JP5971006B2 - 流れ可視化装置 - Google Patents

Description

本発明は、ＰＩＶ計測システムを用いた流れ可視化装置に関する。

原子炉圧力容器内は、冷却材としての水が注入されている。そこで原子炉圧力容器内の状態を知るために、原子炉圧力容器内の水の流れを知りたいという要請がある。原子炉圧力容器内の水の流れを知る方法としては、特許文献１（特開２００６−０１７６１６号公報）において、放射線環境下でのＰＩＶ（Particle Imaging Velocity：粒子画像流速測定法）計測システムが提案されている。ＰＩＶ計測とは、流れの中にレーザーシートを形成してこれを撮影し、粒子（トレーサー）に反射した輝点の動きを観察することによって流れを把握するする方法である。なお、このように流れを可視化する技術を総称してＦＶ（Flow Visualization）と呼ばれている。

特開２００６−０１７６１６号公報 特開平０６−０６７０９０号公報

上述のＰＩＶ計測では、レーザーシートを形成する光学系ユニットと、これを撮影する撮影ユニットを、水中に挿入して設置する必要がある。

原子力発電所が過酷事故（シビアアクシデント）を生じている場合、原子炉圧力容器の内部のみならず、原子炉格納容器の内部にも水が注入されている場合がある。そしてこれらの場合には、通常状態よりもさらに内部の様子を知りたいという要請が高い。しかしながら過酷事故の場合は原子炉圧力容器の周辺が高線量になっていて作業員が近づくことができないため、原子炉格納容器や原子炉圧力容器の蓋を開くことができない場合がある。すると、これらの上方からＰＩＶ計測のための光学ユニットや撮影ユニットを挿入することができないという問題がある。

原子炉格納容器の蓋を開くことができない場合、原子炉格納容器の壁面に設置されている貫通孔を利用して検査用の孔（以下「検査孔」という。）を設けて、検査孔から光学ユニットおよび撮影ユニットを挿入することが考えられる。しかし、検査孔は直径１０ｃｍ程度と小さく、仮にここから光学ユニットと撮影ユニットの両方を挿入したとしても、互いに距離を取ることができない。するとレーザーシートの照射方向と撮影ユニットの光軸はほぼ平行となり、かつ照射源とほぼ同じ位置から撮影することになるため、レーザーシート全体を撮影することが難しい。

広い範囲を撮影するための技術としては、広角レンズを用いることが考えられる。工業用内視鏡において広角レンズを用いる技術は様々に提案されているが、例えば特許文献２には、構成レンズ枚数の少ない広角な顕微鏡対物光学系が提案されている。しかしながら広角レンズを用いて撮影した場合、レーザーシートの全面を撮影しようとすると画像の歪みが大きくなりすぎて、流れの解析精度が低下してしまう。また照射方向と光軸とがほぼ平行であることから、画像の半分にしかレーザーシートを映し込むことができず、分解能が低下してしまうという問題がある。

そこで本発明は、狭い検査孔から挿入可能でありながら、広範囲の流れを観察することができる流れ可視化装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の代表的な構成は、流れの中にレーザーシートを形成して粒子に反射した光を撮影することにより流れを可視化する流れ可視化装置において、可撓性を有する挿入管の先端に備えられたヘッドに、レーザー光を照射してレーザーシートを形成する光学ユニットと、レーザーシートを撮影するカメラの対物レンズと、対物レンズの光軸上に配置され、粒子に反射した光を対物レンズに向かって反射させる凸面鏡とを備え、前記レーザーシートの照射方向と前記対物レンズの光軸が近接しかつほぼ平行であることを特徴とする。

上記構成によれば、レーザーシートの照射方向と対物レンズの光軸が近接しかつほぼ平行であったとしても、レーザーシートの極めて広範囲に亘って撮影することができる。したがってヘッドを小さくすることができるため、狭い検査孔から挿入可能でありながら、広範囲の流れを観察することが可能となる。
また、光学ユニットまたは凸面鏡に駆動機構を設け、光学ユニットによるレーザーシートの角度、凸面鏡の中心軸のオフセット、または凸面鏡の中心軸の角度を、遠隔操作により調整可能としてもよい。ＰＩＶでは、レーザーシートに直交する方向成分は測定できない。しかしレーザーシートの角度を調整することにより、直交成分も測定可能となる。また凸面鏡の中心軸のオフセットを調整可能とすることにより、画像の全面にレーザーシートを映し込むことが可能となり、画素を有効に利用することができるため、分解能を向上させることができる。また凸面鏡の中心軸の角度を調整することにより、凸面鏡によって遠方の視界がさえぎられることを防止し、レーザーシートの広範囲を撮影することが可能となる。

流れの中にレーザーシートを形成して粒子に反射した光を撮影することにより流れを可視化する流れ可視化装置において、可撓性を有する挿入管の先端に備えられたヘッドに、レーザー光を照射してレーザーシートを形成する光学ユニットと、レーザーシートを撮影するカメラの対物レンズと、対物レンズの光軸上に配置され、粒子に反射した光を対物レンズに向かって反射させる凸面鏡とを備え、凸面鏡は放物面であって、凸面鏡は、放物面の中心軸を対物レンズの光軸に対してレーザーシートの反対側にずらして配置されていることが好ましい。これにより、画像の全面にレーザーシートを映し込むことが可能となり、画素を有効に利用することができるため、分解能を向上させることができる。

流れの中にレーザーシートを形成して粒子に反射した光を撮影することにより流れを可視化する流れ可視化装置において、可撓性を有する挿入管の先端に備えられたヘッドに、レーザー光を照射してレーザーシートを形成する光学ユニットと、レーザーシートを撮影するカメラの対物レンズと、対物レンズの光軸上に配置され、粒子に反射した光を対物レンズに向かって反射させる凸面鏡とを備え、凸面鏡は放物面であって、凸面鏡は、放物面の中心軸を、対物レンズの光軸に対して放物面の頂点がレーザーシートから離れる方向に傾斜して配置されていることが好ましい。凸面鏡を傾斜させることにより、凸面鏡によって遠方の視界がさえぎられることを防止し、レーザーシートの広範囲を撮影することが可能となる。

本発明の他の代表的な構成は、流れの中にレーザーシートを形成して粒子に反射した光を撮影することにより流れを可視化する流れ可視化方法において、光学ユニットによるレーザーシートの照射方向とカメラの対物レンズの光軸を近接かつほぼ平行とし、カメラの対物レンズの光軸上に凸面鏡を配置し、粒子に反射した光を凸面鏡に反射させて撮影することを特徴とする。これにより、狭い検査孔から挿入可能でありながら、広範囲の流れを観察することが可能となる。なお、上記した流れ可視化装置についての技術的思想は、流れ可視化方法についても適用可能である。

本発明によれば、狭い検査孔から挿入可能でありながら、広範囲の流れを観察することができる。このため、過酷事故の状況下にあっても検査孔から流れ可視化装置のヘッドを挿入して原子炉格納容器または原子炉圧力容器内の流れを観察することが可能となる。

原子炉の概略構成を説明する図である。 ヘッドを説明する図である。 他の実施形態を説明する図である。 他の実施形態を説明する図である。 他の実施形態を説明する図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値などは、発明の理解を容易とするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

図１は、原子炉の概略構成を説明する図である。以下では、理解を容易にするために沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）を例示して説明するが、改良型沸騰水型原子炉（ＡＢＷＲ）についても本実施形態を適用可能である。

原子炉建屋１００には原子炉格納容器１０２が設置され、その中に原子炉圧力容器１０４が設置されている。原子炉格納容器１０２の下方にはサプレッションプール１０６（圧力抑制室ともいう）が設けられていて、過剰な蒸気をサプレッションプール１０６内の水に注入することによって圧力を下げることができる。

原子炉格納容器１０２および原子炉圧力容器１０４は、いずれも密閉容器であり、その内部に密閉空間を有している。なお、原子炉圧力容器１０４は高さ２０ｍ程度、直径６ｍ程度であり、また、原子炉格納容器１０２は高さ４０ｍ程度、直径１８ｍ程度の大きな設備である。

原子炉圧力容器１０４は、ウラン等からなる燃料棒を束ねた燃料集合体１０８を収容する。原子炉圧力容器１０４に収容された燃料集合体１０８は、臨界に達して、容器内部に充填された水（炉水）を加熱し蒸気を発生させる。

図１は事故時の状態を示している。図中では原子炉格納容器１０２の底部、原子炉圧力容器１０４の内部およびサプレッションプール１０６の部屋に水が溜まっているように描いている。なお通常の運転中は、原子炉格納容器１０２は窒素充填され、サプレッションプール１０６内部には適量の水が保有されている。過酷事故の状況下では、原子炉格納容器１０２および原子炉圧力容器１０４の内部には、放射線の遮蔽と炉心の冷却を図るために冷却水が注入されることになり、図示のように冷却水１１０、１１２が滞留する。

また原子炉格納容器１０２および原子炉圧力容器１０４の下部に、デブリ１４０が堆積しているように描いている。過酷事故によって燃料（燃料ペレット）が過熱すると、燃料被覆管や燃料集合体１１０のケース（チャネルボックス）が融解する（炉心溶融：メルトダウン）。すると燃料および炉の構造物の溶融物が混在した、いわゆるデブリが発生する。デブリは原子炉圧力容器１０４の下部に堆積すると考えられるが、程度によっては原子炉圧力容器の底をも融解させて原子炉格納容器１０２まで落下する場合もある（メルトスルー）。したがって図１に示すように、デブリ１４０が原子炉圧力容器１０４や原子炉格納容器１０２の底部に堆積すると考えられる。

デブリ１４０は回収する必要があるが、核反応が停止した状態（未臨界の状態）であっても高い崩壊熱と強い放射線を生じることから、数年間の冷却期間を待たなければならない。そして、デブリ１４０の回収作業にあたり、デブリ１４０の位置をできるだけ正確に特定する必要がある。これは、デブリ１４０のみが原子炉格納容器１０２や原子炉圧力容器１０４の底部に堆積しているとは考えづらく、崩落した他の構造物や、放射性物質でない他の材質の溶融物も多く堆積していると考えられるため、放射能の強いデブリ１４０を優先的に取り出すためである。

しかしながら、回収する際にも冷却水１１０によって放射線の遮蔽と炉心の冷却を図りつつ作業を行うことになる。また同時に、デブリ１４０が他の構造物の下敷きになっていたり、他の材質の溶融物に埋もれていたりする可能性も高いため、位置の特定はさらに難しいものとなる。

上記したようにデブリ１４０は高い崩壊熱を出すため、周辺の冷却水１１０に対流（上昇流）を生じさせる。したがって冷却水１１０の流れを観察することにより、対流（上昇流）の下方に熱源であるデブリが存在すると把握することができる。冷却水１１０の中の対流は、流れ可視化装置１１６（ＰＩＶ計測システム）で検知する。すなわち、流れの中にレーザーシートを形成してこれを撮影し、粒子に反射した輝点の動きを観察することによって流れを観察する。

過酷事故の状況下では、原子炉格納容器の蓋を開くことができないため、原子炉格納容器１０２の壁面に設置されている検査孔１１４から、レーザーシート用の光学ユニットと撮影ユニットを挿入する必要がある。ここで問題となるのは、検査孔１１４は直径１０ｃｍ程度と小さく、仮にここから光学ユニットと撮影ユニットの両方を挿入したとしても、互いに距離を取ることができない（近接してしまう）ことである。するとレーザーシートの照射方向と撮影ユニットの光軸はほぼ平行となり、かつ照射源とほぼ同じ位置から撮影することになるため、レーザーシート全体を撮影することが難しい。

そこで本発明は、凸面鏡を使うことにより、狭い検査孔１１４から挿入しても、広範囲の流れを観察することが可能な流れ可視化装置を提供する。

まず図１に示すように、流れ可視化装置１１６は、検査孔１１４に挿入される挿入管１１８と、挿入管１１８の先端に接続されたヘッド１２０とを備える。挿入管１１８は可撓性を有するフレキシブルチューブであって、流れ可視化装置１１６の本体とヘッド１２０との間を接続する光ケーブルや信号ケーブルを挿通している。流れ可視化装置１１６は、ヘッド１２０から連続的に画像データを取得して、画像間（フレーム間）で粒子の輝点の位置を比較することにより、輝点の移動方向と移動量を算出する。これにより流れ可視化装置１１６は流れの中の上昇流を検知して、上昇流の下方にあるデブリの位置を特定することができる。

図２はヘッド１２０を説明する図である。ヘッド１２０は、流れの中にレーザーシート１２６を形成する光学ユニット１２２が備えられている。光学ユニット１２２は、挿入管１１８を通る光ケーブル１２４を介して流れ可視化装置１１６から送られてきたレーザー光を照射させてレーザーシート１２６を形成する。具体的には、ポリゴンミラーやシリンドリカルレンズ等を用いた既知の光学機構を用いることができる。なお光学ユニット１２２は、レーザーシート１２６を形成する方向（対物レンズ１３０の光軸に対する傾斜角θ）を調整することができる。レーザーシートが水中の粒子（トレーサー）に反射すると輝点を生じて、これを撮影することができる。

またヘッド１２０には、レーザーシート１２６を撮影するための対物レンズ１３０が備えられている。カメラ（ＣＣＤやＣＭＯＳなどの撮像素子）は流れ可視化装置１１６の本体に備えられていて、光ケーブル１３２によって画像（光）が伝達される。またカメラはヘッド１２０に備えられていてもよく、その場合は光ケーブル１３２に代えて画像信号を伝達する信号ケーブルが挿入管１１８を介して流れ可視化装置１１６の本体に接続される。

さらにヘッド１２０には、本実施形態の特徴として、凸面鏡１３４が備えられている。凸面鏡１３４は反射面を対物レンズ１３０の光軸上に配置されている。これにより凸面鏡１３４は、レーザーシート１２６の光が水中の粒子に反射した光を、対物レンズ１３０に向かって反射させる。

上記構成によれば、レーザーシート１２６の照射方向と対物レンズ１３０の光軸が近接し、かつほぼ平行であったとしても、レーザーシート１２６の極めて広範囲に亘って撮影することができる。特に凸面鏡であることから、ほぼ真横にある光学ユニット１２２に極めて近い位置（レーザーシート１２６の出力開始位置）から撮影することができる。仮に広角レンズを用いた場合には、画角の関係から真横を撮影するには到らない。また、対物レンズ１３０の光軸方向（水平方向）のみならず、光軸と直交する方向（上下方向）に対しても画角を広げることができるため、広範囲の流れを撮影することが可能である。

上記のことから、逆説的に光学ユニット１２２と対物レンズ１３０とを近接して配置することが可能になるため、ヘッド１２０を小さくすることができる。したがって、狭い検査孔１１４から挿入可能でありながら、広範囲の流れを観察することが可能な流れ可視化装置となる。

さらに凸面鏡１３４は、放物面であることが好ましい。放物面とは放物線の回転体であって、回転中心から離れるほどに曲率が小さくなる。そして放物面を対物レンズ１３０と対向させることにより、レーザーシート１２６のうち近辺の範囲は曲率が大きい箇所に反射し、遠方の範囲は曲率が小さい箇所に反射することとなる。これにより遠近法によって大きく見える近辺は大きく圧縮され、遠近法によって小さく見える遠方は圧縮が小さくなるために、遠近による縮尺の差を緩和し、遠方の位置の分解能を向上させることができる。

図３は他の実施形態を説明する図である。凸面鏡１３４が放物面である場合には、放物面の中心軸１３４ａを対物レンズ１３０の光軸１３０ａに対してレーザーシート１２６の反対側にずらして（オフセットさせて）配置することが好ましい。換言すれば、凸面鏡１３４の対物レンズ１３０に対する頂点（接面が光軸１３０ａと直交する点）を、撮影範囲（画像）に対してレーザーシート１２６の反対側に配置することが好ましい。これにより、画像の全面にレーザーシートを映し込むことが可能となり、画素を有効に利用することができるため、分解能を向上させることができる。

図４は他の実施形態を説明する図である。凸面鏡１３４が放物面である場合には、放物面の中心軸１３４ａを、対物レンズの光軸１３０ａに対して放物面の頂点がレーザーシート１２６から離れる方向に傾斜して配置されていてもよい。このときの傾斜角をαとする。凸面鏡１３４の曲率が大きい場合には、凸面鏡１３４自体にさえぎられてレーザーシート１２６の遠方が見えなくなる可能性がある。そこで上記のように凸面鏡を傾斜させることにより、凸面鏡１３４によって遠方の視界がさえぎられることを防止し、レーザーシート１２６の広範囲を撮影することが可能となる。

さらに、光学ユニット１２２および凸面鏡１３４に駆動機構を設けてもよい。そして、図２に示した光学ユニット１２２の角度θ、図３に示した凸面鏡の中心軸１３４ａのオフセット、図４に示した凸面鏡の中心軸１３４ａの角度αを、遠隔操作により調整可能としてもよい。

図５は他の実施形態を説明する図である。図５に示す光学ユニット１２８は円錐状にレーザーシート１２６を形成することができる。そして、光学ユニット１２８、対物レンズ１３０、および凸面鏡１３４は同心上に配置されている。このとき、円錐状のレーザーシート１２６の回転中心と対物レンズ１３０の光軸、および凸面鏡１３４の中心軸は一致する。このように構成することにより、全方位を同時に観察することが可能となる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

なお上記実施形態においては原子炉格納容器１０２の内部を観察することを例に用いて説明したが、全く同様にして原子炉圧力容器１０４の内部を観察することも可能である。

本発明は、ＰＩＶ計測システムを用いた流れ可視化装置に関する。

１００…原子炉建屋、１０２…原子炉格納容器、１０４…原子炉圧力容器、１０６…サプレッションプール、１０８…燃料集合体、１１０…冷却水、１１４…検査孔、１１６…流れ可視化装置、１１８…挿入管、１２０…ヘッド、１２２…光学ユニット、１２４…光ケーブル、１２６…レーザーシート、１２８…光学ユニット、１３０…対物レンズ、１３０ａ…光軸、１３２…光ケーブル、１３４…凸面鏡、１３４ａ…中心軸、１４０…デブリ

Claims (5)

1. 流れの中にレーザーシートを形成して粒子に反射した光を撮影することにより流れを可視化する流れ可視化装置において、
   可撓性を有する挿入管の先端に備えられたヘッドに、
   レーザー光を照射してレーザーシートを形成する光学ユニットと、
   前記レーザーシートを撮影するカメラの対物レンズと、
   前記対物レンズの光軸上に配置され、粒子に反射した光を前記対物レンズに向かって反射させる凸面鏡とを備え、前記レーザーシートの照射方向と前記対物レンズの光軸が近接しかつほぼ平行であることを特徴とする流れ可視化装置。
2. 前記光学ユニットまたは凸面鏡に駆動機構を設け、光学ユニットによるレーザーシートの角度、凸面鏡の中心軸のオフセット、または凸面鏡の中心軸の角度を、遠隔操作により調整可能であることを特徴とする請求項１に記載の流れ可視化装置。
3. 流れの中にレーザーシートを形成して粒子に反射した光を撮影することにより流れを可視化する流れ可視化装置において、
   可撓性を有する挿入管の先端に備えられたヘッドに、
   レーザー光を照射してレーザーシートを形成する光学ユニットと、
   前記レーザーシートを撮影するカメラの対物レンズと、
   前記対物レンズの光軸上に配置され、粒子に反射した光を前記対物レンズに向かって反射させる凸面鏡とを備え、
   前記凸面鏡は、該凸面鏡の中心軸を前記対物レンズの光軸に対してレーザーシートの反対側にずらして配置されていることを特徴とする流れ可視化装置。
4. 流れの中にレーザーシートを形成して粒子に反射した光を撮影することにより流れを可視化する流れ可視化装置において、
   可撓性を有する挿入管の先端に備えられたヘッドに、
   レーザー光を照射してレーザーシートを形成する光学ユニットと、
   前記レーザーシートを撮影するカメラの対物レンズと、
   前記対物レンズの光軸上に配置され、粒子に反射した光を前記対物レンズに向かって反射させる凸面鏡とを備え、
   前記凸面鏡は、該凸面鏡の中心軸を、前記対物レンズの光軸に対して該凸面鏡の頂点がレーザーシートから離れる方向に傾斜して配置されていることを特徴とする流れ可視化装置。
5. 流れの中にレーザーシートを形成して粒子に反射した光を撮影することにより流れを可視化する流れ可視化方法において、
   光学ユニットによるレーザーシートの照射方向とカメラの対物レンズの光軸を近接かつほぼ平行とし、
   カメラの対物レンズの光軸上に凸面鏡を配置し、
   粒子に反射した光を前記凸面鏡に反射させて撮影することを特徴とする流れ可視化方法。

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