автореферат диссертации по электронике, 05.27.03, диссертация на тему:Лазерная дезактивация металлических поверхностей

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ

на правах рукописи

Мутин Тимофей Юрьевич

005019378

ЛАЗЕРНАЯ ДЕЗАКТИВАЦИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ

Специальность 05.27.03 — квантовая электроника

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

2 6 ДПР 2012

Санкт-Петербург 2012

005019378

Работа выполнена на кафедре лазерных технологий и экологического приборостроения Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики.

Научный руководитель: д.т.н.. профессор

Вейко Вадим Павлович (НИУ ИТМО)

Официальные оппоненты: д.т.н., профессор

Храмов Валерий Юрьевич (НИУ ИТМО)

кандидат технических наук, генеральный директор Аллас Александр Альбертович (ООО «ТРИЗ-творчество»)

Ведущая организация: ООО «Лазертех»

Защита состоится 15 мая 2012 г. на заседании диссертационного совета Д 212.227.01 в Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики по адресу: 190000, Санкт-Петербург, пер. Гривцова, д. 14, ауд. 314а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики по адресу: 190000, Санкт-Петербург, пер. Гривцова, д. 14.

Автореферат разослан 13 апреля 2012 г.

Отзывы и замечания по автореферату (в двух экземплярах), заверенные печатью, просим направлять в адрес университета: 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр.. 49. секретарю диссертационного совета Д 212.227.01.

Учёный секретарь

диссертационного совета Д 212.227.01

кандидат технических наук, доцент В.М.Красавцев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

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 (АПЛ) 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 радиационно-опасных 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.

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). В настоящее время наиболее распространенными являются химический и

электрохимический методы дезактивации радиоактивно загрязненных поверхностей.

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 установках серии «Зевс» (степень очистки — до 30%), метод очистки высоконапорными установками серии «Хаммельманн» и «Атюмат» (ЗАО «Центр котлоочистка» г. Москва, степень очистки - до 50%), гидромеханический метод установками серии «КРОК» (обеспечивает высокую степень очистки, но снимается часть металла, что ведет к утонынению стенки) и т.д.

Все эти методы обладают многими недостатками. Наиболее общими из них являются образование и вторичный разнос большого количества жидких радиоактивных отходов или пыли, и необходимость присутствия персонала в рабочей зоне. Все они 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.

Очистка и дезактивация поверхности лазерными импульсами лишена всех этих недостатков и не вносит новых, а также обладает большим потенциалом дальнейшего совершенствования как в плане новых физических идей и технологий очистки и дезактивации, так и в отношении значительного усовершенствования оборудования.

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.

Лазерная очистка представляет собой эффективный метод удаления частиц различных материалов и размеров, пленок и покрытий с поверхностей твердых тел. Проблемы очистки поверхностей от примесей и загрязняющих веществ в виде мелких частиц и пленок встают во многих областях человеческой деятельности: промышленности, строительстве, искусстве, медицине и т.п. Области применения лазерной очистки постоянно расширяются, причем ряд применений связан с возможностью проникновения лазерного излучения в вакуумированные объемы и вовнутрь сложных конструкций (например, очистка внутренней поверхности труб от коррозии).

Лазерная очистка - химически чистый и недорогой процесс, который позволяет удалять широкий спектр примесей, включая такие, которые не удаляются традиционными способами, в частности, глубоко внедренные частицы и «толстые» органические пленки. Нижний предел размера удаляемых частиц при лазерной очистке меньше 0.1 мкм. Некоторые задачи, связанные с очисткой, принципиально невозможно решить, не прибегая к лазерным методам, например, удаление некоторых видов загрязнений при реставрационных и дезактивационных работах.

Удаление загрязнений при лазерной очистке может осуществляться не только посредством испарения тонкого слоя основного материала, но и в доиспарительных режимах, в этих случаях термическое воздействие на подложку оказывается незначительным. Также практикуется лазерная очистка в щадящем режиме взрывного испарения смачивающей жидкости (влажная лазерная очистка), а также некоторые другие комбинированные режимы. Возможность изменения в широких пределах параметров облучения позволяет подбирать режим обработки индивидуально для каждого типа загрязнений и поверхности. К преимуществам лазерной очистки относятся также дистанционность, отсутствие механического повреждения поверхности и высокая производительность.

Проведенные исследования [1] показывают, что большая часть радиоактивных загрязнений сосредоточена в приповерхностном корродированном слое толщиной 100-300 мкм, который покрывает поверхности, имеющие непосредственный контакт с охлаждающим агентом, например, водой. Эта пленка главным образом состоит из продуктов коррозии, в состав которых входят оксиды металлов, кальций, а также некоторые другие элементы и радиоактивные включения. Образование пленок происходит при взаимодействии с охлаждающей жидкостью и осаждении радиоактивных продуктов в процессе коррозии.

Как правило, пленки формируют структуру с двумя слоями: плотный тонкий окисный слой, прилегающий к поверхности материала, и пористый внешний слой. Внешний слой имеет особое значение в формировании и накоплении радиоактивного загрязнения, так как обладает высокими абсорбционными свойствами. Кроме того, охлаждающий агент, проникая в поры поверхностного слоя, вымывает растворимые фракции и замещает их нерастворимыми.

Показано, что пленка толщиной 150-200 мкм содержит с своем составе 90-95% радиоактивных продуктов от общего радиоактивного загрязнения материала [2]. Вследствие процессов диффузии некоторая часть радионуклидов из коррозионной пленки может проникнуть в решетку материала на глубину нескольких микрон. Таким образом, удаление только коррозионной пленки с металлической поверхности позволяет значительно уменьшить уровень радиоактивного загрязнения и сделать возможной переработку оборудования. Согласно имеющимся оценкам [3], 80-90% отработанного оборудования в ядерной промышленности имеет поверхностный характер загрязнения и может быть переработано после дезактивации поверхности.

Решение задачи по разработке новой перспективной технологии дезактивации позволит значительно снизить экологическую нагрузку на окружающую среду, уменьшить расходы на процедуры дезактивации и понизить опасность заболевания персонала.

Целью диссертационной работы является изучение процесса лазерной очистки, разработка промышленно применимой технологии дезактивации и рекомендаций по созданию установки для лазерной дезактивации.

Задачи исследования:

1. провести систематические экспериментальные и теоретические исследования процессов, имеющих место при взаимодействии лазерного излучения с поверхностью металла при параметрах, характерных для лазерной очистки;

2. на основе полученных данных создать методику инженерного расчёта технологических параметров процесса очистки;

3. провести исследования спектральных характеристик процесса лазерной очистки с целью создания методики определения степени очистки в режиме онлайн;

4. разработать метод и устройство сбора продуктов лазерной дезактивации;

5. обосновать выбор лазера и режим его работы для создания промышленной установки для дезактивации.

Основные научные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Обработка радиационно-загрязнённой металлической поверхности лазерными импульсами длительностью порядка 100 не на длине волны 1 мкм и с энергетическими параметрами, превышающими пороговые для испарения металла поверхности, приводит к существенному уменьшению радиационной активности поверхности.

2. Коэффициент дезактивации поверхности металла растёт с ростом суммарной поглощённой этой поверхностью лазерной энергии; при этом в экспериментах достигнут коэффициент дезактивации 95%.

3. Степень очистки металлической поверхности может быть определена в процессе обработки путём регистрации и анализа оптических спектров атомов, вылетающих с поверхности в процессе лазерной очистки.

Научная новизна работы:

1. Разработан принцип спектрального контроля параметров лазерной очистки, что в перспективе даст возможность автоматизировать этот процесс.

2. Впервые продемонстрирована корреляция между степенью дезактивации и интенсивностью спектральных линий элементов, специфичных для поверхностного слоя, выделенных из эмиссии лазерной искры непосредственно в процессе очистки.

3. Впервые продемонстрирована эффективность использования волоконных импульсных лазеров для очистки и дезактивации.

4. Предложен метод сбора продуктов лазерной очистки, основанный на использовании электростатического поля вместе с сорбирующей пленкой.

Практическая ценность

1. Разработаны методики и устройства сбора продуктов очистки

2. Разработаны действующие макеты установок для лазерной очистки на основе волоконных лазеров

3. Разработана технология лазерной очистки металлоконструкций от лакокрасочных покрытий

4. Разработана технология лазерной очистки металлопроката от окалины

5. Разработана технология лазерной очистки ступеней эскалатора

6. Разработана технология лазерной дезактивации радиоактивно загрязненных деталей

Реализация результатов работы

Работа частично выполнялась по государственному контракту П968 от 20.08.2009 «Физико-технические основы лазерных технологий и оборудования для очистки и дезактивации узлов атомных энергетических установок». Результаты работы использованы в деятельности ООО «НПП «Лазерные технологии», где создан ряд промышленных технологий очистки (очистка ступеней эскалатора, очистка специзделий от ЛКП, очистка металлопроката от окалины и др.), и в настоящее время завершается создание прототипа мобильного устройства для лазерной дезактивации.

Апробация работы

Результаты работы докладывались на следующих научных конференциях и семинарах:

1. PALS '2011 (Санкт-Петербург)

2. ALT'09 (Turkey)

3. XLI научная и учебно-методическая конференция НИУ ИТМО

4. FLAMN 2010 (Санкт-Петербург)

Структура и объём диссертации

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и приложения. Материалы изложены на 103 страницах, включая 50 рисунков, 13 таблиц и список литературы из 50 наименований на 6 страницах.

Личный вклад автора

Все результаты, представленные в работе, получены самим автором или при его непосредственном участии.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность работы, сформулированы цели и задачи работы, изложена научная новизна полученных результатов, перечислены основные положения, выносимые на защиту.

В Главе 1 представлен обзор существующих методов лазерной очистки и дезактивации различных материалов и работ в этой области.

В разделе 1.1 представлен обзор методов очистки поверхности. Раздел 1.2 содержит обзор работ в области лазерной очистки. Приведены научные работы в этой области.

В разделе 1.3 описаны перспективы применения лазерной очистки в промышленности.

Раздел 1.4 посвящен обзору работ по лазерной дезактивации.

В Главе 2 изложены физические основы лазерной дезактивации

В разделе 2.1 рассмотрен объект исследования - система, состоящая из основного слоя металла, связанного с ним слоя покрытия (в т.ч. поверхностных загрязнений), слоя приповерхностного вещества (как правило, воздушная атмосфера) и падающего на поверхность металла лазерного излучения. Самым распространённым конструкционным материалом является сталь различных марок и сортов. Также широко распространены в качестве конструкционных материалов алюминий, медь, латунь и другие медные сплавы, титан и различные сплавы железа и прочих металлов. Свойства основного слоя металла, имеющие значение

для лазерной дезактивации, это: плотность, теплопроводность и прочие теплофизические характеристики, коэффициент отражения в зависимости от длины волны света, в частности, для длины волны используемого лазерного излучения. Важным свойством любого металла является его высокая поглощательная способность для электромагнитного излучения, что приводит к поверхностному характеру поглощения излучения всех существующих типов лазеров. Слой покрытия может быть различной природы и свойств. Это может быть слой лакокрасочного покрытия (ЛКП), одно- или многослойного. Это может быть слой иного технического покрытия (например, оцинковка). Особо выделим оксидные слои (ржавчину). Особенностью сплавов железа (в т.ч. сталей) является способность железа легко образовывать оксиды при взаимодействии с кислородом воздуха и примесями воды - корродировать. Относительно толстый (10 - 1000 мкм, иногда больше) пористый коррозионный слой -ржавчина - на поверхности стальных конструкций является своего рода накопителем радиоактивных загрязнений. Алюминий, медные сплавы и спецсплавы корродируют намного меньше, но тоже имеют на своей поверхности окисные слои. Свойствами слоя покрытия, имеющими значение для нашего рассмотрения, являются: плотность, толщина, степень связности и энергия диссоциации, пористость, энергия связи со слоем металла, поглощение лазерного излучения. Важным свойством всех типов поверхностных слоев является их объёмное поглощение электромагнитного излучения, в отличие от поверхностного поглощения металлов и сплавов.

В разделе 2.2 перечислены явления, лежащие в основе процесса лазерной очистки. Взаимодействие лазерного излучения со сложной многокомпонентной системой поверхностных слоёв можно в целях упрощения представить в виде совокупности процессов. Главный процесс, определяющий течение остальных процессов - это, как правило, поверхностное поглощение лазерного излучения основным слоем металла. Динамика этого процесса определяет характер всех последующих явлений, устанавливая распределение энергии лазерного излучения по различным каналам. Исключением из этого правила является предварительное разрушение лазерным излучением слоя ЛКП , за которым, впрочем, обязательно следует удаление разрушенного слоя следующим проходом, в котором опять главную роль играет поглощение лазерного излучения основным слоем металла. Другие основные процессы, имеющие место при лазерной очистке поверхности металла, это разлёт лазерной искры (газов и фрагментов поверхности), термомеханическая реакция поверхности металла, фотоэмиссия лазерной искры.

Раздел 2.3 посвящён краткому изложению физики процесса поглощения лазерного излучения поверхностью металла, который широко изучен как теоретически, так и экспериментально. В задачах лазерной очистки поверхности металла, как правило, используется лазерное

излучение с длиной волны, обеспечивающей его поверхностное поглощение. Базовой задачей рассмотрения вопроса является нулевое одномерное приближение - лазерный импульс с известной зависимостью плотности мощности от времени (форма импульса), падая нормально на плоскую однородную поверхность с известными параметрами, поглощается в тонком приповерхностном слое. При этом происходит теплоперенос внутрь толщи материала, описываемый уравнением теплопроводности. По мере разогрева поверхности возникает расплав, затем начинается испарение материала с его истеканием навстречу лазерному потоку. При дальнейшем нагреве происходит частичная ионизация испарённого металла и его оптический пробой - в типичных для лазерной очистки сочетаниях параметров этого не происходит, да и не нужно, ибо это есть перерасход энергии. Обычно очистка металлической поверхности от коррозионного слоя или лакокрасочного покрытия происходит посредством сноса покрывающего слоя струёй паров металла — лазерным факелом.

В разделе 2.4 описаны эксперименты по определению параметров лазерной искры, проведённые для уточнения существующих моделей процесса лазерной очистки и областей их применимости. Было выполнено фотографирование процесса лазерной очистки при помощи быстрых фотокамер JAI CV-A20 CL и AOS X-Motion, что дало возможность узнать важные характеристики процесса: скорость разлёта продуктов очистки, скорость и направление полёта испарённого вещества поверхности, геометрию процесса. Были проведены эксперименты по изучению лазерного факела при очистке металлов с помощью импульсно-периодического волоконного лазера мощностью 50 ватт. Сопоставив полученные экспериментальные данные по фотографированию лазерного факела с результатами проведённых автором численных расчётов, можно сделать следующие выводы: в типичных режимах лазерной очистки лазерное излучение нагревает поверхность металла до температур порядка температуры кипения и выше, создавая вылетающую с поверхности струю пара, содержащую в себе все поверхностные загрязнения в фрагментированном или испарённом виде.

Глава 3 посвящена исследованию взаимосвязи процессов лазерной очистки со степенью дезактивации поверхности

В разделе 3.1 излагается, как с целью проверить корреляцию между поведением спектральных линий и активностью образца были проведены эксперименты в Санкт-Петербургском Государственном Технологическом институте, на кафедре радиационных технологий, в радиационной лаборатории П-го класса. В ходе эксперимента исследуемые образцы были искусственно активированы радионуклидами и подвергнуты лазерной очистке. Активация образцов из металлов и сплавов фиксированным радиоактивным загрязнением осуществлялась путем непосредственного

длительного контакта этих образцов со слабокислыми растворами радионуклидов известной удельной активностью. Внедрение радионуклидов в поверхностный слой предоставленных образцов осуществлялось путем их длительной выдержки в радиоактивном растворе

237 Кр 233 Ря

- смеси 93 и Я в виде химических соединений Мр02(М03)2 и Ра(КОз)з. Для того чтобы исключить выход радиоактивности наружу в процессе облучения образцы упаковывались герметично закрывающиеся полиэтиленовые пакетики. Гамма-спектрометрические измерения образцов проводились на сцинтилляционном гамма-спектрометре со стандартным блоком детектирования БДЭГ-22 (кристаллом ИаЦЕи) 63x63). Расстояние между источником и детектором во всех измерениях составляло 60 мм.

Обработка лазерным излучением проводилась при помощи разработанного при участии автора лазерного комплекса ПЛТУ-50И. Каждый образец помещался в довольно большой контейнер из оргстекла толщиной 3 мм, контейнер герметизировался, чтобы исключить выход сублимированной радиоактивности. По каждой из плоскостей мишени осуществлялось одинаковое количество проходов, скорость каждого прохода оставалась неизменной для всех мишеней. По окончании цикла обработки образцы протирались тампоном, смоченным этиловым спиртом.

Раздел 3.2 посвящен описанию методик проводимых измерений. Измерялась альфа-активность и снимался гамма-спектр каждой из сторон. По результатам гамма-спектрометрии образцов были рассчитаны коэффициенты дезактивации, коэффициенты снятия активности. Была выявлена зависимость (рис.1) между поглощённой поверхностью энергией лазерного излучения и степенью уменьшения радиоактивности поверхности (коэффициента дезактивации). Это обстоятельство хорошо согласуется с поведением линий кислорода в спектрах лазерного факела, измеренных при очистке этих образцов.

• Сивь» трратрйттт мящт$тт ттчш

* Ояспвинаяповврхиосгь»«»апла

а

»0 ж за «в я

Плотность анергии, ДжШ.см.

Рис.1 Зависимость между плотностью лазерной энергии,

поглощённой поверхностью, и коэффициентом дезактивации

В разделе 3.3 описаны микроскопические измерения, проведённые для выявления взаимосвязей между режимами лазерной обработки и качеством. Были выполнены исследования по очистке и микроструктурированию шлифованной поверхности алюминиевого сплава. Микроструктурированные и очищенные образцы исследовались методом оптической микроскопии. Образец - плита толщиной 3 мм - была распилена на образцы 15x15 мм. Далее поверхность образцов обрабатывалась при помощи импульсного волоконного лазера. Изменяемыми параметрами были: энергия импульса, частота следования импульсов, скорость сканирования, а так же размеры пятна в которое фокусировалось лазерное излучение. После обработки были сделаны фотографии поверхности с увеличением в 200 и 500 раз. При исследовании образцов с увеличением в 500 раз была использована иммерсионная жидкость (касторовое масло). Микроскопические исследования позволили выявить зависимости качества очистки от режима лазерной обработки.

Глава 4 посвящена разработке методов контроля и автоматизации процесса лазерной дезактивации.

Раздел 4.1 посвящен описанию метода лазерно-индуцированной эмиссионной спектроскопии (ЛИЭС) и его приложениям к лазерной очистке. Для создания промышленной технологии дезактивации необходимо решить задачу автоматизации контроля качества очистки. Поверхности, подлежащие очистке, могут быть неоднородными, иметь сложную форму, нести на себе коррозионные слои различной толщины.

Различные участки поверхности могут требовать различной плотности энергии для достижения необходимой степени очистки. На данный момент не существует систем, позволяющих в режиме реального времени отслеживать степень очистки поверхности, и её оценка ведётся посредством визуального осмотра оператором - «на глазок». В данной работе предложен и обоснован принцип контроля качества очистки по спектральным характеристикам излучения лазерной искры. В дальнейшем этот принцип может лечь в основу создания автоматических систем контроля степени очистки в составе промышленных установок для лазерной дезактивации.

Процесс лазерной очистки состоит в удалении поверхностных загрязнений путем их перевода в газообразную или пылевую фракцию за счет локального лазерного нагрева. При взаимодействии лазерного излучения (с параметрами, характерными для процесса лазерной очистки) с металлом тонкий поверхностный слой быстро разогревается и возникает приповерхностная сопутствующая плазма, излучающая свет. Спектр излучаемого света несёт информацию о химическом составе поверхности. Заметим, что на спектральном анализе испаряемых с поверхности объекта атомов основан метод лазерно-искровой эмиссионной спектроскопии [5,6] (ЛИЭС, в зарубежной литературе LIBS) сущность которого состоит в возбуждении лазерной плазмы, последующей регистрации спектров ее излучения и их анализе.

В разделе 4.2 описаны эксперименты по лазерной очистке поверхностей различных металлов от различных загрязнений, проведённые для подтверждения применимости метода ЛИЭС для создания на его основе системы контроля качества очистки. Сбор спектральной информации был осуществлён при помощи многоканального спектрометра LIBS2500. В экспериментах с корродированной сталью получена корреляция между интенсивностью линий кислорода и степенью очистки поверхности. Интенсивность линий кислорода максимальна при первом цикле обработки и снижается до минимума при последующих. Такой же результат получен для загрязнения свинцом.

Поскольку исследования показывают, что оксидная пленка толщиной 150-200 мкм содержит с своем составе 90-95 % радиоактивных продуктов от общего радиоактивного загрязнения материала, содержание кислорода на поверхности очевидным образом связано со степенью радиоактивного загрязнения. Специально проведённая серия опытов на одинаковых образцах подтвердила эту гипотезу, установив прямое соответствие между измеряемым уровнем радиоактивности и относительной интенсивностью линий кислорода при многократной лазерной обработке.

В разделе 4.3 суммируются полученные результаты, которые позволяют сделать однозначный вывод о положительном решении поставленной задачи, то есть о применимости метода ЛИЭС для оценки

степени очистки поверхности. Приведена возможная схема контура обратной связи автоматической системы контроля качества очистки.

В Главе 5 рассматриваются вопросы оптимизации параметров лазерного источника.

В разделе 5.1 изложены общие соображения по теме главы. Выбор источника лазерного излучения - важнейшая составляющая проектирования промышленной установки для лазерной дезактивации.

В разделе 5.2 проводится сравнение волоконных и твердотельных лазеров. Оба указанных типа лазеров могут быть использованы для решения задач лазерной очистки и дезактивации. Выбор между этими типами лазеров должен быть сделан с учётом особенностей конкретной задачи.

Глава 6 посвящена разработке экспериментального оборудования и технологии лазерной дезактивации

В разделе 6.1 выведена классификация оборудования и показаны возможные принципиальные схемы установок. Оборудование для лазерной дезактивации можно разделить по отношению к обрабатываемой поверхности на две категории - стационарное и мобильное. Мобильная установка перемещается для достижения рабочего контакта с объектом дезактивации, стационарная установка не перемещается, напротив, объект дезактивации перемещают к ней. Стационарное оборудование может располагаться как на заводских площадях, так и в непосредственной близости от объекта дезактивации. Мобильная установка для лазерной дезактивации может быть использована в полевых условиях. Каждая конфигурация имеет свои преимущества и недостатки.

В рамках данной работы был создан ряд устройств для демонстрации конструктивных и технологических принципов лазерной дезактивации. Все эти устройства используются в качестве экспериментальных макетов и демонстрационного оборудования.

Устройство МЛТУ-10и (рис.2) представляет собой прототип автономного робота-дезактиватора.

Рис.2 МЛТУ-Юи

Устройство предназначено для очистки и дезактивации металлических поверхностей от окисных пленок, ржавчины, остатков старых покрытий и краски, различных органических и неорганических загрязнений. Небольшой вес и компактные размеры устройства позволяют производить очистку металлических конструкций на месте расположения, без демонтажа, а также производить сухую поверхностную дезактивацию радиоактивно загрязненных поверхностей в полевых условиях. Воздействие лазерного излучения на материал настолько краткосрочное, что вся энергия импульса поглощается слоем загрязнений, что дает возможность использовать данное устройство для очистки предметов старины, металлического декора, произведений искусства.

На рис. 3 представлена фотография устройства ПЛТУ-50и. Эта установка предназначена для сухой очистки различных материалов: сварных кромок и швов, металлов и сплавов от окалины, металлических и каменных поверхностей от всевозможных загрязнений органического и неорганического происхождения, металлизированных покрытий, остатков краски и пр., удаления коррозионных слоев. Устройство ПЛТУ-50и было использовано в различных экспериментах и демонстрациях, в том числе в экспериментах, описанных в главе 3.1.

Рис.3 ПЛТУ-50и

Устройство ПЛТУ-50и наиболее близко к концепции мобильного устройства для дезактивации. Эксперименты с участием этого устройства проводились как в лаборатории, так и в полевых условиях, в т.ч. в условиях заводских цехов. Компоновка устройства допускает его дальнейшее усовершенствование путём размещения излучателя в заплечном ранце и доведения эргономики сканирующей головы до качества ручного инструмента. Как прототип мобильной установки для лазерной дезктивации устройство ПЛТУ-50и показало себя вполне работоспособным. Устройство демонстрировалось на выставке-конгрессе «Высокие технологии. Инновации. Инвестиции» и получило диплом II степени и серебряную медаль на конкурсе проектов в номинации «лучшая научно-техническая разработка года».

Раздел 6.2 посвящен системам сбора продуктов очистки. Одна из основных технологических проблем, возникающих при решении задачи дезактивации - сбор продуктов очистки. Эти продукты, существующие в основном в твёрдой (пылевой) фазе, необходимо полностью собрать в виде, пригодном для дальнейшей утилизации. Существует несколько вариантов решения этой задачи. Первый - использование классического принципа «пылесоса» - вакуумное отсасывание воздуха из зоны очистки с промежуточной фильтрацией. Второй - применение после лазерной очистки стандартных дезактивационных процедур из разряда промывки спецрастворами. Третий метод - лазерная очистка через адсорбирующую плёнку, прозрачную для лазерного луча. Достичь полного осаждения продуктов очистки на плёнку предполагается с помощью электрического поля, подана заявка на патент в классе МПК: 021Б 9/00, В23К 26/00 «Способ удаления радиоактивной пленки с поверхности объекта».

В заключении дано общее описание полученных результатов, а также резюмирована научная новизна, актуальность и практическая ценность работы.

В Приложении приведены акты внедрения полученных результатов.

Основные выводы и результаты работы:

- обоснован и разработан новый подход к контролю качества очистки, основанный на регистрации спектров испускания вылетающих с поверхности атомов (загрязняющих элементов и основного материала);

- проведены всесторонние измерения результатов лазерной дезактивации по альфа- и гамма- активности, установлена связь между степенью дезактивации и эмиссионными спектрами вещества, что позволяет создать концепцию автоматического контроля качества лазерной очистки на основе спектроскопии лазерного факела;

- выработаны рекомендации для дальнейшей работы по созданию промышленной системы лазерной дезактивации.

Получены и систематизированы экспериментальные данные, касающиеся физических параметров процесса, которые положены в основу создания модели процесса лазерной очистки. Проведённые исследования носят разноплановый характер. При помощи фотографических измерений измерены геометрические и временные параметры взаимодействия лазерного излучения с веществом. Изучены аспекты поведения спектральных линий элементов при лазерной очистке, создана спектроскопическая модель процесса. Проведены микроскопические исследования поверхностей металлов после лазерной очистки, что дало возможность проверить модельные представления и дополнить базу знаний о лазерной очистке ещё одним ракурсом измерений. Измерения технологических параметров процесса, имеющие место при всех экспериментах, делают возможным создание готовой к внедрению промышленной технологии лазерной дезактивации.

Основные результаты диссертации опублкованы в следующих работах:

1. В.П.Вейко, Т.Ю.Мутин, В.Н.Смирнов, Г.Д.Никишин, Е.А.Шахно «Лазерная очистка и дезактивация поверхностей металлов: физические процессы и применения» Лазер-Информ №1-2 январь 2008 стр. 8 - 16

2. Veiko V.P., Mutin T.Y., Smimov V.N., Shakhno E.A., Batishche S.A. «Laser cleaning of metal surfaces: physical processes and applications» Proceedings of SPIE, v.6985,2008

3. Вейко В.П., Мутин Т.Ю., Смирнов В.Н., Шахно Е.А., Батшце

С.А. «Лазерная очистка поверхностей металлов: физические процессы и применение» Известия ВУЗов. Приборостроение, тематический выпуск «Лазерные микро- и нанотехнологии», т.51, №4, 2008, с.30-36

4. Veiko V.P., Mutin T.Y., Smirnov V.N., Volkov S.A. «Cleaning laser spark spectroscopy for online cleaning quality control method development» Proceedings of SPIE, v.7996,2011

5. Veiko V.P., Mutin T.Y., Smirnov V.N., Shakhno E.A. «Laser decontamination of radiation polluted surfaces» Laser Physics, Vol. 21, No. 3, pp. 608-613,2011

6. Вейко В.П., Волков С.А., Мутин Т.Ю., Смирнов В.Н. «О

возможности спектроскопического контроля процесса лазерной очистки» Известия ВУЗов. Приборостроение, тематический выпуск «Лазерные технологии в приборостроении», т.54, №2, 2011, с. 65-68

7. Вейко В.П., Кишалов А. А., Мутин Т.Ю., Смирнов В.Н.

«Перспективы индустриальных применений лазерной очистки материалов.» Вестник информационных технологий, механики и оптики, 2012, № ?

Подписано в печать 09.04.2012г. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 2572.

Отпечатано в ООО «Издательство "ЛЕМА"» 199004, Россия, Санкт-Петербург, В.О., Средний пр., д. 24 тел.: 323-30-50, тел./факс: 323-67-74 e-mail: izd_lema@mail.ru http://www.lemaprint.ru

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ

61 12-5/3175

Мутин Тимофей Юрьевич

ЛАЗЕРНАЯ ДЕЗАКТИВАЦИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ

Специальность 05.27.03 - квантовая электроника

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.т.н, проф. Вейко В.П

Санкт-Петербург 2012

Введение........................................................................................................................3

Глава 1 Лазерная очистка в различных отраслях промышленности.........................9

1.1 Обзор методов очистки поверхности..................................................................9

1.2 Обзор работ в области лазерной очистки........................................................13

1.3 Некоторые применения лазерной очистки.......................................................19

1.4 Обзор работ по лазерной дезактивации...........................................................30

Глава 2 Физические основы лазерной дезактивации...............................................34

2.1 Объект исследования........................................................................................34

2.2 Явления, лежащие в основе лазерной очистки...............................................36

2.3 Физика процесса поглощения лазерного излучения металлом......................38

2.4 Эксперименты по определению параметров лазерной искры........................41

2.5 Численное моделирование процесса лазерного разогрева поверхности.....44

Глава 3 Исследование взаимосвязи параметров лазерной очистки со степенью дезактивации поверхности.........................................................................................47

3.1 Эксперименты с радиоактивными образцами..................................................47

3.2 Методики измерений..........................................................................................50

3.3 Микроскопия поверхности, очищенной лазером.............................................55

Глава 4 Разработка методов контроля и автоматизации процесса лазерной дезактивации...............................................................................................................60

4.1 Метод ЛИЭС и его применение к задачам лазерной очистки.........................60

4.2 Эксперименты, подтверждающие применимость ЛИЭС.................................64

4.3 Система контроля качества очистки на основе ЛИЭС....................................76

Глава 5 Оптимизация параметров лазерного источника.........................................77

5.1 Общие соображения выбора лазерного источника.........................................77

5.2 Сравнение волоконных и твердотельных лазеров..........................................80

Глава 6 Разработка экспериментального оборудования и технологии лазерной дезактивации...............................................................................................................81

6.1 Принципиальные схемы установок для лазерной дезактивации...................81

6.2 Системы сбора продуктов очистки...................................................................86

6.3 Применение результатов работы в промышленности....................................91

Заключение..................................................................................................................97

Литература...................................................................................................................98

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 радиационно-опасных 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

установках серии «Зевс» (степень очистки - до 30%), метод очистки высоконапорными установками серии «Хаммельманн» и «Атюмат» (ЗАО «Центр котлоочистка» г. Москва, степень очистки - до 50%), гидромеханический метод установками серии «КРОК» (обеспечивает высокую степень очистки, но снимается часть металла, что ведет к утоныпению стенки) и т.д.

Все эти методы обладают многими недостатками. Наиболее общими из них являются образование и вторичный разнос большого количества жидких радиоактивных отходов или пыли, и необходимость присутствия персонала в рабочей зоне.

Очистка и дезактивация поверхности лазерными импульсами лишена всех этих недостатков и не вносит новых, а также обладает большим потенциалом дальнейшего совершенствования как в плане новых физических идей и технологий очистки и дезактивации, так и в отношении значительного усовершенствования оборудования.

Лазерная очистка представляет собой эффективный метод удаления частиц различных материалов и размеров, пленок и покрытий с поверхностей твердых тел. Проблемы очистки поверхностей от примесей и загрязняющих веществ в виде мелких частиц и пленок встают во многих областях человеческой деятельности: промышленности, строительстве, искусстве, медицине и т.п. Области применения лазерной очистки постоянно расширяются, причем ряд применений связан с возможностью проникновения лазерного излучения в вакуумированные объемы и вовнутрь сложных конструкций (например, очистка внутренней поверхности труб от коррозии).

Лазерная очистка - это химически чистый и недорогой процесс, который позволяет удалять широкий спектр примесей, включая такие, которые не удаляются традиционными способами, в частности, глубоко внедренные частицы и «толстые» органические пленки. Нижний предел размера удаляемых частиц при лазерной очистке меньше 0.1 мкм. Некоторые задачи, связанные с очисткой, принципиально невозможно решить, не прибегая к лазерным методам, например, удаление некоторых видов загрязнений при реставрационных и дезактивационных работах.

При лазерной очистке удаление загрязнений может осуществляться не только

посредством испарения тонкого слоя основного материала, но и в доиспарительных

режимах, в этих случаях термическое воздействие на подложку оказывается

незначительным. Также практикуется лазерная очистка в щадящем режиме взрывного

испарения смачивающей жидкости (влажная лазерная очистка), а также некоторые другие

комбинированные режимы. Возможность изменения в широких пределах параметров

5

облучения позволяет подбирать режим обработки индивидуально для каждого типа поверхности. К преимуществам лазерной очистки относятся также дистанционность, отсутствие механического повреждения поверхности и высокая производительность.

Исследования [1] показывают, что большая часть поверхностных радиоактивных загрязнений сосредоточена в приповерхностном корродированном слое толщиной 100— 300 мкм, который покрывает поверхности, имеющие непосредственный контакт с охлаждающим агентом, например, водой. Эта пленка главным образом состоит из продуктов коррозии, в состав которых входят оксиды металлов, кальций, а также некоторые другие элементы и радиоактивные включения. Образование пленок происходит при взаимодействии с охлаждающей жидкостью и осаждении радиоактивных продуктов в процессе коррозии.

Как правило, пленки формируют структуру с двумя слоями: плотный тонкий окисный слой, прилегающий к поверхности материала, и пористый внешний слой. Внешний слой имеет особое значение в формировании и накоплении радиоактивного загрязнения, так как обладает высокими адсорбционными свойствами. Кроме того, охлаждающий агент, проникая в поры поверхностного слоя, вымывает растворимые фракции и замещает их нерастворимыми.

Показано, что пленка толщиной 150-200 мкм содержит с своем составе 90-95% радиоактивных продуктов от общего радиоактивного загрязнения материала [1]. Вследствие процессов диффузии некоторая часть радионуклидов из коррозионной пленки может проникнуть в решетку материала на глубину нескольких микрон. Таким образом, удаление только коррозионной пленки с металлической поверхности позволяет, значительно уменьшить уровень радиоактивного загрязнения и сделать возможной переработку оборудования. Согласно имеющимся оценкам [2], 80-90% отработанного оборудования в ядерной промышленности имеет поверхностный характер загрязнения и может быть переработано после дезактивации поверхности

Решение задачи по разработке новой перспективной технологии дезактивации позволит значительно снизить экологическую нагрузку на окружающую среду, уменьшить расходы на процедуры дезактивации и понизить опасность заболевания персонала.

Целью диссертационной работы является изучение процесса лазерной очистки, разработка промышленно применимой технологии дезактивации и рекомендаций по созданию установки для лазерной дезактивации.

Задачи исследования:

1. провести систематические экспериментальные и теоретические исследования процессов, имеющих место при взаимодействии лазера с вещестом при параметрах, характерных для лазерной очистки;

2. на основе полученных данных создать методику полевого расчёта технологических параметров процесса очистки;

3. провести исследования спектральных характеристик процесса лазерной очистки с целью создания методики определения степени очистки в режиме онлайн;

4. разработать метод и устройство сбора продуктов лазерной дезактивации;

5. обосновать выбор лазерного источника и режим его работы для создания промышленной установки для дезактивации.

Основные научные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Обработка радиационно-загрязнённой металлической поверхности лазерными импульсами длительностью порядка 100 - 200 не с длиной волны 1 мкм и с энергетическими параметрами, превышающими пороговые для испарения металла поверхности, приводит к существенному уменьшению радиационной активности поверхности.

2. Коэффициент дезактивации поверхности металла растёт с ростом суммарной поглощённой этой поверхностью лазерной энергии; при этом в экспериментах достигнут коэффициент дезактивации 95%.

3. Степень очистки металлической поверхности может быть определена в процессе обработки путём регистрации и анализа оптических спектров атомов, вылетающих с поверхности в процессе лазерной очистки.

Научная новизна работы:

1. Разработан принцип спектрального контроля параметров лазерной очистки, что в

перспективе даст возможность автоматизировать этот процесс.

2. Впервые продемонстрирована корреляция между степенью дезактивации и интенсивностью спектральных линий элементов, специфичных для поверхностного слоя, выделенных из эмиссии лазерной искры непосредственно в процессе очистки.

3. Впервые продемонстрирована эффективность использования волоконных импульсных лазеров для очистки и дезактивации.

4. Предложен метод сбора продуктов лазерной очистки, основанный на использовании электростатического поля вместе с сорбирующей пленкой.

Практическая ценность

1. Разработаны методики и устройства сбора продуктов очистки

2. Разработаны действующие макеты установок для лазерной очистки на основе волоконных лазеров

3. Разработана технология лазерной очистки металлоконструкций от лакокрасочных покрытий

4. Разработана технология лазерной очистки металлопроката от окалины

5. Разработана технология лазерной очистки ступеней эскалатора

6. Разработана технология лазерной дезактивации радиоактивно загрязненных деталей

Реализация результатов работы

Работа частично выполнялась по государственному контракту П968 от 20.08.2009 «Физико-технические основы лазерных технологий и оборудования для очистки и дезактивации узлов атомных энергетических установок». Результаты работы использованы в деятельности ООО «НПП «Лазерные технологии», где создан ряд промышленных технологий очистки (очистка ступеней эскалатора, очистка специзделий от ЛКП, очистка металлопроката от окалины и др.), и в настоящее время завершается создание прототипа мобильного устройства для лазерной дезактивации.

Апробация работы

Результаты работы докладывались на следующих научных конференциях и семинарах:

1. PALS'2011 (Санкт-Петербург)

2. ALT'09 (Turkey)

3. XLI научная и учебно-методическая конференция НИУ ИТМО

4. FLAMN 2010 (Санкт-Петербург)

Структура и объём диссертации

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и приложения. Материалы изложены на 101 странице, включая 55 рисунков, 10 таблиц и список литературы из 38 наименований на 4 страницах.

Личный вклад автора

Все результаты, представленные в работе, получены самим автором или при его непосредственном участии.

Глава 1 Лазерная очистка в различных отраслях промышленности

1.1 Обзор методов очистки поверхности

Долгое время практически единственным методом дезактивации оставался способ ручной очистки с применением широкого спектра химических реагентов - от поверхностно-активных веществ до концентрированных кислот и щелочей. Данный способ, помимо низкой производительности и малой эффективности, несет угрозу здоровью персонала и окружающей среде. Кроме того, многие объекты, такие, как внутренние поверхности трубопроводов этим методом очистить практически невозможно. Быструю очистку ровных поверхностей могут обеспечить механизированные инструменты, но поверхности при этом повреждаются и быстро изнашиваются. Механическую очистку проводят с использованием вращающихся проволочных щеток, машин для зачистки абразивными шкурками, абразивных