Der Betrieb kerntechnischer Anlagen führt zur Kontamination von Oberflächen, das heißt der Verunreinigung mit Radionukliden, innerhalb des Containments. Die Stilllegung kerntechnischer Anlagen erfordert die Dekontamination metallischer Komponenten und Baustrukturen zur Minimierung von Masse und Volumen des radioaktiven Abfalls. Stand der Technik ist die Nutzung von chemischen und mechanischen Dekontaminationsverfahren. Die Reinigung von Oberflächen mittels gescannter Laserstrahlung ermöglicht die Bearbeitung großer Flächen bei hohen Flächenraten. Gleichzeitig ist der Laserabtrag ein kontaktloses, nahezu kräftefreies Verfahren, welches zur Minimierung oben genannter Abfälle durch Einsatz für die Dekontamination beitragen kann.
In der vorliegenden Arbeit werden die Ergebnisse aus der internationalen Forschung für die Auswahl eines geeigneten Lasers aufgegriffen und auf ein praxistaugliches Lasersystem übertragen. Der ns-gepulste Nd:YAG-Laser mit einer mittleren Leistung von 150 W wird für den Einsatz im kerntechnischen Umfeld durch den Einschluss der Reaktionszone angepasst und so die Rekontamination durch mobilisierte Radionuklide verhindert. Die Nutzung kurzgepulster Laser führt zum Abtrag durch Schmelzen und Verdampfen auf metallischen Oberflächen, wobei eine maximale Schmelztiefe von 1,8 μm ermittelt wird. Durch Analysen an Querschliffen mittels Auflichtmikroskopie und Rasterelektronenmikroskopie kann die Gefügeänderung der metallischen Substrate unterhalb dieser Tiefe bei Pulsfolgefrequenzen von 12 kHz ausgeschlossen werden. Der Abtrag von Dekontaminationsanstrichen erfolgt ab einer Fluenz von 1,8 J/cm² bei hohen Abtragraten um 1,1 μm/(J cm²) im Vergleich zu sehr geringen Abtragraten um 0,006 μm/(J cm²) von ferritischem Stahl. Der vollständige Abtrag von Beschichtungen ist somit äußerst selektiv, was zur Abfallminimierung beiträgt. Der Dekontaminationseffekt wird in vergleichenden Untersuchungen zwischen stabilen und radioaktiven Isotopen geprüft. Für beide Verunreinigungen werden Präparationsroutinen zur reproduzierbaren Herstellung kontaminierter Proben entwickelt. Die Aktivität der radioaktiven Proben wird durch den Laserabtrag um mehr als 97 % reduziert, was auf die sehr gute Eignung des Laserverfahrens für die Dekontamination hinweist.:1 Einleitung
2 Kontamination in kerntechnischen Anlagen
3 Grundlagen der laserbasierten Dekontamination
4 Untersuchungen zur laserbasierten Dekontamination
5 Experimentelle Ergebnisse
6 Zusammenfassung und Ausblick / The operation of nuclear sites results in contamination of surfaces within their containment. Decommissioning of nuclear sites requires decontamination of metal surfaces and building structures to minimize the mass and volume of radioactive waste products. State of the art decontamination technologies are based on chemical and mechanical approaches, which achieve high decontamination factors, but result in the generation of chemical and secondary radioactive waste. Cleaning of surfaces by scanned laser beams renders the processing of large surfaces at high surface rates possible. Laser cleaning is simultaneously free of contact and restoring forces and could lead to the further reduction of radioactive waste from decommissioning of nuclear sites.
The results of international state of science are summarized and applied for the choice of a laser, which is able to comply with the demands for application in decontamination tasks. Within this thesis a ns-pulsed Nd:YAG-laser with a mean power of 150 W is modified for the utilization in nuclear sites by enclosing the process zone around the ablation area to omit the spread of the mobilized radionuclides. Laser/substrate-interaction results in metal removal
via melting and vaporization and a maximum melt depth of 1,8 μm is detected. No further changes within the grain structure of metal substrates are found by the analysis of cross-sections using microscopy and scanning electron microscopy when pulse frequencies of 12 kHz are applied. The removal of decontamination paint is achieved for fluences above 1,8 J/cm² at high removal rates of 1,1 μm/(J cm²), compared to the very low removal rate for ferritic steel of 0,006 μm/(J cm²). Complete and selective removal of the paints can thus be realized, which contributes to the waste minimization in decontamination projects. Laser-based decontamination is exercised for stable as well as radioactive isotopes in comparative experiments. For this purpose, sample preparation methods are developed to provide replicable contaminated surfaces. The activity of radioactive samples is reduced to less than 3 % of the starting value by laser-based decontamination, which is proof of the very good suitability of the process for the application in nuclear decommissioning.:1 Einleitung
2 Kontamination in kerntechnischen Anlagen
3 Grundlagen der laserbasierten Dekontamination
4 Untersuchungen zur laserbasierten Dekontamination
5 Experimentelle Ergebnisse
6 Zusammenfassung und Ausblick
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:78786 |
| Date | 11 April 2022 |
| Creators | Greifzu, Georg |
| Contributors | Hurtado, Antonio, Lasagni, Andrés Fabián, Stumpf, Thorsten, Technische Universität Dresden |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | German |
| Detected Language | German |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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