原子力システム　研究開発事業　成果報告会資料集

FBRの円滑な導入のための柔軟な燃料サイクルに関する研究開発

１．研究開発の背景とねらい

　原子力政策大綱では、経済性等の諸条件が整うことを前提に、2050年頃から高速増殖炉(FBR)の商業ベースでの導入を目指すことになっている。FBRは寿命を迎えた軽水炉を順次FBRに建替えることで導入され、FBR導入には六ヶ所再処理工場の次の軽水炉第２再処理工場でPuを回収して供給する必要がある。第２再処理工場の検討は2010年から開始される予定である。したがって、将来の種々不確定要因を考慮して、FBRの円滑な導入を可能とする経済性、柔軟性に優れた燃料サイクルシステムを構築することが急務である。
　本業務は、軽水炉からFBRへの移行期に関する様々なFBR導入シナリオを検討し、経済性と核不拡散に優れ、FBRの円滑な導入に適した柔軟な燃料サイクル構想を構築し、その成立要件を検討して枢要技術の成立性を確認することを目的としている。
　柔軟な燃料サイクル構想として考案されたFFCI(Flexible Fuel Cycle Initiative)の構成図を標準システムと比較して図１に示す。FFCIは軽水炉使用済燃料からウラン(U)を分別して残渣を「リサイクル原料」とする。FBRの導入が途中で停滞した場合には、図中Bのようにリサイクル原料を一時貯蔵してFBR導入に柔軟に対応する。一方、標準システムでFBRの導入が途中で停滞した場合には、軽水炉再処理を続けて図中B1のようにFBR燃料(再処理製品プルトニウム(Pu))を一時貯蔵するか、軽水炉再処理を一部止めてB2のように軽水炉使用済燃料(SF)を一時所蔵して対応することになる。前者は核不拡散性とPu-241からのAm-241蓄積が課題で、後者は再処理稼働率低下とSF蓄積が課題となる。FFCIの革新技術はウラン分別で調製したリサイクル原料の一時貯蔵であり、開発課題となる。本研究では、リサイクル原料の模擬基礎物性試験を行い、得られる基礎物性データを用いて貯蔵施設の除熱性能や未臨界安全性を評価して成立性を確認する。

図１．FBR移行期の燃料サイクルシステム例

２．研究開発成果

　移行期の種々不確定要因を考慮してFBR導入時期・速度等や製品Pu貯蔵制限を変化させた27のシナリオケースを選定し、標準システムとFFCIシステムの経済性を、六ヶ所再処理工場や先進再処理施設のコストデータを用いて評価した。その結果、FFCIの方が20〜40％程度経済性に優れていることが分かった（図２）。また、柔軟性(FBR導入遅延時の必要物量)、核不拡散性、環境負荷低減性(マイナーアクチニド(MA)回収への対応)、信頼性(開発課題)についても、両システムを比較評価した。その結果、信頼性以外はFFCIの方が優れていることが判明した（表１）。

図２．FBR移行期の燃料サイクルシステムの経済性評価結果

表１．FBR移行期の燃料サイクルシステムの優位性評価結果

　FFCIはウラン分別後のリサイクル原料という未知物質を取り扱う必要があり、信頼性の観点で劣る（表１）が、信頼性は技術開発により克服できる。今回の研究開発では、リサイクル原料貯蔵システムの成立性を基礎的に確認した。
　ウラン分別技術としては、種々の方法が開発されているが、現行の再処理技術にも適用されている湿式法が一般的である。湿式法のウラン分別残渣は硝酸溶液であり、硝酸溶液のままで一時貯蔵することも可能であるが、より安定な形態である酸化物粉末での一時貯蔵システムの成立性を検討することとした。まず、ウランと模擬物質を用いて硝酸溶液から酸化物粉末試料を調製し、粒径、比表面積、組成、かさ密度、熱伝導度等の物性を測定した。実効熱伝導度の測定結果を図３に示す。大粒径試料（粒径約17μm）の熱伝導度は空気中で0.14〜0.23 W/m/K、He中で0.25〜0.36 W/m/Kであり、いずれの場合も小粒径試料(粒径約1〜2μm)より1.8倍程度高い値を示すことが分かった。

図３．模擬酸化物リサイクル原料粉末の実効熱伝導度

　次に、得られた物性データを用いて、リサイクル原料一時貯蔵施設の成立性を基礎的に検討した。貯蔵施設としては、リサイクル原料と比較的特性が類似している再処理高レベルガラス固化体の貯蔵施設を流用することを考えている（図４）。ただし、ガラス固化体よりリサイクル原料の方が発熱密度が高いため、貯蔵用キャニスタの直径を小さくした上で、除熱性能を評価する必要がある。また、Pu濃度が高いため、臨界安全性の評価も必要である。
　図４の右側に示すようにキャニスタ直径を小さくして3本及び7本装荷したケースについて、キャニスタ中心温度を解析により評価したところ、粒径約17μmの大粒径試料の場合、空気雰囲気において最高でも約850℃（目標1000℃以下）となり、リサイクル原料一時貯蔵施設が十分な除熱性能を有していることが分かった。

図４．リサイクル原料の一時貯蔵施設と貯蔵形態

　FBRの再臨界評価手法を参考に、リサイクル原料貯蔵施設における冷却不足によるリサイクル原料溶融の仮想事故について評価した。溶融時にPu等の核物質が底部に堆積して臨界厚さを越える可能性について評価した結果、核物質の厚さ約7cmは臨界厚さの約12cmより十分低くなり、臨界安全性を確保できることが分かった。
　以上、軽水炉からFBRへの移行シナリオを網羅的に検討して、考案したFFCIシステムが標準システムより柔軟性、経済性等で優れていることが分かった。この際、技術評価委員会などのコメントに従い、検討ケースを拡張し、複数の経済性評価データ・手法を用いてFFCIの優位性を確認した。また、当初予定になかったが、模擬リサイクル原料の粒径を調整して、熱伝導度の粒径依存性を把握し、ガス成分の平均自由行程で説明できることを明確にした。大粒径の模擬リサイクル原料で測定された熱伝導度を用いて解析評価し、リサイクル原料一時貯蔵施設の除熱安全性を確保できること、及びFBRの再臨界評価手法を参考にして解析し、臨界安全性を確保できることを明らかにした。

３．今後の展望

　残されたFFCIシステムの課題としては、ウラン分別技術評価、リサイクル原料貯蔵システム開発、実燃料工学規模試験が挙げられる。今後の開発ステップとしては、ウラン分別技術の評価選定、模擬リサイクル原料による幅広い物性試験、加工技術開発、実燃料による成立性の実証を経て、実燃料を用いたウラン分別→リサイクル原料加工→貯蔵の工学規模プロセス実証試験を行い、実用化を図るつもりである。
　今後、国際的動向により軽水炉使用済燃料等核物質の国際管理構想の進展が予想される。リサイクル原料は基本的にFBRへリサイクルすることが前提であるが、軽水炉使用済燃料を減容して、国際核管理センター等に搬送して貯蔵する選択肢も考えられる。リサイクル原料は新物質でありその研究開発を進めることにより、技術的新知見を得、世界のトップランナーとして国際貢献が可能となり、我が国の科学技術の向上に寄与できる。本システムで得られる軽水炉使用済燃料からの回収ウランは除染率が高く再濃縮・利用が可能である。核物質国際管理構想における我が国の貢献の一環としてウラン濃縮・燃料供給サービス事業が考えられており、本技術開発を通じて回収ウラン関連技術開発、事業化へ貢献できる。また、将来のFBRサイクルでは、MAや長寿命FPを再処理で分離回収してPu等と共に燃料に加工し、FBRで燃焼させる構想を有している。リサイクル原料は全てのMA及び長寿命FP(I-129を除く)を含んでおり、核種分離・変換技術実用化のための高密度一時備蓄媒体として適用できる。

４．参考文献

• Transition Period Fuel Cycle from Current to Next Generation Reactors for Japan, Journal of Nuclear Science and Technology, Vol. 44, No. 3, March 2007
• Transition Period Fuel Cycle from LWR to FBR, Proc. GLOBAL2009, Paris, September 2009
• FBR円滑導入のための柔軟な燃料サイクルに関する研究開発-(1)〜(18), 日本原子力学会「2007年秋の大会」〜「2009年秋の大会」