JP2015141090A - 加工装置の設置方法および除去対象物の除去方法 - Google Patents

Abstract

【課題】閉鎖空間内に堆積した対象物へのアクセスを容易にした加工装置の設置方法および除去対象物の除去方法を提供する。【解決手段】燃料デブリ１２等の除去対象物が堆積し水が溜った、原子炉格納容器１０等の閉鎖空間の外部から、その閉鎖空間内であって除去対象物近傍まで可撓性ガイドパイプ２０を敷設し、除去対象物にＣＯ２レーザ等の破砕用のエネルギーを与えるヘッド５０とそのエネルギーをヘッド５０に伝送する可撓性の伝送ライン５１とを有するプローブを、ヘッド５０を先頭にして可撓性ガイドパイプ２０内に導入して、可撓性ガイドパイプ２０に案内させながらヘッド５０を除去対象物にエネルギーを与える位置まで差し込み、そのプローブにエネルギーを投入してヘッドに除去対象物を破砕させ、除去対象物の破砕物を水流にのせて閉鎖空間から流し出す。【選択図】図６

Description

本発明は、閉鎖空間内に堆積した加工対象物を加工する加工装置の設置方法、および閉鎖空間内に堆積した除去対象物の除去方法に関する。

核燃料のメルトダウンにより原子炉格納容器内底部に堆積した燃料デブリを除去する技術の開発が大きな課題となっている。しかし、原子炉格納容器内においては、高線量（オペレーションフロアー線量：〜８８０ｍＳｕ／ｈ）のため、燃料デブリへのアクセスが極めて困難となっており、燃料デブリの性状に応じて多様な作業を遠隔実施することが必要となる。

このため、遠隔操作ロボットが検討されている。遠隔操作ロボットには、無線操縦のタイプと有線操縦のタイプがあるが、無線操縦の遠隔操作ロボットの場合、障害物の多い場所では電波が届かず操作が出来なくなるという問題がある。一方、有線操縦の遠隔操作ロボットは、障害物があるとケーブルの取扱いが問題となる。このため、燃料デブリを加工ないし除去するための装置をその燃料デブリ近傍まで如何にして搬入するかが課題となる。

過去には、米国スリーマイル島において機械式ビットを用いた燃料デブリの除去作業が行なわれている。これは、機械式ビットを回転させる装置を原子炉格納容器真上（オペレーションフロアー）に設置して、これを回転させることにより、燃料デブリを砕いて除去する方法である。しかし燃料デブリは硬く、機械式のビットが容易に破損するため、交換作業を必要とし、原子炉格納容器真上の高線量の場所での交換作業には大きな困難を伴うことになる。

近年、水中の岩石等にＣＯ_２レーザ等の長波長のレーザを照射して微細に破砕する技術が開発されている（特許文献１，２参照）。この技術を採用すれば機械式ビットを用いるよりも容易に燃料デブリを破砕できるものと考えられる。しかしながら、この技術を採用する場合であっても、その技術を適用した装置を如何にして燃料デブリ近傍にまで搬入するかが大きな課題である。

このような課題は、原子炉格納容器内の燃料デブリに限らず、アクセス困難な対象物が堆積した閉鎖空間内の対象物を加工、除去しようとする場合に共通の課題である。

特開２００６−３０７４５１号公報 特開２００８−１８３７３７号公報

本発明は、上記事情に鑑み、閉鎖空間内に堆積した対象物へのアクセスを容易にした加工装置の設置方法および除去対象物の除去方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明の設置方法は、
加工対象物が堆積した閉鎖空間の外部から、その閉鎖空間内であって加工対象物近傍まで可撓性ガイドパイプを敷設し、
加工対象物に加工用のエネルギーを与えるヘッドと、エネルギーをそのヘッドに伝送する可撓性の伝送ラインとを有するプローブを備えた加工装置のプローブを、ヘッドを先頭にして可撓性ガイドパイプ内に導入して、可撓性ガイドパイプに案内させながらヘッドを加工対象物にエネルギーを与える位置まで差し込むことを特徴とする。

本発明の設置方法によれば、先ずは、可撓性ガイドパイプを敷設し、次にその可撓性ガイドパイプに案内させながら加工装置のヘッドを差し込むものであり、加工対象物へのアクセスが容易となる。またそのヘッドを支持する必要を生じたときも安全な場所でその交換を容易に行なうことができる。

また、上記目的を達成する本発明の除去対象物の除去方法は、
除去対象物が堆積し水が溜った閉鎖空間の外部から、その閉鎖空間内であって除去対象物近傍まで可撓性ガイドパイプを敷設し、
除去対象物に破砕用のエネルギーを与えるヘッドとそのエネルギーをヘッドに伝送する可撓性の伝送ラインとを有するプローブを、ヘッドを先頭にして可撓性ガイドパイプ内に導入して、可撓性ガイドパイプに案内させながらヘッドを除去対象物にエネルギーを与える位置まで差し込み、
上記プローブにエネルギーを投入してヘッドに除去対象物を破砕させ、
除去対象物の、エネルギーによる破砕物を水流にのせて閉鎖空間から流し出すことを特徴とする。

本発明の除去方法によれば、除去対象物へのアクセスが容易であり、除去対象物の破砕物を容易に除去することができる。

ここで、本発明の除去方法において、上記閉鎖空間が原子炉格納容器であり、上記除去対象物が燃料デブリであってもよい。

本発明の除去方法は、原子炉格納容器内の燃料デブリの除去に好適である。

また、本発明の除去方法において、上記ヘッドが除去対象物に波長２．０μｍ以上のレーザを照射するヘッドであり、上記伝送ラインがヘッドにそのレーザを伝送する伝送ラインであることが好ましい。この場合に、そのレーザがＣＯ_２レーザであってもよい。

前掲の特許文献２に開示されているように、波長２．０μｍ以上のレーザ、例えばＣＯ_２レーザ採用すると、水中の硬い岩石等を微細に破砕することができ、破砕物を水流にのせて容易に流し出すことができる。

さらに、本発明の除去方法において、上記伝送ラインが、レーザが内部を通過する伝送管と、２本の伝送管どうしの間に配置され１本の伝送管から出射したレーザを反射してもう１本の伝送管に入射する可撓性ジョイントとを交互に備えた伝送ラインであることが好ましい。

波長２．０μｍ以上の場合、光ファイバでは減衰が大きく、このため高出力のレーザを伝送しようとすると光ファイバ自体が破損してしまうため高出力のレーザを伝送することが困難である。これに対し、上記の伝送管と、ミラーによる可撓性ジョイントとを組み合わせた伝送ラインを用いることにより、高出力レーザを高効率に伝送することができる。

また、本発明の除去方法において、上記ヘッドは、除去対象物に機械的エネルギーを加えて破砕するヘッドであってもよい。

除去対象物の性状（硬さ、じん性、機械加工特性等）によっては機械式ビットやドリル等を用いて除去対象物に機械的エネルギーを与えることにより破砕する方が向いている場合もある。この場合、ヘッドとして機械式ビットやドリル等を採用し、伝送ラインとして、その機械式ビットやドリルに回転駆動力を伝えるフレキシブルシャフトや電気エネルギーを伝える電線等を採用した構成としてもよい。

以上の本発明によれば、閉鎖空間内に堆積した対象物へのアクセスが容易となる。

原子炉格納容器に可撓性ガイドパイプを敷設している様子を示した模式図である。 図１に示す矢印Ａ−Ａ’に沿う断面図である。 原子炉格納容器にレーザノズルを設置する様子を示した模式図である。 ＣＯ_２レーザを伝送する伝送ラインの構造を示した模式図である。 レーザノズルを、格納容器内の燃料デブリ近傍に設置した状態を示した図である。 燃料デブリを除去している様子を示した模式図である。 分光分析実験の模式図である。 分光分析結果を示した図である。 上述の実施形態のようにして敷設した可撓性パイプの利用法を示した模式図である。

以下、本発明の実施形態を説明する。

ここでは、原子炉格納容器内に堆積した燃料デブリを加工、破砕して除去する場面について例示する。

図１は、原子炉格納容器に可撓性ガイドパイプを敷設している様子を示した模式図である。

原子炉格納容器１０には、水１１が溜っていてその底には燃料デブリ１２が堆積している。また、この原子炉格納容器１０には、給水弁１３と排水弁１４が備えられている。

この原子炉格納容器１０には、その真上から可撓性パイプ２０が挿入され、パイプ繰出装置２１により原子炉格納容器１０内に送り込まれている。この可撓性パイプ２０は、本発明にいう可撓性ガイドパイプの一例に相当する。この可撓性パイプ２０の先端部２０ａには、その可撓性パイプ２０の進行方向を視認するための撮像センサ３０が据えられており、その撮像センサ３０から延びるケーブル３１が可撓性パイプ２０内を通って、パーソナルコンピュータ（以下、「パソコン」と略記する）４０に接続され、そのパソコンの表示画面上に撮像センサ３０による撮像画像が表示される。

ここで、可撓性パイプ２０については、ＡＰＩ（Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ）で規格が定められている。ここには、最大呼び径６−５／８インチ、内径１４６．３ｍｍ、外径１６８．３ｍｍまでの規格が定められている。この規格に準拠した巻取りパイプ（Ｆｌｅｘ Ｓｐｏｏｌａｂｌｅ Ｐｉｐｅ）が存在し、呼び径８”（外径９．１８１インチ、内径７．６２５インチ）のものが市場で入手可能であり、本実施形態では可撓性パイプ２０としてこのパイプが使用される。

図２は、図１に示す矢印Ａ−Ａ’に沿う断面図である。

可撓性パイプ２０の内部には撮像センサ３０とパソコン４０とを接続するケーブル３１が通過している。また、この可撓性パイプ２０の周りには、その可撓性パイプ２０の外面に沿って可撓性パイプ２０と平行に延びる複数本（ここに示す例では４本）のコントロールワイヤ２２が備えられている。このコントロールワイヤ２２は、可撓性パイプ２０の先端部２０ａにおいて可撓性パイプ２０に固定され、その先端部２０ａ以外の部分では、可撓性パイプ２０に対し摺動自在となっている。このため、これら複数本のコントロールワイヤー２２のいずれかを引いたり緩めたりすることにより、可撓性パイプ２０の先端部２０ａの向きを自由に調整することができる。

このようにして、可撓性パイプ２０が原子炉格納容器１０内の燃料デブリ１２の近傍にまで送り込まれ、その先端部２０ａが燃料デブリ１２を向くように調整される。

可撓性パイプ２０の敷設後は、撮像センサ３０は一旦抜き取られる。

図３は、原子炉格納容器にレーザノズルを設置する様子を示した模式図である。

レーザノズル５０には、そのレーザノズル５０にレーザを伝送する伝達ライン６０が接続されている。本実施形態における伝送ライン６０はレーザノズル５０に向けてＣＯ_２レーザを伝送する伝送ラインであり、レーザノズル５０は、その伝送ライン６０から送り込まれたＣＯ_２レーザを出射する役割を担っている。これらレーザノズル５０および伝送ライン６０は、本発明にいう、それぞれヘッドおよび伝送ラインの各一例に相当し、それらレーザノズル５０と伝送ライン６０とを合わせたものが、本発明にいうプローブの一例に相当する。

ここでは、レーザノズル５０を可撓性パイプ２０内に導入し、伝送ライン繰出装置７０により伝送ライン６０を繰り出す。すると、レーザノズル５０は、可撓性パイプ２０に案内されながら原子炉格納容器１０内に送り込まれる。

ここで、レーザノズル５０には、撮像センサ３０と分光センサ８０が、レーザノズル５０と同じ向きに向けて取り付けられている。このため、レーザノズル５０が可撓性パイプ２０内に送り込まれると、撮像センサ３０および分光センサ８０も一緒に送り込まれる。撮像センサ３０および分光センサ８０には、パソコン４０にまで延びるケーブル３１，８１が接続されている。

図４は、ＣＯ_２レーザを伝送する伝送ラインの構造を示した模式図である。

この伝送ライン６０には、外筒６１が備えられており、この外筒６１には曲がり部６１ａが設けられている。この曲がり部６１ａは、この外筒６１をどの向きにも曲げることができる構造となっている。

外筒６１の中にはレーザ伝送管６２が配置され、支持部材６３に支持されている。ここには、レーザ伝送管６２が２本示されており、それら２本のレーザ伝送管６２は、曲がり部６１ａで終端している。そしてこれら２本のレーザ伝送管６２の端部どうしの間には、１本のレーザ伝送管６２から出射されたレーザを反射してもう１本のレーザ伝送管に入射する、２つの反射ミラーからなる結合光学系６４が備えられている。これにより、外筒６１の曲がり部６１ａおよび結合光学系６４からなる可撓性ジョイントが構成され、図４（Ｂ），（Ｃ）ように自在に曲げることができ、かつ曲げた状態においても１本のレーザ伝送管６２からもう１本のレーザ伝送管６２へとレーザを伝送することが可能となっている。

図３に示す伝送ライン６０は、図４に示すような、外筒６１に所定のピッチで曲がり部６１ａが設けられ、レーザ伝送管６２と結合光学系６４が交互に配置された構造の伝送ラインである。

図５は、レーザノズルを、格納容器内の燃料デブリ近傍に設置した状態を示した図である。

レーザノズル５０を可撓性パイプ２０に案内させながら原子炉格納容器１０内の燃料デブリ１２の近傍に設置し、伝送ライン６０の後端にＣＯ_２レーザ発振器９０を取り付ける。また、レーザノズル５０に固定されている撮像センサ３０、分光センサ８０、およびパソコン４０も準備を完了させる。

図６は、燃料デブリを除去している様子を示した模式図である。

図５を参照して説明したようにして準備が整うと、ＣＯ_２レーザ発振器９０を作動させ、ＣＯ_２レーザを伝送ライン６０に送り込む。伝送ライン６０に送り込まれたＣＯ_２レーザは、図４を参照して説明したようにしてレーザ伝送管６２をリレーしてレーザノズル５０に送り込まれ、そのレーザノズル５０により燃料デブリ１２に向けて照射される。レーザノズル５０から燃料デブリ１２に向けて照射されたＣＯ_２レーザ５１は、その途中の水１１に吸収されて水１１を急速に蒸発させ、気泡１８を盛んに産生しながら燃料デブリ１２に向かう。水１１に吸収されずに燃料デブリ１２に到達したＣＯ_２レーザ５１は、そのエネルギーで燃料デブリ１２を粉砕して燃料デブリ１２の微細紛１５を生成する。原子炉格納容器１０内には、給水弁１３を介して給水され、原子炉格納容器１０から排水弁１４を介して排水される。この排水には、燃料デブリ１２の微細紛１５が大量に混入しており、その微細紛１５は、排水弁１４の下流側に設置された燃料デブリ回収装置（不図示）により回収される。ここで、レーザノズル５０には、分光センサ８０が固定されている。レーザノズル５０からのＣＯ_２レーザ５１が燃料デブリ１２に照射されると、その燃料デブリ１２から、その燃料デブリ１２の組成に応じた波長のプラズマ光が発光する。このプラズマ光を捉えれば、その燃料デブリ１２の組成を知ることができる。この組成分析のためのプラズマ光は、赤外域から紫外域に至る、２．０μｍ以下の波長領域の光であり、水への吸収率が低く水中、特に泥水中で乱反射するため、ここで例示しているような燃料デブリ１２が堆積した原子炉格納容器１０のようなコントロール不能な環境下では分光センサ８０にそのプラズマ光が到達しないものと考えるのが一般的であった。しかしながら、ＣＯ_２レーザのように２．０μｍ以上の長波長レーザの場合、レーザエネルギーが水に激しく吸収されて盛んに気泡を生成する。このため、燃料デブリ１２からのプラズマ光は、その反射経路中のかなりの長いパスが気泡中を通ることになり、乱反射が大幅に抑えられ、分光センサ８０に到達する。本実施形態ではこれを利用し、分光分析により今から排出される燃料デブリ１２の微細紛１５の成分を予め知り、今から排出される燃料デブリ１２の微細紛１５の主要成分に応じて排出経路が切り替えられ、あるいは燃料デブリの微細紛１５を回収するためのフィルタ等がその主要成分を効率的に回収することが可能なフィルタ等に切り替えられる。

図７は、分光分析実験の模式図である。ここでは、分かり易さのため、上述の図１〜図６と共通する要素には、同一の符号を付して示してある。

ここでは、混濁した水１１中に花崗岩１９１、安山岩１９２および玄武岩１９３という３種類の積み重ね、図６に示す系と同様の系によりその積み重ねた岩石１９にＣＯ_２レーザ５１を照射し、その照射により発光したプラズマ光５２を分光センサ８０で捉えた。ＣＯ_２レーザ５１は、水中に吸収されて盛んに気泡１８を生成しながら岩石１９に照射される。岩石１９は、ＣＯ_２レーザ５１の照射により、そのＣＯ_２レーザ５１の照射箇所が抉られ、花崗岩１９１、安山岩１９２および玄武岩１９３の順にＣＯ_２レーザ５１が照射されていく。

図８は、分光分析結果を示した図である。図８（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は、それぞれ花崗岩、安山岩、玄武岩の分光分析結果である。この図８の分析結果によればそれぞれの岩石に特徴的な波長ピークの存在／不存在が明確にあらわれている。

上記の実施形態では、可撓性パイプ２０をレーザノズル５０を設置する際の案内用として利用しているが、以下、原子炉格納容器１０を例にして、その可撓性パイプ２０の他の利用法について紹介する。

図９は、上述の実施形態のようにして敷設した可撓性パイプの他の利用法を示した模式図である。

図９（Ａ）は、可撓性パイプ２０内に水噴射ノズル１００を先頭にしてホース１０１を差し込み、ポンプ１０２で原子炉格納容器１０内に水を送り込んでいる様子を示した図である。このように、可撓性パイプ２０を使って水噴射ノズル１００を燃料デブリ１２の近傍に設置し、水噴射により燃料デブリ１２の上に積った汚泥等の堆積物１７を水で飛ばして燃料デブリ１２を洗浄することができる。

図９（Ｂ）は、可撓性パイプ２０内に軸流ポンプ１１０を先頭にしてホース１１１を差し込み、軸流ポンプ１１０で原子炉格納容器１０内の泥水を汲み出している様子を示した図である。

例えば図９（Ａ）のようにして水噴射により飛ばした堆積物１７が図９（Ｂ）にようにして汲み出され、そのホース１１１の後端に接続された処理システム１１２でその堆積物１７が処理される。

前述の実施形態では、図６に示すように給水弁１３および排水弁１４を備え、原子炉格納容器１０への給水系統や原子炉格納容器１０からの排水系統が健在であることを想定しているが、給水系統や排水系統に不具合がある場合、燃料デブリ１２にＣＯ_２レーザを照射して生成した微細紛１５を、図９（Ａ）のようにして水中に浮遊させ、図９（Ｂ）のようにして汲み出してもよい。

図９（Ｃ）は、可撓性パイプ２０内にセメント噴射ノズル１２０を先頭にしてホース１２１を差し込み、セメンチングポンプ１２２で原子炉格納容器１０内にセメント１２３を送り込んでる様子を示した図である。

原子炉格納容器１０内の燃料デブリ１２を図６に示すように除去しても燃料デブリ１２を原子炉格納容器１０から完全に除去し尽くすのは難しいことも考えられる。そこで、原子炉格納容器１０内に残留燃料デブリ１２’が残った場合、その残留燃料デブリ１２’をセメントで覆うことが有効な対策の１つと考えられる。このような場面においても可撓性パイプ２０を利用し、図９（Ｃ）に示すようにして残留燃料デブリ１２’をセメント１２３で覆うことができる。

尚、ここでは、原子炉格納容器１０内の燃料デブリ１２の加工、破砕の方法およびその除去方法を例に挙げて説明したが、本発明は原子炉格納容器１０内の燃料デブリ１２以外を加工、除去対象とする場合にも適用可能である。本発明は特に、アクセス困難な対象物か堆積した閉鎖空間内の対象物を加工、除去する場合に好適である。

また、上述の実施形態では、ＣＯ_２レーザを用いて加工、除去する例について説明したが、本発明は、必ずしもＣＯ_２レーザを用いることに限定されるものではなく、波長２．０μｍ以上の各種のレーザを用いることができる。さらには、本発明では、レーザではなく機械式ビットやドリル等、他の加工、破砕手段を用いてもよい。

１０ 原子炉格納容器
１１ 水
１２，１２’ 燃料デブリ
１３ 給水弁
１４ 排水弁
１５ 微細紛
１７ 堆積物
１８ 気泡
１９ 岩石
２０ 可撓性パイプ
２０ａ 先端部
２１ パイプ繰出装置
３０ 撮像センサ
３１，８１ ケーブル
４０ パーソナルコンピュータ
５０ レーザノズル
５１ ＣＯ_２レーザ
５２ プラズマ光
６０ 伝送ライン
６１ 外筒
６１ａ 曲がり部
６２ レーザ伝送管
６４ 結合光学系
７０ 伝送ライン繰出装置
８０ 分光センサ
９０ ＣＯ_２レーザ発振器
１００ 水噴射ノズル
１０２ ポンプ
１１０ 軸流ポンプ
１１１ ホース
１１２ 処理システム
１２０ セメント噴射ノズル
１２２ セメンチングポンプ
１２３ セメント
１９１ 花崗岩
１９２ 安山岩
１９３ 玄武岩

Claims (7)

1. 加工対象物が堆積した閉鎖空間の外部から、該閉鎖空間内であって該加工対象物近傍まで可撓性ガイドパイプを敷設し、
   前記加工対象物に加工用のエネルギーを与えるヘッドと、該エネルギーを該ヘッドに伝送する可撓性の伝送ラインとを有するプローブを備えた加工装置の該プローブを、該ヘッドを先頭にして前記可撓性ガイドパイプ内に導入して、該可撓性ガイドパイプに案内させながら該ヘッドを該加工対象物に該エネルギーを与える位置まで差し込むことを特徴とする加工装置の設置方法。
2. 除去対象物が堆積し水が溜った閉鎖空間の外部から、該閉鎖空間内であって該除去対象物近傍まで可撓性ガイドパイプを敷設し、
   前記除去対象物に破砕用のエネルギーを与えるヘッドと該エネルギーを該ヘッドに伝送する可撓性の伝送ラインとを有するプローブを、該ヘッドを先頭にして前記可撓性ガイドパイプ内に導入して、該可撓性ガイドパイプに案内させながら該ヘッドを該除去対象物に該エネルギーを与える位置まで差し込み、
   前記プローブに前記エネルギーを投入して前記ヘッドに前記除去対象物を破砕させ、
   前記除去対象物の、前記エネルギーによる破砕物を水流にのせて前記閉鎖空間から流し出すことを特徴とする除去対象物の除去方法。
3. 前記閉鎖空間が原子炉格納容器であって、前記除去対象物が燃料デブリであることを特徴とする請求項２記載の除去方法。
4. 前記ヘッドが前記除去対象物に波長２．０μｍ以上のレーザを照射するヘッドであり、前記伝送ラインが該ヘッドに該レーザを伝送する伝送ラインであることを特徴とする請求項２又は３記載の除去方法。
5. 前記レーザがＣＯ_２レーザであることを特徴とする請求項４記載の除去方法。
6. 前記伝送ラインが、レーザが内部を通過する伝送管と、２本の伝送管どうしの間に配置され１本の伝送管から出射したレーザを反射してもう１本の伝送管に入射する可撓性ジョイントとを交互に備えた伝送ラインであることを特徴とする請求項５記載の除去方法。
7. 前記ヘッドが、前記除去対象物に機械的エネルギーを加えて破砕するヘッドであることを特徴とする請求項２記載の除去方法。

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