廃炉基盤研究プラットフォーム
第13回運営会議
資料13-3-3-1

燃料デブリ取り出し時における炉内状況把握のための遠隔操作技術に関する研究人材育成研究代表者

東京大学 淺間 一

再委託先

福島大学 高橋隆行
神戸大学 横小路泰義

JAEA事業責任者

楢葉遠隔技術開発センター 川端邦明

代理発表

東京大学 鈴木俊一

背景・課題設定
燃料デブリ取り出しに必要な方針（NDF）◆ 基本的考え方１：安全（放射性物質を出さない）→ 放射性物質に起因するリスクの低減及び労働安全の確保◆ 基本的考え方２：確実（デブリ取り出しを俯瞰的に確認しながら確実に実施）→ 信頼性が高く、柔軟性のある技術◆ 基本的考え方３：合理的（取り出し作業状況確認、放射線測定を合理的に実施）→ リソース（ヒト・モノ・カネ、スペース等）の有効活用◆ 基本的考え方４：迅速（多種・多様な測定装置の導入・交換を容易にする）→ 時間軸の意識◆ 基本的考え方５：現場指向（現場で適用可能な技術を開発する）→ 徹底した三現（現場、現物、現実）主義

燃料デブリ取り出しにおける合理的な作業状況モニタリングの開発及び、先進技術開発の継続的人材育成を行う必要がある

研究目標

PCV

遠隔操作技術による燃料デブリ取り出し作業状況モニタリングプラッ
トフォームの構築
1
ペデスタル内に、カメラや放射線計測デバイスが移動可能なプラットフォームを遠隔から構築し、操作・計測・可視化を行うことで作業状況をモニタリングする
pedestal

軌道構造自動施工システムによるプラットフォーム構築

Sensors/
detectors

プラットフォーム上をセンサユニットが移動
高剛性軽量アーム

monitoring
platform••

camerasTop view

環境モデル立体復元

遠隔操作I/F

3D map小型放射線モニタリ
ングデバイス開発••

映像提示
高臨場感操縦cameraneutron detector

Side view(offline)

Side view(online)operator

3

研究体制

要素技術

3Dデータ・模擬環境

連携ラボ（JAEA）
モックアップ環境を楢葉に構築し、試験を行う連携ラボ（大学等）

4

(1)①軌道構造自動施工システム
福井（東大）

目標：ペデスタル内部で展開可能なモジュール分割式軌道構造の実現【技術課題 → 達成アプローチ(新規性)】
I. 高放射線環境に展開可能な軌道構造→PCV外部でモジュールの連結施工を行う後方からの押し出し施工法
II. ペネトレーションからペデスタル内部へ長距離伸展可能な軌道構造→大モーメントを支持可能な直線レールと屈曲レールの分散構成

III. 円形のペデスタル内周に沿った軌道構造の実現→受動関節と能動関節を組み合わせた
高コンプライアンス(倣い性)軌道
IV. 折れ曲がった(平滑でない)軌道構造上
でカメラや各種センサを運搬→受動屈曲・オーバーハング式の移動ユニット

直線導入レール※PCV外部でモーメント支持モジュール分割式
屈曲レール

PCV内部に進入し，連結施工をするモニタリングプラットフォーム

耐放射線カメラなどを運搬する
オーバーハング式移動ユニット
屈曲レールモジュール上の受動・能動関節

プラットフォーム上を移動する
センシングユニット

5

(1)②コンパクトに巻き取り可能な高剛性軽量アーム
高橋（福島大）カメラやセンサを，適切な位置に固定するためのアームを開発する⚫ カメラやセンサを保持できる適切な長さのリーチならびに高い剛性⚫ センサ等の入れ替え時に外に取り出すためにコンパクトに収納可能

加熱装置

アームの構成低融点合金を加熱・冷却することによって，リジッドモードとフレキシブルモードを切り替える

加熱には誘導加熱(Induction Heater)を用いる
Eddy current

Low Melting
Point Alloy(LMPA)

Heating :Flexible

ACCooling :Rigid

Alternating field

非接触であり，濡れたアームでも加熱が可能

Low Melting
Point Alloy(LMPA)
Heating materialWork coil
Cupper・合金により結合するので，遊びが生じない・加熱というシンプルな方法で切替・合金によって素早い切替が可能

Low Melting
Point Alloy(LMPA)

Rigid

ずらして繋ぐことによって螺旋状に巻き取ることが可能

低融点合金の発熱量が小さいので，発熱量の大きい材料を付加する
・非接触での加熱が可能
・巻取・加熱装置の単純化・小型化が可能

6

(2)②高臨場感操縦インタフェース【目的】
放射線量が高く密閉された狭隘空間という厳しい条
件下で、プラットフォーム設置および燃料デブリ取り出し等の作業を安全かつ効率的に行える高臨場感な遠隔操縦インタフェースの開発

横小路（神戸大）CGモデル

環境の3次元モデル

線源情報の重畳表示【研究開発内容】
高臨場感インタフェースのイメージ• 超多自由度構造体であるプラットフォームをペデスタル内に設置するための操縦法および操縦インタフェース• カメラやセンサを適切に配置する超多自由度の高剛性軽量アームの操縦法および操縦
インタフェース• 可動式カメラ等を利用した映像提示と組み合わせた高臨場感遠隔操縦インタフェース RGB-Dカメラ映像による遠隔作業
様々なマスタアーム• シミュレータおよびモックアップでの検証【研究の新規性】• 密閉、高放射線量、狭隘という環境下での超多自由度アームの遠隔制御• 3次元モデルや多視点カメラ情報、放射線情報に基づく、高臨場感な遠隔操縦
狭隘空間での冗長マニピュレータ制御

8

(4)炉内環境把握のための環境モデル生成
川端、羽成（JAEA）、成瀬、中村（会津大）カメラ等により得られたデータから環境モデルを立体復元するための画像処理手法を開発し、軌道上を移動する複数カメラにより収集される画像に適用するシステムについて研究開発を行う。

✓ 復元された環境モデルの疎な部分や欠落部を逐次的に補完する手法
疎な部分を判定

カメラポジション
点群データ

必要なカメラ位置を推定
画像の追加取得

欠落部の補完復元結果が疎画像の欠落

環境モデル（欠損有）画像の追加

環境モデル（補完後）

欠落部の補完✓ 複数の局所環境モデルを統合し、環境モデルを生成する手法
局所的な環境モデルを生成+
局所環境モデル1

環境モデルを統合
局所環境モデル2

対象環境全域での統合
環境モデルの統合
環境モデルの生成10

連携ラボの効果：体制の妥当性• 廃炉の具体的ニーズの把握• 淺間、鈴木（東大）、佐藤（東京電力）• 先端的技術開発実績のある研究者• 軌道構造体自動施工（福井）、フレキシブルアーム（高橋隆）、映像イン
タフェース（山下、田村）、テレオペレーション（横小路）、放射線計測（高橋、島添）、環境モデル生成（川端、羽成、成瀬、中村）• 遠隔技術分野と放射線計測分野の異分野融合• 連携ラボ（JAEA）• JAEA楢葉でのモックアップ構築、CLADSとの連携• 川端（JAEA楢葉）、羽成（JAEA CLADS）• 既にJAEAと会津大で共同研究を開始• 令和2年度からポスドク1名雇用• 令和3年度からクロスアポイントメント（中村）11連携ラボの効果：事業継続性の妥当性• JAEA楢葉遠隔技術開発センターの継続的有効活用• 試験空間（モーションキャプチャシステム、VRシステム）、研究室、加工機器等• 継続的人材育成の3本柱• 研究教育• 座学• 東大大学院における廃止措置に関する講義• 施設見学• 原子力発電所等現場の施設見学• 人材の裾野拡大：ロボット工学等遠隔技術分野• 人材ニーズのフィードバック：東京電力HD• 福島イノベーションコースト構想で検討されている、浜通り地区における教育人材育成拠点形成に繋げる12

資料13-3-3-2

燃料デブリ分析のための超微量分析技術の開発
代表機関
東北大学（永井 康介）
日本原子力研究開発機構（前田 宏治）
再委託機関
九州大学（出光 一哉）
長岡技術科学大学（鈴木 達也）
日本核燃料開発株式会社（樋口 徹）
1

実施概要 キーとなるアクチノイド核種の化学分析を中心に、最適な試料前処理・分離・分析プロセスを開発。
→将来計画されている燃料デブリ分析の効率化・合理化。
 微量分析（ICP-MS/MS）を原子力分野に応用することにより測定核種を単離するための前処理をせずに分析できる手法を開発。
→分離前処理の省力化、迅速な分析工程の確立。
 廃棄物保管時、処分時の安定性を調べる
 一連の研究業務における人材育成。
実施項目：(1)模擬燃料デブリの溶解特性評価（JAEA、長岡技大）(2)燃料デブリの主要分離・分析プロセスの確立（JAEA、長岡技大）(3)模擬燃料デブリの作製 （NFD、東北大学）(4)ICP-MS/MSによるアクチノイド元素分析に係わる基礎データの取得（東北大学、長岡技大）(5)廃棄物処分における燃料デブリの安定性研究（九州大）

2

ICP-MS/MSをアクチノイド元素実験棟に設置
誘導結合プラズマ質量分析法（Inductive Coupled Plasma MassSpectrometry）は、アルゴンの高温プラズマ（ICP）をイオン源とする質量分析法である。高感度な無機元素分析手法であるため、現在ではエレクトロニクス、材料・化学、エネルギー・環境、医薬・バイオなど幅広い分野で使用され、普及が進んでいる。しかし、ICP-MSでは試料中に爽雑物が存在する場合、それに由来する分析対象元素のイオンと同じ質量数のイオンにより妨害を受ける「スベクトル干渉」の問題がある。
ICP-MS/MSは、従来の四重極型ICP-MSで困難であった試料中の混合物に由来するスペクトル干渉を回避でき、更なる高感度・高精度測定が可能である。

連携ラボ

3

４つのアクチノイドを扱うことの出来る本格的なホットラボの外観写真

JAEA 照射燃料集合体試験施設（FMF)

JAEA 照射燃料試験施設（AGF)

東北大学 アクチノイド研究棟

ウラン燃料研究棟44

資料13-3-3-3

化学計測技術とインフォマティックスを融合したデブリ性状把握手法の開発とタイアップ型人材育成
代表事業者： 福島大学
分担機関： （株）化研 （株）パーキンエルマージャパン
JAEA： 福島環境安全センター● 今後の研究人材育成の進め方
博士前期課程
（修士）
2020～

1

連携ラボ(大学等)⇔連携ラボ（JAEA）

タイアップ型人材育成構想

教育・研究 ： 身の回りの周辺環境の変化
全体会議
令和元年スタート

講義（地域実践研究I・II）(理工学セミナー)

主幹+JAEA+再委託

化学計測

MC-DL

修士・修了するには，修論研究のほかに22単位(11科目)の履修が必要
10単位：残12単位（6科目）ＡI＝ 羽ばたく人材（育成する能力）研究者 JAEA

研究者 JAEA

研究者 JAEA

ポスドク・
特研生（A）

学生
（A）
学生

学生
（B）
学生

連携ラボ

JAEA
東電
研究機関
民間

三春⇔福島大・車で40分（約35km）。
・講義の前後で実験ができる環境
・クロアポ教員にとって生活環境が大きく変化しない。
2

令和元年度

資料13-3-3-4

英知を結集した原子力科学技術・人材育成推進事業
研究人材育成型廃炉研究プログラム

放射線・化学・生物的作用の複合効果による燃料デブリ劣化機構の解明
研究期間
令和元年度-令和4年度
実施機関

東京工業大学
日本原子力研究開発機構
ヴィジブルインフォーメーションセンター1

燃料デブリに関する研究 燃料デブリの性状把握に関する研究(燃料デブリの現在を知る研究) 燃料デブリの性状変化に関する研究（燃料デブリの未来を予測する研究)2

燃料デブリの性状把握に関する研究 炉内の観察による評価。
 採取試料の分析による直接評価。
ミュオンによる測定

遠隔操作による観察

PCV内の物質の直接採取

Fe含有量が多い
Al,Cu,Zn,Pb,U

 性状把握手法については確立された。
 採取試料の直接評価の実施。
 燃料デブリの性状変化を研究する準備が整った。

3

燃料デブリの性状は変化(劣化)するか風化（Weathering)

地球表層では定常的に起こっている現象
現象解明、災害の防止のため、ミクロサイズから地球規模で研究されている。

ウラン鉱物の風化インコングルーエントな溶解が起こっていた。
溶解生成物が再沈殿（鉱物化）5燃料デブリの性状変化(劣化)に関する研究 溶解はCongruentか 加速する要因は何か。
 どの程度劣化するか。

化学的効果

加速する要因生物的効果

放射線効果
 燃料デブリは不均質。
 PCV中には空気（酸素）の混入の可能性。
6

冷却水＋地下水？
部分的溶解

U+Zr

Fe

冷却水＋地下水？
部分的溶解U+Zr

Fe冷却水＋地下水？
部分的溶解U+Zr

Fe冷却水＋地下水？
部分的溶解

FeU+Zr燃料デブリの性状変化(劣化)に関する研究

基礎・基盤研究の全体マップ(一部抜粋)①燃料デブリの経年変化プロセスの解明

11

テーマ２ 化学的作用による劣化機構の解明
ウラン錯形成による劣化機構の解明（東工大）
マイクロ流路法による劣化機構の解明（東工大）
溶解したデブリ成分の吸着挙動の解明(東工大)

複合作用

第1段階
第２段階

テーマ３ 生物的作用による劣化機構の解明
モデル微生物による劣化機構の解明（東工大）
１F生息微生物による劣化機構の解明（JAEA)

複合作用

アルファ線による劣化機構の解明
燃料デブリ及び含有成分元素の物理化学状態の解明（JAEA）
アルファ線＋反跳による損傷機構の解明
燃料デブリ及び含有成分元素の物理化学状態の解明（JAEA）

テーマ１ 放射線作用による劣化機構の解明（東工大）は東工大主体（JAEA）はJAEA主体で研究を進めるテーマ。

放射線損傷と酸化環境下における化学的及び生物学的損傷の複合作用による燃料デブリの劣化機構を明らかにし、酸素が存在する条件での複合作用による劣化を時間の関数として表す。

12