atw - International Journal for Nuclear Power | 1.2024

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28 Decommissioning and Waste Management Laserverfahrens für die Dekontamination von metallischen Oberflächen in besonderer Weise und zeigen die vielfältigen Möglichkeiten der hier unter suchten Technologie beim Rückbau kerntechnischer Anlagen. 2 Stand von Wissenschaft und Technik Neben einer Vielzahl bereits etablierter mechanischer und chemischer Verfahren zur Dekontamination radioaktiv belasteter Oberflächen ist die Laserdekontamination ein vielversprechendes ther misches Verfahren [1] . Kommerziell angewendet wird es beispielsweise zum Entlacken von Flug zeugen [2] oder zum Reinigen und Entrosten von Metallen [3] . Im Vergleich zu mechanischen oder chemischen Verfahren bietet die Laserstrahlde kon tamination zahlreiche entscheidende Vorteile: ⁃ die Laserstrahlung arbeitet berührungslos, ⁃ jedes Material kann aufgrund der hohen Laserintensitäten direkt verdampft werden, ⁃ die Abtragstiefe beträgt wenige Mikrometer, ⁃ das Abtragsvolumen wird signifikant gesenkt, ⁃ es entsteht nahezu keine Sekundärkontamination (Aktivität wird in Filtern aufgefangen), ⁃ die Technik befindet sich im nicht kontaminierten Bereich; nur eine Lichtleitfaser mit Arbeitskopf wird eingeschleust, ⁃ das Personal wird physisch deutlich weniger belastet (keine schwere Technik, keine Rückstellkräfte), ⁃ das Verfahren lässt sich ideal automatisieren (Fernsteuerung von Robotertechnik) Die Laserstrahldekontamination wird seit ca. 20 Jahren an der Professur für Wasserstoff- und Kernenergietechnik (TU Dresden) im Rahmen zahlreicher Projekte entwickelt und optimiert. Umfangreiche Untersuchungen zur Laserdekontamination von beispielsweise Beton bei gleichzeitiger Abprodukt-Konditionierung [4], [5], [6] , zur thermischen Zersetzung PCB-haltiger Lacke auf Betonoberflächen [7] und zur Automatisierung des Laserprozesses mittels Manipulators [8] legten die Grundlage zur Fertigung und Erprobung eines Prototypen. Zu Beginn wurde dabei ein cw-Hochleistungsdiodenlaser (continuous wave = kontinuierliche Strahlung emittierende Laser) eingesetzt. Neueste Entwicklungen konzentrieren sich jedoch auf den Einsatz von gepulsten Hochleistungslasern zur Dekontamination von Metalloberflächen [9] und die Analyse der beim Abtrag entstehenden Partikel in Größenverteilung und Konzentration [10] . Der Vorteil gepulster Laser gegenüber cw-Lasern ist die signifikant höhere Leistungsabgabe während der Pulsspitzen. Bereits bei einer mittleren Leistung von 100 W können so Leistungspeaks von mehreren MW erreicht werden. Dies führt zur direkten Verdampfung des Materials und einer Minimierung der Schmelzbildung durch einen reduzierten Wärmeeintrag gegenüber der Bestrahlung mit einem kontinuierlichen cw-Laser. Der Tiefenabtrag liegt daher im Mikrometerbereich und ermöglicht eine Minimierung struktureller Schädigungen. Auch international sind Untersuchungen und Veröffentlichungen zur Laserstrahldekontamination von Metallen mit gepulsten und cw-Lasern an inaktiven [11], [12], [13], [14] und kontaminierten Oberflächen bekannt. Es wurden beispielsweise Versuche mit Nd:YAG-Lasern zur Dekontamination von Co-60 mit fester Optik [15] vorgenommen, der Einfluss der Wellenlänge auf den Dekontaminationsgrad bestimmt [16], [17] oder spezielle Kurzpulslaser wie Excimerlaser für die Dekontamination verschiedener metallischer Nuklide eingesetzt [18] , die jedoch nicht mobil sind. 3 Laserstrahldekontamination von Metallen im Labormaßstab Im Rahmen des vom BMBF geförderten Projektes mit dem Förderkennzeichen 15S9418A wurden umfangreiche Voruntersuchungen zur Laserstrahldekontamination von Metalloberflächen im Labormaßstab [19] durchgeführt, die den Tests an der WAK vorausgingen. Der eingesetzte Laser ist ein fasergeführter Handarbeitslaser CL150 der Firma Clean-Lasersysteme GmbH mit der Optik OSH50 (Arbeitskopf). Das im System integrierte Basisgerät ist ein q-switched Nd:YAG-Laser der Wellenlänge von 1064 nm mit einer maximalen mittleren Strahlleistung von 150 W. Die Pulsfolgefrequenz lässt sich im Bereich zwischen 12 kHz und 24 kHz variieren, wobei sich die Pulsspitzenleistung in diesem Bereich tendenziell verringert und die Pulsdauer tendenziell größer wird. Während des Abtrags wurde die Schmelzbildung und damit die Gefahr des Einbettens von Nukliden in die Metalloberfläche minimiert [13]. Hierzu erfolgte eine Optimierung der thermischen Diffusionslänge l th , die neben der thermischen Diffusivität k von der Pulsdauer τ Puls abhängt. (4) Die kürzeste vom Laser erreichbare Pulsdauer von 105 ns ergibt sich bei einer Pulsfolgefrequenz von 12 kHz und einer Pulsspitzenleistung von 112,4 kW. Die Parameter führen bei einem Fokusdurchmesser von 472 µm abzüglich aller Verluste über die Strahlführungs- und Formungskomponenten zu einer Pulsfluenz von 4,33 J‧cm2. Die Dekontamination der Metalloberflächen wurde bei konstanter Position im Winkel von 60° des Laserbearbeitungskopfes relativ zur Metalloberfläche, bei den Laserparametern (Tabelle 1) zur Erzeugung einer gewählten Abtragspurbreite Ausgabe 1 › Januar
Decommissioning and Waste Management 29 Laserparameter Mittlere Leistung auf der Oberfläche P m 91 W Für ein zweifaches Scannen der Oberfläche (eine Auf- und Abwärtsbewegung des gescannten Laserstrahls über ein und dieselbe Fläche) wurde die Abtragstiefe bestimmt. Pulsspitzenleistung bei 12 kHz P max 110 kW Pulsfolgefrequenz f P 12 kHz Scanfrequenz f S 50 Hz Scanbreite d s 60 mm Tab. 1. Den Ergebnissen zugrunde liegende Laserparameter (30 mm) und einer Vorschubgeschwindigkeit (10 mm‧s -1 ), die eine hundertprozentige Ab deckung der Fläche mit Laserpulsen darstellt, durchgeführt. Die Bestimmung des Dekontaminationsgrads D D als Verhältnis der aufgebrachten Aktivität A b und der Aktivität nach der Bear beitung A a wurde über die Formel ermittelt. Im Unterschied zu den im Kontrollbereich stattgefundenen Arbeiten musste der Laserstrahl über ein Fenster in eine Box, in der sich die zu dekontaminierende Probe befand, eingekoppelt werden, um eine Kontamination der Umgebung zu verhindern (Abbildung 1). Abb. 2. Abtragstiefe nach zweifachem Scannen der Oberflächen mit Laserstrahlung In Abbildung 2 ist das Ergebnis als Mittelwert über 10 Versuche grafisch aufbereitet. Die Abtragstiefe beträgt bei den blanken metallischen Oberflächen zwischen 140 und 450 nm, bei Lackschichten rund 40 µm. Die Abtragstiefe bei oxidierten Oberflächen konnte messtechnisch nicht erfasst werden, da sie um Potenzen geringer als die Rauigkeit der Oberfläche war (R a ≈ 13 µm). Edelstahl Baustahl BS verzinkt BS oxidiert BS lackiert Co-60 90 68 98 93 99 Cs-137 100 99 99 97 100 Sr-85 90 94 94 97 100 Am-241 90 93 93 99 100 Tab. 2. Erreichter Dekontaminationsgrad in % im Labormaßstab nach zwei Scans In Tabelle 2 sind die im Labormaßstab mit der Arbeitsbox erreichten Dekontaminationsgrade nach zweifachem Scannen der Oberfläche dargestellt. Eine Steigerung des Dekontaminationsgrades war durch eine Wiederholung der Bearbeitung möglich. Diese Ergebnisse konnten unter realen Bedingungen, ohne Arbeitsbox, deutlich übertroffen werden (siehe 5.4). Abb. 1. Versuchsaufbau zum Abtrag von Radionukliden auf Metalloberflächen im Labormaßstab Das Absaugen der Abtragsprodukte erfolgte quer zur Probenoberfläche (80 Nl‧min -1 ); für das Auffangen stand ein Zwei-Filter-System (Vorfilter: PALL Corp., 2500 Quat Partikelgröße 300 nm, Abscheidegrad 99,98 %; Hauptfilter: FST GmbH, EFST-XXN, Partikelgröße 10 nm, Abscheidegrad 99,9995 %) zur Verfügung. Die Auswahl der Filter basiert auf Analysen der Partikelgrößenverteilung der Abtragsprodukte [20] . 4 Genehmigungsverfahren Infolge der hier durchgeführten Vorversuche konnte die KTE die Beantragung zur Einführung dieser Laserabtragtechnologie vornehmen. Mit dem langwierigen und teils zähen Änderungsvorhaben WAK-2021-007 konnte erstmals in Deutschland die Freigabe für die laserbasierte Dekontamination in einer kerntechnischen Anlage erzielt werden. Bei dem Vorhaben handelt es sich um ein Modellvorhaben mit begrenzter zeitlicher Dauer, beschränkter Radioaktivität sowie mit der örtlichen Vol. 69 (2024)
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