Brevet FR2744936A1 — publié le 19970822

PROCÉDÉ DE DÉCONTAMINATION À LASER La présente invention se rapporte à un procédé pour éliminer une couche de surface contaminée en la fondant ou la vaporisant à l'aide d'un faisceau laser appliqué à un élément contaminé (un objet à décontaminer). Bien que le domaine d'application des techniques concemant ce procédé ne soit pas précisément limité, il est efficace, par exemple, pour éliminer un contaminant radioactif d'une surface d'un élément placé dans un milieu soumis à des radiations comme dans un réacteur nucléaire, et en nettoyant ainsi (en décontaminant) I'élément contaminé. Dans différentes sortes d'installations nucléaires, il y a des équipements, des machines et des outillages exposés au rayonnement et revêtus sur leurs surfaces extérieures d'une mince couche d'un contaminant radioactif. La présence de cette couche de contaminant radioactif impose des limitations aux ouvriers qui font des vérifications et qui effectuent le travail de maintenance et de réparation de ces équipements, machines et outillages, en fonction de différents éléments incluant la durée d'opération. Pour que de telles opérations puissent s'effectuer de manière sûre, on a développé un procédé d'élimination d'un contaminant radioactif des surfaces des équipements, machines et outillages. Un exemple d'un tel procédé est un procédé de décontamination à laser dans lequel on élimine une couche de surface contaminée en la fondant ou la vaporisant à l'aide d'un faisceau laser qui lui est appliqué. La figure 6 représente un exemple d'un procédé de décontamination à laser de l'art antérieur. Une lentille condenseur 12 est incorporée dans une buse d'alimentation en gaz 10, et un gaz est délivré à une matière contaminée 14 tandis que la buse d'alimentation en gaz 10 se déplace le long d'une surface de la matière contaminée 14, et par rapport à celle, un faisceau laser lui étant appliqué. La buse d'alimentation en gaz 10 est formée d'un élément cylindrique graduellement rétréci en direction de sa partie d'extrémité libre (la partie inférieure à la figure 6), et le plan 16 d'une surface d'extrémité d'une ouverture à l'extrémité libre de la buse fait face à l'élément contaminé 14 parallèlement à celui-ci. L'axe (axe vertical) 10a de la buse d'alimentation en gaz 10 correspond à l'axe optique 18a d'un faisceau laser 18. Une paroi latérale de cette buse d'alimentation en gaz 10 est pourvue d'orifices d'introduction de gaz 20, 21, par lesquels on délivre un gaz à l'intérieur de la buse d'alimentation en gaz 10. Une flèche S indique le sens de déplacement de la buse d'alimentation en gaz 10 (le sens de balayage de faisceau laser) par rapport à l'élément contaminé 14. Lorsque l'on applique, à la matière contaminée 14, le faisceau laser 18 condensé par la lentille condenseur 12, la portion d'une couche de surface contaminée de l'élément contaminé 14 à laquelle est appliqué le faisceau laser, s'échauffe rapidement, et la fusion ou la vaporisation, ou les deux, de la couche de surface se produit. Lorsque la matière fondue ou la matière vaporisée est dispersée ou déplacée, la couche de surface contaminée est éliminée, c'est-à-dire que la portion 14a à laquelle est appliqué le faisceau laser de la matière contaminée 14 est décontaminée. Pendant cette opération de décontamination, le gaz délivré depuis le plan de l'ouverture 16 de la buse 10 agit pour commander spatialement la matière fondue ou la matière vaporisée (agit pour déplacer la matière fondue ou la matière vaporisée de la portion 14a à laquelle est appliqué le faisceau laser vers l'extérieur, par l'énergie cinétique des molécules de gaz ou par la pression dynamique du gaz), et pour empêcher une réaction d'oxydation de se produire dans la portion 14a à laquelle est appliqué le faisceau laser. Le faisceau laser 18 sur la surface de l'élément contaminé a la forme d'un point lorsque la lentille condenseur 12 est constituée d'une lentille sphérique et il devient rectiligne lorsque la lentille condenseur 12 est constituée d'une lentille cylindrique. Par conséquent, lorsque l'élément contaminé 14 est balayé par le faisceau laser 18 ou lorsque l'élément contaminé 14 se déplace, on peut obtenir, respectivement, une surface décontaminée plane ou rectiligne. Puisque, d'une manière générale, on exige une grande vitesse de traitement de zone de décontamination on utilise, dans bien des cas, une lentille cylindrique pour la lentille condenseur 12. Lorsque l'on applique le faisceau laser 18 à la surface de l'élément contaminé 14 par un procédé comme celui décrit cidessus, une couche en fusion sur la surface de l'élément contaminé 14 est poussée vers l'extérieur en direction de la circonférence de la portion à laquelle est appliqué le faisceau laser, en raison de l'influence d'une force de réaction de vaporisation, et les substances fondues et les substances vaporisées dispersées, se déposent de nouveau sur la surface de l'élément contaminé 14. Par conséquent, le profil de la surface de la portion à laquelle est appliqué le faisceau laser devient, dans bien des cas, comme le montre la figure 7A. A savoir, il se produit une protubérance 22 autour de la portion à laquelle est appliqué le faisceau laser. Lorsque l'élément contaminé 14, dans cet état, est balayé à l'aide du faisceau laser, ou se déplace, comme décrit précédemment, ce phénomène se produit de façon répétée, de sorte que le profil de la surface de la portion à laquelle est appliqué le faisceau laser devient comme le montre la figure 7B. A savoir, le degré d'irrégularité de la surface de la portion à laquelle est appliqué le faisceau laser devient élevé, et on ne peut pas obtenir une profondeur de décontamination efficace. Puisque les substances fondues et les substances vaporisées sont contaminées, la surface à laquelle est appliqué le faisceau laser, influencée par la recoagulation et la resédimentation de cette substance n'est pas suffisamment décontaminée. C'est un objectif de la présente invention que de proposer un procédé de décontamination à laser capable d'obtenir une surface décontaminée lisse d'une grande propreté, exempte de l'influence de la recoagulation et de la resédimentation des substances contaminées, en éliminant les inconvénients décrits ciaessus rencontrés dans la technique de l'art antérieur, et en maitrisant de manière spatiale l'apparition de protubérances autour de la portion d'une matière contaminée à laquelle est appliqué le faisceau laser. La présente invention porte sur un procédé de décontamination à laser comprenant les étapes : d'incorporation d'une lentille condenseur dans une buse d'alimentation en gaz; de délivrance d'un gaz en direction d'un élément contaminé tout en déplaçant la buse d'alimentation en gaz par rapport à une surface de l'élément contaminé et le long de celle en lui appliquant un faisceau laser qui est condensé par la lentille condenseur, et en fondant ou vaporisant, ainsi, en continu une couche de surface contaminée de façon à l'éliminer, en nettoyant de cette façon l'élément contaminé. La caractéristique de la présente invention réside en ce que le gaz est délivré de façon asymétrique par rapport à l'axe du faisceau laser. Concrètement parlant, la présente invention utilise une structure dans laquelle la buse d'alimentation en gaz, formée de façon telle que l'axe du faisceau laser corresponde à celui de la buse, le plan d'une ouverture de la buse étant incliné par rapport à l'axe du faisceau laser, est disposée de façon telle que l'axe de la buse corresponde à la direction d'une ligne perpendiculaire à l'élément contaminé, le plan de l'ouverture de la buse étant incliné vers le haut par rapport à la surface de l'élément contaminé, dans le sens de déplacement de la buse, le gaz étant délivré dans une direction diagonale par rapport à l'axe du faisceau laser. La présente invention comprend aussi une structure dans laquelle la buse d'alimentation en gaz, avec l'axe du faisceau laser qui est parallèle à, et décalé de, celui de la buse, est disposée de sorte que l'axe de l'écoulement gazeux soit derrière l'axe du faisceau laser par rapport au sens de déplacement de la buse. Lorsque la buse d'alimentation en gaz est disposée de façon telle que le plan de son ouverture soit incliné vers le haut par rapport à la surface de l'élément contaminé, dans le sens de déplacement de la buse, le gaz n'est pas délivré de manière symétrique par rapport à l'axe de la buse. A savoir, la répartition du vecteur vitesse du gaz délivré comprend une grande quantité de composantes dans le sens correspondant au sens de balayage du faisceau laser. Par conséquent, les substances fondues et les substances vaporisées dispersées reçoivent une force dans le sens correspondant au sens de balayage du faisceau laser, de sorte que la protubérance dans le profil de la surface de la portion à laquelle est appliqué le faisceau laser se produit toujours seulement du côté avant dans le sens de balayage. Par conséquent, on obtient une surface décontaminée lisse d'une grande profondeur de décontamination, qui n'est pas influencée par la recoagulation et la resédimentation des contaminants fondus et vaporisés. Lorsque la buse d'alimentation en gaz est disposée de façon telle que l'axe de l'écoulement gazeux soit derrière l'axe du faisceau laser, qui est décalé de l'axe de la buse, par rapport au sens de déplacement de la buse, les substances fondues et les substances vaporisées dispersées apparaissant en raison de l'application du faisceau laser reçoivent aussi une force dans le sens correspondant au sens de balayage du faisceau laser, de sorte que l'on obtient le même effet. Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs de la description qui va suivre à titre d'exemple en se référant aux dessins annexés, dans lesquels: la figure 1 est un dessin explicatif montrant un mode de réalisation du procédé de décontamination à laser selon la présente invention; la figure 2 est un dessin explicatif d'une portion à laquelle est appliqué le faisceau laser dans ce procédé; la figure 3 est un dessin explicatif montrant un autre mode de réalisation de la présente invention; la figure 4 est un dessin explicatif montrant encore un autre mode de réalisation de la présente invention; la figure 5 est un dessin explicatif montrant un autre mode de réalisation de la présente invention; la figure 6 est un dessin explicatif montrant un exemple de procédés de l'art antérieur; et la figure 7 est un dessin explicatif d'une portion à laquelle est appliqué le faisceau laser dans le procédé de l'art antérieur. La figure 1 est une vue explicative montrant un mode de réalisation du procédé de décontamination à laser selon la présente invention. Ce procédé est fondamentalement similaire à un procédé basé sur la technique de l'art antérieur qui comprend les étapes d'incorporation d'une lentille condenseur 32 dans une buse d'alimentation en gaz 30 ; de délivrance d'un gaz en direction d'un élément contaminé 14 tout en déplaçant la buse d'alimentation en gaz 30 par rapport à une surface de l'élément contaminé 14 et le long de celle-ci, dans la direction d'une flèche S, en lui appliquant un faisceau laser qui est condensé par la lentille condenseur, et en fondant ou vaporisant, ainsi, en continu une couche de surface contaminée de façon à l'éliminer, en nettoyant de cette façon l'élément contamine. Dans la buse d'alimentation en gaz 30, il est prévu une partie tronconique inversée sur une partie d'extrémité (la partie d'extrémité inférieure à la figure 1) d'une portion sensiblement cylindrique, et une partie d'extrémité libre de la portion tronconique inversée est usinée en diagonale pour obtenir un plan 36 d'une ouverture de la buse. Bien que l'axe 38a d'un faisceau laser 38 corresponde à l'axe 30a de la buse, le plan 36 de l'ouverture de la buse est incliné (n'est pas perpendiculaire) par rapport à l'axe 38a du faisceau laser 38. La buse d'alimentation en gaz 30 est placée de façon telle que son axe 30a corresponde à la direction d'une ligne perpendiculaire à l'élément contaminé 14. Le plan 36 de l'ouverture de la buse étant incliné vers le haut par rapport à la surface de l'élément contaminé 14 dans le sens de balayage S du faisceau laser (sens de déplacement de la buse). On délivre un gaz à partir d'orifices d'introduction de gaz 40, 41 disposés dans une paroi latérale de la buse d'alimentation en gaz 30, et il est émis par l'ouverture d'extrémité de la buse d'alimentation en gaz 30 vers l'élément contaminé 14 dans la direction diagonale par rapport à l'axe 38a du faisceau laser. Dans la présente invention on peut utiliser n'importe quelle sorte de laser du moment qu'il puisse émettre un faisceau laser d'une intensité suffisamment forte pour fondre ou vaporiser une couche de surface contaminée. Comme exemples d'un tel laser on peut citer un laser à CO2, un laser à CO, un laser à iode, un laser à Nd:YAG (grenat d'yttrium et d'aluminium dopé au néodyme), un laser à vapeur de cuivre et un laser excimer. La lentille condenseur peut être constituée d'une lentille cylindrique ou d'une lentille sphérique, exactement comme dans le procédé de l'art antérieur. La lentille condenseur 32 condense le faisceau laser 38 émis par un laser (non représenté) et l'applique à la surface de l'élément contaminé 14. Un repère 14a désigne une portion à laquelle est appliqué le faisceau laser. Un gaz, introduit par des orifices d'introduction de gaz 40, 41 est délivré depuis le plan 36 de l'ouverture de la buse en direction de l'élément contaminé 14. Puisque le plan 36 de l'ouverture de la buse est incliné comme mentionné ci-dessus, le gaz n'est pas délivré de manière symétrique par rapport à l'axe 30a (qui correspond à celui 38a du faisceau laser) de la buse. À savoir, la répartition du vecteur vitesse du gaz délivré depuis le plan 36 de l'ouverture de la buse comprend une grande quantité de composantes dans le sens correspondant au sens de balayage S du faisceau laser. Par conséquent, la couche fondue et les substances vaporisées de la matière contaminée reçoivent une force dans le sens de balayage, montré par une flèche S. Ce dont il résulte que le profil de la surface de la portion à laquelle est appliqué le faisceau laser présente une protubérance 42 comme le montre la figure 2B qui se produit seulement dans le sens dans lequel le plan de l'ouverture de la buse s'ouvre. Lorsque le faisceau laser 38 balaye l'élément contaminé, la protubérance 42 se produit toujours seulement du côté avant dans le sens de balayage S, et l'on obtent, comme le montre la figure 2B, une surface décontaminée lisse d'une grande profondeur de décontamination, exempte de l'influence de la recoagulation et de la resédimentation des contaminants. Le gaz utilisé de façon appropriée dans ce procédé est un gaz inerte, comme Ar, He et N2. Lorsqu'une oxydation est tolérée ou lorsque l'on utilise la chaleur d'oxydation, on peut aussi utiliser de l'air et de 1'02. Lorsque l'on effectue un certain traitement de surface en même temps qu'une opération de décontamination, on utilise, dans certains cas, une autre sorte de gaz appropriée. À savoir, le gaz délivré à l'élément contaminé assure la fonction de maîtriser de manière spatiale des substances fondues ou vaporisées, en empêchant l'apparition d'une réaction d'oxydation sur la surface à laquelle est appliqué le faisceau laser, et en soumettant une telle surface à un autre type de traitement de surface. L'opération de maîtrise spatiale citée ci-dessus est une opération consistant à déplacer les substances fondues et les substances vaporisées de la portion à laquelle est appliqué le faisceau laser vers l'extérieur à l'aide de l'énergie cinétique des molécules de gaz ou de la pression dynamique du gaz. Pour ce seul but, on pourrait utiliser n'importe quel type de gaz. Pour la prévention de l'oxydation, un gaz inerte, comme Ar, He et N2 convient, comme mentionné ci-dessus. Le gaz assure également, dans certains cas, la fonction de transporter les substances produites (par exemple, des particules de contaminant produites au cours de l'étape de fusion ou de vaporisation) jusqu'à un filtre. Dans ce mode de réalisation, les orifices d'introduction de gaz sont disposés à la fois des côtés avant et arrière dans le sens de déplacement de buse. Lorsque les orifices d'introduction de gaz sont disposés seulement du côté avant dans le sens de déplacement de buse, on obtient, dans certains cas, un effet important. Lorsqu'il est prévu un orifice d'introduction de gaz 44 du côté avant dans le sens de déplacement de buse de façon à s'étendre en diagonale vers le bas comme le montre la figure 3, on obtent, dans certains cas, un effet important. Puisque la construction de base de la structure de la figure 3 est identique à celle de la structure de la figure 1, les éléments correspondants sont désignés par les mêmes repères, et l'on n'en refera pas la description. La figure 4 montre un autre mode de réalisation du procédé de décontamination à laser selon la présente invention. Dans ce mode de réalisation, la forme de la buse d'alimentation en gaz est fondamentalement identique à celle d'une buse d'alimentation en gaz classique, mais la position de l'axe du faisceau laser est différente. La buse d'alimentation en gaz 50 comporte une portion cylindrique dont une partie d'extrémité libre (la partie inférieure à la figure 4) a une forme convergeant vers le bas, et une lentille condenseur 52 est incorporée à l'intérieur de la portion cylindrique, le plan 56 d'une extrémité ouverte libre de la buse étant carrément en face d'un élément contaminé 14. La buse d'alimentation en gaz 50 est pourvue, dans sa paroi latérale, d'orifices d'introduction de gaz 60, 61, par lesquels on introduit du gaz dans la buse d'alimentation en gaz 50. Une flèche S montre le sens de déplacement (le sens de balayage de faisceau laser) de la buse d'alimentation en gaz 50 par rapport à l'élément contaminé 14. Dans ce mode de réalisation, I'axe 58a d'un faisceau laser 58 est placé parallèlement à l'axe 50a de la buse 50 et excentré par rapport à celui-ci. La buse d'alimentation en gaz 50 est disposée de façon que l'axe d'un écoulement gazeux (la position de l'axe 50a de la buse 50) soit du côté arrière de celui 58a du faisceau laser, dans le sens de déplacement de buse. Lorsque l'on emploie une telle structure, le gaz délivré de manière asymétrique par rapport à la portion 1 4a à laquelle est appliqué le faisceau laser, c'est-à-dire, davantage sur sa partie de côté arrière dans la direction de balayage S, de sorte que le profil de la surface de la portion à laquelle est appliqué le faisceau laser devient identique à celui montré à la figure 2A, ce par quoi on obtient une surface décontaminée lisse d'une grande profondeur de décontamination, exempte de l'influence de la recoagulation et de la resédimentation des contaminants, et qui est identique à la surface montrée à la figure 2B. Pour placer l'axe du faisceau laser dans un état excentré prédéterminé, il est efficace de faire une modification élaborée de la forme de la portion d'extrémité supérieure de la buse d'alimentation en gaz 50 constituée comme le montre la figure 4, et d'obtenir la structure montrée à la figure 5. À savoir, si l'on forme un trou de montage 66, pour fixer un laser ou un module d'introduction de faisceau laser (non représenté) à une portion d'extrémité supérieure de la buse d'alimentation en gaz 50, de façon qu'il soit décalé de l'axe 50a de la buse, et si l'on introduit alors le laser ou le module d'introduction de faisceau laser dans ce trou de montage 66, on peut obtenir automatiquement l'état dans lequel l'axe 58a du faisceau laser et l'axe 50a de la buse sont décalés l'un par rapport à l'autre d'une distance prédéterminée. Dans ces modes de réalisation, la décontamination d'un élément contaminé par des contaminants radioactifs a été décrite de façon explicative mais la présente invention n'est pas limitée à cela. II est bien entendu que la présente invention peut aussi s'appliquer de la même manière à l'élimination de la rouille d'une surface métallique et de peintures et de revêtements de différentes matières. Comme on l'a décrit jusqu'ici, dans la présente invention, on délivre un gaz de façon asymétrique par rapport à l'axe d'un faisceau laser comme décrit ci-dessus, par conséquent, on obtient une surface décontaminée exempte de l'influence de la recoagulation et de la resédimentation de substances fondues et de substances vaporisées et qui est lisse, une grande profondeur de décontamination, une grande intégrité et un fort coefficient de décontamination (une grande propreté). REVENDICATIONS 1. Procédé de décontamination à laser comprenant les étapes : d'incorporation d'une lentille condenseur (32) dans une buse d'alimentation en gaz (30) ; de délivrance d'un gaz en direction d'un élément contaminé (14) tout en déplaçant ladite buse d'alimentation en gaz (30) par rapport à une surface dudit élément contaminé (14) et le long de celle-ci, en lui appliquant un faisceau laser (38) qui est condensé par ladite lentille condenseur (32), et en fondant ou vaporisant, ainsi, en continu une couche de surface contaminée de façon à l'éliminer, en nettoyant de cette façon ledit élément contaminé (14); caractérisé en ce que le gaz est délivré de façon asymétrique par rapport à l'axe (38a) dudit faisceau laser (38). 2. Procédé de décontamination à laser selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite buse d'alimentation en gaz (30), formée de façon telle que l'axe (38a) du faisceau laser (38) corresponde à celui (30a) de ladite buse (30), le plan (36) d'une ouverture de ladite buse (30) étant incliné par rapport à l'axe (38a) du faisceau laser (30), est disposée de façon telle que l'axe (30a) de ladite buse (30) corresponde à la direction d'une ligne perpendiculaire à l'élément contaminé (14), ledit plan (36) de l'ouverture de ladite buse (30) étant incliné vers le haut par rapport à la surface de l'élément contaminé (14), dans le sens de déplacement de ladite buse (30), le gaz étant délivré dans une direction diagonale par rapport à l'axe (38a) du faisceau laser (38). 3. Procédé décontamination à laser selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite buse d'alimentation en gaz (50), avec l'axe (58a) du faisceau laser (58) qui est parallèle à, et décalé de, celui (50a) de ladite buse (50), est disposée de sorte que l'axe (50a) de l'écoulement gazeux soit derrière l'axe (58a) du faisceau laser (58) par rapport au sens de déplacement (S) de ladite buse (50). 4. Procédé décontamination à laser selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'un moyen formant laser à partir duquel est émis le faisceau laser (58) est monté dans un trou de montage (66) disposé à une partie d'extrémité supérieure de ladite buse d'alimentation en gaz (50), ledit trou de montage (66) étant formé de façon à être décalé par rapport à l'axe (50a) de Jadite buse (50). 5. Procédé décontamination à laser selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on introduit le gaz dans ladite buse d'alimentation en gaz (30; 50) à partir d'orifices d'introduction de gaz (40, 41; 60, 61) disposés dans une paroi latérale de ladite buse d'alimentation en gaz (30 ; 50), et en ce qu'on le délivre ensuite vers ledit élément contaminé (14) à partir d'une ouverture d'extrémité de ladite buse d'alimentation en gaz (30 ; 50), lesdits orifices d'introduction de gaz (40, 41; 60, 61) étant disposés à la fois des côtés avant et arrière, dans le sens de déplacement (S) de ladite buse (30; 50). 6. Procédé décontamination à laser selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on introduit le gaz dans ladite buse d'alimentation en gaz (30; 50) à partir d'un orifice d'introduction de gaz (40, 41; 60, 61) disposé dans une paroi latérale de ladite buse d'alimentation en gaz (30; 50), et en ce qu'on le délivre ensuite vers ledit élément contaminé (14) à partir d'une ouverture d'extrémité de ladite buse d'alimentation en gaz (30 ; 50), ledit orifice d'introduction de gaz (40, 41; 60, 61) étant disposé seulement du côté avant, dans le sens de déplacement (S) de ladite buse (30; 50): 7. Procédé décontamination à laser selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que l'on introduit le gaz dans ladite buse d'alimentation en gaz (30) à partir dudit orifice d'introduction de gaz (44) disposé dans la paroi latérale de ladite buse d'alimentation en gaz (30) de façon à s'étendre en diagonale vers le bas.