原子力システム 研究開発事業 成果報告会資料集
TRU 燃焼のための合金燃料設計と製造の基盤技術の開発
(受託者)国立大学法人名古屋大学
(研究代表者)有田裕二 エコトピア科学研究所 准教授
(再委託先)独立行政法人日本原子力研究開発機構、財団法人電力中央研究所
(研究代表者)有田裕二 エコトピア科学研究所 准教授
(再委託先)独立行政法人日本原子力研究開発機構、財団法人電力中央研究所
１．研究開発の背景とねらい
本事業では、射出成型法を応用した実用技術に基づいた、TRU 燃料を製造できる技術基盤を確立するため、TRU 合金燃料の設計に不可欠なTRU 合金の相安定性や熱物性のデータベースの構築、高いTRU 燃焼効率を可能とする合金燃料組成の評価、TRU 合金燃料の製造に不可欠なTRU を含有する多相溶湯の混合性等の基礎物性評価を実施する。最終的には、それらの成果を利用して、射出成型法を応用した実用技術に基づいてTRU 燃料を製造できる技術基盤を確立することを目的としている。
２．研究開発成果
図1 調整した合金試料(U-64Pu-6.7Am)
2.1 TRU 合金燃料設計のための相安定性／熱物性データベースの構築
相安定性の観察・評価及び熱物性データ取得に供するために、TRU 酸化物試薬を還元し、TRU合金試料を調製したが、Pu 酸化物単体においては電解還元では十分還元されなかった。リチウム還元法を用いることで金属を得、図1 に示すような金属試料を調整した。
TRU 合金内の高温相を析出させるため、焼鈍(791K または923K)と急冷の熱処理を行い、14種類の試料について組織観察を行った。また、析出相の組成を正確に求めるためのパラメーター整備もあわせて実施した。
一部の試料については熱分析を行い、相変態温度や融解温度の組成依存性を評価した。図2に示すようにNp-Pu 合金にAm が入ることで、融解温度が上昇することが明らかになった。その他の結果を併せて以下のことが明らかとなった。
図2 Np-Pu 状態図と50Np-45Pu-5Am 試料の熱分析データ
(上2 つの○の差が溶Am 有無による溶融温度の差に対応)
さらに、昨年度の熱分析試料の化学分析を行い、以下を示した。
相安定性の観察・評価及び熱物性データ取得に供するために、TRU 酸化物試薬を還元し、TRU合金試料を調製したが、Pu 酸化物単体においては電解還元では十分還元されなかった。リチウム還元法を用いることで金属を得、図1 に示すような金属試料を調整した。
TRU 合金内の高温相を析出させるため、焼鈍(791K または923K)と急冷の熱処理を行い、14種類の試料について組織観察を行った。また、析出相の組成を正確に求めるためのパラメーター整備もあわせて実施した。
一部の試料については熱分析を行い、相変態温度や融解温度の組成依存性を評価した。図2に示すようにNp-Pu 合金にAm が入ることで、融解温度が上昇することが明らかになった。その他の結果を併せて以下のことが明らかとなった。
図2 Np-Pu 状態図と50Np-45Pu-5Am 試料の熱分析データ
(上2 つの○の差が溶Am 有無による溶融温度の差に対応)
・U-Pu-Am 合金では、固相の相変態温度はベースとなるU-Pu 二元系合金とほぼ一致し、U-Pu二元系の合金中にAm がほとんど溶解しない。また、固相線温度と液相線温度は、やや高くなる傾向が見られ、U-Pu 合金の液相中にAm が若干量溶解すると評価した。
・Np-Pu-Am 合金では、固相の相変態温度はベースとなるNp-Pu 二元系合金とほぼ一致し、Np-Pu 二元系の合金中にAm はほとんど溶解しない。また、固相線温度と液相線温度は、数10K 高くなることが示され、Np-Pu 合金の液相中にAm が数%以上溶解すると評価した。
・U-Np 合金では、相変態温度が解析値より数10K 低い結果が得られた。Np の分析誤差が考えられるため、今後詳細な化学分析を行う必要がある。
さらに、昨年度の熱分析試料の化学分析を行い、以下を示した。
・U-Pu、 U-Pu-Zr、U-Pu-Np 系の試料では、熱分析の実測値と、データベース解析からの予測に数10K の誤差が見られたが、Pu 含有量がノミナルより低かったことで説明されることを組成分析で明らかにした。
・この結果から、本研究で得たデータベースの精度が高いことが確認された。
以上の結果等をデータベースに反映させ、U-Pu-Np とU-Pu-Zr 三元系についてパラメーターの修正を行った。
2.2 TRU 合金燃料製造のための多相溶湯の基礎物性評価と応用
図3 U-Pu におけるPu 蒸気圧測定結果
2.2.1 多相溶湯の基礎物性の評価
模擬合金を用いて、合金溶湯作成時のルツボ塗布剤と黒鉛るつぼの健全性について確認したところ、溶湯を長時間保持することで、塗布剤の剥離と黒鉛の浸食が観測された。剥離した塗布剤は溶湯表面に浮遊し、内部へは入っていなかったが、削り取られた黒鉛は合金内に塊として存在することが確認された。一方、Sm（Am 模擬）−Zr合金におけるSm の蒸発挙動は、ほぼ組成に比例する蒸気圧・蒸発速度であった。
実TRU 合金についてはU-Pu 系について測定を実施し、図3 のような結果を得た。この結果からは、ほぼ理想溶体であることが示唆された。
模擬合金を用いて、合金溶湯作成時のルツボ塗布剤と黒鉛るつぼの健全性について確認したところ、溶湯を長時間保持することで、塗布剤の剥離と黒鉛の浸食が観測された。剥離した塗布剤は溶湯表面に浮遊し、内部へは入っていなかったが、削り取られた黒鉛は合金内に塊として存在することが確認された。一方、Sm（Am 模擬）−Zr合金におけるSm の蒸発挙動は、ほぼ組成に比例する蒸気圧・蒸発速度であった。
実TRU 合金についてはU-Pu 系について測定を実施し、図3 のような結果を得た。この結果からは、ほぼ理想溶体であることが示唆された。
2.2.2 多相溶湯の基礎特性の評価と応用
射出鋳造法によって、均質な組織を持つTRU 合金燃料を製造するための製造条件を明らかにするため、高蒸気圧性のAm の挙動を模擬元素を用いて確認試験を行った。Zr-Sm 系、Cu-Sm 系およびZr-Cu-Sm 系の溶湯製造試験では、原料金属の添加方法によって蒸発現象に違いが認められた。合金組織の均質性にZr 含有量はあまり影響していないが、溶湯製造中の蒸発挙動はZr含有量と関係し、Zr 含有量が多い方が顕著となる傾向が明らかとなった。また、溶湯から得られた合金組織は状態図から予測される組織となっており、Am の代替元素として用いたCe やSmは合金内の偏析相に多く含まれていることが明らかになった。結果として、元素の組み合わせや加える順序などによって、蒸発しやすさに違いが出ること等が明らかとなった。一方、多相溶湯製造時の蒸発挙動を明らかにし、さらに蒸発の抑制手法、蒸発元素の効果的な回収手法を検討するため、蒸発挙動評価試験体、蒸発抑制試験体及び蒸発元素回収試験体を設計・製作した。これらの試験体を用いた試験により、多相溶湯製造時の蒸発元素の挙動や蒸発抑制や回収手法について、①蒸発した元素は装置内の低温部分に優先的に付着する、②蒸発を抑制するためのるつぼ上の覆いは有効であるが、その形状によって効果が異なる、などの有用な知見が得られた。これらの知見を基に、中規模溶湯製造装置の概念設計を行い、その必要となる機能を明らかにした。
射出鋳造法によって、均質な組織を持つTRU 合金燃料を製造するための製造条件を明らかにするため、高蒸気圧性のAm の挙動を模擬元素を用いて確認試験を行った。Zr-Sm 系、Cu-Sm 系およびZr-Cu-Sm 系の溶湯製造試験では、原料金属の添加方法によって蒸発現象に違いが認められた。合金組織の均質性にZr 含有量はあまり影響していないが、溶湯製造中の蒸発挙動はZr含有量と関係し、Zr 含有量が多い方が顕著となる傾向が明らかとなった。また、溶湯から得られた合金組織は状態図から予測される組織となっており、Am の代替元素として用いたCe やSmは合金内の偏析相に多く含まれていることが明らかになった。結果として、元素の組み合わせや加える順序などによって、蒸発しやすさに違いが出ること等が明らかとなった。一方、多相溶湯製造時の蒸発挙動を明らかにし、さらに蒸発の抑制手法、蒸発元素の効果的な回収手法を検討するため、蒸発挙動評価試験体、蒸発抑制試験体及び蒸発元素回収試験体を設計・製作した。これらの試験体を用いた試験により、多相溶湯製造時の蒸発元素の挙動や蒸発抑制や回収手法について、①蒸発した元素は装置内の低温部分に優先的に付着する、②蒸発を抑制するためのるつぼ上の覆いは有効であるが、その形状によって効果が異なる、などの有用な知見が得られた。これらの知見を基に、中規模溶湯製造装置の概念設計を行い、その必要となる機能を明らかにした。
2.3 TRU 合金燃料の設計と炉心性能の評価
高濃度MA 含有金属燃料について、燃料挙動評価で主要な熱物性値である固相線温度と熱伝導度を評価し、TRU 合金の燃料挙動について考察した。MA 割合を10,20,30wt%とすることでMA 濃度変化が与える影響についても考察した。その結果、以下について明らかとなった。
図4 小型及び大型非均質炉心におけるMA 変換特性
高濃度MA 含有金属燃料について、燃料挙動評価で主要な熱物性値である固相線温度と熱伝導度を評価し、TRU 合金の燃料挙動について考察した。MA 割合を10,20,30wt%とすることでMA 濃度変化が与える影響についても考察した。その結果、以下について明らかとなった。
・MA 割合の増加とともに母相の固相線温度は漸減する。
・MA 割合と析出相の固相線温度には顕著な相関はみられない。
・析出相の固相線温度は、母相のそれよりも16〜66℃ほど低い。
・25℃における母相の熱伝導度は析出相よりも小さく、MA 割合の増加とともに低下する傾向にある。
・750℃以上の高温域では、小規模出力（300MWe）のMA 割合30wt%の場合を除き、母相よりも析出相の熱伝導度が低くなる。
・U-20Pu-10Zr 合金の熱伝導度に対するMA 含有合金燃料の熱伝導度の平均的な比率は、Pu 濃度およびMA 割合の増加とともに減少し、小規模出力（300MWe）のMA 割合30wt%の場合には、400〜900℃の温度域でおよそ60%程度にまで減少する。
図4 小型及び大型非均質炉心におけるMA 変換特性
上記燃料挙動を基にし、『富化度2 領域均質体系』および『径方向非均質体系』について、小規模出力（300MWe 級）炉心によるU-TRU-Zr 燃料の燃焼特性解析を行い、前年度実施した大型炉心特性との比較を行った（図4）。また、高濃度のMA 添加燃料による炉心出力分布の変化および燃料温度への影響を評価した。その結果、以下のことが示された。
・Pu 富化度の高い小型炉心では炉内の中性子束が低減するため、MA 添加率が同程度の場合、単位時間当たりのMA 変換量やMA 変換率が大型炉心に比べて低減する。
・MA 変換率は燃料中のMA 添加率が8wt.% 程度の場合に最大となる。
・MA 変換率の観点からは、均質炉心による2-5wt.%程度の低濃度MA 添加燃料の燃焼性能が非均質炉心による8wt.%以上の高濃度MA 添加燃料の燃焼性能よりも効率的と言える。
・5wt.%のMA 添加燃料を装荷する均質炉心によって、同規模の軽水炉から毎年発生するMA 量の5.4〜6.2 倍が変換される。また、8wt.%のMA 添加燃料を装荷する径非均質炉心の場合には6.4〜7.6 倍のMA が変換される。
・高濃度MA 添加燃料炉心の場合、ドライバー燃料による出力分担が増加するものの炉内の出力分布は平坦化し、燃焼中の集合体出力変動率も低減することから、合理的な冷却材流量配分が実現できると考えられる。
一方で、高濃度にMA を添加することで予想される燃料合金の熱伝導度低下によって30wt.%のMA を添加した場合、燃料中心温度が50℃程度上昇する。さらに固相線温度は100℃程度低下することも予想され、過渡時を含む燃焼中の中心溶融回避を確保する燃料・炉心設計のためには、熱伝導度などの詳細な物性データに加え、それらの実効的な値に影響を与える燃料のスウェリング挙動やフィッションガス放出挙動などの照射特性データの蓄積が非常に重要と考えられる。
以上、大型炉心に低濃度でMA を均質に装荷した炉心でMA 燃焼が最も効率的になることがわかった。また、MA を高濃度(約30%以上)で添加すると熱伝導度が大きく低下し(標準的な金属燃料の約60%以下)、炉心設計に大きく影響することが明らかになった。
以上、大型炉心に低濃度でMA を均質に装荷した炉心でMA 燃焼が最も効率的になることがわかった。また、MA を高濃度(約30%以上)で添加すると熱伝導度が大きく低下し(標準的な金属燃料の約60%以下)、炉心設計に大きく影響することが明らかになった。
３．今後の展望
本事業によって、これまで不明な点が多かったTRU 合金の相安定性に関するデータベース整備が進み、多元系状態図評価が一定の精度で描けるようになった。今後、フランスで整備されている酸化物系のデータベースと統合することで、合金燃料製造時の酸化の影響評価などに広く使用できることが期待される。また、燃料の射出鋳造設備に関する知見も大いに得られ、問題とされているAm の蒸発抑制、効果的回収機能を盛り込んだ試験機の設計が可能となり、今後のより進んだ製造法などの検討も盛り込んだ機器開発の基礎が固まってきたと考えられる。
