激光技术在放射性污染表面去污的研究进展

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　　【摘要】在我国核产业快速发展的今天，对放射性污染表面去污技术的要求日渐增高，激光技术于传统的去污方法相比具有更优秀的去污效果和更快的清洁效率，清洁之后的废液较少易于二次处理，最大可能地降低了放射性污染对空气的损害程度，本文对广泛使用的不同激光源去污原理进行分析，并对激光技术在去污领域的研究进展和发展趋势做了一定的分析和展望。
　　【关键词】激光技术 放射性污染 表面去污
　　放射性污染物的表面去污是降低核设施危害的主要途径，能够减小放射性废物的数量和水平，而且还可以方便处理，处置和再利用已清除的废物，以求减少放射性污染物带来的污染，有许多用于对现有物质进行去污染的去污方法。传统的去污行业有多种去污方法，但是会带入较多的二次杂质，对于表面结构复杂的放射性污染表面不能够取得良好的去污效果，并且随着环境保护在社会经济的可持续发展过程中越来越重要，可用于工业生产去污的化学物质的种类将越来越少。如何找到一种去污且无创的去污方法是我们必须考虑的问题。激光去污可以解决传统去污方法无法解决的问题。用纳米激光对工件表面实现去污操作非常有效，可以确保其准确性。因此，激光去污作为一种全新的去污技术受到了广泛关注。激光去污技术各行各业均得到了广泛的应用，尽管仍然难以详细估计激光去污技术应用的市场份额，但上述领域已成为国民经济的支柱产业，若能够研制出高效去污设备并且短时间内投入实际使用和工业化，对促进放射性污染表面去污行业本身的发展也具有重要意义。
　　一、放射性污染表面去污概述
　　虽然在对放射性污染进行处理的过程中已经以将辐照剂量降低到相当低的替代水平，但是仍旧对施表面和人员皮肤造成了不可逆的伤害，因此必须准确消除污垢，将损害程度降到最低。广泛意义上的放射性污染表面去污是要去除不希望出现的放射性核素，核设备在去污过程中的处理不当不仅会带来周遭环境的污染。为了降低放射性核素给周围环境带来的巨大危害，对放射性污染物表面的去污技术必须进行更细化和充分的创新性研究，该项研究在世界各国均得到了广泛重视。对于放射性污染去污的要求是效率高，废物量少，成本降低，并且不会对环境造成交叉污染。为了同时满足上述要求，有必要开发高度适用的去污方法和去污工具。在充分考虑到放射性核素特征和现有去污技术的研究现状之后，将放射性污染物表面去污分为化学去污和物理去污两大类。化学方法包括泡沫法，凝胶法，氧化还原处理法等，而真空处理法，磨料喷射法，高压水喷射法等是物理方法。
　　化学去污主要是通过采用不同的化学去污剂对污染物表面进行去污，去污效果与去污剂的选择和配比有着密切的联系。放射性污染表面的去污工作要求去污剂能够与表面充分浸润且不对金属表面基体造成腐蚀和损伤，在去污过程中不会在表面残留额外杂质，产生的去污后废液容易进行无污染处理等特点。此外，化学去污的效果还与去污时间、去污剂浓度、去污过程中浸润的充分程度、搅拌情况密切关联。当在去污剂中添加无机酸及其盐类，随着浓度的升高会带来更大的腐蚀性，有可能腐蚀去污材料表面结构，采用有机酸及其盐类作为去污剂具有较小的腐蚀性，并且具备了配合和螯合的能力，若采用专门的螯合剂例如DATA、DTPA等，则能够获得更佳的螯合效果。
　　化学去污方法中的化学凝胶法在剥离洗涤实现污染物表面的去污，该方法去污力度高，二次废物含量少，但是操作过程复杂;氧化还原处理是根据利用高氧化态时金属或者化合物易于溶解的特性进行去污的，其中具有代表性的APAC方法去污系数较低，并且会产生一定量的废液，APOX方法去污系数较高，为150，去污效果更佳;络合处理法是通过对络合剂与污染物离子选择性络合，防止金属污染物粒子沉淀在材料表面，与洗涤剂等一起使用可以提升去污剂的去污效果;研究学者主要认为可剥离涂料去污方法主要是靠涂料表面对污染物的吸附或者是涂料物质中的粘性物质将污染物沾离表面，这种方法虽然污染物会形成较厚的沉淀，但是产生的废物量不大，操作相对简单容易;电化学去污方法是利用电流密度为1000～2000A/m2的电流使得污染物溶解在电解液中，与前面所提到的去污方法相比具有更广阔的应用前景，能够很好地保护材料基体，使用化学试剂剂量少，可以实现核污染物表面的环保、高效去污，美国实验室已经取得了相应的研究成果但是部分成果的公开仍旧不被美国政府允许。
　　物理去污方法中的真空吸尘技术是通过吸尘器对污染物的吸引力实现对材料表面污染物的吸除，操作简单，易于实现远程操控，但是去污效果较差，工作人员容易受到设备的影响;磨料喷射法利用喷射力将材料表面的杂质冲刷干净，有干法和湿法两大部分，去污的效果与离心力或者高速流体的喷射具体情况有密切关联，湿法不容易受到空气中气溶胶对去污效果的影响，具有更佳的去污效果，但是喷射法容易对材料的表面造成不可逆的伤害，并且有可能在物料表面添入新的杂质;高压水喷射法在核设施设备的去污方面得到了广泛的应用，利用流体的冲击作用进行去污，但是对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;刷洗和擦拭技术是通过溶剂或者洗涤剂在污染物表面进行去污，达到去污效果，优点在于操作简单，可以远程操作，但是为工作人员带来了巨大的劳动量，并且去污之后的废液难以清除干净;超声去污方法通常可以实现精密仪器的去污，去污效果好，对于结构复杂且微小的设备具有非常好的去污效果，产生的二次废物量少，但是不能用于大物件的去污，对于沾黏在污染物表面的沉积物也不能实现清除。
　　在實际的放射性表面去污过程中还可以采用不同方法通过改进和结合实现更好的去污效果，例如我国近年来自行研究了专用洗涤剂对核污染后的工作服进行清洗，去污效果良好，降低了工作服制作的成本，间接产生了经济效益。另外对不锈钢表面污染的去除也研制出了专用的洗涤剂，此外如果将化学方法和物理方法相结合，可能会取得更优秀的去污效果，对不同污染物的污染种类和污染程度进行详细的分析，制定专门的去污方案可以有效提升传统放射性表面去污技术的清洁效果。 　　在世界各国大力推广绿色环保生产的现状下，传统工业去污和危害操作人员健康的环境污染问题日益突出。因此，大力发展去污和无损去污方法尤为重要。出现了各种新的去污技术，其中，激光去污由于其非研磨性，非接触性，无热效应和应用而受到近年来的特别关注。由于各种材料的工件特性，它被认为是最有前途的去污方法。高强度激光脉冲与被去污零件表面上的污染物相互作用的同时，冲击波会破裂并清除工件表面的污染物。以此方式，用脈冲激光连续地照射工件的表面，并且连续地去除污染物以实现激光去污。对于核污染物表面去污的技术虽然在近年来有一定的发展，但是不同的去污技术均有一定的局限性。激光作为一种绿色能源，冲破了传统去污技术必须与污染物表面接触后进行去污的局限，最大程度上保护了污染物表面在去污过程中可能受到的损害，往往可以实现常规方法无法实现的去污效果，具有较高的去污效果和低廉的操作成本，符合我国绿色发展、可持续化发展的政策需求，在核设施不断发展的今天，为了能够更长久，更科学地利用好核能这种绿色能源，必须对核污染后的材料去污方法进行研究，防止放射性污染为国家经济和人民生活带来损失，激光去污方法在去污过程中用到的化学试剂剂量较小，去污之后残留的废料也易于处理，不会对环境安全造成二次伤害，有利于生态环境的保护。
　　二、激光去污技术简介及原理
　　激光技术最早出现在1960年代，在不断的发展和创新过程中，激光去污技术的应用范围已进一步扩展到许多工业加工领域，尤其是在可以去污有机污染物的精密零件加工，武器装备维护等特殊领域，也可以用于对无机材料实现去污。去污工作的一些特殊领域，例如微电子行业中的硅只能通过激光去污来去除平板电脑上的亚微米颗粒以及保存和维护文物。激光去污使用低功率密度的激光，并且处理后的基板几乎不受热量的影响。为了去除表面上的各种污染物，用于激光去污的激光需要很大的可调参数范围。激光去污还具有许多优点，例如流动性好，对表面无机械损伤以及去污速度快等等。
　　针对激光去污技术在去污领域所体现出来的良好去污性能和独特去污特征，日本，法国和美国都在进行大力的研究和开发，在技术开发和工程原型开发领域已经投入了大量资金，并取得了改进的研究成果。在日本的Fugen退役工程中心的支持下，日本动力炉核燃料开发部使用基于自由电子的激光线性加速技术使用大功率脉冲式二氧化碳激光器用于材料表面污染物的去除，在碳钢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实验的结果表明，对于以氧化铁或氢氧化铬为主成分的氧化层可以使用高能密度激光器将清洁深度扩展到40m以上实现金属的有效去污;日本 WAKASA 能源研究中心设置激光去污设备的功率 为25W，激光点直径约20μm完成了对不锈钢材料表面污染物的去除。中国的激光去污技术起步较晚，虽然近年来在激光器体积、功率、去污速度和去污质量上都得到了质的改进，并且得到了更广泛的应用，但实际应用并不多。
　　激光去污技术是一种“绿色”去污技术，随着技术的发展而发展。对于激光去污技术，其应用已经非常广泛，但是我们的机理研究还很不成熟，只知道使用激光去污去除材料表面而不是了解其本质是不可行的，因此它将与传统的去污技术，激光去污的优点是：无机械接触可以减少激光对被去污物体表面的损害，因此激光在去污易碎表面时具有突出的优势;激光去污由计算机控制，定位准确。隐藏的表面可以去污;减少了激光去污的操作成本。尽管最初的投资很大，但随后的去污费用却相对较小;对于微电子产品生产过程中物体表面的微米颗粒，可以进行激光去污有效去除;去污不会污染环境。激光去污不需要消耗和排放受污染的化学试剂。在去污过程中仅产生少量废物，并且相对容易处理。激光去污技术的出现弥补了传统去污方法的不足，但是由于激光去污技术的出现较晚，对其机理的研究仍然不够。激光去污过程中产生的光，声，热，等离子体等产生场耦合效应，同时在去污过程中产生复合气体，基质表面的固体材料和元素组成，化学价态和分子结构转变，导致对激光键合的研究，界面破坏规律非常复杂，难以定性和定量地描述。同时，可以预见的是，激光去污技术的应用将继续扩展到新的领域，为去污工业带来绿色革命。激光去污过程的实质是激光与零件表面污染物之间相互作用的过程，包括一系列复杂的物理和化学变化。 尽管目前其机理研究有待进一步加强，但其实际应用已经开始并取得了良好的效果。
　　结合碎裂剥离的激光去污原理，脉冲式激光去污基于不同光束之间产生的光物理反应，充分利用了激光器的光脉冲效应，首先激光器发出的光束被污染物表面吸收之后产生冲击波实现对污染物的粉碎，与此同时将其从污染物表面去除，在脉冲激光去污技术中，为了避免激光强度过大对去污材料表面的结构造成损害，光脉冲宽度不可过宽，此外，光脉冲的能量密度最好控制在等离子体出现的两个阈值之间。等离子体在激光能量密度高于这个能量阈值时产生，不同污染物材料的阈值有所不同，但是还存在第二个阈值，当光脉冲的能量高于这个阈值，去污材料的表面可能会受到激光的损害。去污表面所需的脉冲数取决于表面污染的程度。
　　影响激光去污效果的因素中，激光束的选择是比较关键的主要因素，激光束的波长越短能量越高，去污效果越好，所以去污时候激光脉冲次数的增加有利于材料去污程度的提升，此外，对激光束去污时入射的方向、种类进行更改可能会产生更佳去污效果，具体可以针对不同的材料分别进行实验探究得出结论。
　　三、激光技术在放射性污染表面去污领域应用的新进展
　　核设施在运行过程中会出现微小裂缝，放射性污染物可能会在裂缝中出现，导致利用普通低功率的激光去污设备无法达到理想的去污效果。激光去污设备由激光发射系统为重要部件组成，还有附加的激光传输、聚光、去污喷头等设备共同组成，为了实现放射性污染表面良好的去污效果，需要通过选择合理的激光源作为激光发射系统，提升激光的能量面密度，力求实现高去污度的同时保护被去污材料的表面，下面将对不同的激光器的研究进展进行进一步的阐述： 　　（一）固体激光器
　　研究学者对随着对Nd： YAG固体激光器进行了深入的研究，表明在选择合适的参数之后Nd：YAG激光器可以实现对金属表面的污染五实现有效的清理， A Singh通过Nd：YAG激光对金表面碳层的进行了清洁，其去污效果可以在显微镜下被观察出来，能够有效去除杂质，并且对金属表面伤害程度极低;H Lee对镀金铜制品采用Nd：YAG激光器进行去污之后表面的情况进行了研究;A Kumar使用Nd：YAG脉冲激光器通过调节不同的参数取得了良好的去污效果。
　　（二）气体激光器
　　气体激光器应用十分广泛，品种繁多，氦氖激光器是基于原子气体的激光器，在世界上第一次通过气体实现了激光的发射，不仅具有频率稳定度高的显著优点，而且具有良好的单色性和方向性，但是能量转换效率低下，所以不适合用于激光去污，会造成能量的浪费，增加激光去污的成本。氩离子激光器具备输出多种不同波长激光的功能，常用于激光电视和信息存储等领域。氮分子激光器的激励方式是快速的脉冲形式，在粒子束反转的过程中对激光的脉冲进行切换，广泛应用于大气污染、荧光分析、光化学、农业育种等领域。准分子激光器中的準分子是出于激发态的稀有气体原子，利用稀有气体准分子、稀有气体氧化物准分子、稀有气体卤化物准分子均可以构成理想的准分子激光器实现污染物表面污渍的去除;二氧化碳激光器在激光去污领域取得了广泛的使用，工作过程中不仅只需要二氧化碳分子，还需要氦气和氮气进行辅助，国外研究学者在利用二氧化碳激光器实现污染物表面去污的过程中已经取得了初步的研究成果，他们采用平均能量为145mJ的激光脉冲以脉宽为120ns进行去污，将重复率设置为1Hz，去除了接近50%的放射性杂质，但对于铜材质和铝材质的去污效果略微低于对不锈钢材质的去污效果。
　　四、结束语
　　简而言之，激光去污技术在放射性污染表面去污领域具有更广阔的应用前景，与传统的去污方法相比，具有环保，适应性强，易于自动化，清洁效果好等诸多优点。我国核能产业的发展需要以完善高效的放射性表面去污技术作为后盾，在世界各国均大力支持和投资放射性污染表面去污技术研究和发展的今天，对激光技术在放射性污染表面的应用进行研究和分析进而充分了解其发展现状具有极大的经济价值和现实意义。
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