原子力システム研究開発事業

原子力システム研究開発事業における平成18年度採択課題中間評価の結果について

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

 燃料集合体解体及び燃料ピンせん断技術の開発

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:小林嗣幸
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:鷲谷忠博

3.研究開発の概要

 「高速増殖炉サイクルの研究開発方針(文部科学省)」では、今後の研究開発に当たって更に検討すべき事項の一つとして挙げられている「解体・せん断技術」について、「従来よりも制御性等に優れた機械式解体技術及び高粉化率のせん断片が得られる短尺せん断技術を開発する」こととされている。
 本事業は、使用済燃料集合体のラッパ管を、内包される燃料ピンを損傷しないように切断し、燃料ピン束を取り出し、せん断工程に引き渡すまでの一連の解体システムと取り出した燃料ピン束を、後工程の高濃度溶解システムへの対応性に優れた寸法に切断する短尺せん断技術を開発し、それらの基本性能を模擬燃料集合体等を用いた試験により工学規模で確認することを目的とする。

4.研究開発予算

平成18年度239,022千円
平成19年度577,559千円
平成20年度209,696千円
平成21年度(予定)138,920千円

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

【研究開発項目1】 燃料集合体解体システムの開発
 使用済燃料集合体のラッパ管を、内包される燃料ピンを極力損傷しないように切断し、燃料ピン束を取り出し、せん断工程に引き渡すまでの一連の解体システムを開発し、それらの基本性能を模擬燃料集合体(コールド)等を用いた試験により工学規模で確認することで、一連の解体手順、解体システムの成立性を示すとともに、実用規模の解体システムの概念構築に資するシステム性能データを取得する。具体的な開発要件は以下のとおりである。
・切断不良がなく、燃料ピン損傷の可能性を極力排除(燃料ピン損傷は集合体1体あたり1ピン以下を目安)できる解体手順を考案すること。
・ラッパ管等の構造材の切断方法や分離方法、並びに燃料ピン束のハンドリング方法に関する要素技術開発を実施し、上述の解体手順の各段階及び手順全体としての操作の成立性を実証すること(燃料集合体1体あたり2時間以内を目安)。

【研究開発項目2】 燃料ピン束短尺せん断技術の開発
 解体システムで取り出した燃料ピン束を、後工程の高濃度溶解システムに適合するように1cm程度に切断する短尺せん断技術を開発し、それらの基本性能を模擬燃料ピン束(コールド)等を用いた試験により工学規模で確認することで、短尺せん断技術の成立性を示すとともに、実用規模の短尺せん断システムの概念構築に資するシステム性能データを取得する。具体的な開発要件は以下のとおりである。
・せん断片長さ1cm(±5mm)を目安とし、連続的にせん断処理できる短尺せん断技術を開発すること。
・解体システムからの燃料ピン束の受け取りを行うことができ、所定の長さ(設定長さ±5mmを目安)毎に押し出せるせん断機マガジン構造を開発すること。
・せん断システムの処理能力(溶解槽へのせん断片供給量)は40kgHM/h以上とする。

7.これまでに得られた成果

【研究開発項目1】 燃料集合体解体システムの開発
 解体システムの要素技術開発を完了するとともに、その成果を解体システム技術開発に反映した試験装置の設計・製作を完了した。具体的な成果を以下に示す。
①解体要素技術開発
 機械式切断を基本とする燃料集合体解体システムの要素技術開発として板材・試験体を用いた機械式切断試験を実施し、切断工具としてCBN砥石を選定した。実用炉のラッパ管候補材料であるPNC-FMS鋼や汎用ステンレス鋼製の肉厚5mmの板材を用いたラッパ管の周方向切断試験により1枚のCBN砥石で実用炉燃料集合体5体程度の切断が可能であり、交換を前提とした砥石は実用的な寿命を有することが分かった。また、周方向切断だけでは燃料ピンからラッパ管が引き抜けない場合に実施するラッパ管の軸方向切断については、肉厚5mmの汎用ステンレス鋼製板材を汎用切断架台に固定して実施した切断試験から実用炉燃料集合体1体程度の切断が可能であると評価された。一方、肉厚5mmのPNC-FMS鋼製板材の下部に模擬ピンを配置した試験体を用いた軸方向切断試験を実施したが、切断時の板材の変形に伴う切断工具の抑え込み現象が見られ、十分な長さ(2.3m)を切断することは難しいことが判明した。しかしながら、解体システム試験では、肉厚3mmの六角形状のラッパ管の切断を1500mm実施したが切断工具の磨耗は殆ど生じなかったことより、工具の抑え込みは本試験体の構造によるものと判断されるため、継続して実施する解体システム試験ではラッパ管の六角形状を模擬する等の試験体の改良を検討する。また、燃料ピン束端栓部の切断については実用炉の燃料ピン候補材料であるODS鋼や汎用ステンレス鋼で製作した61ピン試験体の切断は問題なく可能で一枚の砥石で5体以上の切断が可能と推定された。一方、実用炉燃料のようにピン本数が増えた場合には、切断に伴う発熱等の影響が著しく、切断が困難であった。継続して実施する解体システム試験では切断条件の調整や燃料集合体構造への提言を行なう予定である。
 レーザー切断については、切断試験とレーザーを導光するために用いる光ファイバーのγ線照射試験を実施した。切断試験の結果、燃料ピン束を取り出した後のラッパ管の減容切断に最も適したレーザーとして取り扱いが容易で信頼性の高いファイバーレーザーを選定し、出力5kWのファイバーレーザーによる肉厚5mmの汎用ステンレス鋼製の板材を用いた切断試験で十分な切断速度が期待できることが分かった。ただし、レーザー切断をラッパ管の軸方向切断へ適用するには、ラッパ管直下の燃料ピンの損傷を防止することが必要である。このため、レーザーの反射光をモニターして出力を制御する切断試験を実施したが、燃料ピンを損傷することなくラッパ管のみを軸方向に切断するには新たな開発が必要であり、現時点では成立性の見通しが持てないと判断した。光ファイバーを1000時間程度までγ線照射したが実用装置で想定される0.1kGy/h程度の線量率では照射損傷の熱回復によって透過率の顕著な低下は生じなかった。このことから実用条件の線量率を考慮すれば光ファイバー自体は2万時間以上まで利用できる可能性があることが分かった。
②解体システム技術開発
 上記①解体要素技術開発の成果を逐次反映し、機械式切断を基本とする解体システム試験装置の基本設計・製作を完了し、模擬燃料集合体を用いて動作を確認した。具体的には、ラッパ管の照射変形や切断工具の磨耗を考慮して切断深さを制御するとともに、システム試験で予想される一連の解体手順が実現可能な機構を有し、切断性能や燃料ピン束からのラッパ管引き抜き荷重の測定が可能であることを確認した。また、模擬燃料集合体を用いた動作試験では、ラッパ管や燃料ピン束端栓部の切断を含め解体が可能な見通しが得られた。特に、①解体要素技術開発で課題であったラッパ管の軸方向切断については、六角形状で燃料ピンを内包したラッパ管の切断を1500mm実施したが切断工具の磨耗は殆ど生じなかったことから課題解決の見通しはあると判断している。ただし、ラッパ管の軸方向切断時の燃料ピンの損傷、クロップカット時の発熱、切削粉の飛散、操作速度の向上、操作全体の信頼性向上等の課題も摘出され、改良策を平成20年度の開発計画に反映した。

【研究開発項目2】 燃料ピン束短尺せん断技術の開発
 燃料ピン束短尺せん断技術の要素技術開発として、燃料ピン装荷方法の検討と短尺せん断のパラメータ試験を完了した。具体的な成果を以下に示す。
①燃料ピン装荷方法の検討
 解体後の燃料ピン束形状に応じた燃料ピン束のマガジンへの装荷機構と装荷後の燃料ピン束の拡がりを抑制可能なせん断機マガジンの構造について要素試験を実施し、解体後の燃料ピン束をトレイに受け、搬送台車で移動し、マガジンに確実に装荷する一連のハンドリングが可能な見通しを得るとともに、信頼性を向上させるための課題を摘出した。具体的には、トレイの形状を皿型とすることで燃料ピン束ハンドリングの信頼性が向上することが分かった。また、マガジン内挙動試験では、マガジン内での燃料ピンの押送り状況及び模擬ギャグによるピン束圧縮状況を確認し、マガジン幅及びギャグ後方の押え高さの影響を評価し最適なマガジン構造を選定した。さらに、ギャグ後方の押え高さを制限しせん断時のピンの上方への逃げを抑制することが有効であることも分かった。なお、平成20年度には、要素試験で使用した搬送台車を改良し、工学規模のせん断試験の装荷装置として利用する計画である。
 燃料ピンをせん断する前に燃料ピンに螺旋状に巻かれているワイヤーを効率的に除去する方法について基礎試験を実施し、ワイヤー位置を検出して端栓部のみを切断し、ワイヤーを分離できる見通しが得られた。これらの動作の信頼性は高く、十分な処理速度(1分/本)でワイヤーを除去できる見通しが得られたが、燃料ピンのハンドリング等の工学的課題も確認された。なお、平成20年度には、切断方法の改良方法や解体システム及びせん断装置との受け渡し方法を具体化して実用性を評価する計画である。
②短尺せん断技術の開発
 燃料ピン束の短尺せん断技術の開発としてせん断試験装置(最大せん断荷重約100t)の修繕、簡易マガジンの設置及びパラメータ試験を完了した。長さ1.5mまでの短い模擬燃料ピンを装荷できる簡易マガジンは、マガジン幅の変更により燃料ピン束の装荷状態を調整する機能と、マガジン後部のゲージ付きハンドル操作により燃料ピン束の送り長さ(=せん断設定長さ)を設定する機能を有する。せん断対象は、SUS316製被覆管(直径10.4o、全長1.5m)に、アルミナ製ペレットを充填し、SUS316製ワイヤー(直径1o)を巻き付けた実用炉炉心燃料を模擬したピン等を用い、燃料ピン本数、マガジン幅、せん断設定長さ、ギャグ押付荷重、せん断速度をパラメータとしてせん断試験を実施した。試験結果から、せん断片の長さ及び開口率、せん断後に放出された燃料片の粒径分布、せん断時の燃料ピン束の挙動データを取得し、燃料ピンを1cm程度の間隔で短尺せん断することは可能で、せん断長さの変動もマガジン内の燃料ピン充填率を高めることにより低減できることが分かった。なお、平成20年度には、長さ3m程度の実用炉燃料ピンによる工学試験を可能とするため、燃料ピン装荷方法の要素試験で使用した搬送台車とマガジンを改良し、既設のせん断装置に接続して設置する計画である。

8.中間評価の過程における主な指摘事項

【全体】
・計画通り進んでいるので、目標達成に向けて引き続き研究開発を進めてもらいたい。
・クロップカットについては、切断の方法について今考えられている色々な工夫をして、今後実施される(切断)試験によって実現性を示してもらいたい。

【研究開発項目1】 燃料集合体解体システムの開発
・クロップカット試験において出てきた課題については、既に計画されている、「切り込み深さ、切断速度、モータの電流値と発熱の関係等を把握しそれを基に切断を制御する」などの工夫をして、今後実施される試験によって成立性を示し、目標を達成してもらいたい。

【研究開発項目2】 燃料ピン束短尺せん断技術開発
・せん断長さについては、要求事項を満足する成果が得られている。
・FBR燃料再処理においては、せん断設備に関わるマテリアルハンドリング、ピン束の取扱やマガジンの設計はとても大切な技術であるので、実用化に役立つ知見が得られるように取り組んでもらいたい。

9.中間評価結果

・計画どおり進んでいるので、目標達成に向けて引き続き研究開発を進めてもらいたい。
・解体システムの技術的課題(クロップカットにおける課題)への対応については、現在計画されているような色々な工夫をして、今後実施される(切断)試験によって実現性を示してもらいたい。

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)

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