JP7402142B2 - 計測方法、光ファイバケーブル及び計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、計測方法、光ファイバケーブル及び計測装置に関するものである。

従来、光ファイバを用いて、当該光ファイバの周辺環境のひずみ等を計測する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。これは、光ファイバ内で生じる散乱光（レイリー散乱、ブリルアン散乱、ラマン散乱）の強度や波長が、当該光ファイバに加わったひずみ等に依存することを原理としている。

特許第4425845号公報

このような光ファイバを利用して周辺環境の物理量を計測する方法においては、周辺環境の圧力の計測が望まれる場合がある。例えば、圧力、ひずみ、温度等の周辺環境に関する複数の物理量を一緒に計測するためには、複数の光ファイバが必要になり、例えば、複数本の光ファイバを含む光ファイバケーブルを計測対象に設置するなどして計測を行うことが考えられる。ここで、光ファイバの本数を安易に増やすと設置すべき光ファイバケーブルが太くなるので好ましくない。この問題に鑑み、本発明は、周辺環境の圧力を含む複数の物理量を少ない本数の光ファイバによって一緒に計測可能とする計測方法、光ファイバケーブル及び計測装置を提供することを目的とする。

本発明の計測方法は、第１光ファイバと第２光ファイバとを備える光ファイバケーブルを用いて光ファイバケーブルの周辺環境に関する物理量を計測する計測方法であって、光ファイバケーブルの外部から第１光ファイバへの軸方向ひずみの伝達性と光ファイバケーブルの外部から第２光ファイバへの軸方向ひずみの伝達性とが略等しく、光ファイバケーブルの外部から第１光ファイバへの熱伝導性と光ファイバケーブルの外部から第２光ファイバへの熱伝導性とが略等しく、光ファイバケーブルの外部から第１光ファイバへの圧力の伝達性と光ファイバケーブルの外部から第２光ファイバへの圧力の伝達性とが互いに異なっており、第１光ファイバの軸方向ひずみと第２光ファイバの軸方向ひずみとの差と、光ファイバケーブルの外部の圧力と、の相関関係を予め準備し、第１光ファイバのレイリー散乱に基づいて得られた第１光ファイバの軸方向ひずみと、第２光ファイバのレイリー散乱に基づいて得られた第２光ファイバの軸方向ひずみと、相関関係と、に基づいて、周辺環境の圧力を取得する。

本発明の計測方法は、第１光ファイバ及び第２光ファイバのうちの何れかの光ファイバにおけるブリルアン散乱とレイリー散乱とに基づいて、光ファイバの軸方向ひずみを周辺環境の軸方向ひずみとして取得し、第１光ファイバ及び第２光ファイバのうちの何れかの光ファイバにおけるブリルアン散乱とレイリー散乱とに基づいて、光ファイバの温度を周辺環境の温度として取得する、こととしてもよい。

また、光ファイバケーブルは、第１光ファイバを被覆する第１被覆と、第２光ファイバを被覆する第２被覆と、を更に備え、第１光ファイバと第２光ファイバとは同じ仕様のものであり、第１被覆の弾性係数は第２被覆の弾性係数よりも大きく、第１被覆の径は第２被覆の径よりも大きく、第１被覆の熱伝導率は第２被覆の熱伝導率よりも大きい、こととしてもよい。

また、光ファイバケーブルは、セメント系材料を含み放射性廃棄物を囲むセメント系人工バリアと、ベントナイト系材料を含みセメント系人工バリアを更に囲むベントナイト系人工バリアと、を備える放射性廃棄物の余裕深度処分施設において、セメント系人工バリアとベントナイト系人工バリアとの境界部に設置されセメント系人工バリアの外壁面に当接するとともにベントナイト系人工バリアに埋込まれている、こととしてもよい。

本発明の光ファイバケーブルは、第１光ファイバと第２光ファイバとを備え周辺環境に関する物理量を計測するための光ファイバケーブルであって、外部から第１光ファイバへの軸方向ひずみの伝達性と外部から第２光ファイバへの軸方向ひずみの伝達性とが略等しく、外部から第１光ファイバへの熱伝導性と外部から第２光ファイバへの熱伝導性とが略等しく、外部から第１光ファイバへの圧力の伝達性と外部から第２光ファイバへの圧力の伝達性とが互いに異なっている。

本発明の光ファイバケーブルは、第１光ファイバを被覆する第１被覆と、第２光ファイバを被覆する第２被覆と、を更に備え、第１光ファイバと第２光ファイバとは同じ仕様のものであり、第１被覆の弾性係数は第２被覆の弾性係数よりも大きく、第１被覆の径は第２被覆の径よりも大きく、第１被覆の熱伝導率は第２被覆の熱伝導率よりも大きい、こととしてもよい。

本発明の計測装置は、上記何れかの光ファイバケーブルを用いて光ファイバケーブルの周辺環境に関する物理量を計測する計測装置であって、第１光ファイバの軸方向ひずみと第２光ファイバの軸方向ひずみとの差と、光ファイバケーブルの外部の圧力と、の相関関係を予め保持し、第１光ファイバのレイリー散乱に基づいて得られた第１光ファイバの軸方向ひずみと、第２光ファイバのレイリー散乱に基づいて得られた第２光ファイバの軸方向ひずみと、相関関係と、に基づいて、周辺環境の圧力を取得する。

本発明によれば、周辺環境の圧力を含む複数の物理量を少ない本数の光ファイバによって一緒に計測可能とする計測方法、光ファイバケーブル及び計測装置を提供することができる。

実施形態に係る計測方法、光ファイバケーブル及び計測装置が適用されるコンクリート構造物の一例を示す斜視図である。 コンクリート構造物の断面図である。 コンクリート構造物の一部破断斜視図である。 コンクリート構造物の１つの計測対象箇所に設置された光ファイバケーブルの近傍を拡大して示す断面図である。 計測装置で実行される計測方法のフローチャートである。 試験に使用した試験装置を示す断面図である。 （ａ）は、軸方向ひずみの計測値の差及びロードセルによる圧力計測値の経時的変化を示すグラフであり、（ｂ）は、軸方向ひずみの計測値の差（横軸）と、ロードセルによる圧力計測値（縦軸）と、の相関関係を示すグラフである。 光ファイバケーブルの変形例を示す断面図である。

図１～図３を参照しながら、本実施形態に係る計測方法、光ファイバケーブル及び計測装置が適用される施設の一例として、放射性廃棄物の余裕深度処分施設１００について説明する。図１は、一実施形態に係るモニタ装置及びモニタ方法が適用されるコンクリート構造物の一例を示す斜視図である。図２は、図１のコンクリート構造物の断面図である。図３は、図１のコンクリート構造物の一部破断斜視図である。

図１に示されるように、放射性廃棄物の余裕深度処分施設１００は、低レベル放射性廃棄物のうち放射能レベルが比較的高い放射性廃棄物の地層処分を行うための施設である。放射性廃棄物の余裕深度処分施設１００は、地面Ｇ上に設けられた建屋Ｈと、地面Ｇに埋設されたコンクリート構造物１０１及び坑道１２０と、を含む。建屋Ｈは、余裕深度処分施設１００の入口に設けられた建物である。建屋Ｈは、コンクリート構造物１０１に通じる坑道１２０と接続されている。

図２に示されるように、コンクリート構造物１０１は、鉄鋼製の容器に放射性廃棄物が封入されて形成された廃棄体１０３を収容する。コンクリート構造物１０１は、廃棄体１０３を収容するトンネル１０５を有し、全体としてトンネル状をなしている。トンネル１０５内では、廃棄体１０３同士の隙間に充填材１０７が充填され、更にその周囲を多層に囲むように順に、コンクリートピット（セメント系人工バリア）１０９、低拡散層（セメント系人工バリア）１１１、緩衝層（ベントナイト系人工バリア）１１３が形成されている。緩衝層１１３とトンネル１０５の壁面との間の空間には埋め戻し層１１５が設けられている。

コンクリートピット１０９は、例えば鉄筋コンクリート（セメント系材料）で形成され、コンクリート構造物１０１の強度を確保する構造体をなす。コンクリートピット１０９は、廃棄体１０３を囲むように形成されている。低拡散層１１１は、例えばプレキャストコンクリートで形成され、廃棄体１０３からの放射線を拡散させる拡散場を形成する。低拡散層１１１は、コンクリートピット１０９を囲むように形成されている。緩衝層１１３は、例えば吹付け工法により吹き付けられたベントナイト（ベントナイト系材料）で形成され、遮水層として機能する。緩衝層１１３は、低拡散層１１１を囲むように形成されている。

余裕深度処分施設１００には、コンクリート構造物１０１の劣化度合いを監視するための計測装置１０が設置されている。図１に示されるように、計測装置１０は、コンクリート構造物１０１に埋設された光ファイバケーブル１と、後述の計測器３及び分析装置５と、を備えている。詳細は後述するが、上記の光ファイバケーブル１によって当該光ファイバケーブル１の周辺環境のひずみ、圧力及び温度といったような物理量が計測される。例えば、コンクリート構造物１０１が劣化して低拡散層１１１にひび割れが生じたり、コンクリート構造物１０１に侵入した地下水によって緩衝層１１３が膨潤したりすると、コンクリート構造物１０１のひずみ、圧力及び温度の状態が変動するので、これらの計測値から間接的にコンクリート構造物１０１の劣化度合いが分析可能である。

コンクリート構造物１０１においては、光ファイバケーブル１は、図２に示されるように、低拡散層１１１（セメント系人工バリア）と緩衝層１１３（ベントナイト系人工バリア）との境界部に設置される。コンクリート構造物１０１の建造時において、光ファイバケーブル１が低拡散層１１１の外壁面１１１ａに接着され、当該外壁面１１１ａにベントナイトが吹付けられて緩衝層１１３が形成される。これにより、光ファイバケーブル１は、低拡散層１１１の外壁面１１１ａに当接するとともに、ベントナイトからなる緩衝層１１３に埋込まれた状態となる。このような光ファイバケーブル１が、コンクリート構造物１０１の断面内において複数の（図２では５箇所の）計測対象箇所にそれぞれ設置されており、各光ファイバケーブル１は、図２の紙面に直交する方向に延在している。

また、図１に示されるように、コンクリート構造物１０１から建屋Ｈまでは、坑道１２０の作業用通路１２１に沿って光ファイバケーブル１が設置されている。建屋Ｈには、光ファイバケーブル１の端部が引き込まれている。建屋Ｈには計測器３及び分析装置５等が設置され、引き込まれた光ファイバケーブル１の端部には計測器３を介して分析装置５が接続されている。建屋Ｈ内では、オペレータが計測器３及び分析装置５を操作する。

計測器３は、光ファイバケーブル１の光ファイバＦ（図４参照）にパルス光を入射するとともに、当該光ファイバＦの長手方向の各位置から戻ってくる各種散乱光を受光し、受光した散乱光の強度や波長等に関する情報を分析装置５に送信する。上記の散乱光としては、レイリー散乱光、ブリルアン散乱光等がある。計測器３の例として、例えばレイリー散乱光を利用するＯＴＤＲ（Optical Time Domain Reflectometer）やブリルアン散乱光を利用するＢＯＴＤＲ（Brillouin Optical Time Domain Reflectometer）等を用いることができる。

分析装置５は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory、及びＲＡＭ（Random Access Memory）等を含んで構成されたコンピュータである。ＣＰＵは、ＲＯＭに格納された制御プログラムに基づいて、分析装置５を制御する。ＲＡＭは、ＣＰＵがＲＯＭに格納された制御プログラムを実行する際のワークメモリとして機能する。分析装置５では、上記の散乱光の強度や波長が、光ファイバＦに加わったひずみや温度変化に依存するとの原理に基づき、光ファイバＦの長手方向の各位置における散乱光の強度や波長が分析される。この分析により、光ファイバＦの長手方向の各位置のひずみ、各位置の温度が取得され、その結果、光ファイバケーブル１に加わった長手方向のひずみ分布や温度分布が得られる。

続いて、光ファイバケーブル１の詳細について説明する。図４は、コンクリート構造物１０１の１つの計測対象箇所に設置された光ファイバケーブル１の近傍を拡大して示す断面図である。図４に示されるように、光ファイバケーブル１は２本の平行な光ファイバプローブＱ１，Ｑ２を備えている。光ファイバプローブＱ１，Ｑ２は、各々が被覆付き光ファイバであり、光ファイバＦと、当該光ファイバＦを被覆する円形断面の被覆Ｃと、を含んでいる。以下では、２本の光ファイバプローブを「第１プローブＱ１」、「第２プローブＱ２」と呼ぶ。また、第１プローブＱ１の光ファイバＦを「第１光ファイバＦ１」、第２プローブＱ２の光ファイバＦを「第２光ファイバＦ２」、と呼ぶ。また、第１光ファイバＦ１の被覆Ｃを「第１被覆Ｃ１」、第２光ファイバＦ２の被覆Ｃを「第２被覆Ｃ２」と呼ぶ。第１光ファイバＦ１と第２光ファイバＦ２とは、同仕様の光ファイバであり、第１被覆Ｃ１と第２被覆Ｃ２とは、互いに仕様が異なる。

更に光ファイバケーブル１は、第１プローブＱ１と第２プローブＱ２とをまとめて一緒に被覆し一体とする表皮部９を備えている。上記のような光ファイバケーブル１の表皮部９が外壁面１１１ａに接着され、第１プローブＱ１と第２プローブＱ２とが低拡散層１１１の外壁面１１１ａの面上に並ぶような向きで光ファイバケーブル１が低拡散層１１１と緩衝層１１３との境界部に固定される。

光ファイバケーブル１は、以下の３条件をすべて満足するように製作されている。
（ひずみ関連条件）光ファイバケーブル１の外部から第１光ファイバＦ１への軸方向ひずみの伝達性と、光ファイバケーブル１の外部から第２光ファイバＦ２への軸方向ひずみの伝達性と、が略等しい。
（温度関連条件）光ファイバケーブル１の外部から第１光ファイバＦ１への熱伝導性と、光ファイバケーブル１の外部から第２光ファイバＦ２への熱伝導性と、が略等しい。
（圧力関連条件）光ファイバケーブル１の外部から第１光ファイバＦ１への圧力の伝達性と、光ファイバケーブル１の外部から第２光ファイバＦ２への圧力の伝達性と、が互いに異なる。

軸方向ひずみの伝達性が等しいとは、光ファイバケーブル１の外部（例えばここでは、低拡散層１１１及び緩衝層１１３）に発生した軸方向ひずみに起因して、光ファイバＦ１，Ｆ２に発生する軸方向ひずみが互いに等しいことを言う。なお、ここで「軸方向ひずみ」とは、光ファイバケーブル１の軸方向（長手方向）のひずみである。また、熱伝導性が等しいとは、光ファイバケーブル１の外部（例えばここでは、低拡散層１１１及び緩衝層１１３）に発生した温度変動に起因して、光ファイバＦ１，Ｆ２に発生する温度変動が互いに等しいことを言う。また、圧力伝達性が異なるとは、光ファイバケーブル１の外部（例えばここでは、低拡散層１１１及び緩衝層１１３）に発生した圧力変動に起因して、光ファイバＦ１，Ｆ２に発生する圧力変動が互いに異なることを言う。なお、圧力は、光ファイバＦ１，Ｆ２に対してその径方向に作用する。

また、光ファイバケーブル１でベントナイト系人工バリア（例えば緩衝層１１３）の膨潤圧を監視する目的においては、軸方向ひずみの伝達性が「略等しい」とは、次のような範囲を言う。すなわち、外部からの径方向の圧力が光ファイバケーブル１に付与されていない状態で、当該光ファイバケーブル１が計測対象とする範囲内の軸方向ひずみが外部から光ファイバケーブル１に付与された場合を考える。このときに、第１光ファイバＦ１と第２光ファイバＦ２との軸方向ひずみの差が１０μ以下に抑えられれば、光ファイバケーブル１の外部から第１光ファイバＦ１への軸方向ひずみの伝達性と、光ファイバケーブル１の外部から第２光ファイバＦ２への軸方向ひずみの伝達性と、が略等しいと言える。

また、光ファイバケーブル１でベントナイト系人工バリア（例えば緩衝層１１３）の膨潤圧を監視する目的においては、熱伝達性が「略等しい」とは、次のような範囲を言う。すなわち、光ファイバケーブル１の外部が、光ファイバケーブル１が計測対象とする範囲の温度である場合を考える。このときに、第１光ファイバＦ１と第２光ファイバＦ２との温度差が１℃以下に抑えられれば、光ファイバケーブル１の外部から第１光ファイバＦ１への熱伝導性と、光ファイバケーブル１の外部から第２光ファイバＦ２への熱伝導性と、が略等しいと言える。

本実施形態では、第１光ファイバＦ１と第２光ファイバＦ２とが同じ仕様であるので、上記のような３条件（ひずみ関連条件、温度関連条件、及び圧力関連条件）を満足する光ファイバケーブル１は、第１被覆Ｃ１と第２被覆Ｃ２との仕様を調整することにより実現されている。具体的には、第１被覆Ｃ１と第２被覆Ｃ２とのそれぞれの弾性係数、半径、及び熱伝導率が、上記３条件を満足するように調整されている。以下、第１被覆Ｃ１と第２被覆Ｃ２との仕様の調整について説明する。

〔ひずみ関連条件を満足させる仕様調整〕
光ファイバケーブル１の外部から被覆Ｃを介して光ファイバＦに伝達される軸方向ひずみは、被覆Ｃの弾性係数が大きいほど大きく、被覆Ｃの半径が小さいほど大きい。この知見に基づき、第１被覆Ｃ１の材料の弾性係数を第２被覆Ｃ２の材料の弾性係数よりも大きくする。且つ、上記のような弾性係数の相違の影響を相殺するように第１被覆の半径を第２被覆の半径よりも大きくする。このような被覆Ｃ１，Ｃ２の仕様調整により、光ファイバケーブル１の外部から第１光ファイバＦ１への軸方向ひずみの伝達性と、光ファイバケーブル１の外部から第２光ファイバＦ２への軸方向ひずみの伝達性と、を略等しくすることができる。

〔温度関連条件を満足させる仕様調整〕
光ファイバケーブル１の外部から被覆Ｃを介した光ファイバＦへの熱伝導性は、被覆の熱伝導率が大きいほど大きく、被覆の半径が小さいほど大きい。この知見に基づいて、第１被覆の半径を第２被覆の半径よりも大きくする。且つ、上記のような半径の相違の影響を相殺するように第１被覆Ｃ１の材料の熱伝導率を第２被覆Ｃ２の材料の熱伝導率よりも大きくする。このような被覆Ｃ１，Ｃ２の仕様調整により、光ファイバケーブル１の外部から第１光ファイバＦ１への熱伝導性と、光ファイバケーブル１の外部から第２光ファイバＦ２への熱伝導性と、を略等しくすることができる。

〔圧力関連条件を満足させる仕様調整〕
一般的に、半径Ｒ、肉厚ｔ、弾性係数Ｅの薄肉円筒に外圧ｐを作用させた場合の半径増加ΔＲは、
ΔＲ＝（Ｒ^２／ｔＥ）・ｐ …(a)
で表される。従って、薄肉円筒とみなした第１被覆Ｃ１、第２被覆Ｃ２に外圧を作用させた場合、両者の半径変化の比Ｋは次の通りである。
Ｋ＝ΔＲ_１／ΔＲ_２
＝（（Ｒ_１）^２・（Ｒ_２－ｒ）／（Ｒ_２）^２・（Ｒ_１－ｒ））・（Ｅ_２／Ｅ_１） …(b)
但し、Ｅ_１は第１被覆Ｃ１の材料の縦弾性係数、Ｅ_２は第２被覆Ｃ２の材料の縦弾性係数、Ｒ_１は第１被覆Ｃ１の半径、Ｒ_２は第２被覆Ｃ２の半径、ｒは光ファイバＦ１，Ｆ２の半径である。

被覆Ｃを薄肉円筒とみなせば、外部から光ファイバＦに伝達される圧力の伝達性は、上記のような、外部からの圧力に対する被覆Ｃの半径増加ΔＲに関連すると考えられる。従って、上式(b)においてＫ≠１とすれば、光ファイバケーブル１の外部から第１光ファイバＦ１への圧力の伝達性と、光ファイバケーブル１の外部から第２光ファイバＦ２への圧力の伝達性と、を互いに異なるようにすることができる。すなわち、上式(b)においてＫ≠１になるように、第１被覆Ｃ１の材料の縦弾性係数Ｅ_１、第２被覆Ｃ２の材料の縦弾性係数Ｅ_２、第１被覆Ｃ１の半径Ｒ_１、及び第２被覆Ｃ２の半径Ｒ_２を決定すればよい。

以上説明した３つの仕様調整を同時に満足させるような、第１被覆Ｃ１の材料の弾性係数、第２被覆Ｃ２の材料の弾性係数、第１被覆Ｃ１の半径、第２被覆Ｃ２の半径、第１被覆Ｃ１の材料の熱伝導率、及び第２被覆Ｃ２の材料の熱伝導率の組み合わせは存在し得るので、前述の３条件（ひずみ関連条件、温度関連条件、及び圧力関連条件）のすべてを満足する光ファイバケーブル１を製作することは可能である。このような光ファイバケーブル１の仕様の一例としては、第１被覆Ｃ１の材料の弾性係数が第２被覆Ｃ２の材料の弾性係数よりも大きく、第１被覆の半径が第２被覆の半径よりも大きく、且つ第１被覆Ｃ１の材料の熱伝導率が第２被覆Ｃ２の材料の熱伝導率よりも大きい、といった仕様が考えられる。

続いて、上記のような計測装置１０で実行される計測方法について図５を参照し説明する。

〔周辺環境の圧力の計測〕
例えば、コンクリート構造物１０１に地下水が浸入することで緩衝層１１３のベントナイトが膨潤する場合がある。このような事象を把握するために、光ファイバケーブル１の周辺環境の圧力が計測される。本発明者らは、前述の３条件（ひずみ関連条件、温度関連条件及び圧力関連条件）が満足されるとき、第１光ファイバＦ１と第２光ファイバＦ２との軸方向ひずみの差と、光ファイバケーブル１の外部の圧力と、の間に相関関係があることを見出した。この相関関係は、詳細は後述するが、事前の試験により予め求められ分析装置５に記憶されている。

光ファイバケーブル１の周辺環境の圧力の計測のために、まず、計測装置１０において、第１光ファイバＦ１と第２光ファイバＦ２とのそれぞれの軸方向ひずみがレイリー散乱光に基づいて計測される（ステップＳ２０１）。具体的には、計測器３から光ファイバＦにパルス光が入射されるとともに、計測器３は光ファイバＦから戻ってくるレイリー散乱光を受光し、当該レイリー散乱光の強度等に関する情報を分析装置５に送信する。この情報に基づく演算によって分析装置５が光ファイバＦの長手方向の軸方向ひずみの分布を取得する。なお、このような軸方向ひずみの計測手法はＯＴＤＲ（Optical Time Domain Reflectometer）方式と呼ばれるものである。上記のようにステップＳ２０１ではＯＴＤＲ方式などにより、第１光ファイバＦ１と第２光ファイバＦ２とのそれぞれの軸方向ひずみが計測される。なおここでは、ＯＴＤＲ方式に代えてＯＦＤＲ方式が採用されてもよい。

次に分析装置５は、計測された第１光ファイバＦ１と第２光ファイバＦ２との軸方向ひずみの差を算出する（ステップＳ２０３）。そして分析装置５は、この軸方向ひずみの差を、前述のとおり予め記憶している相関関係に当てはめて、光ファイバケーブル１の周辺環境（低拡散層１１１及び緩衝層１１３）の圧力を算出する（ステップＳ２０５）。また、このような圧力値の算出が光ファイバケーブル１の長手方向に亘って各点でなされることで、光ファイバケーブル１の長手方向における圧力分布を知ることができる。

〔周辺環境の軸方向ひずみ及び温度の計測〕
例えば、コンクリート構造物１０１の低拡散層１１１にひび割れ等が生じ、ひずみが生じる場合がある。また、コンクリート構造物１０１に地下水が浸入することで低拡散層１１１及び緩衝層１１３の温度が変化する場合がある。このような事象を把握するために、光ファイバケーブル１の周辺環境のひずみ及び温度を計測する必要がある。

ここでは、計測装置１０において、第１光ファイバＦ１及び第２光ファイバＦ２のうちの何れかの光ファイバＦを用いて、当該光ファイバＦにおけるブリルアン散乱とレイリー散乱とに基づいて、光ファイバＦの軸方向ひずみが周辺環境の軸方向ひずみとして取得される（ステップＳ２０７）。なお、厳密には、前述したような外部から光ファイバＦへの軸方向ひずみの伝達性を考慮すれば、光ファイバＦの軸方向ひずみと周辺環境の軸方向ひずみとは相違する。しかしながら、コンクリート構造物１０１の劣化度合いを監視する目的においては、上記の相違は無視できるほど小さいと考えてよい。

また同様にして、計測装置１０において、第１光ファイバＦ１及び第２光ファイバＦ２のうちの何れかの光ファイバＦを用いて、当該光ファイバＦにおけるブリルアン散乱とレイリー散乱とに基づいて、光ファイバＦの温度が周辺環境の温度として取得される（ステップＳ２０９）。なお、厳密には、前述したような外部から光ファイバＦへの熱伝導性を考慮すれば、光ファイバＦの温度と周辺環境の温度とは相違する。しかしながら、コンクリート構造物１０１の劣化度合いを監視する目的においては、上記の相違は無視できるほど小さいと考えてよい。

上記のような光ファイバＦの軸方向ひずみ及び温度の計測は、例えばＢＯＴＤＲ（Brillouin Optical Time Domain Reflectometer）方式といったような公知の方法を用いればよい。また、このような軸方向ひずみ値の算出及び温度の算出が光ファイバケーブル１の長手方向に亘って各点でなされることで、光ファイバケーブル１の長手方向における軸方向ひずみ分布、温度分布を知ることができる。

〔相関関係の準備〕
前述したような、第１光ファイバＦ１と第２光ファイバＦ２との軸方向ひずみの差と、光ファイバケーブル１の外部の圧力と、の間の相関関係を取得する手法の一例として、本発明者らが行った試験について説明する。図６は、この試験に使用した試験装置２０を示す断面図である。試験装置２０は、試験容器２３と、試験容器２３内の下層部に収容されたポーラスストーン２７と、ポーラスストーン２７の上面に当接し平行に設置された２本の光ファイバプローブＱ２１，Ｑ２２と、光ファイバプローブＱ２１，Ｑ２２を埋込むようにポーラスストーン２７の上の空間に収容されたベントナイト２９と、を備えている。２本の光ファイバプローブＱ２１，Ｑ２２は、図６の紙面直交方向に重なって位置している。光ファイバプローブＱ２１は前述の第１プローブＱ１と同じ仕様のものであり、光ファイバプローブＱ２２は前述の第２プローブＱ２と同じ仕様のものであるので、前述の３条件（ひずみ関連条件、温度関連条件、及び圧力関連条件）が満足されている。光ファイバプローブＱ２１，Ｑ２２の各一端部はそれぞれ試験容器２３外に引き出され、例えばＯＴＤＲである計測器３に接続されている。また、計測器３は分析装置５に接続されている。

ベントナイト２９の層の上に上下動可能なプレート３１が配置されることで、ベントナイト２９は当該プレート３１とポーラスストーン２７との間の試験空間Ｔ内に隙間なく閉じ込められる。試験容器２３の上端には反力フレーム３３が固定されており、プレート３１はロードセル３５を介して反力フレーム３３に支持されている。このような構造により、試験空間Ｔの圧力をロードセル３５で検知することができる。

また、試験容器２３の底壁には、試験容器２３内に水を導入する給水管３７と、試験容器２３内から水を排出する排水管３９とが設けられている。給水管３７からの水が試験容器２３の底部から供給されると、水はポーラスストーン２７を透過してベントナイト２９に到達する。そうすると、ベントナイト２９は膨潤し、余剰な水は排水管３９から排出される。ベントナイト２９の膨潤圧は試験空間Ｔの圧力として現れ、この圧力は前述のとおりロードセル３５で検知される。また、ベントナイト２９の膨潤圧により光ファイバプローブＱ２１の光ファイバ（「光ファイバＦ２１」とする）及び光ファイバプローブＱ２２の光ファイバ（「光ファイバＦ２２」とする）には、それぞれ被覆を介してベントナイト２９から径方向の圧力が加わる。

本発明者らは、この試験装置２０において、給水管３７から継続的に給水を行いながら、ロードセル３５によって試験空間Ｔ内の圧力を計測するとともに、計測器３及び分析装置５を用いてＯＴＤＲ方式により、光ファイバＦ２１，Ｆ２２のそれぞれの軸方向ひずみを計測した。これらの計測結果を図７（ａ），図７（ｂ）に示す。図７（ａ）において、グラフ４１はロードセル３５による圧力計測値の経時的変化であり、グラフ４２は光ファイバＦ２１，Ｆ２２の軸方向ひずみの計測値の差の経時的変化である。また、図７（ｂ）は、図７（ａ）における、光ファイバＦ２１，Ｆ２２の軸方向ひずみの計測値の差（横軸）と、ロードセル３５による圧力計測値（縦軸）と、の相関関係を示すグラフである。

以上のようにして、光ファイバＦ２１，Ｆ２２の軸方向ひずみとの差と、光ファイバＦ２１，Ｆ２２の周辺環境（試験空間Ｔ）の圧力との相関関係が図７（ｂ）のように得られた。なお、図７（ｂ）のように得られた上記相関関係は、所定の方程式に近似され当該方程式として分析装置５で記憶され使用されてもよい。

なお、図７（ｂ）に示されるように、この試験では、軸方向ひずみが約120～180μの範囲で、600kPaの圧力差を検知可能であることが判った。仮に、100kPaの精度で圧力検知を行おうとすると、この精度に相当する軸方向ひずみは10μである。また、一般的な光ファイバにおけるレイリー計測のひずみ係数、温度係数から推察すれば、上記の精度に相当する温度は1℃相当である。従って、光ファイバケーブル１に内包される光ファイバＦ１，Ｆ２の軸方向ひずみの差が10μ以下、光ファイバＦ１，Ｆ２の温度差が1℃以下、の範囲内において光ファイバケーブル１が使用されることが好ましい。

以上説明した計測装置１０及び計測方法によれば、２本の光ファイバＦにより、周辺環境の軸方向ひずみ、温度、及び圧力の３つの物理量を一緒に計測することができる。従って、コンクリート構造物１０１に設置すべき光ファイバケーブル１が、多くの光ファイバＦを含む必要がなく、光ファイバケーブル１の太さを抑えることができる。従って、光ファイバケーブル１の敷設によるコンクリート構造物１０１の構造への影響が最低限に抑えられ、また、光ファイバケーブル１自体による計測結果への影響も最低限に抑えられる。また、２本の光ファイバＦが１本の光ファイバケーブル１にまとめられていることから、コンクリート構造物１０１へ設置する際の作業性が良い。

本発明は、上述した実施形態を始めとして、当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した様々な形態で実施することができる。また、上述した実施形態に記載されている技術的事項を利用して、変形例を構成することも可能である。各実施形態の構成を適宜組み合わせて使用してもよい。

〔変形例〕
光ファイバケーブルが低拡散層１１１（セメント系人工バリア）と緩衝層１１３（ベントナイト系人工バリア）との境界部に設置される場合において、光ファイバケーブル１に代えて図８に示されるような光ファイバケーブル５０が使用されてもよい。光ファイバケーブル５０において、光ファイバケーブル１と同一又は同等の構成要素については同一符号を付して重複する説明を省略する。

光ファイバケーブル５０は、前述の光ファイバケーブル１における第１被覆Ｃ１及び第２被覆Ｃ２に代えて、第１光ファイバＦ１を被覆する第１被覆Ｃ５１と、第２光ファイバＦ２を被覆する第２被覆Ｃ５２と、を備えている。また、光ファイバケーブル５０は、光ファイバケーブル１における表皮部９に代えて、表皮部５９を備えている。また、第１光ファイバＦ１は第１被覆Ｃ５１内で偏心して位置しており、第１光ファイバＦ１と第２光ファイバＦ２とが、低拡散層１１１の外壁面１１１ａから等距離に位置している。また、第１被覆Ｃ５１と外壁面１１１ａとの間の表皮部５９の厚さと、第２被覆Ｃ５２と外壁面１１１ａとの間の表皮部５９の厚さと、が等しい。また、表皮部５９のうち外壁面１１１ａに接着される接着面５９ａは、平面として形成されている。

更に光ファイバケーブル５０が前述の光ファイバケーブル１と相違する点として、第１被覆Ｃ５１と第２被覆Ｃ５２との弾性係数、半径、及び熱伝導率の関係は次のとおりである。第１被覆Ｃ５１の弾性係数と第２被覆Ｃ５２の弾性係数とが略等しく、第１被覆Ｃ５１の半径は第２被覆Ｃ５２の半径よりも大きく、第１被覆Ｃ５１の熱伝導率と第２被覆Ｃ５２の熱伝導率とが略等しい。なお、第１被覆Ｃ５１の材料と第２被覆Ｃ５２の材料とが同じであってもよい。

光ファイバケーブル５０が低拡散層１１１に接着され緩衝層１１３に埋込まれた状態においては、光ファイバＦの軸方向ひずみは、主に低拡散層１１１の軸方向ひずみの影響を受ける。低拡散層１１１に軸方向ひずみが発生すると、第１光ファイバＦ１には、当該第１光ファイバＦ１と低拡散層１１１との間に存在する表皮部５９の一部位及び第１被覆Ｃ５１の一部位を介して軸方向ひずみが伝達され、同様にして、第２光ファイバＦ２には、当該第２光ファイバＦ２と低拡散層１１１との間に存在する表皮部５９の一部位及び第２被覆Ｃ５２の一部位を介して軸方向ひずみが伝達される。

前述したような光ファイバケーブル５０の構造によれば、第１光ファイバＦ１と低拡散層１１１との間に存在する表皮部５９の一部位及び第１被覆Ｃ５１の一部位と、第２光ファイバＦ２と低拡散層１１１との間に存在する表皮部５９の一部位及び第２被覆Ｃ５２の一部位と、が、同じ厚みであり、また第１被覆Ｃ５１と第２被覆Ｃ５２との弾性係数も略等しい。そうすると、低拡散層１１１から第１光ファイバＦ１への軸方向ひずみの伝達性と、低拡散層１１１から第２光ファイバＦ２への軸方向ひずみの伝達性とが略等しいと考えてよい。

また、光ファイバケーブル５０が低拡散層１１１に接着され緩衝層１１３に埋込まれた状態においては、光ファイバＦに付与される圧力は、主に緩衝層１１３の膨潤圧の影響を受ける。すなわち、緩衝層１１３の膨潤圧は、第１光ファイバＦ１には、当該第１光ファイバＦ１と緩衝層１１３との間に存在する表皮部５９の一部位及び第１被覆Ｃ５１の一部位を介して伝達され、同様にして、第２光ファイバＦ２には、当該第２光ファイバＦ２と緩衝層１１３との間に存在する表皮部５９の一部位及び第２被覆Ｃ５２の一部位を介して伝達される。

前述したような光ファイバケーブル５０の構造によれば、第１光ファイバＦ１と緩衝層１１３との間に存在する第１被覆Ｃ５１の部位と、第２光ファイバＦ２と緩衝層１１３との間に存在する第２被覆Ｃ５２の部位と、は、明らかに互いに構造が異なる。そうすると、緩衝層１１３から第１光ファイバＦ１への圧力の伝達性と、緩衝層１１３から第２光ファイバＦ２への圧力の伝達性とが互いに異なっていると考えてよい。

また、光ファイバケーブル５０でベントナイト系人工バリア（例えば緩衝層１１３）の膨潤圧を監視する目的においては、周辺環境から第１光ファイバＦ１への温度伝達と、周辺環境から第２光ファイバＦ２への温度伝達と、の時応答の差は無視できるレベルである。従って、外部から第１光ファイバＦ１への熱伝導性と、外部から第２光ファイバＦ２への熱伝導性とが略等しいと考えてよい。

以上により、上記のような光ファイバケーブル５０を図８に示されるように低拡散層１１１と緩衝層１１３との間に設置する構成によれば、前述の３条件（ひずみ関連条件、温度関連条件、及び圧力関連条件）がすべて満足される。従って、光ファイバケーブル１に代えて光ファイバケーブル５０が使用される計測装置、計測方法においても、光ファイバケーブル１が使用される場合と同様の作用効果が得られる。

１，５０…光ファイバケーブル、１０…計測装置、１００…余裕深度処分施設、１１１…低拡散層（セメント系人工バリア）、１１１ａ…外壁面、１１３…緩衝層（ベントナイト系人工バリア）、Ｃ…被覆、Ｃ１，Ｃ５１…第１被覆、Ｃ２，Ｃ５２…第２被覆、Ｆ…光ファイバ、Ｆ１…第１光ファイバ、Ｆ２…第２光ファイバ。

Claims (7)

1. 第１光ファイバと第２光ファイバとを備える光ファイバケーブルを用いて前記光ファイバケーブルの周辺環境に関する物理量を計測する計測方法であって、
   前記光ファイバケーブルの外部から前記第１光ファイバへの軸方向ひずみの伝達性と前記光ファイバケーブルの外部から前記第２光ファイバへの軸方向ひずみの伝達性とが略等しく、
   前記光ファイバケーブルの外部から前記第１光ファイバへの熱伝導性と前記光ファイバケーブルの外部から前記第２光ファイバへの熱伝導性とが略等しく、
   前記光ファイバケーブルの外部から前記第１光ファイバへの圧力の伝達性と前記光ファイバケーブルの外部から前記第２光ファイバへの圧力の伝達性とが互いに異なっており、
   前記第１光ファイバの軸方向ひずみと前記第２光ファイバの軸方向ひずみとの差と、前記光ファイバケーブルの外部の圧力と、の相関関係を予め準備し、
   前記第１光ファイバのレイリー散乱に基づいて得られた前記第１光ファイバの軸方向ひずみと、前記第２光ファイバのレイリー散乱に基づいて得られた前記第２光ファイバの軸方向ひずみと、前記相関関係と、に基づいて、前記周辺環境の圧力を取得する、計測方法。
2. 前記第１光ファイバ及び前記第２光ファイバのうちの何れかの光ファイバにおけるブリルアン散乱とレイリー散乱とに基づいて、前記光ファイバの軸方向ひずみを前記周辺環境の軸方向ひずみとして取得し、
   前記第１光ファイバ及び前記第２光ファイバのうちの何れかの光ファイバにおけるブリルアン散乱とレイリー散乱とに基づいて、前記光ファイバの温度を前記周辺環境の温度として取得する、請求項１に記載の計測方法。
3. 前記光ファイバケーブルは、前記第１光ファイバを被覆する第１被覆と、前記第２光ファイバを被覆する第２被覆と、を更に備え、
   前記第１光ファイバと前記第２光ファイバとは同じ仕様のものであり、
   前記第１被覆の弾性係数は前記第２被覆の弾性係数よりも大きく、
   前記第１被覆の径は前記第２被覆の径よりも大きく、
   前記第１被覆の熱伝導率は前記第２被覆の熱伝導率よりも大きい、請求項１又は２に記載の計測方法。
4. 前記光ファイバケーブルは、
   セメント系材料を含み放射性廃棄物を囲むセメント系人工バリアと、ベントナイト系材料を含み前記セメント系人工バリアを更に囲むベントナイト系人工バリアと、を備える前記放射性廃棄物の余裕深度処分施設において、前記セメント系人工バリアと前記ベントナイト系人工バリアとの境界部に設置され前記セメント系人工バリアの外壁面に当接するとともに前記ベントナイト系人工バリアに埋込まれている、請求項１～３の何れか１項に記載の計測方法。
5. 第１光ファイバと第２光ファイバとを備え周辺環境に関する物理量を計測するための光ファイバケーブルであって、
   外部から前記第１光ファイバへの軸方向ひずみの伝達性と外部から前記第２光ファイバへの軸方向ひずみの伝達性とが略等しく、
   外部から前記第１光ファイバへの熱伝導性と外部から前記第２光ファイバへの熱伝導性とが略等しく、
   外部から前記第１光ファイバへの圧力の伝達性と外部から前記第２光ファイバへの圧力の伝達性とが互いに異なっている、光ファイバケーブル。
6. 前記第１光ファイバを被覆する第１被覆と、前記第２光ファイバを被覆する第２被覆と、を更に備え、
   前記第１光ファイバと前記第２光ファイバとは同じ仕様のものであり、
   前記第１被覆の弾性係数は前記第２被覆の弾性係数よりも大きく、
   前記第１被覆の径は前記第２被覆の径よりも大きく、
   前記第１被覆の熱伝導率は前記第２被覆の熱伝導率よりも大きい、請求項５に記載の光ファイバケーブル。
7. 請求項５又は６に記載の光ファイバケーブルを用いて前記光ファイバケーブルの周辺環境に関する物理量を計測する計測装置であって、
   前記第１光ファイバの軸方向ひずみと前記第２光ファイバの軸方向ひずみとの差と、前記光ファイバケーブルの外部の圧力と、の相関関係を予め保持し、
   前記第１光ファイバのレイリー散乱に基づいて得られた前記第１光ファイバの軸方向ひずみと、前記第２光ファイバのレイリー散乱に基づいて得られた前記第２光ファイバの軸方向ひずみと、前記相関関係と、に基づいて、前記周辺環境の圧力を取得する、計測装置。

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