原子力システム研究開発事業−特別推進分野−中間評価 総合所見公表用
１．研究開発課題名
燃料取扱い系システムの開発
２．研究開発の実施者
| 機関名：日本原子力発電株式会社 | 代表者氏名：小竹 庄司 |
| 機関名：独立行政法人日本原子力研究開発機構 | 代表者氏名：宇都 成昭 |
３．研究開発の概要
本事業では、コンパクト化された原子炉容器に適合し、高発熱のTRU燃料を安全かつ効率的に取扱える簡素化された燃料取扱いシステムの開発を目的に、以下の項目について開発を実施する。
(1)スリット付き炉上部機構に適用可能な燃料交換機の開発
本研究開発項目では、スリット付き炉上部機構に適用でき、燃料交換時間の短縮等の性能・機能要件を満足する燃料交換機の開発を目的とする。現在、燃料交換機概念としては2種類（マニプレータ式燃料交換機及びパンタグラフ式燃料交換機）が高速増殖炉サイクルの実用化戦略調査研究において提案されているが、これらを基本性能（機能）及び異常時対応性、保守・補修性等の観点で検討を行い、その結果を比較評価して基本構造の絞り込みを行う。選定した燃料交換機について実規模大の試験装置を製作し、剛性、作動性等の試験を実施して実機適用性評価・まとめを行う。
(2)燃料集合体を2体同時移送可能なナトリウムポットの開発
本研究開発項目では、燃料交換時間の短縮によりプラント稼働率向上を図るため、使用済燃料集合体を2体収納し移送可能なナトリウムポットの開発を目的とする。ナトリウムポットは、移送停止等の異常状態において空気流の間接冷却により、燃料温度を制限値以内に維持することが要求される。ポットは、フィン付形状としているが、熱伝達経路が複雑であるため伝熱特性を評価するための基礎データを取得し、ポット全体の除熱性能を試験により確認する。
(3)使用済燃料の直接水プール貯蔵に適用する燃料洗浄システムの開発
本研究開発項目では、使用済燃料の水プール貯蔵のために実施する付着ナトリウムの洗浄方式を簡素化し、液体廃棄物量の削減を図れるアルゴンガスを用いた乾式洗浄システムの開発を目的とする。洗浄対象の燃料集合体は、溶融燃料排出用の内部ダクトを有しており、内部ダクト内ナトリウム排出性能と内部ダクトを有する燃料集合体内の洗浄ガスの流動及び付着ナトリウムの除去性能等を試験により確認する。
(4)TRU燃料輸送時の除熱技術の開発
本研究開発項目では、崩壊熱量が大きいTRU新燃料を、安全かつ効率的に輸送できるキャスクの構造概念を開発することを目的とする。キャスク概念の検討としては、冷媒としてヘリウムを用いた概念を設計し、また液体冷媒を用いた概念についても設計を行う。液体冷媒については、新燃料（1〜3ｋW/体の範囲）5〜10体程度の輸送を満足できる冷媒液体を調査、検討し、新燃料輸送キャスクの概念検討、燃料集合体温度解析を行うとともに設計データの取得を行う。
４．研究開発予算
| 平成18年度 | 334,141千円 |
| 平成19年度 | 919,527千円 |
| 平成20年度 | 226,239千円 |
| 平成21年度(予定) | 158,900千円 |
５．研究開発期間
平成18年11月 〜 平成22年3月 （4年計画）
６．平成19年度までの目標
燃料交換機アームの開発に関し、設計要求事項を設定する。
実用燃料交換機概念を選定するために2種類の燃料交換機について、これらを基本性能（機能）及び異常時対応性、保守・補修性等の観点で検討を行い、各部仕様を設定する。また、2種類の燃料交換機について、実機を模擬した試験体の基本設計を行う。これを基に、燃料交換機構造の剛性、位置決め精度の検討、これらを確認するための試験方法の検討、及び試験装置の基本設計を行う。
上記1)の作業結果を評価し、候補とする実用燃料交換機概念を選定する。
平成１８年度の成果に基づき、選定した燃料交換機について、基本性能（機能）及び異常時対応性、保守・補修性を確認するため、燃料交換機アーム実規模試験体の製作設計、製作及び部分組立てを行い、基本動作を確認する。
上記①の作業結果を基に、燃料交換機製作性についての課題、実機への反映事項を整理する。
上記①及び②1)の作業結果を評価して、まとめる。
ナトリウムポットの開発に関し、設計要求事項及び試験条件を設定する。
Naポット取扱い異常時に想定される状態を考慮した輻射率測定試験に関する試験条件を設定する。
ポットの一部を試作し、表面に加工するフィン形状、製作性及び輻射伝熱を向上させるコーティング条件について、確認試験を実施し選定する。
除熱評価用のポットの輻射率データを測定するための試験装置の基本設計を行う。
除熱評価用のポットの輻射率データを測定するための試験装置のうち、除熱評価用のポットの輻射率データを測定するための試験部の製作を行い、基本機能を確認する。
除熱評価用のポットの輻射率データを測定するための試験装置のうち、試料浸漬部及び計測制御装置の製作を行い、上記2)の輻射率測定部とともに試験用グローブボックスへの取り付け、調整を行い、基本機能を確認する。
平成１８年度に製作した輻射率測定試験装置を用いて金属試験片表面の輻射率を測定し、設計データを取得する。
実機と同様な環境下で除熱性能を確認するためのポット除熱試験装置の基本設計を行う。
実機と同様な環境下で除熱性能を確認するためのポット除熱試験装置の一部である模擬ヒータの製作を行い、基本機能を確認する。
平成18年度の基本設計及び製作した試験体ヒータを用いて実機と同様な環境下で除熱性能を確認するためのポット除熱試験装置の製作設計、製作及び据付けを行い、基本機能を確認する。
フィン、模擬ヒータ等の仕様の設定を行い、ポット体系での2次元モデルでの伝熱解析を実施する。
実機の運転状態を模擬したポット内自然対流及び異なる発熱量の集合体を収納した場合の非軸対称の伝熱条件を評価するための伝熱解析モデルを作成する。
作業結果を評価して、まとめる。
燃料洗浄システムの開発に関する設計要求事項を設定する。
乾式洗浄試験方法を検討し、試験体を用いた乾式洗浄試験計画書を策定するとともに、内部ダクト乾式洗浄試験及び模擬集合体乾式洗浄試験に使用する乾式洗浄試験装置、内部ダクト試験体、模擬集合体及び試験体移送設備の基本設計を行う。
内部ダクト内のナトリウムドレン性、洗浄性を確認する内部ダクト乾式洗浄試験に使用する内部ダクト試験体の製作を行い、基本機能を確認する。
内部ダクト試験体及び模擬集合体を収納し、ナトリウムループ及び乾式洗浄試験装置間を移送する試験体移送容器を製作し、基本機能を確認する。また、試験体移送容器をナトリウムループに設置する際に、ナトリウムループと取り合い部となる移送容器用フランジ架台の製作を行い、基本機能を確認する。
内部ダクトを模擬した模擬集合体の乾式洗浄試験に使用する模擬集合体のうち、ヒータピン、エントランス部の製作を行い、基本機能を確認する。
平成１８年度に基本設計を行った乾式洗浄試験装置及びナトリウム計測作業架台の製作設計、製作及び据付けを行い、基本機能を確認する。
上記①1)で製作した試験装置にて内部ダクト乾式洗浄試験を行い、ダクト内部及び外表面の洗浄性（平成１８年度に製作した内部ダクト試験体使用）、及びダクト・ラッパ管接合部の洗浄性（今年度製作する内部ダクト試験体(2)使用）を確認する。
平成１８年度に実施した乾式洗浄試験用模擬集合体の基本設計に基づき、平成１８年度に製作したヒータピン、エントランス部と今年度製作するラッパ管、ラッパ管支持具、内部ダクト、ヒータピン支持構造、模擬遮へい体との組み立てを行い、基本機能を確認する。
実機適用性の評価方法を検討し、まとめる。
新燃料輸送システムの開発に関し、設計要求事項を設定する。
新燃料の輸送可能なキャスクに適用する冷媒液体の候補を調査し、冷却性能、化学的安定性、照射安定性等の観点から数種類に絞り込むとともに、ナトリウムとの共存性についても調査する。
ヘリウムガスキャスクの除熱性能評価、遮へい評価及び構造評価を行う。
また、②で絞り込んだ候補冷媒を用いたキャスクについて、同様に除熱性能評価、遮へい評価及び構造評価を行う。
平成１８年度に構築した新燃料輸送キャスク概念に基づき、燃料集合体の温度を解析により求め、新燃料輸送キャスク設計への反映項目を摘出する。
上記①で得られる燃料集合体温度解析結果に基づき摘出した設計への反映項目を、平成１８年度に構築した新燃料輸送キャスクの構造概念に反映した設計検討を行う。
上記①及び②の作業結果を評価して、まとめる。
７．これまでに得られた成果
【研究開発項目１】スリット付き炉上部機構に適用可能な燃料交換機の開発
平成18年度では、FSフェーズIIで提案されたパンタグラフ式及びマニプレータ式燃料交換機それぞれについて、構造概念検討、試験計画及び試験装置の基本設計を行った。これらの検討結果に基づき、位置決め精度を含む通常運転機能、地震時の剛性、保守・補修性、異常時対応性について比較評価を行った。この２方式については、それぞれスリット付き炉上部機構に適用可能であるが、アーム折り畳みが不能となるような異常時に対し、高さ方向の制御が不要で、駆動部を外部から強制的に引き上げる操作のみでアームが折り畳めるパンタグラフ式を開発対象に選定した。
平成19年度では、平成18年度に実施したパンタグラフ式燃料交換機試験装置の基本設計に基づき、製作設計を行い、構成品の製作及び燃料交換機試験体の部分組立（本体胴、アーム）を行った。試験装置の製作設計を通じて、製作性、加工・組立精度、取扱い性向上の観点で構造の検討評価を行い、それに基づいて可動筒昇降用ガイドレールの凹型3本から凸型2本への変更、アーム形状及び構造の変更、グリッパ収納ケース設計の合理化を行った。これらの合理化見直しを含めて各部構造が燃料交換機に要求される機能、及び強度上問題ないことを確認した。
平成18年度、19年度の計画は、スリット付き炉上部機構に適用する燃料交換機の基本構造の構築並びに試験装置の製作であり、平成20年3月末現在で、所期の目標を達成している。また、実機燃料交換機に対して、製作性、加工・組立精度、取扱い性を向上させることができるように構造の最適化を図ることができた。
【研究開発項目２】燃料集合体を2体同時移送可能なナトリウムポットの開発
平成18年度では、2集合体ポット表面に施すフィン加工、コーティング施工について、実規模径の加工用試験体を用いて、2集合体ポットに適用する条件を確認するとともに、解析によりフィンの除熱効果を評価し、ポット除熱試験に使用するポット試験体の仕様を設定した。また、コーティング処理した金属の輻射率を測定する試験装置（輻射率測定試験装置）、ポットの除熱量データを取得する実規模体系の試験装置（ポット除熱試験装置）の基本設計を行い、輻射率測定試験装置については、製作設計並びに製作を行った。
平成19年度では、製作した輻射率測定試験装置を用いて、コーティング処理し、ナトリウムに浸漬させた金属表面からの輻射率データを取得した。また、ポット除熱試験装置については、製作設計並びに製作を行い、原子力機構が所有するナトリウムループに据付けを行った。また最終年度の解析による除熱量評価に備え、ポットの3次元伝熱流動解析モデルを作成した。
平成18年度、19年度の計画は、輻射率測定試験の実施、ポット除熱試験装置の製作・据付及び実機体系ポット伝熱解析モデルの作成であり、平成20年3月末現在で、所期の目標を達成している。また、輻射率測定試験ではコーティングにより輻射率が2.5倍から3倍程度高められること、コーティング材の輻射率がナトリウムの浸漬時間に大きく依存しないこと、高温領域では雰囲気中の微量な酸素による酸化の影響と思われる輻射率の上昇が見られることなど、設計で考慮すべき貴重なデータを得ることができた。
【研究開発項目３】使用済燃料の直接水プール貯蔵に適用する燃料洗浄システムの開発
平成18年度では、乾式洗浄方式による洗浄性を確認するための試験体（断面形状を模擬した内部ダクト試験体(1)、模擬集合体）及び洗浄試験装置並びに試験体を雰囲気から隔離しナトリウム計測作業場所まで移送するための設備（試験体移送設備）の基本設計を行った。また、内部ダクト試験体(1)、試験体移送設備及び模擬集合体の一部（ヒータピン、ガス導入部）については製作を行った。
平成19年度では、乾式洗浄試験装置の製作、模擬集合体の残りの部品（ラッパ管、内部ダクト、ヒータピン下部支持構造等）の製作及び全体組立、並びに内部ダクトとラッパ管との接合方式を模擬した内部ダクト試験体(2)の製作を行った。また、乾式洗浄試験装置を用いて、内部ダクト試験体(1)及び(2)の洗浄試験を行い、内部ダクト内部のドレン性、乾式洗浄方式による洗浄性を確認するとともに、燃料集合体の残留ナトリウム評価に用いるデータを取得した。
平成18年度、19年度の計画は、試験を行うための試験体、試験装置製作及び内部ダクトについて、ドレン性、乾式洗浄方式による洗浄性の確認、評価に使用するデータの採取を目的とした乾式洗浄試験の実施であり、平成19年度3月末現在で、所期の目標を達成している。また、ナトリウムの残留が懸念されていた内部ダクトについては、ダクト内部のナトリウムドレン時間が高々4分程度で、洗浄前待機時間（燃料引上げ開始からガス吹き付け開始までの時間10分）内であること、洗浄後のナトリウム残留量が高々10ｇ程度で、燃料集合体全体で予想される残留量約300gに対して十分低い値であることが確認され、内部ダクトは洗浄性に関し特に問題ないことを確認した。
【研究開発項目４】TRU燃料輸送時の除熱技術の開発
平成18年度では、FSフェーズIIで検討したキャスクの冷媒としたヘリウムの伝熱特性を基準に、より除熱の高い液体冷媒の調査を行い、キャスクの冷媒として要求される特性、取扱い性の観点で、キャスクに適用する液体冷媒として水を選定した。また、ヘリウム及び水を冷媒とした輸送キャスクの構造概念を検討し、それぞれ5体、10体収納できるキャスク概念を構築した。
平成19年度では、構築したヘリウム及び水キャスク概念に基づき、未臨界性を確認するとともに、輸送状態である横置き姿勢での詳細温度解析を行い、両キャスクとも構造材については温度制限上問題ないことを確認した。また、ヘリウムキャスクについて、燃料搬入時の状態である縦置き姿勢（蓋未開封）における温度解析を行ない、搬入場所が空気雰囲気の場合ではキャスクの温度制限上問題ないが、アルゴンガス雰囲気の場合では、中性子遮へい体の制限温度を超えることが確認された。なお、ヘリウムキャスクの横置き姿勢の結果では、内部の燃料集合体の温度が約360℃であり、取出し後に空気中で燃料集合体を取り扱う場合、表面酸化を起こす可能性があるため、蓋開封前に内部を冷却する等の受入設備側の対応方法も含めた検討が今後必要となる。なお、蓋開封前にキャスク内部の循環冷却を可能にさせるためのバルブを設けた構造概念を検討した。
平成18年度、19年度の計画は、TRU新燃料輸送キャスクの概念検討とキャスク及び燃料集合体の温度解析である。ヘリウムキャスクについては、燃料集合体の温度が、暫定的に設定した酸化防止上の制限値300℃以下にすることは困難であることが分かった。なお、キャスク内は不活性雰囲気としており、輸送中に酸化する恐れはないので、受入設備側で対応すべき検討条件を摘出できたことから、平成20年3月末現在で、所期の目的を達成しているといえる。
８．中間評価の過程における主な指摘事項
９．中間評価結果
10．総合評価
| ○ | a（継続すべき） |
| b（継続すべきだが、計画について調整の必要がある） | |
| c（継続すべきだが、計画の一部見直しの必要がある） | |
| d（継続するためには、計画の大幅な見直しの必要がある） | |
| e（継続すべきではない） |
