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)を導入することになっている。FBR導入期の経済性は、FBR自身やFBR再処理の経済性と共にFBR立上げに必要なプルトニウム(Pu)を供給する軽水炉再処理の経済性に依存する。したがって、様々な側面から多角的に検討し、我が国の政策や国内外のニーズを満たすサイクルシナリオを明らかにして、経済性や核不拡散性に優れたシステムを構築することは急務である。
　軽水炉からFBRへの移行期には余剰Pu不所有の基本方針に則った使用済燃料再処理の政策が重要で、社会、国際、技術面の様々な不確実性への柔軟な対応が求められる。本研究開発は、軽水炉からFBRへの移行期サイクルの幅広いシナリオを対象に、種々の物量解析を行い、経済性、核不拡散性及び柔軟性を評価して我が国に合った柔軟で効率的な燃料サイクル像を構築する。
　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、残渣を「リサイクル原料」としてFBRの導入状況によりFBR再処理または一時貯蔵を選択してFBR導入に柔軟に対応でき、軽水炉再処理(Ｕ分別)の稼働率を高めて経済性に優れる。本研究ではFFCIの枢要技術である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設備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

(1)軽水炉からFBRへの移行シナリオの評価検討
①FBR移行期サイクルシナリオ検討
　FBR移行期における国内外の燃料サイクル動向を調査し、シナリオ検討に求められる燃焼度等の軽水炉使用済燃料仕様の条件を策定した。その条件及びFBR導入/燃料形態/環境負荷に係わるサイクル検討の結果に基づき、シナリオ検討ケースを表１に示す通り選定した。FBR導入開始時期や導入速度は重要かつ経済性への影響の大きいことから、重点化して選定し、余剰Pu対策は核不拡散上の重要な因子であり、製品Puf(核分裂性Pu)貯蔵制限量を先行再処理設備と同等の20ｔとした場合と制限を設けない場合を扱うこととした。

表１ FBR移行期サイクルのシナリオ検討ケース

②燃料サイクルシステム検討
　燃料サイクルシステムのFBRの導入開始時期や導入速度等の変化に対する柔軟性の比較評価を行うため、各種のシナリオケースのサイクル諸量を、本研究開発で作成した柔軟性解析コードによって解析した。一例として、表１の基本ケースの解析結果を図２に示す。

図２ 2050年FBR導入開始の基本ケースにおける柔軟性評価結果

　2050年FBR導入のケースでは、標準システムで製品Puf貯蔵制限の無い場合には製品Pu貯蔵量が最大236tとなるが、製品Puf貯蔵の代わりにFBR使用済燃料の貯蔵を行った場合、製品Puf貯蔵量は20t以下にできることが分かった。これは、FBR導入開始時期のFBR立上速度が約2GWe/yと大きく、FBR使用済燃料の発生量も多くなるためである。この結果、標準システムで2050年FBR導入ケースでは製品Pufの貯蔵制限を満たし、かつ軽水炉使用済燃料貯蔵量を第二再処理設備導入により減らすことが可能であることが示された。一方、FFCIの場合にはリサイクル原料の貯蔵により、製品Pufの貯蔵量を20t以下とし、かつ軽水炉使用済燃料貯蔵量も第二再処理設備の導入により確実に低減することができることが示された。

③物量・経済性評価
　FFCIと標準システムの経済性評価を行うため、表１に示す各燃料サイクルシナリオについて、FBR移行期燃料サイクル事業費単価を解析した。作成した経済性解析コードによる解析結果を図３に示す。用いたコストデータは、平成16年1月に電気事業連合会が公表した「原子燃料サイクルのバックエンド事業コストの見積もりについて」である。図３の左側はシナリオ検討ケースを、右側は標準システムに対するFFCIシステムの単価低減効果（(標準システムコスト−FFCIシステムコスト)÷標準システムコスト）を示す。FFCIのサイクル事業費単価は標準システムより18〜41%低くなることが分かった(製品Puf貯蔵制限無しで18〜31%、20t制限有りで18〜41%)。標準システムで製品Puf貯蔵制限の経済性への影響は最大11%であった。また、FFCIの経済性低減効果の最も小さいのはFBR導入速度が一定の場合であった。

図３ 燃料サイクルシステムの経済性解析結果

図４ 模擬リサイクル原料の実効熱伝導度

(2)柔軟性のある燃料サイクルシステム技術の検討
①サイクルシステム技術基礎特性試験
　使用済燃料を燃焼度45 GWd/tHM、冷却期間5年としたときのリサイクル原料の核種組成データを基にして、使用済燃料全量の90 wt%のUを粗取りしたときのリサイクル原料の核種組成を評価し、模擬リサイクル原料の模擬元素として、U、Nd、Cs、Sr、Ce、Zr、Ru、Pd、Baを決定した。U及び模擬Pu(U)、模擬MA(Nd)、各模擬FPの硝酸塩溶液を調製した後、それらを所定の濃度で混合して、模擬リサイクル原料溶液を調製した。硝酸ウラニル及び模擬リサイクル原料溶液は、空気中600及び1000 ℃で10時間加熱する最適化した直接脱硝法により酸化物に転換した。
　粉砕した模擬酸化物リサイクル原料の粉末を、SEM観察及びX線回折によりその形状、組成を調べた。SEM観察から模擬酸化物リサイクル原料試料の粉末粒子は、数μm程度の非球形粉末であることが分かった。また、X線回折結果から、600 ℃脱硝処理した模擬リサイクル原料粉末では、主たる回折ピークが、Nd、Ce等が固溶したUO_2＋x相に良く一致していることが分かった。さらに、1000 ℃脱硝処理では、Nd、Ce等が固溶したUO_2＋x相が主成分であり、さらに少量のU₃O₈又はRuO₂及びNd₂O₃相の存在を確認した。
　本研究開発で整備した熱伝導度測定装置を用いて、ウラン酸化物粉末試料及び模擬酸化物リサイクル原料粉末試料について、充填試料の空気中及びヘリウムガス(He)中の実効熱伝導度を、非定常熱線法により室温〜500又は800 ℃で測定した。ここで、熱線の温度変化を熱線の抵抗変化から評価することで、高精度なデータ取得を可能とした。結果を図４に示す。ウラン酸化物粉末試料の空気中の実効熱伝導度は0.14〜0.34 W/m/Kで正の温度依存性を、He中では約0.34 W/m/Kと空気中よりも高い実効熱伝導度を示した。また、模擬酸化物リサイクル原料粉末試料の実効熱伝導度は、空気中で0.08〜0.13 W/m/K、He中で0.12〜0.19W/m/Kであり、正の温度依存性を示すことが分かった。
②サイクルシステム技術成立性評価
　リサイクル原料の発熱密度等はガラス固化体よりも除熱性能の観点から厳しい条件であるため、リサイクル原料のキャニスタ直径はガラス固化体のキャニスタの直径43cmに対して約1/3となる15cmと設定した。リサイクル原料キャニスタの配置方法としては、通風管の外径を約28cmとして３本を束ねてガラス固化体の通風管外径約60cmの範囲内に配置して、施設の合理化をはかる備蓄施設を検討した。
　図４で測定した模擬リサイクル原料の物性値を用いて各部の温度を試算した。その結果、空気中ではキャニスタ中心温度は約1094℃で1000℃を超えた。これは、模擬リサイクル原料の充填率が0.37と高く、発熱密度の観点から厳しい条件となっていることによると考えられる。一方、He中ではキャニスタ中心温度は約818℃で1000℃を下回る結果となった。今回の試算は使用済燃料組成の中で最も厳しい条件で実施しており、燃焼度の異なる燃料を組み合わせて運用することで、空気雰囲気での貯蔵も可能であると考える。

(3)技術評価委員会の開催
　国内の有識者11名とオブザーバ(原子力システム研究開発事業プログラムオフィサー)2名から構成される外部評価委員会（委員長：東京大学・田中知教授）を開催した。計画・進捗内容に関する委員会を年度始めに、また成果に関する委員会を年度終わりに開催し、それぞれ当該年度の計画及び成果についての了解を得ることができた。

３．今後の展望

　３年間の公募事業の最終段階で、興味深い研究成果が得られている。今後、各種シナリオでの総合評価、FFCIシステム技術検討に重点を置き、さらに有意義な成果達成を目指す。

４．参考文献

・原子力委員会，原子力政策大綱，2005年10月．
・深澤他，原子力学会2007秋の大会，O26-29；2008春の年会，D10；2008秋の大会，P45-49．