JP2008523374A - 成形部品の表面のレーザー除染方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、成形部品（３）の表面のレーザー除染に関する。除染は、成形部品の表面の複数の部分を同時にカバーするように紫外線領域の波長を有するパルスレーザービームを分配して、これらレーザービームの衝撃を成形部品の表面の複数の部分に連続して当てることで、成形部品の表面層を粒子としてアブレーションし、粒子を吸引により回収することにより実行される。

Description

本発明は、レーザービームによる成形部品の表面の除染（特に放射能汚染除去）に関する。

成形部品とは、一定の断面と比較して比較的大きな長さを有する部品を意味する。これは、例えば熱間圧延又は冷間引抜により得られる金属加工品とすることができる。これはまた（そして本発明がより具体的な対象とする）核燃料棒とすることもできる。

より具体的には、本発明は、成形部品の表面からの材料の除去に関し、部品の表面に紫外放射パルスレーザービームの衝撃を当てること、及び同時に、除去した材料を成形部品の表面からフィルタを介して吸引することを含む。

しかし、本発明は、そのような部品の表面から材料層を除去することが必要とされる産業上の全ての分野に適用することができる。

［従来技術の現状］
核燃料棒（又はニードル）は、被覆管に収容される核***性物質のカラムにより形成される。この被覆管は通常、両端に溶接されたプラグを備える金属管である。例えば、核***性物質が被覆管に錠剤として導入される。

被覆管への錠剤の導入には、燃料棒の外面が汚染される危険性、特に燃料棒の端部が被覆管の「ノーズ」に近付けられる潜在的な危険性が伴う。

燃料棒の除染は、以下の理由から必要であることが分かっている。技術仕様書は、燃料棒の残留汚染が特定のしきい値、すなわち、遊離性汚染で０．４Ｂｑ／ｄｍ^２未満、固着性汚染で８３Ｂｑ／ｄｍ^２未満となることを求めている。これらのしきい値は、工場で燃料棒を格納容器から取り出すことにより正当化される。

燃料棒上に存在する汚染は、燃料錠剤の構成物質から生じるサブミクロン粒子から成っている。核***性物質がＭＯＸ（混合酸化物）の錠剤から成る場合、これらの粒子はＵＯ_２中、ＰｕＯ_２中及びその混合物中にある。燃料棒の被覆管は、良好な機械強度を有し、且つ、それを燃料の寿命が終わるまで維持しなければならない。この特徴は、被覆管の本来の外観、すなわち、白色で明るく均一な外観の維持により顕著に示される。被覆管は特に、炉内の温度及び圧力の変化による度重なる変形でひび割れを生じないように延性を持ち続けなくてはならない。被覆管は、ジルカロイ（Zircaloy）（登録商標）と呼ばれるジルコニウム合金で作られることが有利である。

公に出版されている核汚染除去の領域での数少ないレーザークリーニングプロジェクトが米国及びフランスで実現している。１９８０年代初頭に、米国エネルギー省（ＤＯＥ）は、原子力施設の除染のためのパワーレーザーの使用を提案した。主な公開されている結果は１９９２年〜１９９６年の間に、エイムズ（Ames）研究所のチームにより「エイムズレーザー除染プロジェクト」の目的で得られている。これらは、１００Ｗ（２４８ｎｍ、２７ｎｓ）のＫｒＦエキシマレーザー及びＱスイッチ（１，０６４ｎｍ、１００ｎｓ）Ｎｄ：ＹＡＧレーザーの両方を用いて、金属表面（アルミニウム、鋼、銅、ワイヤ）上の放射性酸化物の排除を研究した。このアブレーション（ablation）法の有効性は、雰囲気ガスのイオン化ポテンシャルが大きいほど大きくなることが証明された。表面を十分にカバーし粒子の再堆積を防ぐために、ビームを集光する円柱対物レンズを用いた。これらの実験は、擬似汚染物質、放射性試料、及び原子力施設から生じる大型機器を用いて行われた。除染効率は概して、これらの特定用途に十分であった。Ｎｄ：ＹＡＧレーザーは、その波長（１，０６４ｎｍ）が従来の光ファイバーにより効果的に伝送され得るため、原型（プロトタイプ）を開発するために提案された。

他のプロジェクトは、コンクリートの除染に焦点を当てた。この場合、汚染物質は深さ方向に拡散し、除染は、厚いコンクリート層（数ミリメートル）のアブレーションにより得ることができる。これらの実験のために、ＣＯ_２レーザー又はＮｄ：ＹＡＧレーザー等のパワー赤外線レーザーが用いられる。この目的で、Ｎｄ：ＹＡＧベースのクリーニングレーザーの原型が当時、アルゴンヌ国立研究所において設計され、おそらくは原子炉を廃止するために試験された。最近では、当初は軍事用レーザー兵器として設計された、１ｋＷより高い出力で動作するＣＯＩＬ（化学酸素ヨウ素レーザー）と呼ばれる化学レーザーが、原子力施設を解体するために提案されている。

１９９９年以降、フランスの研究開発は同じ道程を辿ってきた。Ｎｄ：ＹＡＧレーザー及びエキシマレーザーを用いて実験が行われた。欧州公開特許第０５２０８４７号は、原子力施設からの蒸気発生器を除染するレーザーベースのツールを開示している。フランス公開特許第２７７４８０１号は、レーザービームにより核燃料棒を除染する方法及び施設を開示している。これらの文献により公開された技法の結果は開示されていない。

ＬＥＸＤＩＮの原型は、「Commissariat a l'Energie Atomique」（フランス原子力機関）によりプレキシグラスチャンバの除染に関して設計及び試験された（J. R. COSTES他著「紫外線レーザーによる除染：ＬＥＸＤＩＮの原型（Decontamination by ultraviolet laser: the LEXDIN Prototype）」（CEA, 1996）を参照）。この原型は、ＸｅＣｌレーザーと、レーザービームを伝搬する鏡とを用いる。

蒸気発生器から生じる汚染試料（鋼、インコネル）の乾式ホットクリーニングに関してＮｄ：ＹＡＧレーザーとＫｒＦエキシマレーザーとの間で比較研究が行われた。空気雰囲気下で、レーザーの波長がわずかに影響した。プラズマを閉じ込める液膜を用いれば、クリーニングの効率を高めることが可能である（フランス公開特許第２７００８８２号を参照）。乾式クリーニングと比べて、除染係数は水膜を用いた場合に３０倍、０．５Ｍ硝酸膜を用いた場合に８５倍、また５Ｍ硝酸膜を用いた場合に６５０倍高かった。

他のレーザービームによる除染プロジェクトは、ＸｅＣｌエキシマレーザー、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー（６ｎｓ）及びフラッシュランプキセノンレーザー（２００ｍｓ）を当てることにより行われた。しかし、原子力施設内ではクリーニング及び解体にレーザー除染システムは利用されていなかったようである。

［発明の説明］
本発明は、レーザー除染方法、及びこの方法を適用する、原子力施設内で利用可能な装置を提案する。

本発明の第１の目的は、成形部品の表面のレーザー除染方法から成り、本方法は、成形部品の表面の複数の部分を同時にカバーするように紫外線領域の波長を有するパルスレーザービームを分配して、これらレーザービームの衝撃を成形部品の表面の複数の部分に連続して当てることにより、成形部品の表面層を粒子としてアブレーションし、粒子を吸引により回収することを特徴とする。

有利には、上記レーザービームは、主レーザービームを分割することにより得られ、等しいエネルギーを有する。また有利には、上記分割されたレーザービームはそれぞれ、主レーザービームから分割された地点から等しい長さの軌跡に沿って移動する。

好ましくは、上記粒子の回収は、当該粒子を濾過することによって行われる。

本発明の第２の目的は、成形部品の表面のレーザー除染装置から成り、本装置は、成形部品の表面の複数の部分を連続して処理領域に入れるための通路孔を有し、紫外線領域の波長を有するパルスレーザービームの通路を提供する光路を有し、該パルスレーザービームにより成形部品の表面層が粒子としてアブレーションされ、前記光路は、成形部品の表面の各処理部分を同時にカバーするように分散され、前記粒子を回収するための吸引手段を有する処理チャンバと、レーザービームを処理チャンバまで輸送する手段とを備えることを特徴とする。

有利には、吸引手段は、ガスが光路を通過してから処理領域に到達し、次に、この処理領域において上記粒子を収集するチャンバに向けられるように位置する、ガスジェットを導入する手段を備える。

有利には、収集チャンバは、上記粒子を濾過する手段を備える。光路は、ガスジェットとは反対方向に流れ得るアブレーションされた粒子を保持するための粒子保持手段を備えてもよい。

有利には、光路は、装置の外部に対する密封窓を備えると共にレーザービームの通路を提供する導管である。

有利には、上記レーザービームを運ぶ手段は、等しいエネルギーを有する当該レーザービームを得るために主レーザービームを分割する手段を備える。主レーザービームを分割するこれらの手段は、光ファイバー束を含んでもよい。これらの手段は、半反射鏡及び全反射鏡を含んでもよい。好ましくは、主レーザービームを分割する手段は、等しい軌跡を移動するレーザービームを提供する手段である。

非限定的な例として提示される以下の説明を添付図面と共に読めば、本発明がより良く理解され、他の特徴及び特性が明らかになるであろう。

［特定の実施形態の詳細な説明］
表面にパルスレーザーを照射すると、レーザーエネルギーの一部は材料に吸収され、これが材料の厚みに、そのレーザーの波長での吸収率に依存する温度勾配を生じる。３つのプロセスが主にアブレーション現象の発端となる。すなわち、熱的機構、機械的機構、及び光化学的機構である。これらの機構は密接に関連しているが、基板（母材）の性質、レーザーの波長及びパルス幅に依存し、アブレーションプロセスではそのうちの１つが顕著になる。

金属材料の吸収率は、レーザーの波長が短くなるほど、より高くなる。エキシマレーザーの非常にエネルギーの高い光子（４〜８ｅＶ）は、材料の薄い厚み（数ナノメートル）に吸収され、熱拡散長は通常およそ１マイクロメートルである。これらの光子は、そのエネルギーを材料の電子に伝達し、これが脱励起により被照射材料の加熱を生じる。レーザーエネルギーを吸収した体積の温度が材料の気化温度よりも高い時、アブレーションプロセスが開始される。この熱によるアブレーションプロセスは、被照射基板及び雰囲気ガスから、電子並びに中性種及びイオン種から成るプラズマが形成されることを特徴とする。このプラズマは、材料の表面に垂直に伝播する。基板の強いＵＶ吸収率は、小さな体積においてのみ温度を上昇させるため、材料の薄い層のみをアブレーションする一方で、より深い熱的効果を制限する。１０〜３０ｎｓというエキシマレーザーの短いパルス幅は、アブレーションされない体積での熱拡散ひいては熱的効果をさらに制限する。

低フルエンス（low fluencies）の場合、表面で達する温度は材料の気化を生じるのに十分ではないが、表面及び／又はその上に堆積される化合物（粒子、層）によるエネルギー吸収は、その温度の急激な上昇を生じる。これは、加熱された体積の急激な膨張を生じ、その際、表面に堆積された化合物に伝えられる加速度が十分であれば、化合物が表面から排除される。機械的に生じるこのアブレーションプロセスは、基板の構造及び形態（morphology）を変化させない。これは、レーザーによる微粒子のクリーニング中に顕著である。これは、乾式ルートにより表面にレーザービームを直接照射することによって、又は湿式ルートにより照射前に表面に液膜を堆積させることによって（この場合、膜のアブレーションにより粒子が排除される）適用され得る。これにより酸化物粒子が除去される。これは、材料（基板及び粒子）がＵＶレーザー光線を強く吸収するため有効である。

表面への紫外線ビームの照射により生じるプロセスはまた、光子のエネルギー（４〜８ｅＶ）が被照射化合物の結合エネルギーよりも大きい場合に光化学的に生じるものであってもよい。この光化学的に生じるアブレーションプロセスは通常、ポリマー等の基板の場合に生じる。主な応用は、塗料の剥離及びポリマー材料の彫刻である。

本発明は、成形部品の表面からの材料の除去方法に関し、本方法は、成形部品の表面に紫外放射パルスレーザービームの衝撃を当てること、及び同時に、成形部品の表面から除去された材料をフィルタを介して吸引することを含む。これが、本発明により適用される機械的機構である。

本発明による成形部品の除染装置は、負圧に保たれる処理チャンバと、レーザービームを整形するシステムとを備える。

処理チャンバ１が図１Ａ及び図１Ｂに示される。処理チャンバ１は、処理すべき成形部品３を導入することができる中心孔２を備える。成形部品３の処理は、図１Ａに４として示される領域で行われる。この領域４は、等しい長さを有し２つの直交軸に沿って配置される４つの光路１１、１２、１３及び１４の結合部に対応する。光路１１、１２、１３及び１４はそれぞれ、処理チャンバ１の外部との密封を提供すると共に除染に必要なレーザービームを通す窓２１、２２、２３及び２４により遮断される。

除染すべき成形部品は、部品が完全に中心に位置決め（センタリング）されるようにボールケージ（図示せず）を備える中心孔２を通って処理チャンバ１内に導入される。成形部品３はチャンバ内を所与の速度で進む。パラメータ、部品の進行速度及びレーザービームの周波数を用いて、除染に必要なレーザーパルス数を得ることが可能である。

１つ又は複数の真空ポンプが、処理チャンバ内での負圧の生成を可能にし、一組のＶＨＥフィルタ（非常に効率の高いフィルタ）により汚染物質が吸引されるようにする。

空気は、２つの経路から、すなわち、成形部品の出口５を通って、また窓の近くに位置しチャネル９を介して光路と連通する環状チャンバ６を通って除染チャンバに侵入する。この構成により、除染効率に影響し得る窓への汚染物質の再堆積を防ぐことも可能である。成形部品３の表面にレーザービームの衝撃が加わると、除染チャンバ内に存在する負圧のために粒子が吸引される。これらの粒子は、入射レーザービームの軸に対して４５°の角度に従って、環状収集チャンバ７内へ導かれ、その後、ＶＨＥフィルタにより捕捉されるようになっている。効果的であるために、吸引は、処理領域４のできるだけ近くで行われる。レーザービームの軌跡上、すなわち、光路１１、１２、１３及び１４中には、抽出された粒子が窓２１、２２、２３及び２４の内面に堆積することを防ぐために窪み８が配置される。

処理レーザービームは、主レーザービームを分割することにより形成される。これらの入射レーザービームがそれぞれ移動する距離は、主レーザービームの分割地点から処理領域まで同一であり、これが完全な処理の均質性を提供する。いくつかのレーザービームを用いることにより、成形部品の周囲を同時に照射することが可能である。本明細書中で説明する例では、分割されるビーム数は４であるが、分割されるビーム数は異なっていてもよい。

主レーザービームは光ファイバー束により輸送されてもよい。その場合、分割されたレーザービームすなわち二次レーザービームは主光ファイバー束を分割することによって生成される。

主レーザービームは、鏡による反射により輸送されてもよい。二次レーザービームは、主レーザービームを鏡及びビームスプリッタにより分割することによって生成される。

抽出された粒子を吸引する回路は、高い流速（ガス＋粒子）を維持し、それによって機械的効果又はファンデルワールス力により表面に付着し得る粒子の堆積（その電位は材料により２〜５ｅＶに達し得る）を制限するために幾分小さな通路部により画定される。

図２〜図５は、本発明の装置において適用され得る、主レーザービームから４本の除染ビームへの分割機構の異なるブロック図である。

図２において、レンズ３１により整形される主レーザービーム３０は５０％反射鏡３２上に送られる。この鏡３２は、主レーザービームを２本のビーム３３及び３４に分割し、これらのビームはそれぞれ１００％反射鏡３５及び３６に向けられる。その後、ビーム３３及び３４はそれぞれ５０％反射鏡３７及び３８へ反射される。ビーム３３は次に、２本の二次ビーム３９及び４０に分割され、それぞれ１００％反射鏡４１及び４２により成形部品３の表面へ送り返される。ビーム３４も２本の二次ビーム４３及び４４に分割され、それぞれ１００％反射鏡４５及び４６により成形部品３の表面へ送り返される。これらの４本の二次ビーム３９、４０、４３及び４４は、互いに等しいエネルギーを有し、成形部品３まで同じ距離だけ移動してきている。

図３において、主レーザービームは主光ファイバー束５０により輸送される。この主光ファイバー束５０は、（ブロック図である図３に示すものとは異なり）等しい長さを有する４本の二次ファイバー束５１、５２、５３及び５４に分離される。二次ファイバー束５１、５２、５３及び５４は、ビームを整形し直す光学素子５５、５６、５７及び５８の正面にそれぞれもたらされ、ビーム５９、６０、６１及び６２をそれぞれ生じ、これらのビームは互いに等しいエネルギーを有し、成形部品３の表面に入射する。

図４において、主レーザービーム７０は５０％反射鏡７１上に送られる。この鏡７１は、主レーザービームを２本のビーム７２及び７３に分割し、これらのビームはそれぞれ他の５０％反射鏡７４及び７５に向けられる。ビーム７２は次に２本の二次ビーム７６及び７７に分割され、二次ビーム７７は直接、二次ビーム７６は２つの１００％反射鏡７８及び７９を介して成形部品３に向けられる。ビーム７３も２本の二次ビーム８０及び８１に分割され、二次ビーム８１は直接、二次ビーム８０は２つの１００％反射鏡８２及び８３を介して成形部品３に向けられる。この場合、成形部品３には、互いに等しいエネルギーを有する４本の平行ビームの衝撃が当てられる。

図５では、図４と同じ構造が再び見られる。図５では、集光光学素子８４、８５、８６及び８７が、成形部品３の表面に入射する二次ビーム７６、７７、８０及び８１の軌跡上にそれぞれ追加されている。この場合、成形部品３には、互いに等しいエネルギーを有する４本の収束ビームの衝撃が当てられる。

本発明による成形部品の除染装置の処理チャンバの断面図である。 図１Ａの面ＢＢに沿った図である。 本発明の装置において適用され得る、主レーザービームから４本の除染レーザービームへの第１の分割機構のブロック図である。 本発明の装置において適用され得る、主レーザービームから４本の除染レーザービームへの第２の分割機構のブロック図である。 本発明の装置において適用され得る、主レーザービームから４本の除染レーザービームへの第３の分割機構のブロック図である。 本発明の装置において適用され得る、主レーザービームから４本の除染レーザービームへの第４の分割機構のブロック図である。

Claims (13)

1. 成形部品（３）の表面のレーザー除染方法であって、
   前記成形部品（３）の表面の複数の部分を同時にカバーするように紫外線領域の波長を有するパルスレーザービーム（３９、４０、４３、４４）を分配して、これらレーザービームの衝撃を前記成形部品（３）の表面の複数の部分に連続して当てることにより、前記成形部品の表面層を粒子としてアブレーションし、
   前記粒子を吸引により回収する
   ことを特徴とする成形部品の表面のレーザー除染方法。
2. 前記レーザービーム（３９、４０、４３、４４）は、主レーザービーム（３０）を分割することにより得られ、互いに等しいエネルギーを有する請求項１に記載の方法。
3. 前記分割されたレーザービームはそれぞれ、前記主レーザービームから分割された地点から等しい長さの軌跡を移動する請求項２に記載の方法。
4. 前記粒子の回収は、該粒子を濾過することによって行われる請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 成形部品の表面のレーザー除染装置であって、
   前記成形部品（３）の表面の複数の部分を連続して処理領域（４）に入れるための通路孔（２）を有し、紫外線領域の波長を有するパルスレーザービームの通路を提供する光路（１１、１２、１３、１４）を有し、該パルスレーザービームにより前記成形部品の表面層が粒子としてアブレーションされ、前記光路（１１、１２、１３、１４）は、前記成形部品（３）の表面の各処理部分を同時にカバーするように分散され、前記粒子を回収するための吸引手段を有する処理チャンバ（１）と、
   前記レーザービームを前記処理チャンバまで輸送する手段と
   を備えることを特徴とする成形部品の表面のレーザー除染装置。
6. 前記吸引手段は、ガスが前記光路（１１、１２、１３、１４）を介して前記処理領域に到達した後、該処理領域において前記粒子を収集するためのチャンバ（７）に向けられるように配置されたガスジェット導入手段（６、９）を有する請求項５に記載の装置。
7. 前記収集チャンバ（７）は、前記粒子を濾過する手段を備える請求項５に記載の装置。
8. 前記光路（１１、１２、１３、１４）は、前記ガスジェットとは反対方向に流れ得るアブレーションされた粒子を保持するための粒子保持手段（８）を備える請求項６または７に記載の装置。
9. 前記光路（１１、１２、１３、１４）は、前記装置（１）の外部に対する密封窓（２１、２２、２３、２４）を備えると共に前記レーザービームの通路を提供する導管である請求項５〜８のいずれか一項に記載の装置。
10. 前記レーザービームを輸送する手段は、互いに等しいエネルギーを有するレーザービームを得るために主レーザービームを分割する手段を備える請求項５〜９のいずれか一項に記載の装置。
11. 前記主レーザービームを分割する手段は、光ファイバー束（５０、５１、５２、５３、５４）を含む請求項１０に記載の装置。
12. 前記主レーザービームを分割する手段は、半反射鏡（３２、３７、３８）及び全反射鏡（３５、３６、４１、４２、４５、４６）を含む請求項１０に記載の装置。
13. 前記主レーザービームを分割する手段は、互いに等しい軌跡を移動するレーザービームを提供する手段である請求項１０〜１２のいずれか一項に記載の装置。

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