eines kontaminierten Werkstücks

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Aufbereiten von kontaminierten Werkstücken, insbesondere von radioaktiv kontaminierten Werkstücken wie zum Beispiel Bauteile von Kernkraftanlagen.

Radioaktiv kontaminierte Werkstücke werden gemäß ihrer Strahlenbelastung ein gelagert beziehungsweise entsorgt. Ähnlich verhält es sich mit chemisch kontami- nierten Werkstücken, die beispielsweise cancerogene Kontaminationen aufweisen. Insbesondere beim Rückbau von Kernkraftanlagen entstehen erhebliche Mengen von radioaktiv kontaminierten Werkstücken, die aufgrund ihrer Strahlenbelastung eingelagert werden müssen. Oftmals sind Werkstücke lediglich im Bereich der Oberfläche stark kontaminiert, so dass es zur Reduktion der Menge an einzula- gemden radioaktiv kontaminierten Werkstücken bekannt ist, diese zu dekontami- nieren, insbesondere Oberflächenschichten abzutragen. Das abgetragene Material des Werkstücks kann dann eingelagert werden, während der Rest des Werkstücks - sofern die Strahlenbelastung klein genug ist - auf übliche Art und Weise einer Wiederverwertung oder Entsorgung zugeführt werden kann.

Zum Abtragen der oberflächennahen Schicht ist es bekannt, diese mechanisch oder chemisch abzutragen. Jedoch sind diese Verfahren zeitintensiv und insbe sondere bei komplexen Geometrien der Werkstücke nur schwer oder unzu reichend durchzuführen, so dass die Menge an kontaminiertem Material, die ein- gelagert werden muss, entsprechend groß ist. Gleichzeitig entstehen regelmäßig weitere Abfälle, wie beispielsweise die eingesetzten Chemikalien oder Strahl medien, die ebenfalls eingelagert werden müssen. Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zumindest teilweise zu überwin den und insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, durch die eine Dekontamination durch Abtragung der Oberfläche von kontaminierten Werk- stücken einfach möglich ist, ohne dass zusätzliches Material wie beispielsweise Strahlmittel oder Säure eingesetzt werden muss.

Diese Aufgabe wird gelöst mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Ab hängige Ansprüche sind auf vorteilhafte Weiterbildungen gerichtet. Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den abhängigen Ansprüchen einzeln aufgeführten Merk male in beliebiger, technologisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert wer den können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung definieren. Darüber hin aus werden die in den Ansprüchen angegebenen Merkmale in der Beschreibung näher präzisiert und erläutert, wobei weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Er- findung dargestellt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Aufbereiten eines kontaminierten Werk stücks zeichnet sich dadurch aus, dass ein Laseremitter auf das Werkstück gerich tet wird und durch den Laseremitter Laserpulse auf einen Auftreffbereich einer Oberfläche des Werkstücks emittiert werden zur Verdampfung eines Teils des Materials des Werkstücks im Auftreffbereich, wobei das verdampfte Material durch einen Abzug abgeführt wird.

Durch ein so genanntes Laserablationsverfahren wird durch das Emittieren von hochenergetischen Laserpulsen auf den Auftreffbereich ein oberflächennaher Be reich des Materials des Werkstücks im Auftreffbereich verdampft. Das verdampf te Material liegt bei diesem Verfahren üblicherweise als Plasma vor, welches über den Abzug abgeführt wird. Der Laseremitter umfasst üblicherweise eine Laser quelle, die Laserstrahlung einer definierten Wellenlänge in vorgebbaren Leis- tungsdichten und/oder Pulslängen erzeugt, und eine entsprechende Optik, die eine entsprechende Fokussierung der Laserstrahlung auf den Auftreffbereich umfasst. Bevorzugt ist der Laseremitter so einstellbar, dass der Auftreffbereich in seiner Lage auf der Oberfläche des Werkstücks und gegebenenfalls seiner Größe variier bar ist, um insbesondere ein Abtragen von oberflächennahen Schichten des Werk stücks auch bei großen Werkstücken und/oder bei Werkstücken mit komplexen Geometrien erlaubt.

Ein als Laserquelle eingesetzte Laser, ein Laseremitter, eine Laserquelle zur Er zeugung des/der Laserpulse(s), der eingesetzte Wellenlängenbereich, die Leistung der Laserquelle und/oder die Länge der eingesetzten Laserpulse wird dabei in Ab hängigkeit vom Materials des Werkstücks und/oder der (geschätzten) abzutragen den Dicke an Material gewählt und/oder festgelegt.

Unter einem Abzug wird eine Absauganlage für Gase verstanden, die über eine Lüftungsanlage verfügt, die einen Gasstrom weg vom Werkstück erzeugt, so dass das verdampfte Material im Gasstrom mit- und damit vom Werkstück weggeführt wird. Der Abzug ist gegen die Umgebung geschlossen und für das Gas mit dem verdampften Material zu entsprechenden Abscheidern, Filtern und Ähnlichem, wo das verdampfte Material zu einem Feststoff aggregiert wird. Als Gas oder Gasstrom wird insbesondere Luft oder ein inertes Gas wie insbesondere Stickstoff eingesetzt.

Bevorzugt ist das Werkstück relativ zum Laseremitter beweglich, insbesondere verschieblich oder drehbar, beispielsweise um die Bearbeitung mehrerer Oberflä chen des Werkstücks zu ermöglichen. Alternativ oder zusätzlich ist der Laseremit ter relativ zum Werkstück beweglich, insbesondere in drei Raumachsen ver schiebbar und/oder verschwenkbar. Durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens können eine Vielzahl von Materialien abgetragen werden wie beispielsweise Eisen, Stähle, Nichteisenmetal le, Edelstähle, Beton und/oder Kunststoff. Durch das erfindungsgemäße Verfah ren können entsprechende Werkstücke einfach dekontaminiert werden, ohne dass Chemikalien, Strahlmedien oder ähnliches eingesetzt werden müssen, die eben falls dekontaminiert beziehungsweise als Sekundärabfall entsorgt oder eingelagert werden müssen. Im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren ist beim erfindungsgemäßen Verfahren der Aufwand deutlich reduziert. Weiterhin erlaubt die Abtragung von Material durch einen Laserstrahl auch die einfache Be arbeitung von komplexen Geometrien, die anderen Verfahren nicht zugänglich sind. Zudem erlaubt der Einsatz von Laserstrahlung zur Abtragung von oberflä- chennahem Material auch eine einfache Automatisierung der Verfahrensführung, da ein Laserstrahl einfach automatisch zu fokussieren und zu lenken ist. Eine ma nuelle Verfahrensführung ist ebenfalls vorteilhaft, insbesondere dann, wenn eine Vielzahl von unterschiedlich geformten Werkstücken dekontaminiert werden muss.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung wird das verdampfte Material im Abzug einer Analyse unterzogen. Besonders bevorzugt ist in diesem Zusammenhang, dass die Analyse mindestens einen der folgenden Parameter untersucht:

a) eine Radioaktivität des verdampften Materials; und

b) eine chemische Zusammensetzung des verdampften Materials.

Die Analyse des verdampften Materials bereits im Abzug ermöglicht in vorteil hafter Weise die Datengewinnung während des Abtragens, ohne dass eine speziel le Probe analysiert werden muss. Insbesondere bei der Analyse der Radioaktivität des verdampften Materials können so Erkenntnisse über die Oberfläche des Werk stücks und den Grad der durchgeführten Dekontamination erlangt werden. So ist es vorteilhaft möglich, den Auftreffbereich so lange in einem bestimmten Bereich der Oberfläche des Werkstücks zu halten oder die Behandlung so lange zu wie derholen, bis die Radioaktivität des verdampften Materials eine Obergrenze unter schreitet. Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, Hinweise auf die chemi sche Zusammensetzung des verdampften Materials und damit der Oberfläche des Werkstücks zu erhalten, in dem beispielsweise eine Massenspektrometrie an dem verdampften Material im Abzug durchgeführt wird. So ist es beispielsweise mög lich, ein Werkstück mit einer Oberflächenbeschichtung oder Lackierung so lange zu bearbeiten, das heißt insbesondere, den Auftreffbereich so lange nicht zu ver schieben, bis die Analyse der chemischen Zusammensetzung des verdampften Materials zeigt, dass nunmehr Material unterhalb der Oberflächenbeschichtung oder Lackierung abgetragen wird.

Bevorzugt wird der Auftreffbereich so variiert, dass ein vorgebbarer Bereich der Oberfläche des Werkstücks abgetragen wird.

Dieser vorgebbare Bereich kann die gesamte Oberfläche des Werkstücks umfas sen oder auch nur einen Teil davon, beispielsweise nur denjenigen Teil, der radio aktiver Strahlung ausgesetzt war. Der vorgebbare Bereich lässt sich bevorzugt vor Beginn der Abtragung beispielweise durch Messungen mit einem Geiger-Müller- Zählrohr festlegen.

Die Variation des Auftreffbereichs umfasst bevorzugt die Variation der Position des Auftreffbereichs auf einer Oberfläche des Werkstücks, die Variation der Grö- ße des Auftreffbereichs auf einer Oberfläche des Werkstücks, die Variation der Form des Auftreffbereichs auf einer Oberfläche des Werkstücks und/oder die Va riation der Fokussierung der Laserpulse auf einer Oberfläche des Werkstücks. Die Variation wird dabei bevorzugt durch mechanische Mittel, beispielsweise Moto ren zur Bewegung von Werkstück und Laseremitter relativ zueinander, und/oder durch optische Mittel, beispielsweise Blenden, Spiegel, Linsen oder Ähnliches, erreicht.

Bevorzugt ist eine Verfahrensführung, bei der im Abzug die Radioaktivität des verdampften Materials gemessen wird und der Auftreffbereich erst dann variiert wird, wenn die gemessene Radioaktivität unterhalb eines vorgebbaren Grenzwer tes liegt.

Dies erlaubt auf einfache Art eine effiziente Dekontaminierung von radioaktiv belasteten Werkstücken, da so ein bestimmter Auftreffbereich dekontaminiert wird, bis ein vorgebbarer Grenzwert der Radioaktivität unterschritten wird. Wird dies für den gesamten zu dekontaminierenden Bereich einer Oberfläche des Werkstücks durchgeführt, so kann die Notwendigkeit einer Nachbearbeitung, wenn nicht genug oberflächennahes Material vom Werkstück abgetragen wurde, unterbleiben. So können die Kosten und die notwendige Zeit für die Dekontami nation im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren signifikant reduziert werden. Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zum Aufbereiten von kontaminierten Werkstücken vorgeschlagen, insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, umfassend:

einen Laseremitter zur Emission von Laserpulsen auf einen Auftreffbereich der Oberfläche des Werkstücks emittiert werden zur Verdampfung eines Teils des Materials des Werkstücks im Auftreffbereich;

einen Abzug zu Abführung des verdampften Materials. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist im Abzug mindestens eines der fol genden Analysegeräte ausgebildet:

a) mindestens einen Radioaktivitätssensor;

b) mindestens ein Geiger-Müller-Zählrohr;

c) mindestens eine Ionisationskammer; d) mindestens ein Proportionaiszähler; und

e) mindestens ein Massenspektrometer.

Geiger-Müller-Zählrohr, Ionisationskammern und Proportionalzähler sind Detek- toren zum Messen von ionisierender Strahlung, und Radioaktivität, die in bekann ter Weise zum Bestimmen der Radioaktivität in einem sensitiven Volumen einge setzt werden. Ein Massenspektrometer ist eine Analysevorrichtung, die an einer gasförmigen Probe eine massenspektrometrische Untersuchung durchführt und die relative Menge eines bestimmten Atoms oder Moleküls in einem sensitiven Volumen als Messergebnis liefert.

Bevorzugt umfasst der Laseremitter Mittel zur Variation des Auftreffbereichs. Diese Mittel können mechanisch und/oder optisch eine Variation des Auftreffbe reichs wie beschrieben bewirken.

Bevorzugt umfasst die Vorrichtung weiterhin eine Steuereinrichtung zur Steue rung der Vorrichtung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren. Insbesondere kann die Steuereinrichtung den Auftreffbereich variieren, insbesondere in Abhängigkeit von einer Messung der Radioaktivität des verdampften Materials im Abzug. Die Steuereinrichtung kann dabei als Computersoft- und/oder -hardware ausgebildet sein.

Die für das erfindungsgemäße Verfahren offenbarten Details und Vorteile lassen sich auf die erfindungsgemäße Vorrichtung übertragen und anwenden und umge kehrt. Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung lassen sich bevorzugt für die Dekontamination von radioaktiv kontaminierten Werkstücken verwenden. Vorsorglich sei angemerkt, dass die hier verwendeten Zahlwörter („erste“,„zwei te“, ...) vorrangig (nur) zur Unterscheidung von mehreren gleichartigen Gegen ständen, Größen oder Prozessen dienen, also insbesondere keine Abhängigkeit und/oder Reihenfolge dieser Gegenstände, Größen oder Prozesse zueinander zwingend vorgeben. Sollte eine Abhängigkeit und/oder Reihenfolge erforderlich sein, ist dies hier explizit angegeben oder es ergibt sich offensichtlich für den Fachmann beim Studium der konkret beschriebenen Ausgestaltung.

Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Fi- guren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die gezeigten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in den Fi guren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und Erkenntnissen aus der vorliegenden Beschreibung und/oder Figuren zu kombinie- ren. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Gegenstände, so dass ggf. Erläuterungen aus anderen Figuren ergänzend herangezogen werden können. Es zeigen: Fig. 1 schematisch ein Beispiel einer Vorrichtung zum Aufbereiten von kontami nierten Werkstücken.

Fig. 1 zeigt schematisch ein Beispiel einer Vorrichtung 1 zum Aufbereiten eines kontaminierten Werkstücks 2. Die Vorrichtung 1 umfasst einen Laseremitter 3 zur Emission von Laserpulsen 4 auf einen Auftreffbereich 5 einer Oberfläche 6 des Werkstücks 2 zur Verdampfung eines Teils des Materials des Werkstücks 2 im Auftreffbereich 5 und einen Abzug 7 zur Abführung des verdampften Materials 8. Der Abzug 7 umfasst eine - schematisch gezeigte - erste Abdeckung 9 auf, die mit einer Absaugung 10 verbunden ist. Die Absaugung 10 ist eine Leitung, die mit der ersten Abdeckung 9 verbunden ist. In der Absaugung 10 wird durch einen Lüfter 11 ein Unterdrück erzeugt, durch den ein Gasstrom 12 durch die Absau gung 10 erzeugt wird. Durch den Gasstrom 12 wird das verdampfte Material 8 aus der ersten Abdeckung 9 abgesaugt. Alternativ oder zusätzlich zur ersten Abde ckung 9 kann der Abzug 7 auch eine zweite Abdeckung 13 aufweisen, die im Ge gensatz zur ersten Abdeckung 9 das gesamte Werkstück aufnimmt. Erste Abde ckung 9 und/oder zweite Abdeckung 13 sind so gestaltet, dass der Gasstrom 12 durch den Lüfter 11 und damit ein Unterdrück in der ersten Abdeckung 9 und/oder der zweiten Abdeckung 13 erzeugt werden kann.

Durch das Auftreffen der Laserpulse 4 auf den Auftreffbereich 5 bewirkt ein Ver dampfen des Materials des Werkstücks 2 im oberflächennahen Bereich des Auf treffbereichs 5, so dass das verdampfte Material 8, im wesentlichen Plasma, ent steht. Dieses verdampfte Material 8 wird durch den Abzug 7 abgezogen. Im Ab zug 7 wird das verdampfte Material 8 Analysen unterzogen. Hierzu umfasst der Abzug 7 einen Radioaktivitätssensor 14, der in diesem Beispiel als Geiger- Müller-Zählrohr ausgebildet ist. Weiterhin umfasst der Abzug 7 ein Massenspekt rometer 15. Durch den Radioaktivitätssensor 14 wird die Radioaktivität des ver dampften Materials 8 gemessen, wenn es durch den Radioaktivitätssensor 14 ge führt wird. Durch das Massenspektrometer 15 wird die chemische Zusammenset zung des verdampften Materials beim Durchströmen des Massenspektrometers 15 bestimmt.

Nach Durchströmen des Massenspektrometers 15 durchströmt der Gasstrom 12 einen Aufnahmebehälter 16, der mit einem Filtermaterial 17 versehen ist. Das verdampfte Material 9 wird dabei im Filtermaterial 17 abgeschieden. Der Auf nahmebehälter 16 ist so gestaltet, dass der vollständige Gasstrom 12 durch den Auffangbehälter 16 strömt und dann, wenn das Filtermaterial 17 keine weitere Materie mehr aufnehmen kann, getauscht werden kann. Er weist insbesondere entsprechende Anschlüsse für die Absaugung 10 auf. Nach Durchströmen des Filtermaterials 17 weist der Gasstrom 12 eine so geringe Strahlenbelastung auf, dass er in die Umgebung abgegeben werden kann. Falls notwendig sind Abschirmungen 18, insbesondere Bleiabschirmungen, aus gebildet, sowohl um die Abgabe von radioaktiver Strahlung an die Umgebung zu minimieren als auch um das Eindringen von externer Störstrahlung im Bereich der Analysegeräte (Massenspektrometer 15, Radioaktivitäts sensor 14) zu verhindern . Die Absaugung 10 kann entsprechend mit einer integrierten Abschirmung ausge- bildet sein.

Der Laseremitter 3 weist eine Laserquelle 19 auf, die auf bekannte Art einen La serpuls erzeugt. Weiterhin umfasst der Laseremitter 3 nicht im Detail gezeigte optische Komponenten wie beispielsweise Linsen, Spiegel, Blenden und ähnliches und ggf. mechanische Komponenten. Der Laseremitter 3 umfasst weiterhin einen

Halter 20, relativ zum Werkstück 2 beweglich ist und somit eine dreidimensionale Bewegung 21 durchführen kann. Zusätzlich kann der Laseremitter 3 auch ver- schwenkt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zum Aufbereiten von kontaminierten Werkstücken 2 erlauben eine effiziente, automa tisierbare Abtragung von - insbesondere radioaktiv - kontaminiertem oberflä- chennahem Material des Werkstücks 2 durch Laserablation. Das verdampfte Ma terial 8 kann in einem Abzug 7 analysiert werden, beispielsweise im Hinblick auf seine Radioaktivität (beispielsweise mittels des Radioaktivitätssensors 14) und/oder seine chemische Zusammensetzung (beispielsweise mittels des Massen spektrometers 15). Durch die kontinuierliche Überwachung der Radioaktivität und/oder der chemischen Zusammensetzung kann die Abtragung des Materials gesteuert werden, so dass ausschließlich Material einer bestimmten Kontaminati- on abgetragen wird. Das verdampfte Material 8 wird in einem Auffangbehälter 18 gesammelt.

Bezugszeichenliste

I Vorrichtung zum Aufbereiten von kontaminierten Werkstücken 2 Werkstück

3 Laseremitter

4 Laserpuls

5 Auftreffbereich

6 Oberfläche

7 Abzug

8 verdampftes Material

9 erste Abdeckung

10 Absaugung

I I Lüfter

12 Gasstrom

13 zweite Abdeckung

14 Radioaktivitätssensor

15 Massenspektrometer

16 Aufnahmebehälter

17 Filtermaterial

18 Abschirmung

19 Laserquelle

20 Halter

21 dreidimensionale Bewegung