原子力システム 研究開発事業 成果報告会資料集
ナトリウム中の目視検査装置の開発
（研究代表者）山下卓哉 次世代原子力システム研究開発部門
（再委託先）公立大学法人会津大学
１．研究開発の背景とねらい
ナトリウム(以下Naと略す)冷却型高速増殖炉(FBR)の原子炉容器内壁や炉心支持構造など液体金属中にある構造物は、検査が困難なため、これまでは設計上大きな裕度を持たせることで安全性と信頼性を確保している。このため過度に保守的な設計となり、軽水炉と比較してコスト高となる要因のひとつになっている。軽水炉と同等の検査・保守性を確保し設計裕度を最適化するためには、Na中の構造物の変形や欠陥の検査が可能な目視検査技術の開発が必要である。
本事業では、FBRの炉内目視検査用センサとして、超音波を使って機器の変形、破損、脱落等が確認できる解像度2.0mm程度を有し１画面当りの画像処理時間が約0.5秒の圧電素子受信方式のリアルタイムセンサと、疲労き裂の確認に必要な解像度0.3mm程度を有する光ダイアフラム受信方式の高解像度センサを試作し水中試験及びNa中試験によりFBRへの適用性を実証する。
２．研究開発成果
平成18年度は、センサに用いる超音波送受信素子の基本特性把握と最適な素子配列の検討を行うとともに、信号処理に用いるハードウェアとソフトウェアの検討を行った1)2)。平成19年度は、リアルタイムセンサ要素体のNa中濡れ性確認試験を実施し、Na中の酸素濃度を低減しセンサの前面板に金処理を施すことにより、目視検査に必要な超音波強度を得ることができることを確認した3)。高解像度センサについては、送受信素子間を音響的に隔離することにより目標解像度を達成できることを確認した4)。これらの改良を反映し、送受信256chのリアルタイムセンサと送信9ch受信256chの高解像度センサをそれぞれ試作した。信号処理システムの高度化検討では、同時送受信方式のランダム信号としてパルス変調法による3値ZCZ系列信号を用い、信号抽出に使う相関処理波形として原波形を用いることが最適であることをシミュレーションにより確認した。これらの検討結果を踏まえ、最終年度の平成20年度は以下の検討を実施した。
(1)目視検査用小型センサの設計・試作・試験
①リアルタイムセンサの水中試験およびNa中試験5)
リアルタイムセンサを用いた水中試験により、個々の圧電素子の超音波送受信強度や信号対ノイズ比等の送受信に必要な基本特性を評価するとともに、画像化試験によりセンサ/ターゲット間距離と解像度の関係や信号処理時間を評価した。Na中試験では、実機の検査温度200℃のNa中で画像化試験(図−１)を行い、リアルタイムセンサの性能目標である水平解像度約2.0mmの解像度(図−２)を確認した。また、１画面当りの画像処理時間約0.5秒/frameを達成し、世界初のNa中動画の撮影に成功した。また、センサ送受信面が汚れや酸化を受けない環境を維持できれば、センサの再利用が可能であり、200時間以上の耐久性を有することが確認できた。一方で、目視できる視野と奥行きが狭く、センサの送受信面がNaに濡れて超音波を送受信できるまでに長時間を要する等の課題も明らかになった。
図−１ リアルタイムセンサのNa中画像化試験
図−２ リアルタイムセンサの解像度
②高解像度センサの水中試験およびNa中試験6)
高解像度センサは、高い解像度を得るために超音波をダイアフラムで受信してレーザ光で変調する光ダイアフラム受信方式を採用しており、実用炉に適用するセンサは、送信9ch、受信2500chを想定している。本事業で製作したセンサは、外形寸法を実用炉用と同等にしたが、受信素子数を減らし256chの素子を実用炉用の3倍の12mmピッチで配置し、縦横4mmピッチでスキャニングすることにより、2500chが模擬できるセンサとした(図−３)。センサ表面は、Naに対する濡れ性の向上のために金メッキを施した。200℃のNa中で0.3mm幅のスリットを画像化した結果を図−４に示す。リアルタイムセンサと同じ手法で分解能を評価した結果、目標解像度の約0.3mmを確認した。また、Na中試験の累積試験時間は1000時間以上であり、十分な耐久性があることを確認したが、Naの濡れ開始に約8時間、解像度0.3mmの画像化ができるまでに約3日を要し、リアルタイムセンサと同様に送受信面のNa濡れ性の課題が明らかになった。また、高解像度センサは、光ダイアフラム受信に用いる光ファイバーの切り換えに時間が掛かることから、超音波信号の収集から信号処理を経て1枚の画像を構成するのに3.9時間を要した。現実的な時間内で検査を行うためには、信号収集・処理の高速化が課題である。
図−３ 高解像度センサ
図−４ 高解像度センサのNa中試験結果
(2)信号処理システムの設計・試作・試験
①リアルタイムセンサ用高速信号処理システムの設計および高度化検討(再委託先：会津大学)
Na中の目視検査用センサは、超音波信号を使った3次元開口合成処理により画像化を行う。通常の開口合成処理では、超音波を送信した素子を識別するために個々の素子の送信時間をずらすために信号計測時間が長くなり画像化に時間を要する。この課題を解決するために、ランダム波形を用いた同時送受信方式の検討を数値シミュレーションにより行なった。
シミュレーションに用いるモデルの妥当性を確かめるため、リアルタイムセンサのNa中のステップ応答試験データとの比較を行い、減衰定数として0.9が最適であることが分かった(図−５)。パルス変調法による3値ZCZ系列のランダム信号と相関処理波形に原波形を用いた同時送受信方式のシミュレーションにより六角ナットの復元を行った(図−６)。この結果、同時送受信方式により実試験と同等の画像化が可能なことと信号処理速度の高速化(通常のパルス変調方式による信号計測時間256msec.が307μsec.に高速化)の目途が得られた。
図−５実機データの再現性評価
図−６六角ナットの復元画像
本事業により、Na冷却炉の炉内目視検査用センサとして、機器の変形、破損、脱落等が確認できる解像度2.0mm程度を有し１画面当りの画像処理時間が約0.5秒の圧電素子受信方式のリアルタイムセンサの開発に成功した。また、疲労き裂の確認に必要な解像度0.3mm程度を有する光ダイアフラム受信方式の高解像度センサの開発に成功した。両センサとも水中試験及びNa中試験により高速炉への適用性を実証することができた。更に、信号処理方法の高度化のために同時送受信方式の検討を行い、その有効性を示すことができた。
３．今後の展望
本事業を通して、センサ表面のNaに対する濡れ性の確保が難しく、センサの超音波送受信性能に大きく影響することがわかった。また、検査性を向上するためにセンサの平面視野と奥行き方向の視野の拡大が望まれる。今後これらの課題が解決できれば、さらなる性能向上につながると考える。
４．参考文献
1)田川、山下「Na中目視検査検査用リアルタイムセンサの要素試験結果」、原子力学会2007年秋の大会
2)田川、山下「Na中目視検査検査用高解像度センサの要素試験結果」、原子力学会2007年秋の大会
3)田川、山下「Na中目視検査検査用リアルタイムセンサの要素試験結果(2)」、原子力学会2008年秋の大会
4)田川、山下「Na中目視検査検査用高解像度センサの要素試験結果(2)」、原子力学会2008年秋の大会
5)田川、山下「Na中目視検査検査用リアルタイムセンサの開発」、原子力学会2009年秋の大会
6)田川、山下「Na中目視検査検査用高解像度センサの開発」、原子力学会2009年秋の大会
