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田村 浩司; 中西 隆造; 大場 弘則; 狩野 貴宏; 柴田 卓弥; 平等 拓範*; 若井田 育夫
Journal of Nuclear Science and Technology, 61(8), p.1109 - 1116, 2024/08
被引用回数：1 パーセンタイル：23.64(Nuclear Science & Technology)For the development of the remote elemental analysis method in a radiation environment based on the laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS), the radiation effects on the laser oscillation properties of the single crystal (SC) Nd: YAG microchip laser (MCL) were investigated and compared with those of ceramics Nd: YAG MCL. The laser oscillation properties were measured under gamma-ray irradiation as a function of dose rate. The effects on the SC MCL properties were found to be very small compared to those on the ceramics, indicating minimal radiation effects on the LIBS signal when using SC MCL. Pulse energy and oscillating build-up time (BUT) were measured for a cumulative dose exceeding 1400 kGy. The pulse energy remained stable, and the laser continued to oscillate under irradiation. The BUT also remained stable, demonstrating negligible optical loss accumulation that could affect laser properties even at the demonstrated cumulative dose. The results indicate that the effects of dose rate and cumulative dose on SC MCL laser properties were minimal. The SC MCL was then integrated into the LIBS system, and the gadolinium signal of composite oxides, simulating fuel debris, was successfully measured at the dose rate of 5 kGy/hr. These findings highlight the radiation tolerance of SC MCL as a laser medium for remote LIBS applications in harsh radiation environments.
大場 弘則; 若井田 育夫; 平等 拓範*
スマートプロセス学会誌, 13(2), p.51 - 58, 2024/03
福島第一原子力発電所の廃炉には、事故炉から核燃料デブリを安全かつ円滑に取り出すことが必要である我々は、事故炉内の過酷な環境下でのサーベイランスを可能にする遠隔元素分析を実現するファイバー結合レーザー誘起ブレークダウン分光法(LIBS)技術を提案している。長距離にわたってファイバー結合LIBSをより安全に実行するためのマイクロチップレーザーの応用を検討し、マイクロチップレーザー結晶の放射線環境下での適用性を多結晶と単結晶で比較した。多結晶材料は放射線の影響を受けやすく、発振特性が劣化することが確認された。しかしながら、ガンマ線照射中に結晶を非常に高い温度ではなく、100
C程度に加熱することで発振特性が回復できることを見出した。一方で単結晶は、追加の熱処理を行わなくても、多結晶よりも優れた耐放射線性を有することが示された。また、ロボットアームに簡単に取り付けられる、マイクロチップレーザー結晶を内蔵した小型・軽量のLIBSプローブを開発し、廃炉作業のための放射線環境における遠隔分析としての適用可能性が実証された。
小山 真一; 池内 宏知; 三次 岳志; 前田 宏治; 佐々木 新治; 大西 貴士; Tsai, T.-H.; 高野 公秀; 深谷 洋行; 中村 聡志; et al.
廃炉・汚染水・処理水対策事業事務局ホームページ(インターネット), 216 Pages, 2023/11
令和3年度及び4年度に原子力機構が補助事業者となって実施した令和3年度開始「廃炉・汚染水対策事業費補助金に係る補助事業(燃料デブリの性状把握のための分析・推定技術の開発(燃料デブリの分析精度向上、熱挙動の推定及び簡易分析のための技術開発))」の成果概要を最終報告として取りまとめた。本報告資料は、廃炉・汚染水・処理水対策事業事務局ウェブサイトにて公開される。
田村 浩司; 大場 弘則; 佐伯 盛久; 田口 富嗣*; Lim, H. H.*; 平等 拓範*; 若井田 育夫
Journal of Nuclear Science and Technology, 58(4), p.405 - 415, 2021/04
被引用回数：15 パーセンタイル：81.56(Nuclear Science & Technology)モノリシックNd:YAG / Cr:YAG複合セラミックを備えたコンパクトな光ファイバー伝送レーザー誘起ブレークダウン分光法(LIBS)システムを開発し、その特性に対する放射線線量率の影響を、過酷環境下遠隔分析のために調べた。LIBS信号に対する放射線の影響を調べるために、レーザー発振しきい値、出力エネルギー、発振タイミング、時間パルス形状、ビームプロファイルなどのNd:YAGレーザー動作に関連する特性を、0
10kGy/hrの放射線量率で変化させて金属ジルコニウムのLIBSスペクトルを照射下で測定した。信号強度は照射により大幅に減少したが、最大放射線量率でも有益なスペクトルが得られた。LIBS関連パラメーターの比較から、信号の減少は主に入射パルスエネルギーの減少に起因した。シンチレーション発光スペクトルも放射線照射中に観測され、その信号強度は線量率とともに直線的に増加した。試験結果は、開発したLIBSシステムが、燃料デブリ探査などの過酷な環境において放射線量率の影響を受けるものの遠隔元素分析およびモニタリングに適用可能であることを示している。
若井田 育夫; 大場 弘則; 赤岡 克昭; 宮部 昌文; 大場 正規; 松本 歩*; 作花 哲夫*; 平等 拓範*; 池田 裕二*
no journal, ,
For the decommissioning of "Fukushima Daiichi Nuclear Power Station (F1NPS)" which has damaged or melt downed nuclear core, matting with basic R&D and actual application technologies for decommissioning work will be strongly required. CLADS/JAEA is one of the key institute for strategic promotion of Decommissioning Science on F1NPS in Japan. As for the development of rapid, easy, onsite and in-situ remote diagnostic/analysis of debris under the severe environments such as extremely high radioactive condition, the concept of probing by light and diagnostic by light with radiation resistant optical fiber will be one of the simple, powerful and applicable choices as the innovative development based on LIBS technique. Radiation resistant Optical Fiber based LIBS probe (Fiber LIBS) is constructed, and its activity is demonstrated under water condition and high radiation condition of about 10 kGy/h. For higher sensitivity, Long pulse laser with the pulse duration about 100 ns, and Microwave assisted LIBS are performed. The challenge for longer light delivery (100 m) and flexible use, self Q-switched Microchip laser will be under developing for the LIBS probe and its activity under high radiation condition is now demonstrated.
越智 義浩; 岡田 大; 永島 圭介; 小菅 淳; 田中 桃子; 桐山 博光; 森 道昭; 吉田 芙美子; Kong, W.*; 平等 拓範*
no journal, ,
原子力機構・関西光科学研究所において、高出力THz波発生のためのドライバーレーザーとしてYb:YAG(室温)を増幅デバイスとした波長1030nmのCPAレーザーシステム開発を進めている。目標性能は1kHz繰り返し、出力100mJ、パルス幅1psである。増幅段は薄膜ディスクによる再生増幅とマルチパス増幅の2段構成とし、再生増幅部では出力15mJ以上を目標としている。現在までに励起パワー150W(励起強度:2.4kW/cm
)に対して出力パルスエネルギー約10mJが得られており、高出力, 高安定化へ向けた調整を進めている。講演では、詳細なシステム構成及び特性について報告する。
若井田 育夫; 大場 弘則; 赤岡 克昭; 柴田 卓弥; 中西 隆造; 狩野 貴宏; 坂本 寛*; 池田 裕二*; 平等 拓範*
no journal, ,
炉心溶融事故を起こした福島第一原子力発電所(1FNPS)の廃止措置では、極めて高い放射線環境における燃料デブリや大量の廃棄物の迅速な遠隔その場スクリーニング分析が求められている。耐放射線性光ファイバーを用いたLIBSは、簡便で実効的な手法の候補であり、遠隔操作性や耐放射線性等の基礎的な性能実証を重ねてきた。本報告では、これらを基にして新たに開始した経済産業省廃炉・汚染水・処理水対策事業の概要について紹介する。本事業では、原子力機構の総括の下、光ファイバーLIBSの基本特性(原子力機構)、マイクロチップレーザーの高出力化(分子科学研究所)とLIBSプローブによる遠隔性の拡張、耐放射線性の確認(原子力機構)に加え、核燃料物質及び使用済み燃料を用いた性能実証、携帯型XRFの性能確認(日本核燃料開発)を実施して実績を積むとともに、可搬型LIBSシステムの供給を試行する(アイラボ)計画とした。
若井田 育夫; 大場 弘則; 宮部 昌文; 赤岡 克昭; 大場 正規; 田村 浩司; 佐伯 盛久; 中西 隆造; 池田 裕二*; 作花 哲夫*; et al.
no journal, ,
For the decommissioning of "Fukushima Daiichi Nuclear Power Station (F1NPS)", development of quick, easy, onsite and especially in-situ remote analysis/surveillance/screening techniques will be strongly required under the extremely high radioactive condition. Innovative Laser remote analysis combined with radiation resistant optical fiber based laser induced breakdown spectroscopy (Fiber LIBS) and laser ablation resonance absorption spectroscopy (LARAS) are one of the available technique for elemental and isotope analysis of nuclear fuel debris. The Retrieving of nuclear fuel debris of reactor No.2, will be planned and the screening of nuclear fuel debris will be strongly required. In order to establish an actual and applicable technique, basic study for higher sensitivity and more flexible use will be indispensable. For higher sensitivity, LIBS by long pulse laser and Microwave assisted LIBS are under developing. For more flexible and easy laser light delivery, Microchip laser use LIBS (MC-LIBS) is also under developing for higher performance in screening analysis.
若井田 育夫; 大場 弘則; 赤岡 克昭; 大場 正規; 松本 歩; 宮部 昌文; 池田 裕二*; 作花 哲夫*; 平等 拓範*
no journal, ,
福島第一原子力発電所の廃炉には、広範囲で基礎基盤的研究開発と実際の作業技術へのマッチングが求められており、日本原子力研究開発機構の廃炉国際共同研究センターは、その中心的な研究開発機関の一つである。事故炉内の迅速・簡便・高放射線環境下でのその場遠隔分析技術として、光による分析技術を基本とし、耐放射線性光ファイバーを活用したレーザー誘起発光分光法(LIBS)が有力な分析手法として挙げられる。光ファイバーLIBSを炉内デブリのその場分析技術として開発し、その基本特性を取得し、10kGy/hの放射線環境下でも利用可能であることを確認した。さらに、より高い信号を得るために、ロングパルスレーザーLIBS、マイクロ波支援LIBS、炉内でのマイクロチップレーザーLIBS技術を開発している。
若井田 育夫; 大場 弘則*; 池田 裕二*; 作花 哲夫*; 平等 拓範*
no journal, ,
炉内デブリのその場分析のため、耐放射線性光ファイバーを用いたレーザー誘起発光分光法(ファイバーLIBS)の開発を行っており、10kGy/hに及ぶ高線量環境下や水中環境においてその性能評価を実施した。ファイバーによるレーザー光の高効率伝送や高感度化のためロングパルスレーザー利用LIBS、マイクロ波支援LIBS等が試されている。さらに、光源そのものを炉内に配置する方法として、マイクロチップレーザーの導入も図っている。
若井田 育夫; 宮部 昌文; 赤岡 克昭; 大場 弘則; 平等 拓範*
no journal, ,
福島第一原子力発電所(1F)の廃炉措置では、小型多関節ロボットアームによる炉内調査が予定されており少量(1g程度)のデブリ試料が取得できる可能性がある。設備の整った施設に運搬するには、事前に試料のサーベランスが必要である。この方法の一つとして、LIBSやアブレーション共鳴吸収分光が採択される可能性が高く、廃炉支援機構(NDF)や東京電力と協議を進めている。JAEA/CLADSでは、廃炉に求められる基礎基盤研究を推進しており、平成30年度には、これまでの文部科学省からの競争的委託事業をCLADS補助金とした新たな制度の運用を開始した。その他、共同研究を推進する連携制度も計画されている。これらについて、話題を提供する。
若井田 育夫; 大場 弘則; 池田 裕二*; 作花 哲夫*; 平等 拓範*
no journal, ,
福島第一原子力発電所事故炉の廃止に向けて、炉内溶融物である燃料デブリ等の元素組成の遠隔その場分析を実現するため、耐放射線性光ファイバを活用したレーザー誘起ブレークダウン発光分光法(LIBS)を開発している。レーザー光の遠隔搬送に耐放射線性光ファイバを使用したファイバLIBS法では水没させたウラン含有模擬デブリ試料の半定量分析性や耐放射線特性を評価し、水中, 高放射線場で取得できることを確認した。また、より長距離計測に対応するため、プローブ先端にマイクロチップレーザーを活用し直接レーザー光を炉内で発振させる手法も導入し、10kGy/hの高放射線環境で使用できることも確認した。
若井田 育夫; 大場 弘則; 赤岡 克昭; 宮部 昌文; 大場 正規; 平等 拓範*
no journal, ,
For the decommissioning of Fukushima Daiichi Nuclear Power Station (F1NPS) widely basic R&D and matting for actual application for decommissioning technology will be strongly required. CLADS/JAEA is one of the key institute for strategic promotion of Decommissioning Science on F1NPS in Japan. As for the development of in-situ remote analysis techniques, two kind of R&D will be required. One will be the quick inspection methods of the inventory analysis of nuclear materials contained in small sample of debris. And the other will be the in-situ monitoring / surveillance / analysis of debris based on Laser Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) and related technologies. Especially for under strong radiation, LIBS with radiation resistant optical fiber, so called Fiber LIBS will be the best choice for remote analysis. CLADS/JAEA is now promoting the R&D of LIBS technology for decommissioning and under collaboration with industrial institute for decommissioning work.
若井田 育夫; 大場 弘則; 宮部 昌文; 赤岡 克昭; 田村 浩司; 佐伯 盛久; 大場 正規; 柴田 卓弥; 池田 裕二*; 作花 哲夫*; et al.
no journal, ,
Innovative Laser remote analysis combined with Radiation resistant optical fiber based laser induced breakdown spectroscopy (Fiber LIBS) and laser ablation resonance absorption spectroscopy (LARAS) are developing for elemental and isotope analysis of nuclear debris in the on-site hot cell facility at the Fukushima Daiichi Nuclear Power Station. LIBS by long-pulse laser, Microwave assisted LIBS for higher sensitivity and Microchip laser use LIBS (MC-LIBS) for more flexible and easy light delivery, are also under developing for high performance surveillance.
若井田 育夫; 大場 弘則; 平等 拓範*; 池田 裕二*
no journal, ,
福島第一原子力発電所の廃炉においては、事故炉内からの溶融燃料デブリ等を取り出すという世界的に類例のない作業を安全かつ円滑に実行することが求められており、大規模取り出し時における汚染物や燃料デブリの分別・事前スクリーニングや、デブリ取り出し後の確認サーベランスが重要な課題となっている。特に予測によらない実測値に基づくその場での判断は、廃炉工程のみならず、作業の安全・安心に不可欠である。しかし、損傷炉内では、数百gy/hからkGy/hとも予測される高放射線場の極めて過酷な環境であることから、直接かつ簡便に分析する手法は確立されていない。そこで、JAEA/CLADSでは、光をプローブとして光で分析する遠隔分析法としてLIBSに着目し、レーザー光の遠隔搬送に耐放射線性光ファイバーを使用したファイバーLIBS法を提案して、ウラン含有模擬デブリの分析性能や、高放射線環境での性能評価を行っている。Ce酸化物を使用し、混合酸化物(Ce, Zr, Fe)中にGdを少量添加させた焼結試料を調製してGdに関する検量線を取得した。優れた直線性から半定量的分析が可能であり、検出下限として数100ppmが得られること、線量率に依存しない検量線から、10kGy/hまでの高線量率環境下でも線量のない場合と同様な分析特性が得られることが示された。講演では、手のひらサイズの超小型レーザーをプローブの先端に配置し、50mを超える長尺搬送を実現するマイクロチップレーザー利用ファイバーLIBSプローブや、レーザー誘起プラズマをマイクロ波により維持することで原子発光強度を数百倍増強する技術についても紹介する。
若井田 育夫; 大場 弘則; 大場 弘則*; 赤岡 克昭; 狩野 貴宏; 中西 隆造*; 坂本 寛*; 池田 裕二*; 平等 拓範*
no journal, ,
The decommissioning of the Fukushima Daiichi Nuclear Power Station with melt downed core, it will be required a rapid, remote and in-situ screening analysis of fuel debris and a large amount of waste materials in a narrow and extremely high radiation environment. Radiation-resistant optical fiber based LIBS is one of the practical techniques as the remote in-situ analysis. In the ultra-long-distance remote analysis, a microchip laser delivered by 100 m optical fiber was used to simulate a long-distance analysis. Although a little bit attenuation was observed in emission light intensity, there was no effect on the calibration curve, and the same performance by using a 5 m optical fiber was demonstrated. In the analysis of spent fuel, a portable optical fiber LIBS system was prepared, and only the probe head was introduced into the Hot Cell facility. Spent fuel samples containing Zr and Fe oxides were analyzed, and spectra with no change were obtained even in high-dose environments. These demonstrated the applicability of LIBS for in-situ remote analysis of nuclear fuel debris.
若井田 育夫; 赤岡 克昭; 大場 正規; 大場 弘則; 田村 浩司; 佐伯 盛久; 松本 歩*; 作花 哲夫*; 池田 裕二*; 平等 拓範*
no journal, ,
損傷炉内外の環境は、高放射線、水中又は高湿度、狭隘という過酷な環境条件となっている。そこで、これまで、次世代核燃料サイクル用燃料である、低除染TRU含有MOX燃料の遠隔・迅速分析技術として開発してきた、レーザー誘起プラズマ発光分光法(Laser Induced Breakdown Spectroscopy: LIBS)を中心とした分析技術に着目し、廃炉措置における遠隔その場分析技術として応用する研究開発を開始した。この計測は、電気信号に代わってレーザーをプローブとした光分析手法であり、放射線の影響を受けにくい遠隔観察プローブとしての成立性が高い。本報告では、LIBSを中心としたレーザーモニタリング分析手法開発の一連の取り組みとして、光ファイバーを活用したLIBS計測プローブの基本特性、ロングパルスレーザーを活用したLIBS特性、マイクロ波支援LIBSによる信号増倍の可能性、マイクロチップレーザー利用LIBSプローブ等について、その特長と最近の成果について報告する。
若井田 育夫; 大場 弘則; 赤岡 克昭; 狩野 貴宏; 坂本 寛*; 中西 隆造*; 柏倉 俊介*; 平等 拓範*; 池田 裕二*; 出口 祥啓*
no journal, ,
レーザー誘起ブレークダウン分光法(LIBS)は、非接触・その場・迅速分析が可能な手法の一つである。我々は、光ファイバー技術と組み合わせることで耐放射線性を有する遠隔その場分析技術として基礎的な性能実証を重ね、実機適用に向けた技術開発に発展させてきた。本報告では、これまでのLIBSによるレーザーモニタリング分析技術開発の成果と、福島第一原子力発電所廃炉への適用を目指した技術開発の現状について紹介する。
若井田 育夫; 赤岡 克昭; 大場 正規; 宮部 昌文; 大場 弘則; 池田 裕二*; 作花 哲夫*; 平等 拓範*
no journal, ,
福島第一原子力発電所の廃炉においては、事故炉内からの溶融燃料デブリ等を取り出すという世界的に類例のない作業を安全かつ円滑に実行することが求められている。損傷炉内外の環境は、高放射線、水中又は高湿度、狭隘という過酷な環境条件となっており、ICを多用した精密電子機器は動作が困難である。そこで、これらの影響を受けにくい分析手法として、電気信号に代わって光信号を用いた観察プローブを提案した。本報告では、レーザー誘起プラズマ発光分光法(LIBS)中心としたレーザーモニタリング分析手法開発について、(1)光ファイバーを活用したLIBS計測プローブ、(2)マイクロ波支援LIBS分光、(3)スペクトル解析技術、(4)マイクロチップレーザー利用ファイバーLIBSといった一連の取り組みと、最近の成果について報告する。
若井田 育夫; 作花 哲夫*; 池田 裕二*; 大場 弘則*; 平等 拓範*
no journal, ,
文部科学省英知を集結した原子力科学技術・人材育成事業廃炉加速化プログラム、平成27年度採択事業課題「先進的光計測技術を駆使した炉内デブリ組成遠隔その場分析法の高度化研究」(代表: 原子力機構, 京都大学, イマジニアリング, 量子科学技術研究開発機構, 分子科学研究所)について、平成30年度までの成果を研究代表がまとめて発表するものである。燃料デブリの遠隔その場分析を実現するため、耐放射線光ファイバーを活用したレーザー誘起発光分光法(LIBS)における発光強度の増倍を図ったもので、光源にロングパルスレーザーを利用した場合の発光特性、マイクロ波を導入した場合の発光強度の増倍特性、さらに、50mを超える超長尺光その場分析の実現に向けた、マイクロチップレーザーの活用の可能性を評価した研究成果を発表する。
