Лазерная дезактивация металлических поверхностей

• Автор: Мутин, Тимофей Юрьевич
• Шифр специальности: 05.27.03
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 101 с. : ил.

Введение
Глава 1 Лазерная очистка в различных отраслях промышленности
1.1 Обзор методов очистки поверхности
1.2 Обзор работ в области лазерной очистки
1.3 Некоторые применения лазерной очистки
1.4 Обзор работ по лазерной дезактивации
Глава 2 Физические основы лазерной дезактивации
2.1 Объект исследования
2.2 Явления, лежащие в основе лазерной очистки
2.3 Физика процесса поглощения лазерного излучения металлом
2.4 Эксперименты по определению параметров лазерной искры
2.5 Численное моделирование процесса лазерного разогрева поверхности
Глава 3 Исследование взаимосвязи параметров лазерной очистки со степенью дезактивации поверхности
3.1 Эксперименты с радиоактивными образцами
3.2 Методики измерений
3.3 Микроскопия поверхности, очищенной лазером
Глава 4 Разработка методов контроля и автоматизации процесса лазерной дезактивации
4.1 Метод ЛИЭС и его применение к задачам лазерной очистки
4.2 Эксперименты, подтверждающие применимость ЛИЭС
4.3 Система контроля качества очистки на основе ЛИЭС
Глава 5 Оптимизация параметров лазерного источника
5.1 Общие соображения выбора лазерного источника
5.2 Сравнение волоконных и твердотельных лазеров
Глава 6 Разработка экспериментального оборудования и технологии лазерной дезактивации
6.1 Принципиальные схемы установок для лазерной дезактивации
6.2 Системы сбора продуктов очистки
6.3 Применение результатов работы в промышленности
Заключение
Литература

Введение
Современные ядерные энергетические установки требуют постоянного наблюдения и контроля процессов в «горячей» зоне, выполнения регулярных «регламентных» работ по продлению сроков эксплуатации энергоблоков (их очистке), а также грамотной и своевременной утилизации отработавших энергоблоков, что предполагает большие объемы работ, длительные ремонты и привлечение многочисленного персонала, задействованного на этих работах. Сказанное выше относится к атомной технике всех типов, однако каждый из перечисленных вопросов имеет преимущественные области применения.
Проблема утилизации является первостепенной для атомных подводных лодок (АЛЛ) и надводных кораблей (НК) с ядерными энергетическими установками (ЯЭУ), которые, как любое техническое средство, имеют срок службы или ресурс, по окончании которого подлежат выводу из эксплуатации. Масштабность и длительность, сложность и капиталоемкость работ по утилизации АПЛ и НК с ЯЭУ, необходимость решения вопросов ядерной, радиационной и экологической безопасности делают проблему комплексной утилизации АПЛ и НК с ЯЭУ приоритетной задачей России.
Одной из важных задач при решении проблемы утилизации ядерных и радиационноопасных объектов является проведение их комплексной дезактивации с целью повторного использования в промышленности дорогостоящих сталей и сплавов после их очистки, а также снижения лучевых нагрузок на обслуживающий персонал.
Другая задача, возникающая при штатной эксплуатации АЭС - проведение регламентных работ, связанных с очисткой узлов АЭС от разного рода наслоений. Одной из наиболее важных является проблема очистки внутренней поверхности трубчатых теплообменников от регулярных эксплуатационных отложений, которые значительно ухудшают передачу тепла, вызывая в конечном итоге существенный перерасход энергоносителей, при этом снижение КПД реактора может достигать 20%.
В настоящее время на атомных станциях накоплено большое количество отработанного оборудования, произведенного из дорогостоящих материалов. Это оборудование хранится в специально отведенных местах, при этом экологическое давление на окружающую среду и расходы на содержание мест захоронения (хранения) весьма значительны.

В настоящее время наиболее распространенными являются химический и электрохимический методы дезактивации радиоактивно загрязненных поверхностей. Эти методы трудоемки, энергоемки, требуют большого количества дорогостоящих расходных материалов (растворы кислот, щелочей, поверхностно-активных веществ) и приводят к образованию значительного количества жидких радиоактивных отходов, хранение, переработка и утилизация которых требует огромных затрат.
Метод лазерной очистки и дезактивации призван облегчить решение перечисленных и многих подобных проблем в атомной технике.
Основными достоинствами лазерной очистки являются:
• дистанционно управляемый процесс, минимизирующий радиационное воздействие на персонал,
• отсутствие загрязнения окружающей среды благодаря эффективным средства сбора продуктов очистки,
• удаление поверхностных радиационных загрязнений в твердой фазе без образования жидких радиоактивных отходов,
• способность очистки и дезактивации деталей сложной геометрической формы, в
том числе возможность очистки внутренних поверхностей деталей сложной
формы (труб теплообменников и т.п.)
• мобильность оборудования.
• высокое качество и эффективность очистки.
Для решения задачи очистки и дезактивации в атомной технике разработано большое количество способов очистки материалов от радиоактивных загрязнений (речь идёт об очистке и дезактивации поверхности, так что подразумевается, что загрязнение локализовано в приповерхностном слое, как это и имеет место на практике). Например, практикуется очистка поверхности при помощи таких традиционных методов, как механическая обдирка поверхности, пескоструйная и водоструйная обработка. Существуют и более технологичные способы дезактивации, например, обработка специальными химическими реагентами, криогенная обработка, обработка струями частиц сухого льда и многие другие.
Так, при очистке труб теплообменников применяются: метод химической очистки (степень очистки - до 20%), метод очистки электромагнитными импульсами на

поглощение электромагнитного излучения, в отличие от поверхностного поглощения металлов и сплавов.
Приповерхностное вещество может быть как газом, так и жидкостью и твёрдым телом. Самый простой случай - лазерная обработка поверхности в воздушной атмосфере. Более сложный для описания сценарий - влажная лазерная очистка, при которой обрабатываемая поверхность покрыта тонким слоем воды. Ряд технологий предполагает обработку дезактивируемой поверхности затвердевающей полимерной композицией и дальнейшую лазерную обработку до или после затвердевания. В этом случае приповерхностным слоем надо считать слой жидкого или твёрдого вещества соответственно. Поглощение лазерного излучения приповерхностным веществом пренебрежимо мало.
Рис. 9 Упрощённая схема взаимодействия лазерного излучения с веществом
Лазерный луч, падающий на поверхность металла, характеризуется длиной волны излучения, размером пятна и углом падения, энергией и длительностью импульса, а также выводимыми из этих параметров плотностью мощности и энергии.
лазерный луч
4 жидкость §Ркоррозионный слой или ЛКП
основной металл
воздух