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論文

Generation of particles and fragments by quasicontinuous wave fiber laser irradiation of stainless steel, alumina, and concrete materials

大道 博行*; 山田 知典; 古河 裕之*; 伊藤 主税; 宮部 昌文; 柴田 卓弥; 長谷川 秀一*

Journal of Laser Applications, 33(1), p.012001_1 -  012001_16, 2021/02

 被引用回数:0 パーセンタイル:0(Materials Science, Multidisciplinary)

In order to preserve a safe working environment, in particular for nuclear decommissioning like the Fukushima Daiichi Nuclear Power Station, special care should be taken to confine and retrieve such particles during laser processing. In the experiments, particle production from the vapor, as well as the molten phase layer in the targeted material were observed with a high speed camera with fine particles collected and analyzed using an electron microscope. The observed results were qualitatively interpreted with the help of a simplified one-dimensional hydrodynamic code coupled with a stress computation code. Characterization and classification of the results are expected to provide a useful database which will contribute to the decommissioning of nuclear facilities as well as other industrial applications.

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

最先端の研究開発,日本原子力研究開発機構,1; 1Fの廃炉と環境回復をめざして,1

野田 耕一; 野崎 信久; 小川 徹; 山田 知典

日本原子力学会誌ATOMO$$Sigma$$, 61(12), p.843 - 846, 2019/12

原子力機構の研究開発の最前線を紹介する。1回目となる今回は福島第一原子力発電所(1F)の廃炉と環境回復をめざして(1)について紹介する。

論文

Development on laser cutting technique to suppress spatter particles aiming at disposal of radio-active waste

直江 崇; 勅使河原 誠; 二川 正敏; 水谷 春樹; 村松 壽晴; 山田 知典; 牛塚 悠司*; 田中 伸厚*; 山崎 和彦*

Proceedings of 8th International Congress on Laser Advanced Materials Processing (LAMP 2019) (Internet), 5 Pages, 2019/05

レーザー切断は、J-PARC核破砕中性子源標的容器等の放射性廃棄物の減容処分方法の1つである。レーザーによる切断は、非接触で実施されるため従来の機械切断方法等と比較して遠隔操作による切断作業に適している。しかしながらレーザーは、切断時に生じる放射性物質を含むスパッタやヒュームの飛散が、周囲に汚染を広げるデメリットがある。近年、レーザー溶接において、ビームプロファイルの制御によるスパッタ飛散の低減技術が開発された。レーザー切断に本技術を適用する手始めとして、レーザー切断時における溶融部の挙動について物理モデルを構築するために、高速度ビデオカメラを用いて溶融部を可視化した。その結果、ヒュームとスパッタの発生は、時間的に独立していることを確認した。

論文

Support for the development of remote sensing robotic system using a water tank installed in the Naraha Remote Technology Development Center

西村 昭彦; 吉田 稔*; 山田 知典; 荒川 了紀

Proceedings of International Topical Workshop on Fukushima Decommissioning Research (FDR 2019) (Internet), 3 Pages, 2019/05

原子力機構は楢葉遠隔技術研究開発センターにおいて、遠隔センシングロボット技術の開発を支援している。センターに設置されている水槽を模擬的な原子炉格納容器に見立てた。光ファイバ干渉方式の小型の地震振動計が使用された。特別設計されたロボットシステムが地震計ユニットの設置のために試験された。本試験では地面の振動を利用して、水槽の振動応答関数を明らかにする準備を行った。

論文

レーザーによるコンクリート切断技術

大道 博行*; 山田 知典

オプトロニクス, 37(12), p.67 - 71, 2018/12

日本においては1960年代から70年代にわたる高度経済成長期に道路、トンネル, 橋梁等、公共インフラが集中的に建設された。現在、50年の年月を経て、その適切な保全・維持管理と更新が焦眉の課題になっている。このような焦眉の国家的課題の要請に呼応するかのように、新たなレーザー応用技術の開発が進んでいる。インフラの健全性を診断するための非破壊リモートセンシング技術、補修や更新に資する技術などが対象である。本稿では、これらの中で、補修や更新に貢献することが期待されるコンクリート構造物のレーザーによる切断技術に関し筆者らの研究を中心に紹介する。

論文

Experimental characterization of concrete removal by high-power quasicontinuous wave fiber laser irradiation

Nguyen, P. L.; 大道 博行; 山田 知典; 西村 昭彦; 長谷川 登*; 河内 哲哉*

Journal of Laser Applications, 29(4), p.041501_1 - 041501_11, 2017/11

 被引用回数:7 パーセンタイル:51.85(Materials Science, Multidisciplinary)

トンネルなどのインフラの保守保全作業は、技術者の目視確認、手作業(触診・打音・叩き落とし)で行われている。これらの作業は、非常に時間がかかり、大きな危険が伴うため、従来技術に変わる効率的で安全な保守保全技術の確立が求められている。本研究では、叩き落としに変わる技術として、高出力QCWファイバーレーザーを用いたコンクリート穿孔、切断除去技術の開発を行っており、その結果について報告する。

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。

論文

Influence of the heating method on the particle characteristics of copper oxide powders synthesized from copper nitrate aqueous solutions

瀬川 智臣; 深澤 智典*; Huang, A.-N.*; 山田 美一; 鈴木 政浩; 福井 国博*

Chemical Engineering Science, 153, p.108 - 116, 2016/10

 被引用回数:4 パーセンタイル:21.6(Engineering, Chemical)

使用済み燃料の再処理工程において、マイクロ波加熱直接脱硝法による硝酸ウラニル・硝酸プルトニウム混合溶液から混合酸化物粉末(MOX原料粉末)への転換が行われている。金属硝酸塩水溶液の脱硝により生成される酸化物粉末の形態に対する加熱法の影響を明らかにするため、脱硝によりCu(NO$$_{3}$$)$$_{2}$$・3H$$_{2}$$O水溶液から生成された酸化銅粉末の形態に対する加熱法の影響について研究を行った。得られた粉末の中位径は加熱法に関らず、加熱速度が増加するにつれて減少することが明らかとなった。マイクロ波加熱法は顕著に粒子径が減少し、粒子の形状及び表面の不規則性が増大した。一方、マイクロ波と電気ヒータのハイブリッド加熱法では、最も表面が滑らかで球形の粒子が得られた。また、ハイブリッド加熱法では、マイクロ波加熱よりもシャープな粒子径分布を得られることが明らかとなった。数値シミュレーションにより、ハイブリッド加熱法では、より低いマイクロ波出力で全体を均一に加熱できることが明らかとなった。さらに、加熱法に起因する粉末の形態特性に対し、シミュレーションによるバルクの温度分布とマイクロ波照射により誘起されるCuO粒子で局所的に発生するホットスポットの相違に基づく考察を行った。

論文

東電福島第一原発廃炉に係る研究拠点の構築

河村 弘; 山田 知典

金属, 86(7), p.580 - 589, 2016/07

福島研究基盤創生センターでは、福島第一原子力発電所廃止措置推進に必要不可欠な遠隔操作機器や放射性物質の分析・研究等に関する技術基盤を確立するため、福島県内に研究拠点を整備しており、これらの施設について紹介を行う。

論文

Influence of heating method on size and morphology of metallic oxide powder synthesized from metallic nitrate solution

瀬川 智臣; 深澤 智典*; 山田 美一; 鈴木 政浩; 吉田 英人*; 福井 国博*

Proceedings of Asian Pacific Confederation of Chemical Engineering 2015 (APCChE 2015), 8 Pages, 2015/09

核燃料再処理において、マイクロ波加熱脱硝法により硝酸プルトニウム・硝酸ウラニル混合溶液を酸化物粉末に転換している。模擬試料として硝酸銅水溶液を用い、マイクロ波加熱法および赤外線加熱法による酸化銅の合成を行い、昇温速度が粒子形態や粒径に及ぼす影響を評価した。各加熱法により得られた粒子の粒子形態は類似しており、昇温速度の増加に従い粒径が減少する傾向を示した。また、マイクロ波加熱法により得られた粒子は赤外線加熱法に比べて粒径が小さく、粒度分布がブロードになる等の特徴を有することを確認した。マイクロ波照射時に試料に発生する温度分布と粒度分布との関係性について、数値シミュレーションによる検討を行った。

報告書

高速炉燃料集合体開発に係るフェライト/マルテンサイト鋼(PNC-FMS)のレーザー溶接試験

河野 史明; 十亀 求; 山田 知典; 菖蒲 敬久; 永沼 正行; 小澤 隆之; 村松 壽晴

JAEA-Technology 2015-004, 57 Pages, 2015/03

JAEA-Technology-2015-004.pdf:20.87MB

高速炉燃料集合体の内部ダクトとラッパ管の溶接技術開発に関し、レーザー溶接の適用性を確認するため、それらを模擬した厚さ2mmと5mmのフェライト/マルテンサイト鋼(PNC-FMS)板材を用いてレーザー溶接試験を実施した。その結果、スポット溶接とビード溶接それぞれについて、溶接欠陥が少なくかつ十分な溶込み深さが得られる見通しを得た。スポット溶接については、溶接時の冷却速度を低下させることで、また、レーザーをパルス照射にすることで、溶接部の割れや空孔の発生を抑制できることが分かった。また、690$$^{circ}$$C$$times$$103minの溶接後熱処理により、溶接部のひずみはほぼ除去され、硬さも母材と同程度まで回復した。さらに、せん断試験の結果、溶接部は十分なせん断強度を有していることを確認した。これらの結果から、PNC-FMSラッパ管と内部ダクトの接合方法として、レーザー溶接は有望な手段と考えられる。

報告書

レーザー光と非金属との相互作用に関する基礎研究及び福島第一原子力発電所の廃止措置に向けた研究計画; コンクリートへのレーザー照射挙動の評価

山田 知典; 村松 壽晴

JAEA-Research 2014-026, 28 Pages, 2015/02

JAEA-Research-2014-026.pdf:18.03MB

コンクリートのような組成不定の不均一複合材料に対する物性-レーザー照射条件-レーザー照射挙動の理解を金属と同レベルに引き上げる一助とするために、コンクリートの主要な構成材料であるモルタルにレーザーを照射した際の挙動を評価した。(1)水セメント比の影響3条件の水セメント比を持つ試験片に対し、5条件のパワー密度、5条件のレーザー照射時間の合計75条件でレーザー照射試験を行った。実施した全ての試験条件でセメント試験片を破砕できることが確認できた。破砕によって生成した照射痕は、同じ照射時間の場合、パワー密度が大きいほど、また同じパワー密度の場合、照射時間が長いほど深くなった。(2)モルタルの種類によるレーザー照射挙動の評価細骨材が互いに異なる3種類のモルタル試験片に対し、固定した条件で、5条件のパワー密度、5条件のレーザー照射時間、合計75条件のレーザー照射試験を行った。実験の結果、レーザー照射によって3種類のモルタルは最終的に全て溶融したが、溶融に必要なパワー密度は細骨材の種類に大きく依存することが分かった。

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(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

レーザー加工のシミュレーション

山田 知典; 山下 晋; 杉原 健太; 村松 壽晴

プラズマ・核融合学会誌, 89(7), p.500 - 506, 2013/08

レーザー加工プロセスには、時間,空間スケールの異なる多くの物理機構が存在するため、複雑さや計算の難しさから、十分に解明されているとは言い難い。本章では、こうしたレーザー加工時の複合物理現象の解明に向けて開発されてきたシミュレーションモデルを紹介する。さらに、筆者らが開発を行った数値シミュレーションコード(SPLICE)を用いたレーザー溶接・切断の数値シミュレーション結果と、放射光高輝度単色X線を用いた高精度実験やレーザーによる厚板鋼材切断試験の結果との比較対比を通じて得られた知見・課題等について紹介する。

論文

原子力施設のための3次元仮想振動台システムの研究開発への取り組み

西田 明美; 鈴木 喜雄; 山田 知典; 木野 千晶; 鵜沢 憲*; 宮村 浩子; 河村 拓馬; 武宮 博; 中島 憲宏

RIST News, (54), p.33 - 37, 2013/01

原子力施設は複雑かつ巨大な構造物であり、多数の部品から成り立っている。このような複雑・巨大構造物の挙動をシミュレーションしようとするときには、解析技術だけではなく、プリポスト処理を含めた総合的なシステムとしての視点が重要となる。そこで、システム計算科学センターでは、構造部品を部品単位で認識し、必要な解析のためのデータを組み上げていく組立構造解析アプローチを提案し、原子力施設のような複雑・巨大構造物の挙動解析のためのフレームワークを試作した。これまでに、原子力機構大洗研究開発センターにある高温工学試験研究炉の建屋や機器のデータを用いた数値実験を行い、原子力施設全体での大規模地震応答シミュレーションが可能であることを実証した。本稿では、3次元仮想振動台システムのフレームワーク、システムの核となる組立構造解析アプローチ、結果評価のための可視化技術、および、3次元仮想振動台システムの適用研究として2011年より着手した地震リスク評価への試みについて述べる。

論文

In-situ X-ray observation of molten pool depth during laser micro welding

山田 知典; 菖蒲 敬久; 西村 昭彦; 米本 幸弘; 山下 晋; 村松 壽晴

Journal of Laser Micro/Nanoengineering, 7(3), p.244 - 248, 2012/11

 被引用回数:14 パーセンタイル:61.35(Nanoscience & Nanotechnology)

ファイバーレーザーの小型高性能化が進み、この技術を高経年化軽水炉の検査補修に応用することが可能となった。量子ビーム部門ではこれまで熱交換器伝熱管において微細欠陥を発見し補修する光ファイバ内視鏡とファイバーレーザーを合わせた新型プローブが開発されている。本研究では、微小なき裂を補修するための実演として突合せ溶接を行い、放射光X線を利用して溶接中の材料内部の挙動を観察した。レーザー溶接中の材料内部のその場観察は、溶接不良の原因となる気泡や欠陥を非破壊で観察可能なため、補修溶接での有益な情報を提供することができる。そのため、溶接欠陥の抑制やそのメカニズムの調査に効果的である。これにより開発した新型プローブを用いて実施した、伝熱管の突合せ溶接の溶融池深さを明らかにした。

論文

Instrumentation device and surface control technology for coolant piping system of nuclear power plants

西村 昭彦; 寺田 隆哉; 島田 幸洋; 米本 幸弘*; 山田 知典

Proceedings of 20th International Conference on Nuclear Engineering and the ASME 2012 Power Conference (ICONE-20 & POWER 2012) (DVD-ROM), 5 Pages, 2012/07

レーザー技術を用いた計測法を原子力プラントの冷却系の保守保全のために開発している。計測技術としては、光ファイバセンサ技術を用いることで地震に対する振動計測が可能であることを明らかにした。さらに放射光X線による吸収コントラスト法を用いることにより、レーザー溶接補修の際の溶融池の内部の対流現象を解明した。一方で、表面制御技術としては、熱交換器伝熱管のレーザー肉盛り溶接補修が可能な新型プローブ装置を開発を進めた。また、レーザー蒸発は配管表面の汚染除去に有効であることを明らかにした。これらのレーザー技術は、原子炉の冷却配管の保守保全に役立つことが期待される。

論文

Development of laser welding simulation code with advanced numerical models

山下 晋; 米本 幸弘; 山田 知典; 功刀 資彰*; 村松 壽晴

溶接学会論文集(インターネット), 29(3), p.48s - 52s, 2011/08

レーザー溶接による残留応力の定量的評価とその制御は高速増殖炉の長寿命化や補修信頼性の担保において非常に重要な問題である。このような問題に関する深い理解に対して、数値シミュレーションは非常に有効なツールであると言える。そのためには、数値シミュレーションモデルに対して、高精度,強靭性そして高い信頼性が必要となる。これに対し、われわれは最新の数値モデルを用いて以上の特徴を満たすような"SPLICE"(residual Stress control using Phenomenological modeling for Laser welding in Computational Environment)と呼ばれる完全に並列化されたレーザー溶融・凝固シミュレーションモデルを開発した。離散化にVSIAM3(Volume and Surface Integrated Average based Multi Moment Method),界面追跡スキームにTHINC法,固相表現にFAVOR法と呼ばれる手法を用いてレーザー溶接シミュレーションを実施した。その結果、幾つかのレーザー溶接特有の現象を再現することができた。よって、本シミュレーションモデルが将来的にレーザー溶接補修技術に対し大いに貢献できることが示唆される。

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