JP4912710B2 - 減圧アークにより配管内面の酸化皮膜を除去するための装置および方法ならびにそのためのプログラム - Google Patents

Description

本発明は、酸化皮膜が表面に付着した処理対象物を陰極として減圧下で放電することにより当該酸化皮膜を除去するための、減圧アークによる酸化皮膜の除去装置および除去方法ならびにそのためのプログラムに関するものであり、特に、配管内面の広域に付着した酸化皮膜を除去する技術の改良に関する。

金属板等の表面に付着した酸化皮膜を除去する方法として、減圧アークによる方法が知られている（特許文献１〜３）。表面に酸化皮膜が付着した金属処理対象物を陰極として減圧下で移行形アークプラズマを発生させると、金属よりも酸化皮膜上に陰極点が形成され易いため、陰極点は酸化皮膜上を選択的に走行する。これにより、酸化皮膜を選択的に溶融・蒸発させることができ、酸化皮膜を熱的に効率良く除去することができる。

原子力施設では、ステンレス鋼に代表される放射性固体廃棄物が多く発生するが、これら廃棄物の大半は表面汚染のみであり、除染によりクリアランスレベル以下の区分に移行できる可能性がある。例えば、廃棄物である配管の内面には放射性核種を含有する酸化皮膜が広域に付着しているが、このような放射性核種を酸化皮膜と共に除染・除去する乾式表面除染技術として、処理速度が大きく高除染度が得られることから、減圧アークによる方法が検討されている。

減圧アークによって配管内面の除染処理を行う場合、内面広域に渡って付着した酸化皮膜を処理するために、配管内で陽極を移動させる必要があるが、この際、陽極をある位置に固定した状態で酸化皮膜の除去が終了した後、次の位置へ陽極を移動させるときに、実際に酸化皮膜の除去が終了したか否かを判定する必要がある。このとき、判定が迅速に行われずに酸化皮膜の除去が終了した後も放電を続けると、不要なエネルギーが消費されてしまうことになる。

また、減圧アークは真空容器内で行われるが、上記判定の度に真空容器を開放して配管内部を直接観察することは望ましくなく、減圧を維持し、配管を真空容器内部に設置したままの状態で処理の状況が判定できることが望ましい。

特許文献３には、金属板表面に付着した酸化皮膜を放電によって除去する際に、ある位置における酸化皮膜除去の終了を判定する方法として、陽極と金属板との間のアーク電圧の波形を観測することが記載されている。
特開平０９−２４８６１７号公報 特開平０５−９８４２８号公報 特開平０７−２９０１４０号公報

しかし、このように酸化皮膜除去の終了をアーク電圧の波形自身から直接判断する方法では、判断が困難となる場合がある。特に、酸化皮膜が薄い場合では、電圧の差が見出しにくくなる。

本発明は、酸化皮膜が除去されているか否かを容易かつ正確に判別可能であり、処理対象物である配管を収納した真空容器を開放する必要がなく、さらに、過剰処理によるエネ
ルギーの無駄を省くことができる、減圧アークによる酸化皮膜の除去装置および除去方法ならびにそのためのプログラムを提供することを目的としている。

本発明の酸化皮膜の除去装置は、酸化皮膜が表面に付着した処理対象物を陰極として減圧下で放電することにより当該酸化皮膜を除去する減圧アークによる酸化皮膜の除去装置であって、
処理対象である、内面に酸化皮膜が付着した配管の内面と向き合う位置に配置される陽極と、
配管を管路と略平行な方向を軸として回転させる配管回転手段または、配管内部において陽極を管路と略平行な方向を軸として回転させる陽極回転手段と、
配管と陽極のうちいずれか一方を、配管の管路と略平行な方向へ移動させる手段と、
陽極と配管との間に直流電圧を印加する電源と、
陽極と配管との間の電圧を計測する手段と、
配管内に陽極を位置させ、前記配管回転手段によって配管を回転させるか、あるいは前記陽極回転手段によって陽極を回転させると共に、陽極と配管との間に直流電圧を印加することによりアークを発生させた状態で計測された、陽極と配管との間の電圧波形のデータから、高速フーリエ変換によって電圧の周波数スペクトルを算出する演算手段と、
前記算出された周波数スペクトルにおける、配管または陽極の回転速度に対応する周波数成分に基づいて酸化皮膜の除去が終了したか否かを判定する手段と、
を備えることを特徴としている。

本発明の酸化皮膜の除去方法は、酸化皮膜が表面に付着した処理対象物を陰極として減圧下で放電することにより当該酸化皮膜を除去する減圧アークによる酸化皮膜の除去方法であって、
内面に酸化皮膜が付着した配管を処理対象物として、配管内に陽極を位置させると共に、配管の管路と略平行な方向を軸として配管または陽極を回転させ、
陽極と配管との間に直流電圧を印加することによりアークを発生させた状態で、陽極と配管との間の電圧を計測し、
前記計測された電圧波形のデータから、高速フーリエ変換によって電圧の周波数スペクトルを算出し、
前記算出された周波数スペクトルにおける、配管または陽極の回転速度に対応する周波数成分に基づいて酸化皮膜の除去が終了したか否かを判定し、
当該判定の結果に基づいて、配管と陽極のうちいずれか一方を、配管の管路と略平行な方向へ移動させた後、上記操作を繰り返すことを特徴としている。

本発明のプログラムは、内面に酸化皮膜が付着した配管を処理対象物として、配管内に陽極を位置させると共に、配管の管路と略平行な方向を軸として配管または陽極を回転させ、陽極と配管との間に直流電圧を印加することによりアークを発生させた状態で計測された陽極と配管との間の電圧波形のデータを得るステップと、
前記電圧波形のデータから、高速フーリエ変換によって電圧の周波数スペクトルを算出するステップと、
前記算出された周波数スペクトルにおける、配管または陽極の回転速度に対応する周波数成分に基づいて酸化皮膜の除去が終了したか否かを判定するステップと、
当該判定の結果に基づいて、配管と陽極のうちいずれか一方を、配管の管路と略平行な方向へ移動させるステップと、を含む処理をコンピュータに実行させる。

上記の発明では、配管または陽極を回転させながら減圧アークを着火している。配管内面に酸化皮膜が存在すると、減圧アークの陰極点は酸化皮膜上の一箇所に固着するが、この場合、配管または陽極を回転させると、放電の長さが、配管を回転させる場合にはその
回転と同じ周期で、陽極を回転させる場合にはその回転と同じ周期で伸び縮みする。一方、酸化皮膜が完全に除去されると、陰極点は配管内面の一箇所に固着することはなく、すると、放電の長さは伸び縮みしなくなる。

そして、放電の周期的な伸び縮みは、陽極と配管との間のアーク電圧に周波数成分として重畳する。本発明では、この配管または陽極の回転速度に対応した周波数成分を高速フーリエ変換による周波数解析によって検出し、当該周波数成分の有無によって酸化皮膜が除去されたか否かを判定するようにしている。

したがって、酸化皮膜除去の終了を迅速に判定でき、過剰処理によるエネルギーの無駄を省くことができる。
また、処理対象物である配管を収納した真空容器を開放せずに外部から処理の状況が判定することができる。

さらに、周波数解析によって酸化皮膜除去の終了を判定しているので、容易かつ正確に酸化皮膜除去の終了を判別可能である。

本発明によれば、酸化皮膜が除去されているか否かを容易かつ正確に判別可能であり、処理対象物である配管を収納した真空容器を開放する必要がなく、さらに、過剰処理によるエネルギーの無駄を省くことができる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施例について説明する。図１は、本発明の一実施例における酸化皮膜の除去装置の概略構成を示した図である。
図示したように、この酸化皮膜の除去装置１には、真空容器を構成する水冷チャンバ２の内部に、回転機構を備えた試料台３が設置されている。試料台３の上には、管路方向を回転軸として、処理対象物である配管１０が載置されている（説明の便宜のために上部側の一部を切り欠いて管内部の一部を示している）。

水冷チャンバ２の内部には、不図示の移動機構によって、水冷チャンバ２の外部からの制御により上下方向（ｚ方向）へ移動可能な陽極４が配置されている。陽極４は、上下方向を軸とした絶縁体４ｂの下部側面から導電体４ａが横方向へ延出した構造になっており、配管１０の回転軸からずれた位置に配置されている。

陽極４は、水冷チャンバ２の外部に設置された直流電源５の陽極側に配線を介して電気的に接続され、直流電源５の陰極側は、配線を介して配管１０へ電気的に接続されている。

６は電圧計であり、配管１０を回転させ、陽極４と配管１０との間に直流電圧を印加することによりアークを発生させた状態で、陽極４と配管１０との間の電圧を計測する。電圧計６はコンピュータ７に接続されており、計測された電圧波形はデジタルデータとしてコンピュータ７の記憶部に格納される。

コンピュータ７は、装置全体の制御系を構成し、試料台３の回転制御、陽極４の移動制御、電圧計６によって計測された電圧波形データの格納および、電圧波形データに対する高速フーリエ変換処理などを行う。

以上の構成を備えた酸化皮膜の除去装置１によって、次の操作を行うことにより、処理対象物である配管１０の内面の酸化皮膜を除去する。水冷チャンバ２内の試料台３に配管
１０を載置し、水冷チャンバ２の内部を減圧する。陽極４を配管１０の内面と向き合うアーク処理開始位置に配置した状態で、試料台３の回転機構によって配管１０を所定の速度Ｖ_θで回転させる。

直流電源５によって陽極４と配管１０との間に直流電圧を印加することにより、減圧アークを発生させる。この時の減圧アークの映像をカメラにより観察すると、配管１０の回転速度がある程度速い場合には、減圧アーク内に形成される陰極点が酸化皮膜に固着し、減圧アークが配管１０と共に回転する現象が観測される。

配管１０の酸化皮膜上に形成される陰極点は、ある箇所の酸化皮膜に着火すると、この箇所の酸化皮膜を溶融・蒸発し、除去して始めて新しく他の箇所の酸化皮膜に移るという性質がある。したがって、陰極点が着いている箇所の酸化皮膜が溶融・蒸発し終わらなければ、陰極点は当該箇所の酸化皮膜に固着したまま、配管１０と同じ回転速度で回転していく。

この時、陰極点が配管１０と共に回るため、回転に伴って放電の長さが規則的に伸び縮みする。これに起因して、電圧計６によって計測される減圧アークの電圧には、直流成分に加えて、配管１０の回転速度Ｖ_θに対応する周波数の周波数成分が重畳される。例えば、３０ｒｐｍで配管１０を回転させると、３０ｒｐｍの周期で放電が伸び縮みするため、３０ｒ／６０ｓｅｃ＝０．５Ｈｚの周波数を持つ振動成分が電圧波形に観測される。

そして、陽極４をある位置に固定した状態で放電を続けることにより、当該位置での放電による酸化皮膜の除去が終了すると、陰極点は、固着する酸化皮膜が無くなっているため、配管１０の回転に同期した上記の回転をしなくなり、上記のような周波数成分は観測されなくなる。

本実施例では、陽極４をある位置に固定した状態で配管１０を回転させながら減圧アーク処理を行うと共に、電圧計６によって陽極４と配管１０との間の電圧を計測し、計測された電圧波形データをコンピュータ７において高速フーリエ変換（Fast Fourier Transform：ＦＦＴ）する。ＦＦＴは、適切に設定されたある時間毎に行う。

酸化皮膜の除去が終了していない場合、減圧アークの陰極点が酸化皮膜上に固着して配管１０と共に回転しているため、ＦＦＴ処理波形には、配管１０の回転速度に対応する周波数成分が現れる。

一方、酸化皮膜の除去が終了している場合、減圧アークの陰極点は配管１０と共に回転しなくなるため、ＦＦＴ処理波形には、配管１０の回転速度に対応する周波数成分が現れなくなる。

本実施例の構成を備えた装置を用いて、原子力施設の廃棄物である金属配管を処理対象物として、減圧アーク着火時の電圧波形およびその電圧波形をＦＦＴ変換した波形を計測した。具体的な試験条件は次のとおりである。図１の水冷チャンバ２内の試料台３に、放射性核種を含有する酸化皮膜（１〜２ｍｇ／ｃｍ^２のＦｅＣｒ_２Ｏ_４熱酸化皮膜）が内面に付着した、直径約１１０ｍｍ、長さ約２００ｍｍの配管１０を載置した。

陽極４として、直径６０ｍｍの上下方向を軸とした絶縁体４ｂの下部側面から直径３５ｍｍの導電体４ａが横方向へ延出した構造のものを用いた。また、水冷チャンバ２の外部のチラーから冷却水を循環することによって陽極４を冷却するようにした。

水冷チャンバ２の内部における配管１０の上方に、アーク処理によって蒸発した酸化皮
膜のダストを水冷チャンバ２内から吸引除去する吸引口を配置し、水冷チャンバ２の外部にあるダスト捕捉フィルタを介して吸引口をロータリーポンプに接続した。

水冷チャンバ２内における雰囲気ガス種Ａｒ、圧力４０Ｐａ、放電電流６０Ａ、配管１０の回転速度３０ｒｐｍの条件下で、陽極４と配管１０との間の電圧を計測した。図２−Ａは、配管２０内面の酸化皮膜に減圧アークが着火している時の電圧波形、図２−Ｂは、この電圧波形の時間軸を拡大した図、図２−Ｃは、この電圧波形をＦＦＴ変換した波形である。また、図３は、上記と同じ減圧アーク処理条件において、配管１０内面に酸化皮膜がない時の電圧波形をＦＦＴ変換した波形である。

図２−Ｃに示すように、配管１０内面の酸化皮膜に減圧アークが着火して陰極点が配管１０と共に回転している場合には、０．５Ｈｚ（３０ｒｐｍ）付近にピークが観測されている。一方、図３に示すように、配管１０内面に酸化皮膜がない場合には、配管１０の回転速度に対応する周波数成分はほとんど観測されない。

本実施例では、図２−Ｃのように配管１０の回転速度に対応する周波数成分がある場合には、コンピュータ７は、酸化皮膜が除去されていないと判定する。一方、図３のように、配管１０の回転速度に対応する周波数成分がない場合には、コンピュータ７は、酸化皮膜の除去が終了したと判定する。

コンピュータ７による酸化皮膜の除去終了の判定は、ＦＦＴ波形における配管１０の回転速度に対応する周波数成分の有無を、例えば、その大きさを予め設定した閾値と比較する等の方法により判別することで行うことができる。

ＦＦＴ波形の解析により、酸化皮膜の除去が終了したと判定された場合には、コンピュータ７の指示によって、陽極４をｚ方向へ所定距離だけ移動させる。そして、その位置に陽極４を固定した状態で減圧アークを行い、配管１０内面の酸化皮膜の除去を行う。当該位置における酸化皮膜の除去終了の判定も、上記と同様に、陽極４と配管１０との間の電圧波形をＦＦＴ変換した波形における、配管１０の回転速度に対応する周波数成分の有無に基づいて行う。

以上の操作を繰り返しながら、陽極４を配管１０内部の全体に渡って管路方向へ掃引することにより、配管１０内面の広域に付着した酸化皮膜を除去する。
以上の酸化皮膜除去処理は、コンピュータ７の記憶部に格納されたプログラムによって実行することができる。図４は、当該プログラムによる酸化皮膜除去処理の実行手順の一例を示したフローチャートである。

最初に、陽極４を配管１０の内面と向き合う初期位置に配置し、配管１０を所定速度で回転させながら、直流電源５により直流電圧を印加することによって減圧アークを発生させた状態で、電圧計６によって陽極４と配管１０との間の電圧を計測したデータをコンピュータ７の記憶部に格納する（Ｓ１）。

次に、格納された電圧波形のデータを、コンピュータ７の演算処理部でＦＦＴ変換する処理を行い、電圧の周波数スペクトルを算出する（Ｓ２）。
次に、周波数スペクトルにおける、配管１０の回転速度に対応する周波数成分の有無を判別する（Ｓ３）。

判別の結果、配管１０の回転速度に対応する周波数成分があると判断された場合には、酸化皮膜の除去が終了していないと判定し、減圧アークを所定時間継続した後、再び電圧計６によって計測したデータを記憶部に格納し（Ｓ１）、上記の手順によって処理を行う
。

一方、判別の結果、配管１０の回転速度に対応する周波数成分がないと判断された場合には、酸化皮膜の除去が終了したと判定し、陽極４を管路方向に所定距離だけ移動させる（Ｓ４）。その後、Ｓ１に戻り上記の手順によって処理を行う。

上記の手順を繰り返しながら、配管１０の管路方向全体に渡り陽極４を掃引することによって、酸化皮膜の除去処理が完了する。
以上、実施例に基づき本発明を説明したが、本発明は上記の実施例に何ら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において各種の変形、変更が可能である。

例えば、上記の実施例では、陽極４を固定し、試料台３の回転機構によって配管１０を回転させることにより、酸化皮膜に固着した陰極点を配管１０と共に回転させて放電の長さを周期的に伸び縮みさせ、計測電圧波形からこれに対応する周波数成分をＦＦＴにより検出するようにしたが、陰極点が酸化皮膜に固着した放電の長さを周期的に伸び縮みさせるために、陽極を配管の管路と略平行な方向を軸として回転させる手段を設けて、配管を固定し、陽極を配管内で回転させるようにしてもよい。このような構成によっても、配管内面に酸化皮膜が存在して陰極点が酸化皮膜に固着している状態では、陽極の回転速度に対応する周波数で放電の長さが伸び縮みし、計測電圧波形にはこれに対応する周波数成分が現れるので、計測電圧波形をＦＦＴ変換することでこれを検出することができる。

また、配管を回転させる手段および、配管内部において陽極を回転させる手段としては、特に限定されるものではなく、当業者が想到する各種の技術が適用される。ＦＦＴ波形に基づく酸化皮膜除去の判定後に、配管と陽極のうちいずれか一方を配管の管路と略平行な方向へ移動させる手段も同様である。

また、本発明は、放射性核種を含有する酸化皮膜を除去することによって放射性核種を除染する場合の他、配管内面に付着した酸化皮膜を除去する用途に広く適用できる。そのためには、請求項に記載した構成を少なくとも備えていればよく、アーク処理によって蒸発した酸化皮膜のダストを除去する機構等は必要に応じて設置すればよい。

また、真空容器内における雰囲気の圧力は、例えば、配管内面上に、高輝度の数μｍオーダーの直径をもつアークプラズマの陰極点が形成されるように調節すればよい。
本発明において、高速フーリエ変換とは、離散フーリエ変換（Discrete Fourier Transform：ＤＦＴ）を計算機上で高速に計算するアルゴリズムのことであり、従来より知られている各種のアルゴリズムを適用できる。

図１は、本発明の一実施例における酸化皮膜の除去装置の概略構成を示した図である。 図２−Ａは、配管内面の酸化皮膜に減圧アークが着火している時のアーク電圧波形である。 図２−Ｂは、図２−Ａの電圧波形の時間軸を拡大した図である。 図２−Ｃは、図２−Ａの電圧波形をＦＦＴ変換した波形である。 図３は、配管内面に酸化皮膜がない時のアーク電圧波形をＦＦＴ変換した波形である。 図４は、本発明のプログラムによる酸化皮膜除去処理の実行手順の一例を示したフローチャートである。

符号の説明

１ 酸化皮膜の除去装置
２ 水冷チャンバ
３ 試料台
４ 陽極
４ａ 導電体
４ｂ 絶縁体
５ 直流電源
６ 電圧計
７ コンピュータ
１０ 配管

Claims (4)

1. 酸化皮膜が表面に付着した処理対象物を陰極として減圧下で放電することにより当該酸化皮膜を除去する減圧アークによる酸化皮膜の除去装置であって、
   処理対象である、内面に酸化皮膜が付着した配管の内面と向き合う位置に配置される陽極と、
   配管を管路と略平行な方向を軸として回転させる配管回転手段または、配管内部において陽極を管路と略平行な方向を軸として回転させる陽極回転手段と、
   配管と陽極のうちいずれか一方を、配管の管路と略平行な方向へ移動させる手段と、
   陽極と配管との間に直流電圧を印加する電源と、
   陽極と配管との間の電圧を計測する手段と、
   配管内に陽極を位置させ、前記配管回転手段によって配管を回転させるか、あるいは前記陽極回転手段によって陽極を回転させると共に、陽極と配管との間に直流電圧を印加することによりアークを発生させた状態で計測された、陽極と配管との間の電圧波形のデータから、高速フーリエ変換によって電圧の周波数スペクトルを算出する演算手段と、
   前記算出された周波数スペクトルにおける、配管または陽極の回転速度に対応し、酸化皮膜の状態に依存する陰極点の動きが反映されている放電の電圧の周波数成分に基づいて酸化皮膜の除去が終了したか否かを判定する手段と、
   を備えることを特徴とする減圧アークによる酸化皮膜の除去装置。
2. 前記処理対象物である配管が内部に配置される水冷チャンバと、
   前記水冷チャンバに取り付けられ、水冷チャンバ内から減圧アーク処理によって蒸発した酸化皮膜のダストを吸引除去する吸引口と、
   前記吸引口に、ダスト捕捉フィルタを介して接続されたロータリーポンプと、
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の減圧アークによる酸化皮膜の除去装置。
3. 酸化皮膜が表面に付着した処理対象物を陰極として減圧下で放電することにより当該酸化皮膜を除去する減圧アークによる酸化皮膜の除去方法であって、
   内面に酸化皮膜が付着した配管を処理対象物として、配管内に陽極を位置させると共に、配管の管路と略平行な方向を軸として配管または陽極を回転させ、
   陽極と配管との間に直流電圧を印加することによりアークを発生させた状態で、陽極と配管との間の電圧を計測し、
   前記計測された電圧波形のデータから、高速フーリエ変換によって電圧の周波数スペクトルを算出し、
   前記算出された周波数スペクトルにおける、配管または陽極の回転速度に対応し、酸化皮膜の状態に依存する陰極点の動きが反映されている放電の電圧の周波数成分に基づいて酸化皮膜の除去が終了したか否かを判定し、
   当該判定の結果に基づいて、配管と陽極のうちいずれか一方を、配管の管路と略平行な方向へ移動させた後、上記操作を繰り返すことを特徴とする減圧アークによる酸化皮膜の除去方法。
4. 内面に酸化皮膜が付着した配管を処理対象物として、配管内に陽極を位置させると共に、配管の管路と略平行な方向を軸として配管または陽極を回転させ、陽極と配管との間に直流電圧を印加することによりアークを発生させた状態で計測された陽極と配管との間の電圧波形のデータを得るステップと、
   前記電圧波形のデータから、高速フーリエ変換によって電圧の周波数スペクトルを算出するステップと、
   前記算出された周波数スペクトルにおける、配管または陽極の回転速度に対応し、酸化皮膜の状態に依存する陰極点の動きが反映されている放電の電圧の周波数成分に基づいて酸化皮膜の除去が終了したか否かを判定するステップと、
   当該判定の結果に基づいて、配管と陽極のうちいずれか一方を、配管の管路と略平行な方向へ移動させるステップと、を含む処理をコンピュータに実行させるためのプログラム。

Images