(57)【要約】【課題】冷却水が張られた状況において、コンパクトな装置構成でデブリの位置を特定することが可能なデブリの位置検知方法および装置を提案する。【解決手段】本発明の代表的な構成は、水中における核燃料のデブリの位置を検知する方法であって、対象物に光を照射してスクリーンに投影し、スクリーンに投影された光を撮影し、撮影された画像からゆらぎがある位置を判断し、ゆらぎがある位置からデブリの位置を検知することを特徴とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水中における核燃料のデブリの位置を検知する方法であって、
対象物に光を照射してスクリーンに投影し、
前記スクリーンに投影された光を撮影し、
撮影された画像からゆらぎがある位置を判断し、
前記ゆらぎがある位置からデブリの位置を検知することを特徴とするデブリの位置検知方法。
【請求項２】
前記光は上方から照射し、
堆積した瓦礫または床面を前記スクリーンとして使用することを特徴とする請求項１に記載のデブリの位置検知方法。
【請求項３】
前記光は水平方向から照射し、
施設の壁面を前記スクリーンとして使用することを特徴とする請求項１に記載のデブリの位置検知方法。
【請求項４】
前記光は平行光であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のデブリの位置検知方法。
【請求項５】
水中における核燃料のデブリの位置を検知する装置であって、
対象物に光を照射してスクリーンに投影する光源と、
前記スクリーンに投影された光を撮影する撮影部と、
撮影された画像からゆらぎがある位置を判断するゆらぎ判断部と、
前記ゆらぎがある位置からデブリの位置を検知する位置特定部とを備えたことを特徴とするデブリの位置検知装置。
【請求項６】
前記光源と撮影部を搭載し、施設の内壁面を走行可能な台車をさらに備えたことを特徴とする請求項５に記載のデブリの位置検知装置。
【請求項７】
前記光源と撮影部を搭載した水中船をさらに備えたことを特徴とする請求項５に記載のデブリの位置検知装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原子炉圧力容器または原子炉格納容器において、冷却水が張られた状況においてデブリの位置を特定する方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
原子力発電所の過酷事故（シビアアクシデント）の１つに、炉心溶融がある。炉心溶融とは燃料が溶融して崩落することをいう。炉心溶融の中で、燃料が原子炉圧力容器の中で落下した状態をメルトダウンといい、さらに原子炉圧力容器の底を溶融して原子炉格納容器まで落下した状態をメルトスルーという。メルトダウンやメルトスルーが発生した場合、核燃料と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。
【０００３】
特許文献１には、原子炉圧力容器の下のキャビティ部に、耐熱材からなるコアキャッチャーを敷設する構成が記載されている。特許文献１では、耐熱材の上部にデブリと接触して共融する低融点酸化材を設け、耐熱材の下に放熱部と連結した高熱伝導材を設けることにより、構造が簡単で強度が堅固であり冷却効果に優れた原子炉のコアキャッチャーを提供できると述べている。
【０００４】
特許文献２には、原子炉の下方に非常時に冷却水を供給可能なキャビティを設け、このキャビティに冷却促進装置として原子炉からの溶融物（デブリ）を拡散する傾斜板を設ける構成が提案されている。特許文献２では、上記構成により原子炉から落下する溶融物の冷却を促進して早期に冷却することで安全性の向上を図ることができると述べている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平０９−２１１１６６号公報
【特許文献２】特開２０１０−２６６２８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
炉心溶融によって発生したデブリは、最終的には原子炉圧力容器や原子炉格納容器から回収して、適切に処理する必要がある。しかしながら核燃料は、核反応が停止した状態（未臨界の状態）であっても強い放射線と高い崩壊熱を生じる。そのため回収作業にあたっては、他のがれきに先がけてデブリを優先的に回収する必要があり、そのためはデブリの位置を特定する必要がある。しかしながらデブリの位置は事故の状況に応じて様々であるため、画一的にデブリの位置を推定することができず、位置を特定するための何らかの検知方法を検討する必要がある。
【０００７】
ここで問題となるのは、原子炉内に冷却水が張られている状況でデブリの位置を特定しなければならない点である。原子炉内に水張りがなされている場合、放射線は水中で急激に減衰するため、γ放射線量計やコンプトンカメラによってガンマ線発生源（デブリ）の位置を特定することは困難である。また水は赤外線をよく吸収するため、放射温度計や赤外線カメラによって熱源（デブリ）の位置を特定することも困難である。
【０００８】
また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検査用の孔（以下「検査孔」という。）を利用して機器を挿入することになる。しかし、検査孔は直径１０ｃｍ程度と小さく、大がかりな装置は挿入することができない。なお、あらかじめ検査孔が設けられていないサプレッションチャンバーなどで内部を観察したい場合には、壁面または天井面に外側から穿孔する必要がある。この場合においても、放射線の漏洩を防止するためにあまり大きな孔を設けることはできず、検査孔と同様の１０ｃｍ程度の小さな穴をあけることになる。
【０００９】
そこで本発明は、冷却水が張られた状況において、コンパクトな装置構成でデブリの位置を特定することが可能なデブリの位置検知方法および装置を提案することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
発明者らが検討したところ、デブリが崩壊熱を生じているのであれば、加熱された水が膨張して屈折率が変化し、周辺の冷却水の中でゆらぎ（いわゆるシュリーレン現象）を生じているのではないかと考えた。すなわち、デブリそのものを検知または観察することができなくても、その測定を困難にしている冷却水を利用して、デブリの位置を特定できる可能性があることに着眼した。そしてさらに検討を重ねることにより、本発明を完成するに至った。
【００１１】
すなわち本発明に係るデブリの位置検知方法の代表的な構成は、水中における核燃料のデブリの位置を検知する方法であって、対象物に光を照射してスクリーンに投影し、スクリーンに投影された光を撮影し、撮影された画像からゆらぎがある位置を判断し、ゆらぎがある位置からデブリの位置を検知することを特徴とする。
【００１２】
上記構成によれば、冷却水が張られた状況においても、熱源としてデブリの位置を特定することが可能となる。また装置としては光源と撮影部があればよく、かつ光の照射方向と撮影部の撮影方向が同じであるため、これらの要素を極めて近接させることができ、コンパクトな装置構成とすることができる。そして、冷却水中で作業可能であることから、デブリの除熱をしながら位置特定および取り出し作業を行うことができ、安全かつ効率的に取り出し作業を進めることができる。
【００１３】
光は上方から照射し、堆積した瓦礫または床面をスクリーンとして使用してもよい。これにより、平面方向での位置を迅速に特定することができる。
【００１４】
また光は水平方向から照射し、施設の壁面をスクリーンとして使用してもよい。壁面は平坦であるため、堆積した瓦礫よりもゆらぎを判断しやすく、より高い精度で検知を行うことができる。
【００１５】
光は平行光であることが好ましい。これによりデブリとスクリーンとの距離が離れている場合であっても、より高い精度でゆらぎを判断することができる。
【００１６】
また本発明にかかるデブリの位置検知装置の代表的な構成は、水中における核燃料のデブリの位置を検知する装置であって、対象物に光を照射してスクリーンに投影する光源と、スクリーンに投影された光を撮影する撮影部と、撮影された画像からゆらぎがある位置を判断するゆらぎ判断部と、ゆらぎがある位置からデブリの位置を検知する位置特定部とを備えたことを特徴とする。
【００１７】
上記の位置検知装置は、光源と撮影部を搭載し、施設の内壁面を走行可能な台車をさらに備えていてもよい。壁面を走行するための手段として、例えば壁面（走行面）に対して当接しない磁石を用いることができる。また壁面を走行することによって光源および撮影部の姿勢が安定するため、高い精度で検知を行うことができる。
【００１８】
上記の位置検知装置は、光源と撮影部を搭載した水中船をさらに備えていてもよい。水中船は上方から撮影するのに適している。また移動速度が速いため、広範囲を走査する際にも有利である。
【発明の効果】
【００１９】
本発明にかかるデブリの位置検知方法および装置によれば、冷却水が張られた状況において、コンパクトな装置構成でデブリの位置を特定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】原子炉の概略構成を説明する図である。
【図２】位置検知装置の概略構成を説明する図である。
【図３】撮影方向を説明する図である。
【図４】ゆらぎがスクリーンに映し出された状態を示す図である。
【図５】他の実施形態を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
また図１では、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１０８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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
上記したようにデブリ１４０は高い崩壊熱を出すため、加熱された水が膨張して屈折率が変化し、周辺の冷却水１１０の中でゆらぎ（いわゆるシュリーレン現象）を生じる。したがって冷却水１１０の中でゆらぎを検知することにより、ゆらぎの位置をデブリの位置として検知することができる。すなわち、流れの中に光を照射してこれを撮影し、映像中のゆらぎの位置を判断することによってデブリの位置を検知する。
【００３１】
ここで、シュリーレン現象を可視化する方法として、シュリーレン法が知られている。シュリーレン法では、点光源の光をコリメーターレンズで平行光線にして対象となる物体を通し、ふたたびコリメーターを通して一点に集光する。対象物近傍に屈折率のむらがあると焦点がずれるため、焦点位置にナイフエッジを設置して焦点がずれた光を遮ることにより、屈折率のむらを明暗として可視化する。
【００３２】
しかしながら、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から機器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、大がかりな装置は挿入することができない点である。シュリーレン法では上記したように対象物の両側にそれぞれ光源とカメラが必要となる。したがってシュリーレン法を実施するための機器は比較的大がかりなものとなり、上記のように小さな検査孔１１４から挿入することは事実上不可能である。
【００３３】
これに対し本発明は、現場に挿入する装置としては光源と撮影部（カメラ）のみを用いる。また、光の照射方向と撮影部の撮影方向が同じであるため、これらの要素を極めて近接させることができる。これらのことから、極めてコンパクトな装置構成とすることができ、検査孔またはこれと同等の小さな孔から機器を挿入することを可能としている。
【００３４】
まず図１に示すように、デブリの位置検知装置（以下、「位置検知装置１２０」という。）は、画像解析装置１２２と、検査孔１１４に挿入される挿入管１２４と、挿入管１２４の先端に接続されたヘッド１２６とを備える。挿入管１２４は可撓性を有するフレキシブルチューブであって、画像解析装置１２２とヘッド１２６との間を接続する光ケーブルや信号ケーブルを挿通すると共に、ヘッド１２６を任意の位置に動かして支持することができる。
【００３５】
図２は位置検知装置１２０の概略構成を説明する図である。ヘッド１２６には、対象物に光を照射してスクリーンに投影する光源１２８と、スクリーンに投影された光を撮影する撮影部１３０（カメラ）が設けられている。光源１２８の光の照射方向と、撮影部１３０の撮影方向（カメラのレンズの光軸方向）は、ほぼ平行となっている。
【００３６】
光源１２８によって光を照射する対象物は、原子炉圧力容器１０４や原子炉格納容器１０２、サプレッションプール１０６等の底面に堆積した瓦礫およびデブリである。撮影部１３０は光が照射された範囲を撮影するのであるが、撮影する目的は対象物そのものではなく、対象物の背後のスクリーンに映った影である。
【００３７】
ここでスクリーンと称しているものは、垂れ幕を設置するわけではない。図３は撮影方向を説明する図である。図３（ａ）に示すように光を上方から照射した場合には、堆積した瓦礫または床面がスクリーンに該当する。また図３（ｂ）に示すように光を水平方向から照射した場合には、原子炉圧力容器１０４や原子炉格納容器１０２などの施設の内壁面がスクリーンに該当する。
【００３８】
図４はゆらぎがスクリーンに映し出された状態を示す図である。図４（ａ）は実験を行った際の写真であり、図４（ｂ）はその説明図である。図４において、斜めになった棒１４６は燃料棒を想定したヒーターである。図４（ａ）（ｂ）を参照すると、棒１４６の周囲にはゆらぎを観察することができない。しかし背後の壁面（スクリーン）において、光が照射された部分には、棒１４６の影の周囲にゆらぎ（輝度のむら）が映っていることがわかる。図４（ｂ）において、ゆらぎと判断できる部分を破線にて示す。このことから、単に対象物を撮影していてもゆらぎを見分けることは難しいが、スクリーンに投影すれば判別が可能となることがわかる。
【００３９】
光源１２８から照射する光は、平行光であることが好ましい。対象物からスクリーンまでは距離が離れている場合があるが、平行光とすることにより、より高い精度でゆらぎを判断することができる。ただし、ある程度であれば拡散する光であっても支障なくゆらぎを検知することができる。光を平行光よりも拡げるとスクリーンの画像が大きくなるメリットがある。しかし、光を拡げすぎると、光量が弱まるデメリットもあり、それを許容できる程度とする必要がある。平行光としてはスポットライトや、レーザー光をコリメータレンズで拡げた拡散平行光、拡散準平行光を用いることができる。
【００４０】
画像解析装置１２２は、ゆらぎ判断部１３２と、位置特定部１３４と、出力部１３６とを備えている。
【００４１】
ゆらぎ判断部１３２は、撮影された画像からゆらぎがある位置を判断する。ゆらぎの判断は、撮影部１３０を静止させておく前提において、画像の変化を捉えることによって判断することができる。例えば、ヘッド１２６の撮影部１３０から連続的に画像データを取得して、画像間（フレーム間）で各画素の輝度を比較し、所定値以上の変化がある画素にはゆらぎがあると判断することができる。また、ｍｐｅｇなどの映像圧縮技術における動き検知のような既知の技術を用いてもよい。
【００４２】
位置特定部１３４は、ゆらぎ判断部１３２が検知したゆらぎの位置から、デブリの位置を検知する。位置特定部１３４の処理は、極めて簡潔に説明すれば座標変換である。光を上方から照射した場合には、ゆらぎのある位置をデブリの位置とみなすことができるため、処理は簡潔である。光を水平方向から照射した場合には、光軸上のいずれかの位置にデブリが存在することになる。そのため光を水平方向から照射する場合には、少なくとも２方向から撮影を行う必要がある。例えば１つの位置から施設内を見渡すようにスキャンし、次に異なる位置からもスキャンする。そして位置特定部１３４は、２方向から判断したゆらぎの位置をかけ合わせることによって、平面座標上におけるゆらぎの位置、すなわちデブリの位置を特定することができる。
【００４３】
出力部１３６は、検知したデブリの位置を画像または数値によって出力する。出力した信号はモニタ１４２やプリンタ（不図示）に表示したり、画像データや数値データを記録媒体に保存したり、もしくはネットワークから送信したりすることができる。
【００４４】
上記構成によれば、冷却水が張られた状況においても、熱源としてデブリ１４０の位置を特定することが可能となる。また装置としては光源１２８と撮影部１３０があればよく、かつ光の照射方向と撮影部１３０の撮影方向が同じであるため、これらの要素を極めて近接させることができ、コンパクトな装置構成とすることができる。そして、冷却水中で作業可能であることから、デブリ１４０の除熱をしながら位置特定および取り出し作業を行うことができ、安全かつ効率的に取り出し作業を進めることができる。
【００４５】
図５は他の実施形態を説明する図である。上記実施形態では、挿入管１２４によってヘッド１２６を移動および支持するように説明した。しかし検査孔１１４とデブリ１４０の位置関係によっては挿入管１２４が長くなりすぎて、ヘッド１２６の姿勢が安定しないおそれがある。またサプレッションプール１０６のように範囲が広くなると、挿入管１２４によって撮影可能な範囲ではまかなえない場合もある。
【００４６】
そこで図５（ａ）に示すように、挿入管１２４とヘッド１２６に代えて、光源１２８と撮影部１３０を、施設の壁面１０２ａを走行可能な台車１５０に搭載してもよい。台車は車輪１５２によって遠隔操作で走行可能にする。さらに、壁面１０２ａ（接地面）に近接しつつ当接しない位置に支持された磁石１５４を備えることにより、壁面１０２ａに吸着して走行させることが可能となる。また光源１２８および撮影部１３０は可動式の雲台１５６に取り付けて、光の照射方向および撮影方向を遠隔操作によって調節可能とすることが好ましい。
【００４７】
上記構成のように台車１５０によって壁面１０２ａを走行することによって、光源１２８および撮影部１３０の姿勢が安定するため、高い精度で検知を行うことができる。なお台車１５０と画像解析装置１２２を接続するケーブル１６０は、挿入管１２４と違ってヘッドを支持する必要がないため、はるかに細くて軽く可撓性の高い（やわらかい）ものを用いることができる。またケーブル１６０に代えて無線で接続してもよい。
【００４８】
また図５（ｂ）は、挿入管１２４とヘッド１２６に代えて、光源１２８と撮影部１３０を水中船１７０に搭載した例である。水中船１７０は上方から撮影するのに適している。また移動速度が速いため、広範囲を走査する際にも有利である。ただし水中船１７０は姿勢が安定しにくいため、撮影部１３０が撮影する映像のフレームレートを高くすることが好ましい（例えば６０ｆｐｓや１２０ｆｐｓなど）。
【００４９】
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。
【００５０】
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やサプレッションプール１０６の内部を観察することも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明は、原子炉圧力容器または原子炉格納容器において、冷却水が張られた状況においてデブリの位置を特定する方法および装置として利用することができる。
【符号の説明】
【００５２】
１００…原子炉建屋、１０２…原子炉格納容器、１０２ａ…壁面、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、１１２…冷却水、１１４…検査孔、１２０…位置検知装置、１２２…画像解析装置、１２４…挿入管、１２６…ヘッド、１２８…光源、１３０…撮影部、１３２…ゆらぎ判断部、１３４…位置特定部、１３６…出力部、１４０…デブリ、１４２…モニタ、１４６…棒、１５０…台車、１５２…車輪、１５４…磁石、１５６…雲台、１６０…ケーブル、１７０…水中船
【図１】
2014215185.tif 000003
【図２】
2014215185.tif 000004
【図３】
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【図５】
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【図４】
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