本格運用に入った原子力機構・楢葉遠隔技術開発センター
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1. はじめに 東京電力ホールディングス(株)福島第一原子力発 電所(以後、東電および福島第一と略す)では廃炉の 第 1 期工程である冷温停止の安定的維持、使用済み核燃 料プール内の燃料の取り出しが開始された。4号機では 燃料の、より安全な共用プールへの移動が完了した。除 染も進み、滞留水処理も継続されている。図 1 に示され ているように第1期から第 2 期工程に入ったところであ る。また 1 号機から 3 号機までの破損した炉内観察と並 行して、廃炉工程上最難関と言われている燃料デブリ取 り出しに向けた工法の検討が進められている。図 2 にデ ブリの概要を示す。全体で 40 年と言われている廃炉の 本丸に迫る作業が開始されようとしている [1,2]。一方、 福島第一の周辺自治体では帰還可能地域が広がりつつあ るが、その一方で住民の方々の帰還率は、多くの自治 体では 10% 以下と低いままになっている。廃炉を進め、 同時に被災地域の復興を進めることは福島復興に向けた 大きな課題となっている。 この両者に応える目的で、廃炉のためのモックアッ プ(実規模試験体)施設と廃炉に欠かすことのできない 遠隔技術の開発の必要性が 2011 年 3 月の震災後早くか ら提唱されてきた。このような中、2013 年 3 月 7 日の 第一回東京電力福島第一原子力発電所廃炉対策会議にお いて、モックアップ施設の立地場所に関する技術的要件 と平成 24 年度補正予算で国立研究開発法人日本原子力 研究開発機構(原子力機構)に出資して遠隔操作機器・ 装置の開発・実証施設を整備することが示され、技術要 件に基づく候補地の評価等の指示があった。同年 5 月に 開催された第 4 回の同会議において楢葉南工業団地内に 施設を建設することが決まった。それを受けて 2013 年 6 月から設計検討を開始し、2015 年 9 月に研究管理棟、 2016 年 2 月に試験棟並びに外構が完成し、整備が完了 した [3,4]。施設名は楢葉遠隔技術開発センター(以後、 当センターと略す)と定められた。当センターは、運営 に係る費用の算定に基づき利用料金を定め、利用してい ただく施設として運用していくことになっている。また、 地域の産業再生に資するため福島県内外の中小企業の皆 さまへの利用促進、および復興を担う人材育成、教育等 の向上に資するため、中小企業、高等教育機関(大学、 専門学校、高等専門学校)を対象に利用料金の減額を図 る特例措置(一定期間)を認めていただいている。当セ ンターは、廃炉、復興に向け、多くの方々に利用してい ただくことを前提にした施設であり、その趣旨に従った 新しいスタイルの運営が求められている。当センターは 福島第一から 20 km 圏内に初めて建設され運用を開始し た最初の国立研究開発法人の開発拠点であり、開所以来、 三千名を超える方々の施設見学、多数の施設紹介報道等、 関係各方面の期待は大きい [5]。 当センターの写真を図 3 に示す。研究管理棟(4 階建: 幅 35m ×奥行 25 m×高さ 20 m)と試験棟(1 階建:幅 80 m×奥行 60 m(図 2 左下の付属建屋奥行きを加える と 79 m)×高さ 40 m)により構成される。次節でそれ ぞれの建屋内に整備された設備を説明する。 2. 施設の現状 2.1 国のプロジェクトの推進 当センターでは廃炉に向けた国のロードマップ [1] に 従って喫緊の技術的課題の実証試験を行うことになって いる。そのためのモックアップの建設、それを用いた技 術試験が第一の役割である。現在の喫緊の課題である燃 料デブリ取出しに際しては、水を満たした作業環境下で の作業が望ましいとされている。そのためには破損し た原子炉建屋内の機器の水漏れ補修が必要となる。その 一環で、原子炉格納容器下部の漏えい箇所の補修・止水 技術の開発が国のプロジェクトとして取り上げられてい る。 図1 福島第一廃炉のロードマップ 解説記事 保全学 Vol.15-3 (2016) 本格運用に入った原子力機構・ 楢葉遠隔技術開発センター 国立研究開発法人 日本原子力研究開発機構 大道 博行 Hiroyuki DAIDO 図2 福島第一事故後の格納容器内の断面図。 溶融した燃 料と構造材が交じり合って圧力容器を突き破って水で満たさ れた格納容器下部へ落下していると考えられている。 図3 楢葉南工業団地内に建設された楢葉遠隔技術開発セ ンターの航空写真 (2016 年 6 月)。 敷地面積は 36,000 m2 である。 このため当センターには、技術研究組合国際廃炉開発 機構 (IRID) によりモックアップが整備された [6]。図 4 に示す沸騰水型原子炉の格納容器下部のドーナツ状の圧 力抑制室(Suppression Chamber)の 1/8 セクターとそれ と格納器を結ぶベント管 1 本が組み立てられている。こ れを図 5 に示す。この図ではダウンカマーと呼ばれるベ ント管と繋がっている水の通り道が写っているが、ここ に止水のためアラミド系繊維を用いたバルーン(風船) を挿入し、膨らませて水の通り道を塞ぐ。さらに新たに 開発された流水中でも固まるセメント系止水剤をその中 と周囲に挿入して止水する。次のステップでは圧力抑制 室に水中不分離コンクリートを注入して止水の効果を調 べるなどステップを追って適用性確認試験を行うことに なっている。これらの作業は福島第一の作業床面を想定 したモックアップの上部床面から遠隔技術により行うこ とになっている。当センターのバーチャルリアリティシ ステムを用いて前もって、このような作業検討・確認が 画の検討、作業員の教育及び遠隔操作機器の操作訓練等 が可能な没入型バーチャルリアリティ(VR)システム を整備した。このシステムにより図 6 に示すように前 のようにして 3 次元の立体情報をそのまま体験者の目線 で 3 次元空間として体験することができる。これを用い ると福島第一の廃炉作業現場を、臨場感を持って体験可 ているが、順次 1 号機、3 号機のデータの VR での表示 を行っていくことになっている。また体験者が通過する 各位置における放射線の線量率と体験開始からの総被ば く線量の表示が可能であり、実際の作業の許容時間の目 安を得ることも可能である。廃炉作業の準備として本シ ステムを使った研修プログラムの検討を関係団体、企業 等と開始したところである。 このシステムは廃炉に使 う遠隔機器の動きを 3 次元的に映し出すことも可能であ り、工法の検討や訓練に用いることも可能である。 2.3 遠隔技術開発用要素試験装置 福島第一の建屋内での調査・廃炉作業等に必要な遠隔 操作機器の開発には、その作業に適した機器の評価法の 開発が望まれている。このような要望に応えるため手始 めとして水中調査ロボットや水環境で使う遠隔機器・装 置の機能確認を行う水中ロボット試験水槽、遠隔操作機 器・装置の動作を精度良く測定するモーションキャプ 解説記事「本格運用に入った原子力機構・楢葉遠隔技術センター」 行われている。試験後は、試験棟の外部に移動し、止水 の状況を細部にわたり検証することになっている。また、 この実規模試験体は止水材や水を入れると約 5,400 トン の重量になる [6]。このためこれを支える床には、厚さ 2 m のコンクリートの施工が行われている。このように 時宜にあった国のプロジェクトを当センターにおいて継 続的に実施し、廃炉に貢献していくことが期待される。 2.2 バーチャルリアリティシステム 福島第一廃炉の推進に向けて、作業を円滑に進め作業 者の安全確保のため、作業環境を模擬し、事前の作業計 左右下の 4 面のスクリーンで囲んだ空間(CAVE 型)に 4 台のプロジェクターを使って立体表示したい物体をス クリーン上に映し出すことができる。すなわち細かい間 隔で表示された 3 次元の離散的座標群を基に 5 台のコン ピューターで作成された体験者の目線の点投影像が左右 それぞれの目(両目の近傍のトラッキングセンサー)に 向けて 1 秒間に左右合わせて最大 60 枚映し出され、映 像に同期したスイッチを備えた眼鏡により体験者の両目 を通じて立体感のある映像が違和感なく認識される。こ 能である。現在、福島第一の 2 号機のデータが表示され チャー、福島第一の建屋内の階段を模擬するモックアッ プ階段を整備した。その模式図を図 7 に示す。 図 7(a) に示す水中ロボット試験用水槽の水は 60°Cま で加温することが可能である。観察窓は 12 箇所設けら れており水中のロボット等の運動を観察し評価すること ができる。海水も使用可能である。この水槽は廃炉も含 め水環境下の多方面の作業訓練や工法の開発等に用いる ことが期待されている。 図 7(b) に示すモーションキャプチャーは、図上部の 丸で示した 16 台の高速度カメラ(最大 2000 フレーム / 秒、空間分解能を高く維持すると 500 フレーム / 秒)と 被写体の運動する空間により構成される。被写体に取り 付けられた再帰性反射体(入射光線の方向のみに反射す る塗料を塗布した物)をマーカーとした赤外線域の同時 ストロボ撮影により、複数台のカメラそれぞれから見た 被写体に取りつけられたマーカーの方向を測定し、三角 測量の要領でマーカーの動きを 3 次元デジタル情報と して記録する装置である。大きさは幅 15 m、奥行き 15 m、高さ 7 m であり、計測範囲はそれぞれ 10m、10m、 2m である。そのとき位置精度は± 1.5mm となっており、 測定範囲を大きくすると精度は悪くなる。この装置は福 島第一への適用に向けた走行ロボットやドローンの動作 解析に用いることが可能であり、それらの開発および評 価に用いることが期待される。当センターでは廃炉とと もに福島の復興を目指した浜通りイノベーション・コー スト構想 [7,8] への貢献も目指しており、本装置は遠隔 装置の解析はもちろん、医学や介護、スポーツなどへの 図 4 福島第一と同型の沸騰水型原子炉の原子炉格納容 器とドーナツ状の圧力抑制室 (ドーナツ断面の直径 8 m)、 両者を結ぶベント管の写真。 (Browns Ferry Nuclear Power Plant Unit One from Wikipedia) 写真右下のベント管と圧力 抑制室の 1/8 セクターの実寸大模型が図 5 に対応する。 貢献も期待される。多くのユニークな利用を当センター のスタッフとともに実行していただけるよう、準備を 行っている。 図 5 技術研究組合国際廃炉研究開発機構 (IRID) の圧力 抑制室の止水のためドーナツ状の抑制室を 1/8 にカットし た実寸大モックアップ装置 (断面の直径 8 m) の組み立て。 図 7 試験棟内の遠隔技術要素試験装置 (a) 水中ロボット 試験用水槽、 (b) モーションキャプチャー、 (c) モックアップ 階段 保全学 Vol.15-3 (2016) 図 6 福島第一廃炉に向けた没入型バーチャルリアリティシ ステム 図 8 災害時対応用ロボットに向けた対称標準試験法 (Symmetric Standard Test Method) に準拠した試験場。 縦 横それぞれ 10cm、 長さ 10, 20, 30, 40, 50 cm の角材により 構成されている。 図 7(c) にモックアップ階段を示す。階段の傾斜角度 は 40 度から 55 度までの範囲で 6 通り変えることができ る。手摺の幅も 700mm から 1000mm まで変えることが 可能である。また階段のステップの変更、踏み板を縞鋼 板やグレーチングに取り替えることも可能である。接続 する複数の階段を駆け上がる際、その方向を変えること が可能であり、廃炉に伴う様々なロボット等の動作試験 が可能である。 図 8 にアメリカ国立標準技術研究所 (National Institute of Standards and Technology: NIST) で開発された標準試験 法に従って木材で作った試験装置の写真を示す。写真の ように対称に窪みが配置されており、この中でロボット を走らせることにより瓦礫での走行性能を評価する。こ の手法は 2001 年 9 月 11日に起こった、テロによるニュー ヨーク世界貿易センタービルの倒壊現場で活動したロ ボットの、更なる性能向上を目指して考案されたもので ある。さらに建屋内の代表的な模擬環境物となるガレ キ、扉及び鉄骨類なども準備している。これらを用いる と廃炉に係わる遠隔技術の要素試験が可能である。これ ら施設は利用者の多様な要望や廃炉技術の要請に従って 必要に応じて仕様変更や増設を行っていくことになって いる。 を用いたドローンの飛行解析の様子を図 10 に示す。大 きさ約 80 cm 四方のドローンの四隅に反射体を取り付 け、カメラで多方向からストロボ撮影する。飛行の様子 の一フレームを図 10 (a) に示す。その結果をコンピュー ことができる。これを図 10 (b) に示す。このデータを用 いるとドローンの飛行に伴う各場所の速度、加速度、姿 勢、方向などがデジタル情報として得られ、定量的性能 評価に役立てることができる。この装置は廃炉に用いる 遠隔機器の性能評価に役立つことはもちろんだが、それ に留まらない。例えば手術ロボット、介護ロボット、熟 練作業の定量的把握やスポーツにおける運動機能の解析 など、いろいろなことに役立てることが可能と思われる。 図 11 に水中ロボット試験用水槽の中で照明をしつつ撮 影をしている水中ロボットの様子を示す。ケーブルを通 じてモーターを駆動し、水槽中を自由に泳ぎまわること ができる。図 12 に示すように、原子炉の燃料プールの 監視に使うロボットの動作解析、評価などが可能である。 濁水中でのソナーの試験や対象物の水中レーザー測距、 点群情報取得などの訓練も可能と思われる。このように 持ち込まれたロボットやドローン、各種機器をすぐに動 作させ、評価することが可能になっている。さらに利用 者の御希望に従って暗くした中での試験や知財保護のた めの秘密保持環境の設定なども可能である。 解説記事「本格運用に入った原子力機構・楢葉遠隔技術センター」 3. 本格的施設利用の開始 当センターは 2016 年 2 月、3 月の施設のお試し利用(ト ライアルユース)を経て、4 月 1 日より利用者に定めら れた利用料金をお支払いいただきながら利用していただ く業務を開始した。福島第一の廃炉に資する利用を最優 先としつつも、福島復興に繋がる利用でも多くの成果を 期待している。ここでは各装置を用いた試験の一例を紹 介する。 図 7(c) で紹介したモックアップ階段を上る緊急時対 応ロボットを図 9 に示す。モーションキャプチャー装置 ターに取り込み、時々刻々の 3 次元的データを取得する 保全学 Vol.15-3 (2016) 図 9 モックアップ階段を登る原子力緊急時対応小型ロボッ ト (幅約 48 cm、 重さ 40 kg) 図 10 (a) 飛行試験中の室内ドローン (縦と横のサイズは それぞれ 80 cm) の写真。 (b) 白線の先にデジタル化して コンピューター上に表示したドローン。 図 11 水中ロボット試験水槽の観察窓付近で照明しながら 撮影中の白色の水中ロボット (Remotely Operated Vehicle)。 縦、 横、 奥行きはそれぞれ 30 cm, である。 重量は 20 kg である。 図 12 水中ロボット試験水槽を用いた利用の一例。 核燃料 プールの観察等に向けた遠隔機器の性能評価。 4. 今後の課題と期待 このような中、当センターの事業の根幹は、利用者に よる試験棟の施設や研究管理棟の VR の利用、それを通 てセンターのスタッフが専門家として対応し、その対応 の中で専門性に更なる磨きをかけるといった好循環を期 待している。燃料デブリ取出し工法への適用を目指した た案内、利用相談を行うことを予定している。これまで に、前に示したように IRID の格納容器下部の圧力抑制 室近傍の止水技術実証試験がスタートしている。室内で のドローンの飛行訓練、廃炉人材育成事業の一環として 今後、福島第一の炉内の状況が明らかになるにつれ、 廃炉の推進にとって新たな技術課題が多数出てくること が予想される。このため当センターの廃炉に向けた試験 には国内外の英知の結集が不可欠である。また福島国際 研究産業都市(イノベーション・コースト)構想 [7] では、 当センターはその中核拠点と位置付けられており、廃炉 を含む多方面のイノベーション創出拠点としての役割も 期待されている。 じた満足、更なる利用である。活発な施設利用を通じて 廃炉と復興に貢献していくことが求められている。 さて施設利用の段階は見学、担当者間の利用相談、利 用の実施、評価へと進んでいく。それぞれの段階におい レーザー利用に関する国内メーカーとの共同研究も開始 されており [9]、今後の施設利用への力量向上に資する と期待される。当センターの利用者としては、(1)IRID等、 国のプロジェクトを推進する組織によるロードマップの 要請に直接応える施設利用者、(2)福島第一の廃炉作業 の訓練等、廃炉に直接携わっている会社等、(3) 福島復 興を主たる目的とした自治体、商工会議所、地元企業等、 (4) 大学、高等専門学校等、高等教育機関、(5) 一般企業 等を想定している。ここに示した利用者それぞれに向け の要素試験装置や VR の利用などが行われている。これ らの利用後に利用者の満足が得られ、さらなる利用に繋 がることが事業の目的である。このためには施設の利用 に際して、きめ細かい専門的知見の提供等による付加価 値の付与が極めて重要であり、利用に対応するスタッフ の研究開発、技術、管理のプロとしての研鑽は重要であ る。福島第一の事故後に現れた新たな環境に対し、当セ ンターの事業が原子力に新たな息吹をもたらすことを目 指したい。 5. まとめ 当センターは本年 4 月より本格運用を開始したところ である。廃炉、復興の技術開発の拠点として、周囲の期 待は大きい。利用者の皆様方の意見も踏まえ、より使い やすく有益な施設を目指しており、今後も利用促進に向 けた施策立案と実施に向けて関係省庁、関係機関等との 連携した取り組みを進めていく所存である。 図 13 に福島県浜通り地区の原子力機構の研究開発 拠点、福島県が推進している南相馬のロボットテスト フィールド [10] 等、開発拠点を示す。それぞれの役割 を明確にしつつ、相補的、相乗的な連携・協力が期待さ れる。また研究開発拠点を含む各方面の福島復興の歩み を加速するためにも、この地域の鉄道等、社会インフラ の復旧・整備が急務となっている。 福島第一の廃炉に向けた技術開発は科学技術の粋を集 めた、いわば人類の科学技術開発の最前線の一つである と言える。その一方で、当センターに最も近い常磐線木 戸駅周辺には多くの民家があるが、夕暮れになると家々 から明かりが漏れ、会話が漏れてくる普通の景色は、今 は無い。当センターが担う福島第一の廃炉に向けた研究 開発の挑戦は、福島復興の使命感とともにあるべきこと のように思われる。それとともに、当センターの成果と して、高い水準の科学技術を以て行う挑戦にふさわしい 普遍的価値を有するものがたくさん生まれてくることも 期待している。それら成果は商用炉の廃炉、社会インフ ラの点検・保守、災害対応等関連分野へと波及していく ことが期待される。 図 13 福島第一と浜通り地区の原子力機構の三つの拠点と 南相馬のイノベーション創出拠点。 常磐線は竜田駅から小 高駅まで不通である。 (2016 年 8 月時点) 参考文献 [1] 廃炉・汚染水対策関係閣僚会議、“東京電力(株) 福島第一原子力発電所 1 ~ 4 号機の廃止措置に向け た中長期ロードマップ”、平成 27 年 6 月 12 日 [2] 原子力損害賠償・廃炉支援機構(NDF)、“東京電力 ホールディングス(株)福島第一原子力発電所の廃 炉のための技術戦略プラン 2016”、2016 年 7 月 13 日 [3] 河村 弘、“東電福島第一原発廃炉に係る研究拠点 の構築”, 金属 , Vol.86, No.7, pp.580-589, 2016 年 3 月 [4] 川妻伸二、“楢葉遠隔技術開発センターと原子力緊 急時遠隔機材”、デコミッショニング技法、2016 年 8 月号 [5] 原子力機構・楢葉遠隔技術開発センターホームペー ジ:http://naraha.jaea.go.jp/ [6] 技術研究組合 国際廃炉研究開発機構 (IRID) 平成 27 年度版研究開発成果概要 平成 28 年 3 月 [7] 福島・国際研究都市(イノベーション・コースト) 構想研究会報告書 ―世界が注目する浜通りの再生 ―、平成 26 年 6 月 23 日 [8] 拠点を核とした産業集積及び周辺環境整備の課題に 係る検討会 イノベーション・コースト構想 議 論の整理 平成 28 年 5 月 27 日 [9] 大道博行、“福島第一原子力発電所の燃料デブリ取 出しに資するレーザー技術” Isotope News 2016 年 3 月号 No.743, p.7-11 開発センター ・ センター長 専門分野 : レーザー工学、 プラズマ科学、 レーザーの原子力工 学への利用 解説記事「本格運用に入った原子力機構・楢葉遠隔技術センター」 [10] ロボットテストフィールド・国際産学官共同利用施 設(ロボット)活用委員会について、経済産業省 News Release、平成 27 年 12 月 21 日 (平成 28 年 8 月 8 日) 著 者 紹 介 著者 : 大道 博行 所属 ・ 役職 : 日本原子力研究開発機構福島研究開発部門福島研 究基盤創生センター ・ 副所長 (兼) 楢葉遠隔技術 本格運用に入った原子力機構・楢葉遠隔技術開発センター 大道 博行,Hiroyuki DAIDO 本格運用に入った原子力機構・楢葉遠隔技術開発センター 大道 博行,Hiroyuki DAIDO