JP2011002423A - 人工バリア環境モニタリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】地下深く埋設された人工バリアの嫌気性環境でも金属腐食をモニタできる人工バリア環境モニタリング装置を提供することにある。
【解決手段】光ファイバ金属腐食検知センサ５００は、オーバーパックＯＰの周囲に設置され、バイオ菌を測定する。ファイバセンサ測定制御器３００は、光ファイバ金属腐食検知センサ５００からの検出値である近接場光を表面プラズモン共鳴した光を分光してバイオ菌の物理量に従った波長の光吸収量を求める。人工バリア環境モニタリング装置１００の収集データ処理器１１０の腐食判定器１１１は、ファイバセンサ測定制御器３００により求められた伝播光波長の長波長側へのシフト量から算出したバイオ菌量を予め定めた値と比較することによってオーバーパックの腐食の有無を判定する。
【選択図】図２

Description

本発明は、放射性廃棄物を封入したオーバーパックの腐食有無を判定する人工バリア環境モニタリング装置に係り、特に、光ファイバ式の金属腐食検知センサを用いた人工バリア環境モニタリング装置に関する。

一般に、高レベルの放射性廃棄物を収容する高レベル放射性物質収納体としてオーバーパックが使用される。原子力発電所などの使用済核燃料から取り出される高レベル放射性廃棄物は、ガラス固化体に封入され、炭素鋼のオーバーパックに入れられ、その周りをベントナイトなどの粘土を緩衝材として取り囲み、地下数百メートルのところに埋設される。このようなオーバーパックや緩衝材は人工バリアと呼ばれる。

地層処分された人工バリアでは、天然バリア（岩盤など）からの地下水流入により、オーバーパックの腐食あるいはオーバーパック腐食によるガラス固化体からの放射性物質の流出などが懸念される。

そこで、高レベル放射性物質収納体の地層処分施設を対象とした腐食状況モニタリング装置が求められているが、これらは、まだ研究段階のものである。研究中の腐食状況モニタリング装置では、一般的に、腐食を発生させる環境因子（温度、ｐH、水分、酸素量、水素量など）ごとに専用測定器を用いて測定し、それぞれの結果と腐食状況の目視観察、電子顕微鏡観察あるいはX線分析などの結果との相関関係から環境因子と腐食との関係を求め、腐食要因を分析している。

従来、環境因子測定には、温度はサーミスタ、熱電対など、ｐHはガラス電極法、比色法、アンチモン電極法、キンヒドロン電極法などのｐH計、その他水分計、酸素濃度計、水素濃度計などを用いている。これら測定器を用いた腐食環境モニタリングは、好気性環境における金属腐食を対象としている。

しかしながら、これらの方式では、センサ自体が大掛かりであり、しかも、センサ部と測定機器との間の信号線が金属でかつ長距離（数百メートル）であるため、信号雑音（電磁雑音による影響）が発生する可能性がある。

そこで、本発明者らは、光ファイバセンサのブリルアン散乱や表面プラズモン共鳴などの特徴を使ってｐH、水分、酸素、水素を測定する人工バリア環境モニタリング装置を提案している（例えば、特許文献１参照）。センサとして光ファイバセンサを用いることで、センサ設置時に人工バリアの健全性を保ちつつ、かつ電磁ノイズを受けないものとすることができる。なお、光ファイバセンサのブリルアン散乱や表面プラズモン共鳴については、例えば、特許文献２に記載されている。

特開２００７−９３４１３号公報 特開２００５−１００２５号公報 特許３６４２９８４号明細書

近接場ナノフォトニクス入門 大津元一、河田聡／編 オプトロニクス社

しかし、土壌中における金属腐食に関しては酸素と水分による好気性腐食の他に、硫酸塩還元菌などによる嫌気性環境における酸化還元反応による腐食がある。それに対して、特許文献１記載の方式では、硫酸塩還元菌などを直接検知することによる嫌気性環境での金属腐食モニタリングは不可能であった。

なお、本発明は、嫌気性環境での金属腐食モニタリングのために、近接場光を用いるものである。一般に、物質表面観察における解像度は光の波長レベルが限界であるが、近接場光は光の波長よりも微小な物質構造に光を当てた場合や、あるいは光の波長よりも小さな穴から出た光であり、これは物質近傍に伝播しない光として存在しているものである。この近接場光は物質表面の固有の情報をもっているため、近接場光顕微鏡や光記録媒体への高密度読み出しに利用されている（例えば、特許文献３，非特許文献１参照）。

本発明の目的は、地下深く埋設された人工バリアの嫌気性環境でも金属腐食をモニタできる人工バリア環境モニタリング装置を提供することにある。

（１）上記目的を達成するために、本発明は、放射性廃棄物を封入したオーバーパックの腐食有無を判定する人工バリア環境モニタリング装置であって、前記オーバーパックの周囲に設置され、バイオ菌を測定する光ファイバ金属腐食検知センサと、該光ファイバ金属腐食検知センサからの検出値である近接場光を表面プラズモン共鳴させバイオ菌量に比例した伝播光波長の長波長側へのシフト量を求めるファイバセンサ測定制御器と、該ファイバセンサ測定制御器により求められた伝播光波長の長波長側へのシフト量から算出したバイオ菌量を予め定めた値と比較することによって前記オーバーパックの腐食の有無を判定する腐食判定手段を備えるようにしたものである。
かかる構成により、地下深く埋設された人工バリアの嫌気性環境でも金属腐食をモニタできるものとなる。

（２）上記（１）において、好ましくは、前記光ファイバ金属腐食検知センサは、光ファイバのコアの外周に設けられ、光ファイバに出力された光の波長よりも小さい穴を有する金属蒸着膜を備えるようにしたものである。

本発明によれば、地下深く埋設された人工バリアの嫌気性環境でも金属腐食をモニタできるものとなる。

本発明の一実施形態による人工バリア環境モニタリング装置で対象とする環境における練成挙動の概念図である。 本発明の一実施形態による人工バリア環境モニタリング装置の構成図である。 本発明の一実施形態による人工バリア環境モニタリング装置に用いる光ファイバセンサの全体構成図であり、図３（Ａ）は正面断面図であり、図３（Ｂ）は図３（Ａ）のＢ−Ｂ断面図であり、図３（Ｃ）は図３（Ａ）のＣ−Ｃ断面図であり、図３（Ｄ）は図３（Ａ）のＤ−Ｄ断面図である。 本発明の一実施形態による人工バリア環境モニタリング装置の光ファイバセンサの要部の構成図であり、図４（Ａ）は平面図であり、図４（Ｂ）は正面断面図であり、図４（Ｃ）は側面断面図である。 本発明の一実施形態による人工バリア環境モニタリング装置の構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態による人工バリア環境モニタリング装置の要部詳細構成を示すブロック図である。

以下、図１〜図６を用いて、本発明の一実施形態による人工バリア環境モニタリング装置の構成及び動作について説明する。
最初に、図１を用いて、本実施形態による人工バリア環境モニタリング装置で対象とする環境における練成挙動の概念について説明する。
図１は、本発明の一実施形態による人工バリア環境モニタリング装置で対象とする環境における練成挙動の概念図である。

高レベル放射性廃棄物地層処分における人工バリアの近傍地層領域では、廃棄物からの放熱、周辺岩盤からの地下水侵入、地下水による緩衝材の膨潤圧の発生、周辺岩盤の応力変化、および緩衝材中の酸素や二酸化炭素と地下水による化学反応など、熱的、水理学的、力学的、化学的なプロセスが相互に影響を及ぼし合っており、これらの練成挙動として現象を捉えることが必要になっている。

そのため、本実施例では人工バリアとその近傍地層領域における環境を解析する熱−水−応力−化学練成モデルを構築し、人工バリア健全性を評価することを行う。

図１は、人工バリア環境モニタリング装置で示した熱移動、水分移動、応力・変形、化学反応についての相関関係に、化学反応と硫酸塩還元菌などのバイオ菌による腐食を追加したものを示している。バイオ菌は水、熱そして酸化還元反応が可能な環境であることが生息条件であり、酸素のない環境における金属腐食発生例として一般に知られている。

次に、図２を用いて、本実施形態による人工バリア環境モニタリング装置の構成について説明する。
図２は、本発明の一実施形態による人工バリア環境モニタリング装置の構成図である。

人工バリア環境モニタリング装置は、人工バリア環境モニタリング装置１００と、データ収集器２００と、ファイバセンサ測定制御器３００と、光ファイバ４００と、複数個の表面プラズモン共鳴光ファイバセンサ５００とから構成される。

一方、高レベル放射性物質収納体であるオーバーパックＯＰは、岩盤など天然バリアＮＢの中に載置され、オーバーパックＯＰの周囲には緩衝材ＢＭが設けられる。

ファイバセンサ測定制御器３００からオーバーパックＯＰまでは、光ファイバ４００が往復している。光ファイバ４００の第１の端部は、ファイバセンサ測定制御器３００に接続され、オーバーパックＯＰの外周に複数回巻回された後、再び、ファイバセンサ測定制御器３００に戻り、光ファイバ４００の第２の端部は、ファイバセンサ測定制御器３００に接続される。光ファイバ４００は、ループ型である。なお、ファイバセンサ測定制御器３００とオーバーパックＯＰとの間の光ファイバ４００の長さは、数百ｍである。

光ファイバ４００の内、オーバーパックＯＰの外周に巻回される部分には、複数の表面プラズモン共鳴光ファイバセンサ５００が所定間隔で設置されている。なお、表面プラズモン共鳴光ファイバセンサ５００の詳細構成については、図２以降を用いて後述する。オーバーパックＯＰの直径を１ｍとすると、光ファイバ４００は、図示の例では、１１ターン巻回されている。従って、オーバーパックＯＰに巻回されている部分の光ファイバ４００の全長は、４０ｍ程度であり、その部分に、例えば、１０個のファイバセンサ５００が等間隔で設置されている。なお、ファイバセンサ５００は、オーバーパックＯＰに対する周方向の位置がずれるように設置される。

ファイバセンサ測定制御器３００は、レーザ光発信器３１０と、チャンネル切替器３２０と、分光器３３０とを備えている。ここで、天然バリアＮＢの内部には、複数個のオーバーパックＯＰが設置され、それぞれに、光ファイバ４００と表面プラズモン共鳴光ファイバセンサ５００が設置されるため、チャンネル切替器３２０は、対象とするオーバーパックＯＰを切り替えるために用いられる。

人工バリア環境モニタリング装置１００から出力されるデータ収集開始信号Ｓ１に基づき、データ収集器２００は、レーザ光発信器３１０、チャネル切替器３２０にデータ収集指令Ｓ２を送信する。これに基づき、レーザ光発信器３１０はレーザ光を発信し、チャネル切替器３２０を使い、所定のオーバーパックＯＰに対する光ファイバー４００に対して、パルスレーザ光を送る。なお、レーザ光発信器３１０は、可視光若しくは近赤外光のレーザ光を出力する。

オーバーパックＯＰの表面環境の嫌気性環境でバイオ菌により発生した腐食に対して、表面プラズモン共鳴により波長シフトが発生する。その波長シフトした光は、光ファイバセンサ５００により取り込まれ、再びチャネル切替器３２０を通して分光器３３０に送り、波長シフトした波長の光強度を求め、データ収集器２００にその値を送る。データ収集器２００に集められた腐食の情報は、測定時刻とともに、それぞれ人工バリア環境モニタリング装置１００に送られる。人工バリア環境モニタリング装置１００では収集した情報をリアルタイム表示するとともに、履歴情報表示し、オーバーパックＯＰの腐食状況を監視する。

次に、図３及び図４を用いて、本実施形態による人工バリア環境モニタリング装置に用いる光ファイバセンサ５００の構成について説明する。
図３は、本発明の一実施形態による人工バリア環境モニタリング装置に用いる光ファイバセンサの全体構成を示す正面断面図及び側面断面図である。なお、図３（Ｂ）は図３（Ａ）のＢ−Ｂ断面図であり、図３（Ｃ）は図３（Ａ）のＣ−Ｃ断面図であり、図３（Ｄ）は図３（Ａ）のＤ−Ｄ断面図である。図４は、本発明の一実施形態による人工バリア環境モニタリング装置の光ファイバセンサの要部の構成図である。図４（Ａ）は平面図であり、図４（Ｂ）は正面断面図であり、図４（Ｃ）は側面断面図である。

図３に示すように、光ファイバ４００は、コア４１０と、クラッド４２０と、被覆（ジャケット）４３０とから構成されている。

光ファイバセンサ５００は、前述のコア４１０の外周に密着形成された金属蒸着膜５１０と、その外周に設置されたセンサ部補強部材５２０とから構成されている。金属蒸着膜５１０は、光ファイバのコア４１０の表面に近接場光を発生させるものであり、金あるいは銀などからなる。発生した近接場光は、金属蒸着膜５１０の表面にて発生するプラズモン共鳴により増幅してセンサ近傍の環境状況に応じた情報を取り込む。センサ近傍の環境状況に応じた情報は、伝播する光の波長シフト量により判別される。

なお、光ファイバ金属腐食検知センサ５００は、光ファイバのコア４１０の部分を直接使用するため、センサ部補強材５２０は、光ファイバのクラッド４２０あるいは光ファイバの被覆４３０などを、図３（Ｂ），（Ｃ）に示すように、１２０度間隔で３箇所に挿入している。この形状は補強構造として最適な形状であればよく、図３に示す１２０度３箇所以外の方法でもよい。

次に、図４を用いて、図３に示した近接場光を発生する金属蒸着膜５１０の構成について説明する。

金属蒸着膜５１０は、金あるいは銀の蒸着膜であるが、蒸着膜作成時にその膜に穴５１２があるように蒸着している。穴５１２の形状は、図示のように正方形若しくは円形としている。穴５１２のサイズは、レーザ光発信器３１０から出力される光（可視光若しくは近赤外光）の波長よりも小さいものである。より好適には、数十ｎｍサイズとしており、数百ｎｍの波長の光を用いる場合、その１／１０程度のサイズとしている。また、金属蒸着膜５１０の厚さも、数十ｎｍ程度にする。

近接場光発生用金属蒸着膜５１０は、光ファイバのコア４１０の表面をカバーしている。光ファイバのコア４１０の表面で全反射した光の１部は数十ｎｍサイズの穴５１２から伝播光波長（可視光若しくは近赤外光：数百ｎｍ）よりも小さい数十ｎｍの光（近接場光）として光ファイバセンサコア４１０の表面に染み出し、光ファイバ金属腐食検知センサ５００の近傍の環境に応じた近接場光を発生させる。この近接場光を表面プラズモン共鳴で増幅する。増幅エネルギーは、光ファイバのコア４１０を伝播する光からエネルギーを吸収するため、伝播する光の波長が長波長側にシフトする。このシフト量はバイオ菌発生量に比例する。

次に、図５及び図６を用いて、本実施形態による人工バリア環境モニタリング装置に用いる人工バリア環境モニタリング装置１００の構成について説明する。
図５は、本発明の一実施形態による人工バリア環境モニタリング装置の構成を示すブロック図である。図６は、本発明の一実施形態による人工バリア環境モニタリング装置の要部詳細構成を示すブロック図である。

図５に示すように、人工バリア環境モニタリング装置１００は、収集データ処理器１１０と、データ収集開始／終了制御器１２０とを備えている。収集データ処理器１１０は、腐食判定器１１１と、データ表示器１１３と、最新データ受信器１１５と、測定値保存器１１７と、過去データ参照器１１９とを備えている。

腐食判定器１１１は、バイオ菌によるオーバーパックの腐食有無を判断する腐食判定ルールを備えている。腐食判定器１１１には、最新データ受信器１１５を経由して、図２に示したデータ収集器２００から、オーバーパックＯＰの表面環境の嫌気性環境でバイオ菌により発生した腐食に対して、表面プラズモン共鳴により波長シフトしたシフト量の情報が入力される。

また、バイオ量をモニタリングするため、収集データ処理器１１０の最新データ受信器１１５および測定値保存器１１７にバイオ菌量測定値１１５Ａを、過去データ参照器１１９にバイオ菌量参照値１１９Ａをそれぞれ格納している。

腐食判定器１１１は、判別器１１１Ａと、判別器１１１Ｂと、判別器１１１Ｃと、判別器１１１Ｄとを備えている。

判別器１１１Ａは、バイオ菌の初期値と現在値の差がバイオ菌による腐食影響があると判断できる参照値を越えているかどうかを判別するものである。

ここで、図６を用いて、判別器１１１Ａの構成について説明する。大小判定器１１１Ａ２は、バイオ菌量の初期値１１９Ｂと図５に示した現在値１１５Ａの差が、図５に示した参照値１１９Ａより大きいかどうかを判別する。バイオ菌量の初期値１１９Ｂと現在値１１５Ａの差が、腐食発生の可能性のある参照値１１９Ａよりも大きい場合（（現在のバイオ菌量測定値−初期のバイオ菌量測定値）＞参照値の場合）、腐食発生に対するバイオ菌量に有意な変化があったと大小判定器１１１Ａ２が判断し、条件成立情報を、図５の判別器１１１Ｂ及び条件判別器１１１Ｃに送る。

図５において、判別器１１１Ｂは、参照値１１９Ａからの逸脱が規定された期間継続しているかどうかを判別する。そして、判別器１１１Ｃは、判別器１１１Ａ，１１１Ｂの両方が同時に成立するかどうかを判別し、両方が同時に成立するときは、判別器１１１Ｄはバイオ菌による腐食があると判定する。

判定結果は、データ表示器１１３のグラフ表示部１１３Ａ，数値表示部１１３Ｂ，腐食評価表示部１１３Ｃに表示される。

以上説明したように、光ファイバ金属腐食検知センサを用いることで、地下数百メートルに埋設した高レベル放射性廃棄物の人工バリア環境モニタリングが可能になり、高レベル放射性廃棄物が外に漏れないようにしているオーバーパックの金属腐食装置として利用できる。

１００…人工バリア環境モニタリング装置
１１０…収集データ処理器
１１１…腐食判定器
１１３…データ表示器
１１５…最新データ受信器
１１７…測定値保存器
１１９…過去データ参照器
１１１Ａ，１１１Ｂ，１１１Ｃ，１１１Ｄ…判別器
１１９Ａ…腐食発生可能バイオ菌量の参照値、
１２０…データ収集開始／終了制御器
２００…データ収集器
３００…ファイバセンサ測定制御器
４００…光ファイバ
４１０…コア
４２０…クラッド
４３０…被覆（ジャケット）
５００…光ファイバ金属腐食検知センサ
５１０…金属蒸着膜
５１２…穴
５２０…センサ部補強材

Claims (2)

1. 放射性廃棄物を封入したオーバーパックの腐食有無を判定する人工バリア環境モニタリング装置であって、
   前記オーバーパックの周囲に設置され、バイオ菌を測定する光ファイバ金属腐食検知センサと、
   該光ファイバ金属腐食検知センサからの検出値である近接場光を表面プラズモン共鳴させバイオ菌量に比例した伝播光波長の長波長側へのシフト量を求めるファイバセンサ測定制御器と、
   該ファイバセンサ測定制御器により求められた伝播光波長の長波長側へのシフト量から算出したバイオ菌量を予め定めた値と比較することによって前記オーバーパックの腐食の有無を判定する腐食判定手段を備えることを特徴とする人工バリア環境モニタリング装置。
2. 請求項１記載の人工バリア環境モニタリング装置において、
   前記光ファイバ金属腐食検知センサは、光ファイバのコアの外周に設けられ、光ファイバに出力された光の波長よりも小さい穴を有する金属蒸着膜を備えることを特徴とする人工バリア環境モニタリング装置。

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