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光纤激光切割应用于核设施退役

2015-11-10 14:20
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  对于采用创新、高效、节约成本的激光技术取代传统技术进行核设施的退役及制造,英国曼彻斯特大学激光制造研究中心、曼彻斯特大学道尔顿核能研究所、英国焊接研究所TWI、OC机器人公司等多个研究机构和商业公司进行了长期的项目参与。

  对于核设施退役,IPG光子公司5kW高功率激光器已经投入英国欣克利A核电站核废料存储仓的远程切割应用;对于核设施建造,虽然目前尚未正式投入实际运营,但英国曼彻斯特大学激光制造研究中心的LinLi教授领导的团队已经完成了16kW光纤激光器焊接民用核电设施材料的证明。

  到2030年,英国将要有超过20个核电站退役,退役前的流程包括切割被污染及未被污染的金属管道、汽缸以及一系列的金属结构。

  包括砂轮或火焰切割在内的传统方法,其工艺都有局限性,将耗费数十年才能完成彻底的退役。被高度污染的环境特别难以接近或者在其中工作,会带来本不该发生的健康及安全风险。正是出于这些原因,有责任感的工程商一直在考虑非传统的方法,并将改变工艺和提供解决方案的机会给予创新科技。

  核设施退役工作包括许多潜在的方面,例如切割厚板碳钢和混凝土,但这些新的“光学工具”并不只能切割金属,还能够进行先进的表面处理以及金属氧化物去除、混凝土清洗甚至还有水下处理。

  传统的激光器在行业应用中以装有镜片或棱镜系统的“固定的”机器的形式出现。采用光纤传输技术的光纤激光器,允许激光系统(或置于机架内的激光器和与移动或静态机器人系统连接的电子设备)在一个热单元内进行远程切割或加工。传输光纤可以长达上百米,能够在狭窄或危险的区域内进行灵活的加工。英国核能除役署在2006年委托的一项关于使用高功率光纤激光器的可行性研究显示出该项发展所具有的前景。

  核电站退役的应用

  1967年TWI首次进行了气体辅助激光切割。2010年以来,TWI又对核设施退役中的激光切割进行了很多有益的探索。激光切割在设施退役方面有几个潜在的应用——特别是在核能和远洋油气部门中的应用。在核设施中,

  第一种切割应用涉及反应堆压力容器、内充物以及附属管道和支撑结构

  第二种核能应用包括切割燃料回收站,以及通常由不锈钢制成的的用于进行部分燃料回收化学反应的管道和容器

  核工业对于核设施退役的方法非常保守谨慎。由于许多放射性材料储存于水下,还需要在水下切割(核工业中称为“减小体积”)。产生这种应用的需求主要是因为这轻而易举地减小了材料的体积(例如空的燃料存储容器),目前这占据了许多核电站现场许可安装的“水池”的空间,具有昂贵的成本。

  美国,英国和法国,几乎每年都会向纳税人重新评估核设施退役的成本。最后得出的这些成本数目如此巨大,负责核设施退役的部门希望退役在保证安全性的前提下提高效率、节省成本。可靠和紧凑的1μm激光源以及他们能够通过光纤传输超高功率的能力,使激光切割应用于核电站退役真正成为可能。

  激光蛇一拍即合

  2010年,当RobBuckingham和PaulHilton在一次会议上相遇,他们通过一部科幻电影受到启示:蛇形机器人装配光纤激光器,在废弃的核电站蜿蜒穿越。两位英国工程师设想的计划力求克服一系列的挑战。达到服务年限的核电站,特别是其中难以达到的构件,如何在退役后能够变得安全?

蛇形机器人能够在远程操作下进入狭小的空间,特别适合用于核能设施退役项目危险环境。

激光蛇2期项目已经使蛇形机器人成为安全关闭旧核电站的标准工具。

  由Buckingham合伙创立,位于英国西部港口城市布里斯托尔的OC机器人公司,特别为狭窄和危险空间开发静态或车载蛇形臂机器人。此时在TWI担任激光材料加工研究员的Hilton,则已展示了高功率光纤激光器对混凝土进行粗琢或者污染净化处理,以及对核电站类型的管道进行切割的能力。

  Buckingham与Hilton会谈2年以后,OC机器人公司的第一个合作项目证实了“激光蛇”这个想法可行。激光蛇2期项目从2013年开始,到2016年结束。现在,他们与合作伙伴一起推进770万英镑的激光蛇2期后续项目,即证明激光蛇能够满足可能是整个核工业上最为严格的安全标准,从而推广激光蛇在核电站的使用。

  “激光蛇2期项目要在像塞拉菲尔德核电站(英格兰北部),那种安全操作对核电站业务来说最为重要的地方,解决使用这种设备的实际问题,”OC机器人的AdamMallion说。“激光器在许多其他行业中的使用夜以继日——但还未在核工业广泛使用的原因是出于对安全的考虑。”

  首先项目团队必须对核电站操作员到底将以何种形式证明这种技术可行达成一致。然后,激光蛇必须通过”技术稳定的水平(TRL)”来获得广泛接受并成为核设施退役工程师的常规应用。“激光蛇面临的考验已经到了最后阶段,就像作为标准工具箱的一部分,项目经理只需拿来就用,”Mallion说。

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