原子力システム研究開発事業及び原子力基礎基盤戦略研究イニシアティブ　成果報告会資料集

「もんじゅ」における高速増殖炉の実用化のための中核的研究開発

１．研究開発の背景とねらい

　高速増殖炉の実用化は我が国のエネルギーセキュリティ戦略において枢軸となる重要な技術開発課題である。「もんじゅ」の設計データや性能試験データは今後の実用炉を目指すうえで貴重なデータとなる。本研究開発では、「もんじゅ」のデータを有効に活用するとともに国内外で得られた最新知見を反映し、「もんじゅ」の運転並びに高速増殖炉の実用化のために必要な、①炉心・燃料技術、②プラントの安全性に関する技術、③プラント保全技術、を総合的に開発することを目的としている。平成21年度に開始した本研究開発の主な成果を述べる。

２．研究開発成果

２．１ 炉心・燃料技術に関する研究開発

図1　核特性解析システム

図2　断面積調整法による不確かさ低減効果

(1) 炉心核設計手法に関する研究開発
　太径・中空燃料を採用する実用炉に向けた核特性評価手法の確立を目指し、解析値が持つ不確かさ評価手法を確立し、過渡時における3次元動特性評価手法を構築し、「もんじゅ」データを利用した検証を行う。平成21年度は国内外の核データ及び計算コードを調査し、核特性解析の基本システムの構築を行った。平成22年度は太径・中空ペレット及び3次元動特性に対する解析手法の開発と試計算を行うとともに、核特性解析システムの「もんじゅ」や実用炉への適用性評価を実施している。核特性解析システムの構成を図1に示す。
　不確かさ評価手法の開発では、①核データに起因するもの、②計算手法誤差に起因するもの、③製作公差に起因するもの、に分類して検討し、炉心核特性解析値の不確かさ評価については、断面積調整法及びバイアス因子法に基づく不確かさ低減システムを構築し、サンプル問題の解析を通じて機能の検証を行った。断面積調整法を適用した結果、図2に示すように実効増倍率の計算精度に対する不確かさの低減がなされた。

図3　CsOHを用いた880℃、250時間の反応試験後の燃料／被ふく管界面の電子線マイクロアナライザ分析結果

(2) 燃料・材料の評価手法に関する技術開発
　高い燃料中心温度や高燃焼度を想定した高速炉燃料の高性能化とその照射挙動解析コードの構築に必要な物性値や照射済燃料の物性評価技術、燃料検査技術の開発を目的とする。
　「中空ペレットの熱伝導度評価技術の開発」では、照射済ペレット全体の平均的な熱伝導度をホットディスク法により、またペレット中の析出相の熱伝導度を光サーモリフレクタンス法により、いずれもホットセル内で直接測定する技術を開発する。模擬燃料であるCeO₂について中実及び中空ペレットのホットディスク法による熱伝導度測定を、CeO₂をマトリックス、模擬析出相をBaCeO₃あるいはBaMoO₄とする多重ペレットの光サーモリフレクタンス法の測定を行い、両者の方法で熱伝導度が正しく得られることを確認した。
　「高燃焼度燃料の燃料-被ふく管相互作用挙動解明」では、Csやヨウ素など模擬核分裂生成物（FP）を蒸着した模擬ペレットと高クロム鋼やODS鋼などの被ふく管材とを反応させ、反応形式や活性化エネルギーなどを求める。CeO₂模擬ペレットとPNC316鋼との複合試験体による反応試験や9Cr-ODSフェライト鋼のCs/Te腐食試験を行い、図3に示す反応試験の分析結果より最適な加速試験条件を明確にした。
　「粒子分散による燃料特性向上の技術開発」では、熱伝導度の向上等を目指した粒子分散燃料の合成及び熱伝導度評価技術を確立する。熱伝導度の評価法として粒子形状や界面効果を考慮した有限要素法解析のためのモデルを構築し解析を行った。実験による評価を行うため、ZrO₂を模擬粒子とする模擬燃料の合成条件を決定した。
　「燃料検査・評価手法の検討」では、「もんじゅ」サイトでのX線CTを用いた非破壊検査法及び破壊検査の効率化を検討し、施設や設備の概念設計を行う。高燃焼度に至る照射済燃料の組織変化等のデータや、X線CTを中心とした非破壊検査技術の精度等の整理を行い、破壊検査及びそのデータを利用できる非破壊検査項目を検討し、X線CTの要求性能を検討した。

２．２ プラントの安全性に関する研究開発

図4　「もんじゅ」炉心上部プレナム軸方向測定温度との比較

　Naの流動・伝熱詳細解析やFP及び腐食生成物（CP）の移行沈着挙動及びNa漏洩早期検知手法の開発など、プラント安全性に係る課題の解決を目指した研究開発を行う。
　「熱交換器内部の流動・伝熱数値解析手法の開発」では、中間熱交換器（IHX）の胴側の3次元メッシュを作成して試計算を行い、IHXの1次側と2次側を3次元詳細モデル化し、内部の熱伝達率を局所で計算できる手法を開発した。IHX全体を3次元コンピュータ支援設計ツール（CAD）でモデル化し、現実的な計算時間で解析できるメッシュの合理化研究を実施している。
　「温度成層発生部位の温度分布及びその時間変化の予測手法の開発」では、「もんじゅ」の上部プレナムの3次元解析メッシュを作成して試計算を実施し、45％出力からのタービントリップ時の炉心上部プレナム内で発生する温度成層化解析を3種類の乱流モデルを用いて行い、実測データとの比較を行い、実測値と解析結果の差を評価するための指標の開発を行っている（図4）。
　「放射性物質のナトリウム中移行挙動評価手法の開発」のうち、「放射性物質のナトリウム中移行沈着挙動評価手法の開発」では、Naの流動解析コードとFP及びCPの移行沈着解析コードの結合を行い、FP及びCPの移行過程として従来の溶解・沈着の他に、粒子状のFP・CP放出・移動・沈着モデルを新たに付加する開発を実施している。「カバーガスに移行する希ガス測定手法の開発」では、燃料破損検出技術の調査と、タグガス同位体測定精度の評価を行い、XeとKrのppb〜pptオーダーの混合標準ガス濃度を変化させた場合のレーザ共鳴イオン化質量分析法（RIMS）の信号強度の相関を評価した。「もんじゅ」で想定される最小濃度における同位体比分析誤差の評価を実施し、実験データの蓄積に基づくRIMSの適用性評価を行っている。

２．３ プラント保全技術に関する研究開発

図5　保全評価手法の概念

図6　550℃における高クロム鋼の一軸/多軸疲労試験によるSN曲線

　「もんじゅ」の2倍の60年の寿命で設計される実用炉に対する保全技術の確立が必要であり、保全評価技術は図5に示すように、経年劣化に伴う損傷の度合いを診断・予測し、損傷部位を検査技術で確定して補修により安全を維持・向上させる技術である。高温時の機器配管の高応力部や溶接部で予想される、クリープ・疲労損傷や溶接割れ等の経年劣化を対象に、劣化診断技術、検査モニタリング技術、及び補修技術を開発し、これらを統合した高速増殖炉の保全評価手法を検討することを目的とする。

(1) 劣化診断技術開発
　「高温多軸疲労損傷機構の解明と損傷評価」では、多軸試験用内外圧容器、多軸試験用内圧負荷装置及び多軸試験用等二軸繰返し負荷装置を用いた様々なモードの多軸疲労試験片を試作し、薄肉円筒試験片による実機負荷を模擬した軸・ねじりの非比例多軸疲労試験を実施して図6に示す550℃における多軸疲労試験データを取得し、多軸疲労変形による寿命低下が生じることが示された。「高クロム／ナトリウム冷却材化学的反応による損傷評価」では、Na腐食試験を行うグローブボックスを設置して、水素分析による組織評価法を開発した。「液体金属中のキャビテーション壊食損傷挙動評価」では、50℃〜400℃のPb-Bi系液体金属でNaを模擬するキャビテーション壊食試験装置を製作し、100℃〜250℃での高クロム鋼の壊食速度を壊食深さの経時変化から取得した。「劣化損傷に関する技術開発」では、SUS316FR鋼及び高クロム鋼の母材と溶接材のクリープ・疲労試験を実施し、マイクロキャラクタリゼーションシステムによってクリープ・疲労現象特有の変化が観察された。高クロム鋼の溶接部材のクリープ・疲労劣化損傷評価のため、マルチスケール・シミュレーションコードを作成し、単結晶モデルのクリープ変形解析を実施した。クリープ・疲労及び腐食劣化損傷評価に適用可能なセンサ技術を開発するため、磁気センサの予備試験を実施し、その成果を基に劣化損傷非破壊計測解析システムを製作中である。劣化損傷部の再生・回復技術の開発では、クリープ・疲労劣化損傷回復用衝撃波発生装置を製作し、SUS316FR鋼及び高クロム鋼母材のレーザ・ピーニング回復試験を実施した。溶接部における劣化損傷予測のため、機械的負荷の下での力学モデルに加えて、熱的負荷の下での多結晶弾塑性クリープ現象を予測する力学モデルを作成し、定式化を行った。

(2) 検査モニタリング技術開発
　「ガンマ線コンプトンカメラの開発」では、二重配管内のNa漏洩位置を検出するため、LaBr3検出器のエネルギー分解能・時間特性等を取得し、コンプトンカメラの角度分解能を従来の5°から1.5°に改善した。「FBGセンサによる歪み・温度モニタリング技術の開発」では、機器・配管の歪みと温度をオンラインで高精度に同時計測するファイバブラッググレーティング（FBG）モニタリング装置を作製し、光源の波長を自動的に変化させる手法により、歪み率測定では1×10^-6(strain)の高精度で測定範囲1×10^-2(strain)を、600℃以上の高温で取得する改良を行っている。「高温用き裂・減肉モニタリング電磁超音波センサの開発」では、高温での電磁超音波センサを開発するため、高融点材料上に絶縁性被ふく成膜が可能で、高品質膜の形成及び高速成膜が可能な大気圧プラズマ成膜装置を製作し、その高速成膜に適したガス導入方法を検討した。

(3) 補修技術開発
　「表面損傷部に対するレーザ補修溶接技術の開発とその適用性評価」では、レーザ補修溶接装置のうち溶接システムを発注した。予備溶接施工試験で溶接部の組織観察を行い、重大な溶接欠陥が発生していないことを確認した。「ロボットを用いた遠隔操作溶接補修技術の高度化」では、狭隘部検査補修ロボット及び周辺機器の仕様を決定し、二重配管の外管内部にレールを設置し、円周側レール上から検査用センサや補修用ヘッドを指定位置まで移動させる機構を決定し、概念設計案をまとめ、ロボットの各要素部品を選定した。

(4) 高速増殖炉の保全評価手法の構築
　軽水炉における保全技術並びに海外の高速炉の保全計画については、フランスのフェニックスを中心に調査した。プラント保全技術に関する研究開発委員会を組織し、各開発項目の進捗状況と全体とのバランスをチェックし、成果データの共有化を行い研究開発の連携促進を図っている。
　その他、本研究開発の各種試験に用いるSUS316FR鋼及び高クロム鋼の共通試料を作製し、硬度のばらつきを評価したのち、同一条件の試験材を各研究グループへ供給した。

３．今後の展望

　本研究開発の各課題の進捗状況については、適切な研究開発マネジメントの下、達成目標をクリアしていることが確かめられた。全体的には、研究開発のための試験装置、解析コードの準備がほぼ終了し、次の段階として「もんじゅ」への適用が求められている。「もんじゅ」データを用いた試験装置・解析手法の妥当性評価及びそれによる実用炉への反映を展望に入れた研究開発を進める。