激光技術(shù)在放射性污染表面去污的研究進展

初春

【摘要】在我國核產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的今天，對放射性污染表面去污技術(shù)的要求日漸增高，激光技術(shù)于傳統(tǒng)的去污方法相比具有更優(yōu)秀的去污效果和更快的清潔效率，清潔之后的廢液較少易于二次處理，最大可能地降低了放射性污染對空氣的損害程度，本文對廣泛使用的不同激光源去污原理進行分析，并對激光技術(shù)在去污領(lǐng)域的研究進展和發(fā)展趨勢做了一定的分析和展望。

【關(guān)鍵詞】激光技術(shù) 放射性污染 表面去污

放射性污染物的表面去污是降低核設(shè)施危害的主要途徑，能夠減小放射性廢物的數(shù)量和水平，而且還可以方便處理，處置和再利用已清除的廢物，以求減少放射性污染物帶來的污染，有許多用于對現(xiàn)有物質(zhì)進行去污染的去污方法。傳統(tǒng)的去污行業(yè)有多種去污方法，但是會帶入較多的二次雜質(zhì)，對于表面結(jié)構(gòu)復雜的放射性污染表面不能夠取得良好的去污效果，并且隨著環(huán)境保護在社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展過程中越來越重要，可用于工業(yè)生產(chǎn)去污的化學物質(zhì)的種類將越來越少。如何找到一種去污且無創(chuàng)的去污方法是我們必須考慮的問題。激光去污可以解決傳統(tǒng)去污方法無法解決的問題。用納米激光對工件表面實現(xiàn)去污操作非常有效，可以確保其準確性。因此，激光去污作為一種全新的去污技術(shù)受到了廣泛關(guān)注。激光去污技術(shù)各行各業(yè)均得到了廣泛的應用，盡管仍然難以詳細估計激光去污技術(shù)應用的市場份額，但上述領(lǐng)域已成為國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)，若能夠研制出高效去污設(shè)備并且短時間內(nèi)投入實際使用和工業(yè)化，對促進放射性污染表面去污行業(yè)本身的發(fā)展也具有重要意義。

一、放射性污染表面去污概述

雖然在對放射性污染進行處理的過程中已經(jīng)以將輻照劑量降低到相當?shù)偷奶娲剑侨耘f對施表面和人員皮膚造成了不可逆的傷害，因此必須準確消除污垢，將損害程度降到最低。廣泛意義上的放射性污染表面去污是要去除不希望出現(xiàn)的放射性核素，核設(shè)備在去污過程中的處理不當不僅會帶來周遭環(huán)境的污染。為了降低放射性核素給周圍環(huán)境帶來的巨大危害，對放射性污染物表面的去污技術(shù)必須進行更細化和充分的創(chuàng)新性研究，該項研究在世界各國均得到了廣泛重視。對于放射性污染去污的要求是效率高，廢物量少，成本降低，并且不會對環(huán)境造成交叉污染。為了同時滿足上述要求，有必要開發(fā)高度適用的去污方法和去污工具。在充分考慮到放射性核素特征和現(xiàn)有去污技術(shù)的研究現(xiàn)狀之后，將放射性污染物表面去污分為化學去污和物理去污兩大類?；瘜W方法包括泡沫法，凝膠法，氧化還原處理法等，而真空處理法，磨料噴射法，高壓水噴射法等是物理方法。

化學去污主要是通過采用不同的化學去污劑對污染物表面進行去污，去污效果與去污劑的選擇和配比有著密切的聯(lián)系。放射性污染表面的去污工作要求去污劑能夠與表面充分浸潤且不對金屬表面基體造成腐蝕和損傷，在去污過程中不會在表面殘留額外雜質(zhì)，產(chǎn)生的去污后廢液容易進行無污染處理等特點。此外，化學去污的效果還與去污時間、去污劑濃度、去污過程中浸潤的充分程度、攪拌情況密切關(guān)聯(lián)。當在去污劑中添加無機酸及其鹽類，隨著濃度的升高會帶來更大的腐蝕性，有可能腐蝕去污材料表面結(jié)構(gòu)，采用有機酸及其鹽類作為去污劑具有較小的腐蝕性，并且具備了配合和螯合的能力，若采用專門的螯合劑例如DATA、DTPA等，則能夠獲得更佳的螯合效果。

化學去污方法中的化學凝膠法在剝離洗滌實現(xiàn)污染物表面的去污，該方法去污力度高，二次廢物含量少，但是操作過程復雜;氧化還原處理是根據(jù)利用高氧化態(tài)時金屬或者化合物易于溶解的特性進行去污的，其中具有代表性的APAC方法去污系數(shù)較低，并且會產(chǎn)生一定量的廢液，APOX方法去污系數(shù)較高，為150，去污效果更佳;絡合處理法是通過對絡合劑與污染物離子選擇性絡合，防止金屬污染物粒子沉淀在材料表面，與洗滌劑等一起使用可以提升去污劑的去污效果;研究學者主要認為可剝離涂料去污方法主要是靠涂料表面對污染物的吸附或者是涂料物質(zhì)中的粘性物質(zhì)將污染物沾離表面，這種方法雖然污染物會形成較厚的沉淀，但是產(chǎn)生的廢物量不大，操作相對簡單容易;電化學去污方法是利用電流密度為1000～2000A/m2的電流使得污染物溶解在電解液中，與前面所提到的去污方法相比具有更廣闊的應用前景，能夠很好地保護材料基體，使用化學試劑劑量少，可以實現(xiàn)核污染物表面的環(huán)保、高效去污，美國實驗室已經(jīng)取得了相應的研究成果但是部分成果的公開仍舊不被美國政府允許。

物理去污方法中的真空吸塵技術(shù)是通過吸塵器對污染物的吸引力實現(xiàn)對材料表面污染物的吸除，操作簡單，易于實現(xiàn)遠程操控，但是去污效果較差，工作人員容易受到設(shè)備的影響;磨料噴射法利用噴射力將材料表面的雜質(zhì)沖刷干凈，有干法和濕法兩大部分，去污的效果與離心力或者高速流體的噴射具體情況有密切關(guān)聯(lián)，濕法不容易受到空氣中氣溶膠對去污效果的影響，具有更佳的去污效果，但是噴射法容易對材料的表面造成不可逆的傷害，并且有可能在物料表面添入新的雜質(zhì);高壓水噴射法在核設(shè)施設(shè)備的去污方面得到了廣泛的應用，利用流體的沖擊作用進行去污，但是對于放射性污染表面致密的污染物薄膜不能取得良好的去污效果;刷洗和擦拭技術(shù)是通過溶劑或者洗滌劑在污染物表面進行去污，達到去污效果，優(yōu)點在于操作簡單，可以遠程操作，但是為工作人員帶來了巨大的勞動量，并且去污之后的廢液難以清除干凈;超聲去污方法通?？梢詫崿F(xiàn)精密儀器的去污，去污效果好，對于結(jié)構(gòu)復雜且微小的設(shè)備具有非常好的去污效果，產(chǎn)生的二次廢物量少，但是不能用于大物件的去污，對于沾黏在污染物表面的沉積物也不能實現(xiàn)清除。

在實際的放射性表面去污過程中還可以采用不同方法通過改進和結(jié)合實現(xiàn)更好的去污效果，例如我國近年來自行研究了專用洗滌劑對核污染后的工作服進行清洗，去污效果良好，降低了工作服制作的成本，間接產(chǎn)生了經(jīng)濟效益。另外對不銹鋼表面污染的去除也研制出了專用的洗滌劑，此外如果將化學方法和物理方法相結(jié)合，可能會取得更優(yōu)秀的去污效果，對不同污染物的污染種類和污染程度進行詳細的分析，制定專門的去污方案可以有效提升傳統(tǒng)放射性表面去污技術(shù)的清潔效果。

在世界各國大力推廣綠色環(huán)保生產(chǎn)的現(xiàn)狀下，傳統(tǒng)工業(yè)去污和危害操作人員健康的環(huán)境污染問題日益突出。因此，大力發(fā)展去污和無損去污方法尤為重要。出現(xiàn)了各種新的去污技術(shù)，其中，激光去污由于其非研磨性，非接觸性，無熱效應和應用而受到近年來的特別關(guān)注。由于各種材料的工件特性，它被認為是最有前途的去污方法。高強度激光脈沖與被去污零件表面上的污染物相互作用的同時，沖擊波會破裂并清除工件表面的污染物。以此方式，用脈沖激光連續(xù)地照射工件的表面，并且連續(xù)地去除污染物以實現(xiàn)激光去污。對于核污染物表面去污的技術(shù)雖然在近年來有一定的發(fā)展，但是不同的去污技術(shù)均有一定的局限性。激光作為一種綠色能源，沖破了傳統(tǒng)去污技術(shù)必須與污染物表面接觸后進行去污的局限，最大程度上保護了污染物表面在去污過程中可能受到的損害，往往可以實現(xiàn)常規(guī)方法無法實現(xiàn)的去污效果，具有較高的去污效果和低廉的操作成本，符合我國綠色發(fā)展、可持續(xù)化發(fā)展的政策需求，在核設(shè)施不斷發(fā)展的今天，為了能夠更長久，更科學地利用好核能這種綠色能源，必須對核污染后的材料去污方法進行研究，防止放射性污染為國家經(jīng)濟和人民生活帶來損失，激光去污方法在去污過程中用到的化學試劑劑量較小，去污之后殘留的廢料也易于處理，不會對環(huán)境安全造成二次傷害，有利于生態(tài)環(huán)境的保護。

二、激光去污技術(shù)簡介及原理

激光技術(shù)最早出現(xiàn)在1960年代，在不斷的發(fā)展和創(chuàng)新過程中，激光去污技術(shù)的應用范圍已進一步擴展到許多工業(yè)加工領(lǐng)域，尤其是在可以去污有機污染物的精密零件加工，武器裝備維護等特殊領(lǐng)域，也可以用于對無機材料實現(xiàn)去污。去污工作的一些特殊領(lǐng)域，例如微電子行業(yè)中的硅只能通過激光去污來去除平板電腦上的亞微米顆粒以及保存和維護文物。激光去污使用低功率密度的激光，并且處理后的基板幾乎不受熱量的影響。為了去除表面上的各種污染物，用于激光去污的激光需要很大的可調(diào)參數(shù)范圍。激光去污還具有許多優(yōu)點，例如流動性好，對表面無機械損傷以及去污速度快等等。

針對激光去污技術(shù)在去污領(lǐng)域所體現(xiàn)出來的良好去污性能和獨特去污特征，日本，法國和美國都在進行大力的研究和開發(fā)，在技術(shù)開發(fā)和工程原型開發(fā)領(lǐng)域已經(jīng)投入了大量資金，并取得了改進的研究成果。在日本的Fugen退役工程中心的支持下，日本動力爐核燃料開發(fā)部使用基于自由電子的激光線性加速技術(shù)使用大功率脈沖式二氧化碳激光器用于材料表面污染物的去除，在碳鋼表面的污染物得到了良好的去除效果;日本原子能研究所的去污實驗的結(jié)果表明，對于以氧化鐵或氫氧化鉻為主成分的氧化層可以使用高能密度激光器將清潔深度擴展到40m以上實現(xiàn)金屬的有效去污;日本 WAKASA 能源研究中心設(shè)置激光去污設(shè)備的功率 為25W，激光點直徑約20μm完成了對不銹鋼材料表面污染物的去除。中國的激光去污技術(shù)起步較晚，雖然近年來在激光器體積、功率、去污速度和去污質(zhì)量上都得到了質(zhì)的改進，并且得到了更廣泛的應用，但實際應用并不多。

激光去污技術(shù)是一種“綠色”去污技術(shù)，隨著技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展。對于激光去污技術(shù)，其應用已經(jīng)非常廣泛，但是我們的機理研究還很不成熟，只知道使用激光去污去除材料表面而不是了解其本質(zhì)是不可行的，因此它將與傳統(tǒng)的去污技術(shù)，激光去污的優(yōu)點是：無機械接觸可以減少激光對被去污物體表面的損害，因此激光在去污易碎表面時具有突出的優(yōu)勢;激光去污由計算機控制，定位準確。隱藏的表面可以去污;減少了激光去污的操作成本。盡管最初的投資很大，但隨后的去污費用卻相對較小;對于微電子產(chǎn)品生產(chǎn)過程中物體表面的微米顆粒，可以進行激光去污有效去除;去污不會污染環(huán)境。激光去污不需要消耗和排放受污染的化學試劑。在去污過程中僅產(chǎn)生少量廢物，并且相對容易處理。激光去污技術(shù)的出現(xiàn)彌補了傳統(tǒng)去污方法的不足，但是由于激光去污技術(shù)的出現(xiàn)較晚，對其機理的研究仍然不夠。激光去污過程中產(chǎn)生的光，聲，熱，等離子體等產(chǎn)生場耦合效應，同時在去污過程中產(chǎn)生復合氣體，基質(zhì)表面的固體材料和元素組成，化學價態(tài)和分子結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，導致對激光鍵合的研究，界面破壞規(guī)律非常復雜，難以定性和定量地描述。同時，可以預見的是，激光去污技術(shù)的應用將繼續(xù)擴展到新的領(lǐng)域，為去污工業(yè)帶來綠色革命。激光去污過程的實質(zhì)是激光與零件表面污染物之間相互作用的過程，包括一系列復雜的物理和化學變化。 盡管目前其機理研究有待進一步加強，但其實際應用已經(jīng)開始并取得了良好的效果。

結(jié)合碎裂剝離的激光去污原理，脈沖式激光去污基于不同光束之間產(chǎn)生的光物理反應，充分利用了激光器的光脈沖效應，首先激光器發(fā)出的光束被污染物表面吸收之后產(chǎn)生沖擊波實現(xiàn)對污染物的粉碎，與此同時將其從污染物表面去除，在脈沖激光去污技術(shù)中，為了避免激光強度過大對去污材料表面的結(jié)構(gòu)造成損害，光脈沖寬度不可過寬，此外，光脈沖的能量密度最好控制在等離子體出現(xiàn)的兩個閾值之間。等離子體在激光能量密度高于這個能量閾值時產(chǎn)生，不同污染物材料的閾值有所不同，但是還存在第二個閾值，當光脈沖的能量高于這個閾值，去污材料的表面可能會受到激光的損害。去污表面所需的脈沖數(shù)取決于表面污染的程度。

影響激光去污效果的因素中，激光束的選擇是比較關(guān)鍵的主要因素，激光束的波長越短能量越高，去污效果越好，所以去污時候激光脈沖次數(shù)的增加有利于材料去污程度的提升，此外，對激光束去污時入射的方向、種類進行更改可能會產(chǎn)生更佳去污效果，具體可以針對不同的材料分別進行實驗探究得出結(jié)論。

三、激光技術(shù)在放射性污染表面去污領(lǐng)域應用的新進展

核設(shè)施在運行過程中會出現(xiàn)微小裂縫，放射性污染物可能會在裂縫中出現(xiàn)，導致利用普通低功率的激光去污設(shè)備無法達到理想的去污效果。激光去污設(shè)備由激光發(fā)射系統(tǒng)為重要部件組成，還有附加的激光傳輸、聚光、去污噴頭等設(shè)備共同組成，為了實現(xiàn)放射性污染表面良好的去污效果，需要通過選擇合理的激光源作為激光發(fā)射系統(tǒng)，提升激光的能量面密度，力求實現(xiàn)高去污度的同時保護被去污材料的表面，下面將對不同的激光器的研究進展進行進一步的闡述：

（一）固體激光器

研究學者對隨著對Nd： YAG固體激光器進行了深入的研究，表明在選擇合適的參數(shù)之后Nd：YAG激光器可以實現(xiàn)對金屬表面的污染五實現(xiàn)有效的清理， A Singh通過Nd：YAG激光對金表面碳層的進行了清潔，其去污效果可以在顯微鏡下被觀察出來，能夠有效去除雜質(zhì)，并且對金屬表面?zhèn)Τ潭葮O低;H Lee對鍍金銅制品采用Nd：YAG激光器進行去污之后表面的情況進行了研究;A Kumar使用Nd：YAG脈沖激光器通過調(diào)節(jié)不同的參數(shù)取得了良好的去污效果。

（二）氣體激光器

氣體激光器應用十分廣泛，品種繁多，氦氖激光器是基于原子氣體的激光器，在世界上第一次通過氣體實現(xiàn)了激光的發(fā)射，不僅具有頻率穩(wěn)定度高的顯著優(yōu)點，而且具有良好的單色性和方向性，但是能量轉(zhuǎn)換效率低下，所以不適合用于激光去污，會造成能量的浪費，增加激光去污的成本。氬離子激光器具備輸出多種不同波長激光的功能，常用于激光電視和信息存儲等領(lǐng)域。氮分子激光器的激勵方式是快速的脈沖形式，在粒子束反轉(zhuǎn)的過程中對激光的脈沖進行切換，廣泛應用于大氣污染、熒光分析、光化學、農(nóng)業(yè)育種等領(lǐng)域。準分子激光器中的準分子是出于激發(fā)態(tài)的稀有氣體原子，利用稀有氣體準分子、稀有氣體氧化物準分子、稀有氣體鹵化物準分子均可以構(gòu)成理想的準分子激光器實現(xiàn)污染物表面污漬的去除;二氧化碳激光器在激光去污領(lǐng)域取得了廣泛的使用，工作過程中不僅只需要二氧化碳分子，還需要氦氣和氮氣進行輔助，國外研究學者在利用二氧化碳激光器實現(xiàn)污染物表面去污的過程中已經(jīng)取得了初步的研究成果，他們采用平均能量為145mJ的激光脈沖以脈寬為120ns進行去污，將重復率設(shè)置為1Hz，去除了接近50%的放射性雜質(zhì)，但對于銅材質(zhì)和鋁材質(zhì)的去污效果略微低于對不銹鋼材質(zhì)的去污效果。

四、結(jié)束語

簡而言之，激光去污技術(shù)在放射性污染表面去污領(lǐng)域具有更廣闊的應用前景，與傳統(tǒng)的去污方法相比，具有環(huán)保，適應性強，易于自動化，清潔效果好等諸多優(yōu)點。我國核能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需要以完善高效的放射性表面去污技術(shù)作為后盾，在世界各國均大力支持和投資放射性污染表面去污技術(shù)研究和發(fā)展的今天，對激光技術(shù)在放射性污染表面的應用進行研究和分析進而充分了解其發(fā)展現(xiàn)狀具有極大的經(jīng)濟價值和現(xiàn)實意義。

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