複合キャビティと温度補正を備えた光ファイバー式ファブリ・ペロー干渉型加速度計：高温・高圧用途向け

原子力プラントの“鼓動”を見守る

原子力発電所の内部では、何千本もの金属管が蒸気や高温水を静かに輸送し、タービンを駆動しています。これらの管のいずれかが強く振動すると、すり減りや亀裂、最悪の場合破裂につながり、コストのかかる停止や安全上の問題を招く可能性があります。本稿は、これらの配管に直接取り付けられ、激しい高温・高圧に耐えつつ、ダメージが起きるよりずっと前の微細な振動を検出できる新しい光学式の動きセンサーについて述べています。

なぜ配管の振動が問題なのか

現代の原子炉は、薄い熱交換管が詰まった蒸気発生器に依存しています。流れる冷却材がこれらの管を振動させ、支持構造や隣接する管と擦れ合うことがあります。長年の運転で、この「流れによる振動」は管壁を薄くしたり亀裂を生じさせたりし、放射性の水をプラントの他部分から隔離する障壁を脅かします。技術者はこれらの振動を連続的かつ精密に測定したいと考えていますが、従来の電子式加速度計は高温・高圧・強い放射線・電磁ノイズが混在する炉内環境では性能を維持しにくいのが現状です。

配線の代わりに光で動きを計測する

著者らは光を伝える髪の毛のように細いガラス繊維、すなわち光ファイバーを用いて、電気的干渉に強く高温下でも動作する加速度計を構築しました。装置の基盤はファブリ・ペローキャビティで、光が反射面間で往復する微小な隙間です。反射光のスペクトルパターンはキャビティ長がナノメートルよりさらに小さい変位で変わります。本センサーでは小さな中心質量がシリコンから細工された梁により支持されており、管が加速すると質量がわずかに動いて空気充填のキャビティ長を変え、それがファイバーを通して返される光信号に現れます。

熱と運動を分離する

この種の環境での大きな課題は、熱そのものが運動と紛らわしい信号を生むことです：材料の膨張、ファイバーのクリープ、光学キャビティ長のドリフトにより、実際の振動と熱変化が混同されます。これに対処するため、チームはシリコンの薄膜を挟んだ二重のガラス層からなる「複合キャビティ」を設計しました。一方のキャビティ（ガラス側）は主に温度に応答し、もう一方（動く質量近傍の空気側）は加速度に応答します。重要なのは、光ファイバーの端がもはやキャビティ内部の鏡ではないため、ファイバー自体の熱膨張が直接計測を乱さない点です。戻ってくるスペクトルを高速な数理処理で解析することで、両キャビティ長を別々に抽出し、キャリブレーションデータベースを用いてリアルタイムに正確な温度と加速度に変換します。

過酷な環境に対応する設計

センサーのチップは半導体チップ製造に似たマイクロファブリケーション技術で作られ、質量を支える梁の形状や厚さを精密に制御できます。感度（一定の加速度に対して質量がどれだけ動くか）と共振周波数（使用可能な帯域幅を決める）とのバランスをとるためにシミュレーションが設計を導きます。複数の梁を対称に配置することで、横方向の衝撃が質量を傾けたりねじったりする影響を小さくし、“クロス軸”誤差を極めて低く保ちます。完成したチップはガラス層間に封止され、コンパクトな金属パッケージに収められ、45度のミラーと小さなレンズが光路を折りたたんで、炉配管周辺の狭い空間に装置を収めつつファイバーの急な曲げから保護します。

性能はどの程度か

室温での実験結果では、本センサーは約4.53ナノメートルのキャビティ変化を重力加速度単位（g）あたりの感度で検出でき、歪みなく扱える範囲はおおむね±238 gです。主共振は約7.45キロヘルツに現れ、蒸気発生器管に典型的な数十ヘルツの振動帯域より十分に高いため、管の動きをきれいに追跡できます。横軸からの寄与（横方向の動きによる誤信号）は0.5%未満です。さらに重要な点として、350°C・17.5メガパスカルという加圧水型原子炉に近い条件下でも、装置は60時間稼働し、キャビティのドリフトは0.1ナノメートル未満でした。感度は温度上昇でやや向上しますが、内蔵の温度キャビティと補正モデルによりこれらの影響は補正可能です。

原子力安全にとっての意義

平たく言えば、著者らは原子炉内部の重要な金属管の振動を熱や横方向の衝撃に惑わされずに聴取できる、小型で堅牢な“聴診器”を作り上げました。二重キャビティの光学設計、対称的な機械構造、耐高温性の高いパッケージングを組み合わせることで、従来のセンサーが使えない環境でも長期にわたり精密な運動計測を提供できます。これにより蒸気発生器管の継続的な健全性監視が現実的になり、早期の摩耗徴候の検出と長期にわたるプラントの性能・安全性の維持に寄与します。

引用: Qin, F., Tan, J., Guo, J. et al. Fiber-optic Fabry–Pérot interferometric accelerometer with composite cavity and temperature calibration for high-temperature and high-pressure applications. Microsyst Nanoeng 12, 155 (2026). https://doi.org/10.1038/s41378-026-01250-z

キーワード: 光ファイバー式加速度計, 原子力発電所の監視, 高温センサー, ファブリ・ペローキャビティ, 流れによる振動