournis- sant une répartition homogène, en créneau, de l'éner- gie. 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 boîtier de combinaison 15 à proximité de la surface à décontaminer présente de nombreux avantages les générateurs laser 12 A, 12 B sont dis- posés en dehors de la zone contaminée; les faisceaux laser peuvent être trans- portés 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 un unique générateur laser, à cause des possibilités limitées de transport de puissance laser des fibres optiques; le faisceau 37 étant un faisceau paral- lèle qui arrive perpendiculairement sur la surface à traiter, la distance entre cette surface et l'orifice de sortie de faisceau 29 du boîtier 15 n'est pas cri- tique, 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 du boî- tier de combinaison 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 fonctionnement de cette variante est le même que celui décrit plus haut Cette variante s'applique notamment au travail au laser dans des espaces ré- duits. La variante de la Figure 3 peut être modi- fiée comme suit: l'ensemble enceinte 16-colonnettes 31 miroir 38 est relié au support 17 par l'intermé- diaire d'un autre support monté mobile sur ce dernier, en translation et/ou en rotation autour de l'axe du boîtier 15 On peut ainsi, pour chaque position de ce boîtier, balayer efficacement une région relativement étendue à traiter, quelle que soit la forme de cette région. Les Figures 4 et 5 représentent une telle modification, appliquée à la décontamination de la paroi d'une conduite primaire, supposée rectiligne dans le cas de la Figure 4 et incurvée dans celui de la Figure 5. Le boîtier 15 est fixé par des entretoises 42 dans le conduit d'aspiration 20, de même qu'un moteur 43 Le conduit 20 est porté par un chariot 44 de centrage et de guidage dans la conduite 45 à décon- taminer L'enceinte 16 constitue l'extrémité distale d'un tube en L 46 dont l'autre extrémité, directement reliée à cette enceinte par une dérivation 20 A, est montée co-axialement à rotation dans l'extrémité dis- tale du conduit 20 et reçoit le boîtier 15 Le miroir de renvoi 38 est fixé dans le coude du tube 46 L'ex- trémité proximale de ce tube porte extérieurement une couronne dentée 47 qui engrène avec un pignon de sor- tie 48 du moteur 43 Des moyens appropriés d'avance du chariot 44, éventuellement entraînés par le même mo- teur 43, sont généralement prévus. On voit en outre sur la Figure 5 un embout 49 de guidage et d'avancement motorisé du conduit 20, monté provisoirement à l'extrémité de la conduite 45. Dans un autre mode de réalisation de l'in- vention, les deux générateurs 12 A, 12 B peuvent être remplacés par un générateur laser unique; si la puis- sance qu'il émet peut être transportée par une fibre optique unique, le boîtier 15 est un simple dispositif de traitement optique du faisceau laser Dans le cas contraire, on divise le faisceau sortant du générateur en deux faisceaux partiels, on transporte chacun de ceux- ci par une fibre optique, et on les recombine dans le boîtier 15. Dans tous les cas, il est possible de créer plusieurs faisceaux 37 parallèles, pénétrant dans l'enceinte 16 par plusieurs orifices 36 On traite alors à chaque instant une plus grande surface. REVENDICATIONS 1 Procédé de travail au laser sur une surface ( 3, 4, 5) contenue dans une zone contaminée ( 2) d'une installation nucléaire, caractérisé en ce qu'on génère la puissance de travail, sous forme d'é- nergie laser pulsée, hors de la zone contaminée (en 12 A, 12 B); on transporte cette énergie au moyen d'au moins une fibre optique ( 18 A, 18 B) jusqu'à un emplace- ment voisin de ladite surface; à cet emplacement, on traite (en 15) ladite énergie de façon à produire au moins un faisceau laser résultant ( 37); on envoie ce faisceau sur ladite surface, éventuellement par l'in- termédiaire d'au moins un miroir de renvoi; on confine la région de travail; et, pendant le travail au laser, on aspire le gaz contenu dans la région confinée ( 16). 2 Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'on envoie un gaz protecteur ou actif dans la région de travail pendant le travail au laser. 3 Procédé suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on génère ladite puissance sous forme d'au moins deux faisceaux laser (en 12 A, 12 B), et en ce que ledit traitement (en 15) comprend éventuellement une combinaison de ces faisceaux. 4 Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, pour la décontamination de la- dite surface ( 3 à 5), caractérisé en ce que ledit faisceau laser résultant ( 37) possède des impulsions ayant une énergie de 0,3 à 2 joules, ou plus, et une densité d'énergie de 1 à 4,5 J/cm 2. Procédé suivant la revendication 4, caractérisé en ce que lesdites impulsions ont une durée de 10 à 30 ns. 6 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: au moins un générateur d'énergie laser pulsée ( 12 A, 12 B) disposé en dehors de la zone conta- minée ( 2); un dispositif ( 15) de traitement de cette énergie laser, produisant au moins un faisceau laser résultant ( 37) dirigé vers ladite surface, éventuelle- ment par l'intermédiaire d'au moins un miroir de ren- voi; au moins une fibre optique ( 18 A, 18 B) de transport de l'énergie laser pulsée jusqu'à l'entrée de ce dispositif de traitement ( 15); des moyens ( 21) pour déplacer le disposi- tif de traitement ( 15) en regard de ladite surface et au voisinage de celle-ci; et une enceinte de confinement ( 16) mobile solidairement avec le dispositif de combinaison ( 15) ou avec le miroir ( 38) et munie de moyens d'aspiration ( 13, 14, 20). 7 Equipement suivant la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens ( 19) d'introduction d'un gaz protecteur ou actif dans l'en- ceinte de confinement ( 16). 8 Equipement suivant la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce qu'il comprend deux généra- teurs d'énergie laser pulsée ( 12 A, 12 B), une fibre optique ( 18 A, 18 B) associée à chaque générateur, et éventuellement un dispositif ( 40) de synchronisation des générateurs, auquel cas le dispositif de traite- ment ( 15) comprend un dispositif de combinaison de faisceaux laser. 9 Equipement suivant l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que le ou chaque générateur ( 12 A, 12 B) est du type Nd-YAG ou excimère. Equipement suivant l'une quelconque des revendications 6 à 9, caractérisé en ce que le ou chaque générateur ( 12 A, 12 B) comprend au moins un amplificateur de sortie ( 38, 39). 11 Equipement suivant l'une quelconque des revendications 6 à 10, caractérisé en ce que la ou chaque fibre optique ( 18 A, 18 B) a une longueur d'au moins 10 m environ. 12 Equipement suivant l'une quelconque des revendications 6 à 11, caractérisé en ce que le miroir de renvoi ( 38) monté en aval du dispositif de traitement ( 15) est mobile par rapport à celui-ci. 13 Equipement suivant la revendication 12, pour le traitement au laser d 'une canalisation, caractérisé en ce que le dispositif de traitement ( 15) est porté par un support centreur ( 44) mobile axiale- ment dans la canalisation ( 45), et en ce que le miroir de renvoi ( 38) est fixé dans l'enceinte de confinement ( 16), laquelle est montée rotative sur ce support, ce dernier portant des moyens ( 43) d'entraînement en rotation de l'enceinte.