JP2003042886A

JP2003042886A - リーク検出方法およびリーク測定装置

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Publication number: JP2003042886A
Application number: JP2001229751A
Authority: JP
Inventors: Jiyunnosuke Nakaya; 潤之助仲谷; Katsusuke Shimizu; 克祐清水; Jun Nakagawa; 潤中川; Tetsuya Abe; 哲也阿部; Seiji Hiroki; 成治廣木
Original assignee: Japan Atomic Energy Research Institute; Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd; Japan Atomic Energy Agency
Priority date: 2001-07-30
Filing date: 2001-07-30
Publication date: 2003-02-13
Anticipated expiration: 2021-07-30
Also published as: JP4502550B2

Abstract

(57)【要約】【課題】微小なリークを正確に検出すること。【解決手段】加熱源１０２からレーザ光を照射してリ
ーク位置を含む所定範囲を加熱し、加熱後に赤外線カメ
ラ１０４により加熱した所定範囲の温度を取得する。水
リークにより断熱膨張が起こると、その冷却効果によっ
てリーク位置で温度が低下し、処理部１０７は赤外線カ
メラ１０４から取得した温度から低温部を抽出し、この
低温部に微小リークがあるものと判断する。被測定対象
１０１を積極的に加熱して高温にし、その中でリークが
起きて温度が低下することで、リーク位置とその周囲と
の温度差が大きくなる。このため、微小なリークでも確
実に検出できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、核融合炉の真空
容器、ＬＮＧタンク等の内外槽構造体における微小なリ
ークを正確に検出し得るリーク検出方法およびリーク検
出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】核融合炉では過大な熱を冷却するために
真空容器の壁面に冷却水を流す構造になっている。とこ
ろが真空容器中で生成される核融合プラズマは微量の水
漏れであってもその性能を低下させてしまうため、水リ
ーク位置を検出し、補修する等の対策が必要となる。

【０００３】従来の水リークの検出装置としては、特開
２０００−９８６８号公報に記載のものが知られてい
る。図８は、係る水リーク検出装置を示す構成図であ
る。図９は、冷却水とプローブガスの流れを示す系統図
である。図１０は、時間とプローブガス濃度との関係を
示す特性図である。核融合炉の真空容器は、全体的にド
ーナッツ形状をしており、その周方向に複数のセクタに
分割された構造となる。各セクタ２の下部には、冷却水
をセクタ２内に注入するための冷却水入口リングヘッダ
３が設けられ、その上部には、冷却水をセクタ２内から
排出するための冷却水出口リングヘッダ４が設けられて
いる。

【０００４】冷却水入口リングヘッダ３はプローブガス
注入ユニット５と連結しており、冷却水入口リングヘッ
ダ３中に流れる冷却水中に、プローブガス注入ユニット
５からプローブガスであるＫｒ（クリプトン）ガスが注
入される。また、プローブガス注入ユニット５は、プロ
ーブガスの排出時に冷却水中のＫｒガス濃度を調整でき
る。

【０００５】冷却水入口リングヘッダ３および冷却水出
口リングヘッダ４には、冷却水中のプローブガスを採取
するためのプローブガスサンプリングユニット６が連結
されている。このプローブガスサンプリングユニット６
では、Ｋｒガスが溶解した冷却水を採取して蒸発させる
ことでプローブガス濃度を測定する。一方、真空容器１
は、排気ダクト７を介してトリチウム処理系８に接続さ
れている。排気ダクト７には、バイパス管１０を介して
プローブガス分圧計９が設けられている。プローブガス
分圧計９は、排気ダクト７から排気されるプラズマ排気
ガス中のプローガスの分圧を測定する。

【０００６】この水リークの検出装置において、プロー
ブガス注入ユニット５から冷却水入口リングヘッダ３を
流れる冷却水中にプローブガスを注入した時点から、特
定のセクタにおいて水がリークして排気ガス中のプロー
ブガス濃度が上昇するまでの時間遅れは、冷却水がリー
ク箇所に到達するまでの時間遅れで決まる。従って、プ
ローブガス分圧計９によりＫｒガスの分圧を計測するこ
とで、水リークを生じている真空容器１のセクタ箇所が
特定される。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の水リーク検出装置では、熱負荷による対流が存在す
ること、冷却系の流路が複雑であること、圧力分布が発
生すること等から均一な流れ状態が得られず、検出され
るリーク位置が誤差を含んだものとなり、水リークが発
生している位置を正確に特定できないという問題点があ
った。

【０００８】また、他のリークテスト方法として、特公
平６−３３８７７号公報に開示されたものが知られてお
り、このリークテスト方法では真空排気した保冷槽内に
空気がリークする際、リークした空気が断熱膨張を起こ
すため、そのリーク箇所の温度低下を赤外線カメラによ
り検知してリークを検出するものである。しかしなが
ら、このリークテスト方法では、温度変化が小さいため
にリークの判断が難しく、特に核融合炉等の微小なリー
クテストが要求される場合には不適であるという問題点
があった。

【０００９】そこで、この発明は、上記に鑑みてなされ
たものであって、リーク位置を正確に検出できるリーク
検出方法およびリーク検出装置を提供することを目的と
する。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めに、請求項１に係るリーク検出方法は、内外槽構造体
の内槽にて外槽からのリークを検出するにあたり、加熱
源により被測定対象のリーク位置を含む測定範囲を加熱
し、リーク媒体のリーク時における断熱膨張或いは蒸発
潜熱吸収による冷却効果で温度が低下した部分を放射温
度計により測定することでリークを検出することを特徴
とする。

【００１１】すなわち、加熱源による加熱で被測定対象
の測定範囲が高温になり、この高温部にてリークが発生
するとそのリーク媒体の断熱膨張或いは蒸発潜熱吸収に
より周囲が冷却され、高温部の中に低温部が形成され
る。そして、この低温部を放射温度計により測定し、温
度低下をもってリークの発生と判断し、リークの検出を
行う。ここで、加熱源によって被測定対象を積極的に加
熱しその中に低温部を発生させることで、比較的大きな
温度差を得ることができ、従来の断熱膨張による温度変
化を利用したものに比べ、極めて高い感度が得られ、微
小なリークであっても確実に検出できるようになる。な
お、前記測定範囲内の加熱範囲にて低温部が測定できな
いときは、別の範囲を再度加熱して同様の測定を行い、
リークを検出する。

【００１２】なお、前記リーク媒体には、例えば水や空
気等を挙げることができる。また、この発明は内外槽構
造体のリークテストに好適であり、例えば内槽を真空と
し且つ外槽を冷却水通路とする核融合炉の真空容器や、
内槽をＬＮＧを溜めるタンクとし且つ外槽を保冷槽とす
るＬＮＧ（liquefied natural gas）タンク等のリーク
テストに適する。

【００１３】また、請求項２に係るリーク検出方法は、
真空容器の冷却水にプローブガスを注入溶解させ、冷却
水と共に真空容器内にリークしたプローブガスの分圧を
測定し、前記プローブガス注入時から分圧測定によるプ
ローブガス濃度上昇までの時間遅れにより、リーク位置
を推定しておき、加熱源により前記推定リーク位置を含
む測定範囲を加熱し、冷却水のリーク時における断熱膨
張或いは蒸発潜熱吸収による冷却効果で温度が低下した
部分を放射温度計により測定することでリークを検出す
ることを特徴とする。

【００１４】すなわち、この発明は、上記特開２０００
−９８６８号公報に記載の水リーク検出方法によって予
めリーク位置を推定しておき、その推定したリーク位置
を含む測定範囲を請求項１に係るリーク検出方法によっ
てリークを検出するようにした。検出精度は十分ではな
いが簡易に検出できる方法によりリークが発生している
と考えられる位置を予め推定し、その推定リーク位置を
中心に測定範囲をスキャンして精度良く温度を測定する
ことで、短時間で正確にリーク検出を行うことができ
る。

【００１５】また、請求項３に係るリーク検出装置は、
内外槽構造体の内槽にて外槽からのリークを検出するリ
ーク検出装置であって、被測定対象のリーク位置を含む
測定範囲を加熱する加熱源と、加熱源により加熱した後
に測定範囲の温度を測定する放射温度計と、リーク媒体
のリーク時における断熱膨張或いは蒸発潜熱吸収による
冷却効果で温度が低下した部分を放射温度計の測定結果
から取得して、リークを検出する処理部とを備えたこと
を特徴とする。

【００１６】このリーク検出装置では、加熱源は被測定
対象の測定範囲を加熱し、この後に放射温度計により温
度を測定する。そして、この測定範囲の温度はリークの
発生に起因しその断熱膨張等によりリーク位置で低下
し、その低下した部分を処理部により取得してリークを
検出する。このように、加熱源により被測定対象を積極
的に加熱し、その加熱して高温になった中でリークが発
生することで、リーク位置とその周囲との温度差が大き
くなり、微小なリークでも正確に検出できるようにな
る。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、この発明につき図面を参照
しつつ詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこ
の発明が限定されるものではない。

【００１８】［実施の形態１］図１は、この発明の実施
の形態１に係るリーク検出装置を示す構成図である。こ
のリーク検出装置１００は、被測定対象１０１の所定領
域に光を照射して加熱する加熱源１０２と、加熱源１０
２の光を集光する集光レンズ１０３と、光を照射する所
定領域の温度を測定する赤外線カメラ１０４と、赤外線
カメラ１０４の前段に設置した拡大レンズ１０５と、レ
ーザ光の制御や赤外線カメラ１０４の画像処理等を行う
コントローラー１０６と、赤外線カメラ１０４からの画
像信号を処理する処理部１０７とから構成されている。
加熱源１０２としては、ＣＯ２レーザやＹＡＧレーザな
どのレーザ光源、或いはハロゲンランプ等の加熱ランプ
を用いることができる。

【００１９】図２は、リーク検出装置の動作を示すフロ
ーチャートである。図１の例では、リーク検出装置１０
０を真空容器１内に配置し、水通路１ａから真空容器１
にリークする水Ｗを検出する。まず、リーク穴Ｈの大ま
かな位置を何らかの方法（例えばヘリウムスペクトロメ
ーターによるヘリウムリークディテクタ法や上記特開２
０００−９８６８号公報の方法等）により検出し、リー
ク位置を推定する。続いて推定したリーク位置を含む測
定範囲をスキャニングしながらレーザ光により積極的に
加熱する（ステップＳ１）。なお、スキャニングする測
定範囲の設定は用いる方法の精度を考慮して、ユーザが
適宜設定する。また、１スキャンの加熱範囲は、前記推
定したリーク位置を含む測定範囲を所定数に分割した各
単位とする。

【００２０】加熱範囲に水リークが発生している場合、
水リークによる断熱膨張或いは蒸発潜熱吸収等に起因し
た冷却効果により、図３のグラフ図に示すようにそのリ
ーク穴Ｈの周囲の温度が低下し（図中Δｔ）、その結
果、レーザ光による加熱範囲内では、図４に示すように
レーザ光の加熱により高温となった高温部４１と、水リ
ークに起因した低温部４２とが生じる。次に、加熱源１
０２による加熱を止めて赤外線カメラ１０４により当該
加熱範囲４０の温度を測定し（ステップＳ２）、処理部
１０７は、所定の閾値より小さい温度範囲を持つ部分を
低温部４２として抽出する。そして、前記低温部４２の
略中心にリーク穴Ｈが存在するものとしてリークを検出
する（ステップＳ３）。リーク穴検出結果は、被検出対
象１０１のＸＹ座標上の位置データとして取得される。
なお、加熱範囲に低温部４２が存在しない場合（ステッ
プＳ４）、リーク穴Ｈが存在しないと判断し、レーザ光
の照射位置を変えて別の範囲（例えば図４の加熱範囲４
０ａ）を加熱し、低温部４２が測定されるまでスキャン
を継続する。

【００２１】また、上記レーザ光源の代わりにハロゲン
ランプを用いても良く、その場合はレーザ光源を用いる
より低コストで且つ簡単に装置を構成できる。更に、集
光レンズ１０３および拡大レンズ１０５の使用はリーク
検出装置１００の要求性能に応じて適宜選択すれば良
い。集光レンズ１０３を用いることで、単位面積当たり
の温度を高くできるから、周囲の影響を受け難くなり、
リークの検出精度を向上できる。拡大レンズ１０５は、
加熱範囲を拡大視することで、より微小なリーク穴Ｈの
検出を可能にする。なお、集光レンズ１０３および拡大
レンズ１０４は、リーク検出装置１００に要求される精
度等によって省略することもできる。

【００２２】以上この発明のリーク検出装置１００で
は、レーザ光により積極的に加熱して高温部４１を生じ
させ、水リークによる断熱膨張等により前記高温部４１
中に低温部４２を生じさせるので、当該低温部４２とそ
の周囲の高温部４１との温度差が大きくなる。これによ
り微小なリークであっても容易かつ確実に検出できる。
なお、上記説明では水がリークする場合を例に挙げた
が、断熱膨張或いは蒸発潜熱吸収により低温部４２を生
じさせ得ればリーク媒体は限定されない。例えば空気や
ヘリウムガス等であっても良い。

【００２３】また、このリーク検出装置１００は、核融
合炉の真空容器、ＬＮＧタンク、真空保冷タンク、地上
二重殻低温タンク等の内外槽構造体のリーク検出に好適
である。特に、核融合炉の真空容器１は、微量の水リー
クによってもその性能の劣化原因となるので、リーク穴
Ｈを正確に検出する必要がある。図５は、核融合炉の真
空容器にリーク検出装置を適用する場合の説明図であ
る。同図（ａ）に示すように、真空容器１は、複数のセ
クタ２を繋ぎ合わせてドーナッツ状に形成した構造であ
り、各セクタ２は、同図（ｂ）に示すように、図示しな
いリブを介在させて外壁２ａと内壁２ｂとを組み合わせ
た構成である。冷却水は、外壁２ａ、内壁２ｂおよびリ
ブによって形成した空間を循環する（循環経路を図中矢
印で示す）。また、真空容器１には、複数のポート１１
が設けられている。

【００２４】図６は、核融合炉の真空容器専用のリーク
検出装置の例を示す斜視図である。このリーク検出装置
５０は、真空容器１のポート１１から自走して内部に侵
入し、内壁２ｂの水リークを検出するものであり、図示
しない駆動源を内蔵した４輪走行車５１と、サーボモー
タ５２による多軸制御のアーム５３と、アーム５３の先
端に設けたプローブ５４と、これらの制御を行うコント
ローラー５５と、電源５６とから構成される。プローブ
５５内には、レーザ光源５７および赤外線カメラ５８
と、位置制御用のＣＣＤカメラ５９とが設けられてい
る。コントローラー５５と走行車５１とは有線または無
線により接続され、全てがコントローラー５５によりリ
モート操作される。自走車５１上のアーム５３にプロー
ブ５４を設けることで、セクタ２の内壁２ｂ全域を測定
できる。

【００２５】リーク検出装置５０をポート１１から入れ
た後、真空容器１内を真空引きし、リーク穴の検出を行
う。リーク検出装置５０は、予めヘリウムスペクトロメ
ーター等の方法により大まかなリーク位置が特定されて
いるから、該当するセクタ２まで真空容器１内を自走す
る。続いて、ＣＣＤカメラ５９により内壁２ｂをモニタ
しながらアーム５３を制御し、プローブ５４をリーク箇
所に近接させる。そして、上記同様にレーザ光で所定範
囲を加熱した後、赤外線カメラ５８により低温部を測定
する。これにより、真空容器１内の微小なリーク穴であ
っても正確に検出できる。なお、上記では核融合炉の真
空容器１を例に挙げて説明したが、この発明の用途が核
融合炉の真空容器１に限定されるものではない。

【００２６】［実施の形態２］また、この発明のリーク
検出方法は、上記特開２０００−９８６８号公報に記載
のリーク検出方法（装置構成は図８から図１０を参照）
と併用することで短時間にリーク穴を検出するようにし
たものである。図７は、リーク検出方法を示すフローチ
ャートである。このリーク検出方法では、先ずプローブ
ガス注入ユニット５から冷却水入口リングヘッダ３を流
れる冷却水中にプローブガスを注入する（ステップＳ１
０）。リーク穴が存在する場合、特定のセクタ２の内壁
からプローブガスを含む水がリークし、排気ダクト７を
通るプローブガスがバイパス管１０を介してプローブガ
ス分圧計９に導かれ、その分圧が計測される（ステップ
Ｓ１１）。なお、プローブガスとしては、プラズマ排気
ガスに含まれないクリプトン（Ｋｒ）ガスを例示した
が、この他にネオン（Ｎｅ）ガス，アルゴン（Ａｒ）ガ
ス，キセノン（Ｘｅ）ガス等の希ガスを用いても良い。

【００２７】また、冷却水中にプローブガスを注入した
時点から、特定のセクタ２において水がリークして排気
ガス中のプローブガス濃度が上昇するまでの時間遅れ
は、冷却水がリーク位置に到達するまでの時間遅れで決
まるため、プローブガス分圧計９によりＫｒガスの分圧
を計測することで、水リークを生じている真空容器１の
リーク位置を推定できる（ステップＳ１２）。

【００２８】次に、実施の形態１と同様に真空容器１中
のリーク位置を推定したら、そのリーク位置を含む測定
範囲を複数の範囲に分割してレーザ光で加熱した後、赤
外線カメラ１０４で温度計測する（ステップＳ１〜Ｓ
２）。続いて、加熱した高温部４１の中に低温部４２が
測定できるまでリーク箇所のスキャンを継続する（ステ
ップＳ４）。そして、レーザ加熱した高温部４１の中に
低温部４２が生じている場合、その中心にリーク穴があ
ると判断する（ステップＳ３）。これにより微小なリー
クを正確に検出することができる。

【００２９】このように、プローブガスを用いてリーク
位置を推定しておき、その部分を積極的に加熱してその
高温部内において断熱膨張等に起因した温度低下を測定
し、水リークを検出することで、真空容器１内壁の全範
囲をスキャニングする必要が無くなり、検出時間を極め
て短縮化できる。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように、この発明のリーク
検出方法（請求項１）では、加熱源により被測定対象の
リーク位置を含む測定範囲を加熱し、リーク媒体のリー
ク時における断熱膨張或いは蒸発潜熱吸収による冷却効
果で温度が低下した部分を放射温度計により測定してリ
ークを検出するので、微小なリークでも正確に検出でき
る。

【００３１】また、この発明のリーク検出方法（請求項
２）では、真空容器の冷却水にプローブガスを注入溶解
させて冷却水と共に真空容器内にリークしたプローブガ
スの分圧を測定し、前記プローブガス注入時から分圧測
定によるプローブガス濃度上昇までの時間遅れにより、
リーク位置を推定し、この推定リーク位置を含む測定範
囲を加熱源により加熱し、冷却水のリーク時における断
熱膨張或いは蒸発潜熱吸収による冷却効果で温度が低下
した部分を放射温度計により測定することでリークを検
出する。このため、短時間でリークの検出を確実に行う
ことができる。

【００３２】また、この発明のリーク検出装置（請求項
３）では、被測定対象のリーク位置を含む測定範囲を加
熱する加熱源と、加熱源により加熱した後に測定範囲の
温度を測定する放射温度計と、リーク媒体のリーク時に
おける断熱膨張或いは蒸発潜熱吸収による冷却効果で温
度が低下した部分を放射温度計の測定結果から取得し
て、リークを検出する処理部とを備えたので、微小なリ
ークを正確に検出できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施の形態１に係るリーク検出装置
を示す構成図である。

【図２】リーク検出装置の動作を示すフローチャートで
ある。

【図３】リークに起因した温度低下を示す説明図であ
る。

【図４】加熱による高温部と、リークに起因して生じる
低温部とを示す平面図である。

【図５】核融合炉の真空容器にリーク検出装置を適用す
る場合の説明図である。

【図６】核融合炉の真空容器専用のリーク検出装置の例
を示す斜視図である。

【図７】リーク検出方法を示すフローチャートである。

【図８】従来の水リーク検出装置を示す構成図である。

【図９】冷却水とプローブガスの流れを示す系統図であ
る。

【図１０】時間とプローブガス濃度との関係を示す特性
図である。

【符号の説明】

１００リーク検出装置１０２加熱源１０３集光レンズ１０４赤外線カメラ１０５拡大レンズ１０６コントローラー１０７処理部４０加熱範囲４１高温部４２低温部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者清水克祐神戸市兵庫区和田崎町一丁目１番１号三菱重工業株式会社神戸造船所内 (72)発明者中川潤広島市西区観音新町四丁目６番22号三菱重工業株式会社広島研究所内 (72)発明者阿部哲也茨城県那珂郡那珂町大字向山801−１日本原子力研究所那珂研究所内 (72)発明者廣木成治茨城県那珂郡那珂町大字向山801−１日本原子力研究所那珂研究所内Ｆターム(参考） 2G067 AA05 AA06 BB17 CC01 DD03 DD08

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】内外槽構造体の内槽にて外槽からのリー
クを検出するにあたり、加熱源により被測定対象のリー
ク位置を含む測定範囲を加熱し、リーク媒体のリーク時
における断熱膨張或いは蒸発潜熱吸収による冷却効果で
温度が低下した部分を放射温度計により測定することで
リークを検出することを特徴とするリーク検出方法。
【請求項２】真空容器の冷却水にプローブガスを注入
溶解させ、冷却水と共に真空容器内にリークしたプロー
ブガスの分圧を測定し、前記プローブガス注入時から分
圧測定によるプローブガス濃度上昇までの時間遅れによ
り、リーク位置を推定しておき、加熱源により前記推定リーク位置を含む測定範囲を加熱
し、冷却水のリーク時における断熱膨張或いは蒸発潜熱
吸収による冷却効果で温度が低下した部分を放射温度計
により測定することでリークを検出することを特徴とす
るリーク検出方法。
【請求項３】内外槽構造体の内槽にて外槽からのリー
クを検出するリーク検出装置であって、被測定対象のリーク位置を含む測定範囲を加熱する加熱
源と、加熱源により加熱した後に測定範囲の温度を測定する放
射温度計と、リーク媒体のリーク時における断熱膨張或いは蒸発潜熱
吸収による冷却効果で温度が低下した部分を放射温度計
の測定結果から取得して、リークを検出する処理部と、
を備えたことを特徴とするリーク検出装置。