Лазерная дезактивация металлических поверхностей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.03, кандидат технических наук Мутин, Тимофей Юрьевич

• Мутин, Тимофей Юрьевич
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Мутин, Тимофей Юрьевич

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 диссертации (часть автореферата) на тему «Лазерная дезактивация металлических поверхностей»

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.

Заключение диссертации по теме «Квантовая электроника», Мутин, Тимофей Юрьевич

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.

Проведённые исследования наряду с представленными результатами по дезактивации позволили опробовать в опытно-промышленных разработках и рекомендовать к внедрению в промышленность ряд перспективных применений метода лазерной очистки, в частности, технологию лазерной очистки металлоконструкций от лакокрасочных покрытий, технологию лазерной очистки металлопроката от окалины, технологию лазерной очистки ступеней эскалатора и другие применения, перечисленные в разделе 6.3.

Заключение

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Мутин, Тимофей Юрьевич, 2012 год

Литература

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. Г.Д. Никишин, В.Н. Смирнов «Применение лазерной дезактивации при утилизации АЛЛ в Россудостроении», IV Международная конференция «Радиационная безопасность: Экология - Атомная энергия», Санкт-Петербург, 24-28 сентября 2001г. Сборник трудов.

3. Fourrier Т., Schrems G., Muhlberger Т. et al. Laser cleaning of polymer surface. Appl. Physics A, v.72, 2001, p.1-6.

4. Oltra R., Arenholz E., Leiderer P. et al. Modelling and diagnostic of pulsed laser-solid interaction. Applications to laser cleaning. Proceeding of SPIE, vol. 3885, 2000, p. 499508.

5. Lu Y.F., Song W.D., Zhang Y., Low T.S. Theoretical model and experimental study for dry and steam laser cleaning. Proceedings of SPIE, v. 3550, 1998, p.7-18.

6. Lu Y.F., Ren Z.M. Laser microprocessing and the applications in microelectronics industry. Proceedings of SPIE, v.4157, p. 191-199.

7. Imen K., Lee S. J., Allen S.D. Laser-assisted micron scale particle removal. Appl. Phys. Let. v. 58, No 2, 1991, p. 203.

8. Zapka W., Ziemlich W., Tam A.C. Efficient pulsed laser removal of 0.2 _m sized particles from a solid surface. Appl. Phys. Letters, v. 58, No 20, 1991, p. 2217-2219.

9. Boneberg J., Mosbacher M., Dobler V., Leiderer P. Dry and steam laser cleaning of Si surfaces: efficiencies and problems. Proceeding of IX International Conference on LaserAssisted Microtechnology, St.-Petersburg, Russia, 2000, p. 43-44.

10. Leiderer P., Boneberg J., Dobler V. et al. Laser-induced particle removal from silicon wafers. Proceeding of SPIE, vol. 4065,2000, p.249.

11. Mosbacher M., Dobler V., Boneberg J., Leiderer P. Universal threshold for the stream laser cleaning of submicron spherical particles from silicon. Applied Physics A, v.70, 2000, p.669-672.

12. Mosbacher M., Chaoui N., Siegel J. et al. A comparison of ns and ps steam laser cleaning of Si surfaces. Applied Physics A, v.69,1999, p.S331-S334.

13. Leiderer P., Boneberg J., Mosbacher M. et al. Laser cleaning of silicon surfaces. Proceeding of SPIE, vol. 3274,1998, p.68-77.

14. Lu Y.F., Zhang Y., Wan Y.H., Song W.D. Laser cleaning of silicon surface with deposition of different liquid films. Applied Surface Science, v. 138-139, 1999, p.140-144.

15. Mosbacher M., Münzer HJ., Zimmermann J. et al. Optical fields enhancement effects in laser-assisted particle removal. Applied Physics A, v.72, 2000, p.41-44.

16. Lu Y.F., Song W.D., T.C. Low. Laser cleaning of micro-particles from a solid surface -theory and applications. Materials Chemistry and Physics, vol. 54,1998, p.181-185.

17. Yavas O., Leiderer P., Park H.K. et al. Optical reflectance and scattering studies of nucleation and growth of bubbles at liquid-solid interface induced by pulsed laser heating. Physical Review Letters, v. 70, No 12, 1993, p. 1830-1833.

18. Lu Y.F., Zhang Y., Song W.D., Chan D.S. A theoretical models for laser cleaning of microparticles in a thin liquid layer. Japan Journal of Applied Physics, v. 37, 1998, p.L1330-L1332.

19. Lu Y.F., Song W.D., Tee C.K. et al. Wavelength effects in the laser cleaning process. Japan Journal of Applied Physics, vol. 37, 1998, p.840-844.

20. Pasquet P., DelCoso R., Boneberg J. et al. Laser cleaning of oxide iron layer: efficiency enhancement due to electrochemical induced absorptivity change. Applied Physics A, v.69,1999, p.S727-S730.

21. Song D.S, Lu Y.F., Hong M.N., Low T.C. Laser cleaning of magnetic disks. Proceedings of SPIE, vol. 3550, 1998, p. 19-26.

22. Meja P., Autric M., Delaporte P., Alloncle P. Dry laser cleaning of anodised aluminium. Appl. Phys. A, v.69, No 6,1999.

23. Lassithiotaki M., Athanasiou A., Anglos D. et al. Photochemical effects in the UV laser ablation of polymers: Implications for laser restoration of artworks. Applied Physics A, v.69,1999, p.363-367.

24. Georgiou S., Zafiropoulos V., Anglos D. et al. Excimer laser restoration of painted artworks procedures, mechanisms and effects. Applied Surface Science, v. 127-129, 1998, p.738-745.

25. Лукьянчук B.C., Жэнг Ю.В., Лу И.Ф. К вопросу о механизме сухой лазерной очистки. Известия РАН, сер. физ., т.65, №4, 2001, с.591-600.

26. Dobler V., Oltra R., Boquillon J.P. et al. Surface acceleration during dry laser cleaning of silicon. Applied Physics A, v.69, 1999, p.S335-S337.

27. Yavas O., Schilling A., Bischof J. et al. Study of nucleation processes during laser cleaning of surfaces. Laser Physics, v.7, No 2, 1997, p.343-348.

28. Yavas O., Schilling A., Bischof J. et al. Bubble nucleation and pressure generation during laser cleaning of surface. Applied Physics A, v.64, 1997, p.331-339.

29. Вейко В. П., Мутин Т.Ю., Смирнов В. Н., Шахно Е. А., Батище С. А. Лазерная очистка поверхностей металлов: физические процессы и применение. Приборостроение №4.2008. С. 30-36

30. Drakaki Е., Karydas A.G., Klinkenberg В., Kokkoris М., Serafetinides А.А., Stavrou Е., Vlastou R., Zarkadas С. Laser cleaning on Roman coins. // Applied Physics. A 79. 2004. P. 1111-1115.

31. Bordalo Rui, Morais Paulo J., Gouveia Helena, Young Christina. Laser Cleaning of Easel Paintings: An Overview // Laser Chemistry. Vol. 2006.

32. Delaporte et al. Radioactive oxide removal by XeCl laser Applied Surface Science 197198 (2002) pp826-830

33. Michael Savina et al. Efficiency of concrete removal with a pulsed Nd:YAG laser Journal of Laser Applications V12, N5 October 2000

34. V. P. Veiko, E. A. Shakhno, V. N. Smirnov, G. D. Nikishin and S. P. Rho Laser Ablation and Local Deposition: Physical Mechanisms and Application for Decontamination of Radioactive Surfaces Journal of the Korean Physical Society, Vol. 51, No. 1, July 2007, pp. 345-351

35. A.A. Ковалёв, С.П. Жвавый, Г.Л. Зыков «Динамика лазерно-индуцированных фазовых переходов в теллуриде кадмия» Физика и техника полупроводников, 2005, т.39, выпуск 11, стр 1345 - 1349

36. П.В.Короленко, Взаимодействие излучения с веществом., 2011.

37. L.A. Golovan, В.А. Markov, Р.К. Kashkarov, V.Yu. Timoshenko. Sol. St. Commun., 108 (10), 707 (1998).

38. С.И.Анисимов, Я.А.Имас, Г.С.Романов, Ю.В.Ходыко «Действие излучения большой мощности на металлы» М., Наука, 1970