窒化物燃料製造用N同位体濃縮プラントとコストに関する調査(受託研究)

Survey of N isotopic enrichment plant and its cost for nitride fuel fabrication (Contract research)

高野 公秀 

Takano, Masahide

加速器駆動システムによるマイナーアクチノイド核変換用燃料の化学形として窒化物が適するが、天然窒素中のNから(n,p)反応によりCが生成して燃料中に蓄積する。この問題を避けるため、天然窒素中に少量含まれるNを高濃度に同位体濃縮した特殊な窒素ガスを燃料製造に用いる必要があり、その入手実現性に目処をつけることが大きな課題の一つとなっていた。本報告書では、燃料製造に必要な濃縮度とガス量を試算した上で、既存のN同位体濃縮技術を調査した結果、現在は机上検討段階であるもののN低温蒸留法が大規模プラント化の観点からは安全で有望な方法であると判断した。同様の技術を用いたO濃縮プラントがすでに複数稼働しており、その技術と機器類を流用可能である。N低温蒸留法による同位体濃縮プラントから燃料製造用のNガス供給を受けることを想定し、濃縮度と年産量をパラメータとした濃縮シミュレーションを行い、プラント規模を評価するとともに構成設備・機器類の基本仕様を定めた。その結果、濃縮度99%で年産量1000kgの濃縮プラントが技術的に十分可能な見通しを得た。また、このプラントの建設費と運転費用から製品単価を評価し、現状の流通価格の1/30程度に低く抑えられることを示した。この調査により、燃料製造に必要なNガスを技術的にも経済的にも入手可能な見通しを得られたことの意義は大きい。

Nitride is one of the potential fuel forms for minor actinide transmutation by the accelerator driven system. However, to avoid the C production from N by (n, p) reaction in the fuel, the special N gas highly enriched with N is needed for the fuel fabrication. To realize the availability of such gas has been an important issue. In this report, the degree of N enrichment and gas amount required for the fuel fabrication are shown first, and then among the existing isotopic enrichment methods, N cryogenic distillation is found to be a promising method from the viewpoint of constructing a huge scale plant because of its non-hazardous feature. Some commercial plants for O enrichment based on the similar method have already been operated in Japan. Its technology and components can be applied to the N enrichment plant. Assuming the supply of N gas from a cryogenic distillation plant, a series of enrichment simulation is performed to evaluate the plant size as functions of targeted degree of enrichment and annual production. By using the simulation results, the basic specifications for plant components and equipment are designed. As a result, a huge plant for annual production of 1000 kg N gas with 99% enrichment is found to be technically feasible. The N gas production cost is also evaluated to be approximately 1/30 of the current distribution price. This survey shows the availability of N gas required for the nitride fuel fabrication in both technical and economic aspects.