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論文

Development of a laser chipping technique combined with water jet for retrieval of fuel debris at Fukushima Daiichi Nuclear Power Station

山田 知典; 武部 俊彦*; 石塚 一平*; 大道 博行*; 羽成 敏秀; 柴田 卓弥; 大森 信哉*; 黒澤 孝一*; 佐々木 豪*; 中田 正宏*; et al.

Journal of Nuclear Science and Technology, 56(12), p.1171 - 1179, 2019/12

 被引用回数:1 パーセンタイル:23.13(Nuclear Science & Technology)

福島第一原子力発電所の炉内構造物及び燃料デブリ取り出しに向けて、レーザーとウォータージェットを組み合わせたはつり除去技術の開発を行った。金属を対象とした除去能力を評価するため、5.5kWの連続発振のファイバーレーザーとパルス噴射のウォータージェットを組み合わせて加工中の様子を観察した。

論文

Ultrasonic guided wave approach for inspecting concave surface of the laser butt-welded pipe

古澤 彰憲; 西村 昭彦; 武部 俊彦*; 中村 将輝*; 竹仲 佑介*; 西條 慎吾*; 中本 裕之*

E-Journal of Advanced Maintenance (Internet), 9(2), p.44 - 51, 2017/08

本論文では、配管のレーザー突合せ溶接に対して超音波ガイド波検査法が適用可能であるかを調査する。10種類の異なる溶接条件で作成した突合せ溶接配管試験体に対して超音波ガイド波試験を行い、検査信号の解析を行った。励起した超音波ガイド波はTモードガイド波であって、その励起と受信にはEMATを使用した。試験で得られたガイド波信号を解析することで溶接不良部からのガイド波検出信号が明瞭に測定される一方、十分に溶け込んだ溶接部からは反射信号がなく、突合せ溶接された溶接部の状況とガイド波検出信号に相関があることを確認し、超音波ガイド波検査法はレーザー突合せ溶接に対して適用可能性があることを示した。

論文

Demonstration of laser processing technique combined with water jet technique for retrieval of fuel debris at Fukushima Daiichi Nuclear Power Station

羽成 敏秀; 武部 俊彦*; 山田 知典; 大道 博行; 石塚 一平*; 大森 信哉*; 黒澤 孝一*; 佐々木 豪*; 中田 正宏*; 酒井 英明*

Proceedings of 2017 International Congress on Advances in Nuclear Power Plants (ICAPP 2017) (CD-ROM), 3 Pages, 2017/04

福島第一原子力発電所の廃止措置の中で、遠隔操作による原子炉格納容器内の燃料デブリの取出しプロセスは重要な課題の1つである。このプロセスにおいて、放射性物質の拡散を抑制することは重要な考慮すべき点の1つである。さらに、このプロセスに適用する技術は、妥当な加工効率を維持することが要求される。そこで、我々は燃料デブリの取出し技術として、レーザー光と水噴流を組み合わせた技術を用いることを提案する。繰り返し断続噴射する水噴流を組み合わせたレーザー加工技術は、効率的な加工を行える可能性を示している。この実験結果をもとに、福島第一原子力発電所での適用に向けた技術開発を進めていく。

報告書

レーザー光を用いた燃料デブリ・炉内構造物取出しに向けた研究(II); 平成25年度研究成果

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。

報告書

レーザー光を用いた燃料デブリ・炉内構造物取出しに向けた研究(I); 研究計画および平成24年度研究成果

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。

論文

Element-selective observation of electronic structure transition between semiconducting and metallic states in boron-doped diamond using soft X-ray emission and absorption spectroscopy

飯原 順次*; 村松 康司; 武部 敏彦*; 澤村 明賢*; 難波 暁彦*; 今井 貴浩*; Denlinger, J. D.*; Perera, R. C. C.*

Japanese Journal of Applied Physics, Part 1, 44(9A), p.6612 - 6617, 2005/09

 被引用回数:12 パーセンタイル:44.84(Physics, Applied)

軟X線分光法を用いてホウ素ドープダイヤモンドの半導体-金属間電子構造の変化を観測した。ホウ素濃度が数十ppmから数万ppmに増加するにつれて、ホウ素と炭素原子のバンド構造(価電子帯と伝導帯)が半導体構造から金属構造に変化してゆく様子が明瞭にとらえられた。本分光法によるバンド構造変化の観察は、ダイヤモンド半導体のバンドギャップ制御に重要な情報をもたらす。

論文

Development of migration prediction system(MIGSTEM) for cationic species of radionuclides through soil layers

大貫 敏彦; 武部 愼一; 山本 忠利

Journal of Nuclear Science and Technology, 26(8), p.795 - 804, 1989/08

放射性ストロンチウムの通気および帯水砂層に対する遅廷係数と標準拡散係数について検討した。遅廷係数および標準拡散係数は、移流拡散方程式の解より得られる濃度分布を実験による分布にフィットさせて得た。遅廷係数および標準拡散係数は、通気砂層に対してそれぞれ2000、0.25cmが、一方、帯水砂層に対してそれぞれ600、0.07cmが得られた。本研究において得られた係数を用いて、仮想サイトにおける$$^{90}$$Srの移動を試算した。その結果、ほとんどの$$^{90}$$Srは1000$$times$$1000mのサイト内に1000年間留まることが明らかとなった。したがって、砂層は$$^{90}$$Srの移動に対してバリアとして働く。

口頭

レーザー光を用いた福島燃料デブリ取出し技術に関する研究開発,5; レーザースキャナを用いた溶断・破砕対象物の幾何形状認識特性

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$$phi$$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$$^{2}$$)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。

口頭

レーザー光を用いた福島燃料デブリ取出し技術に関する研究開発,1; 研究開発計画の概要

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。

口頭

レーザー光を用いた福島燃料デブリ取出し技術に関する研究開発,4; x-y-z 3軸ロボットによる溶断・破砕にかかわる基礎特性

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。

口頭

レーザー光を用いた福島燃料デブリ取出し技術に関する研究開発,2; レーザー光連続照射による金属溶断特性及びアシストガス噴流特性

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。

口頭

レーザー光を用いた福島燃料デブリ取出し技術に関する研究開発,9; レーザー溶断性能に影響を及ぼす支配因子の一般化

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。

口頭

レーザー光を用いた福島燃料デブリ取出し技術に関する研究開発,6; 不規則形状/金属-セラミックス混合体の溶断・破砕試験

武部 俊彦; 羽成 敏秀; 山田 知典; 村松 壽晴

no journal, , 

TMI-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、形状,材質ともに空間的に不規則であることが想定される。本報告ではx-y-z3軸ロボットとレーザースキャナとの連携を用いて、不規則形状の金属・セラミックス混合体に対して実施した溶断・破砕試験の結果について報告する。

口頭

レーザー光を用いた福島燃料デブリ取出し技術に関する研究開発,8; アシストガス噴流の流動場変調による溶断性能向上に関わる検討

羽成 敏秀; 武部 俊彦; 山田 知典; 村松 壽晴

no journal, , 

燃料デブリ取出し時における厚板鋼材に対する溶断性能の向上のためには、アシストガス噴流による溶融金属の排出過程を促進する必要がある。本報告では、アシストガスを模擬した噴流中での渦放出に関する基礎試験を行い、矩形障害物によって生じる渦度強度の空間的、時間的変動に関する評価を行った。計測により得られた流速から求めた渦度分布より、障害物のアスペクト比(=幅/高さ)が0.7に比べ3.0のほうが下流への影響が大きくなることが分かった。また、障害物からの渦放出によって渦度の時間的な変動が見られた。その時間変動の低周波成分によって周期的に速度が増減し、これによる運動量も増減することで溶融金属の排出過程の促進につながり、結果として溶断性能の向上が期待できる。

口頭

レーザー光を用いた福島燃料デブリ取出し技術に関する研究開発,7; レーザー溶断時の温度過渡特性の評価

Nguyen, P. L.; 武部 俊彦; 羽成 敏秀; 山田 知典; 村松 壽晴

no journal, , 

Experiment of temperature measurement was performed to investigate the transient temperature characteristics of molten metal during the laser cutting process. The relationship between temperature of the top surface and inside material was determined by using thermography and thermocouple. In addition, the temperature distributions were obtained with different cutting speeds. The appearance of temperature on the top surface is different in case of fail cutting compared with success cutting.

口頭

レーザー光を用いた複雑形状対象物の溶断・破砕

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。

口頭

レーザ光を用いた福島燃料デブリ取出し技術に関する研究開発,11; 水中での不規則形状/金属-セラミックス混合体の溶断・破砕試験

武部 俊彦; 山田 知典; 羽成 敏秀; 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。TMI-2の知見から、燃料デブリの形状は不規則であり、材質分布は金属としての性質を持つ領域とセラミックスの性質を持つ領域とが混在していることが示唆されており、また、取出し時の周囲環境は水中である可能性がある。本報告では、レーザースキャナヘッドとレーザー加工ヘッドを搭載したx-y-z 3軸ロボットの連携機能を用いて水中環境での不規則形状の金属-セラミックス混合体に対して照射試験を実施し、前回報告した気中環境での照射試験と同様に溶断・破砕が可能であることが示された。

口頭

レーザー光を用いた福島燃料デブリ取出し技術に関する研究開発,12; 水中レーザー溶断性能の応答曲面表示

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。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。

口頭

Evaluation of fiber laser cutting and crushing applied to the removal technology of fuel debris and in-vessel structures

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, , 

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$$phi$$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。

口頭

レーザー光を用いた福島燃料デブリ取出し技術に関する研究開発,13; レーザー溶断の適応制御に向けた光温度信号の特性評価

羽成 敏秀; 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。

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