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
(受託者)日本原子力発電株式会社
(研究代表者)小林嗣幸 研究開発室 次長
(再委託先)独立行政法人日本原子力研究開発機構
(研究代表者)小林嗣幸 研究開発室 次長
(再委託先)独立行政法人日本原子力研究開発機構
１．研究開発の背景とねらい
本事業においては、使用済燃料集合体のラッパ管を切断し、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インフラ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
燃料集合体解体の要素技術開発として機械式切断工具による切断試験及び基礎的データの取得を目的としたレーザーによる切断試験を実施した。また、解体システム技術開発として解体システム試験機の設計を完了し、製作を開始している。燃料集合体の解体手順を図 1にまとめた。
燃料集合体解体の要素技術開発として機械式切断工具による切断試験及び基礎的データの取得を目的としたレーザーによる切断試験を実施した。また、解体システム技術開発として解体システム試験機の設計を完了し、製作を開始している。燃料集合体の解体手順を図 1にまとめた。
(1) 板材を用いた機械式切断試験
内部の燃料ピンを損傷せずにラッパ管のみを切断するスリットカットに適した工具を選定するため、肉厚5mmのオーステナイトステンレス鋼とマルテンサイトステンレス鋼の板材を用いてキュービトロン砥石、CBN(Cubic Boron Nitride)砥石及びメタルソーによる切断試験を実施した。平成18年度に実施した寿命評価試験の結果から、CBN砥石1枚で実用炉用燃料集合体を5体程度周方向スリットカットにより解体できることが分かった。
内部の燃料ピンを損傷せずにラッパ管のみを切断するスリットカットに適した工具を選定するため、肉厚5mmのオーステナイトステンレス鋼とマルテンサイトステンレス鋼の板材を用いてキュービトロン砥石、CBN(Cubic Boron Nitride)砥石及びメタルソーによる切断試験を実施した。平成18年度に実施した寿命評価試験の結果から、CBN砥石1枚で実用炉用燃料集合体を5体程度周方向スリットカットにより解体できることが分かった。
(2) レーザー切断試験
ラッパ管の減容切断に適したレーザー切断技術の適用性評価のため、平成18年度に候補レーザーによる基礎的な切断試験を行い、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を選定した。具体的には、候補レーザーに挙げた、YAG(Yttrium Aluminium Garnet)レーザー、ファイバーレーザー、シノヴァ社の水ジェット誘導レーザー及び自由電子レーザーを用いて基礎的な切断試験を行った。これらの試験結果やレーザーの信頼性等を考慮の上、ラッパ管の減容切断に適したレーザーとしてファイバーレーザーを選定した。 また、肉厚5mmのオーステナイトステンレス鋼の板材を用いた切断試験を実施し、十分な切断速度が期待できることを確認した。平成19年度には、レーザーを導光するための光ファイバーの照射劣化の防止方法を確認するため1000時間の照射試験を実施している。
ラッパ管の減容切断に適したレーザー切断技術の適用性評価のため、平成18年度に候補レーザーによる基礎的な切断試験を行い、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を選定した。具体的には、候補レーザーに挙げた、YAG(Yttrium Aluminium Garnet)レーザー、ファイバーレーザー、シノヴァ社の水ジェット誘導レーザー及び自由電子レーザーを用いて基礎的な切断試験を行った。これらの試験結果やレーザーの信頼性等を考慮の上、ラッパ管の減容切断に適したレーザーとしてファイバーレーザーを選定した。 また、肉厚5mmのオーステナイトステンレス鋼の板材を用いた切断試験を実施し、十分な切断速度が期待できることを確認した。平成19年度には、レーザーを導光するための光ファイバーの照射劣化の防止方法を確認するため1000時間の照射試験を実施している。
(3) 解体システム試験装置の設計・製作
燃料集合体の解体システム試験に用いる試験装置の基本設計を平成18年度に完了した。実機では遠隔自動操業で解体が行われることを念頭に、スリットカットの試験時には、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ことができようにするとともに、システム試験で重要となる切断性能の把握や燃料ピン引き出し荷重の測定が可能なように設計した。切断機の設計では、スリットカットに先立って、切断工具の外径と切断軌道に沿ったラッパ管の変形を測定し、工具の磨耗データも反映しながら切断工具の先端位置を自動的に調整することで切断深さが制御できるように設計した。平成19年度には装置を製作している。
燃料集合体の解体システム試験に用いる試験装置の基本設計を平成18年度に完了した。実機では遠隔自動操業で解体が行われることを念頭に、スリットカットの試験時には、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ことができようにするとともに、システム試験で重要となる切断性能の把握や燃料ピン引き出し荷重の測定が可能なように設計した。切断機の設計では、スリットカットに先立って、切断工具の外径と切断軌道に沿ったラッパ管の変形を測定し、工具の磨耗データも反映しながら切断工具の先端位置を自動的に調整することで切断深さが制御できるように設計した。平成19年度には装置を製作している。
2.2 燃料ピン束短尺せん断技術の開発
せん断装置への燃料ピン装荷方法の検討として、燃料ピン装荷方式とワイヤー除去方式の検討を実施した。また、短尺せん断技術の開発としてパラメータ試験用マガジンを製作するとともに、せん断試験装置の調整を行い、平成19年度には短尺せん断試験を実施している。燃料ピン束短尺せん断技術の概念と平成18年度の成果を図2に示す。
せん断装置への燃料ピン装荷方法の検討として、燃料ピン装荷方式とワイヤー除去方式の検討を実施した。また、短尺せん断技術の開発としてパラメータ試験用マガジンを製作するとともに、せん断試験装置の調整を行い、平成19年度には短尺せん断試験を実施している。燃料ピン束短尺せん断技術の概念と平成18年度の成果を図2に示す。
(1) 燃料ピン装荷方式の検討
燃料ピンを短尺せん断するため、解体後の燃料ピン束形状に応じた受け取りが可能で、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や、燃料ピン束先端位置の調整や精度の高い燃料ピン束の押し出しを可能とするプッシャ構造等について検討し、マガジンの横幅を狭くしたスリムマガジンを採用することとした。平成18年度の検討により、このマガジンはせん断に伴う燃料ピン束の拡がりが抑制可能である上、ワイヤー片や切断粉の詰りによる故障を低減できると評価された。平成19年度には、試験装置を用いた要素試験を実施している。
燃料ピンを短尺せん断するため、解体後の燃料ピン束形状に応じた受け取りが可能で、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や、燃料ピン束先端位置の調整や精度の高い燃料ピン束の押し出しを可能とするプッシャ構造等について検討し、マガジンの横幅を狭くしたスリムマガジンを採用することとした。平成18年度の検討により、このマガジンはせん断に伴う燃料ピン束の拡がりが抑制可能である上、ワイヤー片や切断粉の詰りによる故障を低減できると評価された。平成19年度には、試験装置を用いた要素試験を実施している。
(2) ワイヤー除去方式の検討
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、概念を検討した。平成18年度には、以下の3案を提案した。平成19年度は、これらに対する基礎試験を実施しており、機能や処理速度を評価する予定である。
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、概念を検討した。平成18年度には、以下の3案を提案した。平成19年度は、これらに対する基礎試験を実施しており、機能や処理速度を評価する予定である。
・ 燃料ピンの上下端栓部を把持し、ワイヤーを残したまま上部端栓部のみを切断する。（共通）
・ 下部端栓部をワイヤーと逆向きに回転させることによりワイヤーを取り外し、最後に下部端栓部をワイヤーごと切断することでワイヤーを除去する。（第1案）
・ 上記でワイヤーが取り外せない場合は、さらに上部端栓部ごとワイヤーを引っ張る動作を加える。（第2案）
・ それでも、取り外せない場合は、さらにワイヤーと被覆管の間にスクレーパを挿入し、燃料ピンの回転と同期させてスクレーパを下部端栓側に移動させる。（第3案）
(3) せん断試験
パラメータ試験の試験条件に適応させるため、平成18年度には、簡易マガジンを製作するとともに、試験に使用するせん断試験装置について、せん断刃やギャグの駆動機構、油圧ユニット、油圧・水圧変換器、制御盤、操作盤等の調整作業を実施し、動作を確認した。整備が完了したせん断機に簡易マガジンを接続した状況を図3に示す。平成19年度は、パラメータ試験を実施しており、短尺せん断に適したせん断条件を評価する予定である。
パラメータ試験の試験条件に適応させるため、平成18年度には、簡易マガジンを製作するとともに、試験に使用するせん断試験装置について、せん断刃やギャグの駆動機構、油圧ユニット、油圧・水圧変換器、制御盤、操作盤等の調整作業を実施し、動作を確認した。整備が完了したせん断機に簡易マガジンを接続した状況を図3に示す。平成19年度は、パラメータ試験を実施しており、短尺せん断に適したせん断条件を評価する予定である。
３．今後の展望
平成19年度は、実用炉の燃料材料であるODS鋼やPNC-FMS鋼を用いた切断試験を実施し、材料の影響を評価するとともに、燃料ピン装荷方式に関する要素試験を反映し、解体システム試験装置を製作する。 平成20〜21年度には、模擬燃料集合体や模擬燃料ピン束を用いた解体及び短尺せん断試験を実施し、開発されたシステムの基本性能を工学規模で確認する計画である。４．参考文献
(1) 原子力機構・原電 ： “高速増殖炉サイクルの実用化戦略調査研究 −フェーズII最終報告書-”, JAEA-Evaluation 2006-002 p.56 （2006）
(2) 文部科学省 ： “高速増殖炉サイクルの研究開発方針について” （2006年11月）
