不銹鋼放射性模擬樣片在空氣中的激光去污技術(shù)

馬梅花，高智星，湯秀章，鄭佐西，朱欣研，張 怡，劉雨昕

不銹鋼放射性模擬樣片在空氣中的激光去污技術(shù)

馬梅花1，高智星2，湯秀章2，鄭佐西1，朱欣研1，張 怡1，劉雨昕1

采用APEX放電型準(zhǔn)分子激光器作為激光光源，用低放廢液制備不銹鋼放射性模擬樣片，在激光去污裝置上開(kāi)展激光去污工藝參數(shù)的研究。通過(guò)考察不同的輻照強(qiáng)度、脈沖頻率、輻照角度及掃描速率參數(shù)對(duì)不銹鋼放射性模擬樣片表面去污因子DF的影響，獲得了激光去污工藝參數(shù)。在此參數(shù)下對(duì)模擬樣片表面的去污因子大于200，剝離厚度小于20 μm。

激光去污；放射性模擬樣片；工藝參數(shù)

激光去污技術(shù)是近年興起的一種新型的去污技術(shù)[1]，該技術(shù)利用激光束將金屬表面燒蝕或利用特種氣體與核素發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)而氣化的原理，實(shí)現(xiàn)放射性核素從污染表面分離的技術(shù)。由于激光燒蝕和光化學(xué)反應(yīng)效率高，因此污染表面能夠得到很好去污[2-6]。激光去污技術(shù)與常規(guī)去污技術(shù)相比具有明顯的優(yōu)點(diǎn)：產(chǎn)生的二次廢物極少；不需要帶壓操作；利用光纖和機(jī)器人技術(shù)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離操控。因此激光去污技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用方面已經(jīng)開(kāi)展了很多研究，但在核設(shè)施去污方面的研究國(guó)內(nèi)尚未開(kāi)展。

本研究在調(diào)研的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)考察激光去污工藝參數(shù)對(duì)不銹鋼放射性模擬樣片表面去污效果的影響，擬為該技術(shù)的工程應(yīng)用打下研究基礎(chǔ)。另外，由于使用放射性模擬樣片進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，激光去污產(chǎn)生的等離子體暫沒(méi)有在本實(shí)驗(yàn)中分析考察。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器及其他

HW-10型紅外線快速干燥箱，北京興爭(zhēng)儀器設(shè)備廠；電熱鼓風(fēng)干燥箱，重慶四達(dá)試驗(yàn)儀器公司；微量取樣器，大龍儀器設(shè)備(北京)公司；低本底α、β譜儀，北京核儀器廠；APEX248放電型準(zhǔn)分子激光器，匈牙利大學(xué)實(shí)驗(yàn)物理系；激光去污裝置(非標(biāo))，自行設(shè)計(jì)加工。

低放廢液，中國(guó)原子能科學(xué)研究院放射化學(xué)研究所301室提供。

1.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

將一定量的放射性廢液滴在處理過(guò)的不銹鋼樣片表面，經(jīng)過(guò)反復(fù)高溫烘烤、稀硝酸清洗、去離子水清洗等制備實(shí)驗(yàn)用模擬樣片。將制作好的模擬樣片放置在激光去污裝置的樣品架上，以APEX248放電型準(zhǔn)分子激光器作為激光光源，在樣片表面形成約1.8 mm×0.56 mm光斑，在不同的輻照強(qiáng)度、脈沖頻率、輻照角度和掃描速率下開(kāi)展激光對(duì)不銹鋼放射性模擬樣片去污能力研究，通過(guò)改變激光的強(qiáng)度、頻率、掃描速率和輻照角度，采用低本底α、β譜儀測(cè)量去污前后的放射性計(jì)數(shù)，測(cè)量時(shí)間300 s，儀器效率分別為67.4%(α)、69.4%(β)。計(jì)算去污因子DF，從而優(yōu)化激光去污工藝參數(shù)。

去污因子DF計(jì)算公式如下：

DF=(C0-Cb)/(C1-Cb)

其中：C0，去污前放射性計(jì)數(shù)；Cb，本底計(jì)數(shù)；C1，去污后放射性計(jì)數(shù)。

2 結(jié)果與討論

實(shí)驗(yàn)所用的放射性廢液pH≈9.17，含鹽量w≈0.425%，電導(dǎo)率6.35 μs/cm，廢液放射性活度濃度約為105kBq/L，主要含137Cs、60Co等核素。制備的不銹鋼放射性模擬樣片表面污染水平約25 Bq/cm2，主要的污染核素是137Cs、60Co等。

2.1 輻照強(qiáng)度對(duì)不銹鋼放射性模擬樣片表面去污因子的影響

在脈沖頻率為10 Hz、掃描速率0.5 mm/s、輻照角度15°下考察激光輻照強(qiáng)度分別為1、3、5、7、10、12 J/cm2時(shí)，激光輻照強(qiáng)度對(duì)放射性模擬樣片去污能力的影響，結(jié)果示于圖1。由圖1可知，在脈沖頻率為10 Hz、掃描速率0.5 mm/s、輻照角度15°下，放射性模擬樣片表面去污因子隨激光輻照強(qiáng)度的增強(qiáng)而增大。輻照強(qiáng)度小于3 J/cm2時(shí)，去污因子均小于100，不銹鋼合金的表面損傷閾值約2 J/cm2，考慮到激光傳輸過(guò)程中能量的損失，只有激光的輻照強(qiáng)度高于5 J/cm2時(shí)，去污效果才更明顯，因此輻照強(qiáng)度選為7 J/cm2。

脈沖頻率10 Hz，掃描速率0.5 mm/s，輻照角度15°圖1 不銹鋼放射性模擬樣片表面去污因子DF隨激光輻照強(qiáng)度的變化Fig.1 Variation of DF on radioactive simulated specimens with laser intensity

2.2 脈沖頻率對(duì)不銹鋼放射性模擬樣片表面去污因子的影響

輻照強(qiáng)度7 J/cm2，掃描速率0.5 mm/s，輻照角度15°圖2 不銹鋼放射性模擬樣片表面去污因子DF隨激光脈沖頻率的變化Fig.2 Variation of DF on radioactive simulated specimens with laser frequency

在輻照強(qiáng)度為7 J/cm2、掃描速率0.5 mm/s、輻照角度15°下，考察激光脈沖頻率分別為1、3、5、7、10 Hz時(shí)，其對(duì)放射性模擬樣片去污能力的影響，結(jié)果示于圖2。由圖2可知，當(dāng)激光脈沖頻率大于3 Hz時(shí)，去污因子大于100。考慮在以后的工程應(yīng)用研究中單位面積需要的去污時(shí)間，激光脈沖頻率選為10 Hz。

2.3 掃描速率對(duì)不銹鋼放射性模擬樣片表面去污因子的影響

在輻照強(qiáng)度7 J/cm2、脈沖頻率為10 Hz、輻照角度為15°下，考察激光掃描速率為0.1、0.3、0.5、0.7、1.0 mm/s時(shí)，其對(duì)放射性模擬樣片去污能力的影響，結(jié)果示于圖3。由圖3可知，在輻照強(qiáng)度7 J/cm2、脈沖頻率為10 Hz、輻照角度為15°下，激光掃描速率對(duì)樣片表面的去污因子影響不大，均能達(dá)到去污要求，考慮在實(shí)際應(yīng)用中單位面積的去污時(shí)間，掃描速率選為1.0 mm/s。

輻照強(qiáng)度7 J/cm2，脈沖頻率10 Hz，輻照角度為15°圖3 不銹鋼放射性模擬樣片表面去污因子DF隨激光掃描速率的變化Fig.3 Variation of DF on radioactive simulated specimens with laser scanning speed

2.4 輻照角度對(duì)不銹鋼放射性模擬樣片表面去污因子的影響

輻照強(qiáng)度7 J/cm2，脈沖頻率為10 Hz，掃描速率1.0 mm/s圖4 不銹鋼放射性模擬樣片表面去污因子DF隨激光輻照角度的變化Fig.4 Variation of DF on radioactive simulated specimens with laser angle

在輻照強(qiáng)度7 J/cm2、脈沖頻率為10 Hz、掃描速率1.0 mm/s下，考察激光輻照角度為0°、15°、30°、45°時(shí)對(duì)放射性模擬樣片去污能力的影響，結(jié)果示于圖4。由圖4可知，激光輻照角度對(duì)放射性模擬樣片表面去污因子的影響比較明顯。當(dāng)輻照角度小于30°，去污因子大于100。當(dāng)激光入射角與樣片表面在0°～30°時(shí)，形成的等離子體不易二次沉積在樣片表面，故輻照角度選為15°。

在輻照強(qiáng)度7 J/cm2、脈沖頻率10 Hz、掃描速率1.0 mm/s、輻照角度15°下對(duì)不銹鋼放射性模擬樣片進(jìn)行模擬層去除率測(cè)量及去污因子計(jì)算，結(jié)果列于表1。從表1 可以看出，在初步選定的工藝參數(shù)下激光對(duì)放射性模擬樣片的表面去污因子達(dá)到216，剝離厚度達(dá)到15.86 μm。

表1 不銹鋼放射性模擬樣片的表面去污情況Table 1 Decontaminated level of radioactive simulated specimens surface

注：輻照強(qiáng)度7 J/cm2，脈沖頻率10 Hz，掃描速率1.0 mm/s，輻照角度15°；括號(hào)中數(shù)值為平均值

3 結(jié) 論

放射性樣片表面的去污因子與激光工藝參數(shù)有關(guān)；激光對(duì)放射性模擬樣片表面的去污效果比較明顯。在輻照強(qiáng)度7 J/cm2、脈沖頻率10 Hz、掃描速率1.0 mm/s、輻照角度15°下放射性模擬樣片表面的去污因子達(dá)到216，且表層剝離厚度為15.86 μm。

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1.中國(guó)原子能科學(xué)研究院 放射化學(xué)研究所，北京 102413；2.中國(guó)原子能科學(xué)研究院 核技術(shù)應(yīng)用研究所，北京 102413

Laser Decontamination Research on Radioactive Simulated Specimens in Air

MA Mei-hua1, GAO Zhi-xing2, TANG Xiu-zhang2, ZHENG Zuo-xi1, ZHU Xin-yan1, ZHANG Yi1, LIU Yu-xin1

1.China Institute of Atomic Energy, P. O. Box 275(93), Beijing 102413, China;2.China Institute of Atomic Energy, P. O. Box 275(7), Beijing 102413, China

The study on the laser decontamination parameters was carried on with the simulated radioactive specimens made by LLRW and using APEX laser. The efficiency of different laser parameters such as laser intensity, laser frequency, laser angle and laser scanning speed were investigated on the decontamination factor(DF), and then the optimized laser decontamination parameters were obtained. Using the optimized parameters, the laser decontamination was studied with the simulated stainless steel specimens by the laser decontamination equipment. The experimental results show that the DF is more than 200, and the peeling thickness on the stainless steel base is less than 20 μm.

laser decontamination; radioactive simulated specimens; processing parameters

2015-07-27；

2015-11-19

馬梅花(1979—)，女，青海樂(lè)都人，高級(jí)工程師，從事核設(shè)施退役去污工作，E-mail: m2h_105@aliyun.com

TL944；TN249

A

0253-9950(2017)01-0069-03

10.7538/hhx.2017.39.01.0069