原子力システム　研究開発事業　成果報告会資料集

燃料取扱い系システムの開発

１．研究開発の背景とねらい

　本事業では、FaCTで開発を進めているナトリウム冷却炉（以下、実用炉）に適合する燃料取扱い系システムの技術開発を行う。課題は、経済性向上のためのコンパクト化された原子炉構造に適合可能なこと、燃料交換時間短縮による稼働率向上、廃棄物処理系の負荷低減、高発熱TRU新燃料の輸送効率を向上させることである。これらの課題に対して、以下の技術開発を行う。
(1)スリット付き炉上部機構に適用可能な燃料交換機の開発（燃料交換機の開発）
(2)燃料集合体を2体同時移送可能なナトリウムポットの開発（ナトリウムポットの開発）
(3)使用済燃料の直接水プール貯蔵に適用する燃料洗浄システムの開発（洗浄システムの開発）
(4)TRU燃料輸送時の除熱技術の開発（輸送キャスクの開発）

２．研究開発成果

　本事業は、平成18年度から4カ年計画で実施する。全体の概略工程を図1に示す。以下にはこれまでの成果について記載する。

図1 全体概略工程

(1)燃料交換機の開発
　高速増殖炉サイクル実用化研究開発（FaCT）では、経済性向上の1つに原子炉容器のコンパクト化があり、原子炉容器直径の低減に寄与できるスリット付き炉上部機構を検討している。本項目では、スリット付き炉上部機構に適用可能な燃料交換機の開発研究を行っている。具体的には、今までの設計研究において提案されている2種類の燃料交換機構造（パンタグラフ方式とマニプレータ方式）を比較評価し、基本機能・性能（剛性、作動性、停止精度等）を試験により確認する。実用炉の炉上部機構スリット部の大きさは、幅約41cm、高さ約5.9ｍ、奥行約2.6mであり、燃料交換機は、この狭隘なスリット部内を水平に移動する。スリット付き炉上部機構に適用した燃料交換機の概念を図2に示す。
　平成18年度では、2種類の燃料交換機の概念検討を行い、通常時の運転機能、保守・補修性及び異常時対応性について評価を行った。狭隘部での遠隔操作という実用炉特有の条件下において、折り畳み不能となった異常時に、高さ方向の制御が不要で、駆動軸（可動筒）を外部から強制的に引き上げる操作のみでアームが折り畳め、燃料交換機の取り出しが可能となるパンタグラフ式の方が適用性は高いと評価し、平成19年度以降の技術開発の対象に選定した。
　平成19年度では、パンタグラフ式燃料交換機の基本機能・性能を確認する試験装置の製作設計を行い、試験装置を構成する機器の製作を行った。平成20年度では引き続き試験装置の全体組立を実施し、燃料交換機の剛性、作動性、停止精度を確認する試験に備え準備を進めている。試験装置の全体概要を図3に示す。

(2)ナトリウムポットの開発
　実用炉は、1回の燃料交換時に取り扱う炉心構成要素の数が約220体（燃料集合体165体、制御棒57体）と想定される。燃料交換時間を短くすることはプラントの停止期間の短縮に繋がり、稼働率の向上に寄与できることとなる。そのため、この移送時間の短縮を図るため、使用済燃料集合体2体を同時に移送することを検討している。高い発熱量を有している使用済燃料集合体を安全に移送するためには、移送中に使用済燃料集合体温度が過度に上昇しないよう十分な冷却機能をナトリウムポットに持たせる必要がある。そのため、ナトリウムポットから案内管への伝熱性を高めるためにポットの外側にはフィンを設けるとともに輻射伝熱性を高めるためのコーティング施工を行うこととしている。本項目では、使用済燃料集合体2体を同時に移送可能なナトリウムポットの開発を目的に、コーティング施工されたフィン付きナトリウムポットが使用済燃料集合体を2体収納した状態で、移送中の異常（原子炉上部吊上げ停止）時においても十分な冷却能力を有するかを試験の結果に基づき評価を行う。
　平成18年度は、ポット外面のフィンの加工性及びフィンに対するコーティングの施工性を確認する試験を実施し、平成20年度からの試験に使用する実規模大ナトリウムポット試験体のフィン形状、コーティング施工法を設定した。また、ナトリウムが付着しているコーティング面からの輻射率を測定するための輻射率測定試験装置の製作を行った。
　平成19年度は、輻射率測定装置を用いて輻射率の測定試験を行い、ナトリウムが付着したコーティング表面からの輻射率データを取得した。また、平成20年度のナトリウムポットの除熱性能に関する試験に用いるナトリウムポット試験体、試験装置製作及びナトリウム試験ループへの据付を行った。ナトリウムポット試験体のナトリウムポット部を図4に示す。
　輻射率測定試験では、コーティングにより輻射率が高められること、ナトリウムが付着した状態でも輻射率の有意な低下が見られないこと、高温領域では酸化の影響と思われる輻射率の増加があること等を確認した。試験結果を図5に示す。
　平成20年度は、実規模大のナトリウムポットを用いて除熱能力を確認する試験を開始した。また、ナトリウムポットの除熱性能を評価するための解析手法の開発も行っており、平成19年度に実機体系解析モデルを構築した。平成20年度では実機体系解析モデルに基づき試験体系解析モデルを構築し、試験で得られたデータにより検証作業を行うよう準備を進めている。

(3)洗浄システムの開発
　使用済燃料は、炉外燃料貯蔵槽（EVST）に収納し、一定期間冷却した後に取り出され、水プールに貯蔵される。水プールに貯蔵する前には、使用済燃料に付着しているナトリウムを除去する必要がある。FaCTで検討している洗浄処理方式では、使用済燃料が、燃料出入機によりEVSTから吊り上げて取り出す時に、約300℃のアルゴンガスを吹き付けて燃料に付着しているナトリウムを除去（乾式洗浄。概念を図6に示す。）する。乾式洗浄後の使用済燃料は、水プールに入れる前に蒸気により安定化処理を行う。本方式は、従来の蒸気及び水を用いた洗浄方式に比べ、専用の洗浄槽が不要で、また液体廃棄物量も少ない。一方、FaCTで検討している燃料集合体には、燃料の溶融に至るような過酷事故の際に、更に厳しい事故への発展を防止するため、溶融した燃料を燃料集合体から早期に排出するための内部ダクトと呼ばれる構造を設けている。本項目では、内部ダクトを有する燃料集合体の乾式洗浄方式による洗浄性を試験の結果に基づき評価を行う。
　平成18年度は乾式洗浄試験を実施するための試験体及び試験装置の設計検討を行うとともに、内部ダクト部を模擬した試験体（内部ダクト試験体）の製作を完了した。
　平成19年度は洗浄試験装置と燃料集合体を模擬した試験体（模擬集合体）の製作を完了するとともに、内部ダクト試験体を用いた乾式洗浄試験を実施し、内部ダクト内ナトリウムのドレン性、乾式洗浄によるナトリウム除去性を評価した。試験結果を表1に示す。内部ダクトのドレン時間は3分前後であり、実機の洗浄準備時間約10分を短縮できる見通しが得られた。また内部ダクト表面の最大残留量約4ｇ、ラッパ管-内部ダクト間隙部残留量約3ｇであり、過去に実施した内部ダクトのない燃料集合体の乾式洗浄後の残留ナトリウム量（約180ｇ〜250ｇ）^3）と比較して無視できる量であった。平成20年度は、模擬集合体を用いた乾式洗浄試験の実施に向けて準備を進めている。

(4)輸送キャスクの開発
　実用炉で検討している新燃料には、軽水炉及び高速炉の使用済燃料から回収された超ウラン元素（TRU）及びこれに随伴し混入する核分裂生成物（FP）が含まれている。特に回収TRUには、高発熱、高放射性の核種が含まれているため、TRU含有新燃料（以下、TRU燃料）は従来の燃料に比べて、高発熱、高線量となる。本項目では、TRU燃料を燃料製造工場から発電施設まで安全かつ効率良く輸送するキャスク概念を検討する。ここでは、発熱量が1〜3kW/体の新燃料を5〜10体収納できる輸送キャスクの概念構築を目標に設定した。
　平成18年度では、キャスクに適用する冷媒の調査を行い、冷媒としての特性、取扱い性等の観点から、TRU燃料輸送キャスクの冷媒としてヘリウムと水を選定した。また、燃料の条件として、製造側の制限値以下で最も発熱量の高いTRU燃料を選定し、キャスク概念の検討を実施した。ヘリウムキャスクについては、除熱性を高めるために、燃料集合体を収納するバスケットをアルミブロック構造にした。ヘリウムキャスクについて、除熱性を確認するための簡易評価を行い、燃料集合体5体収納できる見通しを得た。5体収納用ヘリウムキャスクの構造概念を図7に示す。また、水キャスクについては、寸法及び重量の制限下で最大10体収納できる概念を構築した。
　平成19年度では、構築概念に基づき、軽水炉使用済燃料輸送キャスクで実績のある解析手法に基づいて、輸送時姿勢での温度解析を行い、水キャスクについては所定の制限値以下であることを確認した。ヘリウムキャスクについては、構造材の制限値は満足するものの、燃料集合体が、搬入作業時における空気中での燃料集合体取扱いも想定し設定した酸化防止上の制限値を超える結果となった（表2）。搬入作業（蓋閉止）時姿勢の温度解析では、約4日後に中性子遮蔽体の制限値を超える結果となった。このため、キャスク、燃料の取扱い方法等受入設備の設計対応も含めての検討を、平成20年度に、本事業とは別に実施することとした。平成21年度は、上記設計検討の成果を反映し、ヘリウムキャスクの搬入作業（蓋開放）時姿勢の温度解析を行う。

３．今後の展望

(1)燃料交換機の開発
　平成20年度後半からアーム実規模動作試験にて剛性、基本動作、位置決め精度等のデータを取得し、平成21年度後半では、試験で得られた成果に基づき実機適用性評価を実施する。
(2)ナトリウムポットの開発
　平成20年度後半も継続してポット除熱試験を実施する。平成21年度は、試験データにより検証したポット除熱量評価手法を用いて実機適用性を評価する。
(3)洗浄システムの開発
　平成20年度後半には、模擬集合体乾式洗浄試験を行い、残留ナトリウムデータを取得する。平成21年度では、データに基づき実機燃料集合体残留ナトリウム量を評価し適用性評価を行う。
(4)輸送キャスクの開発
　平成21年度には、搬入作業（蓋開放）時姿勢の温度解析を実施し、健全性評価を行う。また、これまでの成果に基づき、TRU新燃料輸送キャスクの基本仕様、課題等の整理を行う。

４．参考文献

1)近澤他、“切込付炉上部機構に適用した新型燃料交換機の開発”、日本原子力研究開発機構、2007年2月

2)日本原子力研究開発機構、“高速増殖炉サイクルの実用化戦略調査研究 フェーズII技術検討書-(1)原子炉プラントシステム-”、2006年4月

3)近澤他、“ナトリウム冷却炉の燃料洗浄設備の検討−平成15年度の研究成果のまとめ−”、核燃料サイクル開発機構大洗工学センター、2005年7月