Development of laser remote spectroscopy for onsite and in-situ analysis of nuclear fuel debris under severe environment

過酷環境下における燃料デブリのレーザー遠隔その場分光分析技術開発

若井田 育夫  ; 赤岡 克昭 ; 宮部 昌文   ; 大場 弘則  ; 佐伯 盛久; 伊藤 主税   ; 大場 正規 ; 加藤 政明

Wakaida, Ikuo; Akaoka, Katsuaki; Miyabe, Masabumi; Oba, Hironori; Saeki, Morihisa; Ito, Chikara; Oba, Masaki; Kato, Masaaki

福島第一原子力発電所の廃炉は、飛散した核分裂生成物や燃料デブリからの高い放射線の影響により、極めて難しい作業となることが予想される。廃炉に関する技術革新やブレークスルーが求められていることから、日本原子力研究開発機構では、廃炉国際共同研究センターを設立し、廃炉技術の基礎・基盤的研究開発を開始した。我々は、光でアクセスし光で観測することを基本コンセプトとし、図に示すような、耐放射線性光ファイバを用いたレーザー誘起発光分光法による燃料デブリの遠隔、迅速、非分離、直接その場分析技術開発をしている。パルスのNd:YAGレーザー基本波は数十mの耐放射線性光ファイバを介して伝送され、レンズで集光して試料に照査される。試料表面で発生したプラズマ発光は、レーザー集光用レンズ及び同一の光ファイバを介して伝送して分光器に入射し、元素特有の発光線を観測する。発光線の波長及びその強度を観測することで、元素識別、おおよその組成が評価可能である。Coを用いた線照射環境下での試験の結果、線量率10kGy/h、累積線量2MGyの過酷環境において、耐放射線性光ファイバの光透過率に大きな変化がみられないこと、レーザー光の伝送でダメージを受けないこと、模擬試料による分光が可能であることを確認した。また、溶融した燃料棒による生成デブリを模擬し、ジルコニウムを含有したウラン酸化物焼結体を試料とした試験の結果、UとZrの識別と、U中のZr成分非の定量分析に成功した。今後は、より詳細な検討を加えて、廃炉に適用できるよう技術開発を進める。

In the decommissioning of "Fukushima Daiichi Atomic Power Plant", it will be difficult work by the extremely high radioactivity from fission products and meltdown nuclear fuel debris. Technical innovations and some breakthrough will be indispensable for a safety accomplishment of this work. For the basic R&D on the decommissioning, Japan Atomic Energy Agency has opened the new research center "Collaborative Laboratories for Advanced Decommissioning Science". The development of onsite and in-situ analysis of fuel debris is one of the most important for the planning and working of the decommissioning. Quick, easy, non-contact, no-preparation, direct and remote analysis technique by Laser Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) based on radiation resistant optical fiber will be now under developing. Pulsed Nd:YAG laser will be propagated though an optical fiber and focused on the sample. Plasma emission produced by the laser on the surface of the sample is collected by the same focusing lens, propagated through the same optical fiber and put into the spectrometer. Elemental identification and the composition are evaluated by specific atomic emission line and its intensity. Under strong irradiation condition; dose rate of 10 kGy/h and after total dose of 2 MGy, radiation resistant optical fiber had good transmission, no damage by laser light propagation, and had good performance for plasma emission spectroscopy. In addition, we have successfully observed and identified the specific spectra of Zr and U from the simulated sample of molten debris made by sintered oxide of Zr and U which is the raw materials of the fuel assembly. Quantitative analysis of the composition ratio of Zr/U has been also evaluated from the intensity ratio of specific emission lines.