赤外熱画像を用いた核融合実験炉ダイバータ用非破壊検査装置の開発
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カテゴリ: 第5回
1.緒言
国際熱核融合実験炉 (ITER)に取り付けるダイバー ITER ダイバータの接合状態の検査を実施する方法 タは ITER 参加各極においてその割り当て分を製作すには、これまでダイバータ等の開発で用いられてきた ることになっており、日本はダイバータ外側ターゲッイオンビームによる加熱試験装置(DATS)や電子ビー トの全数(予備を含め 60 カセット分、ターゲットの本 ムを用いた高熱負荷試験装置(JEBIS)を利用して、実際 数は 1300 本以上)を製作する。製作したダイバータはに加熱試験を実施する方法がある。これらは実際の熱その健全性を確認するため、受入検査を行う必要があ負荷を模擬した試験が可能であるが、これらの加熱試 数は 1300 本以上)を製作する。製作したダイバータは その健全性を確認するため、受入検査を行う必要があ るが、ITER 機構ではこの検査として超音波探傷法[1] やダイバータに温水と冷水を交互に通水し、表面の過 渡的な温度変化から表面保護材と冷却管との接合状態 などを検査することを要求している。後者の検査を実 施可能な装置はフランスのカダラッシュ研究所に SATIR[2] という装置があり、10年ほど前から稼働して いる。今回、原子力機構においても同様の赤外サーモ グラフィー試験装置を開発し、その試験運転を実施し て、ITER 機構の要求する検査が実施可能であることを 確認した。イオンビームによる加熱試験装置(DATS)や電子ビー ムを用いた高熱負荷試験装置(JEBIS)を利用して、実際 に加熱試験を実施する方法がある。これらは実際の熱 負荷を模擬した試験が可能であるが、これらの加熱試 験装置による検査は、試験体を真空容器内へ設置する 必要があり、その運転方法も複雑で相当な時間と労力 or components.
2. 装置概要ITER ダイバータの接合状態の検査を実施する方法 には、これまでダイバータ等の開発で用いられてきた イオンビームによる加熱試験装置(DATS)や電子ビー ムを用いた高熱負荷試験装置(JEBIS)を利用して、実際 に加熱試験を実施する方法がある。これらは実際の熱 負荷を模擬した試験が可能であるが、これらの加熱試 験装置による検査は、試験体を真空容器内へ設置する 必要があり、その運転方法も複雑で相当な時間と労力 が要求されるため、ITER ダイバータの受入検査として これらを用いることは現実的でない。今回開発した赤 外サーモグラフィー試験装置は、大気中で実施するた めダイバータ試験体の交換が容易であり、検査時間も 短く検査効率が非常に高い。Fig.1 に装置外観図、Fig.2 に系統図を示す。これらを用いることは現実的でない。今回開発した赤 外サーモグラフィー試験装置は、大気中で実施するた めダイバータ試験体の交換が容易であり、検査時間も - 237 -PumpPower supply systemControl unitTest sectionIR CameraFig. 1 Overview of infrared thermography NDE facilityCold Water tank (2m)Chiller unit (7.5kW×2)Cold Water Pump (15kW)Presser control tankCold water bypass valve-A PC)mirrorHot Water tank (2m) 495°CFast OX action valvesンHeater unit (60kW)】Hot Water Pump (15kW)TEST SECTIONHot water bypass valveInfrared Thermography NDE facility system diagramFig. 2 Infrared thermography NDE facility System diagram検査方法は、まず始めに温水を連続的に通水して試 験体を高温(95°C)に保持しておき、次に瞬間的に冷 水(5°C)の通水を行い、そのときの表面温度の過渡的 な変化を赤外カメラで観測し、表面保護材と冷却管と の接合状態を検査するものである。はじめに冷水を通 水し、次に温水を通水して試験することも可能である。 検査を行う際に、温水および冷水はそれぞれ 2m2のバ ッファータンクにあらかじめ準備しておく。試験体直 前までの配管についても温水および冷水を循環して、 循環水温度を一定に保つ維持運転を行う。温水用ヒー タ容量は 60kW、冷水用チラー容量は 15kW(7.5kW×2) である。ポンプは温水用、冷水用とも 15kW で吐出圧 力最大 2.45MPa、流量 200L/min である。温水通水と冷 水通水の切り替えは、試験体取り付けヘッダーの入 口・出口温水バルブ、入口・出口冷水バルブの計4台の高速動作バルブを切り替えて実施する。各バルブの 動作時間は1秒以下である。さらに、温水と冷水の切 り替えの際に、試験体内部に残留した水を強制的に排 出する機能(以下、パージ機能と言う)を有し、試験 体へ通水する温水と冷水の混合量を低減することによ り、試験体の表面温度変化をより急峻にすることが可 能である。パージ機能は、0.7MPaの圧縮空気により試 験体内部の水を強制的に排出する機能である。また、 試験体の上下側面を観測するステンレスミラーを取り 付けたことで、正面及び上下側面の3表面の温度変化 を同時に観測することが可能であり、検査の信頼性と 効率の向上を図っている。3.試運転結果本装置の試験運転は、ITER ダイバータ開発用として 製作したダイバータ試験体(表面保護材:炭素繊維複 合材、形状:モノブロック型)を3体取り付けて実施 した。その結果、本装置において ITER 機構の要求す る試験を充分に実施可能であることを確認した。さら に、本装置の特徴であるパージ機能と表面及びミラー による上下側面の3表面を同時観測することの有効性 を確認することができた。パージ機能を使用しない場 合の観測結果をFig.3 及びFig.4 に示す。この場合には、 冷水への切り替えを実施した直後の各試験体への水の 流量配分が不均一となり、中央の試験体への冷水の通 水が優先され、上下の試験体より早く冷却が行われる ことにより、最大で12°Cほどの温度差が生じ、精度の 高い検査が実施できないことがわかる。100°CSP1 Divertor-12) Upper) Front ) UnderSP2Divertor-2Upper ) Front ) UnderSP3Divertor-31) Upper ) Front UnderFig. 3 IR camera image at 1sec have passed(without purging)238Without purging100-SP1SP2 - SP3-80いままいます。IR camera image(Fig.3)60Temperature(°C)ATmax=12°C.....40ALLINEMATTポーカートリートレーナート]20Passed time (sec) Fig. 4 Temperature response of the mock-up withoutpurging・ 一方、パージ機能を使用した場合の観測結果を Fig.5 及び Fig.6に示す。3体の試験体に対して均等に通水が 開始され、一様な温度変化を与えていることがわかる。 この結果からパージ機能を使用することで3体の試験 体を同時に検査可能であり、パージ機能は有効で重要 な機能であることが判明した。100°CSP1新Divertor-1)Upper ) Front ) UnderSP2 Divertor-2Upper FrontUnderSP3Divertor-3) UpperFront UnderFig.5 IR camera image at 0.7sec have passed(with purging)With purging100SP2 SP380わいいIR camera image(Fig.5)Temperature(°C)ナカトーカーがイーイー120クイックするものなら- 0 0. 51 1.5 22.53 3.5 41 Passed time (sec) Fig.6 Temperature response of the mock-up with purgingまた、試験体の上下側面の表面温度を観測するた めのミラーは、かなり有効な機能であることが確か められた。Fig.3 及び Fig.5 で示したとおり Divertor-2 は正面と上下側面とも均一な温度分布であり接合部 分に大きな問題の無いことが予想される。しかし Divertor-1 は、正面の温度分布は均一でも、上下側面 には一部で不均一な温度分布が観測され、裏面側に 位置する接合部に欠陥があることが予想される。 Divertor-3 も正面より上下側面により多くの不均一 部分が観測され、ミラーによる上下側面の同時観測 の有効性が確認された。4.検査結果の判定* 実際の受入検査においては、接合状態等の良/不 良の判定基準を明確にしなければならないため、欠 陥の全くない健全なダイバータ試験体と検査対象の ダイバータの各タイル(表面保護材)の過渡的な温 度変化を個別に比較し、温度変化の差分値から判定 を行うことを検討している。現在、これらのデータ 処理を行うプログラムの開発を行っている。さらに、 検査結果の信頼性を向上するため、赤外サーモグラ フィー試験装置による検査結果と DATS または JEBIS による、同一の試験体を用いた実負荷試験の 結果とも比較検討を行う必要があり、これらの試験 検査は今後多くの試験体について実施し、データベ ースを作り上げる必要がある。 - 239 -5.結言1) 今回開発した赤外サーモグラフィー試験装置は ITER ダイバータの受入検査に必要な性能を満たしていることを確認した。 2) 本装置の特徴の一つであるパージ機能は、温水と冷」 水を切り替える際に流量配分を均等に維持するこ とが可能となり3体の試験体の検査を同時に実施 可能であることを確認した。 3) 上下側面観測用ミラーによる表面温度観測は有効 であり、検査の信頼性と効率の向上に寄与することが期待される。 4) 判定基準の検討、およびデータ処理プログラムの開 発を行っており、DATS または JEBIS による実負荷 試験の結果とも比較検討を行う必要がある。参考文献[1] 江里幸一郎、他4名、核融合実験炉 ITER ダイバ * ータ受熱機器における非破壊検査技術の開発、日本保全学会 第5回学術講演会、2008年7月 [2] A. Durocher, et al., Nucl. Fus., 47, 1682 (2007).240
“ “?赤外熱画像を用いた核融合実験炉ダイバータ用非破壊検査装置の開発“ “横山 堅二,Kenji YOKOYAMA,鈴木 哲,Satoshi SUZUKI,江里 幸一郎,Kouichiro EZATO,関 洋治,Yohji SEKI,榎枝 幹夫,Mikio ENOEDA,秋場 真人,Masato AKIBA
国際熱核融合実験炉 (ITER)に取り付けるダイバー ITER ダイバータの接合状態の検査を実施する方法 タは ITER 参加各極においてその割り当て分を製作すには、これまでダイバータ等の開発で用いられてきた ることになっており、日本はダイバータ外側ターゲッイオンビームによる加熱試験装置(DATS)や電子ビー トの全数(予備を含め 60 カセット分、ターゲットの本 ムを用いた高熱負荷試験装置(JEBIS)を利用して、実際 数は 1300 本以上)を製作する。製作したダイバータはに加熱試験を実施する方法がある。これらは実際の熱その健全性を確認するため、受入検査を行う必要があ負荷を模擬した試験が可能であるが、これらの加熱試 数は 1300 本以上)を製作する。製作したダイバータは その健全性を確認するため、受入検査を行う必要があ るが、ITER 機構ではこの検査として超音波探傷法[1] やダイバータに温水と冷水を交互に通水し、表面の過 渡的な温度変化から表面保護材と冷却管との接合状態 などを検査することを要求している。後者の検査を実 施可能な装置はフランスのカダラッシュ研究所に SATIR[2] という装置があり、10年ほど前から稼働して いる。今回、原子力機構においても同様の赤外サーモ グラフィー試験装置を開発し、その試験運転を実施し て、ITER 機構の要求する検査が実施可能であることを 確認した。イオンビームによる加熱試験装置(DATS)や電子ビー ムを用いた高熱負荷試験装置(JEBIS)を利用して、実際 に加熱試験を実施する方法がある。これらは実際の熱 負荷を模擬した試験が可能であるが、これらの加熱試 験装置による検査は、試験体を真空容器内へ設置する 必要があり、その運転方法も複雑で相当な時間と労力 or components.
2. 装置概要ITER ダイバータの接合状態の検査を実施する方法 には、これまでダイバータ等の開発で用いられてきた イオンビームによる加熱試験装置(DATS)や電子ビー ムを用いた高熱負荷試験装置(JEBIS)を利用して、実際 に加熱試験を実施する方法がある。これらは実際の熱 負荷を模擬した試験が可能であるが、これらの加熱試 験装置による検査は、試験体を真空容器内へ設置する 必要があり、その運転方法も複雑で相当な時間と労力 が要求されるため、ITER ダイバータの受入検査として これらを用いることは現実的でない。今回開発した赤 外サーモグラフィー試験装置は、大気中で実施するた めダイバータ試験体の交換が容易であり、検査時間も 短く検査効率が非常に高い。Fig.1 に装置外観図、Fig.2 に系統図を示す。これらを用いることは現実的でない。今回開発した赤 外サーモグラフィー試験装置は、大気中で実施するた めダイバータ試験体の交換が容易であり、検査時間も - 237 -PumpPower supply systemControl unitTest sectionIR CameraFig. 1 Overview of infrared thermography NDE facilityCold Water tank (2m)Chiller unit (7.5kW×2)Cold Water Pump (15kW)Presser control tankCold water bypass valve-A PC)mirrorHot Water tank (2m) 495°CFast OX action valvesンHeater unit (60kW)】Hot Water Pump (15kW)TEST SECTIONHot water bypass valveInfrared Thermography NDE facility system diagramFig. 2 Infrared thermography NDE facility System diagram検査方法は、まず始めに温水を連続的に通水して試 験体を高温(95°C)に保持しておき、次に瞬間的に冷 水(5°C)の通水を行い、そのときの表面温度の過渡的 な変化を赤外カメラで観測し、表面保護材と冷却管と の接合状態を検査するものである。はじめに冷水を通 水し、次に温水を通水して試験することも可能である。 検査を行う際に、温水および冷水はそれぞれ 2m2のバ ッファータンクにあらかじめ準備しておく。試験体直 前までの配管についても温水および冷水を循環して、 循環水温度を一定に保つ維持運転を行う。温水用ヒー タ容量は 60kW、冷水用チラー容量は 15kW(7.5kW×2) である。ポンプは温水用、冷水用とも 15kW で吐出圧 力最大 2.45MPa、流量 200L/min である。温水通水と冷 水通水の切り替えは、試験体取り付けヘッダーの入 口・出口温水バルブ、入口・出口冷水バルブの計4台の高速動作バルブを切り替えて実施する。各バルブの 動作時間は1秒以下である。さらに、温水と冷水の切 り替えの際に、試験体内部に残留した水を強制的に排 出する機能(以下、パージ機能と言う)を有し、試験 体へ通水する温水と冷水の混合量を低減することによ り、試験体の表面温度変化をより急峻にすることが可 能である。パージ機能は、0.7MPaの圧縮空気により試 験体内部の水を強制的に排出する機能である。また、 試験体の上下側面を観測するステンレスミラーを取り 付けたことで、正面及び上下側面の3表面の温度変化 を同時に観測することが可能であり、検査の信頼性と 効率の向上を図っている。3.試運転結果本装置の試験運転は、ITER ダイバータ開発用として 製作したダイバータ試験体(表面保護材:炭素繊維複 合材、形状:モノブロック型)を3体取り付けて実施 した。その結果、本装置において ITER 機構の要求す る試験を充分に実施可能であることを確認した。さら に、本装置の特徴であるパージ機能と表面及びミラー による上下側面の3表面を同時観測することの有効性 を確認することができた。パージ機能を使用しない場 合の観測結果をFig.3 及びFig.4 に示す。この場合には、 冷水への切り替えを実施した直後の各試験体への水の 流量配分が不均一となり、中央の試験体への冷水の通 水が優先され、上下の試験体より早く冷却が行われる ことにより、最大で12°Cほどの温度差が生じ、精度の 高い検査が実施できないことがわかる。100°CSP1 Divertor-12) Upper) Front ) UnderSP2Divertor-2Upper ) Front ) UnderSP3Divertor-31) Upper ) Front UnderFig. 3 IR camera image at 1sec have passed(without purging)238Without purging100-SP1SP2 - SP3-80いままいます。IR camera image(Fig.3)60Temperature(°C)ATmax=12°C.....40ALLINEMATTポーカートリートレーナート]20Passed time (sec) Fig. 4 Temperature response of the mock-up withoutpurging・ 一方、パージ機能を使用した場合の観測結果を Fig.5 及び Fig.6に示す。3体の試験体に対して均等に通水が 開始され、一様な温度変化を与えていることがわかる。 この結果からパージ機能を使用することで3体の試験 体を同時に検査可能であり、パージ機能は有効で重要 な機能であることが判明した。100°CSP1新Divertor-1)Upper ) Front ) UnderSP2 Divertor-2Upper FrontUnderSP3Divertor-3) UpperFront UnderFig.5 IR camera image at 0.7sec have passed(with purging)With purging100SP2 SP380わいいIR camera image(Fig.5)Temperature(°C)ナカトーカーがイーイー120クイックするものなら- 0 0. 51 1.5 22.53 3.5 41 Passed time (sec) Fig.6 Temperature response of the mock-up with purgingまた、試験体の上下側面の表面温度を観測するた めのミラーは、かなり有効な機能であることが確か められた。Fig.3 及び Fig.5 で示したとおり Divertor-2 は正面と上下側面とも均一な温度分布であり接合部 分に大きな問題の無いことが予想される。しかし Divertor-1 は、正面の温度分布は均一でも、上下側面 には一部で不均一な温度分布が観測され、裏面側に 位置する接合部に欠陥があることが予想される。 Divertor-3 も正面より上下側面により多くの不均一 部分が観測され、ミラーによる上下側面の同時観測 の有効性が確認された。4.検査結果の判定* 実際の受入検査においては、接合状態等の良/不 良の判定基準を明確にしなければならないため、欠 陥の全くない健全なダイバータ試験体と検査対象の ダイバータの各タイル(表面保護材)の過渡的な温 度変化を個別に比較し、温度変化の差分値から判定 を行うことを検討している。現在、これらのデータ 処理を行うプログラムの開発を行っている。さらに、 検査結果の信頼性を向上するため、赤外サーモグラ フィー試験装置による検査結果と DATS または JEBIS による、同一の試験体を用いた実負荷試験の 結果とも比較検討を行う必要があり、これらの試験 検査は今後多くの試験体について実施し、データベ ースを作り上げる必要がある。 - 239 -5.結言1) 今回開発した赤外サーモグラフィー試験装置は ITER ダイバータの受入検査に必要な性能を満たしていることを確認した。 2) 本装置の特徴の一つであるパージ機能は、温水と冷」 水を切り替える際に流量配分を均等に維持するこ とが可能となり3体の試験体の検査を同時に実施 可能であることを確認した。 3) 上下側面観測用ミラーによる表面温度観測は有効 であり、検査の信頼性と効率の向上に寄与することが期待される。 4) 判定基準の検討、およびデータ処理プログラムの開 発を行っており、DATS または JEBIS による実負荷 試験の結果とも比較検討を行う必要がある。参考文献[1] 江里幸一郎、他4名、核融合実験炉 ITER ダイバ * ータ受熱機器における非破壊検査技術の開発、日本保全学会 第5回学術講演会、2008年7月 [2] A. Durocher, et al., Nucl. Fus., 47, 1682 (2007).240
“ “?赤外熱画像を用いた核融合実験炉ダイバータ用非破壊検査装置の開発“ “横山 堅二,Kenji YOKOYAMA,鈴木 哲,Satoshi SUZUKI,江里 幸一郎,Kouichiro EZATO,関 洋治,Yohji SEKI,榎枝 幹夫,Mikio ENOEDA,秋場 真人,Masato AKIBA