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論文

Development of radiation resistant monitoring system in light water reactor

武内 伴照; 大塚 紀彰; 中野 寛子; 飯田 竜也*; 小沢 治*; 柴垣 太郎*; 駒野目 裕久*; 土谷 邦彦

QST-M-16; QST Takasaki Annual Report 2017, P. 67, 2019/03

福島第一原子力発電所事故の教訓から、過酷事故が発生した軽水炉の状況下でも使用可能な監視システムの技術開発を実施している。本システムの開発の課題として、耐放射線性カメラや可視光無線伝送システムで使用する撮像素子や電源IC等の耐放射線性が挙げられる。本研究では、耐放射線性カメラ撮像素子に対する$$gamma$$線の積算線量の影響を調べるため、異なる積算線量時においてフォトゲート(PG)駆動電圧に対する取得画像輝度のダイナミックレンジの違いを調べた。また、カメラ及び可視光無線伝送システムにおいて共通して使用する電源ICについて、$$gamma$$線環境下における出力電圧をモニタリングし、積算線量に対する変化を調べた。撮像素子は、PG駆動電圧調整ユニットに接続した簡易的なカメラシステムを照射室内に設置し、出力画像をモニタで観察した。その結果、ダイナミックレンジを最大とするPG駆動電圧の最適値は積算線量に影響することが分かり、PG駆動電圧の変更によって実質的な耐放射線性を向上させたカメラシステムの可能性を見出した。一方、電源ICは、入力電圧を発生する定電圧電源を接続し、出力電圧とともに、絶縁破壊による短絡発生の有無を調べるため、熱電対で測定したIC表面温度データをデータロガーで収集した。その結果、出力電圧は比較的低い積算線量で一時的に減少した後に復帰し、その後はほぼ安定することが分かり、あらかじめ照射したICを用いること等により放射線環境下においても安定した出力を得る見通しを見出した。

論文

Development of radiation resistant monitoring camera system

武内 伴照; 大塚 紀彰; 渡辺 恭志*; 田中 茂雄*; 小沢 治*; 駒野目 裕久*; 上野 俊二*; 土谷 邦彦

Proceedings of 2017 IEEE Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference (NSS/MIC 2017) (Internet), 3 Pages, 2018/11

福島第一原子力発電所事故の教訓から、過酷事故時の環境でも原子炉建屋内の監視が可能な耐放射線性カメラシステムの開発を開始した。本研究は、カメラを構成する部品の要素技術開発を行い、カメラシステムの試作・性能を評価した。まず、要素技術開発として放射線環境下において100Gy未満で使用不能となるイメージセンサの劣化主因が暗電流増加であることを明らかにし、トランジスタの数を4つから3つに減らすとともに光電変換構造としてフォトゲート型を採用することで暗電流の軽減を図った。その結果、イメージセンサの耐放射線性は200kGy以上にまで向上した。また、光学系については、石英とフッ化カルシウムを用いた耐放射線プリズムとズームレンズにすることにより、1MGy照射後においても十分な性能を有することを示した。一方、その他の電子部品については、100kGy未満で故障するものもあり、一部に遮蔽構造を採用した。これらの結果を踏まえ、開発したカメラシステムが900kGy以上の照射線量でも良好な画像を取得できることを明らかにした。

報告書

照射試験開発棟における試験装置の設備整備,2

柴田 裕司; 中野 寛子; 鈴木 善貴; 大塚 紀彰; 西方 香緒里; 武内 伴照; 広田 憲亮; 土谷 邦彦

JAEA-Testing 2017-002, 138 Pages, 2017/12

JAEA-Testing-2017-002.pdf:9.3MB

JMTRの改修・再稼動後の利用性向上の一環として、照射試験開発棟において、炉外試験に使用する実験装置の整備を行った。当初、照射試験開発棟の設備整備にあたっては、照射キャプセルの組立て、照射前試料の材料試験や材料検査・分析などが行える装置の整備を行い、試験データの蓄積を進めていた。一方、東日本大震災以降、地震の影響による既存試験装置の改修や耐震対応を行った。さらに、経済産業省の資源エネルギー庁が進める原子力分野における基礎基盤研究の充実を図るため、軽水炉安全対策高度化に係る研究開発やつくば特区に係る$$^{99}$$Mo/$$^{99m}$$Tc製造技術開発を実施するための試験設備の整備を進めた。本報告書は、照射試験開発棟において平成23年度から平成28年度にかけて、基礎基盤整技術開発のために新たに整備した試験装置等について、装置の概要やその操作方法、並びに照射試験開発棟で安全に炉外試験が実施できるよう基本的な管理要領についてまとめたものである。

論文

原子炉燃料プールにおける2次元画像パターンによる情報伝送

八束 純司*; 柴垣 太郎*; 大塚 紀彰; 武内 伴照; 土谷 邦彦; 駒野目 裕久*

ビジョン技術の実利用ワークショップ(ViEW 2017)講演要旨集(USB Flash Drive), 6 Pages, 2017/12

原子炉建屋内にある使用済燃料プールを監視するための無線伝送システムの開発を行っている。本システムは、光信号を利用して水温等の測定データを水中で無線により送信するものである。これまで、光源をLEDアレイにし、2次元コードとすることで、多くの情報を高精度で送信できることを可能にした。しかしながら、実際に使用する環境では、受信機は水中の外側に設置するため、水中にあるLEDアレイからの発光パターンは水面状態に大きく影響され、高精度の測定データの送信が困難であった。本研究では、ゆらぎ等が発生している水面状態においても、より高精度の測定データを送信するための画像処理・解析システムを開発した。本開発では、受信機で取得した発光パターンより閾値以上の輝度値を求め、その分布及び輝度重心を算出し、この輝度重心を発光中のLEDと仮定することにより、LEDアレイの発光パターンとして読み取る方式とした。この結果、ゆらぎを発生させた水面状態における発光パターンの認識率は、本システムを使用していない認識率の約15%に対して、システム使用時には認識率は約90%となり、水面状態の影響による伝送精度の向上に資することができた。

論文

Degradation behavior of surface-mounted LED by $$gamma$$ irradiation

武内 伴照; 大塚 紀彰; 上原 聡明; 熊原 肇*; 土谷 邦彦

QST-M-2; QST Takasaki Annual Report 2015, P. 80, 2017/03

水中でも伝送可能かつ耐放射線性をもつ可視光無線伝送システムの構築を目指して、発光素子の候補である発光ダイオード(LED)の$$gamma$$線照射効果の評価を行った。照射劣化を評価するため、電流電圧特性及び全光束を測定した。その結果、照射後に、LEDは全光束が減少するとともに樹脂レンズ部が着色したが、電流電圧特性はほとんど変化は無かった。結果から、両素子の特性劣化の主因は半導体部分の劣化ではなく、樹脂の着色によるものであることが示唆された。一方、砲弾型よりも表面実装型LEDのほうが、照射量に対する全光束の減少速度が小さかったことから、開発中の無線伝送システムの発光素子に適することが分かった。

論文

Development of radiation-resistant in-water wireless transmission system using light emitting diodes and photo diodes

武内 伴照; 柴田 裕司; 大塚 紀彰; 上原 聡明; 土谷 邦彦; 柴垣 太郎*; 駒野目 裕久*

IEEE Transactions on Nuclear Science, 63(5), p.2698 - 2702, 2016/10

 被引用回数:1 パーセンタイル:76.09(Engineering, Electrical & Electronic)

福島第一原子力発電所事故の教訓から、耐放射線性を有する水中無線伝送システムの開発を開始した。本研究では、$$gamma$$線照射下におけるLEDとフォトダイオード(PD)の発光及び受光素子としての適用性を調べた。この結果、市販のLED及びPDに対する1MGyまでの$$gamma$$線照射試験から、光学的特性の劣化主因は、半導体部の照射損傷ではなく、樹脂レンズ部の放射線着色であることが示唆された。一方、使用候補であるLED及びPDを用いた水中5mにおける光伝送を検討したところ、光吸収や1MGy時の暗電流増加を考慮しても受光が可能な信号レベルであると見積もられた。以上より、LED及びPDを用いた耐放射線性を有する水中無線伝送システムの構築に見通しが得られた。

論文

耐放射線性を有する水中無線伝送システムの開発

武内 伴照; 大塚 紀彰; 柴垣 太郎*; 駒野目 裕久*; 上野 俊二*; 土谷 邦彦

日本保全学会第13回学術講演会要旨集, p.379 - 386, 2016/07

東京電力福島第一原子力発電所事故の経験や教訓を踏まえ、過酷事故時においても水中における信号伝送が可能な無線システムの高度化に向けた基盤技術開発に取り組んだ。使用する送受信方式の選定や構成部品の耐放射線性評価を終え、要素的な技術開発を完了した。さらに、これらの要素技術を踏まえた送受信系を試作して水中環境を模擬した伝送試験を実施した。その結果、気泡や浮遊物等が存在する水中環境においても環境ロバスト性を有しており、水中5m間の可視光による無線伝送が十分に可能であることが示され、システム開発に目途を付けた。今後は、水中伝送性能のさらなる安定性向上や、放射線環境下におけるセンサ計測データ処理を確証し、システムの技術的な完成を目指す。

論文

耐放射線性カメラ用撮像素子の$$gamma$$線照射効果

武内 伴照; 大塚 紀彰; 土谷 邦彦; 田中 茂雄*; 小沢 治*; 駒野目 裕久*; 渡辺 恭志*; 上野 俊二*

日本保全学会第13回学術講演会要旨集, p.391 - 394, 2016/07

東京電力福島第一原子力発電所事故の経験や教訓を踏まえ、プラント状態の情報把握能力の向上のため、耐放射線性カメラの開発に取り組んだ。放射線環境下におけるカメラ画像劣化の主因である撮像素子内の暗電流を抑制するため、撮像素子のトランジスタ及び光電変換部について3Tr型でフィールドプレートを有する素子(3TPD)、同型でフォトゲートを有する素子(3TPG)及び4Tr型でフォトゲートを有する素子(4TPG)を設計・試作し、$$gamma$$線照射中の暗電流と照射後の光電変換感度を測定した。その結果、3TPG型が最も耐放射線性が高く、200kGy照射後も十分なダイナミックレンジが維持された。

論文

Degradation behavior of LED by $$gamma$$ irradiation

武内 伴照; 柴田 裕司; 大塚 紀彰; 上原 聡明; 熊原 肇*; 土谷 邦彦

JAEA-Review 2015-022, JAEA Takasaki Annual Report 2014, P. 29, 2016/02

水中でも伝送可能かつ耐放射線性をもつ可視光無線伝送システムの構築を目指して、発光波長がほぼ同じで比較的光量の大きい異なった2種類のLEDを選定し、その$$gamma$$線照射効果を調べた。照射劣化を評価するため、照射前後におけるLEDの電流電圧特性や全光束を測定した結果、照射後に全光束が減少するとともに樹脂レンズ部が着色したが、電流電圧特性はほとんど変化は無かった。このことから、両素子の特性劣化の主因は半導体部分の劣化ではなく、樹脂の着色によるものであることが示唆された。一方、試験した内の1種類のLEDについて、照射量に対する全光束の減少速度が小さかったことから、開発中の無線伝送システムの発光素子に適すると考えられることが分かった。

論文

Development of in-reactor observation system using Cherenkov light(VI)

武内 伴照; 山本 圭一; 大塚 紀彰; 柴田 裕司; 柴田 晃; 竹本 紀之; 土谷 邦彦; 佐野 忠史*; 宇根崎 博信*; 藤原 靖幸*; et al.

KURRI Progress Report 2014, P. 108, 2015/07

チェレンコフ光を用いたリアルタイム原子炉内情報計測技術を確立するために、京都大学研究用原子炉(KUR)にて、原子炉出力変更時及び定常運転時におけるチェレンコフ光のCCDカメラによる観察を行い、ある特定の燃料要素について映像の輝度値と出力の関係性を調べた。その結果、画像解析で得られた輝度と原子炉出力との間に相関関係があることを見出し、炉内計測への見通しを得た。一方、出力分布の不均一性及び制御棒のガイドチューブ等の陰影がチェレンコフ光の輝度に有意な影響を与えることも示唆され、今後の課題を明らかにした。

論文

Development of instrumentation systems for severe accidents, 5; Basic properties of hydrogen sensor with solid electrolyte for safety measures of LWRs

大塚 紀彰; 松井 義典; 土谷 邦彦; 松井 哲也*; 有田 節男*; 和田 將平*

Proceedings of 23rd International Conference on Nuclear Engineering (ICONE-23) (DVD-ROM), 7 Pages, 2015/05

東京電力福島第一原子力発電所で発生した事故を教訓に、過酷事故においても水位、水素濃度等を計測可能な機器の開発が求められている。特に、高温過酷環境においても使用可能な水素センサの開発は、水素爆発の防止の観点から必要不可欠である。本研究では、過酷環境下用計測機器の一環として、固体電解質を用いた水素濃度センサを開発し、過酷環境下における適用性の評価を目的とした特性試験を実施した。雰囲気温度400$$^{circ}$$Cにおける試験の結果、水素センサは水素濃度に応じた電圧を得られることを確認した。また雰囲気圧力0$$sim$$1MPaの環境においても、水素濃度及び圧力変化に応じた電圧を得たことから、過酷環境下用計測機器としての見通しを得た。

報告書

チェレンコフ光観測の原子炉計測への適用,1; チェレンコフ光量による原子炉出力の推定

山本 圭一; 武内 伴照; 佐野 忠史*; 本間 亮平*; 木村 伸明; 大塚 紀彰; 小菅 史明*; 中島 健*; 土谷 邦彦

JAEA-Technology 2014-028, 56 Pages, 2015/01

JAEA-Technology-2014-028.pdf:9.23MB

既存軽水炉における運転管理技術・炉心計画の高度化及びシビアアクシデント時にも対応できる監視システムの開発の一環として、原子炉出力変化時におけるチェレンコフ光の輝度などの変化を定量的に測定及び評価することにより、通常の計装では監視できない炉心内の核的・熱的情報をリアルタイムで原子炉計測が可能なシステムを開発することを目的として研究を行っている。本報告書は、燃料から放出される$$gamma$$線及び$$beta$$線によるチェレンコフ光量の評価をモデル計算により求め、京都大学研究用原子炉で観察したチェレンコフ光の画像から炉内情報を得るための検討結果をまとめたものである。

論文

Development of radiation detectors for in-pile measurement

武内 伴照; 大塚 紀彰; 柴田 裕司; 永田 寛; 遠藤 泰一; 松井 義典; 土谷 邦彦

KAERI/GP-418/2015, p.110 - 112, 2015/00

開発中の鉛エミッタ自己出力型$$gamma$$線検出器(SPGD)及び白金40%ロジウム合金自己出力型中性子検出器(SPND)について、炉内照射試験に先立って$$gamma$$線照射試験を行った。200$$sim$$6000Gy/hの範囲における試験結果から、SPGDの出力電流はおよそ10%の誤差精度で$$gamma$$線量率に比例することがわかった。一方、SPNDにおいては、出力電流は$$gamma$$線量率に比例しなかった。また、出力電流は負の極性であり、その絶対値はSPGDよりも1桁程度低かった。こうした出力挙動の違いは、エミッタの形状や大きさの違い及びMIケーブル部から発生した電流成分の影響によるものであると考えられる。

論文

Development of in-reactor observation system using Cherenkov light, 5

大塚 紀彰; 武内 伴照; 山本 圭一; 柴田 晃; 木村 伸明; 竹本 紀之; 谷本 政隆; 土谷 邦彦; 佐野 忠史*; 宇根崎 博信*; et al.

KURRI Progress Report 2013, P. 215, 2014/10

チェレンコフ光を用いたリアルタイム原子炉内情報計測技術を確立するために、京都大学研究用原子炉(KUR)にて、原子炉出力変更時及び定常運転時におけるチェレンコフ光のCCDカメラによる観察を行い、映像の輝度値と炉出力の関係性を調べた。その結果、炉出力が2-3MW以上になるとG及びB輝度信号は最大値である255に達して飽和するピクセルが存在することによってハレーションが生じることが分かった。そこで、KUR最大出力の5MWでも飽和しないR輝度信号を用いて、適切な比例係数を掛けてG及びB輝度信号値を求める補正を行ったところ、全輝度値は炉出力と比例することがわかった。これらの結果、チェレンコフ光を利用して炉出力を見積もる手法の見通しを得た。

論文

Development of a self-powered $$gamma$$ detector

武内 伴照; 大塚 紀彰; 柴田 晃; 土谷 邦彦

Journal of Nuclear Science and Technology, 51(7-8), p.939 - 943, 2014/07

 被引用回数:1 パーセンタイル:85.45(Nuclear Science & Technology)

本研究は、福島廃炉作業の障害のひとつとなっている格納容器内の状況把握を目指したアプローチとして、配管等を通じて格納容器内に挿入可能と考えられる直径数ミリ程度の自己出力型$$gamma$$線検出器(SPGD)の開発を行った。$$gamma$$線検出部の長さおよび太さを変えた数種類のSPGDに対してコバルト線源を用いた$$gamma$$線照射試験を実施し、低線量率から高線量率にわたる出力挙動を調べたところ、およそ10Gy/hから5000Gy/hまで線量率と出力電流が線形の関係にあった。この結果、開発したSPGDの検出下限は、数10Gy/h程度とされる福島原子力発電所格納容器内壁面近傍の線量率を十分下回っていることが分かるとともに、さらに高い線量が予想される炉心近傍に至る個所における線量評価も可能である見通しを得た。

報告書

鉛エミッタを用いた自己出力型$$gamma$$線検出器(SPGD)の開発

柴田 晃; 武内 伴照; 大塚 紀彰; 斎藤 隆; 小野田 忍; 大島 武; 土谷 邦彦

JAEA-Technology 2013-043, 24 Pages, 2014/01

JAEA-Technology-2013-043.pdf:2.76MB

東京電力福島第一原子力発電所(以降、東電福島第一原発)事故を受け、福島原発廃止措置終了までの主要な現場作業や研究開発等のスケジュールが政府から明示されている。しかしながら、格納容器内の線量が高く、燃料が溶融したデブリの位置を把握することが困難であることが、廃炉に向けた工程の策定において技術的障害となっている。このため、東電福島第一原発格納容器内の$$gamma$$線量率を計測し、燃料デブリの位置等の炉内状況を把握することを目指して、自己出力型$$gamma$$線検出器(SPGD)の開発に着手した。本報告書は、エミッタの形状をパラメータとしたSPGD出力値の形状依存性及び温度依存性を$$gamma$$線照射試験により明らかにし、SPGDの実用化に向けたエミッタ特性評価についてまとめたものである。

論文

Development of instrumentation systems for safety measure at LWR's severe accident

武内 伴照; 柴田 晃; 永田 寛; 木村 伸明; 大塚 紀彰; 斎藤 隆; 中村 仁一; 松井 義典; 土谷 邦彦

Proceedings of 3rd Asian Symposium on Material Testing Reactors (ASMTR 2013), p.52 - 58, 2013/11

LWRの炉計装システムは、原子炉運転中から炉停止中の状況を監視できるシステムとなっていた。しかしながら、そのシステムは、福島第一原子力発電所で起きたシビアアクシデント時では電源喪失のため作動せず、事故後の対応が遅れた。このため、炉心損傷事故が起きても測定できる原子炉計装システムの開発が必要不可欠となった。本研究は、JMTRに蓄積された照射技術を活用し、測定技術を含めた監視システムの開発を行っている。本報告では固体電解質型の水素濃度センサー、ヒーターを備えている熱電対型の水位計、自己出力型のSPGD$$gamma$$線検出器及びCCDカメラによる原子炉の情報の定量化のためのチェレンコフ光の画像解析システムの4つの計装システムの開発について紹介する。開発後は、JMTRで炉内確認テストを実施し、放射環境下での特性も調べる予定である。

報告書

ヒータ付熱電対型水位計の開発

柴田 晃; 三浦 邦明*; 武内 伴照; 大塚 紀彰; 中村 仁一; 土谷 邦彦

JAEA-Technology 2013-024, 21 Pages, 2013/10

JAEA-Technology-2013-024.pdf:12.62MB

東京電力福島第一原子力発電所の事故においては、全電源喪失により、原子炉圧力容器内水位及び使用済燃料プールの水位が測定できなくなり、事故対策及び事故後の状況の把握に大きな困難をもたらした。このため、全電源喪失時にも、小電力で作動可能な信頼性の高い水位計の開発を行った。既存の水位計を調査し、小電力作動する信頼性の高い水位計の設計と試作を行った。また、試作した水位計を用いて、性能評価試験を行い、常温から95$$^{circ}$$Cの水温範囲において$$pm$$20mmの精度で水位を測定できることを確認した。この結果、新型水位計を使用済燃料プールや過酷事象時の原子炉圧力容器の水位計として使用する見通しを得た。

論文

Research and development of high-performance instruments for safety measure for LWRs

武内 伴照; 上野 俊二; 駒野目 裕久*; 大塚 紀彰; 柴田 裕司; 木村 伸明; 松井 義典; 土谷 邦彦; 荒木 政則

Proceedings of 6th International Symposium on Material Testing Reactors (ISMTR-6) (Internet), 7 Pages, 2013/10

福島第一原子力発電所事故における全交流電源喪失状態下では、既存の炉内計装システムは十分には機能せず、結果的に過酷事故の進展を防げなかった。また、IAEA閣僚会合に向けて平成23年6月に取りまとめられた日本国政府報告書において、教訓14として「原子炉及び格納容器などの計装系の強化」が挙げられている。こうした背景を踏まえ、原子力施設でシビアアクシデントが発生した際に、プラント状態を監視するため、平成24年度より、上記2つの対策にかかる研究開発を開始した。本研究開発の課題としては、過酷環境下でも高解像度で監視できる耐放射線性カメラ、撮影した映像を伝送するシステム、計測線等の基盤技術の構築である。これらの開発目標および開発状況や特性試験の概要について述べる。

論文

Development of instruments for improved safety measure for LWRs

武内 伴照; 柴田 晃; 永田 寛; 三浦 邦明*; 佐野 忠史*; 木村 伸明; 大塚 紀彰; 斎藤 隆; 中村 仁一; 土谷 邦彦

Proceedings of 5th International Symposium on Material Testing Reactors (ISMTR-5) (Internet), 8 Pages, 2012/10

既存軽水炉において、炉内計装システムは原子炉運転及び停止状況を把握するために必要不可欠である。しかし、福島第一原子力発電所における過酷事故時、これらのシステムは十分には機能しなかった。このため、JMTRにおける炉内計測技術及び照射実績をもとに、過酷事故の進展を未然に防ぐための原子炉計装システムの開発に着手した。対象は、$$gamma$$発熱を利用した水位計、自己出力型$$gamma$$線検出器、水素濃度計、及びチェレンコフ光を利用した炉内情報の可視化・定量化システムである。これらの計装機器の設計や目標仕様及び開発状況や炉外・炉内性能実証試験の概要について述べる。

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