L'élimination des particules de composés d'uranium, comme le nitrate d'uranyle (UO2(NO3)2·6H2O) et le dioxyde d'uranium (UO2), présentes sur les surfaces de l'industrie nucléaire est primordiale. Les contenants métalliques des complexes de cellules chaudes et l'instrumentation de production de combustible nucléaire doivent être débarrassés de ces particules (référence 1). Des applications potentielles existent dans les réacteurs modulaires à lit de boulets (PBMR) utilisés en Afrique du Sud. Le nitrate d'uranyle est la matière première de base pour la production de combustible PBMR et le dioxyde d'uranium est la matière fissile des noyaux des éléments combustibles (référence 1). La figure 1 montre les boulets utilisés dans les PBMR.
Bien que le financement de la technologie PBMR ait été réduit en Afrique du Sud (référence 2), la question du nettoyage des cartouches métalliques de particules d’uranium demeure un problème courant pour tous les types de réacteurs nucléaires.
Les composés d'uranium libres sont beaucoup plus faciles à éliminer que la contamination qui a pénétré les couches d'oxyde des surfaces métalliques d'un réacteur nucléaire. Cependant, cette contamination est dangereuse, car elle peut être inhalée par une personne et être transportée par les chaussures ou les vêtements hors des zones réglementées. Une fois dans l'organisme, ces particules présentent un risque d'irradiation et sont considérées comme toxiques.
Il existe de nombreuses méthodes pour nettoyer ces particules libres, comme le nettoyage chimique ou le nettoyage au jet d'eau. Cependant, l'ajout de produits chimiques ou d'eau implique le traitement des déchets secondaires générés. Ces déchets secondaires sont radioactifs et doivent être éliminés de manière appropriée. Cela augmente le coût de ces méthodes de nettoyage, et une élimination inappropriée de ces déchets secondaires peut entraîner des risques pour la santé ou contaminer les réserves d'eau.
Une autre méthode consiste à nettoyer la surface au laser, où un laser pulsé élimine les particules. Ce procédé à sec élimine toute contamination sans utiliser de produit secondaire (eau ou produits chimiques). Les particules sont éliminées grâce à un système d'extraction équipé d'un filtre sec jetable, comme un filtre HEPA (référence 1).
Concernant le choix du laser, l'élimination des couches superficielles et le nettoyage au laser à sec (DLC) sont plus efficaces à des longueurs d'onde plus courtes, comme dans le visible, ce qui peut réduire les dommages au substrat. Cependant, le choix du laser est dicté par l'efficacité globale du nettoyage de grandes surfaces, ce qui impose l'utilisation d'un laser Nd:YAG Q-switched à la longueur d'onde fondamentale de 1064 nm ou d'un laser à fibre pulsé de qualité industrielle.
In one research (Reference 1), uranyl nitrate crystal or uranium dioxide kernels were crushed with a pestle and mortar and was spread over stainless steel surfaces of 30 mm2 area. A q-switched YAG laser working at fundamental wavelength of 1064 nm, 0.8 J energy per pulse, 10 Hz repetition rate, and a 7-10 ns pulse width was used to clean off the surface from the uranium compound particles. The energy density of the laser was typically 0.5 J/cm2 which is comparable to an energy density that can be produced by a pulsed fiber laser (1.5 mJ per pulse, 60 µm diameter spot at 1030 nm, energy density=0.75 Joules/cm2).
Pour qu'une surface soit considérée comme propre (zone blanche), les activités α et β doivent être prises en compte. En général, l'activité α est plus importante que l'activité β et sa limite d'activité maximale est inférieure, car elle présente un risque interne plus grave. La dose de sécurité pour les particules a est inférieure à 0,04 Bq/cm², tandis que celle pour les particules b est dix fois supérieure et inférieure à 0,4 Bq/cm². Plusieurs essais ont été effectués sur des échantillons d'acier inoxydable recouverts de poudre de nitrate d'uranyle ou de dioxyde d'uranium. Dans une série de tests, un ventilateur a été utilisé comme premier passage pour le nettoyage, suivi de plusieurs passages laser, puis d'un frottis avec du papier frottis et finalement d'un lavage à l'eau. La figure 3 montre le test effectué sur le nettoyage au dioxyde d'uranium avec une fluence laser de 0,36 J/cm².
Le résultat de la figure 3 montre une faible baisse d'activité lors du premier passage du ventilateur, mais 85 % des particules ont été éliminées après les passages laser. Le nettoyage au papier frottis et le lavage à l'eau (5e et 6e passages) ont montré une légère baisse d'activité.
Uranyl nitrate layers are in fact semi-transparent to laser radiation at 1064 nm and therefore they can be removed at the layer-substrate interface using the process of spallation. The result shows a low removal using the fan only but a 98% drop in activity after three laser passes.
The first pass was the fan only. The following three passes used laser cleaning For a nuclear decontamination system, it is important to demonstrate that a huge percentage of radioactivity that is removed can be trapped before being redeposited on the surface again. It should also be collected in a form suitable for disposal. For the research referenced in this article, TC-99m, which has the same adhesion properties as uranium compounds but is less radioactive was used for safety purposes. As far as the adhesion properties are concerned, Vander Waals forces play an important role and prevent particles bigger than 100 mm in size to be removed by using a simple extraction system. Laser cleaning is advantageous because it removes surface layers as well as sub-micron particles.
Allied Scientific Pro offre des systèmes de nettoyage laser à fibre de 100, 200 et 500 watts. Le lien suivant contient plus d'informations sur ces systèmes.
Références :
1- Élimination par laser de la contamination par des composés d'uranium libres des surfaces métalliques, D.E.Roberts, et.al, applied surface science, 253, (2007)
2- Le réacteur nucléaire à lit de boulets est retiré, Linda Nording, Nature 463, 2010.
3- Méthodologie de réduction du volume des déchets métalliques radioactifs, T.V.Do et. al, conférence WM2019, Phoenix, Arizona.