JP5759854B2 - 水素濃度計測装置及び水素濃度表示装置 - Google Patents
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Description
本発明は、水素センサ、水素濃度表示装置、水素濃度計測及び光ファイバー式水素センサの製造方法に関し、特に、原子力プラントなどの建屋内の水素を測定するのに好適な水素センサ、水素濃度計測装置、水素濃度表示装置及び光ファイバー式水素センサの製造方法に関する。
原子力プラントなどの建屋内の水素を測定する水素センサは、広範囲なエリアの水素計測になるために、光ファイバーを利用した水素センサが考えられるが、例えば、原子力プラントの建屋内において、水素が発生する場合には同時に水蒸気、ヨウ素が発生するケースがあり、これらの影響を抑制した水素センサが必要になる。例えば〔特許文献１〕には、ファイバクラッドにブラッグ格子を作り込み、周囲に水素吸蔵材としてパラジウムを取り付け、水蒸気、アンモニア、メタン、一酸化炭素などによる汚染防止のためにパラジウムの外周にゼオライト膜を施すことが開示されている。
〔特許文献１〕に記載の従来の技術では、光ファイバーのクラッドに作り込まれたブラッグ格子部で光の減衰が発生するために、このブラック格子部分を光ファイバー全長において多数設置して水素を検出しようとすると、光ファイバー内を伝搬する光の強度が低下し、水素吸蔵によって発生する歪みに対する光強度の変化を正しく計測することが困難になり、結果として建屋内全体に亘り広範囲に水素を検出するということができなくなる。また、この従来例においては、パラジウムの外周にゼオライト膜を設けているが、ゼオライト膜は物理吸着であり吸着力が弱く、水蒸気が発生する様な高温下では水蒸気などの吸着能力が低下し、水蒸気がパラジウムに影響を与えて、パラジウムの水素吸蔵特性を低下させ、水素を正しく計測することができないという問題がある。また、水素濃度を検出する機能はない。
本発明の目的は、例えば、原子力プラントにおける原子炉建屋及び格納容器内等の広範囲なエリアに対して水素センシングが可能であり、かつ高温下で水蒸気が発生する様な過酷な環境下でも、これらに影響を受けることなく水素を計測できる水素濃度計測装置及び水素濃度表示装置を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明では、コアと、前記コアの外周に設けられたクラッドと、前記クラッドの外周に設けられたパラジウム層と、前記パラジウム層の外周に設けられ、硬化処理された樹脂層を有するように構成した。
また、光ファイバーのクラッド外周にパラジウムをコーティングしてパラジウム層を形成し、その外周に第１樹脂層及び第２樹脂層をコーティングして、該両樹脂層を紫外線照射処理により硬化させるように構成した。
さらに、光ファイバーのクラッド外周にナノ粒子をドープしたパラジウムをコーティングしパラジウム層を形成し、その外周に第１樹脂層及び第２樹脂層をコーティングして、該両樹脂層を紫外線照射処理により硬化させるように構成した。
また、本発明の他の光ファイバー式水素センサは、光ファイバーのクラッド外周にパラジウムを、前記光ファイバーの長手方向に非連続的にコーティングし焼成してなるパラジウム層を形成し、前記クラッドの外周に第１樹脂層及び第２樹脂層を、前記光ファイバーの長手方向に連続的にコーティングして、該両樹脂層を紫外線照射処理により硬化させるように構成した。
さらに、好ましくは、パラジウム層にドープするナノ粒子は銀、ニッケル、あるいはクロムである。
また、好ましくは、第２樹脂層にフッ素をドープあるいはコーティングした。
さらに、上記光ファイバー式水素センサに光源から特定波長の光を出力し、パラジウム層の水素吸蔵によって光ファイバーに歪みが発生し、これによって発生するブリルアン散乱光を入力し、特定波長の光を出力した時刻からブリルアン散乱光を入力するまでの時間を計測し、この経過時間で水素吸蔵位置を特定し、入力したブリルアン散乱光が出力する特定波長の光からの波長シフト量、或いは周波数シフト量を評価し、この評価結果と特定した水素吸蔵位置により計測点の水素濃度を特定するように構成した。
本発明によれば、水蒸気の浸透が阻止され、水素吸蔵素子に水蒸気が吸着されることがなくなり、水蒸気が存在する空間でも水素を正しくセンシングすることが可能となる。
より具体的な構成によれば、光ファイバーのクラッド外周にパラジウムをコーティングしてパラジウム層を形成し、その外周に第１樹脂層及び第２樹脂層をコーティングして、該両樹脂層を紫外線照射処理により硬化させたものであり、紫外線照射処理により硬化された第１樹脂層及び第２樹脂層により水蒸気の浸透が阻止され、水素吸蔵素子に水蒸気が吸着されることがなくなり、水蒸気が存在する空間でも水素を正しくセンシングすることが可能となる。
また、光ファイバーのクラッド外周にナノ粒子をドープしたパラジウムをコーティングしパラジウム層を形成し、その外周に第１樹脂層及び第２樹脂層をコーティングして、該両樹脂層を紫外線照射処理により硬化させ、ナノ粒子を銀、ニッケル、あるいはクロムとすることにより、高濃度水素下での不可逆的な物質特性変化を抑制できるために、パラジウム単体では高濃度水素下で不可逆的な物質特性変化が発生して水素を吸蔵し続け、光ファイバー式水素センサ周辺に水素がなくなってもその状態を正しく検出することができなくなるが、このような問題が発生することはない。
また、第２樹脂層にフッ素をドープ或いはコーティングすることにより同じハロゲンのヨウ素がパラジウムに吸蔵されることがなく、ヨウ素が存在する環境下でも、水素を正しくセンシングすることが可能となる。
さらに、上記光ファイバー式水素センサに光源から特定波長の光を出力し、パラジウム層の水素吸蔵によって光ファイバーに歪みが発生し、これによって上記特定波長の光から波長がシフトされたブリルアン散乱光を検出し、特定波長の光を出力した時刻からブリルアン散乱光を検出するまでの時間を計測し、この経過時間で水素吸蔵位置を特定し、検出したブリルアン散乱光が出力する特定波長の光からの波長シフト量、或いは周波数シフト量を評価し、この評価結果と特定した水素吸蔵位置により、水素濃度及びその分布の計測が可能となる。
以下に、図面を参照して本発明を詳細に説明する。図１は本発明の光ファイバー式水素センサの一例を示す図である。図１に示す光ファイバー式水素センサ６は、光ファイバー１００のコア１の外周にクラッド２があり、この外周にパラジウムをコーティングして焼成してなるパラジウム層３を形成し、その外周に第１樹脂層４及び第２樹脂層５をコーティングして、該両樹脂層を紫外線照射処理により硬化させたものである。紫外線照射処理により硬化された第１樹脂層及び第２樹脂層により水蒸気の浸透が阻止され、水素吸蔵素子に水蒸気が吸着されることがなくなり、水蒸気が存在する空間でも水素を正しくセンシングすることが可能となる。水素は水蒸気に比べ分子が小さく、第１樹脂層４及び第２樹脂層５を通過し、パラジウム層３に到達する。パラジウム層３のパラジウムは水素を吸蔵し、パラジウム自体の体積が膨張し、光ファイバーのクラッド２に歪みを与え、後述するが、この歪みによって発生するブリルアン散乱光を測定して水素を検出することが可能になる。
本発明の他の光ファイバー式水素センサを図２に示す。光ファイバー式水素センサ７は光ファイバーのクラッド２の外周にパラジウムを、その光ファイバーの長手方向に非連続的にコーティングし焼成してなるパラジウム層３を形成し、クラッド２の外周に第１樹脂層４及び第２樹脂層５を、その光ファイバーの長手方向に連続的にコーティングして、該両樹脂層を紫外線照射処理により硬化させたものである。この光ファイバー式水素センサ７はパラジウム層３が離散的に形成されているので、水素を離散的なエリアで検出することが可能である。図２の光ファイバー式水素センサ７はパラジウム層３が離散的に形成しているために、図１の光ファイバー式水素センサ６と比べ、材料が少なく安価にすることができる。
図１及び図２の光ファイバー式水素センサは図３の光ファイバー式水素センサ製造設備によって製造することができる。光ファイバー母材８は、例えば石英母材であり、加熱炉９により溶融され、線引きされる。その後、パラジウムペーストをパラジウム層用ダイス１０でダイスコートし、焼成炉１１で焼成される。その後、第１樹脂層用ダイス１２により第１の樹脂がダイスコートされ、紫外線照射機１３により第１の樹脂が硬化される。さらに第２樹脂層用ダイス１４により第２の樹脂がダイスコートされ、紫外線照射機１５により第２の樹脂が硬化される。巻取りドラムはキャプスタン１６を利用し光ファイバー式水素センサ６或いは７を巻き上げる。第２樹脂層は第１樹脂層より弾性率が高くなるように、樹脂成分が調合されており、光ファイバー式水素センサ６或いは７に可撓をもたせるようにしている。これは、光ファイバー式水素センサ６或いは７の取扱い作業や敷設作業を容易にするためである。さらに、本発明の光ファイバー式水素センサは、光ファイバーのクラッド外周にパラジウムをコーティングしてパラジウム層を形成し、その外周に第１樹脂層及び第２樹脂層をコーティングして、該両樹脂層を紫外線照射処理により硬化させているために、水蒸気の浸透が阻止され、水素吸蔵素子に水蒸気が吸着されることがなくなり、水蒸気が存在する空間でも水素を正しくセンシングすることが可能となる。しかも高温下での使用が可能である。特に、原子力発電所において異常時に水素が発生する場合には、高温環境下でありかつ水蒸気も発生することが多く、このような状況下において水素を正しくセンシングでき、適用効果が大きい。
また、図３の光ファイバー式水素センサ製造設備において、第２樹脂層用ダイス１４には、樹脂材にフッ素をドープして、第２樹脂層を形成することにより、フッ素ドープの第２樹脂層が形成できるために、同じハロゲンのヨウ素が第２樹脂層のフッ素にトラップされ、パラジウム層３に侵入することを防止できる。パラジウム層３にヨウ素が入り込むと、パラジウムとヨウ素の化学変化によりパラジウムの水素吸蔵性能が低下し、光ファイバー式水素センサは水素を正しく検出することが困難になる。第２樹脂層にフッ素を入れているために、光ファイバー式水素センサ６、７はこの問題を解決することが可能になる。
この結果、パラジウムにヨウ素が吸蔵されることがなく、ヨウ素が存在する環境下でも、水素を正しくセンシングすることが可能となる。特に原子力発電所において、ヨウ素が発生する様な環境下においても、水素を正しくセンシングでき、適用効果が大きい。
この結果、パラジウムにヨウ素が吸蔵されることがなく、ヨウ素が存在する環境下でも、水素を正しくセンシングすることが可能となる。特に原子力発電所において、ヨウ素が発生する様な環境下においても、水素を正しくセンシングでき、適用効果が大きい。
図４及び図５の光ファイバー式水素センサは、図１及び図２の光ファイバー式水素センサにおいて、水素吸蔵部材のパラジウム層の最外周にフッ素コート層１８を形成したものである。これにより、ヨウ素がフッ素コート層１８でトラップされ、パラジウム層３に侵入することがなく、結果としてパラジウムにヨウ素が侵入することがないために、ヨウ素が存在する環境下でも、水素を正しくセンシングすることが可能となる。特に原子力発電所において、ヨウ素が発生するような環境下において、水素を正しくセンシングでき、図４及び図５の光ファイバー式水素センサの適用効果が大きい。
図４及び図５の光ファイバー式水素センサは図６の光ファイバー式水素センサ製造設備によって製造することができる。図３と異なる部分は、紫外線照射機１５とキャプスタン１６間にフッ素コート用ダイス１９、焼成炉２０を備えている点である。紫外線照射機１５により第２の樹脂が硬化された後、フッ素コート用ダイス１９によりフッ素材がダイスコートされ、焼成炉２０で焼成される。これにより、水素吸蔵部材のパラジウム層の最外周にフッ素コート層１８を形成することができる。フッ素コート層１８を焼成処理で形成しているために、この光ファイバー式水素センサは高温下での使用が可能である。
光ファイバーのクラッド外周にナノ粒子をドープしたパラジウムをコーティングしパラジウム層を形成し、その外周に第１樹脂層及び第２樹脂層をコーティングして、該両樹脂層を紫外線照射処理により硬化させた光ファイバー式水素センサは、ナノ粒子を銀、ニッケル、あるいはクロムとすることにより、高濃度水素下での不可逆的な物質特性変化を抑制できるために、パラジウム単体では高濃度水素下で不可逆的な物質特性変化が発生して水素を吸蔵し続け、光ファイバー式水素センサ周辺に水素がなくなってもその状態を正しく検出することができなくなるが、このような問題が発生することはない。
図７に示す水素濃度計測装置２１の計測原理は以下のようになっている。光ファイバー式水素センサ６に光源２４から特定波長の光を出力し、光ファイバー式水素センサ６のパラジウム層３の水素吸蔵による歪みによって上記特定波長の光から波長がシフトされたブリルアン散乱光を検出し、特定波長の光を出力した時刻からブリルアン散乱光を検出するまでの時間を計測し、この経過時間で水素検出位置を特定し、検出したブリルアン散乱光が上記の特定波長の光からの波長シフト量、或いは周波数シフト量を評価し、水素検出位置（パラジウム層３が水素を吸蔵した位置）での水素濃度を計測する。パラジウム層３は光ファイバー式水素センサ６の長手方向に連続的に形成されているために、連続的な水素濃度分布を計測することが可能になる。光ファイバー式水素センサ７を用いた場合には、離散的な水素濃度分布の計測が可能になる。
以下、水素濃度計測装置２１の構成について説明する。光ファイバー式水素センサ６を例に説明するが、光ファイバー式水素センサ７についても同様であり。異なる点は光ファイバー式水素センサの長手方向に連続的に水素濃度が計測できるか、離散的に測定できるかの違いである。光源２４から特定波長の光を光ファイバー式水素センサ６に出力する。
２２は光ファイバー式水素センサ６用のコネクタである。駆動回路２５は光源２４から特定波長の光を出力するための指令信号を光源２４に出力すると共に、サンプリング処理回路２９にサンプリング開始タイミングを指令するために該指令信号を出力する。光ファイバー式水素センサ６のパラジウム層３の水素吸蔵に伴うパラジウム層３の体積膨張によって歪みが発生し、これにより光ファイバー式水素センサ６の光ファイバー１００が歪み、図８に示すように光ファイバー式水素センサ６に入射された入射光に対してブリルアン散乱光が発生する。ブリルアン散乱光は入射光に対して波長（周波数と言う場合がある）がシフトしており、この波長シフト量（周波数シフト量と言う場合がある）が上記水素吸蔵による歪みに対応する。このブリルアン散乱光はミラー２２によりフィルタ２６に導かれる。フィルタ２６により入射光のフィルタリングがなされ、計測対象外の不要な光を除去する。フィルタ２６から出力される光は光電変換器２７に出力され、電気信号に変換される。変換された電気信号はアンプ２８で増幅され、サンプリング処理回路２９に出力される。
２２は光ファイバー式水素センサ６用のコネクタである。駆動回路２５は光源２４から特定波長の光を出力するための指令信号を光源２４に出力すると共に、サンプリング処理回路２９にサンプリング開始タイミングを指令するために該指令信号を出力する。光ファイバー式水素センサ６のパラジウム層３の水素吸蔵に伴うパラジウム層３の体積膨張によって歪みが発生し、これにより光ファイバー式水素センサ６の光ファイバー１００が歪み、図８に示すように光ファイバー式水素センサ６に入射された入射光に対してブリルアン散乱光が発生する。ブリルアン散乱光は入射光に対して波長（周波数と言う場合がある）がシフトしており、この波長シフト量（周波数シフト量と言う場合がある）が上記水素吸蔵による歪みに対応する。このブリルアン散乱光はミラー２２によりフィルタ２６に導かれる。フィルタ２６により入射光のフィルタリングがなされ、計測対象外の不要な光を除去する。フィルタ２６から出力される光は光電変換器２７に出力され、電気信号に変換される。変換された電気信号はアンプ２８で増幅され、サンプリング処理回路２９に出力される。
サンプリング処理回路２９は前記の指令信号が入力された後、一定サンプリングで入力信号をサンプリングし、ブリルアン散乱光が光ファイバー式水素センサ６に入射された光（入射光）からの経過時間を計測する。計測された経過時間は、換算演算処理を実施してどの位置で水素を検出したかを示す水素検出位置信号に変換される。水素検出位置信号は波長シフト検出回路３０を介して水素濃度変換器３１に出力される。サンプリング処理回路２９でサンプリングされた検出信号は波長シフト検出回路３０に出力され、波長シフト量（周波数シフト量ともいう）を計測する。計測された波長シフト量は水素濃度変換器３１に出力され、換算演算処理を実施して水素濃度信号に換算される。水素濃度変換器３１は水素検出位置信号と水素濃度信号も入力されており、これらを表示器３２と水素濃度表示装置３３に出力する。この結果、表示器３２と水素濃度表示装置３３は、計測点ごとの水素濃度、つまり計測エリアに対する水素濃度分布を表示することができる。光ファイバー式水素センサ７を用いた場合には、離散的な水素濃度分布を表示することができる。
光ファイバー式水素センサ６を代表例として、原子力発電所への光ファイバー式水素センサの適用例を図９に示す。原子力発電所において大きな事故が発生して水素が発生する可能性が高いのは、原子炉建屋内と格納容器内である。このため、原子炉建屋３４内の上部の広いエリアに、光ファイバー式水素センサ６を設置し、原子炉建屋３４内設置される格納容器３５内の上部に光ファイバー式水素センサ６と同一の光ファイバー式水素センサ３７を設置する。格納容器は原子炉圧力容器３６を格納している。原子炉圧力容器３６内にある燃料棒が破損し、燃料被覆金属のジルコニウムと水との反応により水素が発生し、水素は軽いために格納容器内や原子炉建屋内の上層部に溜るようになる。このようなプラント状態では、水素発生と共に、水蒸気、ヨウ素が発生する可能性が高い。しかも高温下となる。このため、原子炉建屋３４内や格納容器３５内の上層部に光ファイバー式水素センサ６、３７を設置して、発生する水素の濃度を検出することが重要になる。水素濃度計測装置２１、３８は中央制御室３９に設置され、中央制御室３９で水素濃度を監視できる。中央制御室３９で原子力発電所の運転状態、機器状態と共に水素濃度が監視可能になるために、運転員が原子力発電所の安全性を即座に理解することが可能となり、水素爆発防止のために窒素を充填したり、水素をベントしたりするための判断や操作が短時間で実行できるという効果がある。
中央制御室３９の運転監視システムの構成を図１０に示す。図１０に示す運転監視システム５１は、操作盤４３、大画面表示装置４１、大画面可変情報表示装置４０、４２、制御装置４８、４９、プロセス計算機５０、水素濃度計測装置２１、３８、当直用専用コンソール４５、各装置間のデータ伝送を行うネットワーク４７を備えている。水素濃度計測装置２１、３８には光ファイバー式水素センサが接続されるが、これについては図示していない。４４が運転員であり、４５が当直長である。当直長４５は運転員４４に対するスーパーバイザーである。大画面表示装置４１は、プラントの系統とそれに係わる機器の状態、主要パラメータ等が表示されており、プラント運転状態が容易にわかるようになっている。
運転員４４或いは当直長の操作により、大画面可変表示装置に水素濃度計測装置で計測した水素濃度が表示される。建屋構成図に関連づけて水素濃度を表示することで、運転員や当直長、図示していないが保守員等に対して視認性が高くなるようにしている。図１１に表示状態の詳細を示すが、具体的には、水素濃度計測装置によって計測される水素濃度を計測するエリアに対応させて原子炉建屋及び格納容器の建屋構成図上に水素濃度分布を表示し、かつ両エリアにおける最大水素濃度を示している。このように表示することで、建屋内の水素濃度分布とその最大水素濃度が容易に分かり、安全処置判断をタイムリーに行うことが可能になる。
このように、水蒸気、ヨウ素が発生する環境下においても、発生する水素濃度を正しく検出、かつ広範囲なエリアに対して水素濃度分布を計測することが可能であり、原子力発電所、水素スタンド建屋、水素を燃料とする車両やロケット等に適用し、その工業的価値は極めて高い。
１ コア
２ クラッド
３ パラジウム層
４ 第１樹脂層
５ 第２樹脂層
６、７、３７ 光ファイバー式水素センサ
１２ 第１樹脂層用ダイス
１３、１５ 紫外線照射機
１４ 第２樹脂層用ダイス
１８ フッ素コート層
１９ フッ素コート用ダイス
２１、３８ 水素濃度計測装置
４２ 大画面可変情報表示装置
１００ 光ファイバー
２ クラッド
３ パラジウム層
４ 第１樹脂層
５ 第２樹脂層
６、７、３７ 光ファイバー式水素センサ
１２ 第１樹脂層用ダイス
１３、１５ 紫外線照射機
１４ 第２樹脂層用ダイス
１８ フッ素コート層
１９ フッ素コート用ダイス
２１、３８ 水素濃度計測装置
４２ 大画面可変情報表示装置
１００ 光ファイバー
Claims (8)
- 光ファイバーのコアと、前記コアの外周に設けられたクラッドと、所定の位置から他の位置まで被測定領域として連続的に前記クラッドの全周に被覆されて設けられたパラジウム層と、前記パラジウム層の外周に設けられ、硬化処理された樹脂層を有する光ファイバー式水素センサに、光源から特定波長の光を出力し、前記パラジウム層の水素吸蔵による前記クラッドの歪みによって上記特定波長の光から波長がシフトされたブリルアン散乱光を検出し、前記特定波長の光を出力した時刻からブリルアン散乱光を検出するまでの時間を計測し、この経過時間で前記連続的な被測定領域のうちの水素吸蔵位置を特定し、検出したブリルアン散乱光が上記の特定波長の光からの波長シフト量、或いは周波数シフト量を評価し、水素吸蔵位置の水素濃度を計測する水素濃度計測装置。
- 請求項１において、前記樹脂層は、紫外線照射処理により硬化して形成されたことを特徴とする水素濃度計測装置。
- 請求項２において、前記樹脂層の外周に、さらに、第２の樹脂層が設けられたことを特徴とする水素濃度計測装置。
- 請求項１において、前記パラジウム層は、光ファイバーのクラッド外周にナノ粒子をドープしたパラジウムをコーティングして形成されることを特徴とする水素濃度計測装置。
- 請求項１乃至４のいずれかにおいて、最外周の樹脂層にフッ素がドープあるいはコーティングで形成されることを特徴とする水素濃度計測装置。
- 請求項４において、前記パラジウム層に銀、ニッケル、あるいはクロムであるナノ粒子をドープすることを特徴とする水素濃度計測装置。
- 請求項１乃至５のいずれかにおいて、前記パラジウム層と前記樹脂層はダイスにより形成することを特徴とする水素濃度計測装置。
- 光ファイバーのコアと、前記コアの外周に設けられたクラッドと、所定の位置から他の位置まで被測定領域として連続的に前記クラッドの全周に被覆されて設けられたパラジウム層と、前記パラジウム層の外周に設けられ、硬化処理された樹脂層を有する光ファイバー式水素センサに、光源から特定波長の光を出力し、前記パラジウム層の水素吸蔵による前記クラッドの歪みによって上記特定波長の光から波長がシフトされたブリルアン散乱光を検出し、前記特定波長の光を出力した時刻からブリルアン散乱光を検出するまでの時間を計測し、この経過時間で前記連続的な被測定領域のうちの水素吸蔵位置を特定し、検出したブリルアン散乱光が上記の特定波長の光からの波長シフト量、或いは周波数シフト量を評価し、水素吸蔵位置の水素濃度を計測する水素濃度計測装置によって計測された水素濃度を計測したエリアに対応させて建屋構成図上に表示することを特徴とする水素濃度表示装置。
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