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窒化物燃料製造用窒素循環精製システム試作機の設計・製作と性能評価(受託研究)

Design and demonstration of the prototype nitrogen circulation refining system for nitride fuel fabrication (Contract research)

岩佐 龍磨; 高野 公秀 

Iwasa, Toma; Takano, Masahide

高レベル放射性廃棄物の減容・有害度低減のために、発電炉使用済燃料中に含まれるマイナーアクチノイド(MA)を分離回収し、核変換用燃料に添加して燃焼させる核変換の研究開発が進められている。日本原子力研究開発機構原子力科学研究所では、加速器駆動システムによる核変換用の燃料として、MAを高濃度に含有させた窒化物燃料を研究している。窒化物燃料製造に天然の窒素を用いた場合、$$^{14}$$Nの(n,p)反応によって燃料中に$$^{14}$$Cが蓄積するので、これを避けるために$$^{15}$$Nを高濃度に同位体濃縮した特殊な窒素ガスを用いる必要がある。この窒素ガスは高価なため、実燃料製造では電気炉でのMA酸化物から窒化物への転換時に$$^{15}$$N$$_{2}$$ガス中に生成する一酸化炭素(CO)を除去し、再び電気炉へ供給する窒素循環精製システムの利用が経済性向上の観点から必須となる。本報告書では、まずCO除去ユニットと窒素循環・自動供給ユニットからなる窒素循環精製システムの性能要件を検討した上で、実験室規模の実証試験用試作機の設計を行った後にこれを製作し、全体の性能を評価した。その結果、各ユニットは性能要件を十分に満たしており、今回実証したシステム概念が水素自動添加等の機能を追加することで実燃料の製造に適用可能であることを確認した。

Partitioning and transmutation of minor actinides (MA) is an important issue to reduce volume and radio-toxicity of high-level radioactive wastes. In Nuclear Science Research Institute, we have been carrying out R&D on MA-bearing nitride fuel for accelerator driven system. In the actual nitride fuel fabrication process, a special nitrogen gas highly enriched with $$^{15}$$N is required to avoid $$^{14}$$C production from $$^{14}$$N by (n,p) reaction in the fuel. For the economical use of such expensive gas, we need a nitrogen circulation refining system that can remove carbon monoxide (CO) evolved by carbothermic nitridation of oxides and can use the nitrogen gas in the closed system without loss. To develop the system, at first we listed up the performance requirements, and then designed and assembled a prototype system for laboratory-scale demonstration. The system consists of CO removal unit and circulation unit that can automatically keep the system pressure and the gas flow rate constant. As a result of demonstration on the nitridation of oxide, both units completely satisfy the requirements. We confirmed that the concept can be applied to the actual fuel fabrication with further additional function such as automatic hydrogen feed for the control of decarburization.

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