原子力システム　研究開発事業　成果報告会資料集

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作成した。また各シナリオ検討ケースの経済性等の特性を評価するため項目を策定し、各項目の評価方法を立案した。
　原子力政策大綱、原子力立国計画、FBRサイクル実用化戦略調査研究(FS)、米国GNEP(Global Nuclear Energy Partnership)、フランス政策など、FBR移行期における国内外の燃料サイクルの動向を調査し、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検討した。軽水炉燃料は燃料サイクルコストと使用済燃料発生量の低減のため国内外で高燃焼度化を進めて来ており、今後もさらに進むことより、本研究で対象とする軽水炉使用済UO₂燃料及びMOX燃料の平均燃焼度は、33GWd/t, 45GWd/t, 60GWd/tと３段階に設定した。
　サイクルシナリオ検討ケースを次のようにした。FBR導入開始年は、原子力政策大綱で議論された2050年を基本ケースとし、10年前倒しになるケース、10年及び40年後倒しのケースも検討することとした。FBR導入速度は、基本ケースの軽水炉寿命により全数建替(0.5〜2.0GWe/年で変化)に対し、導入速度を1GWe/年一定としたケース、FBR導入を途中で中断する２段階導入ケース、導入当初は軽水炉の半数を建替えるケースも検討対象とした。また、原子力発電設備容量は大綱の58GWeに加え70GWeのケースも検討することとした。FBR燃料形態、炉心設計としては、酸化物燃料では高内部転換型炉心(増殖性能1.13-1.03)、コンパクト型炉心(増殖性能〜1.11)及び金属燃料高燃焼度化炉心(増殖性能1.20-1.05)を検討ケースとした。プルトニウム(Pu)需給バランスに柔軟に対応する手段としては、軽水炉使用済燃料貯蔵、回収Pu備蓄、FBR新燃料及び使用済燃料の貯蔵、柔軟な燃料サイクル構想FFCI(Flexible Fuel Cycle initiative)特有のリサイクル原料貯蔵等を検討する。回収Ｕ取扱法(利用/貯蔵/処分)、マイナーアクチニド(MA)回収開始時期(軽水炉第二再処理/FBR再処理/回収なし)も変動させる。
　本研究開発では、経済性、核拡散抵抗性、環境負荷低減性、資源有効利用性、安全性、技術課題を評価することとし、各項目の評価方法を以下のように決定した。経済性は、六ヶ所再処理、MOX燃料加工、放射性廃棄物処理、使用済燃料中間貯蔵等の各施設のコストデータをベースに、移行サイクルシステムの総事業費で評価する。核拡散抵抗性は、米国のAFCI(Advanced Fuel Cycle Initiative、GNEPの一環)で採用されている方法を用いて評価する。環境負荷低減性は、使用済燃料及び回収Ｕの貯蔵量や高レベル廃棄物の処分量及びMA含有量から評価する。資源有効利用性は、増殖性能によるPu生成量及び回収Ｕの利用量から評価する。安全性は、熱除去性能と未臨界性の観点から評価する。技術課題は、実機や開発の実績などから評価する。

②物量･経済性評価
　FBR移行サイクルにおけるPu需給バランス、回収Ｕ量、使用済燃料貯蔵量、軽水炉再処理/FBR燃料製造/貯蔵設備等の設備容量、経済性を評価するための解析コードを作成して計算を行った。本解析コードで対象とした燃料サイクルシステムは標準システムとFFCIシステムであり、計算を行った代表的シナリオは表１に示す３ケースである。シナリオIは原子力政策大綱シナリオにおいて柔軟性対策として製品Pu/Ｕの貯蔵を採用する。シナリオIIは原子力政策大綱シナリオにおいて柔軟性対策として軽水炉使用済燃料貯蔵を採用する。シナリオIIIはFBR導入速度を１GWe/年一定としたものである。なお、共通の条件として、FBR導入開始年は2050年、FBR総発電設備容量は58GWe、FBR炉心はFSフェーズIIの高内部転換型炉心(増殖性能1.13)、軽水炉及びFBRの寿命は60年、再処理設備の寿命は40年とした。

　これらの３ケースの移行シナリオに対する計算結果の概要を以下に示す。
　シナリオI の場合、標準及びFFCIで第２軽水炉再処理及びＵ分別の所要量は1200t/y、第３軽水炉再処理及びＵ分別の所要量は800t/yとなった。FFCIではＵ分別後のPu抽出はFBR再処理設備で行うのでFBR再処理所要量は標準システムに比べ大きくなった。標準の場合、製品Pu/Ｕの貯蔵量を増やす必要があり最大Pu236t(Puf157t)となり、FFCIの場合Pu/U/FP/MAの混合物であるリサイクル原料の貯蔵量がPu量で最大245tとなった。また、両システムとも使用済燃料貯蔵量は2050年頃に最大30000t程度、回収Ｕ累積量は90000t程度となった。
　 シナリオIIの場合、シナリオI の標準システムにおいて柔軟性対策として採用している製品Pu/Ｕ貯蔵法は核不拡散上の懸念があるため、これに代わり軽水炉使用済燃料貯蔵量を増加する方法を採用した。解析の結果、標準システムの第２軽水炉再処理所要量は1600t/y、第３再処理所要量は1750t/yとなった。標準システムの軽水炉再処理所要量が大きくなったのは、軽水炉使用済燃料貯蔵法が製品Pu/Ｕ貯蔵法に比べPu含有率が低く、Pu需給状況への対応能力が低いことによるものである。なお、FFCIはシナリオIの場合と同じである。
　シナリオIIIの場合、FBR導入速度を一定とすることによりPu需給バランスが比較的確保し易い場合を検討するものであり、製品Pu/Ｕ貯蔵可能量はPu30t(Puf20t)とした。その結果、標準システムでは第２再処理所要量は1260t/y、第３再処理所要量は1260t/y、FFCIでは第２Ｕ分別所要量は1100t/y、第３U分別所要量は660t/yとなった。この場合FFCIはリサイクル原料の貯蔵を活用して第３Ｕ分別処理を20年前倒して建設・運転することにより第３Ｕ分別所要量が減少した。
　FBR移行サイクルの経済性は、FBRの本格導入開始から導入完了までの期間においてFBR導入のために必要な事業、即ちFBR立上用Pu獲得のためのLWR使用済燃料再処理事業、FBR燃料製造事業、LWR使用済燃料貯蔵事業、放射性廃棄物処理・貯蔵等の事業費及び柔軟性手段採用に伴う事業費の総和とした。燃料サイクル経済性評価の基本となるコストデータは、平成16年1月電気事業連合会作成の「原子燃料サイクルのバックエンド事業コストの見積りについて」を採用した(図２)。事業費の見積り方法は次の通りとした。1)サイクル事業費は設備費と処理費から成り立つ2)設備費は設備建設等投資の減価償却費及び設備の運転保守費・緒経費を含む3)処理費は消耗品費等の処理に伴う運転保守費・諸経費を含む4)設備費は設備容量の(2/3)乗則に従って変化する5)処理費は処理重量に比例する。
　経済性試計算結果は以下の通りである(図３)。(1)シナリオI：FFCIの経済性は標準システムに対し約21%優れている。主な理由はFFCIではPu共抽出設備としてFBR再処理設備を共用し、稼働率が高く設備合理化できるためである。(2)シナリオII：標準システムにおいては製品Pu/U貯蔵量を制限するため、軽水炉再処理設備の稼働率が下がる。この結果FFCIと標準システムの経済性の差は約37%に拡大した。(3)シナリオIII：FFCIの経済性は標準システムに対し約21%優れている。これはFFCIではリサイクル原料の貯蔵を活用してウラン分別処理を前倒し導入し、稼働率が向上するためである。以上より、FBR移行サイクルの経済性において、軽水炉再処理設備とFBR再処理設備の共用化による設備稼働率の確保は重要であり、最適な共用化の有り方を検討することが重要であることが分った。今後、種々のFBR導入シナリオについて経済性評価を行う。

①サイクルシステム技術基礎特性試験
　酸化物リサイクル原料の模擬試料としてＵ及び模擬FP元素等を含んだ少量の試料を調製し、形状等を調べるとともに、貯蔵容器への充填方法の検討を行った。
　酸化物リサイクル原料の模擬試料を調製するために、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、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後、所定濃度で混合し、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 ℃で加熱する直接脱硝法により酸化物に転換した。
　得られたＵ酸化物及び模擬リサイクル原料は、粉砕機で数100 μm以下の粒度になるように粉砕し、SEM観察及びX線回折によりその性質を調べた。SEM観察から粉体試料は数100 μm以下に粉砕されており、数μm程度の微粒子が凝集したものであり、各種の模擬元素添加、及び脱硝温度の違いによる粉末形状への影響については認められなかった。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、Ｕ粉体試料では主成分であったUO₃又はU₃O₈はほとんど無く、主たる回折ピークは、Nd、Ce等が固溶したUO_2＋x相、又はRuO₂相に良く一致していることが分った。さらに、1000 ℃脱硝処理では、Nd、Ce等が固溶したUO_2＋x相、及びRuO₂相が主成分であり、さらに少量のU₃O₈又はUO₃及びNd₂O₃が存在すると推定された。
　貯蔵容器への充填方法の検討では、晶析法などのＵ粗回収後の硝酸溶液の脱硝処理により調製した酸化物リサイクル原料の金属容器への貯蔵について、酸化物リサイクル原料の特性を考慮して、充填方法を検討した。酸化物リサイクル原料は、化学形が主として酸化物で、多成分混合系の粉末と考え、熱伝導度へのかさ密度、充填雰囲気の影響について調査・検討し、充填した後の実効的な熱伝導度は、可能な限りかさ密度を上げること、充填雰囲気ガスとしてHeを用いること、Mo金属、炭素(繊維)などのリサイクル可能な高熱伝導度材料と混合成型することにより、向上できることを示した。

②サイクルシステム技術成立性評価
　既存貯蔵設備（構造、除熱性能等）及び使用済燃料特性を調査し、既存設備のリサイクル原料備蓄システムへの適用性を検討した。
　既存設備の調査では、リサイクル原料が軽水炉使用済燃料からＵを粗取りして重量を約10%に減容した物質で高レベル放射性廃棄物(HLW)と類似の性質を有することから、六ヶ所再処理事業指定申請書等を参考に、既存貯蔵設備の構造や固化体の崩壊熱等の物性を調査した。調査結果より既存ガラス固化体貯蔵設備のリサイクル原料備蓄システムへの適用性を検討した。リサイクル原料の発熱密度はガラス固化体の４倍程度以下であることが分り、キャニスターの直径を43cmから15cm程度に縮小すればリサイクル原料にも適用できる見通しが得られた。
　一方、リサイクル原料のPu富化度は高燃焼度UO₂燃料やMOX燃料の場合高くなる傾向があり、未臨界性が厳しくなる可能性がある事が分かった。保守的な想定としてリサイクル原料が溶融し、物質の密度差によって重金属酸化物がFPと分離し、キャニスターの直径や間隔に依存した厚さを有する円筒形状となる解析条件を設定した。なお、溶融想定時の形状が扁平に維持され、中性子の漏れを大きくすることによって、未臨界性が確保できると予想される。