JP5521152B2

JP5521152B2 - 紫外線を用いた液体ナトリウム中の可視化装置

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Publication number: JP5521152B2
Application number: JP2011045494A
Authority: JP
Inventors: 武司福田; 博行大道; 壽晴村松; 明広田川; 俊男中桐; 哲哉河内
Original assignee: Japan Atomic Energy Agency
Current assignee: Japan Atomic Energy Agency
Priority date: 2011-03-02
Filing date: 2011-03-02
Publication date: 2014-06-11
Anticipated expiration: 2031-03-02
Also published as: FR2972287B1; FR2972287A1; JP2012181155A

Description

本発明は、紫外線を用いた液体ナトリウム中の可視化装置に関するものである。この装置は、高速増殖炉の冷却媒体である液体ナトリウム中に配置されている配管類、炉内構造物、あるいは核燃料集合体等の機器類の検査・保守に有用である。

高速増殖炉では冷却媒体として液体ナトリウムが用いられており、配管類、炉容器、炉内構造物や核燃料集合体等の機器類が高温の液体ナトリウム中で、もしくは液体ナトリウムに接した状態で使用される。このような機器類の微細な形状変化、付着物や異物の有無等の確認に加え、ステンレス鋼で構成されるこれらの機器類および溶接部の主要な劣化メカニズムであるクリープ疲労、疲労に起因する表面の微細なき裂を検出することは、プラント保守・モニタリング技術として極めて重要である。

従来、高速増殖炉用のナトリウム中可視化装置としては、ナトリウム中を透過する超音波による機器観察装置が開発されている（非特許文献１参照）。この装置は、空間分解能０．３ｍｍ程度までは可能であるが、測定に長時間を要する欠点がある。例えば、分解能が０．３ｍｍの場合のフレームレートは、分オーダーから時間オーダーとなる。因みに、分解能２ｍｍ程度と低い場合には、フレームレートを０．５秒以下にできる。そこで高速増殖炉の実用化に向けて、微細な構造的変化を迅速に検出できる新たなプラント保守技術の開発が求められている。

ところで、液体ナトリウム中を紫外線が透過することは、１９３０年代から知られており、専ら分光学的興味から研究が行われたことがある。最近、液体ナトリウム自身のアルゴンガス巻き込みなどを調査するため、エキシマレーザーを用いたナトリウムの可視化装置が開発された（非特許文献２参照）。しかし、これは、約３００℃のナトリウムループ中の流動現象をループ外から測定するものであって、液体ナトリウム中に浸漬されるような高速増殖炉の保守システムとしての使用は想定されていない。

山下卓哉、田川明広平成２０年度文部科学省原子力システム研究開発事業「ナトリウム中の目視検査装置の開発」成果報告書平成２１年３月日本原子力研究開発機構福田武司平成１８−２０年度文部科学省原子力システム研究開発事業「ナトリウム流動の可視化による高速炉気液界面・速度場の計測制御に関する研究開発」成果報告書平成２１年３月国立大学法人大阪大学

本発明が解決しようとする課題は、紫外線を用いて液体ナトリウム中の可視化を行えるようにすることである。本発明が解決しようとする他の課題は、空間分解能が数ミクロン以下が可能な（例えば、分解能１ミクロン以下が１秒以内に取得できるような）液体ナトリウム中の可視化装置を実現することである。

本発明は、筐体をフランジ構造にして内部を真空にしフッ化マグネシウム窓を備えナトリウム中に浸漬可能な一体化した紫外線照射・検出装置、及びナトリウムバウンダリ外に設置される画像化装置を具備し、前記紫外線照射・検出装置は、ナトリウムバウンダリ外から一部が液体ナトリウム中に浸漬されるケーブルにより供給される外部エネルギーによってＡｒガスセルで波長１００〜１３０ｎｍの真空紫外線を発生させ、その紫外線をフッ化マグネシウム窓を通して液体ナトリウム中の被検査体に向けて被検査体近傍で照射する紫外線発生部と、該被検査体からの反射・散乱光をフッ化マグネシウム窓を通して検出し可視光へ変換する紫外線検出部を備えた構造であり、得られた可視光を多チャンネル光ファイバケーブルによりナトリウムバウンダリ外の前記画像化装置に送って画像を取得するようにしたことを特徴とする紫外線を用いた液体ナトリウム中の可視化装置である。

例えば、ナトリウムバウンダリ外に設置される短パルス高出力レーザ装置、及び該短パルス高出力レーザ装置と紫外線照射・検出装置を繋ぐ光ファイバケーブルを具備し、前記紫外線照射・検出装置は、光ファイバケーブルによって前記短パルス高出力レーザ装置から導いたレーザ光をアルゴンガスセルに入射して波長１００〜１３０ｎｍの紫外線を発生させ、その紫外線をフッ化マグネシウム窓を通して液体ナトリウム中の被検査体に向けて照射する紫外線発生部を備えている構成とする。ここで、短パルス高出力レーザ装置としては、波長１μｍ程度のＮｄ：ＹＡＧレーザ装置を用いることができる。

あるいは、ナトリウムバウンダリ外に設置される放電用電源装置、及び該電源装置と紫外線照射・検出装置を繋ぐ電気ケーブルを具備し、前記紫外線照射・検出装置は、前記電気ケーブルによって前記放電用電源装置から供給した電流によりアルゴンガスセルで放電を生じさせて波長１００〜１３０ｎｍの紫外線を発生させ、その紫外線をフッ化マグネシウム窓を通して液体ナトリウム中の被検査体に向けて照射する紫外線発生部を備えている構成とすることもできる。

ここで前記紫外線検出部は、被検査体からの反射・散乱光をフッ化マグネシウム窓を通してイメージインテンシファイア付きカソードで可視光へ変換・増倍する構造とするのが好ましい。また、画像化装置は、ＣＣＤカメラとディスプレイの組み合わせなどでよい。

本発明は、ナトリウム中の透過が可能な波長領域の紫外線を、高温ナトリウム中の被検査体近傍で発生させ、該被検査体で反射した紫外線を検出して可視光へ変換・増倍し、ナトリウムバウンダリ外の低温部に伝送して画像化処理する構成としたことにより、液体ナトリウム中の被検査体を空間分解能数ミクロンで可視化できる。具体的には、例えば、分解能１ミクロン以下が１秒以内に取得可能となる。これにより、高速増殖炉の冷却媒体である液体ナトリウム中に配置された配管類、炉内構造物や核燃料集合体等の微細な形状変化、付着物の有無等の目視による確認に加え、ステンレス鋼で構成されるこれらの機器および溶接部の主要な劣化メカニズムであるクリープ疲労、疲労に起因する表面の微細なき裂などが検出可能となる。

紫外線を用いる本発明は、超音波方式とは異なり、紫外線の照射と反射・散乱光の検出を被検査体に対して同じ側で行うので、紫外線照射・検出装置を一体化して直径数ｃｍ程度に小型化できる。レーザ装置、放電用電源装置、及び画像化装置などは、ナトリウムバウンダリ外に設置できる。そのため、高速増殖炉のような液体ナトリウム中の炉内構造物の狭隘部の検査にも十分に適用可能となる。

紫外線の波長とナトリウム中の透過率の関係を示すグラフ。本発明に係る液体ナトリウム中可視化装置の概略ブロック図。本発明に係る液体ナトリウム中可視化装置の一実施例のブロック図。それに用いる紫外線照射・検出装置の一例を示す説明図。本発明に係る液体ナトリウム中可視化装置の他の実施例のブロック図。それに用いる紫外線照射・検出装置の一例を示す説明図。

本発明では、被検査体の近傍に位置する紫外線発生部により波長１００〜１３０ｎｍの真空紫外線を発生させ、その真空紫外線をフッ化マグネシウム窓を通して液体ナトリウム中の被検査体を照射する。液体ナトリウム中の被検査体からの反射・散乱光をフッ化マグネシウム窓を通して紫外線検出部で検出し、可視光へ変換して伝送し、画像化装置で画像を取得する。これにより、液体ナトリウム中の機器類を可視化する。

ナトリウムの紫外線透過について測定した結果を図１に示す。実験装置は、次のような構成である。Ｎｄ：ＹＡＧレーザを用い、そのレーザ光を集光レンズで銅ターゲット上に集光することでレーザプラズマを発生させる。ここから波長１５０ｎｍ以下の真空紫外線を含む光が発生し、それがナトリウム試料を透過するのを観測する。ここでナトリウム試料は、厚さ１ｍｍのナトリウムを、両側から厚さ３ｍｍのフッ化マグネシウムで挟んだ構造である。透過光を分光器で分光し、波長１４０ｎｍ以下の領域の紫外線について、各波長毎の透過率を測定した。ナトリウムの透過率は、ほぼ１００ｎｍのフッ化マグネシウムの透過バウンダリに達するまで、波長の短い領域に向かって単調増加する。波長１００〜１３０ｎｍの紫外線では透過率９０％以上が得られ、特に波長１００〜１２５ｎｍでは透過率が９５％以上であった。波長１００〜１３０ｎｍの紫外線は、液体ナトリウム中で１ｃｍ程度は十分に伝搬するので、ｆ数３程度の比較的短焦点の結像光学系を用いることにより、空間分解能が数ミクロンの機器形状モニタが構成可能となる。

ここで使用したフッ化マグネシウムは、高温の液体ナトリウムに接する観測窓の材料を想定したものである。この実験結果から、フッ化マグネシウムを窓材とし、波長１００〜１３０ｎｍの紫外線を用いることで、液体ナトリウム中可視化装置を実現できる可能性が見出された。本発明でフッ化マグネシウムを使用しているのは、この波長領域での紫外線透過率が高く、且つ高温の液体ナトリウムに接している状況で、比較的安定な素材だからである。フッ化カルシウムの使用も考えられるが、紫外線透過率の点で、フッ化マグネシウムの方が好ましい。

本発明に係る液体ナトリウム中の可視化装置は、高速増殖炉等の液体ナトリウム中に浸漬される。従って、小型であることは無論のこと、耐熱性及び耐放射線性も要求される。そこで本発明は、上記のように、ナトリウムバウンダリ外から供給される外部エネルギーを用いて、被検査体の近傍で真空紫外線を発生させ、被検査体からの反射・散乱光を被検査体の近傍で検出して可視光へ変換・増倍し、ナトリウムバウンダリ外に位置する画像化装置で画像を取得する。具体的には、高温の液体ナトリウムに浸漬される紫外線発生・検出装置と、ナトリウムバウンダリ外の低温部に位置する外部エネルギー源や画像化装置との間をケーブルで繋ぐように構成し、それによって小型化、耐熱性及び耐放射線性などの問題を解決している。

本発明に係る液体ナトリウム中の可視化装置の概略構成を図２に示す。この可視化装置は、高温の液体ナトリウム中に浸漬される紫外線照射・検出装置１０、及びナトリウムバウンダリ外の低温部に設置される画像化装置１２、それらの間で光伝送を行う多チャンネル光ファイバケーブル１４などからなる。紫外線照射・検出装置１０は、ナトリウムバウンダリ外から供給される外部エネルギーにより発生した紫外線を液体ナトリウム中の被検査体２０に照射する紫外線発生部２２と、被検査体２０からの反射・散乱光を検出し、可視光に変換し増倍する紫外線検出部２４を有する。また、紫外線照射・検出装置１０は、液体ナトリウムのバウンダリとなり且つ紫外線の透過を許容するため、筐体２６の一部にフッ化マグネシウム窓２８を備えている。

外部エネルギーはケーブル１６によって紫外線照射・検出装置１０に供給され、その外部エネルギーによって紫外線照射・検出装置１０の紫外線発生部２２で波長１００〜１３０ｎｍの真空紫外線が発生する。その波長領域内の所望の波長の真空紫外線が、フッ化マグネシウム窓２８を通して液体ナトリウム中に向けて出射し、被検査体２０である液体ナトリウム中の機器類を照射する。被検査体２０からの反射・散乱光は、フッ化マグネシウム窓２８を通して紫外線検出部２４で検出され、紫外線から可視光へ変換・増倍される。そして、多チャンネル光ファイバケーブル１４を伝搬してナトリウムバウンダリ外の画像化装置１２に送られる。画像化装置１２は、例えばＣＣＤカメラやディスプレイ等からなり、そこで画像を取得することにより、液体ナトリウム中の機器類を可視化して必要な検査を行うことができる。なお、多チャンネル光ファイバケーブル１４は、それらの一部が液体ナトリウム中に浸漬され、高速増殖炉内では高放射線に曝されるため、耐熱性と耐放射線性を兼ね備えたものを用いる。

真空紫外線を発生させるために、ナトリウムバウンダリ外から紫外線照射・検出装置１０に供給する外部エネルギーとしては、レーザ光や放電用電流がある。例えばレーザ光を用いる場合は、Ａｒガスセルにレーザ光を照射して真空紫外線を発生させる。ところで、市販の紫外線源として、Ｆ２レーザやＡｒＦレーザがあるが、そのようなレーザ装置を被検査体の近傍に配置することはできない。また、波長が短いため、フレキシブルな光ファイバによる伝送も不可能である。そのうえ、Ｆ２レーザは波長１５７ｎｍ、ＡｒＦレーザは波長１９３ｎｍであるため、前記の実験結果から見て液体ナトリウム中可視化には適用し難い。そこで本発明では、上記のように、被検査体の近傍で間接的に必要な波長の紫外線を発生させる方式を採用している。本発明ではレーザ光の他、放電用電流を供給して、Ａｒガスの放電を利用して電気的に真空紫外線を発生させることも可能である。

本発明に係る液体ナトリウム中の可視化装置の一実施例を図３に示す。これは、外部エネルギーとしてレーザ光を用いる例である。この可視化装置は、主として、ナトリウムバウンダリ外の低温部に設置される短パルス高出力レーザ装置３０及び画像化装置３２、高温の液体ナトリウム中に浸漬される紫外線照射・検出装置３４などからなり、更に、前記短パルス高出力レーザ装置３０と紫外線照射・検出装置３４の間でレーザ光の伝送を行う光ファイバケーブル３６、及び前記紫外線照射・検出装置３４と画像化装置３２の間で画像の光伝送を行う多チャンネル光ファイバケーブル３８などを具備している。紫外線照射・検出装置３４は、レーザ光を紫外線に変換して発生した紫外線を液体ナトリウム中の被検査体４０に照射する紫外線発生部４２と、被検査体４０からの反射・散乱光を検出して可視光に変換し増倍する紫外線検出部４４を有する。また紫外線照射・検出装置３４は、液体ナトリウムのバウンダリとなり且つ紫外線の透過を許容するため、筐体４６の一部にフッ化マグネシウム窓４８を備えている。ナトリウムバウンダリ外の低温部に設置される画像化装置３２は、ＣＣＤカメラやディスプレイ等で構成する。

短パルス高出力レーザ装置３０からのレーザ光は、光ファイバケーブル３６を伝搬して紫外線照射・検出装置３４の紫外線発生部４２に入射し、それによって波長１００〜１３０ｎｍの真空紫外線が発生する。その真空紫外線は、フッ化マグネシウム窓４８を通して液体ナトリウム中に向けて出射し、被検査体４０である液体ナトリウム中の機器類を照射する。被検査体４０からの反射・散乱光は、フッ化マグネシウム窓４８を通して紫外線検出部４４に入力し、紫外線から可視光へ変換され増倍される。そして、得られた画像信号は、多チャンネル光ファイバケーブル３８を伝搬してナトリウムバウンダリ外の画像化装置３２に送られる。画像化装置３２はＣＣＤカメラやディスプレイからなり、そこで画像を取得することにより、液体ナトリウム中の機器類を可視化して検査することができる。なお、光ファイバケーブル３６及び多チャンネル光ファイバケーブル３８は、それらの一部が液体ナトリウム中に浸漬され、高速増殖炉内では高放射線に曝されるため、耐熱性と耐放射線性を兼ね備えたものを用いる。

高温の液体ナトリウム中に浸漬する紫外線照射・検出装置の具体的な構成例を図４に示す。ここでは、短パルス高出力レーザ装置として、小型のＮｄ：ＹＡＧレーザ（レーザ出力エネルギー１Ｊ、パルス幅１ナノ秒、波長１．０６ミクロン）を用いている。このレーザ光を、光ファイバケーブル３６を通して紫外線照射・検出装置３４に伝送する。伝送されてきたレーザ光を、集光レンズ５０などで集光してＡｒガスセル５２に入射させる。これによってＡｒガスが励起されて真空紫外線が発生する。発生した真空紫外線は、レンズ５４などで集光され、フッ化マグネシウム窓４８を通して液体ナトリウム中へと出射し、被検査体を照射する。その際、必要に応じてミラーなどを組み込んで光路を調整する。波長１５０ｎｍ以下の紫外線は真空紫外線とも呼ばれ、酸素が存在すると減衰するので、筐体をフランジ構造にして内部を真空にしている。

被検査体からの反射・散乱光は、フッ化マグネシウム窓４８を通って紫外線照射・検出装置３４に入る。この反射・散乱光をレンズ５６で集め、イメージインテンシファイア付き光カソード５８上で結像し、紫外線は可視光に変換されると共に増倍される。増倍された光は、レンズ６０で多チャンネル光ファイバの入口部分に結像し、多チャンネル光ファイバケーブル３８を伝搬して、ナトリウムバウンダリ外の低温部に設置されたＣＣＤカメラ６２まで導かれる。これによって画像が取得されて、ディスプレイ上に表示される。また、変換された電気信号は、信号処理系で記録されるなど、必要とする様々な処理が施される。

本発明に係る液体ナトリウム中の可視化装置の他の実施例を図５に示す。これは、外部エネルギーとして放電用電流を用いる例である。紫外線検出系の部分は、前記実施例と同様であってよいので、説明を分かりやすくするために、対応する部分は同一符号を付す。この可視化装置は、主として、ナトリウムバウンダリ外の低温部に設置される放電用電源装置７０及び画像化装置３２、高温の液体ナトリウム中に浸漬される紫外線照射・検出装置７４などからなり、更に前記放電用電源装置７０と紫外線照射・検出装置７４の間で電流伝送を行う電気ケーブル７６、及び前記紫外線照射・検出装置７４と画像化装置３２の間で光伝送を行う多チャンネル光ファイバケーブル３８などを具備している。紫外線照射・検出装置７４は、Ａｒガスの放電により紫外線を発生させ、その紫外線を液体ナトリウム中の被検査体４０に照射する紫外線発生部８２と、被検査体４０からの反射・散乱光を検出し、可視光に変換し増倍する紫外線検出部４４を備えている。また、紫外線照射・検出装置７４は、液体ナトリウムのバウンダリとなり且つ紫外線の透過を許容するため、筐体４６の一部にフッ化マグネシウム窓４８を備えている。ナトリウムバウンダリ外の低温部に設置される画像化装置３２は、ＣＣＤカメラやディスプレイ等で構成する。

放電用電源装置７０からの電流は、電気ケーブル７６によって紫外線照射・検出装置７４の紫外線発生部８２に供給され、そこでのガス放電により波長１００〜１３０ｎｍの真空紫外線が発生する。その波長領域内の所望の波長の真空紫外線が、フッ化マグネシウム窓４８を通して液体ナトリウム中に向けて出射し、被検査体４０である液体ナトリウム中の機器類を照射する。被検査体４０からの反射・散乱光は、フッ化マグネシウム窓４８を通して紫外線検出部４４に入力し、紫外線から可視光へ変換し増倍される。そして、多チャンネル光ファイバケーブル３８を伝送してナトリウムバウンダリ外の画像化装置３２に送られる。画像化装置３２はＣＣＤカメラやディスプレイからなり、そこで画像を取得することにより、液体ナトリウム中の機器類を可視化して検査することができる。なお、電気ケーブル７６及び多チャンネル光ファイバケーブル３８は、それらの一部が液体ナトリウム中に浸漬され、高速増殖炉内では高放射線に曝されるため、耐熱性と耐放射線性を兼ね備えたものを用いる。

高温の液体ナトリウム中に浸漬する紫外線照射・検出装置の具体的な構成例を図６に示す。放電用電流は、電気ケーブル７６によって紫外線照射・検出装置７４に供給される。その電流はＡｒガスセル９２に供給され、これによってＡｒガス放電が生じ、真空紫外線が発生する。発生した真空紫外線は、レンズ９４などで集光され、フッ化マグネシウム窓４８を通して液体ナトリウム中へと出射し、被検査体を照射する。

被検査体からの反射・散乱光は、フッ化マグネシウム窓４８を通って紫外線照射・検出装置７４に入る。この反射・散乱光をレンズ５６で集め、イメージインテンシファイア付き光カソード５８上に結像し、紫外線は可視光に変換されると共に増倍される。増倍された光はレンズ６０で多チャンネル光ファイバの入口部分に結像され、多チャンネル光ファイバケーブル３８を伝搬して、ナトリウムバウンダリ外の低温部に設置されたＣＣＤカメラ６２まで導かれる。これによって画像が取得され、ディスプレイ上に表示される。変換された電気信号は、信号処理系で記録されるなど様々な処理が施される。

高速増殖炉の保守時に用いることを想定すると、２００℃以上のナトリウム温度で且つ高放射線環境下で、確実に動作することが必要最低限の基準となる。本発明では、２００℃以上の高温ナトリウムからの熱を受けるのは、紫外線照射・検出装置及び光ファイバケーブル類や電気ケーブルの一部であるので、それらの部分は耐熱性及び耐放射線性を有する材料・構造とする。それに対して、ＣＣＤカメラなどの画像化装置、レーザ装置や放電用電源装置などは、高温や高放射線に曝されることはないので、特段の対策は必要ない。

いずれにしても、紫外線照射・検出装置は、遊泳ビークル型、マニピュレータ型、フレキシブルチューブ型（ワイヤや圧縮ガスで方向制御）などとすることができる。紫外線照射・検出装置を小型化できることと、フレキシブルなケーブルを用いることで、炉心内の各種構造物、燃料集合体、熱交換器までの配管などにも侵入可能となり、これまで困難と考えられてきた構造物の微小な変形等も逃さず探知することができる。

本発明の液体ナトリウム中の可視化による保守・モニタリング技術は、従来の超音波によるモニタリング法と分解能、視野、データ取得のスピードにおいて相補的関係にあり、併用することで、より一層効率よく且つ精度の高い検査が可能となる。

１０紫外線照射・検出装置
１２画像化装置
１４多チャンネル光ファイバケーブル
２０被検査体
２２紫外線発生部
２４紫外線検出部
２８フッ化マグネシウム窓

Claims

筐体をフランジ構造にして内部を真空にしフッ化マグネシウム窓を備え液体ナトリウム中に浸漬可能な一体化した紫外線照射・検出装置、及びナトリウムバウンダリ外に設置される画像化装置を具備し、前記紫外線照射・検出装置は、ナトリウムバウンダリ外から一部が液体ナトリウム中に浸漬されるケーブルにより供給される外部エネルギーによってアルゴンガスセルで波長１００〜１３０ｎｍの紫外線を発生させ、その紫外線をフッ化マグネシウム窓を通して液体ナトリウム中の被検査体に向けて被検査体近傍で照射する紫外線発生部と、該被検査体からの反射・散乱光をフッ化マグネシウム窓を通して検出し可視光へ変換する紫外線検出部を備えた構造であり、得られた可視光を多チャンネル光ファイバケーブルによりナトリウムバウンダリ外の前記画像化装置に送って画像を取得するようにしたことを特徴とする紫外線を用いた液体ナトリウム中の可視化装置。
ナトリウムバウンダリ外に設置される短パルス高出力レーザ装置、及び該短パルス高出力レーザ装置と前記紫外線照射・検出装置を繋ぐ光ファイバケーブルを具備し、前記紫外線照射・検出装置は、前記光ファイバケーブルによって前記短パルス高出力レーザ装置から導いたレーザ光をアルゴンガスセルに入射して波長１００〜１３０ｎｍの紫外線を発生させ、その紫外線をフッ化マグネシウム窓を通して液体ナトリウム中の被検査体に向けて照射する紫外線発生部を備えている請求項１記載の紫外線を用いた液体ナトリウム中の可視化装置。
ナトリウムバウンダリ外に設置される放電用電源装置、及び該電源装置と前記紫外線照射・検出装置を繋ぐ電気ケーブルを具備し、前記紫外線照射・検出装置は、前記電気ケーブルによって前記放電用電源装置から供給した電流によりアルゴンガスセルで放電を生じさせて波長１００〜１３０ｎｍの紫外線を発生させ、その紫外線をフッ化マグネシウム窓を通して液体ナトリウム中の被検査体に向けて照射する紫外線発生部を備えている請求項１記載の紫外線を用いた液体ナトリウム中の可視化装置。
前記紫外線検出部は、前記被検査体からの反射・散乱光をフッ化マグネシウム窓を通してイメージインテンシファイア付きカソードで可視光へ変換・増倍する構造である請求項２又は３記載の紫外線を用いた液体ナトリウム中の可視化装置。