對(duì)于采用創(chuàng)新、高效、節(jié)約成本的激光技術(shù)取代傳統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行核設(shè)施的退役及制造，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)激光制造研究中心、曼徹斯特大學(xué)道爾頓核能研究所、英國(guó)焊接研究所TWI、OC機(jī)器人公司等多個(gè)研究機(jī)構(gòu)和商業(yè)公司進(jìn)行了長(zhǎng)期的項(xiàng)目參與。
對(duì)于核設(shè)施退役，IPG光子公司5kW高功率激光器已經(jīng)投入英國(guó)欣克利A核電站核廢料存儲(chǔ)倉(cāng)的遠(yuǎn)程切割應(yīng)用；對(duì)于核設(shè)施建造，雖然目前尚未正式投入實(shí)際運(yùn)營(yíng)，但英國(guó)曼徹斯特大學(xué)激光制造研究中心的LinLi教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)完成了16kW光纖激光器焊接民用核電設(shè)施材料的證明。
到2030年，英國(guó)將要有超過20個(gè)核電站退役，退役前的流程包括切割被污染及未被污染的金屬管道、汽缸以及一系列的金屬結(jié)構(gòu)。
包括砂輪或火焰切割在內(nèi)的傳統(tǒng)方法，其工藝都有局限性，將耗費(fèi)數(shù)十年才能完成徹底的退役。被高度污染的環(huán)境特別難以接近或者在其中工作，會(huì)帶來本不該發(fā)生的健康及安全風(fēng)險(xiǎn)。正是出于這些原因，有責(zé)任感的工程商一直在考慮非傳統(tǒng)的方法，并將改變工藝和提供解決方案的機(jī)會(huì)給予創(chuàng)新科技。
核設(shè)施退役工作包括許多潛在的方面，例如切割厚板碳鋼和混凝土，但這些新的“光學(xué)工具”并不只能切割金屬，還能夠進(jìn)行先進(jìn)的表面處理以及金屬氧化物去除、混凝土清洗甚至還有水下處理。
傳統(tǒng)的激光器在行業(yè)應(yīng)用中以裝有鏡片或棱鏡系統(tǒng)的“固定的”機(jī)器的形式出現(xiàn)。采用光纖傳輸技術(shù)的光纖激光器，允許激光系統(tǒng)（或置于機(jī)架內(nèi)的激光器和與移動(dòng)或靜態(tài)機(jī)器人系統(tǒng)連接的電子設(shè)備）在一個(gè)熱單元內(nèi)進(jìn)行遠(yuǎn)程切割或加工。傳輸光纖可以長(zhǎng)達(dá)上百米，能夠在狹窄或危險(xiǎn)的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行靈活的加工。英國(guó)核能除役署在2006年委托的一項(xiàng)關(guān)于使用高功率光纖激光器的可行性研究顯示出該項(xiàng)發(fā)展所具有的前景。
核電站退役的應(yīng)用
1967年TWI首次進(jìn)行了氣體輔助激光切割。2010年以來，TWI又對(duì)核設(shè)施退役中的激光切割進(jìn)行了很多有益的探索。激光切割在設(shè)施退役方面有幾個(gè)潛在的應(yīng)用——特別是在核能和遠(yuǎn)洋油氣部門中的應(yīng)用。在核設(shè)施中，
第一種切割應(yīng)用涉及反應(yīng)堆壓力容器、內(nèi)充物以及附屬管道和支撐結(jié)構(gòu)
第二種核能應(yīng)用包括切割燃料回收站，以及通常由不銹鋼制成的的用于進(jìn)行部分燃料回收化學(xué)反應(yīng)的管道和容器
核工業(yè)對(duì)于核設(shè)施退役的方法非常保守謹(jǐn)慎。由于許多放射性材料儲(chǔ)存于水下，還需要在水下切割（核工業(yè)中稱為“減小體積”）。產(chǎn)生這種應(yīng)用的需求主要是因?yàn)檫@輕而易舉地減小了材料的體積（例如空的燃料存儲(chǔ)容器），目前這占據(jù)了許多核電站現(xiàn)場(chǎng)許可安裝的“水池”的空間，具有昂貴的成本。
美國(guó)，英國(guó)和法國(guó)，幾乎每年都會(huì)向納稅人重新評(píng)估核設(shè)施退役的成本。最后得出的這些成本數(shù)目如此巨大，負(fù)責(zé)核設(shè)施退役的部門希望退役在保證安全性的前提下提高效率、節(jié)省成本。可靠和緊湊的1μm激光源以及他們能夠通過光纖傳輸超高功率的能力，使激光切割應(yīng)用于核電站退役真正成為可能。
激光蛇一拍即合
2010年，當(dāng)RobBuckingham和PaulHilton在一次會(huì)議上相遇，他們通過一部科幻電影受到啟示：蛇形機(jī)器人裝配光纖激光器，在廢棄的核電站蜿蜒穿越。兩位英國(guó)工程師設(shè)想的計(jì)劃力求克服一系列的挑戰(zhàn)。達(dá)到服務(wù)年限的核電站，特別是其中難以達(dá)到的構(gòu)件，如何在退役后能夠變得安全？
蛇形機(jī)器人能夠在遠(yuǎn)程操作下進(jìn)入狹小的空間，特別適合用于核能設(shè)施退役項(xiàng)目危險(xiǎn)環(huán)境。
激光蛇2期項(xiàng)目已經(jīng)使蛇形機(jī)器人成為安全關(guān)閉舊核電站的標(biāo)準(zhǔn)工具。
由Buckingham合伙創(chuàng)立，位于英國(guó)西部港口城市布里斯托爾的OC機(jī)器人公司，特別為狹窄和危險(xiǎn)空間開發(fā)靜態(tài)或車載蛇形臂機(jī)器人。此時(shí)在TWI擔(dān)任激光材料加工研究員的Hilton，則已展示了高功率光纖激光器對(duì)混凝土進(jìn)行粗琢或者污染凈化處理，以及對(duì)核電站類型的管道進(jìn)行切割的能力。
Buckingham與Hilton會(huì)談2年以后，OC機(jī)器人公司的第一個(gè)合作項(xiàng)目證實(shí)了“激光蛇”這個(gè)想法可行。激光蛇2期項(xiàng)目從2013年開始，到2016年結(jié)束。現(xiàn)在，他們與合作伙伴一起推進(jìn)770萬(wàn)英鎊的激光蛇2期后續(xù)項(xiàng)目，即證明激光蛇能夠滿足可能是整個(gè)核工業(yè)上最為嚴(yán)格的安全標(biāo)準(zhǔn)，從而推廣激光蛇在核電站的使用。
“激光蛇2期項(xiàng)目要在像塞拉菲爾德核電站（英格蘭北部），那種安全操作對(duì)核電站業(yè)務(wù)來說最為重要的地方，解決使用這種設(shè)備的實(shí)際問題，”O(jiān)C機(jī)器人的AdamMallion說。“激光器在許多其他行業(yè)中的使用夜以繼日——但還未在核工業(yè)廣泛使用的原因是出于對(duì)安全的考慮。”
首先項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)必須對(duì)核電站操作員到底將以何種形式證明這種技術(shù)可行達(dá)成一致。然后，激光蛇必須通過”技術(shù)穩(wěn)定的水平（TRL）”來獲得廣泛接受并成為核設(shè)施退役工程師的常規(guī)應(yīng)用。“激光蛇面臨的考驗(yàn)已經(jīng)到了最后階段，就像作為標(biāo)準(zhǔn)工具箱的一部分，項(xiàng)目經(jīng)理只需拿來就用，”Mallion說。
