(57)【要約】【課題】  水中に存在する同定対象物を、その同定対象物を水中に置いたまま同定する方法および装置を提供することを目的とする。【解決手段】  水中に存在する岩石１９等の同定対象物の上方に設置されその同定対象物に上方から波長２．０μｍ以上のレーザを照射するレーザ照射部と、同定対象物の上方に配置されレーザ照射により同定対象物で発生したプラズマ光を捉える分光センサ８０を備え、その分光センサで捉えたプラズマ光の分光分析を行なう分光分析部９０とを有する。【選択図】        図１
2015141089.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水中に存在する同定対象物に波長２．０μｍ以上のレーザを上方から照射し、
前記レーザの照射より前記同定対象物で発生したプラズマ光を該同定対象物の上方で捉えて該プラズマ光の分光分析を行なうことにより前記同定対象物を同定することを特徴とする水中同定対象物の同定方法。
【請求項２】
前記レーザが、ＣＯ２レーザ、ＣＯレーザ、Ｅｒ−ＹＡＧレーザ、およびＨｏ−ＹＡＧレーザからなる群から選ばれた何れかのレーザであることを特徴とする請求項１記載の同定方法。
【請求項３】
前記レーザがＣＯ２レーザであることを特徴とする請求項１記載の同定方法。
【請求項４】
水中に存在する同定対象物の上方に設置され該同定対象物に上方から波長２．０μｍ以上のレーザを照射するレーザ照射部と、
前記同定対象物の上方に配置されレーザ照射により前記同定対象物で発生したプラズマ光を捉える分光センサを備え、該分光センサで捉えたプラズマ光の分光分析を行なう分光分析部とを有することを特徴とする同定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水中に存在する同定対象物を同定する同定方法および同定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
試料にレーザを照射して試料を励起し、プラズマ光を発光させてそのプラズマ光を捉えて分光分析を行なうことにより、その試料を同定する技術が知られている（特許文献１，２参照）。
【０００３】
しかしながら、その技術を用いて、水中に存在する試料を水中から取り出すことなく同定しようとすると、試料で発生したプラズマ光が水、特に泥水に激しく散乱されてしまい、センサにまで届かず、分光分析を行なうことができないという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−１５３８２３号公報
【特許文献２】特開２００３−１２１３５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、この問題を解消し、水中に存在する同定対象物を、その同定対象物を水中に置いたまま同定する方法および装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成する本発明の同定方法は、
水中に存在する同定対象物に波長２．０μｍ以上のレーザを上方から照射し、
レーザの照射より同定対象物で発生したプラズマ光を同定対象物の上方で捉えてそのプラズマ光の分光分析を行なうことにより同定対象物を同定することを特徴とする水中同定対象物の同定方法である。
【０００７】
ここで、上記レーザが、ＣＯ２レーザ、ＣＯレーザ、Ｅｒ−ＹＡＧレーザ、およびＨｏ−ＹＡＧレーザからなる群から選ばれた何れかのレーザであることが好ましく、代表的には、そのレーザはＣＯ２レーザであってもよい。
【０００８】
また、上記目的を達成する本発明の同定装置は、
水中に存在する同定対象物の上方に設置されその同定対象物に上方から波長２．０μｍ以上のレーザを照射するレーザ照射部と、
同定対象物の上方に配置されレーザ照射により同定対象物で発生したプラズマ光を捉える分光センサを備え、その分光センサで捉えたプラズマ光の分光分析を行なう分光分析部とを有することを特徴とする同定装置である。
【０００９】
ＣＯ２レーザに代表される、波長２．０μｍ以上の長波長のレーザは水への吸収係数が高く、同定対象物に向けて照射されたレーザがその同定対象物に向かう間に水に吸収されて盛んに気泡を発生させ、水に吸収されずに残ったエネルギーが同定対象物に照射されてプラズマ光を発生させる。この同定対象物で発生したプラズマ光のうちの上方に設置された分光センサに向かうプラズマ光は、その気泡内を通過することで散乱、吸収が抑えられて分光センサに到達し、分光分析が可能となる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の同定方法および同定装置によれば、水中の気泡によりプラズマ光の散乱、吸収が抑えられ、分光分析による同定を行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】分光分析実験の模式図である。
【図２】分光分析結果を示した図である。
【図３】原子炉格納容器に可撓性ガイドパイプを敷設している様子を示した模式図である。
【図４】図３に示す矢印Ａ−Ａ’に沿う断面図である。
【図５】原子炉格納容器にレーザノズルを設置する様子を示した模式図である。
【図６】ＣＯ２レーザを伝送する伝送ラインの構造を示した模式図である。
【図７】レーザノズルを、格納容器内の燃料デブリ近傍に設置した状態を示した図である。
【図８】燃料デブリを除去している様子を示した模式図である。
【図９】図３に示すようにして敷設した可撓性パイプの利用法を示した模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態について説明する。
【００１３】
図１は、分光分析実験の模式図である。
【００１４】
ここでは、水１１の中に、花崗岩１９１、安山岩１９２、および玄武岩１９３という３種類からなる岩石１９が積み重ねられている。この水１１は、岩石１９をほとんど視認できない程に混濁した水である。岩石１９の真上には、レーザノズル５０と分光センサ８０が並ぶように水中に配置されている。レーザノズル５０には、レーザ光を伝送する伝送ライン６０の一端が接続されており、この伝送ライン６０の他端には、ＣＯ２レーザ発振器９０が接続されている。また、分光センサ８０からはケーブル８１が延び分光分析用のパーソナルコンピュータ（以下、「パソコン」と略記する）４０に接続されている。
【００１５】
ここで、レーザノズル５０、伝送ライン６０、およびＣＯ２レーザ発振器９０を合わせた構成が本発明の同定装置におけるレーザ照射部の一例に相当する。また、分光センサ８０は、本発明にいう分光センサの一例に相当し、分光センサ８０、ケーブル８１、およびパソコン４０を合わせた構成が本発明の同定装置における分光分析部の一例に相当する。
【００１６】
ＣＯ２レーザ発振器９０を作動させてＣＯ２レーザを伝送ライン６０に送り込むと、ＣＯ２レーザは、伝送ライン６０によりレーザノズル５０にまで伝送され、レーザノズル５０から岩石１９に向けて照射される。
【００１７】
ＣＯ２レーザ５１は水への吸収率が高く、レーザノズル５０から岩石１９に向けて照射されたＣＯ２レーザ５１は、その途中の水１１に吸収され、水１１を急激に蒸発させて気泡１４を盛んに産生しながら岩石１９に向かう。水１１に吸収されずに岩石１９に到達したＣＯ２レーザ５１は、そのエネルギーで岩石１９を粉砕して岩石１９の微細粉を生成しながら、ＣＯ２レーザ５１による岩石１９の照射箇所を抉っていく。そして花崗岩１９１、安山岩１９２および玄武岩１９３の順にＣＯ２レーザ５１が照射される。
【００１８】
ＣＯ２レーザ５１が岩石１９に照射されると、その岩石１９からその岩石１９の種類に応じたプラズマ光５２が発生する。分光分析に用いるプラズマ光は、赤外域から紫外域に至る、２．０μｍ以下の波長領域の光であり、水１１への吸収率が低く、水中、特に泥水中で激しく乱反射して散乱するが、ここでは、岩石１９から分光センサ８０に至るプラズマ光５２の経路には多数の気泡１８が存在する。これらの気泡１８は、この図１に示すように、全体として略逆三角形を成して上昇する。このため、岩石１９からのプラズマ光５２は、その経路中のかなりの長いパスが気泡中を通ることとなり気泡中を通って上方に向かい、上方に配置されている分光センサ８０に到達する。このように、ＣＯ２レーザ５１を岩石１９に上方から照射し、さらに分光センサ８０を上方に配置することにより、その分光センサ８０でプラズマ光５２を受光することができる。ここではこれを利用し、岩石１９の種類が同定される。
【００１９】
図２は、分光分析結果を示した図である。図２（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は、それぞれ花崗岩、安山岩、玄武岩の分光分析結果である。この図２の分析結果に示すようにそれぞれの岩石に特徴的な波長ピークの存在／不存在が明確にあらわれている。
【００２０】
次に、図１に示す本発明の一実施形態としての同定装置を、原子炉格納容器内底部に堆積した燃料デブリの除去システムに適用した例について説明する。
【００２１】
近年核燃料のメルトダウンにより原子炉格納容器内底部に堆積した燃料デブリを除去する技術の開発が大きな課題となっている。しかしながら、原子炉格納容器内においては、高線量（オペレーションフロアー線量：〜８８０ｍＳｕ／ｈ）のため、燃料デブリへのアクセスが極めて困難となっており、燃料デブリの性状に応じて多様な作業を遠隔実施することが必要となる。
【００２２】
このため、遠隔操作ロボットが検討されている。遠隔操作ロボットには、無線操縦のタイプと有線操縦のタイプがあるが、無線操縦の遠隔操作ロボットの場合、障害物の多い場所では電波が届かず操作が出来なくなるという問題がある。一方、有線操縦の遠隔操作ロボットは、障害物があるとケーブルの取扱いが問題となる。このため、燃料デブリを加工ないし除去するための装置をその燃料デブリ近傍まで如何にして搬入するかが課題となる。
【００２３】
過去には、米国スリーマイル島において機械式ビットを用いた燃料デブリの除去作業が行なわれている。これは、機械式ビットを回転させる装置を原子炉格納容器真上（オペレーションフロアー）に設置して、これを回転させることにより、燃料デブリを砕いて除去する方法である。しかし燃料デブリは硬く、機械式のビットが容易に破損するため、交換作業を必要とし、原子炉格納容器真上の高線量の場所での交換作業には大きな困難を伴うことになる。
【００２４】
近年、水中の岩石等にＣＯ２レーザ等の長波長のレーザを照射して微細に破砕する技術が開発されている（特許文献１，２参照）。この技術を採用すれば機械式ビットを用いるよりも容易に燃料デブリを破砕できるものと考えられる。
【００２５】
以下に説明する燃料デブリの除去システムは、燃料デブリに長波長レーザを照射して微細に破砕して除去する技術である。
【００２６】
図３は、原子炉格納容器に可撓性パイプを敷設している様子を示した模式図である。
【００２７】
原子炉格納容器１０には、水１１が溜っていてその底には燃料デブリ１２が堆積している。また、この原子炉格納容器１０には、給水弁１３と排水弁１４が備えられている。
【００２８】
この原子炉格納容器１０には、その真上から可撓性パイプ２０が挿入され、パイプ繰出装置２１により原子炉格納容器１０内に送り込まれている。この可撓性パイプ２０の先端部２０ａには、その可撓性パイプ２０の進行方向を視認するための撮像センサ３０が据えられており、その撮像センサ３０から延びるケーブル３１が可撓性パイプ２０内を通ってパソコン４０に接続され、そのパソコン４０の表示画面上に撮像センサ３０による撮像画像が表示される。
【００２９】
ここで、可撓性パイプ２０については、ＡＰＩ（Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ  Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ）で規格が定められている。ここには、最大呼び径６−５／８インチ、内径１４６．３ｍｍ、外径１６８．３ｍｍまでの規格が定められている。この規格に準拠した巻取りパイプ（Ｆｌｅｘ  Ｓｐｏｏｌａｂｌｅ  Ｐｉｐｅ）が存在し、呼び径８”（外径９．１８１インチ、内径７．６２５インチ）のものが市場で入手可能であり、本実施形態では可撓性パイプ２０としてこのパイプが使用される。
【００３０】
図４は、図３に示す矢印Ａ−Ａ’に沿う断面図である。
【００３１】
可撓性パイプ２０の内部には撮像センサ３０とパソコン４０とを接続するケーブル３１が通過している。また、この可撓性パイプ２０の周りには、その可撓性パイプ２０の外面に沿って可撓性パイプ２０と平行に延びる複数本（ここに示す例では４本）のコントロールワイヤ２２が備えられている。このコントロールワイヤ２２は、可撓性パイプ２０の先端部２０ａにおいて可撓性パイプ２０に固定され、その先端部２０ａ以外の部分では、可撓性パイプ２０に対し摺動自在となっている。このため、これら複数本のコントロールワイヤー２２のいずれかを引いたり緩めたりすることにより、可撓性パイプ２０の先端部２０ａの向きを自由に調整することができる。
【００３２】
このようにして、可撓性パイプ２０が原子炉格納容器１０内の燃料デブリ１２の近傍にまで送り込まれ、その先端部２０ａが燃料デブリ１２を向くように調整される。
【００３３】
可撓性パイプ２０の敷設後は、撮像センサ３０は一旦抜き取られる。
【００３４】
図５は、原子炉格納容器にレーザノズルを設置する様子を示した模式図である。
【００３５】
レーザノズル５０には、そのレーザノズル５０にレーザを伝送する伝達ライン６０が接続されている。この伝送ライン６０はレーザノズル５０に向けてＣＯ２レーザを伝送する伝送ラインであり、レーザノズル５０は、その伝送ライン６０から送り込まれたＣＯ２レーザを出射する役割を担っている。
【００３６】
ここでは、レーザノズル５０を可撓性パイプ２０内に導入し、伝送ライン繰出装置７０により伝送ライン６０を繰り出す。すると、レーザノズル５０は、可撓性パイプ２０に案内されながら原子炉格納容器１０内に送り込まれる。
【００３７】
ここで、レーザノズル５０には、撮像センサ３０と分光センサ８０が、レーザノズル５０と同じ向きに向けて取り付けられている。このため、レーザノズル５０が可撓性パイプ２０内に送り込まれると、撮像センサ３０および分光センサ８０も一緒に送り込まれる。撮像センサ３０および分光センサ８０には、パソコン４０にまで延びるケーブル３１，８１が接続されている。
【００３８】
図６は、ＣＯ２レーザを伝送する伝送ラインの構造を示した模式図である。
【００３９】
この伝送ライン６０には、外筒６１が備えられており、この外筒６１には曲がり部６１ａが設けられている。この曲がり部６１ａは、この外筒６１をどの向きにも曲げることができる構造となっている。
【００４０】
外筒６１の中にはレーザ伝送管６２が配置され、支持部材６３に支持されている。ここには、レーザ伝送管６２が２本示されており、それら２本のレーザ伝送管６２は、曲がり部６１ａで終端している。そしてこれら２本のレーザ伝送管６２の端部どうしの間には、１本のレーザ伝送管６２から出射されたレーザを反射してもう１本のレーザ伝送管に入射する、２つの反射ミラーからなる結合光学系６４が備えられている。これにより、外筒６１の曲がり部６１ａおよび結合光学系６４からなる可撓性ジョイントが構成され、図６（Ｂ），（Ｃ）ように自在に曲げることができ、かつ曲げた状態においても１本のレーザ伝送管６２からもう１本のレーザ伝送管６２へとレーザを伝送することが可能となっている。
【００４１】
図５に示す伝送ライン６０は、図６に示すような、外筒６１に所定のピッチで曲がり部６１ａが設けられ、レーザ伝送管６２と結合光学系６４が交互に配置された構造の伝送ラインである。
【００４２】
図７は、レーザノズルを、格納容器内の燃料デブリ近傍に設置した状態を示した図である。
【００４３】
レーザノズル５０を可撓性パイプ２０に案内させながら原子炉格納容器１０内の燃料デブリ１２の近傍に設置し、伝送ライン６０の後端にＣＯ２レーザ発振器９０を取り付ける。また、レーザノズル５０に固定されている撮像センサ３０、分光センサ８０、およびパソコン４０も準備を完了させる。
【００４４】
図８は、燃料デブリを除去している様子を示した模式図である。
【００４５】
図７を参照して説明したようにして準備が整うと、ＣＯ２レーザ発振器９０を作動させ、ＣＯ２レーザを伝送ライン６０に送り込む。伝送ライン６０に送り込まれたＣＯ２レーザは、図６を参照して説明したようにしてレーザ伝送管６２をリレーしてレーザノズル５０に送り込まれ、そのレーザノズル５０により燃料デブリ１２に向けて照射される。レーザノズル５０から燃料デブリ１２に向けて照射されたＣＯ２レーザ５１は、その途中の水１１に吸収されて水１１を急速に蒸発させ、気泡１８を盛んに産生しながら燃料デブリ１２に向かう。水１１に吸収されずに燃料デブリ１２に到達したＣＯ２レーザ５１は、そのエネルギーで燃料デブリ１２を粉砕して燃料デブリ１２の微細紛１５を生成する。原子炉格納容器１０内には、給水弁１３を介して給水され、原子炉格納容器１０から排水弁１４を介して排水される。この排水には、燃料デブリ１２の微細紛１５が大量に混入しており、その微細紛１５は、排水弁１４の下流側に設置された燃料デブリ回収装置（不図示）により回収される。ここで、レーザノズル５０には、分光センサ８０が固定されている。レーザノズル５０からのＣＯ２レーザ５１が燃料デブリ１２に照射されると、その燃料デブリ１２から、その燃料デブリ１２の組成に応じた波長のプラズマ光が発光する。このプラズマ光を捉えれば、その燃料デブリ１２の組成を知ることができる。この組成分析のためのプラズマ光は、赤外域から紫外域に至る、２．０μｍ以下の波長領域の光であり、水への吸収率が低く水中、特に泥水中で乱反射するため、ここで例示しているような燃料デブリ１２が堆積した原子炉格納容器１０のようなコントロール不能な環境下では分光センサ８０にそのプラズマ光が到達しないものと考えるのが一般的であった。しかしながら、ＣＯ２レーザのように２．０μｍ以上の長波長レーザの場合、レーザエネルギーが水に激しく吸収されて盛んに気泡を生成する。このため、燃料デブリ１２からのプラズマ光は、その反射経路中のかなりの長いパスが気泡中を通ることになり、乱反射が大幅に抑えられ、分光センサ８０に到達する。ここではこれを利用し、分光分析により今から排出される燃料デブリ１２の微細紛１５の成分を予め知り、今から排出される燃料デブリ１２の微細紛１５の主要成分に応じて排出経路が切り替えられ、あるいは燃料デブリの微細紛１５を回収するためのフィルタ等がその主要成分を効率的に回収することが可能なフィルタ等に切り替えられる。
【００４６】
ここでは、可撓性パイプ２０をレーザノズル５０を設置する際の案内用として利用しているが、以下、原子炉格納容器１０を例にして、その可撓性パイプ２０の他の利用法について紹介する。
【００４７】
図９は、図３に示すようにして敷設した可撓性パイプの他の利用法を示した模式図である。
【００４８】
図９（Ａ）は、可撓性パイプ２０内に水噴射ノズル１００を先頭にしてホース１０１を差し込み、ポンプ１０２で原子炉格納容器１０内に水を送り込んでいる様子を示した図である。このように、可撓性パイプ２０を使って水噴射ノズル１００を燃料デブリ１２の近傍に設置し、水噴射により燃料デブリ１２の上に積った汚泥等の堆積物１７を水で飛ばして燃料デブリ１２を洗浄することができる。
【００４９】
図９（Ｂ）は、可撓性パイプ２０内に軸流ポンプ１１０を先頭にしてホース１１１を差し込み、軸流ポンプ１１０で原子炉格納容器１０内の泥水を汲み出している様子を示した図である。
【００５０】
例えば図９（Ａ）のようにして水噴射により飛ばした堆積物１７が図９（Ｂ）にようにして汲み出され、そのホース１１１の後端に接続された処理システム１１２でその堆積物１７が処理される。
【００５１】
前述の実施形態では、図６に示すように給水弁１３および排水弁１４を備え、原子炉格納容器１０への給水系統や原子炉格納容器１０からの排水系統が健在であることを想定しているが、給水系統や排水系統に不具合がある場合、燃料デブリ１２にＣＯ２レーザを照射して生成した微細紛１５を、図９（Ａ）のようにして水中に浮遊させ、図９（Ｂ）のようにして汲み出してもよい。
【００５２】
図９（Ｃ）は、可撓性パイプ２０内にセメント噴射ノズル１２０を先頭にしてホース１２１を差し込み、セメンチングポンプ１２２で原子炉格納容器１０内にセメント１２３を送り込んでる様子を示した図である。
【００５３】
原子炉格納容器１０内の燃料デブリ１２を図６に示すように除去しても燃料デブリ１２を原子炉格納容器１０から完全に除去し尽くすのは難しいことも考えられる。そこで、原子炉格納容器１０内に残留燃料デブリ１２’が残った場合、その残留燃料デブリ１２’をセメントで覆うことが有効な対策の１つと考えられる。このような場面においても可撓性パイプ２０を利用し、図９（Ｃ）に示すようにして残留燃料デブリ１２’をセメント１２３で覆うことができる。
【００５４】
尚、ここでは、原子炉格納容器１０内の燃料デブリ１２を破砕して除去する際に本発明を適用した例について説明したが、本発明は、この例に限られるものではなく、水中に存在する同定対象物を同定する必要がある場合に広く適用することができる。
【００５５】
また、ここでは、ＣＯ２レーザが採用されているが、本発明では、必ずしもＣＯ２レーザを採用する必要はなく、波長２．０μｍ以上のレーザ、例えばＣＯ２レーザ、ＣＯレーザ、Ｅｒ−ＹＡＧレーザ、およびＨｏ−ＹＡＧレーザからなる群から選ばれた何れかのレーザであってもよい。
【００５６】
さらにここでは、伝送ライン６０について図６を参照してその一例を説明したが、これは、高エネルギーのレーザを伝送して岩石や燃料デブリを破砕することを兼ねているためであり、同定の目的のためには、もっと弱いエネルギーのレーザであってもよく、その場合には、伝送ライン６０に弗化ガラスファイバ（Ｆｌｕｏｒｉｄｅ  ｇｌａｓｓ  ｆｉｂｅｒ）又はカルコゲン化物ガラスファイバ（Ｃｈａｌｃｏｇｅｎｉｄｅ  ｇｌａｓｓ  ｆｉｂｅｒ）などのファイバを用いてもよい。あるいは、レーザ発振器を真上に据え付けることができるときは、同定対象物に向けてレーザ発振器からレーザを直接に照射してもよい。
【符号の説明】
【００５７】
１０    原子炉格納容器
１１    水
１２，１２’    燃料デブリ
１３    給水弁
１４    排水弁
１５    微細紛
１７    堆積物
１８    気泡
１９    岩石
２０    可撓性パイプ
２０ａ    先端部
２１    パイプ繰出装置
３０    撮像センサ
３１，８１    ケーブル
４０    パーソナルコンピュータ
５０    レーザノズル
５１    ＣＯ２レーザ
５２    プラズマ光
６０    伝送ライン
６１    外筒
６１ａ    曲がり部
６２    レーザ伝送管
６４    結合光学系
７０    伝送ライン繰出装置
８０    分光センサ
９０    ＣＯ２レーザ発振器
１００    水噴射ノズル
１０２    ポンプ
１１０    軸流ポンプ
１１１    ホース
１１２    処理システム
１２０    セメント噴射ノズル
１２２    セメンチングポンプ
１２３    セメント
１９１    花崗岩
１９２    安山岩
１９３    玄武岩
【図１】
2015141089.tif 000003
【図２】
2015141089.tif 000004
【図３】
2015141089.tif 000005
【図４】
2015141089.tif 000006
【図５】
2015141089.tif 000007
【図６】
2015141089.tif 000008
【図７】
2015141089.tif 000009
【図８】
2015141089.tif 000010
【図９】
2015141089.tif 000011