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森平 正之
JAEA-Research 2012-021, 25 Pages, 2012/08
JAEA-Research-2012-021.pdf:9.24MB
高速増殖炉サイクル実用化研究開発(FaCTプロジェクト。以下、「FaCT」)では、集合体平均150GWd/t(集合体ピーク250GWd/t)の高燃焼度を目指している。このような高燃焼度域では被覆管の内面腐食が従来以上に厳しくなると予想され、照射中における燃料の酸素ポテンシャル上昇の抑制が必要になる。このため、照射中に生じる余剰酸素を吸収させる酸素ゲッターについての検討を開始し、ペレット型MOX燃料に適用する酸素ゲッターオプションの概念の構築と実現性検討を進めてきた。その結果、チタンロールペレット方式が最も有望であるとの評価結果を得たことから、平成23年度にチタンロールペレットの製作性評価、チタン材の酸化特性にかかわる追加データ取得及びチタンロールペレットの酸化特性評価を行い、製作加工性、余剰酸素吸収の有効性、燃料設計上の要求の充足性の観点から同方式の実現性を見通した。
森平 正之; 水迫 文樹*; 坪井 靖*
Proceedings of International Conference on Toward and Over the Fukushima Daiichi Accident (GLOBAL 2011) (CD-ROM), 6 Pages, 2011/12
被覆管内面腐食は高速炉MOX燃料の寿命制限因子の一つであり、燃料中の酸素ポテンシャルに依存する。この酸素ポテンシャルは照射中に生じる余剰酸素の蓄積により燃焼度とともに増加することから、高燃焼度化に向けて余剰酸素の吸収除去が必要になる。このため原子力機構では、従来、低O/M比ペレットの開発を進めてきたが、量産化の問題から代替案が必要となった。酸素ゲッター法は、燃料要素内に余剰酸素の吸収材としての金属片を装荷する方法であり、それによって1.98, 1.98といった通常のO/M比のペレットを利用することが可能になる。しかし、酸素ゲッター法をペレット型燃料に応用した例は限られていることから、本研究ではペレット型燃料用の酸素ゲッター概念の検討を行い、低スミア密度のペレットを燃料要素の上部軸方向ブランケット中に装荷する方式が最も推奨されることを示した。
森平 正之
JAEA-Research 2011-018, 32 Pages, 2011/07
JAEA-Research-2011-018.pdf:2.73MB
高速増殖炉サイクル実用化研究開発(FaCTプロジェクト。以下、「FaCT」)では、集合体平均150GWd/t(集合体ピーク250GWd/t)の高燃焼度を目指している。このような高燃焼度域では被覆管の内面腐食が従来以上に厳しくなることが予想されることから、FaCTでは照射中の燃料要素内における酸素ポテンシャルの上昇を抑制することにより内面腐食を抑える方策として低O/M比ペレットの採用を検討してきたが、量産工程における実現には課題が多いことがわかってきた。このため、照射中に生じる余剰酸素を吸収させる酸素ゲッターの利用について検討を進めている。本研究では、実用期の燃料概念であるMOXペレット燃料に適用する酸素ゲッターオプションについて、燃料ピンへの装荷方法のほか、候補材としたチタン,ジルコニウムの酸素吸収挙動及びFMS材,UO
との共存性の評価を行い、チタンロールペレット装荷方式が最も有望であるとの見通しを得た。
森平 正之; 瀬川 智臣
JAEA-Research 2007-085, 29 Pages, 2008/02
JAEA-Research-2007-085.pdf:2.88MB
高速増殖炉サイクル実用化研究開発(FaCTプロジェクト)では250GWd/t(集合体ピーク)の高燃焼度を達成するためペレットの低O/M比化によるFCCI低減を目指しているが、量産規模での高精度の酸素ポテンシャル制御の実現性や、自己発熱の大きい低除染TRU燃料ペレットの再酸化を勘案すると、実用プラントにおける低O/M比ペレットの量産には多大な困難が伴う可能性がある。そこで、照射中に生じる余剰酸素の吸収を燃料ピン内に装荷した酸素ゲッターに担わせることにより、ペレットそのもののO/M比を緩和する代替案を検討した。本研究では、酸素ゲッターとしての要件を満たす候補材のサーベイと、被覆管装荷方法の検討を実施した。
冨田 豊; 森平 正之; 田巻 喜久*; 西村 一久*; 庄司 修一*; 木原 義之; 加瀬 健; 小泉 務
JAEA-Research 2006-088, 95 Pages, 2007/01
JAEA-Research-2006-088.pdf:23.02MB
日本原子力研究開発機構では、高速増殖炉サイクルの実用化戦略調査研究において、低除染TRU燃料の有望な候補の一つとして外部ゲル化法による燃料粒子製造技術開発を実施した。フェーズIIでは大径粒子の製造条件の最適化,アンモニア廃ガス処理の軽減を目的とした外部ゲル化法の改良方法の検討及び低除染燃料特有の核分裂生成物の影響について検討した。その結果、振動充填燃料に適した大径粒子の製造条件を把握及び改良型の外部ゲル化法の適用性の可能性を見いだした。さらに、核分裂生成物は粒子製造に悪影響を与えないことを確認するとともに原料液の耐放射線性についてのデータを取得した。これらの結果より、低除染湿式再処理対応の振動充填燃料用燃料粒子製造に外部ゲル化法が適応できる技術的な見通しを得た。
中村 雅弘; 小澤 隆之; 森平 正之; 木原 義之
JAEA-Research 2006-028, 146 Pages, 2006/03
JAEA-Research-2006-028.pdf:37.95MB
核燃料サイクル開発機構(現、日本原子力研究開発機構)では、動力炉・核燃料開発事業団時代の1996(平成8)年より2005(平成17)年まで、スイスPSI(Paul Scherrer Institut)及びオランダのNRG(Nuclear Research and Consultancy Group)との間で「振動充填燃料開発に関する共同研究」を実施した。これは、スフェアパック燃料(球状粒子充填燃料)について、ペレット燃料,バイパック燃料(非球形粒子充填燃料)とともに、オランダのHFR(High Flux Reactor)において比較照射を行う共同研究プロジェクトである。5%Np-MOXスフェアパック燃料を含む合計16セグメント(燃料ピン8本)の照射試験の結果、燃料の破損は発生しなかった。スフェアパック燃料の組織変化は、照射初期に急速に進み、48時間の定常照射により、中心空孔の形成はほぼ完了していた。溶融限界線出力試験の結果、HFRの条件下におけるスフェアパック燃料の溶融限界線出力は60kW/m、ペレット燃料の溶融限界線出力は73kW/mと評価した。バイパック燃料及びNp含有MOXスフェアパック燃料の照射挙動は、MOXスフェアパック燃料と大きな差違は見られなかった。しかしながら、組織変化試験におけるNp含有MOXスフェアパック燃料の中心空孔径はMOXスフェアパック燃料のそれよりも大きく、Np含有MOX燃料はMOX燃料と比較して熱伝導度が小さいことが考えられる。
森平 正之; Hellwig, C.*; Bakker, J.*; 中村 雅弘; 小澤 隆之; Bart, G.*; 木原 義之
Proceedings of International Conference on Nuclear Energy System for Future Generation and Global Sustainability (GLOBAL 2005) (CD-ROM), 6 Pages, 2005/10
サイクル機構がスイスPSIおよびオランダNRGとの間で進めてきたオランダのHFRにおけるスフェアパック燃料(SPF)、ペレット燃料、バイパック燃料(VPF)の比較照射試験の結果について報告する。本照射試験は、溶融限界線出力データを含むSPFの照射初期における熱的挙動データを採取し、FSにおけるSPFの性能評価と設計コードの検証に資することを目的として実施したSPF、ペレット燃料、VPFの比較照射試験であり、うち2本のSPFは5%Npを添加したものである。
冨田 豊; 森平 正之; 木原 義之; 田巻 喜久*
Proceedings of International Conference on Nuclear Energy System for Future Generation and Global Sustainability (GLOBAL 2005) (CD-ROM), 4 Pages, 2005/10
高い経済性と環境負荷低減がFBRサイクルに求められている。スフェアパック燃料は、遠隔自動化が可能、製造工程で微粉末が発生しない、コスト低減が可能である、などの利点を持つために有望な燃料と考えられている。このため、サイクル機構では外部ゲル化法によるスフェアパック燃料製造の開発を行っている。この報告では、外部ゲル化法による粒子製造試験について報告する。
森平 正之; 中村 雅弘; 小澤 隆之; 木原 義之; Hellwig, C.*; Ingold, F.*; Bakker, K.*
JNC TY8400 2005-006, 320 Pages, 2005/08
JNC-TY8400-2005-006.pdf:18.0MB
サイクル機構では、1996年から2005年にかけて、スイスPSI (Paul Scherrer Institut)、オランダNRG (Nuclear Research and Consultancy Group)との間で、スフェアパック燃料に係る共同研究を実施した。本共同研究は、機構の先進リサイクル燃料の候補である振動充填燃料に対する関心から計画されたものであり、MOXスフェアパック燃料、バイパック燃料、ペレット燃料の3種類の燃料についてオランダのHFR (High Flux Reactor) における比較照射試験を実施した。照射した3種類、計16本の燃料セグメント(燃料ピン8本)はPSIにおいて製造したもので、これらは20%Pu-MOXの組成を持つものであるが、うち2本のスフェアパック燃料は5%Np-20%Pu-MOXの組成とした。スフェアパック燃料用の粒子燃料は内部ゲル化法を用いて製造したもので、同プロセスが5%Npの添加にも問題なく適用できることがわかった。これらの燃料は、2003年9月にHFRの所在するオランダのペッテンに輸送されたのち、サンプルホルダーとしての組立が行われた。HFRでは、3回の短期定常照射と1回の溶融限界線出力試験が実施され、各回2本の燃料ピン(4セグメント)が同時照射された。短期定常照射試験はスフェアパック燃料の照射初期における組織変化データを得ることを目的とし、溶融限界線出力試験はスフェアパック燃料のPTM線出力をペレットとの比較データとして得ることを目的として実施された。照射試験は、2004年の1月から3月と同年12月から2005年3月にかけて行われ、同年7月に照射後試験が終了した。本共同研究は、HFRにおける照射試験を主たる目的として実施したものであるが、スフェアパック燃料のモデリングや設計技術のPSIから機構への移転、ハルデン炉におけるIFA-550.11照射試験(スイスのGösgen PWRにおいて定常照射を行ったUO2スフェパック燃料の出力急昇試験)、PSIにおける各種燃料の製造試験など多くの関連する作業が行われた。本報告書は、これらのうち、照射試験の計画、燃料設計、燃料製造、照射、照射後試験およびデータ解析の結果についてまとめたものである。
森平 正之; 小澤 隆之; 冨田 豊; 鈴木 政浩; 重留 義明; 木原 義之; 河野 秀作
JNC TN8400 2004-014, 193 Pages, 2004/07
JNC-TN8400-2004-014.pdf:24.52MB
サイクル機構が、スイスPSI 及びオランダNRGとの間で進めている振動充填燃料開発に関する共同研究は、5%Np-MOXを含むスフェアパック燃料(球状粒子充填燃料)について、ペレット燃料、バイパック燃料(非球形粒子充填燃料)とともに、オランダのHFR (High Flux Reactor)において比較照射を行う共同研究プロジェクトであり、照射試験を目指す過程で、PSIが長年に渡る研究実績を有するスフェアパック燃料に係る照射挙動評価モデリング、燃料設計、粒子燃料製造及び振動充填に係る技術を機構に導入することが一方の目的としている。PSIにおける照射試験ピンの製造は2003年5月に完了した。2004年1月から3月にかけてHFRにおける前半2回の照射試験を終了し、現在照射後試験を進めている。後半2回の照射は2004年秋までに実施される予定である。本報告書は、共同研究前半の燃料設計と照射ピン製造を中心にまとめたものである。
sgen-PWR及びHBWRにおいて照射したUOスフェアパック燃料の照射後試験結果 -IFA-550.11照射試験-森平 正之
JNC TY8400 2004-006, 64 Pages, 2004/06
JNC-TY8400-2004-006.pdf:68.01MB
Gsgen-PWR・HBWR照射試験は、1986年にスイスPSI、独Siemens社、スイスKKGの共同研究として開始されたもので、PSIが製造したUOスフェアパック燃料とジーメンス社が製造したペレット燃料を、スイスのゲスゲン(Gsgen)PWRで定常照射したのち、一部の燃料セグメントについてハルデン炉(HBWR)においてランプ試験を実施したものである。 本報は、Kjeller研究所が作成した照射後試験レポートとPSIが作成した解析レポートを元に、3サイクル定常照射後にランプ試験を行ったS04(スフェアパック)とN06(ペレット)セグメントのデータをまとめたものである。
森平 正之; 矢野 総一郎; 古村 誠太郎*; 檜山 敏明; 羽成 章*; 林 賢一*; 上村 勝一郎
PNC TN8410 98-111, 102 Pages, 1998/05
プルトニウム燃料開発室においては新型燃料技術評価作業の一環としてウラン・プルトニウム混合窒化物燃料の開発を行っており、平成7年から8年にかけて試験設備の性能確認とプルトニウム試験の予備試験を兼ねたUNペレットの製造試験を実施した。そして、還元炉・焼結炉を中心としたハード的な課題を解決し、最終的に焼結密度93.0%TDの単相UNペレットが得られた。これらの結果を受けて、平成8年12月より(U,Pu)Nペレット製造試験を開始した。本報は、この間の試験経過についてまとめたものである。なお、UN試験で最終的に得られた試料の化学分析は、工程上の問題とアスファルト固化施設における爆発事故の影響によるプルトニウム燃料第一開発室の運転停止のために確認することができなかった。しかし、UN試験後に実施した(U,Pu)N試験では、製造条件は異なるものの、窒素量5.51%、酸素不純物量0. 11%というデータが得られていることから、UN試験においても同程度の純度の試料が得られているものと推定される。
上村 勝一郎; 河野 秀作; 矢野 総一郎; 加藤 正人; 森平 正之; 森本 恭一; 菊池 圭一
PNC TN8410 97-038, 447 Pages, 1997/03
PNC-TN8410-97-038.pdf:195.11MB
ハルデン炉において、ATR実証炉燃料の負荷追従照射試験(IFA-554/555)を実施した。照射後試験のうち、すでに非破壊試験については全7本を、破壊試験については2本(IFA-554ロッド5及びIFA-555ロッド1)について結果を取りまとめた(既報第4
6報)。本報告では、残る5本(IFA-554ロッド1,2,3,4,6)の破壊試験結果について解析・評価するとともに、全7本の照射後試験結果について最終報告書として取りまとめた。得られた結果は、以下の5点である。(1)被覆管の軸方向の微小塑性変形の蓄積による燃料棒伸び量の増加及び燃料温度の周期的変化によるFPガス放出率の顕著な増加が見られなかった点から、負荷追従運転は定常運転に比して燃料挙動に顕著な影響を与えなかったと考えられる。(2)破損した燃料棒のうち2本の燃料棒(IFA-554-1及びIFA-555-1)は、使用した被覆管が腐食感受性が高いこと及び他の燃料棒に比べて高い線出力を経験していることから、異常な酸化により燃料破損したと推察した。(3)破損した燃料棒のうちIFA-554-5については、燃料初期に温度計装が断線した際、シール部からの水分混入による水素化、あるいは、製造時に被覆管内に残留した水素あるいは水分による被覆管内面からの水素化により破損したものと推察した。(4)上部クラスターのIFA-554-4,5,6の下部Zry-2ディスク充填部で被覆管に膨れ変形が生じたが、上記(3)と同様の原因によりZry-2ディスクが水素化したためと推察した。(5)被覆管内部の水素化の原因として、加圧溶接部の溶け込み深さの検査基準が明確でなかったことから、この部分から水分が混入したとも考えられたが、断面金相試験からリークのなかったことを確認した。
上村 勝一郎; 矢野 総一郎; 河野 秀作; 加藤 正人; 森本 恭一; 森平 正之; 菊池 圭一
PNC TN8410 97-067, 452 Pages, 1997/02
ハルデン炉において、「軽水炉用」プルトニウム富化燃料(Puf富化度4.6w/o)の高燃焼度照射試験(IFA-565)を実施した。IFA-565は、IFA-514照射試験として照射した6本の燃料棒のうち、3本について同一リグにて継続照射したものである。IFA-514については既報にまとめられており、本報告では、継続照射した照射データ及び照射後試験結果について解析・評価を行った。得られた結果は、以下の5点である。(1)ペレットピーク燃焼度で61GWd/tMOXの高燃焼度まで健全に燃焼すること確認した。(2)FPガス放出挙動はBWRUO2及びATR用のMOX燃料の挙動と類似しており、FPガス放出率に差は認められない。また、中空ペレットのFPガス放出率(13.0%)は中実ペレット(17.3%)より低い。(3)金相観察結果及びペレット長の変形量からいずれの燃料棒にも大きなPCMIは生じておらず、ペレット形状(中実と中空)がPCMI挙動に与える影響に明確な差は認められない。しかし、中空ペレットの方が中実ペレットに比べて燃料棒外径変化率がやや小さく、外径変化の抑制に効果がある。(4)燃料棒の伸びはBWRUO燃料棒及びATR用MOX燃料棒に比べてやや小さく、約0.15%である。(5)製造時に存在したペレットの造粒界が照射中に消失することにより、ペレットスウェリングの緩和に効果のあったことが推察される。
上村 勝一郎; 河野 秀作; 矢野 総一郎; 加藤 正人; 大代 操; 森平 正之; 森本 恭一
PNC TN8410 96-051, 107 Pages, 1996/03
OECDハルデンプロジェクトとしてATR実証炉燃料の負荷追従試験(IFA-554/555)を実施している。IFA-555ロッド1の照射後試験項目のうち、前報ですでに金相試験、SEM試験、
及び
/
オートラジオグラフィの結果について報告している。本報では、断面ガンマスキャニング等ペレット分析に係る試験及び被覆管の強度試験について結果を報告するとともに、IFA-555ロッド1の照射後試験結果についてまとめる。得られた結果は、以下の5点である。(1)日負荷追従照射試験は、照射中のリークなしに、計画通り第23サイクルまで照射された。(2)燃料棒伸び、FPガス放出率の観点から、日負荷追従照射による顕著な影響は認められなかった。(3)パンクチャ試験でFPガスが測定されなかったが、これは炉内照射中に、腐食の進んでいた被覆管に照射終了後、PIEまでの期間にリークが生じたものと考えられる。この原因として、IFA-554ロッド5同様、腐食感受性の高いZrライナー管を使用していることがあげられる。照射後試験では、燃料要素上部の被覆管表面の荒れと著しい酸化膜形成及び剥離、並びに水素化物の被覆管肉厚部への浸透が観察されている。(4)燃料要素上部ペレットの一部に破砕が認められ、その直下で中心空孔と柱状晶の形成が観察された。この原因の1つとして、照射中に経験した線出力が、試験計画値49.2kW/mを越え燃料要素中最高の55.8kW/mに達したことがあげられる。(5)被覆管リング引張試験及び水素分析試験結果から、燃料要素上部のサンプルに、水素含有量が低いにもかかわらずリング引張強度が著しく低下する傾向が見られた。
森平 正之
PNC TN8410 94-201, 192 Pages, 1994/05
事業団では昭和62年度よりFBR新型燃料(金属、炭化物、窒化物)の実用性評価研究を進めており、平成元年度末に終了した第1ステップでは、酸化物燃料に代わり得る燃料として窒化物燃料、次いで金属燃料が有望である、という結論が得られた。これを受けて平成2年度から4年度にかけて第2ステップの評価作業を実施し、新型燃料炉心設計研究、窒化物燃料の照射試験準備と製造試験設備設計製作、SUP15/N濃縮コスト評価、金属転換試験、溶融塩電解基礎試験、そして窒化物燃料再処理プロセスの調査検討等を行った。第2ステップの総合評価として、窒化物燃料の採用により経済性を大きく損なうことなしに安全性向上炉心を実現できる可能性があることを示すとともに、窒化物、金属の各燃料について原子炉、照射挙動、燃料製造、再処理、廃棄物の各分野において実施すべきC&Rの課題を整理した。それによって、第2ステップとしての窒化物燃料と金属燃料の経済性、安全性、実現性の各総合評価を行った。
遠藤 秀男; 森平 正之; 佐藤 俊一; 上村 勝一郎; 長井 修一朗
PNC TN8410 94-003, 115 Pages, 1993/12
現在動燃内で窒化物燃料の実用性評価研究を進めている。窒化物燃料の窒素に天然窒素を使用した場合、炉内でのSUP14/Nの(n,p)反応によるSUP14/Cの発生と増殖比の低下を招くことになるため、窒化物燃料としての特性を活かすためにはSUP15/Nを使用する必要がある。ところが、現在のSUP15/N生産量は小さく価格も約11万円/gと非常に高価である。そのため、生産量を大きくした場合のSUP15/N濃縮コスト評価の必要性が生じ、SUP15/N濃縮研究の第一人者である米国在住の石田孝信教授及びDr.W.Spindelに委託研究としてコスト評価をお願いした。本報告書は委託研究の最終成果報告を動燃の技術資料として再整理したものである。なお、評価に当たってのSUP15/N生産量を100kg/年4,500kg/年に、濃縮度を90%99.7%(または99.9%)に設定した。また、NITROX法の交換反応はH/SUP14/NO/SUB3+SUP15/NO
H/SUP15/NO/SUB3+SUP14/NOと表わせる。
遠藤 秀男; 加藤 直人; 鈴木 満; 中島 靖雄; 成田 大祐; 森平 正之; 飛田 典幸
PNC TN8410 93-280, 235 Pages, 1993/10
試験は昭和60年から平成元年にかけて、Pu、U混合転換粉を用いて行われた。本報告書は、その集大成としてまとめたものである。試験の結果、予焼後残留C量が多いペレットをN2-H2混合ガス下で焼結すると、CがMOX中のOを直接奪う還元反応とし窒化物生成を伴う炭素熱還元反応によってCOガスが発生すること、発生したCOガスがクローズドポアにトラップされた時に生ずる圧力によって焼きぶくれが生ずること、したがって焼きぶくれはクローズドポアが早期にできやすい焼結速度の速い条件下での焼結時に発生しやすいこと、そして予焼後残留C量を少なくするにはCO2ガスの使用が効果的であること、が明らかとなった。また、焼結挙動のメカニズムの検討を行い、いまだわかっていない課題を整理するとともに、今後行うべき焼結挙動解明の方向性について述べた。
遠藤 秀男; 森平 正之; 川瀬 啓一; 佐藤 俊一; 上村 勝一郎; 長井 修一朗
PNC TN8410 93-065, 192 Pages, 1993/04
現在動燃内で窒化物燃料の実用性評価研究を進めている。窒化物燃料の窒素に天然窒素を使用した場合、炉内でのSUP14/Nの(n、p)反応によるSUP14/Cの発生と増殖比の低下を招くことになるため、窒化物燃料としての特性を活かすためにはSUP15/Nを使用する必要がある。ところが、現在のSUP15/N生産量は小さく価格も約11万円/gと非常に高価である。そのため、生産量を大きくした場合のSUP15/N濃縮コスト評価の必要性が生じ、SUP15/N濃縮研究の第一人者である米国在住の石田孝信教授及びDr.W.Spindelに委託研究としてコスト評価をお願いした。本報告書は委託研究の初年度分の成果報告書(英文)を和訳したものである。なお、初年度分の評価に当たってのSUP15/N生産量を50kg/年及び100kg/年に設定した。また、NITROX法の交換反応はH/SUP14/NO/SUB3+SUP15/NOH/SUP15/NO/SUB3+SUP14/NOと表わせる。
宮本 寛; 成田 大祐; 森平 正之; 遠藤 秀男; 上村 勝一郎; 長井 修一朗
PNC TN8410 93-009, 69 Pages, 1993/01
プルトニウム燃料工場の製造工程を支援するために実施した試験のうち、1.測温チップ精度確認試験、2.第4容器密度ばらつき評価試験及び3.連続炉運転条件把握試験の結果をまとめた。試験の結果、以下のことが結論として言える。1.測温チップ精度確認試験については、測温チップの材質がAl/SUB2/O/SUB3であることから還元雰囲気中では使用できないと推定される。2.第4容器密度ばらつき評価試験については、密度のばらつきに及ぼす要因は、粉末工程から成形工程までの要因により焼結炉内の装荷位置の要因が大きい。3.連続炉運転条件把握試験については、連続焼結炉を使用しての焼成は、バッチ式焼結炉と比較して問題がない。