JP6272150B2 - レーザ装置及びそれを用いた沸騰水型原子力プラントにおける炉内機器又は燃料デブリの切断又ははつり方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ装置及びそれを用いた沸騰水型原子力プラントにおける炉内機器又は燃料デブリの切断又ははつり方法に関する。

本発明の背景技術として、特許文献１（特開２０００−２０２６７７号公報）がある。特許文献１の技術では、金属等の被加工物に対して切断加工や穴あけ加工等のレーザ加工を行うレーザ加工装置のレーザ加工ヘッドにおいて、効率良く溶融金属を除去すると共にレーザ光を無駄なく照射して、加工能力を高めることができるようにしている。具体的には、供給されたアシストガスをノズル先端部から被加工物に向けて噴出するアシストガスノズルと、レーザ光をこのアシストガスノズルの内部空間を経由して被加工物に照射及び集光させることによりレーザ加工を行なわせる結像光学系と、アシストガスノズルのノズル先端部の開口幅をレーザ加工により被加工物に生じるレーザ加工幅とほぼ等しくすると共に、ノズル先端部の開口幅をレーザ加工幅とほぼ等しくしたため内周側の口径が絞られて前記レーザ光の一部が入射してくるノズル先端部の内周面は、入射してきたレーザ光を反射させこの反射させたレーザ光を被加工物に向けて有効に照射させる反射面となっているレーザ加工ヘッドである。

特開２０００−２０２６７７号公報

特許文献１では、効率良く溶融金属を除去すると共にレーザ光を無駄なく照射して、加工能力を高めるようにしているが、水蒸気などの影響がある気中環境や水中環境での使用については考慮されていない。また、燃料デブリの形態は溶融固化したものであるため、施工対象物の形状は不定形であり、その形状にレーザ光の焦点を正確に合わせて連続的に加工することは難しく、遠隔にて効率的な作業をするという点では更なる改良の余地がある。

上記した課題を解決するための本願発明は、レーザヘッド本体と、レーザヘッド本体に接続される光ファイバと、レーザヘッド本体内部に設けられた第１コリメートレンズと、レーザヘッド本体の先端に設けられた第２コリメートレンズを内包したレンズハウジングと、レーザヘッド本体の先端に設けられた伸縮機構及び伸縮部を有する伸縮カバーと、前記伸縮カバー内であって、前記伸縮部の移動を制限する、レーザの有効射程範囲内の上限部に設けられた上部リミットスイッチと、前記伸縮カバー内であって、前記伸縮部の移動を制限する、レーザ有効射程範囲内の下限部に設けられた下部リミットスイッチとを備えたことを特徴とする。

本願発明によれば、水蒸気などの影響がある気中環境や水中環境でも安定した使用が可能であり、また、遠隔にて効率的な作業が可能なレーザ装置を提供できる。

実施例におけるレーザヘッドの構造を説明する図。 実施例におけるレーザヘッドの使用例を説明する図。 実施例におけるレーザ装置の全体構成の概要を説明する図。 実施例に用いるレーザの概要を説明する図。 実施例における他のレーザヘッドの構造を説明する図。 実施例におけるレーザ装置を用いた装置沸騰水型原子力プラントにおける炉内機器又は燃料デブリの切断又ははつり方法を説明する図。 実施例におけるレーザ装置の使用方法を説明する図。 実施例２におけるレーザヘッドの構造を説明する図。 実施例３におけるレーザヘッドの構造を説明する図。 実施例３におけるレーザヘッドの使用例を説明する図。

レーザ装置は、穿孔装置やカッター装置と比較して、切断溝幅の小さい、熱影響や歪みの少ない切断ができ、金属又は非金属を問わず切断ができ、また、非接触で切断できるので工具の消耗が少なく、材料の硬度に関係なく切断でき、自動化が容易に行え、低反力で施工対象物を切断できるといった効果を有する。このようなレーザ装置を遠隔にて、より簡便な方法で使用可能とすることは作業の効率性から望ましい。そこで、発明者らは、以下の発明を行った。

レーザ装置では、高密度のエネルギーを非常に狭い範囲に集中させることができるが、切断したい施工対象物が、この高密度のエネルギー範囲内になければ、効率的な切断は望めない。そこで、レーサ装置のレーザヘッド先端部に一定の範囲内を伸縮可能な伸縮カバーを設けることにした。この伸縮カバーを施工対象物に常に接触させるように施工することで、レーザ装置を遠隔にて移動させながら施工したとしても、常に有効なエネルギー密度範囲内にて切断が可能となり、効率的な切断が可能となる。また、伸縮カバーが施工対象物に追従することで、水蒸気などの影響がある気中環境や水中環境でも安定したレーザを出力することが可能となり、高精度な加工が実現できる。

本願発明の実施例について以下に図１〜図１０を用いて説明する。

図１にレーザ装置１のレーザヘッド２の詳細構造を示す。レーザ装置１はレーザヘッド本体３と、レーザヘッド本体３に接続される光ファイバ４と、レーザヘッド２の内部に設けられた第１コリメートレンズ５と、レーザヘッド本体３の光ファイバ４が接続される面とは逆方向に位置する面に設けられる第２コリメートレンズ６が内包されるレンズハウジング７と、レーザヘッド本体３の光ファイバ４が接続される面とは逆方向に設けられる伸縮機構８及び伸縮部９を有する伸縮カバー１０と、伸縮部９の移動する上限及び下限に設けられた上部リミットスイッチ１１と下部リミットスイッチ１２によって構成される。図１の右側にはレーザヘッド２のＡ−Ａ切断面を示した。第２コリメートレンズ６を内包するレンズハウジング７には、必要に応じてアシストガス供給ノズル１３を備えるようにする。実施例でのレーザヘッド本体３、レンズハウジング７、伸縮カバー１０は、金属材料で構成することを想定している。本装置は放射線のある環境下での使用を考慮しているため放射線にも強い素材であることが望まれるからであるが、適宜、使用される環境によって最適な材料を用いることが可能である。

レーザヘッド２に設けられた第１コリメートレンズ５は光ファイバ４から照射させられたレーザ１６を集光して、平行光のレーザ１６を作る。第２コリメートレンズ６では、この平行光のレーザ１６を集光して密度を高めたレーザ１６を作成する。なお、レーザ１６はレーザヘッド本体３内部に設けられている空間部であるレーザ通路１４を経由して、施工対象物１５へと到達する。レーザ１６の経路を点線で示した。第２のコリメートレンズが設けられているレンズハウジング７には、必要に応じてアシストガス（例えば窒素ガス等）を供給可能なようにアシストガス供給ノズル１３を備えるようにしても良い。例えばアシストガスである窒素ガスを供給することで、伸縮カバー１０の内部空間を置換することで、水蒸気などの影響がある気中環境や水中環境においても、安定したレーザ照射が可能となる。図１においては、アシストガス供給の様子を長鎖線で概念図として示した。第１コリメートレンズ５及び第２コリメートレンズ６は耐放射性の観点から例えば石英等を用いると良い。

レーザヘッド本体３の光ファイバ４が接続される面とは逆方向に設けられる伸縮機構８及び伸縮部９を有する伸縮カバー１０は、施工対象物１５のレーザ照射距離を管理するために用いられる。伸縮カバー１０の内部には、弾性バネやエアダンパーにより構成された伸縮機構８（図１では弾性バネ１７を用いて記載した。）と、この伸縮機構８によって伸縮させられる伸縮部９を有している。この伸縮カバー１０により施工対象のレーザ照射距離を管理することが可能となる。また、伸縮カバー１０の内部には、伸縮部９の移動上限及び下限に上部リミットスイッチ１１及び下部リミットスイッチ１２が設けられている。このスイッチは、レーザ１６の有効照射範囲と連動して設けられている。伸縮部９に設けられた凸部２６がこの上部リミットスイッチ１１又は下部リミットスイッチ１２と接触することで、レーザ１６の有効照射範囲に施工対象があるか否かが分かるようになっている。遠隔にてレーザヘッド２を移動操作する際にも、この上部リミットスイッチ１１及び下部リミットスイッチ１２の状況を見ることで、施工対象物１５がレーザ有効照射範囲内にあるか否かが分かる。

図２にレーザヘッド２の使用例を説明する。レーザヘッド２に設けられた伸縮カバー１０は施工対象の凹凸に応じて伸縮可能に構成されている。例えば、施工対象物１５とレーザヘッド２との距離が近くなった場合には、伸縮機構８が縮むため施工対象物１５がレーザ焦点位置に近くなる。ただし、上部リミットスイッチ１１の設けられた位置までであれば、レーザ１６の有効照射範囲内であるため、施工対象を確実に切断可能である。また、施工対象物１５とレーザヘッド２との距離が遠くなった場合には伸縮機構８が伸びるため、施工対象物１５がレーザ焦点位置よりも遠くなるが、下部リミットスイッチ１２の設けられた位置までであれば、レーザ１６の有効照射範囲内であるため、施工対象を確実に切断可能である。このように、伸縮カバー１０がレーザ１６の有効照射範囲内にあるように伸縮可能に設けられているため、レーザヘッド２を移動させながら施工対象物１５を切断する場合でも容易に切断が行える。

図３にレーザ装置１の全体構成の概要を示す。本レーザ装置１では複数のシングルモードファイバレーザ２０を用いて行う。複数のシングルモードファイバレーザを用いることによりエネルギー密度を高めることが可能となるからである。複数のシングルモードファイバレーザから照射したレーザは、レーザコンバイナ２１によりシングルモードファイバに合波されて、レーザヘッド２へと導かれる。複数のシングルモードファイバレーザは必要となる出力容量に応じて台数を変えることでレーザの出力調整が可能となる。

図４にレーザ１６の有効照射範囲について示す。コリメートレンズで絞られたレーザ１６は焦点位置２２で最も高いエネルギー密度を有するレーザとなる。焦点位置の上下方向においてもレーザ密度は劣るが、切断には有効なエネルギー密度を有するレーザが形成されている。従って、レーザ１６の有効照射範囲としては、焦点位置のレーザ照射位置に近い側のマイナス焦点位置２３から、レーザ照射位置から遠い側のプラス焦点位置２４まで使用可能である。

図５に他のレーザヘッド２の詳細構造を示す。本構造においては、レンズハウジング７が移動可能に可動レンズハウジング１８として構成されている。可動レンズハウジングの上部空間には、エアが供給可能なように設けられ、可動レンズハウジング移動エアダンパー１９によって移動可能に構成されている（エア供給ノズルは図示せず）。このエア供給ノズルからエアを供給及び排出することで、可動レンズハウジングが上下方向に移動する。可動レンズハウジングの上下方向への移動と連動してレーザヘッド２内部においてレーザ１６の焦点位置も変化する。レーザヘッド２内部におけるレーザ１６の焦点位置を変えることで、レーザ有効照射範囲をさらに拡大することが可能となり、より作業効率を高めることが可能となる。

図６に本レーザ装置１を用いた沸騰水型原子力プラントにおける炉内機器又は燃料デブリの切断又ははつり方法を示す。本説明では燃料デブリ２９の切断を中心として、レーザ装置１の使用方法を説明する。図示しないシールドプラグ、保温材、原子炉圧力容器の上蓋、蒸気乾燥器、気水分離器を順次取り外して、原子炉圧力容器３０内部に各種装置を取り扱い可能な操作装置３１を設置する。操作装置にはシール機構３２が設けられており、原子炉圧力容器内部の雰囲気が外部に放出されないようになっている。操作装置には装置移動ボックス３３が接続可能なように接続部３４が設けられている。レーザ装置１をこの装置移動ボックス内部に格納して、操作装置上部に設けられた接続部に接続する。操作装置の上部に設けられた上部扉３５を開放して、レーザ装置１を操作装置内部に設置する。設置には操作装置内部に設けられたマニピュレータ３６を用いる。レーザ装置１の設置が完了したら、燃料デブリの切断作業に入る。なお、操作装置にはレーザ装置１を紙面の上下左右及び前後方向に移動可能なように移動機構３７が設けられている。

図７に施工対象物である燃料デブリ２９を切断及びはつりをする方法について示す。施工対象物は凹凸の表面形状を有しており、また不純物３８のある水中環境中又は水蒸気等がある気中環境中に置かれている。レーザ装置１のレーザヘッド２を施工対象物の表面に設定する。このときレーザヘッドに設けられた伸縮カバー１０が施工対象物の凹凸に追従することで、伸縮カバー１０の内部が外部空間とは隔離される。この際に、アシストガス供給ノズル１３よりアシストガスを供給することで伸縮カバー１０内部をアシストガスで置換することで、外部環境に影響されずに、安定したレーザを照射でき、高精度な切断を行える。また、切断の際には施工対象物の表面にそってレーザ装置１を移動させるが、凹凸のある施工対象物の表面を伸縮カバー１０が追従することで常に伸縮カバー１０の内部を外部と隔離でき水蒸気などの影響がある気中環境や水中環境でも安定した使用が可能であり、また、遠隔にて簡便に施工対象物がレーザ有効照射範囲内に存在しているかを確認することができ効率的な作業が可能となる。なお、切断溝幅の小さく、熱影響や歪みの少ない切断ができ、金属又は非金属を問わず切断ができ、また、非接触で切断できるので工具の消耗が少なく、材料の硬度に関係なく切断でき、自動化が容易に行え、低反力で施工対象物を切断できるといった効果を有する。

図８を用いて実施例２について説明する。既に説明した実施例１に示された同一の符号を付された構成と、同一の機能を有する部分については、説明を省略する。

本実施例では、レーザヘッド２に設けられた伸縮カバー１０の形状が異なっている。伸縮カバー１０の伸縮部９の先端形状が、照射されるレーザの中心部に向かってドーム形状をした曲面構造をしているドーム形状型伸縮部２５とした点が実施例１と異なる。図８右側にはＢ−Ｂ断面の紙面下方から見た図を示す。伸縮部９の先端を窄めたドーム形状としたことで、施工対象物１５とドーム形状型伸縮部２５の先端との隙間をより小さくすることが可能となる。これによりレーサの通過する経路を、不純物のある水中環境や水蒸気等の影響のある気中環境においてより効率的に隔離することが可能となる。また、レーザヘッド２を移動させた場合に凹凸部を有する施工対象物１５上を、内側に窄めたドーム形状をした曲面のおかげで角部が引っかかることなく乗り越えられるため、レーザヘッド２のよりスムーズな動きを実現でき、作業の効率化が図れる。なお、実施例１における効果と同様の効果を有する点に変わりは無い。

本実施例で説明したドーム形状型伸縮部に関しては、他の形状としても構わない。例えば円錐形状をした先端部とすることや、先端部に向かって窄めたラッパ形状とした先端部としても構わない。さらに、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

図９及び図１０を用いて実施例３について説明する。なお、既に説明した実施例１に示された同一符号を付した構成と、同一の機能を有する部分については、説明を省略する。

本実施例では、水蒸気などの外気の影響をアシストガスを供給することで排除する伸縮カバーに代えて、同様にアシストガスを供給し外気を排除する役割を持つ固定カバー３９をレンズハウジング７の外周に有し、施工対象物１５とレンズハウジング７間の寸法を一定するもので、但し、施工対象物１５との距離の変動分はレーザヘッド本体３と伸縮ガイド４０との間で吸収する構造としたものである。その構成は、レーザヘッド本体３の外周に円筒形状のストッパ４１、ストッパ４１の外周に円筒形状の伸縮ガイド４０を配置し、その間に弾性バネ４２を設ける。図９は、レーザヘッド本体３のストッパ４１の下面が伸縮ガイド４０の上面に接触した状態で、最下端の位置を示す。図１０は、施工対象物１５が上方に移動した場合で、固定カバー３９は施工対象物１５によって押し上げられ、それとともにレーザヘッド本体３も押し上げられる。そのときストッパ４１は伸縮ガイド４０に沿って弾性バネ４２を押し上げて、施工対象物１５の上下方向の位置の変動を吸収する。本実施例では、レーザヘッド本体３の第２コリメートレンズ６と施工対象物１５の距離が常に一定にすることが可能となる。これによりレーザの焦点距離を一旦、施工対象物１５に合わせさえすれば精度の高い加工が可能となる。なお、弾性バネ４２は常に固定カバー３９を施工対象物１５に押付ける方向に働く。なお、固定カバーの形状は図８に示すドーム形状型でも良く、上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１…レーザ装置
２…レーザヘッド
３…レーザヘッド本体
４…光ファイバ
５…第１コリメートレンズ
６…第２コリメートレンズ
７…レンズハウジング
８…伸縮機構
９…伸縮部
１０…伸縮カバー
１１…上部リミットスイッチ
１２…下部リミットスイッチ
１３…アシストガス供給ノズル
１４…レーザ通路
１５…施工対象物
１６…レーザ
１７…弾性バネ
１８…可動レンズハウジング
１９…可動レンズハウジング移動エアダンパー
２０…シングルモードファイバレーザ
２１…レーザコンバイナ
２２…焦点位置
２３…マイナス焦点位置
２４…プラス焦点位置
２５…ドーム形状型伸縮部
２９…燃料デブリ
３０…原子炉圧力容器
３１…操作装置
３２…シール機構
３３…装置移動ボックス
３４…接続部
３５…上部扉
３６…マニピュレータ
３７…移動機構
３８…不純物
３９…固定カバー
４０…伸縮ガイド
４１…ストッパ
４２…弾性バネ

Claims (6)

1. レーザヘッド本体と、前記レーザヘッド本体に接続される光ファイバと、前記レーザヘッド本体内部に設けられた第１コリメートレンズと、前記レーザヘッド本体の先端に設けられた第２コリメートレンズを内包したレンズハウジングと、前記レーザヘッド本体の先端に設けられた伸縮機構及び伸縮部を有する伸縮カバーと、前記伸縮カバー内であって、前記伸縮部の移動を制限する、レーザの有効射程範囲内の上限部に設けられた上部リミットスイッチと、前記伸縮カバー内であって、前記伸縮部の移動を制限する、レーザ有効射程範囲内の下限部に設けられた下部リミットスイッチとを備えたことを特徴とするレーザ装置。
2. 請求項１に記載のレーザ装置において、
   前記レンズハウジングは、アシストガスを供給するアシストガス供給ノズルを備えたことを特徴とするレーザ装置。
3. 請求項１又は２に記載のレーザ装置において、
   前記伸縮部は、内部に向かって曲面構造を有することを特徴とするレーザ装置。
4. 請求項１から３のいずれかに記載のレーザ装置において、
   前記レンズハウジングは、レーザの焦点位置を変更させるためのレンズハウジング移動エアダンパと、前記レンズハウジング移動エアダンパにエアを供給するエア供給ノズルを有することを特徴とするレーザ装置。
5. 請求項１から４のいずれかに記載のレーザ装置を用いて、
   炉内機器又は燃料デブリの表面にレーザ装置を設定し、
   前記レーザ装置よりレーザを照射し、
   前記伸縮カバーを前記炉内機器又は燃料デブリの凹凸表面を追従させながら前記レーザ装置を移動させて切断及びはつりする沸騰水型原子力プラントにおける炉内機器又は燃料デブリの切断又ははつり方法。
6. レーザヘッド本体と、前記レーザヘッド本体に設けられレーザヘッド本体に接続される光ファイバと、前記レーザヘッド本体内部に設けられた第１のコリメートレンズと、前記レーザヘッド本体の先端に設けられた第２のコリメートレンズを内包したレンズハウジングと、レンズハウジング先端に有する固定カバーと、前記レーザヘッド本体の後部に有する弾性体と伸縮ガイドとストッパによる伸縮部を備えたことを特徴とするレーザ装置。