静 岡 県 原 子 力 経 済 性 等 検 証 専 門 部 会 ( 第 5 回 ) 2012 年 11 月 13 日 原 子 力 とレーザー 光 技 術 加 藤 義 章 光 産 業 創 成 大 学 院 大 学 浜 名 湖 ( 光 産 創 大 : 静 岡 県 浜 松 市 西 区 呉 松 町 ) 光 産 業 創 成 大 学 院 大 学 The Graduate School for the Creation of New Photonics Industries 1
原 子 力 とレーザー 光 技 術 原 子 力 とレーザーは アインシュタインが 奇 跡 の 年 (1905 年 )に 発 表 した 論 文 から 生 まれた 原 子 力 分 野 で レーザー 光 技 術 はどのよう に 利 用 されているか? 新 技 術 開 発 の 状 況 は? レーザーは 原 子 力 に 新 展 開 をもたらすか? 基 礎 科 学 と 原 子 力 分 野 との 交 流 は? 2
ご 協 力 下 さった 方 々 JAEA 敦 賀 本 部 レーザー 共 同 研 究 所 大 道 博 行 所 長 JAEA ガンマ 線 核 種 分 析 研 究 G 羽 島 良 一 GL JAXA 宇 宙 科 学 研 究 所 高 橋 忠 幸 教 授 レーザックス 坪 井 昭 彦 専 務 ( 光 産 創 大 特 任 教 授 ) 光 産 創 大 滝 口 義 浩 教 授 ( 株 ) 東 芝 電 力 社 会 シ ステム 技 術 開 発 センター 佐 野 雄 二 技 監 3
原 子 力 機 器 製 造 4
原 子 力 機 器 製 造 への 適 用 原 子 力 機 器 の 加 工 : 高 精 度 低 ひずみ 低 入 熱 が 必 要 レーザー 加 工 が 不 可 欠 精 密 切 断 精 密 溶 接 レーザー 表 面 熱 処 理 局 部 硬 化 応 力 腐 食 割 れ 防 止 中 性 子 吸 収 棒 ステンレス 鋼 ( 板 厚 1mm) 資 料 : 山 田 前 川 牧 野 東 芝 レビュー 55 (10), 53, 2000 使 用 済 燃 料 貯 蔵 ラック (ボロン 添 加 ステンレス 鋼 の 精 密 無 酸 化 切 断 ) 制 御 棒 ( 核 反 応 を 制 御 ) (ステンレス 板 内 に 中 性 子 吸 収 棒 を 組 み 込 み) 5
レーザ 加 工 : 複 雑 形 状 構 造 物 の 精 密 高 速 加 工 レーザックス 多 関 節 ロボット 搭 載 フレキシブルレーザ 加 工 システム
原 子 炉 保 全 7
レーザーピーニングによる 原 子 炉 の 予 防 保 全 従 来 システム(1997) レーザー 装 置 小 型 システム(2006) レーザー 発 振 器 (80mJ 100Hz) 長 さ: 680mm レーザー 装 置 適 用 概 念 施 工 装 置 6m 1.5m 800kg 30kg 原 子 炉 圧 力 容 器 タービン 航 空 機 の 疲 労 対 策 への 適 用 開 始 原 子 炉 10 基 14 定 期 点 検 で 実 施 済 み 株 式 会 社 東 芝 電 力 社 会 システム 技 術 開 発 センター 8
レーザーピーニングによる 残 留 応 力 の 改 善 と 疲 労 強 度 の 向 上 株 式 会 社 東 芝 電 力 社 会 システム 技 術 開 発 センター レーザーピーニング: 水 中 でパルスレーザーを 照 射 したとき の 衝 撃 力 を 利 用 して 材 料 表 面 の 残 留 応 力 の 改 善 を 行 う 技 術 1994 年 に 原 理 確 認 ( 東 芝 ) 施 工 面 の 前 処 理 が 全 く 不 要 反 力 がなく 狭 い 部 位 に 適 する 水 中 施 工 が 可 能 ( 可 視 レーザー) 水 中 施 工 のため 放 射 線 遮 蔽 が 容 易 施 工 条 件 の 制 御 が 容 易 なため 効 果 が 確 実 で 再 現 性 が 高 い 応 力 振 幅, a (MPa a) レーザー レ ン ズ 水 プラズマ 試 験 片 レーザー 照 射 中 圧 縮 レーザー 照 射 後 SR + LP FH + LP 400 SR (Unpeened) FH (Unpeened) 300 200 疲 労 強 度 の 向 上 SUS316 LR = -1 ( 回 転 曲 げ) 10 4 10 5 10 6 10 7 10 8 10 9 破 断 までの 応 力 負 荷 回 数, N f (cycle) 9
レーザーピーニングによる 応 力 腐 食 割 れの 予 防 表 面 表 面 ( 材 料 :SUS304) 200 m 200 m レーザーピーニング 施 工 材 未 施 工 材 株 式 会 社 東 芝 電 力 社 会 システム 技 術 開 発 センター 10
高 温 機 器 配 管 オンライン 監 視 技 術 の 開 発 JAEAレーザー ザ 共 同 研 究 所 高 温 機 器 の 遠 隔 多 点 モニタリング エルボ 部 等 の 変 形 が 集 中 する 部 位 に 高 温 用 センサを 設 置 歪 振 動 等 の 遠 隔 監 視 を 行 う 燃 料 出 入 設 備 原 子 炉 中 間 1 熱 ポ 次 交 ン 主 換 プ 器 循 環 測 定 装 置 2 ポ次 ン主 プ 循 環 補 空 助 気 冷 冷 却 却 設 器 備 蒸 発 器 光 ファイバー 過 熱 器 放 出 弁 耐 熱 FBG タービン センサ 位 置 発 電 機 11
観 ながら 直 す 造 る レーザー 溶 接 補 修 技 術 の 開 発 JAEAレーザー 共 同 研 究 所 高 出 力 ファイバ レーザー 直 す カップリング 装 置 ( 画 像 温 度 ) 大 きく 観 る ECT 探 傷 器 ライトガイド ECTケーブ ル 検 査 補 修 する1インチ 径 伝 熱 管 内 壁 画 像 ( 人 為 的 に 傷 を 付 与 ) マルチプレクサ マルチコイルECTセンサ カラー 画 像 処 理 システム 細 かく 観 る 照 明 レーザー 加 工 ヘッド 制 御 装 置 電 源 ケーブル 複 合 型 光 ファイバ レーザー 加 工 ヘッド 水 中 レーザー 溶 接 も 重 要 12
廃 炉 措 置 13
廃 炉 措 置 へのレーザー 利 用 工 期 人 員 放 射 性 廃 棄 物 の 低 減 ( ふげん に 関 する 検 討 ) ザ 究 JAEAレーザー 共 同 研 究 所 材 料 に 係 る 課 題 放 射 能 レベルが 比 較 的 高 い ( 放 射 化 材 料 ) 材 料 の 一 部 にジルコニウム 合 金 鋼 を 使 用 構 造 に 係 る 課 題 カランドリア 管 と 圧 力 管 の 二 重 管 など 狭 隘 構 造 多 様 な 配 置 によ り 切 断 箇 所 が 多 い 切 断 時 に 発 生 する 放 射 性 粉 じん 等 に よる 被 ばく 低 減 ジルコニウム 合 金 鋼 切 断 時 の 発 火 防 止 二 重 管 を 同 時 に 切 断 工 期 短 縮 が 図 れる 水 中 遠 隔 解 体 切 断 工 法 高 出 力 ファイバーレーザー( 可 搬 型 ) 解 体 の 流 れ 1 準 備 遠 隔 解 体 装 置 設 置 解 体 用 プール 設 置 等 総 廃 棄 物 36 万 トン 内 放 射 性 廃 棄 物 として 21 次 切 断 ( 粗 断 ) 処 理 1 万 トン 高 レベル 廃 棄 物 500トン -プラズマアーク - レーザ -AWJ * 等 3 解 体 物 収 容 容 器 4 解 体 装 置 及 び 解 体 用 に 収 容 / 搬 出 プール 等 の 撤 去 片 付 け 2 2 次 切 断 ( 細 断 ) - 水 中 バンドソー 等 *AWJ:アブレイシブウォータージェット 14
( 独 ) 中 小 企 業 基 盤 整 備 機 構 戦 略 的 基 盤 技 術 高 度 化 支 援 事 業 高 品 質 固 体 レーザによる 遠 隔 切 断 技 術 の 開 発 (H18-H20 事 業 管 理 法 人 ( 財 ) 若 狭 湾 エネルギー 研 究 センター) 将 来 の 原 子 炉 廃 止 措 置 ( 原 子 炉 容 器 の 解 体 等 )に 要 する 水 中 切 断 開 発 した 水 中 切 断 用 レーザノズルシステム レーザックス 圧 縮 空 気 ( 溶 融 金 属 除 去 ) レ ー ザ 光 酸 素 ( 燃 焼 反 応 ) 加 圧 水 ( 空 洞 内 気 圧 維 持 ) 空 気 ( 空 洞 形 成 ) 水 水 超 音 速 二 重 ラバルノズル 原 子 炉 材 料 15
ステンレス 厚 板 の 水 中 切 断 実 験 レーザックス 16
フランス 原 子 力 庁 における 廃 炉 技 術 開 発 提 供 : JAEAレーザー 共 同 研 究 所 (Nuclear Energy Division Marcoule center) 仏 : 原 子 力 への 新 技 術 導 入 に 積 極 的 な 取 組 み レーザークリーニング 除 染 は 実 用 化 モバイル 型 レーザー 解 体 装 置 を 開 発 中 17
屋 外 で 活 躍 するレーザー 20kWファイバレーザ モバイルシステム パイプラインレーザー 溶 接 システム ( 直 径 1m, 16mm 厚 パイプを 2.5 分 で 溶 接 ) ( 独 Vietz 社 ) 提 供 レーザックス
使 用 済 核 燃 料 の 処 理 処 分 19
原 子 核 の 識 別 レーザー 光 と 電 子 線 を 衝 突 させて 発 生 入 射 ガンマ 線 2143 kev Pu-239 原 子 力 機 構 ガンマ 線 核 種 分 析 研 究 G 単 色 γ 線 による 核 共 鳴 蛍 光 蛍 光 ガンマ 線 2143 kev fingerprint W A N T E D エネルギー 可 変 単 色 γ 線 ビーム 原 子 核 を 選 択 的 に 励 起 20
核 共 鳴 蛍 光 による 同 位 体 の 非 破 壊 検 出 原 子 力 機 構 ガンマ 線 核 種 分 析 研 究 G ガンマ 線 ビーム 鉄 50 mm 50 mm 15 mm 15 mm 50 mm m) ガンマ 線 照 射 位 置 (m 鉛 208の 位 置 と 形 状 N. Kikuzawa et al., App. Phys. Exp. 2 (2009) 鉛 ブロック 蛍 光 ガンマ 線 カウント 検 出 数 産 総 研 TERAS:レーザコンプトンγ 線 源 読 売 新 聞 (21.4.20, 11 面 ) 21
使 用 済 核 燃 料 の 分 析 : U Pu MA の 計 量 管 理 原 子 力 機 構 ガンマ 線 核 種 分 析 研 究 G 燃 料 集 合 体 を 貯 蔵 プールから 計 測 用 セルに 移 送 全 てのプロセスを 水 中 で 行 える 上 層 階 使 用 済 燃 料 冷 却 プール - 線 Ge 検 出 器 移 送 ラック 下 層 階 線 源 計 測 用 セル 使 用 済 燃 料 貯 蔵 22
放 射 性 廃 棄 物 の 検 査 : 安 全 性 と 経 済 性 の 向 上 原 子 力 機 構 ガンマ 線 核 種 分 析 研 究 G 27 万 円 / 本 貯 蔵 中 の 放 射 性 廃 棄 物 (JAEA) 処 理 処 分 2 兆 円,80 年 300 万 円 / 本 800 万 円 / 本 ドラム 缶 中 のU 238, Th 232の 非 破 壊 分 析 ガンマ 線 コンプトンカメラも 適 用 可 能 廃 棄 物 の 核 種 測 定 で 処 分 コストを 低 減 23
先 端 光 科 学 の 原 子 力 への 貢 献 例 : X 線 放 射 光 が3 兆 円 の 税 金 節 約 提 供 原 子 力 機 構 羽 島 良 一 氏 Physics Today, Sep. 2006. 核 兵 器 工 場 の 廃 止 措 置 放 射 光 計 測 :Pu 結 合 状 態 は 水 溶 性 か 否 か? Pu 環 境 中 移 動 の 再 評 価 $37B(70 年 計 画 ) $7B(10 年 で 完 了 ) 3 兆 円 の 節 約 24
環 境 計 測 25
超 広 角 コンプトンカメラによる 放 射 性 物 質 の 可 視 化 実 証 試 験 JAXA 宇 宙 科 学 研 究 所 発 表 平 成 24 年 3 月 29 日 測 定 魚 眼 カメラ 画 像 セシウム137の 分 布 宇 宙 航 空 研 究 開 発 機 構 福 島 県 飯 館 村 草 野 地 区 日 本 原 子 力 研 究 開 発 機 構 平 成 24 年 2 月 11 日 東 京 電 力 1 スーパー 裏 手 (4 31 Sv/h) 3 山 林 と 道 路 (4~6 Sv/h) 26
宇 宙 科 学 研 究 で 開 発 された 高 性 能 ガンマ 線 カメラ X 線 天 文 衛 星 ASTRO H (2014 年 打 ち 上 げ 予 定 ) ASTRO H 軟 X 線 分 光 検 出 器 (SXS) 軟 X 線 撮 像 検 出 器 (SXI) JAXA 宇 宙 科 学 研 究 所 硬 X 線 撮 像 検 出 器 (HXI) 軟 ガンマ 線 検 出 器 (SGD) ブラックホール 中 性 子 星 銀 河 団 などの X 線 観 測 超 広 角 高 感 度 コンプトンカメラ(SXI, HXI) 開 発 JAXA 宇 宙 科 学 研 究 所 高 橋 忠 幸 教 授 渡 辺 伸 助 教 武 田 伸 一 郎 研 究 員 コンプトンカメラ 実 証 モデル 車 載 されたコンプトンカメラ 27
福 島 原 子 力 発 電 所 事 故 に 対 する 緊 急 行 動 セシウム 汚 染 を 車 載 ( 時 速 100km)で 測 る 2011.5.30 実 測 光 産 創 大 滝 口 義 浩 教 授 福 島 原 子 力 発 電 所 における 放 射 能 物 質 の 放 出 風 と 雨 による 拡 散 を 実 際 に 確 認 セシウム134と137 装 置 : 特 殊 シンチレータ 採 用 リアルタイム 計 測 ( 応 答 時 間 25ミリ 秒 ) 高 感 度 光 検 出 器 シンチレータ 積 分 回 路 カ ンマー 線 28
福 島 での 計 測 (2011.5.30 530 実 測 ) ホットスポットの 確 認 トンネルによる 遮 蔽 の 確 認 不 安 をいだいている 地 元 の 方 に 助 言 光 産 創 大 滝 口 義 浩 教 授 左 の 地 図 の 黄 色 い 線 に 沿 って 現 地 計 測 29
食 の 安 全 確 保 光 産 創 大 滝 口 義 浩 教 授 シェフとのコラボレーション ション 食 材 検 査 リニア 30kgの 鉛 で 遮 蔽 迅 速 計 測 全 数 検 査 30
まとめ レーザー 光 技 術 は 原 子 力 分 野 で 不 可 欠 レーザー 光 技 術 の 原 子 力 への 積 極 的 な 利 用 を! レーザー 光 技 術 の 積 極 的 な 活 用 による 廃 炉 処 理 処 分 等 の 安 全 性 向 上 期 間 短 縮 コスト 低 減 31