JP2023050228A - 管体内面除染装置 - Google Patents

Abstract

【課題】放射性物質が付着等した管体内面の除染を効率よく行い、除染物を確実に回収する。【解決手段】両端がホルダ１７Ａ、１７Ｂによって保持された管体１内に集光光学系１６を介して導かれたレーザー光Ｌを、コーンミラー２２を介して、管体内面に照射させる、管体１内に挿入されるレーザー光照射ユニット１１と、レーザー光照射ユニット１１を、管体１内の軸方向に直動させる直動機構３１と、管体１内に圧縮空気を供給する圧縮空気送気手段２５とを備える。レーザー光照射ユニット１１を、管体１内で直動させてコーンミラー２２の円錐頂点位置で円周リング状に反射したレーザー光を、管体内面に照射して管体内面の放射性物質を削剥し、管体１内に形成された空気流で、削剥された除染物を管体１から排出させる。【選択図】図１

Description

本発明は管体内面除染装置に係り、特に管体内面が放射性物質で汚染された小口径の配管等の管体内面から放射性物質を除去するための管体内面除染装置に関する。

原子力発電所の廃止措置に伴う廃炉、発電所施設の解体作業において、放射性物質が管体内面に付着し、あるいは管体内面の表面金属が放射能を帯びたような放射性廃棄物としての小口径配管類が大量に発生する。これらの小口径配管類の管体内面をクリアランスレベルまで除染して放射性廃棄物量を減量する技術が種々開発、提案されている。

その一例として、鋭角形状の投射材（ブラスト材）を管体内面に投射して小口径配管の管体内面の除染を行うようにした乾式除染装置が提案されている（非特許文献１）。この乾式除染装置は、大量の微小な鋭角形状をした鋼片投射材を管体内面に投射することで、従来の鋼球を用いたブラスト装置に比べて短時間での管体内面の除染を行えるとしている。

また、電解液を管体内面に噴射して小口径配管の内面の除染を行うようにした電解除染装置も提案されている（非特許文献２）。この電解除染装置は、電解液を管体内面に噴射しながら管内を移動可能な電極を用いて管体内面を電解研磨することで、管体内面を効率よく除染することが可能である。

非特許文献１に開示された乾式除染装置は、管体内面に投射された投射材の押し込みによって放射性廃棄物が残存して除染効率が落ちるというおそれがある。また、使用され回収された投射材を二次廃棄物として取り扱う必要があるという問題がある。電解除染装置においても、二次廃棄物として回収された電解液の処理工程、処理設備、管洗浄及び乾燥等の付加工程、付加設備が必要となるという問題がある。

上述した各装置では、投射材、電解液等の二次廃棄物を取り扱う工程、設備が必要となる。これに対して、これらのような二次廃棄物を発生させず、また除去物質をガス化させることで後処理工程を容易に行えるようにした除染技術としてレーザーによる除染方法がある（特許文献１）。

この除染方法では、除染を行う材料にレーザー光を照射して材料表面の放射性酸化物層を除去する工程が示されている。その実施例では、除染対象の配管材内にレーザー光の光路を構成するガイドパイプが挿入され、このガイドパイプ内に設置されたビームスプリッタと反射ミラーとによってレーザー光は直角に偏角され配管材の内面に照射される。このとき配管材は回転機構を備えた移動台車上に載置され、回転機構を駆動することで配管材を軸心周りに回転させることができる。

土田大輔、他１名、"小口径配管廃棄物の内面除染方法の開発（その３）"、［online］、２０１８年８月２０日発刊、日本原子力学会、［２０１９年９月１０日検索］、インターネット＜URL:https://confit.atlas.jp/guide/event/aesj2018f/subject/1F17/advanced＞ 丸山聡、他５名、"配管用電界除染装置の開発"、［online］、２０１８年８月２０日発刊、日本原子力学会、［２０１９年９月１０日検索］、インターネット＜URL:https://confit.atlas.jp/guide/event/aesj2018f/subject/1F18/advanced＞

特開平８－１１０３９６号公報

特許文献１に開示された発明の実施例によれば、配管材の内面の除染作業は、上述したレーザー発生装置で発生させたレーザー光がガイドパイプを通じて配管材内に導光され、集光レンズ（照射光学装置）を介して配管材の内面の一点に合焦するように照射される。配管材の内面全体の除染を行うためには、配管材を移動台車上に載置された状態で配管材の軸方向に所定量移動させるとともに、台車上の回転機構によって配管材の軸心周りに所定量回転させることで、照射位置を移動させていく必要がある。

このとき、ガイドパイプはレーザー光の照射位置にあわせて配管材の開放端から挿入され保持され、照射位置直近には除去物回収装置の吸込口等が配置されるようになっている。この吸込口から配管材内面から取り除いた除去物を吸引して除去物回収装置に回収するようになっている。

特許文献１に開示された発明では、除染対象の配管材のレーザー光の照射位置は、移動台車の移動に伴って調整されるため、移動台車の移動量の制御に所定の精度が必要で、駆動系も制御の精度に対応した動作が求められる。また、除去物回収装置も移動台車の移動に伴って移動させる必要があるため、装置全体の構成が大がかりになるという問題もある。さらに、ガス化した除去物を除去物回収装置の吸引機能で回収するが、発生ガスを完全に吸引することができないので、発生ガスを確実に作業環境下に留めるための付加設備も必要である。

出願人は、上述した従来の技術が有する問題点を解消した管体内面除染装置を提案している（特願２０２０－１６１０１９）（以下、提案装置と記す）。図５は、この提案装置１００の一部と、この装置による除染対象となる管体１の除染時の動作を模式的に示している。除染対象となる管体１の例としては、上述したような、解体された原子力発電所設備において大量に発生する、放射性物質で汚染された小口径配管を想定しており、管体内面（表面）に付着した放射性物質等をレーザー光Ｌの照射により削剥する。

提案装置１００では、管体１の内面に照射させる手段として、軸方向移動可能なレーザー光照射プローブ１２０（以下、プローブ１２０と記す。）内に、図示しないレーザー光照射ユニットから導光されたレーザー光Ｌの照射方向を偏角する反射ミラー１２２と、反射ミラー１２２に回転動作を付与するミラー回転機構１３５とが搭載されている。

レーザー光Ｌは、図示しない公知のレーザー発振器から発振された光ファイバー１１８を導光路としてプローブ１２０内に導かれるが、図５に示したように、プローブ１２０内には、所定の鏡面が形成されたガラス製や金属製の反射ミラー１２２と、反射ミラー１２２を軸心線Ｘ周りに回転駆動するミラー回転機構１３５が収容されている。反射ミラー１２２は、図５，図６に示したように、プローブ１２０の軸心線Ｘから距離ｅだけ偏心し、軸心線Ｘに平行をなして設けられたミラー支持軸１２１の先端に、その鏡面が軸心線Ｘと約４５°をなして取り付けられている。このため、プローブ１２０の軸線方向に平行に導かれたレーザー光Ｌは反射ミラー１２２によってほぼ９０°に反射、偏角され、管体１の内面に向けて照射される。

この反射ミラー１２２は、図６に拡大して示したように、ミラー支持軸１２１に支持されているため、ミラー回転機構１３５を、図示しない内蔵モータ等で軸心線Ｘ周りに回転させることにより、レーザー光Ｌの照射軌跡Ｌｔをほぼ円周状にすることで、除染対象の管体１（図５）の内面を周状に照射させることができる。さらに管体１の長手方向にミラー回転機構１３５を直動させることで管体１の内面の長手方向全体の除染作業を行うことができる。

ところで、提案装置１００において、レーザ光Ｌを管体内面の全面にわたり照射して除染を行うには、ミラー回転機構１３５とプローブ１２０の直動機構（図示せず）とを備え、反射ミラー１２２の回転によるレーザー光Ｌの円周状の照射部位を管体の長手方向に隙間なく移動させる運転制御を行う必要がある。このため、プローブ１２０の構成が複雑になる上、制御部１３２等による各駆動機構間の相互動作制御を行いながらプローブ１２０の操作を行う必要がある。廃炉、発電所施設の解体作業で発生する配管本数は膨大であるため、除染作業に多大な時間を要することになる。

そこで、本発明の目的は上述した従来の技術が有する問題点を解消し、配管等の管体内面の除染を効率よく行え、除染物を確実に回収できるようにした管体内面除染装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の管体内面除染装置は、レーザー発振器から集光光学系を介して内部に導かれたレーザー光を偏角する偏角手段を有し、その両端が保持手段によって保持された除染対象の管体の内面に照射させるために前記管体内に挿入される筒状体からなるレーザー光照射手段と、該レーザー光照射手段を、前記管体内の軸方向に直動させる直動駆動機構と、前記管体内に圧縮空気を供給する圧縮空気送気手段とを備え、前記駆動手段の運転動作によって前記レーザー光照射手段を前記管体内を直動させるとともに前記偏角手段によって偏角されたレーザー光を、前記管体内面に照射させて前記管体内面の放射性物質を削剥し、前記圧縮空気送気手段によって前記管体内に形成された空気流で、削剥された前記放射性物質を除染物として前記管体内から排出させることを特徴とする。

前記空気流の排出側に設けられた除染物回収手段に、前記空気流中の除染物が捕集されることが好ましい。

前記レーザー光照射手段は、前記筒状体内部をその軸心線方向に沿って導光された前記レーザー光を、前記偏角手段で前記軸心線に略直角をなして偏角させることが好ましい。

前記偏角手段は、前記レーザー光照射手段の先端位置に固定保持されたコーンミラーであり、前記筒状体内部をその軸心線方向に沿って導光された前記レーザー光を、該コーンミラーの円錐頂点位置で円周リング状に偏角させることが好ましい。

前記保持手段は、前記管体の軸心線と、前記レーザー光照射手段の軸心線とが略一致するように前記管体の両端を、気密性を確保して保持させることが好ましい。

本発明の管体内面除染装置の一実施形態の構成を一部断面とブロック図とで示した装置構成図。 図１に示した管体内面除染装置のレーザー光照射プローブの一実施形態の構成を示した部分拡大断面図。 図２に示した除染装置のレーザー光照射プローブの偏角手段の構成およびレーザー光の照射状態を模式的に示した状態説明図。 本発明の管体内面除染装置による管体内面の除染作業の状態を示した状態説明図（（ａ）～（ｄ））。 従来技術としての提案装置の一構成例を示した一部断面図。 図６に示した提案装置の偏角手段（反射ミラー）の動作状態を模式的に示した状態説明図。

以下、本発明の管体内面除染装置の一実施形態の構成について、図１を参照して説明する。

図１は、図５に示したのと同様の、除染対象となる所定長さに切断された管体１がセットされた、本発明の管体内面除染装置１０の全体構成を示した装置構成図である。本図において、形態、動作が発明の特徴となる部位以外の公知の構成からなる設備、手段については、ブロック図で示している。本発明の除染対象となる管体１の例として、図５の場合と同様に、解体された原子力発電所設備において大量に発生する、放射性物質で汚染された小口径配管（φ１０～１００ｍｍ）を想定している。なお、本発明の管体内面除染装置１０によって除染対象の管体内面（表面）から取り除かれる物質としては、管体表面に付着した放射性物質や、放射能を帯びた管体１の表面金属がレーザー光Ｌの照射により削剥されガス化し、さらに粒状に再固結した放射性廃棄物粒子があるが、本発明の装置による除染作業によって回収される種々の粒子化した放射性廃棄物を総称して「除染物」と記す。

管体内面除染装置１０は、除染対象となる管体１の一端を保持するレーザー光照射ユニット１１と、管体１の他端を保持する除染物回収ユニット１２と、レーザー光照射プローブ２０（以下、プローブ２０と記す。）を軸（管体長手方向）方向に移動させる直動駆動系３０とから構成される。

レーザー光照射ユニット１１は、レーザー発振器１５と、レーザー発振器１５からのレーザー光Ｌを管体内面に照射するレーザー光照射プローブ２０（後述する。）と、レーザー光Ｌをレーザー光照射プローブ２０に導く光路上に設けられた集光光学系１６とから構成されている。

［レーザー光照射ユニットの各部の構成］
レーザー発振器１５は、本実施形態では出力３００Ｗ程度の連続波（ＣＷ）レーザー光Ｌを発振可能な公知の発振器からなる。レーザー光Ｌは、レーザー発振器１５から光路上の集光光学系１６を介してプローブ２０の後端に導かれる。レーザー光Ｌは、集光光学系１６内のレンズ群（図示せず）により平行光にコリメートされて細いビーム状に集光され、後端プローブ２０内に配線された光ファイバー１８を導光路としてプローブ２０内に導かれる。

プローブ２０は、図１，図２各図に示したように、除染対象となる管体１の内径より十分小さな外径のステンレススチール製の細長円筒からなる。図２（ａ）は、一実施形態としての細長円筒形状のプローブ２０の基本構成の一部を示している。図２（ｂ）は、図２（ａ）に示したプローブ２０内で光ファイバー１８を介して導光されたレーザー光Ｌがコーンミラー２２で反射した状態を示している。

プローブ２０は、図２（ａ）に示したように、レーザー光Ｌの光路の偏角手段としてのコーンミラー２２を収容する前端プローブ２０Ａと、プローブ２０全体を支持して直動させるためのサポート管としての後端プローブ２０Ｂとからなる。レーザー光Ｌの光路の偏角手段としては、円錐の頂角が９０°に形成された円錐形形状からなるコーンミラー２２が収容されている。コーンミラー２２は、図２に示したように、円錐の頂点がプローブ２０の軸心線Ｘと一致するように、台座ブロック２５によってプローブ２０の先端側内面に固定保持されている。本実施形態のコーンミラー２２はアルミニウム成形加工品であるが、使用材料としては、銅、ステンレス鋼などの各種金属材料や超高耐熱性樹脂を使用することも可能である。成形された円錐表面には金属膜コーティングによる鏡面仕上げが施されている。なお、コーンミラーは、円錐鏡、円錐ミラー等、種々の呼称を有し、本実施形態では頂角が９０°をなす直円錐形を想定しているが、部品の組み付け時の精度や作業の容易性を確保するために、直円錐形の底面に、台座ブロック２５のような円柱等の保持部が一体形成された部品としても好ましい。

前端プローブ２０Ａ部分にはステンレススチールに代えて全周にわたりプローブ２０と同一外径からなる円筒形状の透明ガラス部材が嵌め込まれており、このガラス部分が、後述するようにコーンミラー２２の頂点位置で反射したレーザー光Ｌが管体１の表面に向かう射出窓２３として機能する。

この構成からなるレーザー光Ｌの照射手段としてのプローブ２０による管体１の内面の照射について、図１、図２（ｂ）、図３を参照して説明する。レーザー発振器１５で発生し、集光光学系１６を介してプローブ２０内に導かれたレーザー光Ｌは、光ファイバー１８を導光路としてプローブ２０の軸心線Ｘ上を進行し、前端プローブ２０Ａ内で光ファイバー１８の端面からコーンミラー２２の頂点に向けて照射される。この状態において、レーザー光Ｌは、円錐形状からなるコーンミラー２２の頂点を中心としたごく近傍の鏡面表面で反射する。この反射現象は、図３に示したように、コーンミラー２２の頂点位置を円の中心とするように、レーザー光Ｌの入射方向とほぼ直角に偏角されて放射状をなして平面状に全方向（軸心線Ｘに対して直交する平面内の３６０°方向）に向かって反射する。よって、この反射後のレーザー光Ｌｒは、プローブ２０の射出窓２３を通過した後、プローブ２０の外周に位置する管体１の内面に向けて円周リング状をなして照射される。

［除染物回収ユニットの構成］
除染物回収ユニット１２は、図１、図３に示したように、円周リング状をなすレーザー光Ｌの照射により管体内面の付着物や管体内面の表層から削り剥がされた（以下、レーザー光Ｌの照射により、管体内面の付着物を剥ぐように除去したり、管体表面を所定の厚さで削り剥す行為を削剥と記す。）除染物ｄを管体１内から排出するための圧縮空気を管体の後端側のホルダ１７Ｂに設けられたエアノズル２６から管体１内に圧縮空気を供給する圧縮空気送気手段２５と、管体１内に送気された圧縮空気によって管体１内から排出された除染物ｄを捕集して回収、除去する公知の除染物回収手段２７から構成されている。

圧縮空気送気手段２５は、圧源として公知の圧縮空気ボンベとレギュレーター（図示せず）とを有し、プローブ２０による管体内面の除染作業中、管体１に所定圧、風量の圧縮空気を供給し、内部に空気流ｆを形成する。

排出路２９上に設けられた除染物回収手段２７は、内部にＨＥＰＡフィルタ、活性炭フィルタ等の排気フィルタ２８を備え、内蔵されたブロア（図示せず）の運転により管体内面から削剥された除染物ｄを含む圧縮空気を吸気し、内部の排気フィルタ２８で濾過して除染物ｄを捕集し、清浄空気を装置外に排気する。

管体１の保持手段として、管体１の両端部を保持するホルダ１７Ａ，１７Ｂは、架台１８上に支持された、管体１を保持する側の直径が大きな円錐台形の硬質ゴム製筒体からなる。これらホルダ１７Ａ，１７Ｂで管体１の両端を適切な把持力を軸方向に加えて挟持することで、管体１の軸心線とホルダ１７Ａ，１７Ｂの軸心線とを略一致させつつ管体１の先端（除染物回収側）、後端（レーザー光照射側）を、気密性を確保した状態で保持することができる。除染対象の配管径が決まっている場合には、ホルダ１７Ａ，１７Ｂの形状は管体に、気密性を確保して外接可能な円筒形状等としてもよい。また、管体を保持する部位にパッキン等の気密性を保持する部材を付加した鋼管等を使用してもよい。

［駆動系の構成］
駆動系３０は、図１に示したように、プローブ２０を、管体１内を長手方向に進行させる直動機構３１からなる。直動機構３１は、プローブ２０が、除染対象の管体１内をその軸心線Ｘに沿って直線運動するよう、たとえば図１に示したように、制御部３２からの動作指令を受けてリニアガイド３３に沿って移動させる機能を有する。直動機構３１としては、リニアガイド３３に沿って伸縮可能なシリンダロッド、ベルトドライブ機構、ラックピニオン機構を用いることができる。

直動機構３１によるプローブ２０の直動動作と、コーンミラー２２を介して管体内面に照射される円周リング状をなすレーザー光Ｌの照射動作とのリンクについて、簡単に説明する。レーザー光Ｌは、図３に示したように、コーンミラー２２の頂点近傍の鏡面に照射されて３６０°方向に反射し、反射光はプローブ２０の射出窓２３を通過して管体１の内周面に円周リング状に照射される。このとき、管体内面でのレーザ光Ｌの照射強度により、管体表面の付着物質等の削剥能力が異なる。このため、照射段階の直動機構３１の停止時間はその削剥能力に応じて設定される。そして管体表面の付着物や所定厚さの管体表層が円周リング状に削剥されると、直動機構３１は、プローブ２０を、管体内面の削剥された範囲に連なる未処理範囲にわずかなステップで移動させ、その未処理範囲でのレーザー光Ｌの照射による削剥作業が継続して実行される。プローブ２０が移動するステップ量は、レーザー光Ｌの管体表面での照射幅に応じて設定すればよい。

［管体内面の除染作業］
本発明の管体内面除染装置１０を用いた配管等の管体内面の除染作業を行う手順について、図４各図を参照して説明する。
図４（ａ）は、除染対象の管体１の両端がホルダ１７Ａ，１７Ｂに保持された状態を示している。プローブ２０はその先端がホルダ１７Ｂに位置し、ホルダ１７Ｂの細径端と気密性を確保した状態で摺動可能に密着している。同図には管体内面の削剥に先立ち、圧縮空気送気手段２５のエアノズル２６から圧縮空気が管体１内に送気され、管体１内に空気流ｆが形成されている状態が示されている。この状態で直動機構３１（図１）を動作させてプローブ２０を管体１内に進行させ、プローブ２０の射出窓２３が管体１の端部を通過したらレーザー光Ｌを管体内面に照射開始する（図４（ｂ））。レーザー光Ｌの管体内面への照射は、上述したように、あらかじめ制御されたレーザ光Ｌのコーンミラー２２への照射、プローブ２０の直動機構３１の連係動作によって行われる。レーザー光Ｌが円周リング状に照射された管体１の表面は、レーザー光のエネルギーによって放射性物質が付着した薄層が削剥されると同時にガス化し、気中にて微小粒子として再固結する。管体１内には十分な風量の空気流ｆが形成されているため、微小粒子としての除染物ｄは空気流ｆによって管体１内を先端側に送られ、排気管２９を介して除染物回収手段２７の排気フィルタ２８に捕集され、清浄空気は装置外に排気される（図４（ｃ））。管体内面の除染作業は、プローブ２０を管体１の先端部まで進行させることで管体全長にわたり行われる。コーンミラー２２によるレーザー光Ｌの照射は、その照射箇所が管体１の先端部に到達した段階で終了する（図４（ｄ））。レーザー光Ｌの照射開始、終了のタイミングはプローブ２０に公知の位置センサを備えてもよいし、装置にセットする除染対象の管体１の全長をあらかじめ認識させ、それをプローブ２０の移動量として設定してもよい。

以上に説明した各図では、水平に設置された管体１の内面の除染を行う態様が描かれているが、管体１を立てるようにして鉛直方向に設置し、プローブ２０が管体１内を降下しながら、管体内面の除染を行うような装置としてもよい。この場合には、除染物ｄは自重で落下するとともに、下向きの空気流ｆによって強制的に効率的に排出させることができる。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、各請求項に示した範囲内での種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲内で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態も、本発明の技術的範囲に含まれる。

１ 管体
１０ 管体内面除染装置
１１ レーザー光照射ユニット
１２ 除染物回収ユニット
１５ レーザー発振器
１６ 集光光学系
１７Ａ，１７Ｂ ホルダ
２０ レーザー光照射プローブ（プローブ）
２２ コーンミラー
２５ 圧縮空気送気手段
２６ エアノズル
２７ 除染物回収手段
２８ 排気フィルタ
３０ 駆動系
３１ 直動機構
ｄ 除染物
ｆ 空気流
Ｌ レーザー光
Ｘ 軸心線

Claims (5)

1. レーザー発振器から集光光学系を介して内部に導かれたレーザー光を偏角する偏角手段を有し、その両端が保持手段によって保持された除染対象の管体の内面に照射させるために前記管体内に挿入される筒状体からなるレーザー光照射手段と、
   該レーザー光照射手段を、前記管体内の軸方向に直動させる直動駆動機構と、
   前記管体内に圧縮空気を供給する圧縮空気送気手段と、
   を備え、
   前記駆動手段の運転動作によって前記レーザー光照射手段を前記管体内を直動させるとともに前記偏角手段によって偏角されたレーザー光を、前記管体内面に照射させて前記管体内面の放射性物質を削剥し、前記圧縮空気送気手段によって前記管体内に形成された空気流で、削剥された前記放射性物質を除染物として前記管体内から排出させることを特徴とする管体内面除染装置。
2. 前記空気流の排出側に設けられた除染物回収手段に、前記空気流中の除染物が捕集される請求項１に記載の管体内面除染装置。
3. 前記レーザー光照射手段は、前記筒状体内部をその軸心線方向に沿って導光された前記レーザー光を、前記偏角手段で前記軸心線に略直角をなして偏角させる請求項１に記載の管体内面除染装置。
4. 前記偏角手段は、前記レーザー光照射手段の先端位置に固定保持されたコーンミラーであり、前記筒状体内部をその軸心線方向に沿って導光された前記レーザー光を、該コーンミラーの円錐頂点位置で円周リング状に偏角させる請求項１に記載の管体内面除染装置。
5. 前記保持手段は、前記管体の軸心線と、前記レーザー光照射手段の軸心線とが略一致するように前記管体の両端を、気密性を確保して保持可能な請求項１に記載の管体内面除染装置。

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