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光エレクトロニクスの原子力プラントへの適用に関する研究
Research on the Application of Optoelectronics to Nuclear Power Plants
白崎 秀和(Hidekazu Shirosaki)*
空本 誠喜

光田 弘道

(Seiki Soramoto)(Hiromichi Mitsuda)*†前川 立行倉田 敏一(Toshikazu Kurata)*(Tatsuyuki Maekawa)†

要約 半導体レーザ，光ファイバなどの技術を基盤とした光エレクトロニクスは，光ファイバー通信，コンパククトディスクなどの分野では実用化の域に達している．また，原子力分野におけるウラン濃縮法の一種であるレーザ濃縮法も，光エレクトロニクスの産物といえる．この光エレクトロニクスは，今後ともあらゆる分野への応用が進められて行くものと考えられ，将来の実用化をめざし，コヒーレント光通信，光集積回路や光コンピュータ等の研究もなされている．
一方，原子力発電所においてはデジタル式制御装置等が導入され，光ファイバを使用した情報伝送が一部実施され始めているが，今後，更に光エレクトロニクスを適用し，プラントの信頼性向上を図れる可能性があると考えられる．
そこで，本研究では，光エレクトロニクスに関する技術を調査・検討し，光スイッチを適用した手動弁の遠隔監視システムを提案した．更に，提案したシステムについて，原理の検証試験を行い，原子力発電所への適用に関するフィージビリティ・スタディを実施した．その結果，提案したシステムは有効であり，弁開閉監視システムとして実現できる可能性のあることが確認された．
キーワード

オプトエレクトロニクス，弁，監視，オンラインシステム，光スイッチ，光ファイバ，半導体レーザ，光分岐器

Abstract
Optoelectronics, which is based on technologies such as laser diodes and opticalfibers, is approaching the realm of practical application in the fields of optical fiber communications
and compact disks etc,. In addition, laser enrichment, a type of uranium enrichment technique used in
the nuclear field, can also be regarded as a product of optoelectronics. Application of optoelectronics
in a wide range of fields is likely to continue in the future, and research is being conducted oncoherent optical communication, optical integrated circuits, optical computers and other subjects inhopes of attaining practical application of these technologies in the future.
On the other hand, digital control equipment and other related devices have been installed and datatransfer using optical fibers has been implemented on a partial basis at nuclear power plants, andoptoelectronics is anticipated to be applied on an even broader scale in the future, thereby creating thepotential for improving plant reliability.
In this research, we conducted an investigative study of technologies relating to optoelectronics, andproposed a remote monitoring system for manually operated valves that employs optical switches.
Moreover, we conducted theoretical verification tests on the proposed system and carried out afeasibility study relating to application to nuclear power plants. As a result, the proposed system wasfound to be effective, and confirmed to have the potential of realization as a valve switchingmonitoring system.
Keywords

optoelectronics, valve, monitoring, on-line system, optical switch, optical fiber, laser diode,optical splitter*（株）原子力安全システム研究所†（株）東芝 原子力技術研究所

技術システム研究所

181

1.

る技術を調査・検討し，原子力プラントへの適用性はじめにについてのフィージビリティ・スタディを実施した
近年，レーザなどを応用する光技術とエレクトロので報告する．

ニクスの最新技術を駆使する光エレクトロニクスとよばれる新しい学問，産業分野が発展しつつあり，

2.

光エレクトロニクス関連技術の調査

例えば，光ファイバー通信，コンパククトディスクなどの光電子機器は実用化の域に達している．また，原子力分野におけるウラン濃縮法の一種であるレー
ザ濃縮法も，光エレクトロニクスの産物といえる．
さらに，半導体レーザ，光ファイバ，光部品などの要素技術を基盤とした光エレクトロニクスは，今後もあらゆる分野への応用が進められて行くものと考えられ，将来の実用化をめざし，コヒーレント光通信，光集積回路や光コンピュータ等の研究がなさ

ここでは，光エレクトロニクスに関連する要素技術について調査し，原子力発電所への適用性の観点から整理した．但し，その際，既に原子力発電所へ適用されている技術は除いた．その結果，原子力発電所への適用が考えられる技術として 16 項目を抽出した．抽出した 16 項目を図１に示す．
さらに，各技術を原子力発電所へ適用した場合の適用効果・実現性・新規性等の観点から総合的に検討した結果，光の ON ／ OFF を利用して手動弁の開れている．
一方，原子力プラントにおいてはデジタル式制御装置等が導入され，光ファイバを使用した情報伝送が一部実施され始めているが，今後，さらに光エレクトロニクスを適用し，プラントの信頼性向上を図れる可能性があると考えられる．
そこで，本研究では，光エレクトロニクスに関す図１

閉状態を監視するシステムについて，今後研究を進めていくこととした．

3.

システム概念の策定

まず，最初に，光の ON ／ OFF を利用した手動弁の開閉監視システム（以下，弁開閉監視システムと原子力発電所への適用が考えられる光エレクトロニクス関連技術

182いう）について，信頼性・保守性・経済性等の観点

電気信号：流量計，温度計とセンシング手法の両面からの検討を行い，システ（３）弁の内部構造の変化の検出
画像信号：Ｘ線，超音波ム概念を策定した．

3.1

システムに対する要求事項の整理

弁開閉監視システムの概念を検討するにあたり，3.2.2

信号伝送方式

検出した信号の信号伝送方式としては次の方法がまずシステムに対する要求事項を信頼性，工事の容考えられる．

易性，保守性および経済性の観点から整理した．

（１）専用電気ケーブルによる伝送（２）光ファイバによる伝送

信

頼性：耐ノイズ性に優れていること
温度，湿度，放射線，振動など耐（４）光無線による伝送

環境性に優れていること

専用電気ケーブルによる伝送は，これまで多くの工事の容易性：弁側の改造が少なく，敷設／設置工事の容易なこと
保経

守済（３）無線による伝送

計測信号の伝送手段として確立されている技術である．

工事作業スペースをとらないこと

光ファイバによる伝送は，電磁ノイズの影響を受性：試験が容易にでき，異常発見が容けない，高速多重伝送に適しているなどの特質があ易なことり，プラント内データ伝送に使用されている．最近

交換／点検が容易なこと

では光センシング技術の進展に伴い，光センサと光信号処理／データ処理が容易なこファイバを組み合わせた計測システムの開発が進めとられている．

性：保守作業が安価なこと
ケーブル量の少量化

無線による伝送はケーブルを必要としないため，ケーブル量を削減でき，計装系へのノイズの影響を受けにくい伝送方式であるが，無線伝送では建屋の3.2

センシング手法の調査・検討

壁を超えた伝送は困難であり，中継局を設置する必要がある．

ここでは，弁の開閉状態を監視するための検出方法および信号伝送方法について調査し，それらの適用性について検討した．

3.2.1

光無線方式は，電波に代わり光を媒体として伝送を行うものであり，ケーブルを必要とせず，無線に比べてもノイズ等の影響を受けないメリットがある．しかしながら，光の直進性から，送信局，受信検出方法

局の設置位置の検討には無線方式以上の配慮が必要

弁の開閉状態を検出する手法としては，次のようである．

な方法が挙げられる．さらに，弁の状態をセンシングし，出力する信号としては，電気信号，画像信号，光信号およびパトロール員による確認等がある．
（１）弁の開閉による外観的構造変化の検出・認
識

3.2.3

検出方法と信号伝送方式の組み合わせ

電気信号として検出された信号を電気ケーブルで伝送する場合や，光信号として検出された信号を光ケーブルで伝送する場合には，信号形態の変換のた電気信号：リミットスイッチ，近接スイッチ等めの装置が不要であるが，電気信号で検出された信号を光ファイバあるいは無線で伝送する場合には，画像信号：ＴＶカメラ

電気／光，電気／電波等の変換が必要となる．さら光 信 号：光スイッチ，光ファラデー素子に，電気信号として検出するためには，検出部分にそ の 他：パトロール員による確認電源が必要である．

（２）流体の状態の変化の検出

光による検出方法と光ファイバを組み合わせた方

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弁１

光パルス波形弁２弁ｎ

手動弁

配管;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;

光出力強度
（Ｗ）

パルス光源

光ファイバ

光検出器および信号処理装置

光スイッチ

光信号

光分岐器

時間（ｎｓ）

パルスあり：弁開パルスなし：弁閉;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;

同期信号

図２

弁開閉監視システムの概念図式であれば，検出部分の電源が不要，少数の光ファるものである．このセンシングシステムは，センシイバによる多点の伝送が可能，信号形態の変換が不ングの全てを光信号で行い，信号伝送・監視センサ要という特質があり，現場設置機器が不要であるこ部を光ファイバ・光センサとしたものであり，このと，ケーブル量が少量で済むなどの点で優れているシステムの特徴としては，と考えられる．

（１）電磁気の影響が少ない

3.3

システム概念の検討

前節に示した数種類の異なるセンシング手法の調（２）化学的・腐食的雰囲気に強い（３）監視点で電源等の設備が不要（４）２本の基幹信号ケーブルだけで多点監視が可能

査・比較の結果，光信号による検出方法と光ファイバによる信号伝送方式の組み合わせが，弁開閉監視が挙げられる．

システムに対して有望であるという結果が得られ次に，構成機器の基本性能について調査し，手動た．そこで，この光ファイバを利用したセンシング手

弁の開閉状態監視への適用可能性について検討した法について結果について報告する．

・検出方法（光センサ）
・信号伝送方式（透過型／反射型）

光源：の観点から検討を行い，図２のシステムを考案した．

光ファイバセンシングに対して適用が期待

このシステムはパルス光を利用したもので，パルスされる光源としては，半導体レーザ（LD ：光源，光検出器，光分岐器，光センサおよび光ファLaser Diode），固体レーザ，気体レーザ等が挙

イバ等の光エレクトロニクス関連機器で構成される．

げられる．これらの光源をシステムに適用すこの光ファイバセンシング手法は，パルス光を光る場合に求められる性能としては，短パルス分岐器により各監視点に分岐し，各監視センサで変化，光強度，制御性，小型化および光ファイ調を受けた光を光検出器で検出するもので，光検出バ接続性が挙げられる．

部で得られる信号は，各監視点の状態を表すパルス光の時系列データとなっている．

ＬＤは小型化／制御性において秀でた光源であり，光ファイバとの接続性においても，本方法は，手動弁の開閉と光センサの ON ／ OFFモジュール化が比較的容易であり，レンズ系を連動させ，全ての手動弁の状態を遠隔で監視できを介して高い効率で光ファイバに投光可能で

184ある．また，最近の光強度も飛躍的に増強さードファイバよりも取り扱い性がやや劣るもれており，光ファイバセンシングに最適な光のの，曲げや振動の影響を受けにくく，また源と考えられる．

伝送損失も小さいという利点がある．

一方，固体レーザや気体レーザは，制御性弁開閉監視に適用する場合，長距離に渡りや光ファイバとの接続性において課題を残しセンシングする必要があり，伝送損失が小さており，ここでの光ファイバセンシングにはく，振動，曲げなどの耐環境性に優れたもの

適用しづらい光源である．

が適当である．以上を総合的に判断した場合，シングルモードファイバが適当と考えられる．

光検出器：
パルス測定に対応した検出器としてはフォト

光分岐器：ダイオード（PD ： PhotoDiode），アバランシ

光分岐器の光ファイバセンシングへの適用ェフォトダイオード（APD ： Avalancheに際して，光学面での重要な課題は損失特性

P h o t o D i o d e ）， 光 電 子 増 倍 管 （ P M T ：である．候補として考えられる分岐器として

PhotoMultiplier Tube），および光サンプリング

は光ファイバ融着型，ミラー型，導波路型のオ シ ロ ス コ ー プ （ OSO ： Optical Sampling

３種類があり，最も損失の少ないものは光フOscilloscope）がある．

ァイバ融着型である．多数の点を１ラインのこの中で，最も応答性に優れた検出器は，10ps の時間分解能を有する OSO である．その光ファイバで監視する必要があり，適当な分岐比で光をセンサ部に導く必要がある．

他の光検出器も OSO の性能には及ばないものの，優れた応答性を有している．
感度においては，PMT や OSO は微弱光測定が可能な優れた光検出器である．また APD，光センサ：手動弁を監視する光センサとしては，光スイッチの適用が見込まれる．

PD も暗電流で検出下限を制限されるものの，光スイッチは，機械式／非機械式のものに高速，高感度な検出器であり，赤外光には高大別され，各々に対しても幾つかのタイプのい感度を有するものがある．

ものが考えられている．機械式では，プリズ

信号処理においては，OSO は，他の検出器

ム移動型，ロッドレンズ移動型，光ファイバとは異なり，検出信号波形の表示／出力機能移動型，鏡回転型などが考案されており，こを有した装置で，信号処理も最も容易に行えの中でも制御性および接続損失において優れる光検出器である．

たものは，光ファイバ移動型である．一方，非機械式では，電気光学・磁気光学的な効果

光ファイバ：
光ファイバは，マルチモード（MM ： Muitiを利用したものがあり，これらは電気信号により駆動するものである．

Mode）とシングルモード（SM ： Single Mode）

弁開閉監視システムに適用する場合，保守の２種類に大別できる．マルチモードファイ

性の面から考えると，非機械式は有利とはい

バはコア／クラッド径が 50 μ m ／ 125 μ m，えず，機械式のもの特に光ファイバ移動型がシングルモードファイバは 10 μ m ／ 125 μ m適当と考えられる．光スイッチを手動弁と連の光ファイバである．

動させる方法としては，マルチモードファイバは取り扱いが容易で，（１）手動弁のストロークに連動させるＬＤ光源と高効率で結合できる．しかし，損（２）手動弁のハンドルの上下動に連動させる失が大きく，曲げや振動に対して出力光強度などの方式が考えられる．の変動が見られる．
一方，シングルモードファイバはマルチモ

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光ファイバ長（マルチモードファイバ）
LD光源

光分岐器

819nm, 5mW (max)

１：１

5m5m
１：１

１：１

光スイッチ

光スイッチ

パルス幅50ns
1m

光スイッチ
#1#2

#3

１：１

１：１

（電池駆動式）
1m

光検出器
１：１

Siフォトダイオード
1m

5m5m

光ファイバ長図３4.

原理検証に関する試験装置の概略図

光ファイバセンシングの原理検証試験

ラー型のものであり，光ファイバはマルチモードを使用した．試験装置の概略を図３，４に示す．

図２に示した弁開閉監視システムの実現可能性を評価するためには，原理的な可能性を検証するため

4.2

試験結果の基礎試験が必要である．そのためには，モデルシステムを製作し，これを用いて実際に基礎試験を実施することが望ましい．そこで，現在市販されている要素部品を用いて，簡単なモデルシステムを製作し，光スイッチを機器監視センサとした光ファイバセンシングの原理検証試験を行った．

試験装置による測定結果を図５に示す．（ａ）は全弁開状態，（ｂ）は弁２のみ閉状態を模擬した場合の結果である．この図からわかるように，光スイッチの ON ／ OFF 状態を光パルスの時系列データから確認することができた．
また，50ns のパルス光に対しては，監視点間隔4.1

試験装置および試験方法（光ファイバ長）が５ m 以上あれば監視可能であることが確認された．

原理検証試験では，パルス幅 50ns の半導体レーしかしながら，同時に次のような課題も明らかにザ（波長 819nm，ピーク強度 5mW）を使用した．

なった．

３個の光スイッチを５ m 間隔で配置し，光分岐器（１）監視点数を増加させるためのパルス光源のおよび光ファイバで並列に繋いで試験システムを組み上げ，パルス光を光検出器（PD）で検出した．
さらに，得られたパルスの時系列データから光スイ
ッチの ON ／ OFF 状態を判断した．なお，光スイッチは電池駆動式の光ファイバ移動型，光分岐器はミ高出力化（２）監視点間隔を縮めるためのパルス光源の短パルス化（３）保守性を向上させるための光スイッチの電源フリー化

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図４

試験装置の外観写真（４）光分岐・接続損失を低減させるための光分岐器の融着接続方式化（５）光パルスの伝送損失を低減させるためのシングルモード光ファイバの採用

5.

まとめ

本報告においては，光エレクトロニクスに関する技術を調査・検討し，光スイッチを適用した手動弁の遠隔監視システムを提案した．さらに，センシン
グ手法の調査・検討を実施したところ，光スイッチによる弁開閉状態の検出方法および光ファイバによる信号伝送方式が有望であるという結果を得た．
そこで，この方式を適用した弁開閉監視システムの概念を策定し，既存の光スイッチや光分岐器等の要素部品を用いて，システムとしての実現性可能性を検証をするべく基礎的な実験を行った．
その結果，考案したシステムは，手動弁等の弁の開閉監視に対して原理的に実現可能であることが確認された．しかしながら，同時に，システムを実用化するためには要素部品の改良が必要であることも判明した．今後は，パルス光源の高出力化・短パル
ス化，光スイッチの電源フリー化，光分岐器の低損失化等の要素部品の改良・試作，ならびに，光スイッチの弁への取付方法について検討を実施していく予定である．

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図５

原理検証に関する試験結果（６）大久保勝彦，ISDN 時代の光ファイバ技術，参考文献

理工学社 1991（１）左貝潤一

杉村陽，光エレクトロニクス，朝倉書店 1993
（２）野田健一

大越孝敬監修，光エレクトロニク

スハンドブック，昭晃堂 1989
（３）応用物理学会 光学懇話会編集，オプトエレク
トロニクス，朝倉書店 1986
（４）大森豊明編集，センサ実用便覧，フジ・テクノシステム 1985
（５）青柳全 他，光センサ・テクノロジー集成，オプトロニクス社 1990

（７）高原幹夫，新技術シリーズ

光ファイバ，パワー社 1986
（８）浅見義弘監修，レーザ工学，東京電機大学出版局 1988（９）矢島達夫 他編集，新版レーザハンドブック，朝倉書店 1989
（10）レーザ協会編集，レーザ応用技術ハンドブッ
ク，朝倉書店 1991