原子力システム　研究開発事業　成果報告会資料集

燃料集合体解体及び燃料ピンせん断技術の開発

１．研究開発の背景とねらい

　本事業においては、高速炉の使用済燃料集合体のラッパ管を切断して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等を用いた試験により工学規模で確認する。また、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ピン束を用いた試験により工学規模で確認する。これらの試験には原子力機構における試験設備や技術蓄積を有効に活用する。本事業の全体計画工程を表1 に示す。

２．研究開発成果

２．１　燃料集合体解体システムの開発

　平成19 年度までに機械式切断を基本とする解体システムの要素技術開発を完了するとともに、その成果を反映した解体システム試験装置の設計・製作を完了した。平成20 年度は、これらの成果を反映し試験装置を改良した上で、試験場所に設置し、機能を確認した。具体的な成果を以下に示す。

(1)解体要素技術開発¹⁾
　要素技術開発として板材や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。また、実用炉のラッパ管候補材料であるPNC-FMS 鋼や実用炉の燃料ピン候補材料であるODS 鋼製試験体の切断試験を実施し、課題を摘出した。
　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 で肉厚5mm の汎用ステンレス鋼製の板材を十分な速度で切断できることが分かった。ここで、燃料ピン束を取り出すための解体切断へのレーザーの適用性については、レーザー切断によって切断部の融着やラッパ管直下の燃料ピンを損傷することなく、ラッパ管のみを軸方向切断するためには、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。また、レーザーを導光するための光ファイバーを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 程度の線量率では透過率の顕著な低下は生じなかった。

(2)解体システム技術開発^2),3)
　解体要素技術開発の成果を反映した上で解体システム試験装置の設計・製作を完了し、動作を確認した。
　平成20 年度は、製作した解体システム試験装置の制御部に、切断データ履歴保管機能を追加した。また、切断粉の飛散を低減するために、解体システム試験装置の切断粉回収装置を改良した。さらに、クロップカット時の発熱を緩和し切断砥石の破損を防止するとともに解体速度を向上させて解体時間の目安である2 時間以内を達成できるようにするために切断負荷に応じた砥石の下降速度の自動制御機能を追加した。さらに、改良した解体システム試験装置を試験場所に設置し、模擬燃料集合体等を用いて機能を確認した。
　切断データ履歴保管機能を追加した結果、制御操作盤の表示画面で模擬燃料集合体や局部試験体の形状に応じた切断位置や切断速度等の試験条件の設定値を確認し、保存しておくことができるようになった。これにより試験条件の確認や過去の繰り返し試験及び一部の条件を変更するパラメータ試験の実施が容易になったことで試験操作が効率化された。
　切断粉回収装置の改良としては、切断粉の飛散防止のためのスライド式砥石カバー、切断粉の跳ね返りによる飛散を防止するためのスチールウール付き切断粉回収板、燃料ピン束に付着した切断粉を回収するための回収ノズルを製作し、試験によってそれぞれの改良効果を確認したが、現状の切断粉の回収率は、周方向スリットカット時で78％、クロップカット時で35％であった。この原因は、一連の解体操作に伴い、切断位置と切断方向が変化するため切断粉の飛散条件が大きく異なることにあり、それぞれの切断方法と位置及び方向に合わせた回収冶具の試作等の追加措置が必要であることが分かった。
　試験場所に設置した解体システム試験装置の写真を図1 に示す。この装置の機能を確認した結果、これまで明らかになった課題の内、クロップカット時の発熱による影響、操作速度の向上、操作全体の信頼性向上に対して改善効果が認められた。図2は、それぞれ機能確認試験におけるスリットカットとクロップカットの状況を示した写真であるが、改良によって切断性能がかなり改善された。残る課題である燃料ピンの損傷と切断粉の飛散防止と回収率の向上については、平成21 年度の開発の中で継続して改善を図る予定である。

(3)実用炉燃料向け解体システムの概念検討
　平成20 年度には、平成19 年度までに実施したレーザー切断に関する基礎試験の結果によって、ラッパ管の減容に適用できる見通しが得られたため、機械式解体装置との取り合いを考慮し、切断速度が速く耐久性に優れたファイバーレーザーを用いた実用炉向けのレーザー式ラッパ管減容切断装置の概念を検討した。
　具体的には、機械式解体装置の一部である移動式切断機にラッパ管減容切断のためのファイバーレーザーを設置することで一体化し、機械式解体装置の持つ移動及び回転機能を利用してラッパ管を所定の長さに減容切断する装置概念を選定した。
　また、一体化してもせん断操作の待ち時間を利用して減容切断を実施することで、解体時間には悪影響を与えない見通しが得られた。
　この検討によって、一体化の見通しが得られたため、平成21 年度に実施する実用炉向け解体システム概念の検討において、付帯設備を含めた装置概念の詳細化を図る予定である。

２．２　燃料ピン束短尺せん断技術の開発

　平成19 年度までに、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。平成20 年度は、これらの成果を反映し、要素技術開発で利用した試験装置の改良を行った上で、既設のせん断装置に接続してせん断システムとしての機能を確認した。具体的な成果を以下に示す。

(1)燃料ピン装荷方法の検討¹⁾
　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、要素試験を実施した。その結果、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燃料ピン束ハンドリングが可能な見通しを得るとともに、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、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燃料ピン端栓部のみを切断し、ワイヤーを分離できる機構を考案した。基礎試験では、燃料ピン1 本を1 分程度で処理できたものの、端栓部の切断負荷、燃料ピンのハンドリングの信頼性等の工学的課題も摘出された。そこで、平成20 年には、図3 に示す様にワイヤーを把持してワイヤーのみを切断し、ワイヤーを巻取ることでコンパクト化しながら除去する方式を選定し、切断負荷を低減した。また、解体及びせん断装置間の燃料ピンのハンドリング方法を検討してワイヤー除去を含めた工程概念を具体化し、処理能力や信頼性の観点から実用性を評価した。その結果、燃料ピン1 本あたりの処理時間は1〜3 分程度で、一般産業の類似品の寿命から予想される駆動部の寿命は1 年以上と評価され、ワイヤー除去装置の実用化の可能性が示された。ただし、今後の課題としては、解体時のワイヤーの破断、燃料ピンの照射に伴う曲がり、ワイヤー巻きピッチの大幅な不規則性によりワイヤー除去装置が故障する可能性が残っており、実用化に必要な安定操業が可能な装置を開発するためにはかなりの開発期間を要すると思われる。

(2)短尺せん断技術の開発^3),4)
　せん断試験装置の調整、簡易マガジンの設置及びパラメータ試験を完了し、燃料ピン外径、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たせん断試験を実施した。ここで、使用した簡易マガジンは長さ1.5mの短い模擬燃料ピンを装荷でき、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を設定することでせん断長さを調整する機能を有している。実用炉炉心燃料を模擬したピンを用いた試験結果から、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た。その結果、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あり、せん断片の長さの変動もマガジンの幅を狭めることで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。
　平成20 年度は、(1)で実施した燃料ピン装荷方法の要素試験結果を反映し、試験装置（マガジン及び搬送台車）を改良し、既設のせん断装置に接続した。また、模擬燃料ピンを用いて、改良したマガジン及び搬送台車の機能試験を実施した。
　マガジンの改良においては、マガジンとしての必要な機能を確認したのに加え、プッシャによる燃料ピン束の送り長さの設定が容易になった。
　装荷機構付き搬送台車の改良としては、図4 に示すように改良型トレイを製作・取付けたほか、トレイに昇降機能を持たせることで、燃料ピン束を解体システム試験装置から受け取り、せん断試験装置のマガジンへ装荷する際の信頼性を向上させた。
　設置した装荷機構付き搬送台車の機能確認としては、図5 に示すように解体システム試験装置から模擬燃料ピンを、改良トレイ昇降機能を使って搬送台車に受け取り、マガジンに装荷する一連の操作が問題なくできることを確認した。

３．今後の展望

　燃料集合体解体システムの開発としては、最終年度となる平成21 年度に解体システム試験装置を用いて、工学規模の解体システム試験を実施し、開発した解体技術について信頼性を評価するとともに各解体操作の処理時間、切断工具の寿命と温度分布、燃料ピン損傷状態、切断粉回収率等のデータを取得する。また、これらの成果を反映して、実用炉燃料集合体を対象とした解体システムの概念検討を行い、解体システム試験で取得したデータに基づき、解体システムについて実用炉燃料集合体の解体時間、切断工具寿命、燃料ピン損傷率、切断粉回収率、切断工具交換時間等の観点から実用性を評価する予定である。
　燃料ピン束短尺せん断技術の開発としては、平成21年度にせん断システム試験装置を用いて、短尺せん断の個別性能試験と解体システム試験から得た模擬燃料ピン束をせん断するせん断試験を実施し、開発された短尺せん断技術について信頼性を評価するとともにせん断片の長さ、せん断片の開口率、模擬燃料ペレットの粉化率、模擬燃料ピンの強度、せん断刃の磨耗等のデータを取得する。また、これらの成果を反映して実用炉燃料集合体を対象としたせん断システムの概念検討を実施し、燃料ピン束の移送試験と短尺せん断試験で得られたデータに基づき、せん断システムについて、実用炉燃料ピン束の移送時間、せん断時間、せん断片の長さ、せん断片の開口率、燃料の粉化率等の観点から実用性を評価する予定である。

４．参考文献

(1) T. Kobayashi, T. Washiya, et al., ”Development of Disassembly & Pin Chopping Technology for FBR Spent Fuels”, Proc. 16th Pacific Basin Nuclear Conf., P1020, Aomori, Japan (2008).

(2) T. Kitagaki, T. Kobayashi, et al., “DESIGN AND FABRICATION OF THE FBR FUEL DISASSEMBLY SYSTEM”, Proc. 17th International Conference on Nuclear Engineering, ICON17-75117, Belgium (2009).

(3) T. Washiya, T. Kobayashi, et al., “Development of Mechanical Disassembly and Shearing Systems for FBR spent fuel in FaCT Project”, Proc. GLOBAL 2009, 9245, Paris, France (2009).

(4) H. Higuchi, T. Kobayashi, et al., “DEVELOPMENT OF SHORT STROKE SHEARING TECHNOLOGY FOR FBR FUEL PINS”, Proc. 17th International Conference on Nuclear Engineering, ICON17-75117, Belgium (2009).