Materials challenges for future nuclear fuel cycles; R&D on nitride fuel cycle for MA transmutation

将来の燃料サイクルのための材料の挑戦; マイナーアクチノイド核変換用窒化物燃料の研究開発

高野 公秀 

Takano, Masahide

マイナーアクチノイド(MA)のリサイクルは原子力の持続的利用における重要課題の一つであり、我々は核変換用窒化物燃料サイクルの研究開発を実施してきた。燃料はPuとMAの窒化物をZrNまたはTiNの母材で希釈した化学形態であり、乾式再処理によってMAをリサイクルする概念である。MA酸化物からの窒化物合成と燃料ペレット焼結は小規模試験で実証済みである他、熱伝導率や熱膨張率等の物性データを取得しデータベース化を進めてきた。これらの経験と知見に基づき、現在は工学規模の研究開発へと段階を進めようとしているところである。燃料製造に関しては、ゾルゲル法の適用やN同位体濃縮窒素ガスの経済的利用に挑戦的な技術開発項目として取り組んでいる。一方で、窒化物燃料用のふるまい解析コードの開発・改良が重要課題であり、取得済みデータの反映に加えて熱機械特性や蓄積ヘリウムの影響、被覆管との両立性に関するデータ取得に取り組んでいるところである。

We have studied nitride fuels for the accelerator driven system (ADS) as a potential candidate for MA transmutation fuels in these two decades. We have demonstrated the synthesis of MA nitrides from the oxides and the sintering of fuel pellets. Material properties such as thermal conductivity and thermal expansion have been also measured to develop the database. Based on these experience and fundamental knowledge, now we strive toward the R&D in engineering scale. As for the fuel fabrication, application of sol-gel process and economical use of N-enriched nitrogen gas are main technical challenges. Development of the fuel performance code optimized for the nitride fuel is also important. In addition to the existing data, we are studying thermomechanical properties, compatibility with cladding materials, and behavior of accumulated helium to develop models describing high temperature phenomena in the fuel pins.