Material attractiveness evaluation of fuel assembly of accelerator-driven system for nuclear security and non-proliferation

加速器駆動システムの燃料集合体の核セキュリティー及び核不拡散における物質不正利用価値評価

大泉 昭人   ; 菅原 隆徳  ; 相楽 洋*

Oizumi, Akito; Sugawara, Takanori; Sagara, Hiroshi*

使用済燃料に含まれる高レベル放射性廃棄物処分の負担軽減のために、商業サイクルから分離したマイナーアクチノイドを加速器駆動システム(ADS)により核変換させる、分離変換サイクルの研究開発が進められている。扱われる燃料の化学形態や組成が既往サイクルとは異なるため、分離変換サイクルに要求される保障措置(SG)の検認精度や核物質防護(PP)のレベルについて検討する必要がある。本研究では、核セキュリティーや核不拡散の観点でADS施設の貯蔵プールに保管されている燃料集合体の盗取や不正利用を想定し、SGの査察目標やPPの設計レベルの検討に資する物質不正利用価値が評価された。その結果、ADS施設に必要なSGの査察目標やPPの設計レベルを決める上で重要な要素の一つとして、基本的な燃料物性に基づいた定量的なコンポーネントを作成した。また、一般的な沸騰型軽水炉(BWR)のMOX燃料集合体の同評価結果と比較された。核セキュリティーの観点では、ADSの燃料集合体は、BWRのMOX燃料集合体よりも不正利用価値が低いという結果となった。核不拡散の観点では、ADSの燃料集合体中のプルトニウム(Pu)は、BWRのMOX燃料集合体中のPuよりも不正利用価値が低いという結果となったが、ADSの燃料集合体中のウラン(U)は、自発核分裂中性子発生数の差により、BWRのMOX燃料集合体中のPuと不正利用価値が同等かわずかに高いという結果となった。さらに、今回の評価を通し、多くの超ウラン元素やレアアースを含んでおり、かつU-234が同位体組成比の多くを占めるUを含んでいるADSの照射前の燃料集合体を、現行の規制基準における新燃料と位置付けるか使用済み燃料と位置付けるか判断が困難であるという新たな課題が抽出された。

Research and development of the partitioning and transmutation (P&T) cycle with accelerator-drive systems (ADSs) transmuting minor actinides separated from the commercial cycles have been continuously conducted to reduce the amount of high-level radioactive waste contained in spent fuel discharged from nuclear power plants. Because the chemical form and composition of the fuels are different from those of the current commercial cycles, it is necessary to examine the inspection goal of the safeguards (SGs) and the design level of physical protections (PPs) that are required for the P&T cycle. In this study, the material attractiveness was evaluated assuming the theft or diversion of fuel assemblies from the fuel storage pool of the ADS facility in terms of nuclear security and non-proliferation. According to the results, quantitative components based on the fundamental fuel property were created as an important factor to decide the inspection goal for SGs and the design level for PPs required for the ADS facility. Additionally, the attractiveness of mixed oxide (MOX) fuel assemblies stored in the commercial boiling water reactor (BWR) facility was compared with that of the ADS. With regard to nuclear security, the ADS fuel was less attractive than the BWR MOX in every cycle. Regarding nuclear non-proliferation, the ADS fuel assembly had less attractive plutonium (Pu) than the BWR MOX, and the uranium (U) in the ADS fuel assembly was as attractive as (or slightly more attractive than) that of the BWR MOX owing to low spontaneous fission neutron. Furthermore, new issues were identified through this evaluation. With the current regulations, it was difficult to decide whether the ADS fuel before irradiation should be treated as fresh or spent, because the ADS fresh fuel contained more transuranium and rare earth than U and contained U whose main component was U-234 instead of U-238.