レーザー光と非金属との相互作用に関する基礎研究及び 福島第一

JAEA-Research
2014-026
レーザー光と非金属との相互作用に関する基礎研究及び
福島第一原子力発電所の廃止措置に向けた研究計画
－コンクリートへのレーザー照射挙動の評価－
Research on Interaction of Laser Light and Non-metals
－Evaluation of Laser Irradiation Behavior to Concrete－
山田 知典　村松 壽晴
Tomonori YAMADA and Toshiharu MURAMATSU
原子力科学研究部門
量子ビーム応用研究センター
レーザー共同研究所
Applied Laser Technology Institute
Quantum Beam Science Center
Sector of Nuclear Science Research
February 2015
Japan Atomic Energy Agency
日本原子力研究開発機構
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JAEA-Research 2014-026
レーザー光と非金属との相互作用に関する基礎研究及び
福島第一原子力発電所の廃止措置に向けた研究計画
－
コンクリートへのレーザー照射挙動の評価
日本原子力研究開発機構
原子力科学研究部門
－
量子ビーム応用研究センター
レーザー共同研究所
山田 知典、村松 壽晴
（2014 年 11 月 18 日受理）
コンクリートのような組成不定の不均一複合材料に対する物性-レーザー照射条件-レーザー
照射挙動の理解を金属と同レベルに引き上げる一助とするために、コンクリートの主要な構成材
料であるモルタルにレーザーを照射した際の挙動を評価した。
研究活動と得られた成果は、以下の通りである。
(1)
3 条件の水セメント比（試験条件：0.25、0.30、0.35）を持つ試験片に対し、5 条件の
パワー密度（試験条件：100、200、300、400、500 W/cm2）、5 条件のレーザー照射時間
（試験範囲：1〜40 秒）の合計 75 条件でレーザー照射試験を行った。実施した全ての試
験条件でセメント試験片を破砕出来ることが確認できた。破砕によって生成した照射痕は、
同じ照射時間の場合、パワー密度が大きいほど、また同じパワー密度の場合、照射時間が
長いほど深くなった。但し、水セメント比が大きく、尚かつパワー密度が小さい時には、
レーザー照射部が溶融し、破砕の進行が大きく阻害された。
(2)
細骨材が互いに異なる 3 種類のモルタル試験片（細骨材：石英、石灰石、那智黒石）に
対し、固定した条件で、5 条件のパワー密度（試験条件：100、200、300、400、500 W/cm2）、
5 条件のレーザー照射時間（試験範囲：0.2〜40 秒）
、合計 75 条件のレーザー照射試験を
行った。
実験の結果、
レーザー照射によって 3 種類のモルタルは最終的に全て溶融したが、
溶融に必要なパワー密度は細骨材の種類に大きく依存することが分かった。石灰石を用い
たモルタルを溶融させるには、石英、那智黒石を用いたモルタルよりも大きなパワー密度
が必要である。
敦賀本部
：
〒914-8585
福井県敦賀市木崎 65-20
JAEA-Research 2014-026
Research on Interaction of Laser Light and Non-metals
- Evaluation of Laser Irradiation Behavior to Concrete Tomonori YAMADA and Toshiharu MURAMATSU
Applied Laser Technology Institute
Quantum Beam Science Center, Sector of Nuclear Science Research
Japan Atomic Energy Agency
Tsuruga-shi, Fukui-ken
(Received November 18, 2014)
In this study the response of hardened cement pastes, which are a major component of
concrete, to laser irradiation was investigated under various experimental conditions
aiming at the future application to “laser-processing” of concrete.
(1)
75 tests were performed with combinations of following experimental conditions:
(a) a water/cement ratio of the hardened cement pastes was either of 0.25, 0.30, or
0.35; (b) a laser power density was either of 100, 200, 300, 400, or 500 W/cm 2; and
(c) laser irradiation duration was ranging from 1 to 40 seconds.
It was found that hardened cement paste subjected to laser irradiation explodes
very easily to be hollowed in all the experimental conditions; this response is
applicable to “laser-drilling” of a hardened cement paste. The “laser-drilling”
speeds up following to laser power increment or to irradiation time extension. It
was also found that samples tend to melt rather than explode under the irradiation
with a smaller laser power density (100 W/cm 2) at a high water/cement ratio (0.35).
(2)
Totally 75 laser irradiation tests for fixed mortar blocks were performed with
combinations of following experimental conditions: (a) fine aggregate in the mortar
blocks was either of quartz, limestone, or Nachiguro-ishi; (b) a laser power density
was either of 100, 200, 300, 400, or 500 W/cm 2; and (c) laser irradiation duration
was ranging from 0.2 to 40 seconds. Although it was found that all kinds of the
mortar fuse under laser irradiation after all, difference in the response to laser
irradiation among the mortars was also found; energy density required to fuse the
mortar including limestone was larger than that required to fuse the mortar
including quartz or Nachiguro-ishi.
Keywords: Laser Light, Water-cement Ratio, Mortar, Laser Power Density
ii
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目
次
1.
2.
緒 言 ········································································································· 1
実験環境 ······································································································ 2
2. 1
レーザー照射装置··············································································· 2
2. 2
レーザー照射実験用チャンバー ······························································· 4
3.
水セメント比の違いによるレーザー照射時の影響評価 ·········································· 7
3. 1
目的 ································································································ 7
3. 2
セメントペースト試験片の作製 ····························································· 7
3. 3
レーザー照射条件··············································································· 9
3. 4
実験結果及び考察··············································································· 9
3. 5
結言 ······························································································· 16
4.
細骨材の異なるモルタルを用いたレーザー照射時の影響評価 ································ 17
4. 1
目的 ······························································································· 17
4. 2
モルタル試験片の作製 ········································································ 17
4. 3
レーザー照射条件·············································································· 18
4. 4
実験結果及び考察·············································································· 18
4. 5
結言 ······························································································· 25
5.
東京電力 (株) 福島第一原子力発電所の廃止措置に向けたレーザー技術の開発 ·········· 26
6.
結言 ··········································································································· 27
参考文献 ············································································································· 28
Contents
1. Introduction ······································································································ 1
2. Development target and research plan ·································································· 2
2. 1
Laser irradiation system ···································································· 2
2. 2
Laser irradiation chamber ···································································· 4
3. Evaluation of water-cement ratio for laser irradiation ············································· 7
3. 1
Objectives ························································································ 7
3. 2
Cement paste fabrication ···································································· 7
3. 3
Laser irradiation conditions ································································ 9
3. 4
Results and discussion ······································································· 9
3. 5
Summary ························································································ 16
4. Evaluation of the kind of mortar for laser irradiation ············································· 17
4. 1
Objectives ······················································································· 17
4. 2
Mortar fabrication ············································································ 17
4. 3
Laser irradiation conditions ······························································· 18
4. 4
Results and discussion ······································································ 18
4. 5
Summary ························································································ 25
5. Development of useful laser technology to decommissioning of Fukushima Daiichi Nuclear
Power Stations ····································································································· 26
6. Conclusion ······································································································· 27
References ·········································································································· 28
iii
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List of Tables
表 1
レーザー発振器の仕様 ················································································ 3
表 2
セメントの化学成分分析結果 (JIS R 5250, JIS R 5204) ···································· 7
表 3
セメント試験片の物性測定結果 ···································································· 8
表 4
モルタル試験片の圧縮強度 ········································································· 17
List of Figures
図 1
レーザー照射装置（左）発振器（右）レーザーヘッド ······································· 2
図 2
レーザー制御用 PC ···················································································· 2
図 3
冷却器（左）発振器用（右）レーザーヘッド用 ············································ 3
図 4
レーザー照射装置における制御用 PC 上の表示値と実出力の関係 ······················· 4
図 5
レーザー照射用チャンバー外観(左)とレーザーヘッドとの接続部(右) ···················· 5
図 6
局所排気設備取り付け状態のチャンバー(左)とレーザーブース内排気設備(右) ········ 5
図 7
排気ライン用フィルタユニット（左）フィルタ本体（右）フィルタハウジング ······ 6
図 8
レーザー照射チャンバー内部（左）サンプル保持具を取り付けていない状態（右）サ
ンプル保持具を取り付けた状態。セメント試験片と同形の木片を保持具の上に乗せてある ··· 6
図 9
レーザー光遮断用耐火レンガ 2 枚を設置したチャンバー···································· 6
図 10
細孔径（細孔直径）と細孔容積の関係 ··························································· 8
図 11
細孔径（細孔直径）と積算細孔容積の関係······················································ 8
図 12
レーザー照射後の試験片外観（パワー密度：100 W/cm2） ································ 10
図 13
レーザー照射後の試験片外観（パワー密度：200 W/cm2） ································ 11
図 14
レーザー照射後の試験片外観（パワー密度：300 W/cm2） ································ 12
図 15
レーザー照射後の試験片外観（パワー密度：400 W/cm2） ································ 13
図 16
レーザー照射後の試験片外観（パワー密度：500 W/cm2） ································ 14
図 17
照射時間、パワー密度とレーザー破砕部の深さの関係（水セメント比：0.25） ····· 15
図 18
照射時間、パワー密度とレーザー破砕部の深さの関係（水セメント比：0.30） ····· 15
図 19
照射時間、パワー密度とレーザー破砕部の深さの関係（水セメント比：0.35） ····· 16
図 20
レーザー照射後の試験片外観（パワー密度：100 W/cm2） ································ 19
図 21
レーザー照射後の試験片外観（パワー密度：200 W/cm2） ································ 20
図 22
レーザー照射後の試験片外観（パワー密度：300 W/cm2） ································ 21
図 23
レーザー照射後の試験片外観（パワー密度：400 W/cm2） ································ 22
図 24
レーザー照射後の試験片外観（パワー密度：500 W/cm2） ································ 23
図 25
照射時間、照射パワー密度とレーザー破砕部の深さの関係（細骨材：石英） ········ 24
図 26
照射時間、照射パワー密度とレーザー破砕部の深さの関係（細骨材：石灰石） ····· 24
図 27
照射時間、照射パワー密度とレーザー破砕部の深さの関係（細骨材：那智黒石） ·· 25
iv
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1. 緒
言
現在ではレーザーポインタに用いられるような 0.2 mW 程度の極めて小さい出力のレーザー
から、kW を優に超える大出力のレーザーまで、様々な出力のレーザーが産業利用されている。
レーザー利用分野は非常に多岐にわたるが、レーザーの持つ極めて大きなエネルギー密度を利用
したレーザー加工は、今やレーザーの主要な利用分野の一つとなっており、レーザーによる金属
部品の切断、穿孔、溶接などは既に実用化されている。これをさらに大型建造物の加工（切断、
破砕など）に実用レベルで応用することが今後期待されている。
ビル、橋脚、原子炉といった大型の建造物は通常、無機材料（コンクリートなど）と金属（鉄
骨など）から構成される。つまりこの 2 種類の材料が大型建造物におけるレーザー加工の対象
である。これらの材料にレーザーを照射すると、変質、剥離、破砕、き裂、溶融、蒸発といった
挙動が見られる。
金属に関して、物性-レーザー照射条件-レーザー照射挙動の関係は、ある程度整理され、その
挙動は計算機によって模擬実験することが可能なレベルに達している。これに対し、コンクリー
トでは、上記の関係は良く理解されておらず、整理/体系化されていない。したがって、コンク
リートに関しては、あるレーザーを照射した時にどのような現象が誘起されるか、実際に照射を
実施してみなければ分からない、という状況にある。
本研究では、コンクリートの主要な構成材料であるセメントペーストに、レーザー光を照射を
した際の挙動を評価するため、様々なレーザー照射パワー、照射時間でセメントペースト試験片
にレーザー照射を行った。さらに、レーザーによるコンクリート加工の実用化を念頭に、細骨材
が互いに異なるモルタル試験片を作製し、レーザーを照射を行った。
--
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2. 実験環境
2.1
レーザー照射装置
レーザー照射装置は、発振器（レーザー光を発生させる部分：図 1（左）
）、加工ヘッド（レー
ザー光を射出する部分：図 1（右）
）、ファイバー（発振器で発生させたレーザー光をヘッドに導
く部分）
、制御用 PC（図 2）、冷却器（装置を水冷する部分）から構成される。冷却器に関して
は、発振器およびファイバー用、ヘッド用でそれぞれ独立している（図 3）
。
270 mm
1380 mm
図 1 レーザー照射装置（左）発振器（右）レーザーヘッド
330 mm
図 2 レーザー制御用 PC
--
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370 mm
1720 mm
図 3 冷却器（左）発振器用（右）レーザーヘッド用
レーザー発振器の仕様を表 1 に示す。使用したのは半導体励起方式 CW（連続発振）-Yb ファ
イバーレーザー（発振波長 1070 nm）であり、最大出力は 6 kW である。制御用 PC（図 2）上
の表示値と実出力の関係を図 4 に示すが、本レーザー照射装置では最大出力の 1/10 程度まで連
続的かつ安定に変化させることが可能である。
表 1 レーザー発振器の仕様
機種名
YLR-6000
メーカ
IPG フォトニクス
定格出力
6 kW
出力安定度
+/－ 2.0 %
発振波長
1070～1080 nm
動作モード
連続・変調
最大変調周波数
5 kHz
BPP （半値半角）
4 mm・mrad
ファイバーコア径
0.1 mm
供給電源
50/60 Hz 400 V 3P+PE
最大消費電力
22 kVA
動作温度範囲
10～50 ℃
最大冷却水量
50 ℓ /分
重量
600 kg
外形寸法
1108(W) × 806(D) × 1482(H) mm
--
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図4
レーザー照射装置における制御用 PC 上の表示値と実出力の関係
レーザー照射装置では、レーザー光を連続発振させるだけでなく、パルス状に発振させること
も可能であり、その繰り返し周波数の上限は 5 kHz（表 1）である。従って、本レーザー照射装
置では、0.0002 秒以上の範囲で照射時間を自由に調節することが可能である。
ファイバーを通り加工ヘッドに到達したレーザー光は、ファイバー端から円錐状に拡がりなが
ら直進するが、これをコリメートレンズにより平行光にし、さらにフォーカスレンズを用いるこ
とで試料表面で収束させた。従って、スタンドオフ（ヘッド先端についたノズルと試験片の間の
距離）を変更することにより、試料表面でのレーザースポット径を適宜変更することが可能であ
る。本試験では試料片表面におけるレーザースポット径が約 27.6 mm（ビーム面積約 6 cm2）
になるようにスタンドオフを調節した。
2.2
レーザー照射実験用チャンバー
図 5（左）に試料片へのレーザー照射実験に使用したチャンバーの外観を示す。箱部寸法は幅
約 70 cm、奥行き約 40 cm、高さ約 50 cm である。突起部分等はこの寸法には含まれていない。
材質は厚さ 3 mm のアルミ合金（A5052）で、黒色の塗装が施してある。また、チャンバーに
は、内部の様子が観察できる観察窓があり、ここにビデオカメラなどの観察機器を設置すること
によりレーザー照射中のその場観察が可能である。チャンバーにはフランジを介してレーザーヘ
ッドを接続し（図 5（右））
、チャンバー内でレーザー光の照射を可能とした。
2.3 節で述べるようにセメント試験片にレーザーを照射すると容易に破砕が起こり、大量の粉
塵が発生する。セメントはアルカリ性で皮膚や粘膜を冒す(1)ため、照射実験にあたっては、チャ
ンバー内だけでなく、ブース全体も出来るだけ清浄に保つ事が必要となる。そこで、局所排気設
備（図 6（左）
）を使用するとともに、レーザーブース全体の排気も行い（図 6（右））
、実験設
--
JAEA-Research 2014-026
備周辺を可能な限り清浄に保った。図 7 は、排気ラインに取り付けたフィルタユニットである。
図 8 にチャンバー内部の様子を示す。試験片を所定の位置に固定出来るように、ブレッドボー
ドとジャッキを利用した保持具（図 8（右）
）を据え付けた。また、レーザー光が試験片を貫通
する場合に備えて、チャンバー後方にはレーザー光遮断用耐火レンガを 2 枚設置（図 9）し、防
災に万全を期して照射試験を行った。
図 5 レーザー照射用チャンバー外観(左)とレーザーヘッドとの接続部(右)
300 mm
1180 mm
図 6 局所排気設備取り付け状態のチャンバー(左)とレーザーブース内排気設備(右)
--
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図 7 排気ライン用フィルタユニット（左）フィルタ本体（右）フィルタハウジング
400 mm
図 8 レーザー照射チャンバー内部（左）サンプル保持具を取り付けていない状態（右）サンプ
ル保持具を取り付けた状態。セメント試験片と同形の木片を保持具の上に乗せてある。
700 mm
図 9 レーザー光遮断用耐火レンガ 2 枚を設置したチャンバー
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3. 水セメント比の違いによるレーザー照射時の影響評価
3. 1
目的
金属に関して、物性-レーザー照射条件-レーザー照射挙動の関係は、ある程度整理され、その
挙動は計算機によって模擬実験することが可能なレベルに達している。これに対し、コンクリー
トでは、上記の関係は良く理解されておらず、整理/体系化されていない。したがって、コンク
リートに関しては、レーザーを照射した時にどのような現象が誘起されるか、実際に照射を実施
してみなければ分からない、という状況にある。
本章では、コンクリートの主要な構成材料であるセメントペーストに、レーザー光を照射をし
た際の挙動を評価するため、様々なレーザー照射パワー、照射時間でセメントペースト試験片に
レーザー照射を行った。
3. 2 セメントペースト試験片の作製
レーザー照射用セメントペースト試験片の製造に使用したセメントは、大部分の建造物で用い
られる「普通ポルトランドセメント（JIS R 5210）」である。今回使用したロットは表 2 に示す
化学成分を持つ。
表 2 セメントの化学成分分析結果 (JIS R 5250, JIS R 5204)
成分
含有率（％）
二酸化ケイ素
20.88
酸化アルミニウム
5.26
酸化第二鉄
3.08
酸化カルシウム
64.70
酸化マグネシウム
0.95
三酸化硫黄
2.05
全アルカリ
0.58
塩化物イオン
0.017
このセメントと水を所定の水セメント比となるように混合、硬化させ、セメントペースト試験
片とした。試験に必要な全ての試験片は同じロットのセメントから製造した。試験片の大きさは
100 mm（幅）×100 mm（奥行）×40 mm（高さ）程度とし、100 mm（幅）×100 mm（奥
行）のレーザー照射面には#150 の研磨を施した。水セメント比は 0.25、0.30、0.35 の 3 種類と
した。3 種類の試験片の圧縮強度、細孔径、熱膨張係数、熱拡散率、熱伝導率、ビッカース硬さ
は表 3、図 10、図 11 の通りである。
--
JAEA-Research 2014-026
表 3 セメント試験片の物性測定結果
水セメント比
圧縮強度
(N/mm2)
細孔径
（μm）
熱膨張係数
(×10-6/℃)
熱拡散率
(m2/h)
熱伝導率
(W/m・K)
ビッカース
硬度
（HV）
0.25
76.6
38.49
0.001273
1.198
70
0.30
72.6
39.72
0.001253
1.321
66
0.35
69.3
分布を持
つため、
図 10、11
に示す。
36.63
0.001193
1.385
60
0.009
0.008
0.006
0.25
0.005
0.30
0.004
0.35
0.003
0.002
0.001
0
0.001
0.01
0.1
1
10
100
1000
細孔直径(μm)
図 10
細孔径（細孔直径）と細孔容積の関係
0.09
0.08
積算細孔容積(ml/g)
細孔容積(ml/g)
0.007
0.07
0.06
0.25
0.05
0.30
0.04
0.35
0.03
0.02
0.01
0
0.001
0.01
0.1
1
10
100
1000
細孔直径(μm)
図 11
細孔径（細孔直径）と積算細孔容積の関係
--
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3.3 レーザー照射条件
パワー密度は 100、200、300、400、500 W/cm2 程度の 5 条件とした。この時、スタンドオ
フは一定とし、レーザー出力を制御することにより、パワー密度を調整した。1.1 節で述べたよ
うに、試験片表面でのビーム面積が約 6 cm2 であるため、上記のパワー密度を実現するためのレ
ーザー発振器の出力は 0.6〜3 kW となる。この出力範囲で設定値と実測値がほぼ一致すること
は図 4 で示した。
レーザー照射は各パワー密度について、まず 1 秒間実施し、照射部位に明らかな溶融が観察
された場合は、照射時間を 0.2 秒ずつ短縮しながら照射を行った。目視で変化が見られなくなっ
た場合は、それ以上の照射時間の短縮は行わず、それまで照射した時間の中間の時間で照射を行
った。例えば、1 秒→0.8 秒→0.6 秒・・・と照射時間を短縮し、0.6 秒で試験片に照射効果が見
られなくなった場合には、0.7 秒→0.9 秒のように照射時間を徐々に延長し、中間的な時間の照
射を行った。反対に照射部位に明らかな溶融が観察されなかった場合は、照射時間を 1 秒→10
秒→20 秒→・・・となるように徐々に延長しながら照射を行った。照射部位に明らかな溶融が
観察された場合は、それ以上の照射時間の延長を行わず、それまで照射した時間の中間の時間で
照射を行った。例えば、1 秒→10 秒→20 秒・・・と照射時間を延長し、20 秒で試験片に溶融し
た場合は続いて例えば 15 秒→5 秒なる手順で照射時間を徐々に短縮し、中間的な時間の照射を
行った。照射時間は 5 条件とした。また、溶融を引き起こすことなく、レーザー光が試験片を
貫通した場合も、安全のために同様の方法で照射時間を徐々に短縮した。
以上のセメントペースト試験片配合（3 条件）、パワー密度（5 条件）
、レーザー照射時間（5
条件）の組み合わせから全 75 条件を試験条件とした。レーザー照射前後にレーザー照射位置の
目視観察及び写真撮影を行い、レーザー照射による外観の変化（無変化、変質、剥離、破砕、き
裂、溶融、蒸発等）を把握した。この時、照射痕最深部の深さは、ノギスを用いて測定した。
3. 4
実験結果及び考察
図 12～図 16 に、
レーザー照射後の試験片外観を示す。1 秒間レーザー照射を行った場合には、
何れの条件においても溶融せず、破砕される様子が観察されたため、レーザー照射時間を 1 秒
→10 秒→20 秒→・・・となるように延長して試験を行った。その結果、今回実施した全ての試
験条件において、セメント試験片がレーザー照射により破砕される様子が観察された。図 17～
図 19 に示すように破砕によって生成した照射痕は、同じ照射時間の場合、パワー密度が大きい
ほど、また同じパワー密度の場合、照射時間が長いほど深くなることが確認できた。この傾向は、
水セメント比が異なっても同様であったが、水セメント比が最も大きい 0.35 においては、パワ
ー密度 100 W/cm2 で照射した場合に 40 秒間レーザー照射を行っても照射痕が浅くなる結果が得
られた。図 12 のレーザー照射後の外観から、20 秒、40 秒レーザー照射を行った場合に、照射
部に黒褐色物質の生成が確認できるが、水セメント比が異なる場合には生成していないことから、
これが照射痕が浅くなった原因と考えられる。これらの黒褐色物質は溶融物だと考えられ、今後
はレーザー照射中の温度分布などと合わせて評価を行う必要がある。
--
レーザー照射時間：
1秒
レーザー照射時間：
10 秒
レーザー照射時間：
20 秒
レーザー照射時間：
30 秒
レーザー照射時間：
40 秒
JAEA-Research 2014-026
水セメント比：0.25
水セメント比：0.30
水セメント比：0.35
照射痕深さ：0.5 mm
照射痕深さ：0.5 mm
照射痕深さ：0.5 mm
照射痕深さ：6.5 mm
照射痕深さ：10.5 mm
照射痕深さ：5.5 mm
照射痕深さ：15.2 mm
照射痕深さ：13 mm
照射痕深さ：3 mm
照射痕深さ：19 mm
照射痕深さ：20 mm
照射痕深さ：26 mm
照射痕深さ：28 mm
照射痕深さ：29 mm
照射痕深さ：4 mm
図 12
レーザー照射後の試験片外観（パワー密度：100 W/cm2）
- 10 -
レーザー照射時間：
1秒
レーザー照射時間：
10 秒
レーザー照射時間：
20 秒
レーザー照射時間：
25 秒
レーザー照射時間：
30 秒
JAEA-Research 2014-026
水セメント比：0.25
水セメント比：0.30
水セメント比：0.35
照射痕深さ：0.5 mm
照射痕深さ：2 mm
照射痕深さ：2 mm
照射痕深さ：18.5 mm
照射痕深さ：21 mm
照射痕深さ：14.5 mm
照射痕深さ：32 mm
照射痕深さ：38 mm
照射痕深さ：33.5 mm
照射痕深さ：39 mm
照射痕深さ：35 mm
照射痕深さ：32 mm
照射痕深さ：>40 mm
照射痕深さ：>40 mm
照射痕深さ：>40 mm
図 13
レーザー照射後の試験片外観（パワー密度：200 W/cm2）
- 11 -
レーザー照射時間：
1秒
レーザー照射時間：
5秒
レーザー照射時間：
10 秒
レーザー照射時間：
15 秒
レーザー照射時間：
20 秒
JAEA-Research 2014-026
水セメント比：0.25
水セメント比：0.30
水セメント比：0.35
照射痕深さ：2.5 mm
照射痕深さ：2.5 mm
照射痕深さ：3 mm
照射痕深さ：14 mm
照射痕深さ：13 mm
照射痕深さ：15.5 mm
照射痕深さ：27 mm
照射痕深さ：28 mm
照射痕深さ：28 mm
照射痕深さ：38 mm
照射痕深さ：39 mm
照射痕深さ：37 mm
照射痕深さ：>40 mm
照射痕深さ：>40 mm
照射痕深さ：>40 mm
図 14
レーザー照射後の試験片外観（パワー密度：300 W/cm2）
- 12 -
レーザー照射時間：
1秒
レーザー照射時間：
5秒
レーザー照射時間：
10 秒
レーザー照射時間：
15 秒
レーザー照射時間：
20 秒
JAEA-Research 2014-026
水セメント比：0.25
水セメント比：0.30
水セメント比：0.35
照射痕深さ：3 mm
照射痕深さ：3 mm
照射痕深さ：2 mm
照射痕深さ：15 mm
照射痕深さ：17.5 mm
照射痕深さ：15 mm
照射痕深さ：30.5 mm
照射痕深さ：27.5 mm
照射痕深さ：31.5 mm
照射痕深さ：>40 mm
照射痕深さ：>40 mm
照射痕深さ：>40 mm
照射痕深さ：>40 mm
照射痕深さ：>40 mm
照射痕深さ：>40 mm
図 15
レーザー照射後の試験片外観（パワー密度：400 W/cm2）
- 13 -
レーザー照射時間：
1秒
レーザー照射時間：
5秒
レーザー照射時間：
10 秒
レーザー照射時間：
15 秒
レーザー照射時間：
20 秒
JAEA-Research 2014-026
水セメント比：0.25
水セメント比：0.30
水セメント比：0.35
照射痕深さ：3 mm
照射痕深さ：3 mm
照射痕深さ：4 mm
照射痕深さ：17 mm
照射痕深さ：19 mm
照射痕深さ：20 mm
照射痕深さ：35 mm
照射痕深さ：33 mm
照射痕深さ：38.5 mm
照射痕深さ：>40 mm
照射痕深さ：>40 mm
照射痕深さ：>40 mm
照射痕深さ：>40 mm
照射痕深さ：>40 mm
照射痕深さ：>40 mm
図 16
レーザー照射後の試験片外観（パワー密度：500 W/cm2）
- 14 -
JAEA-Research 2014-026
図 17
照射時間、パワー密度とレーザー破砕部の深さの関係（水セメント比：0.25）
図 18
照射時間、パワー密度とレーザー破砕部の深さの関係（水セメント比：0.30）
- 15 -
JAEA-Research 2014-026
図 19
3. 5
照射時間、パワー密度とレーザー破砕部の深さの関係（水セメント比：0.35）
結言
3 条件の水セメント比（試験条件：0.25、0.30、0.35）を持つ試験片に対し、5 条件のパワー
密度（試験条件：100、200、300、400、500 W/cm2）、5 条件のレーザー照射時間（試験範囲：
1〜40 秒）、合計 75 条件のレーザー照射試験を行った。その結果、今回実施した全ての試験条
件でセメント試験片を破砕出来ることが確認できた。破砕によって生成した照射痕は、同じ照射
時間の場合、パワー密度が大きいほど、また同じパワー密度の場合、照射時間が長いほど深くな
った。但し、水セメント比が大きく、尚かつパワー密度が小さい時には、照射部が溶融し、破砕
の進行は大きく阻害された。
- 16 -
JAEA-Research 2014-026
4. 細骨材の異なるモルタルを用いたレーザー照射時の影響評価
4.1
目的
金属に関して、物性-レーザー照射条件-レーザー照射挙動の関係は、ある程度整理され、その
挙動は計算機によって模擬実験することが可能なレベルに達している。これに対し、コンクリー
トでは上記の関係は良く理解されておらず、整理/体系化されていない。従って、コンクリート
に関しては、あるレーザーを照射した時にどのような現象が誘起されるか、実際に照射を実施し
てみなければ分からない状況にある。
本章では、レーザーによるコンクリート加工の実用化を念頭に、細骨材が互いに異なるモルタ
ル試験片に様々な条件でレーザー照射を行い、コンクリートのレーザー照射挙動体系化の基礎デ
ータの構築を行った。
4.2
モルタル試験片の作製
レーザー照射用モルタル試験片の製造に使用したセメントは、大部分の建造物で用いられる
「普通ポルトランドセメント（JIS R 5210）」である。試験に必要な全ての試験片は同じロット
のセメントから製造した。
使用した細骨材は石英、石灰岩、那智黒石の 3 種類である。各細骨材の粒度分布は 5 mm ふ
るい通過分：100 重量％、2.5 mm ふるい通過分：90±10 重量％、0.6 mm ふるい通過分：45
±15 重量％となるように調節した。
細骨材、セメント、水を、細骨材：57±1％、セメント：19±1％、水：残部なる体積混合比
となるよう混合、硬化させ、モルタル試験体とした。試験片の大きさは 100 mm（幅）×100 mm
（奥行）×40 mm（高さ）程度とし、100 mm（幅）×100 mm（奥行）のレーザー照射面には
#150 の研磨を施した。これら 3 種類の試験片の圧縮強度は、表 4 の通りである。
表 4 モルタル試験片の圧縮強度
細骨材
圧縮強度
(N/mm2)
石英
19.4
石灰石
55.5
那智黒石
56.7
- 17 -
JAEA-Research 2014-026
4.3
レーザー照射条件
レーザー照射条件は、3.2.2 項と同様である。パワー密度は 100、200、300、400、500 W/cm2
程度の 5 条件とした。この時、スタンドオフは一定とし、レーザー出力を制御することにより、
パワー密度を調整した。1.1 節で述べたようにビーム面積が約 6 cm2 であるため、上記のパワー
密度を実現するためのレーザー発振器の出力は 0.6〜3 kW となる。
レーザー照射は各パワー密度について、まず 1 秒間実施した。照射部位に明らかな溶融が観
察された場合、あるいはレーザーが試験片を貫通した場合は、照射時間を 0.2 秒ずつ短縮しなが
ら照射を行った。目視で変化が見られなくなった場合は、それ以上の照射時間の短縮は行わず、
それまで照射した時間の中間の時間で照射を行った。例えば、1 秒→0.8 秒→0.6 秒・・・と照
射時間を短縮し、0.6 秒で試験片に照射効果が見られなくなった場合は例えば 0.7 秒→0.9 秒な
る手順で照射時間を徐々に延長し、中間的な時間の照射を行った。反対に照射部位に明らかな溶
融が観察されなかった場合、あるいはレーザーが試験片を貫通しなかった場合は、照射時間を→
10 秒→20 秒→30 秒・・・なる手順で徐々に延長しながら照射を行った。照射部位に明らかな
溶融が観察された場合は、あるいはレーザーが試験片を貫通した場合は、それ以上の照射時間の
延長を行わず、それまで照射した時間の中間の時間で照射を行った。例えば、1 秒→10 秒→20
秒・・・と照射時間を延長し、20 秒で試験片に溶融した場合は続いて例えば 15 秒→5 秒なる手
順で照射時間を徐々に短縮し、中間的な時間の照射を行った。照射時間は 5 条件とした。
以上より、モルタル試験片種類（3 条件）
、パワー密度（5 条件）
、レーザー照射時間（5 条件）
の組み合わせから全 75 条件を試験条件とした。
4.4
実験結果及び考察
全 75 試験についてレーザー照射後の試験片の外観の変化を図 20〜24 に示した。全てのレー
ザー照射条件で、剥離・破砕あるいは溶融が観察された。パワー密度を上げることによって、3
種類のモルタルは全て溶融したが、その中でも特に石英、那智黒石を用いたモルタルが溶融し易
いことが確認できた。また、レーザー照射部の凹凸は、石英、那智黒石を用いたモルタルで大き
くなることが確認できた。次に、レーザー照射時間と照射痕最深部の深さの関係を、各細骨材、
各パワー密度、各水セメント比についてプロットした（図 25〜27）。レーザー照射時間が同じ場
合には、何れのモルタルにおいても、パワー密度の大きい方が照射痕の最深部が深くなることが
確認できた。
- 18 -
JAEA-Research 2014-026
レーザー照射
時間：1 秒
レーザー照射
時間：5 秒
レーザー照射
時間：10 秒
レーザー照射
時間：15 秒
レーザー照射
時間：20 秒
レーザー照射
時間：30 秒
レーザー照射
時間：40 秒
細骨材：石英
照射痕深さ：0.5 mm
細骨材：石灰石
照射痕深さ：1 mm
照射痕深さ：5 mm
照射痕深さ：5 mm
照射痕深さ：1 mm
照射痕深さ：2.5 mm
照射痕深さ：7.5 mm
照射痕深さ：1 mm
照射痕深さ：2 mm
細骨材：那智黒
照射痕深さ：5 mm
照射痕深さ：4.5 mm
照射痕深さ：11.5 mm
照射痕深さ：6.5 mm
照射痕深さ：10 mm
照射痕深さ：9 mm
図 20
レーザー照射後の試験片外観（パワー密度：100 W/cm2）
- 19 -
JAEA-Research 2014-026
レーザー照射
時間：0.6 秒
照射痕深さ：0.5 mm
レーザー照射
時間：0.8 秒
照射痕深さ：1 mm
レーザー照射
時間：1 秒
レーザー照射
時間：5 秒
レーザー照射
時間：10 秒
レーザー照射
時間：20 秒
レーザー照射
時間：30 秒
レーザー照射
時間：40 秒
細骨材：石英
照射痕深さ：2 mm
細骨材：石灰石
照射痕深さ：2 mm
照射痕深さ：8 mm
照射痕深さ：4 mm
細骨材：那智黒
照射痕深さ：1 mm
照射痕深さ：1 mm
照射痕深さ：0.5 mm
照射痕深さ：4.5 mm
照射痕深さ：10 mm
照射痕深さ：7 mm
照射痕深さ：14 mm
照射痕深さ：14 mm
照射痕深さ：14 mm
図 21
レーザー照射後の試験片外観（パワー密度：200 W/cm2）
- 20 -
JAEA-Research 2014-026
レーザー照射
時間：0.6 秒
照射痕深さ：2 mm
レーザー照射
時間：0.8 秒
照射痕深さ：2 mm
レーザー照射
時間：1 秒
レーザー照射
時間：5 秒
レーザー照射
時間：10 秒
レーザー照射
時間：20 秒
レーザー照射
時間：25 秒
レーザー照射
時間：30 秒
細骨材：石英
照射痕深さ：2 mm
細骨材：石灰石
照射痕深さ：3 mm
照射痕深さ：0.5 mm
照射痕深さ：1.5 mm
照射痕深さ：1 mm
照射痕深さ：5.5 mm
照射痕深さ：6 mm
照射痕深さ：2.5 mm
細骨材：那智黒
照射痕深さ：17 mm
照射痕深さ：9.5 mm
照射痕深さ：18 mm
照射痕深さ：22 mm
照射痕深さ：21 mm
図 22
レーザー照射後の試験片外観（パワー密度：300 W/cm2）
- 21 -
JAEA-Research 2014-026
レーザー照射
時間：0.2 秒
照射痕深さ：0.5 mm
レーザー照射
時間：0.4 秒
照射痕深さ：0.5 mm
レーザー照射
時間：0.6 秒
照射痕深さ：2 mm
レーザー照射
時間：0.8 秒
照射痕深さ：3 mm
レーザー照射
時間：1 秒
時間：5 秒
時間：10 秒
細骨材：那智黒
レーザー照射
細骨材：石灰石
レーザー照射
細骨材：石英
照射痕深さ：1 mm
照射痕深さ：0.5 mm
照射痕深さ：2 mm
照射痕深さ：1.5 mm
照射痕深さ：2.5 mm
照射痕深さ：3 mm
照射痕深さ：1.5 mm
照射痕深さ：12 mm
照射痕深さ：14 mm
照射痕深さ：9.5 mm
照射痕深さ：12 mm
図 23
レーザー照射後の試験片外観（パワー密度：400 W/cm2）
- 22 -
JAEA-Research 2014-026
レーザー照射
時間：0.2 秒
照射痕深さ：1 mm
レーザー照射
時間：0.4 秒
照射痕深さ：1 mm
レーザー照射
時間：0.6 秒
照射痕深さ：2 mm
レーザー照射
時間：0.8 秒
照射痕深さ：4 mm
レーザー照射
時間：1 秒
レーザー照射
時間：5 秒
レーザー照射
時間：10 秒
細骨材：石英
細骨材：石灰石
細骨材：那智黒
照射痕深さ：0.5 mm
照射痕深さ：0.5 mm
照射痕深さ：2.5 mm
照射痕深さ：1.5 mm
照射痕深さ：3 mm
照射痕深さ：2 mm
照射痕深さ：3 mm
照射痕深さ：4 mm
照射痕深さ：2 mm
照射痕深さ：15 mm
照射痕深さ：20 mm
図 24
レーザー照射後の試験片外観（パワー密度：500 W/cm2）
- 23 -
JAEA-Research 2014-026
図 25
図 26
照射時間、照射パワー密度とレーザー破砕部の深さの関係（細骨材：石英）
照射時間、照射パワー密度とレーザー破砕部の深さの関係（細骨材：石灰石）
- 24 -
JAEA-Research 2014-026
図 27
4.5
照射時間、照射パワー密度とレーザー破砕部の深さの関係（細骨材：那智黒石）
結言
細骨材が互いに異なる 3 種類のモルタル試験片（細骨材：石英、石灰石、那智黒石）に対し、
固定した条件で、5 条件のパワー密度（試験条件：100、200、300、400、500W/cm2）、5 条件
のレーザー照射時間（試験範囲：0.2〜40 秒）
、合計 75 条件のレーザー照射試験を行った。実験
の結果、レーザー照射によって 3 種類のモルタルは最終的に全て溶融したが、溶融に必要なパ
ワー密度は細骨材の種類に大きく依存することが確認できた。石灰石を用いたモルタルを溶融さ
せるには、石英、那智黒石を用いたモルタルよりも大きなパワー密度が必要である。
- 25 -
JAEA-Research 2014-026
5. 東京電力 (株) 福島第一原子力発電所の廃止措置に向けたレーザー技術の開発
2011 年 3 月 11 日に発生した東日本大震災及びその後に襲来した津波により、東京電力・福
島第一原子力発電所では、様々な状況証拠から炉心溶融が発生したと推定されている。原子力機
構では、2012 年度における経営上の最優先課題として福島第一原子力発電所の廃止措置に関す
る業務を掲げており、燃料デブリ取り出し準備に係る研究開発や放射性廃棄物処理・処分に係る
研究開発など(2)、中長期ロードマップ(3)に沿った研究開発・技術開発に取り組んでいる。ここで、
レーザー技術は、直径 1 mm 以下にレーザー光を集光でき、2 次廃棄物量が少なく、局所加工性
に優れ、反力が小さく、ファイバー伝送により遠隔操作性にも優れるなどの特徴があるため、燃
料デブリ及び炉内構造物の切断技術(2,
4, 5)、炉内観察技術(2)の一つとして着目され、システム要
求仕様を明確にするための研究開発が行われている。
燃料デブリの取出し作業に着手するには、損傷を受けた原子炉の健全性評価が必須となる。事
故時解析コード MAAP により、事故後の PCV 内部温度が、1 号機で約 800 ℃、2 号機で約 300 ℃、
3 号機で約 400 ℃まで上昇したと解析されていることから(6)、
コンクリートが高温にさらされた
ことで、水和生成物の脱水やひび割れの発生など(7)により、劣化した状態であると推測される。
コンクリートの診断技術としては、打音検査法(8)、超音波探傷法(8)などあるが、トンネル覆工コ
ンクリートを対象とした遠隔操作による非接触の欠陥検査法としてレーザー超音波法(8)の開発
が行われており、福島第一原子力発電所での廃止措置においても期待される技術の一つである。
また、本報告の 3 章及び 4 章で示したように、水セメント比、細骨材の違いにより、レーザー
照射時の挙動は異なるものの、コンクリートの溶融、破砕が可能であることは、コアボーリング
などの機械的工法の代替え技術としても期待される。
福島第一原子力発電所の廃止措置に向けたレーザー技術開発においては、福島第一原子力発電
所で使用されているコンクリートに相当する供試材を作成し、高温炉を用いて種々の温度に加熱
した後、レーザー照射を行うなど、実際の状況を想定した評価が必要となる。また、レーザー照
射による熱影響により、さらにコンクリートを劣化させてしまう可能性もあるため、レーザー照
射時の熱影響領域の抑制も重要な課題であるとともに、鉄筋の有無やその分布状況に応じた穿孔
性能の制御を行う必要がある。
以上により、福島第一原子力発電所のコンクリート健全性評価に利用可能なレーザー穿孔・診
断技術として研究開発を行う計画にある。
- 26 -
JAEA-Research 2014-026
6. 結
言
本報告書では、コンクリートのような組成不定の不均一複合材料に対する物性-レーザー照射
条件-レーザー照射挙動の理解を金属と同レベルに引き上げる一助とするために、コンクリート
の主要な構成材料であるセメントペースト及びモルタルにレーザー照射を行い、その挙動を評価
した。
研究活動及び成果は、下記の通りである。
(1) 水セメント比の違いによるレーザー照射時の影響評価
3 条件の水セメント比（試験条件：0.25、0.30、0.35）を持つ試験片に対し、5 条件のパワー
密度（試験条件：100、200、300、400、500 W/cm2）、5 条件のレーザー照射時間（試験範囲：
1〜40 秒）、合計 75 条件のレーザー照射試験を行った。その結果、今回実施した全ての試験条
件で、セメント試験片を破砕出来ることが分かった。破砕によって生成した照射痕は、同じ照射
時間の場合、パワー密度が大きいほど、また同じパワー密度の場合、照射時間が長いほど深くな
った。但し、水セメント比が大きく、尚かつパワー密度が小さい時、レーザー照射部が溶融し、
破砕の進行が大きく阻害されることが確認できた。
(2) 細骨材の異なるモルタルを用いたレーザー照射時の影響評価
細骨材が互いに異なる 3 種類のモルタル試験片（細骨材：石英、石灰石、那智黒石）に対し、
固定した条件で、5 条件のパワー密度（試験条件：100、200、300、400、500 W/cm2）、5 条件
のレーザー照射時間（試験範囲：0.2〜40 秒）
、合計 75 条件のレーザー照射試験を行った。実験
の結果、レーザー照射によって 3 種類のモルタルは最終的に全て溶融したが、溶融に必要なパ
ワー密度は細骨材の種類に大きく依存することが確認できた。石灰石を用いたモルタルを溶融さ
せるには、石英、那智黒石を用いたモルタルよりも大きなパワー密度が必要である。
- 27 -
JAEA-Research 2014-026
参考文献
(1) 社団法人セメント協会、
「セメントの常識 2009 年版」(2009).
(2) 東京電力(株)福島第一原子力発電所の廃止措置技術に係る原子力機構の取り組み 2013 年版
発行 2013 年 11 月、(独)日本原子力研究開発機構福島技術本部
(http://fukushima.jaea.go.jp/initiatives/cat05/index.html). (参照 2014.7.15).
(3) 原子力災害対策本部東京電力福島第一原子力発電所廃炉対策推進会議, 東京電力(株)福島
第一原子力発電所 1～4 号機の廃止措置等に向けた中長期ロードマップ, (2013-06-27),
(http://www.meti.go.jp/earthquake/nuclear/release.html). (参照 2014.7.15).
(4) 村松壽晴, 山田知典, 羽成敏秀, 武部俊彦, 松永幸大, レーザー光を用いた燃料デブリ・炉内
構造物取出しに向けた研究(I) － 研究計画および平成 24 年度研究成果－, JAEAResearch 2013-024 (2013), 49p.
(5) 村松壽晴, 山田知典, 羽成敏秀, 武部俊彦, Nguyen Phi Long, 松永幸大, レーザー光を用
いた燃料デブリ・炉内構造物取出しに向けた研究(II) － 研究計画および平成 25 年度研究
成果－, JAEA-Research 2014-018 (2014), 41p.
(6) 正木洋, 後藤靖之, 小林保之, 紺谷修, 澤田祥平, 過酷事故を経た鉄筋コンクリート物性把
握のための基礎試験 (その 1) 全体計画, 日本原子力学会 2014 年秋の大会予稿集, E16,
p.180.
(7) 西林新蔵, 小柳洽, 渡邉史夫, 宮川豊章編, コンクリート工学ハンドブック, 朝倉書店,
(2009) p.462.
(8) 御崎哲一，高橋康将，瀧浪秀元，島田義則, オレグコチャエフ，江原季映，篠田昌弘, レー
ザーを用いたトンネル覆工コンクリートの欠陥検査法の研究, レーザー学会学術講演会第
34 回年次大会講演予稿集, S820pI03 (2014).
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国際単位系（SI）
表１．SI 基本単位
SI 基本単位
基本量
名称
記号
長
さメ ートル m
質
量 キログラム kg
時
間
秒
s
電
流ア ンペア A
熱力学温度 ケ ル ビ ン K
物 質 量モ
ル mol
光
度 カ ン デ ラ cd
面
体
速
加
波
密
面
表２．基本単位を用いて表されるSI組立単位の例
SI 基本単位
組立量
名称
記号
積 平方メートル
m2
積 立法メートル
m3
さ ， 速 度 メートル毎秒
m/s
速
度 メートル毎秒毎秒
m/s2
数 毎メートル
m-1
度 ， 質 量 密 度 キログラム毎立方メートル
kg/m3
積
密
度 キログラム毎平方メートル
kg/m2
比
体
電
流
密
磁 界 の 強
(a)
量濃度
，濃
質
量
濃
輝
屈
折
率
比 透 磁 率
積 立方メートル毎キログラム
度 アンペア毎平方メートル
さ アンペア毎メートル
度 モル毎立方メートル
度 キログラム毎立法メートル
度 カンデラ毎平方メートル
(b)
（数字の）　１
(b)
（数字の）　１
乗数　24
10
1021
1018
1015
1012
109
106
103
3
m /kg
A/m2
A/m
mol/m3
kg/m3
cd/m2
1
1
102
101
ゼ
タ
エ ク サ
Ｚ
Ｅ
10-2
ペ
テ
タ
ラ
Ｐ
Ｔ
ギ
メ
ガ
ガ
Ｇ
Ｍ
マイクロ
ノ
10-9 ナ
コ
10-12 ピ
10-15 フェムト
キ
ロ
ヘ ク ト
デ
カ
ｋ
ｈ
da
d
°
’
日
度
分
10-3
10-6
記号
セ ン チ
ミ
リ
ト
10-18 ア
10-21 ゼ プ ト
10-24 ヨ ク ト
d
c
m
µ
n
p
f
a
z
y
1 d=24 h=86 400 s
1°=(π/180) rad
1’=(1/60)°=(π/10800) rad
”
1”=(1/60)’=(π/648000) rad
ha 1ha=1hm2=104m2
L，l 1L=11=1dm3=103cm3=10-3m3
t
1t=103 kg
秒
ヘクタール
リットル
SI基本単位による
表し方
m/m
2/ 2
m m
s-1
m kg s-2
m-1 kg s-2
m2 kg s-2
m2 kg s-3
sA
m2 kg s-3 A-1
m-2 kg-1 s4 A2
m2 kg s-3 A-2
m-2 kg-1 s3 A2
m2 kg s-2 A-1
kg s-2 A-1
m2 kg s-2 A-2
K
cd
m-2 cd
s-1
トン
表７．SIに属さないが、SIと併用される単位で、SI単位で
表される数値が実験的に得られるもの
名称
記号
SI 単位で表される数値
電 子 ボ ル ト
ダ ル ト ン
統一原子質量単位
eV
Da
u
天
ua
文
単
位
1eV=1.602 176 53(14)×10-19J
1Da=1.660 538 86(28)×10-27kg
1u=1 Da
1ua=1.495 978 706 91(6)×1011m
表８．SIに属さないが、SIと併用されるその他の単位
名称
記号
SI 単位で表される数値
バ
ー
ル bar １bar=0.1MPa=100kPa=105Pa
水銀柱ミリメートル mmHg 1mmHg=133.322Pa
m2 s-2
m2 s-2
s-1 mol
(a)SI接頭語は固有の名称と記号を持つ組立単位と組み合わせても使用できる。しかし接頭語を付した単位はもはや
コヒーレントではない。
(b)ラジアンとステラジアンは数字の１に対する単位の特別な名称で、量についての情報をつたえるために使われる。
実際には、使用する時には記号rad及びsrが用いられるが、習慣として組立単位としての記号である数字の１は明
示されない。
(c)測光学ではステラジアンという名称と記号srを単位の表し方の中に、そのまま維持している。
(d)ヘルツは周期現象についてのみ、ベクレルは放射性核種の統計的過程についてのみ使用される。
(e)セルシウス度はケルビンの特別な名称で、セルシウス温度を表すために使用される。セルシウス度とケルビンの
単位の大きさは同一である。したがって、温度差や温度間隔を表す数値はどちらの単位で表しても同じである。
(f)放射性核種の放射能（activity referred to a radionuclide）は、しばしば誤った用語で”radioactivity”と記される。
(g)単位シーベルト（PV,2002,70,205）についてはCIPM勧告2（CI-2002）を参照。
表４．単位の中に固有の名称と記号を含むSI組立単位の例
SI 組立単位
組立量
SI 基本単位による
名称
記号
表し方
-1
粘
度 パスカル秒
Pa s
m kg s-1
力 の モ ー メ ン ト ニュートンメートル
Nm
m2 kg s-2
表
面
張
力 ニュートン毎メートル
N/m
kg s-2
角
速
度 ラジアン毎秒
rad/s
m m-1 s-1=s-1
角
加
速
度 ラジアン毎秒毎秒
rad/s2
m m-1 s-2=s-2
熱 流 密 度 , 放 射 照 度 ワット毎平方メートル
W/m2
kg s-3
熱 容 量 , エ ン ト ロ ピ ー ジュール毎ケルビン
J/K
m2 kg s-2 K-1
比 熱 容 量 ， 比 エ ン ト ロ ピ ー ジュール毎キログラム毎ケルビン J/(kg K)
m2 s-2 K-1
比 エ ネ ル
ギ ー ジュール毎キログラム
J/kg
m2 s-2
熱
伝
導
率 ワット毎メートル毎ケルビン W/(m K) m kg s-3 K-1
体 積 エ ネ ル ギ ー ジュール毎立方メートル J/m3
m-1 kg s-2
電
界
の
強
さ ボルト毎メートル
V/m
m kg s-3 A-1
電
荷
密
度 クーロン毎立方メートル C/m3
m-3 sA
表
面
電
荷 クーロン毎平方メートル C/m2
m-2 sA
電 束 密 度 ， 電 気 変 位 クーロン毎平方メートル C/m2
m-2 sA
誘
電
率 ファラド毎メートル
F/m
m-3 kg-1 s4 A2
透
磁
率 ヘンリー毎メートル
H/m
m kg s-2 A-2
モ ル エ ネ ル ギ ー ジュール毎モル
J/mol
m2 kg s-2 mol-1
モルエントロピー, モル熱容量 ジュール毎モル毎ケルビン J/(mol K) m2 kg s-2 K-1 mol-1
照 射 線 量 （ Ｘ 線 及 び γ 線 ） クーロン毎キログラム
C/kg
kg-1 sA
吸
収
線
量
率 グレイ毎秒
Gy/s
m2 s-3
放
射
強
度 ワット毎ステラジアン
W/sr
m4 m-2 kg s-3=m2 kg s-3
放
射
輝
度 ワット毎平方メートル毎ステラジアン W/(m2 sr) m2 m-2 kg s-3=kg s-3
酵 素 活 性
濃 度 カタール毎立方メートル kat/m3
m-3 s-1 mol
表５．SI 接頭語
記号 乗数　接頭語
Ｙ
シ
10-1 デ
表６．SIに属さないが、SIと併用される単位
名称
記号
SI 単位による値
分
min 1 min=60s
時
h 1h =60 min=3600 s
（a）量濃度（amount concentration）は臨床化学の分野では物質濃度
（substance concentration）ともよばれる。
（b）これらは無次元量あるいは次元１をもつ量であるが、そのこと
を表す単位記号である数字の１は通常は表記しない。
表３．固有の名称と記号で表されるSI組立単位
SI 組立単位
組立量
他のSI単位による
名称
記号
表し方
（ｂ）
平
面
角 ラジアン(ｂ)
rad
1
（ｂ）
(ｂ)
(c)
立
体
角 ステラジアン
sr
1
周
波
数 ヘルツ（ｄ）
Hz
力
ニュートン
N
圧
力
応
力 パスカル
,
Pa
N/m2
エ ネ ル ギ ー , 仕 事 , 熱 量 ジュール
J
Nm
仕 事 率 ， 工 率 ， 放 射 束 ワット
W
J/s
電
荷
電
気
量 クーロン
,
C
電 位 差 （ 電 圧 ） , 起 電 力 ボルト
V
W/A
静
電
容
量 ファラド
F
C/V
電
気
抵
抗 オーム
Ω
V/A
コ ン ダ ク タ ン ス ジーメンス
S
A/V
磁
束 ウエーバ
Wb
Vs
磁
束
密
度 テスラ
T
Wb/m2
イ ン ダ ク タ ン ス ヘンリー
H
Wb/A
セ ル シ ウ ス 温 度 セルシウス度(ｅ)
℃
光
束 ルーメン
lm
cd sr(c)
照
度 ルクス
lx
lm/m2
Bq
放 射 性 核 種 の 放 射 能 （ ｆ ） ベクレル（ｄ）
吸収線量, 比エネルギー分与,
グレイ
Gy
J/kg
カーマ
線量当量, 周辺線量当量, 方向
Sv
J/kg
シーベルト（ｇ）
性線量当量, 個人線量当量
酸
素
活
性 カタール
kat
接頭語
ヨ
タ
オングストローム
海
里
バ
ー
ン
Å
Ｍ
１Å=0.1nm=100pm=10-10m
１M=1852m
b
ノ
ネ
ベ
ト
パ
ル
kn
Np
Ｂ
１b=100fm2=(10-12cm)2=10-28m2
１kn=(1852/3600)m/s
ル
dB
ッ
ー
デ
ジ
ベ
SI単位との数値的な関係は、
対数量の定義に依存。
表９．固有の名称をもつCGS組立単位
名称
記号
SI 単位で表される数値
ル
グ erg 1 erg=10-7 J
エ
ダ
ポ
イ
ア
ス
ス
ト ー ク
チ
ル
フ
ガ
ォ
ン dyn 1 dyn=10-5N
ズ P 1 P=1 dyn s cm-2=0.1Pa s
ス St 1 St =1cm2 s-1=10-4m2 s-1
ブ sb 1 sb =1cd cm-2=104cd m-2
ト ph 1 ph=1cd sr cm-2 104lx
ル Gal 1 Gal =1cm s-2=10-2ms-2
マ ク ス ウ ｪ ル
ガ
ウ
ス
エルステッド（ ｃ）
Mx
G
Oe
1 Mx = 1G cm2=10-8Wb
1 G =1Mx cm-2 =10-4T
1 Oe　(103/4π)A m-1
（c）３元系のCGS単位系とSIでは直接比較できないため、等号「　」
は対応関係を示すものである。
キ
レ
ラ
名称
ュ
リ
ン
レ
ガ
ト
表10．SIに属さないその他の単位の例
記号
SI 単位で表される数値
ー Ci 1 Ci=3.7×1010Bq
ゲ
ン
ン R
ド rad
ム rem
マ γ
準
大
気
1 rad=1cGy=10-2Gy
1 rem=1 cSv=10-2Sv
1γ=1 nT=10-9T
1フェルミ=1 fm=10-15m
フ
ェ
ル
ミ
メートル系カラット
ト
標
1 R = 2.58×10-4C/kg
1メートル系カラット = 200 mg = 2×10-4kg
ル Torr 1 Torr = (101 325/760) Pa
圧 atm 1 atm = 101 325 Pa
カ
ロ
リ
ー
cal
ミ
ク
ロ
ン
µ
1cal=4.1858J（｢15℃｣カロリー），4.1868J
（｢IT｣カロリー）4.184J（｢熱化学｣カロリー）
1 µ =1µm=10-6m
（第8版，2006年改訂）