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村松 壽晴; 山田 知典; 羽成 敏秀; 武部 俊彦; Nguyen, P. L.; 松永 幸大
JAEA-Research 2014-018, 41 Pages, 2014/09
JAEA-Research-2014-018.pdf:42.21MB
福島第一原子力発電所の廃止措置作業では、燃料と炉内構造物とが溶融混合凝固した燃料デブリなどを取出し対象とする必要がある。この燃料デブリは、米国・スリーマイル島原子力発電所2号機での知見から、形状不定、高硬度、多孔質、多成分などの特徴を持つと考えられ、これを的確に取出すことのできる工法を確立する必要がある。本報では、高出力・高出力密度、局所加工性、遠隔操作性に優れ、更には靭性によらず溶断・破砕を行うことが可能なレーザー光を熱源とした切断工法を対象とし、燃料デブリの取出しに必要となる要素技術を開発することを目標とした研究計画を策定するとともに、これに基づいた2013年度(平成25年度)の研究成果について記載した。
村松 壽晴; 山田 知典; 羽成 敏秀; 武部 俊彦; 松永 幸大
JAEA-Research 2013-024, 49 Pages, 2013/08
JAEA-Research-2013-024.pdf:6.63MB
福島第一原子力発電所の廃止措置作業では、燃料と炉内構造物とが溶融混合凝固した燃料デブリなどを取出し対象とする必要がある。この燃料デブリは、米国・スリーマイル島原子力発電所2号機での知見から、形状不定、高硬度、多孔質、多成分などの特徴を持つと考えられ、これを的確に取出すことのできる工法を確立する必要がある。本報では、高出力・高出力密度、局所加工性、遠隔操作性に優れ、さらには靭性によらず溶断・破砕を行うことが可能なレーザー光を熱源とした切断工法を対象とし、燃料デブリの取出しに必要となる要素技術を開発することを目標とした研究計画を策定するとともに、これに基づいた2012年度(平成24年度)の研究成果について記載した。
山田 知典; 武部 俊彦; 松永 幸大; Nguyen, P. L.; 村松 壽晴
no journal, ,
原子力機構では、福島第一原子力発電所の炉容器下部に堆積していると考えられる燃料デブリ及び炉内構造物の取出し技術の確立を目指した研究開発を行っている。この取出し技術としては、遠隔操作により燃料デブリの形状、組成などを分析可能な外界センサーが必要となる。本報告では、原子力利用で実績のあるレーザースキャナを用いた基礎実験により、幾何形状認識特性を調査した。供試材は、アルミナペレットであり、直径
8.66mm(標準偏差0.0108mm)、高さ10.03mm(標準偏差0.0274mm)であり、1mm間隔の方眼紙上に配置した。レーザースキャナにより各セラミックスの直径を測定したところ、平均8.703mm(標準偏差0.1546mm)であり、場所によりばらつきが多少存在した。この誤差がz方向にも同様と考えると、x-y-z 3軸ロボットで使用しているレーザーの集光点でのスポット径が0.6mmであることから、z方向にレーザー加工ヘッドが0.3mm移動した場合、スポット径は約0.62mmとなり、試験片表面での入熱密度(W/cm
)は6.3%程度減少することになる。今後は、入熱密度,アシストガスなどの影響を踏まえて、測定精度が切断・破砕性能に及ぼす影響を検討して行く必要がある。
村松 壽晴; 山田 知典; 羽成 敏秀; 武部 俊彦; 松永 幸大; Nguyen, P. L.
no journal, ,
燃料と炉内構造物が溶融混合再凝固した燃料デブリの取出しに求められる工法に対しては、(1)任意形状を持つ燃料デブリに対応できること、(2)靭性の高い金属の溶断に加え、靭性の低い高硬度セラミックス(HV 1300)にも対応できること、(3)熱伝導過程を阻害するキャビティーを有するポーラス体燃料デブリにも対応できること、(4)核燃料物質、炉内構造物及びそれらの酸化物から成る多成分燃料デブリにも対応できることなどが要求される。原子力機構では、これらを可能とする取出し工法の一つとして、レーザー光を用いた溶断・破砕技術に着目し、工学的観点からこれを実現するための研究を進めている。本報では、研究開発目標及び計画の概要について紹介する。
松永 幸大; 羽成 敏秀; 山田 知典; 村松 壽晴
no journal, ,
原子力機構では、福島第一原子力発電所の炉容器下部に堆積していると考えられる燃料デブリ及び炉内構造物の取り出し技術の開発を行っている。本報告では、レーザーパルス照射による取り出しを想定し、照射時間などに対するセラミックスの破砕特性を実験的に確認した結果について紹介する。試験では、燃料デブリの主要成分であるジルコニア(1300HV)と、同程度の硬さを有するアルミナ(1550HV)のペレット(約8.7mm, 高さ10mm)を模擬体として用いた。この模擬体に対し、スポット径1.56mm, 入熱密度13W/cm, 26W/cmのレーザー光を垂直にパルス照射して、これによる破砕片数を整理した。
武部 俊彦; 松永 幸大; 羽成 敏秀; 山田 知典; 村松 壽晴
no journal, ,
TIM-2の事故復旧作業の知見より、炉内には溶融した燃料と炉内構造物が冷え固まって生成された燃料デブリが存在していることが示されている。本報告では、レーザー加工ヘッドを搭載したx-y-z3軸ロボットを用いて、燃料デブリの持つ性状の不均一性(材質の異なる領域が空間的に分散している性質)に対する溶断・破砕特性の評価結果を報告する。
羽成 敏秀; 松永 幸大; 武部 俊彦; 山田 知典; 村松 壽晴
no journal, ,
原子力機構では、福島第一原子力発電所の炉容器下部に堆積していると考えられる燃料デブリ及び炉内構造物の取出し技術の確立を目指した研究開発を行っている。TMI-2の知見から燃料デブリには金属としての性質を持つ領域も存在する可能性が示唆されており、燃料デブリの取出しには厚板鋼材に対する溶断性能も重要となる。本報告では、溶断溝の壁面粗さがアシストガスの流動特性に与える影響を調査した。溶断試験結果より、溶断溝内のドラグラインがアシストガスの流動特性に与える影響が重要であると考えられ、その流動特性を定量化するために溶断試験片を用いた流動場の計測をPIVにより行った。計測したアシストガスの中心流速分布を壁面が滑らかなアクリル製流路の結果と比較すると、溝入口付近では中心流速はほぼ同程度であるが、溝深さ30mmで約30%減少した。今後は、溶断溝幅と摩擦損失との関係を定量化し、溶断条件に応じたアシストガスの適切な条件を検討する必要がある。
山田 知典; 羽成 敏秀; 武部 俊彦; 松永 幸大; Nguyen, P. L.; 村松 壽晴
no journal, ,
原子力機構では、福島第一原子力発電所の炉容器下部に堆積していると考えられる燃料デブリおよび炉内構造物の取出し技術の確立を目指した研究開発を行っている。取出し作業は遠隔操作で行うため、振動などの外乱が溶断性能に大きく影響を与える可能性が考えられる。本報告では、金属としての特性を示す領域を対象として、溶断性能に影響を与える複数のパラメータを多次元表示し、外乱などが存在する場合でも常に溶断できるように制御するため、金属の溶融に関するパラメータと溶融金属の排出に関するパラメータに分けてそれらの影響を評価した。着目したパラメータのうち、レーザー出力が溶断性能に最も影響を与えることが確認でき、さらにアシストガス流量の増加や、走査速度の低下も有効であることが確認できた。常に溶断できるように制御する場合には、最も影響のあるレーザー出力の制御が必要になると考えられるが、高出力にすることで、スパッタなどの発生量の増加が懸念され、溶断状況の観察を妨げる可能性も懸念される。したがって、低出力で、アシストガス流量や走査速度を制御するなど、溶断状況を考慮して制御する必要がある。
山田 知典; 羽成 敏秀; 武部 俊彦; 松永 幸大; Nguyen, P. L.; 村松 壽晴
no journal, ,
原子力機構では、福島第一原子力発電所の炉容器下部に堆積していると考えられる燃料デブリ及び炉内構造物の取出し技術の確立を目指した研究開発を行っている。スリーマイル島原子力発電所2号機の原子炉構造物損傷状況の知見より、燃料デブリは金属としての性質を持つ領域と、セラミックスとしての性質を持つ領域が存在し、それらが任意の形状で空間的に分散していると考えられる。この取出し技術としては、遠隔操作により燃料デブリの形状、組成などを分析可能な外界センサーが必要であり、得られた情報を基に可制御パラメータを適切に設定して溶断、破砕を行う必要がある。本研究では、レーザースキャナとx-y-z 3軸ロボットを組合せることで、遠隔操作により試験片の溶断・破砕を行った。試験片は、ステンレス鋼の表面にアルミナペレットを接着させた物であり、金属領域とセラミックス領域を含有する複雑形状対象物である。レーザースキャナにより得られた情報を基に溶断・破砕を行うことで、金属領域では、レーザー光は裏面まで貫通し、セラミックス領域も破砕できたことから、レーザースキャナを利用した対象物の形状認識が有効であることが確認できた。
山田 知典; 羽成 敏秀; 武部 俊彦; 松永 幸大; Nguyen, P. L.; 村松 壽晴
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原子力機構では、福島第一原子力発電所の炉容器下部に堆積していると考えられる燃料デブリ及び炉内構造物の取出し技術の確立を目指した研究開発を行っている。遠隔操作により対象物を溶断する場合、その環境が溶断性能に大きく影響を与える可能性がある。本報告では、水中においてレーザー溶断試験を実施し、金属の溶融及び、溶融金属の排出に関するパラメータの影響を評価した。気中では30mm厚の軟鋼を溶断できる照射条件(レーザー出力6kW、走査速度66mm/min、アシストガス流量70l/min)で水中溶断試験を行ったが、溶断できなかった。溶断面の観察では、金属が溶融した形跡は確認できたが、カーフ内部で固まっていた。これは、低流量のため、溶融金属がカーフ外に吹き飛ばされる前に、水と接した所が凝固したことが原因と考えられる。流量を350l/minに増加させた場合、溶断初期の裏面に切り残した領域が存在したが、30mm厚の軟鋼を溶断できた。これらの結果から、水中溶断性能の応答曲面表示を行い、気中溶断性能と比較すると、溶断可能な領域が縮小しており、状況に応じたパラメータ設定が必要となることが確認できた。
山田 知典; 羽成 敏秀; 武部 俊彦; 松永 幸大; Nguyen, P. L.; 村松 壽晴
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福島第一原子力発電所の廃止措置作業では、燃料と炉内構造物とが溶融混合凝固した燃料デブリなどを取出す遠隔操作技術が必要となる。レーザー光を熱源とした切断工法は、遠隔操作性に優れるとともに、狭隘部での作業が可能なこと、レーザー照射時の反力が著しく小さいことなどの特徴から、燃料デブリの取出し技術の一つとして期待される。本研究では、レーザー溶断、破砕性能を評価するために金属やセラミックスを用いて照射試験を行った。連続発振では、30mm厚のSS400を切断でき、パルス照射では10mmのアルミナペレットを破砕できた。さらに、x-y-z3軸ロボットシステムにレーザースキャナと高出力ファイバーレーザーを接続することにより、金属-セラミックス混合体の溶断、破砕が可能であった。これらの成果は、廃止措置作業で要求されるシステム仕様の明確化などへの貢献が期待される。
羽成 敏秀; 山田 知典; 武部 俊彦; 松永 幸大; Nguyen, P. L.; 村松 壽晴
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原子力機構では、福島第一原子力発電所の炉容器下部に堆積していると考えられる燃料デブリおよび炉内構造物の取出し技術の確立を目指した研究開発を行っている。燃料デブリ取出しに向けたレーザー溶断の適応制御システム実現のためには、溶断状況をモニタリングするなどして、適切な条件を維持するための指標を得る必要がある。本発表では、レーザー溶断時のカーフ部近傍からの熱放射光に着目し、2色温度計からの光温度信号の特性についての評価結果について報告する。溶断性能が悪化する場合、光温度信号は溶融領域からのスパッタや乱反射の増加に起因して、信号平均値に対する振幅の比率が急激に上昇する傾向を示すため、この比率の時系列挙動を常時監視することで溶断性能の悪化を捕らえることが可能であることをレーザー溶断実験の結果より確認した。また、この比率を基に作成した応答曲面データを指標として溶断性能の良否をモニタリングし、レーザー溶断条件の適切化を行うことにより、溶断性能の改善が期待できる。
Nguyen, P. L.; 大道 博行; 松永 幸大; 羽成 敏秀; 寺田 隆哉; 山田 知典; 河内 哲哉
no journal, ,
Laser irradiation techniques for removing degraded parts of concrete structure such as tunnel's concrete of railways safely and efficiently is an urgent task, since the significant defects in wall concrete have been detected in the JR West tunnels, Japan. In this work, the characteristic of hole drilled into concrete and the material removal mechanism corresponding to the temperature of surface concrete during laser drilling were investigated by using high speed camera and thermography. The QCW (Quasi continuous wave) fiber laser system having compact dimensions was used in this experiment allowing for a maximum peak power of 1.5 kW and average power of 150 W, operating at 1070 nm. Results show that the melt concrete is removed from the interaction zone both in vapor and melt liquid state. Also the melt concrete expulsion has a significant effect of variation in peak power and pulse duration. In addition, the penetration depth was achieved on 20 mm thick with peak power of 1600 W within 10 s. This basic study of pulsed laser drilling provides useful information to control and enhance the performance for laser irradiation on concrete.
羽成 敏秀; 山田 知典; 松永 幸大; Nguyen, P. L.; 中村 将輝; 村松 壽晴
no journal, ,
原子力機構では、原子炉の高経年化による廃止措置に向けた厚板溶断技術の確立を目指した研究開発を進めている。現在、レーザー溶断適応制御システムの実機適用を見据えたプロトタイプを構築し、制御パラメータの特性評価とシステム適用範囲の検証を行っている。本発表では、同システムを用いた厚板金属に対する溶断性能の高度化について報告する。高度化のためにレーザー照射部からの光信号の時間変化を基に制御を行い、レーザー出力とアシストガス圧力を制御することで、溶断プロセスを安定化できる見通しが得られた。
Nguyen, P. L.; 大道 博行; 松永 幸大; 寺田 隆哉; 山田 知典; 河内 哲哉
no journal, ,
Laser irradiation techniques for removing degraded parts of concrete structure such as tunnel concrete of railways safely and efficiently is an urgent task, since the significant defects in wall concrete have been detected in the JR West tunnels, Japan. Pulsed laser processing of material is an important part of the laser technical application, which include laser drilling, welding, cutting, etc. In this work, we used the QCW (Quasi continuous wave) fiber laser system with advantages of compact dimensions and high peak power. An understanding of mechanisms of ejected molten material and characteristic of hole drilled in laser drilling concrete is necessary to enhance the performance for pulsed laser irradiation on concrete. This basic study of pulsed laser irradiation provides useful information to control and enhance the performance for laser irradiation on concrete.
Nguyen, P. L.; 大道 博行; 松永 幸大; 山田 知典; 西村 昭彦; 河内 哲哉
no journal, ,
Pulsed laser processing of material which includes laser drilling, welding, cutting, etc. is an important part of the laser technical application. Laser irradiation techniques for removing concrete structure defect in the tunnel of railways is an urgent task for operation and maintenance in the JR West tunnels, Japan. In this work, the experiment has been performed for upward laser drilling and cutting on a tip of concrete. For requirement of small apparatus with high accuracy, the QCW (Quasi continuous wave) fiber laser system having compact dimensions was connected with optical head. Results show that the penetration depth was increased in upward drilling compared with that of downward drilling. Especially at higher peak power, this increase was enhanced due to the assistance of gravity. There exists an optimal percentage of overlapping region, which satisfies the requirement of the effective cut depth and cutting speed. For this experiment, the optimal percentage of overlapping region is achieved about 40-50%. Also, cut depth is a function of scan number in pulsed laser upward cutting concrete.
西村 昭彦; 羽成 敏秀; 中村 将輝; 松永 幸大; 下村 拓也; 大道 博行; 中井 宏二; 山田 大地; 井崎 賢二; 川妻 伸二
no journal, ,
平成27年度の原子力機構での夏期休暇実習生制度の実施内容のうち、遠隔技術として深く関連する要素技術としてロボット技術及びレーザー応用技術について実施報告を行う。廃止措置技術の中核となる遠隔技術開発では、ロボット、放射線計測、レーザー応用等の幅広い先端技術に取り組める人材を養成することを目的とする。ロボットについては、原子炉構造に合わせた特殊形状のロボット開発が福島原子力発電所の現場で進められている。これまで、原子力機構でも遠隔操作可能なロボットを開発した。これは、移動のためのクローラと作業のためのアームを備えている。この基本機能とその操作に習熟する学習内容とした。また、高出力レーザーの適用はロボットへのセンサー搭載に続く先のことになる。レーザー切断が可能となれば、加熱による溶融と高速ガスによる溶融部分の除去により切断が進むことを模擬実験により学習した。平成28年度は楢葉地区での活動に傾注する。このため、大学・高等専門学校側の教育内容と受け入れ側である原子力機構の実施内容の刷りあわせが重要である。
Nguyen, P. L.; 大道 博行; 松永 幸大; 山田 知典; 西村 昭彦; 河内 哲哉*
no journal, ,
Nowadays, laser processing for removing defects in concrete infrastructure can open the possibility of industrial application for the maintenance technique of aging tunnel wall in Japan. Pulsed laser processing of material is an important part of the laser technical application, which include laser drilling, welding, cutting, etc. Advantages include a non-contact processing, a low heat input into the material, accuracy and consistency. An understanding of mechanisms of ejected molten material and characteristic of hole drilled is necessary to enhance the performance for pulsed laser irradiation on concrete. For requirement of small apparatus as working in the tunnel transportation, the YLR-150/1500-QCW (Quasi continuous wave) fiber laser having compact dimensions was used in this experiment, allowing for a maximum peak power of 1.5 kW and average power of 150 W, operating at 1070 nm. The laser beam was focused with a lens, giving a beam diameter of 1.0 mm and 2.0 mm on the surface concrete.
村松 壽晴; 山田 知典; 羽成 敏秀; 武部 俊彦; 松永 幸大
酒井 英明*; 碓井 秀三*; 中田 正宏*; 坪井 昭彦*; 社本 英泰*
【課題】異なる材料が混在して、無定形で不規則な外形を有する処理対象物を、その材料に対応して溶断あるいは破砕できるレーザー光を用いた溶断・破砕適応制御装置を提供する。 【解決手段】レーザー加工ヘッド6を搭載したロボット1、対象物19の状態を検出する検出部3、検出情報に基づいてロボット1を制御する制御部2を備え、検出部3は対象物19からのレーザー光8の反射光25を受光し、反射光25に基づいて対象物19の形状を認識するレーザースキャナ12、反射光25に基づいて対象物19の材質を検出する分光計1と、反射光25に基づいて対象物19の溶断の有無を検出する温度計13を有し、制御部2は検出部3からの情報に基づいて、ロボットをするロボット制御部と、レーザー光8を制御するレーザー光制御部9を有している。