Procédé et équipement de travail au laser dans une zone contaminée d'une installation nucléaire

Description

[0001] La présente invention est relative à un procédé et une installation de travail au laser sur une surface contenue dans une zone contaminée d'une installation nucléaire.

[0002] 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 permettre ainsi l'accès ou l'approche du personnel d'intervention.

[0003] Le circuit primaire des centrales nucléaires à eau pressurisée est concerné par cette invention et plus particulièrement la boîte à eau des générateurs de vapeur et les tuyauteries primaires.

[0004] 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.

[0005] On connait plusieurs procédés de décontamination :

• la projection de particules abrasives pour éliminer par abrasion la pellicule d'oxyde radioactive, 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 EP-A-0 091 646, 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.

[0006] L'invention a pour but de permettre de travailler de façon efficace au moyen d'un laser dans une zone contaminée.

[0007] A cet effet, le procédé suivant l'invention est conforme à la revendication 1. Suivant le procédé on émet hors de la zone contaminée un faisceau laser pulsé, on transporte ce faisceau au moyen d'une fibre optique jusqu'à un emplacement voisin de ladite surface, et, à cet emplacement, on amplifie le faisceau et on envoie le faisceau amplifié sur ladite surface, éventuellement par l'intermédiaire d'un miroir de renvoi, le faisceau laser, après amplification, possédant des impulsions ayant une énergie de 0,3 à 5 joules, ou plus, une durée de 10 à 30 ns, et une densité d'énergie de 1 à 15 J/cm2.

[0008] Suivant d'autres caractéristiques :

• 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;

[0009] L'invention a également pour objet un équipement 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, du type Nd-YAG, saphir ou excimère, eventuellement muni d'un miroir gaussien de renvoi, disposé en dehors de la zone contaminée;
• un amplificateur de faisceau laser;
• une fibre optique de transport du faisceau laser pulsé jusqu'à l'entrée de cet amplificateur; cette fibre optique ayant une longueur d'au moins 15 m environ;
• des moyens pour déplacer l'amplificateur en regard de ladite surface et au voisinage de celle-ci.

[0010] Suivant d'autres caractéristiques :

• l'équipement comprend un miroir de renvoi monté en sortie de l'amplificateur et éventuellement mobile par rapport à celui-ci.

[0011] 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.

[0012] 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.

[0013] 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 appareillage 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.

[0014] 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.

[0015] 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'amplificateur 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.

[0016] L'appareillage 9 est représenté plus en détail 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 25 d'évacuation d'eau de refroidissement. Les conduites 23 à 25 sont reliées via une ligne 26 (Figure 1) au générateur 11. Une face d'entrée du boîtier 22 est percée d'un orifice dans lequel est fixée l'extrémité distale de la fibre optique 18, et une optique d'entrée 27 permet d'introduire à l'entrée de l'amplificateur 15 un faisceau parallèle de diamètre égal à celui du barreau de l'amplificateur. Ce faisceau ressort amplifié à l'autre extrémité de l'amplificateur 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.

[0017] 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, sollicitées 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'extrémité distale des colonnettes 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 amplifié 37.

[0018] Le générateur laser 12 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 µm), du type saphir (longueur d'onde centrée sur 0,78 µm) ou du type excimère (longueur d'onde 0,3 µm). 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 5 joules ou plus et une densité d'énergie (ou fluence) de 1 à 15 J/cm².

[0019] 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 le faisceau pulsé émis par le générateur 12, transporté par la fibre optique 18 et amplifié en 15, est envoyé directement, 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.

[0020] La densité d'énergie précitée est choisie de manière à permettre une pénétration thermique correspondant à l'épaisseur, ou à une partie de l'épaisseur, 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.

[0021] 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 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 la fibre soit suffisamment longue pour que l'homogénéisation 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.

[0022] 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.

[0023] L'utilisation d'un amplificateur 15 à proximité de la surface à décontaminer présente de nombreux avantages :

• le générateur laser 12 est disposé en dehors 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.

[0024] L'appareillage 9A 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'amplificateur 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 réduits, par exemple pour décontaminer la paroi des tuyauteries primaires.

[0025] 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 position de l'amplificateur, balayer efficacement une région relativement étendue à traiter, quelle que soit la forme de cette région.

[0026] 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 40 permettant le passage du faisceau laser 37. Cette électrode est portée, grâce à une alimentation électrique 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 décontamination d'une surface (3, 4, 5) contenue dans une zone contaminée (2) d'une installation nucléaire, par un faisceau laser pulsé (12) emis hors de la zone contaminée caractérisé en ce qu'on, transporte ce faisceau au moyen d'une fibre optique (18) jusqu'à un emplacement voisin de ladite surface, situé dans la zone contaminée, et, à cet emplacement, on amplifie (15) le faisceau et on envoie le faisceau amplifié (37) sur ladite surface, éventuellement par l'intermédiaire d'un miroir de renvoi (38) le faisceau laser, après amplification, possédant des impulsions ayant une énergie de 0,3 à 5 joules, ou plus, une durée de 10 à 30 ns, et une densité d'énergie de 1 à 15 J/cm2.

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 que l'on confine la région de travail et, pendant le travail au laser, on aspire le gaz contenu dans la région confinée.

4. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, 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.

5. Equipement de décontamination au laser d'une surface (3, 4, 5) contenue dans une zone contaminée (2) d'une installation nucléaire, pour la mise en oeuvre d'un procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend :

- un générateur de faisceau laser pulsé (12), du type Nd-YAG, saphir ou excimère, éventuellement muni d'un miroir gaussien de renvoi disposé en dehors de la zone contaminée (2);

- un amplificateur de faisceau laser (15);

- une fibre optique (18) de transport du faisceau laser pulsé jusqu'à l'entrée de cet amplificateur, cette fibre optique (18) ayant une longueur d'au moins 15 m environ; et

- des moyens (21) pour déplacer l'amplificateur (15) en regard de ladite surface et au voisinage de celle-ci.

6. Equipement suivant la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend un miroir de renvoi (38) monté en sortie de l'amplificateur (15) et éventuellement mobile par rapport à celui-ci.

7. Equipement suivant la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce qu'il comprend une enceinte de confinement (16) mobile solidairement 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.

8. Equipement suivant l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend 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 électrique entre cette électrode et ladite surface.

Ansprüche

1. Verfahren zur Dekontaminierung einer Fläche (3, 4, 5) innerhalb einer kontaminierten Zone einer Nuklearanlage mittels eines impulsförmigen Laserstrahls (12), der außerhalb der kontaminierten Zone abgegeben wird, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Strahl mittels einer Lichtleitfaser (18) bis zu einer Stelle transportiert wird, die nahe bei der genannten, in der kontaminierten Zone befindlichen Fläche liegt, und daß an dieser Stelle der Strahl verstärkt wird (15) und der verstärkte Strahl (37), eventuell über einen Umlenkspiegel (38), auf die genannte Fläche gesandt wird, wobei der Laserstrahl nach der Verstärkung Impulse mit einer Energie von 0,3 bis 5 Joules oder mehr, einer Dauer von 10 bis 30 ns und einer Energiedichte von 1 bis 15 J/cm² hat.

2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß während der Arbeit mit dem Laser ein Schutzgas oder aktives Gas in den Arbeitsbereich geleitet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitsbereich eingeschlossen ist und daß während der Arbeit mit dem Laser das in dem eingeschlossenen Bereich enthaltene Gas abgesaugt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß der verstärkte Strahl (37) durch eine Öffnung (40) einer Elektrode (39) geleitet wird, die parallel zu der genannten Fläche ist, und daß während der Arbeit mit dem Laser ein elektrisches Feld zwischen dieser Elektrode und der genannten Fläche erzeugt wird.

5. Einrichtung zur Dekontaminierung einer Fläche (3, 4, 5) innerhalb einer kontaminierten Zone (2) einer Nuklearanlage mittels Laser zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß sie umfaßt:

- einen Erzeuger von impulsförmigen Laserstrahlen (12) des Typs Nd-YAG, Saphir oder Exzimer, der eventuell mit einem Gaußschen Umlenkspiegel ausgestattet ist, der außerhalb der kontaminierten Zone (2) angeordnet ist,

- einen Laserstrahlen-Verstärker (15),

- eine Lichtleitfaser (18) zum Transport des impulsförmigen Laserstrahls bis zum Eingang dieses Verstärkers, wobei diese Lichtleitfaser (18) eine Länge von mindestens ca. 15 m hat, und

- Mittel (21) zum Verschieben des Verstärkers (15) gegenüber der genannten Fläche und in deren Nähe.

6. Einrichtung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Umlenkspiegel (38) aufweist, der am Ausgang des Verstärkers (15) und eventuell beweglich gegenüber diesem angebracht ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Einschlußbehälter (16) aufweist, der zusammen mit dem Verstärker (15) oder mit dem Spiegel (38) verschiebbar ist und mit Absaugmitteln (13, 14, 20) und ggf. mit Mitteln (19) zum Einführen eines Schutzgases oder aktiven Gases versehen ist.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7
dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Elektrode (39), die parallel zu der genannten Fläche liegt, mit einer durchgehenden Öffnung (40) für den Durchlaß des verstärkten Laserstrahls versehen ist und zusammen mit dem Verstärker (15) verschiebbar ist, sowie Mittel (41) zur Erzeugung eines elektrischen Feldes zwischen dieser Elektrode und der genannten Fläche aufweist.

Claims

1. Process for decontaminating a surface (3, 4, 5) contained in a contaminated zone (2) of a nuclear installation, using a pulsed laser beam (12) emitted outside the contaminated zone, characterised in that this beam is transported by means of an optical fibre (18) to a site close to said surface, situated in the contaminated zone, and at this site the beam is amplified (15) and the amplified beam (37) is directed onto said surface, optionally via a reflecting mirror (38), the laser beam after amplification having pulses with an energy of from 0.3 to 5 Joules or more, a duration of 10 to 30 ns and an energy density of 1 to 15 J/cm².

2. Process according to claim 1, characterised in that a protective or active gas is delivered into the working area during the laser operation.

3. Process according to claim 1 or 2, characterised in that the working area is confined and, during the laser operation, the gas contained in the confined area is aspirated.

4. Process according to any one of claims 1 to 3, characterised in that the amplified beam (37) is passed through an orifice (40) in an electrode (39) parallel to said surface, and an electrical field is created between said electrode and said surface during the laser operation.

5. Laser equipment for decontaminating a surface (3, 4, 5) contained in a contaminated zone (2) of a nuclear installation, for carrying out a process according to any one of claims 1 to 4, characterised in that it comprises:
   a pulsed laser beam generator (12) of the Nd-YAG, sapphire or excimer type, optionally fitted with a Gauss reflecting mirror arranged outside the contaminated zone (2);
   a laser beam amplifier (15);
   an optical fibre (18) for transporting the pulsed laser beam as far as the entrance to the amplifier, said optical fibre (18) being at least about 15 m in length; and
   means (21) for moving the amplifier (15) with respect to said surface and in the vicinity thereof.

6. Epuipment according to claim 5, characterised in that it comprises a reflecting mirror (38) mounted at the exit from the amplifier (15) and optionally movable relative to the latter.

7. Equipment according to claim 5 or 6, characterised in that it comprises a confining enclosure (16) which is movable together with the amplifier (15) or with the mirror (38) and equipped with suction means (13, 14, 20) and optionally with means (19) for introducing a protective or active gas.

8. Equipment according to one of claims 5 to 7, characterised in that it comprises an electrode (39) parallel to said surface, drilled with an orifice (40) for the amplified laser beam to pass through and movable together with the amplifier (15), and means (41) for creating an electrical field between said electrode and said surface.

Dessins