Demonstration SFR conceptual design project in Japan, 1; Plan and status

二神 敏; 市川 健太*; 持田 晴夫*; 黒目 和也*; 後藤 正治; 江沼 康弘

Proceedings of International Conference on Fast Reactors and Related Fuel Cycles (FR26) (Internet), 6 Pages, 2026/05

5-year programs of the demonstration sodium-cooled fast reactor (SFR) conceptual design project in Japan have been conducted from 2024. This project includes 2 stage-gates. The 1st stage-gate is fuel technology specification in 2026. The 2nd stage-gate is the decision to move to basic design phase in 2028. The selected design concept of demonstration SFR was a medium-sized pool-type SFR. The basic plant specifications were established as the initial design concept. The electric power scale was set at 600MW, allowing for flexible deployment to both larger and smaller reactors. To concreate the design of the demonstration reactor, design options are also selected. Key issues of the design options are innovative seismic isolation technology (3-dementinal seismic isolation technology or horizontal seismic isolation), innovative containment vessel technology (steel-plate reinforced concrete structure containment vessel or steel containment vessel) and spent fuel storage technology (in-vessel storage or ex-vessel storage). The paper includes the plan and status of the demonstration SFR conceptual design project in Japan.

材料の熱膨張差を利用した受動式クリープ疲労試験技術の確立のための研究

若井 隆純; 安藤 勝訓; 岡島 智史; 豊田 晃大; 石上 勝夫*; 小沼 輝充*; 高橋 亮耶*; 浅山 泰

日本機械学会論文集(インターネット), 12 Pages, 2026/00

https://doi.org/10.1299/transjsme.26-00004

ナトリウム冷却高速実証炉への適用を目的として、新たな材料監視技術の開発に取り組んだ。この技術は、試験体を原子炉内に挿入し、試験片を観察・評価して劣化の程度や残存寿命等の情報を得ることにより、材料劣化プロセス、すなわち疲労およびクリープ疲労損傷の把握を可能とする。この技術を確立するため、受動式クリープ疲労試験体を設計・製作し、電気炉を用いて繰返し温度変化を与える実証試験を実施した。実証試験後の観察の結果、座屈は生じておらず、また、破面観察の結果、疲労またはクリープ疲労によって破損が引き起こされたと推測され、この技術のナトリウム冷却高速実証炉への適用見通しを得ることができた。

Development of a new materials surveillance technology for fast reactors

岡島 智史; 安藤 勝訓; 豊田 晃大; 石上 勝夫*; 小沼 輝充*; 高橋 亮耶*; 浅山 泰; 若井 隆純

Proceedings of the ASME 2025 Pressure Vessels & Piping Conference (PVP2025) (Internet), 10 Pages, 2025/07

https://doi.org/10.1115/PVP2025-153438

本研究では、ナトリウム冷却高速炉の構造健全性に対する信頼度を、数十年を要する膨大な長期材料試験データによってのみ達成可能なレベルまで高めることを目的として、新しい材料監視技術の開発に取り組んだ。当該技術は、実際の原子炉で進行中の材料劣化プロセス、すなわち疲労やクリープ疲労を監視することを可能にするものである。この目的のために新たに開発された試験片を原子炉に入れ、劣化の程度や残存寿命など必要な情報を得るため、試験片を観察・評価する手順を確立する。試験手順を確立するために、日米間の協力協定である「民生原子力研究開発ワーキンググループ(CNWG)」の枠組みの中で受動クリープ疲労試験体を開発し、電気炉を用いた繰返し熱負荷による実証試験を実施した。その結果、試験片は数百回の熱サイクルによって破損した。試験後の試験片の巨視的検査では、座屈を起こすことなく正常に試験が行われたことが示された。破面観察から、おそらく疲労かクリープ疲労による破壊であることが示唆された。

汎用炉心解析システムMARBLE3の開発

横山 賢治; 羽様 平; 谷中 裕; 大木 繁夫

JAEA-Data/Code 2024-007, 41 Pages, 2024/10

JAEA-Data-Code-2024-007.pdf:1.1MB

汎用炉心解析システムMARBLEの第3版であるMARBLE3を開発した。MARBLEの開発ではオブジェクト指向スクリプト言語Pythonを用いており、これまでの開発ではPythonバージョン2(Python2)を用いていたが、Pythonのバージョンアップの後方非互換性の問題により、Pythonの最新版であるPythonバージョン3(Python3)では、MARBLEを動作させることができなくなっていた。このため、MARBLE3の開発では全面的に改修を行って、Python3で動作するように整備した。また、MARBLE3では、新しく開発された解析コードのカプセル化や新しく提案された計算手法等の組み込みを行うとともに、メンテナンス性や拡張性、柔軟性の観点からユーザインターフェースの拡張やソルバーの再実装等を行った。MARBLE3では、新規に開発された3次元六角/三角体系輸送計算コードMINISTRIVer.7(MINISTRI7)と3次元六角/三角体系拡散計算コードD-MINISTRIを利用できるように整備した。これらのコードは、MARBLEのサブシステムである核特性解析システムSCHEMEや高速炉燃焼解析システムOPRHEUSで利用できる。また、MARBLEに組み込まれている炉心解析システムCBGのユーザインターフェースを拡張して、CBGの2次元RZ体系の拡散計算ソルバーや輸送計算ソルバーをSCHEME上で利用できるように整備した。一方、計算手法についても改良を加えた。MARBLE3では、チェビシェフ有理関数近似法に基づく燃焼計算手法の改良に関する論文やミニマックス多項式近似法に基づく燃焼計算手法に関する論文で提案された計算手法を利用できるように、燃焼計算ソルバーの機能拡張を行った。また、メンテナンス性の観点から、MARBLE2で導入された一点炉動特性ソルバーPOINTKINETICSを廃止して、MARBLE3ではKINETICSソルバーとして新たに整備し直した。

Application of the GIF safety design criteria and safety design guidelines on reactor shutdown system to next generation sodium-cooled fast reactor in Japan

山野 秀将; 二神 敏; 柴田 明裕*

Proceedings of Advanced Reactor Safety (ARS 2024), p.151 - 160, 2024/08

本研究では、動的安全保護系に関して、第4世代国際フォーラムで開発された安全設計クライテリアとガイドラインを我が国で最近に設計されたナトリウム冷却高速炉へ適用した。

消防自動車を用いたHTTRのBDBA拡大防止対策

島崎 洋祐; 地代所 達也; 石井 俊晃; 猪井 宏幸; 飯垣 和彦

JAEA-Technology 2024-005, 23 Pages, 2024/06

JAEA-Technology-2024-005.pdf:5.53MB

HTTRでは、新規制基準への対応の一環として新たに多量の放射性物質等を放出するおそれのある事故(BDBA)の想定を行うとともに、BDBAの拡大防止対策を定めた。このうち、使用済燃料貯蔵プールに係る冷却水漏洩によって発生するBDBAの拡大防止対策においては、大洗研究所の消防自動車をBDBAの拡大防止対策機器として選定し、揚水性能等の要求性能を定めて検査で確認した。これにより、消防自動車は使用前事業者検査に合格し、HTTRの運転再開に貢献した。

部門設立30周年記念出版Vol.3; ナトリウム冷却高速炉の開発; 「常陽」「もんじゅ」から実証炉へ

大野 修司; 前田 誠一郎

第27回動力・エネルギー技術シンポジウム講演論文集(インターネット), 3 Pages, 2023/09

The book, JSME Series in Thermal and Nuclear Power Generation Vol.3 Sodium-cooled Fast Reactor, was published. The book is a collection of the past experience of design, construction, and operation of the experimental reactor "Joyo" and the prototype reactor "Monju", the latest knowledge including related research and development activities and technology for SFR designs, and the future prospects of SFR development in Japan, looking back the history of development of fast reactors started in the early 1960s. The development of sodium-cooled fast reactor in Japan, which contributes to energy security and high-level waste reduction, is reaching to the stage where demonstration reactor will be deployed based on the experience of "Joyo" and "Monju" design, construction and operation. The present report introduces outlines of experiences, results and activities accumulated through these reactors and R&Ds for demonstration reactor.

Research on improvement of HTGR core power-density, 4; Feasibility study for a reactor core

沖田 将一朗; 水田 直紀; 高松 邦吉; 後藤 実; 吉田 克己*; 西村 洋亮*; 岡本 孝司*

Proceedings of 30th International Conference on Nuclear Engineering (ICONE30) (Internet), 10 Pages, 2023/05

Adoption of SiC-matrix fuel elements in future pin-in-block type HTGR designs will enhance oxidation resistance of the fuel element in the event of the air ingress accident, one of the most worrisome accidents in HTGRs. This would eliminate the need for the graphite sleeves used in the current pin-in-block type HTGR designs and enable high power density core designs with sleeveless and direct coolable fuel structure. Such a concept itself has been suggested by Japan Atomic Energy Agency (JAEA) in the past. However, JAEA has not yet demonstrated the feasibility for a core design with the SiC-matrix fuel elements. The present work is intended to demonstrate the feasibility for a new core design upgraded from an existing conceptual core design, called HTR50S, with 50 MW thermal power and reactor outlet temperature of 750C. The new core design uses SiC-matrix fuel elements and increases the reactor power density to 1.2 times higher than the original HTR50S design. The feasibility is determined by whether the core satisfies the target values in nuclear and thermal-hydraulic designs by performing burn-up calculation with the whole core model and fuel temperature calculations. The calculation results showed that the new core design satisfied these target values on the reactor shutdown margin, the temperature coefficient of reactivity, and the maximum fuel temperature during normal operation.

ウラニル錯体化学に基づくテーラーメイド型新規海水ウラン吸着材開発(委託研究); 令和3年度英知を結集した原子力科学技術・人材育成推進事業

廃炉環境国際共同研究センター; 東京工業大学*

JAEA-Review 2022-028, 54 Pages, 2022/11

JAEA-Review-2022-028.pdf:2.97MB

日本原子力研究開発機構(JAEA)廃炉環境国際共同研究センター(CLADS)では、令和3年度英知を結集した原子力科学技術・人材育成推進事業(以下、「本事業」という)を実施している。本事業は、東京電力ホールディングス株式会社福島第一原子力発電所の廃炉等を始めとした原子力分野の課題解決に貢献するため、国内外の英知を結集し、様々な分野の知見や経験を、従前の機関や分野の壁を越えて緊密に融合・連携させた基礎的・基盤的研究及び人材育成を推進することを目的としている。平成30年度の新規採択課題から実施主体を文部科学省からJAEAに移行することで、JAEAとアカデミアとの連携を強化し、廃炉に資する中長期的な研究開発・人材育成をより安定的かつ継続的に実施する体制を構築した。本研究は、研究課題のうち、令和元年度に採択された「ウラニル錯体化学に基づくテーラーメイド型新規海水ウラン吸着材開発」の令和元年度から令和3年度の研究成果について取りまとめたものである。本課題は令和3年度が最終年度となるため3年度分の成果を取りまとめた。本研究では、海水中におけるウラン支配種であるウラニルイオンが他の金属にはまず見られない平面5座配位を好むというユニークな錯体化学的特徴を示すことに基づいて海水ウラン吸着材の吸着部位となる配位子構造をデザインし、海水ウラン回収技術における既存課題の解決およびまったく新しい海水ウラン吸着材の開発を行う。その第1フェーズとして、本研究ではウラニルイオンに対して特異的配位能を有する平面5座開環キレート配位子の開発およびその基本性能評価を行うことを目的とし各種研究開発を行った。「平面5座配位子の開発と性能評価」、「UO-平面5座配位子錯体の合成および錯形成挙動の解明」、「UO-平面5座配位子錯体に対する計算化学的アプローチ」および「夾雑イオンに対するUO選択性の評価」について検討を行った結果、「pH8付近でUOと支配的に錯形成し、かつpH1付近でUOから解離する平面5座配位子の開発」、「平面5座配位子を有するUO錯体の分子構造および電子状態の解明」および「代表的夾雑イオンに対するUO分離係数10以上」という当初目標すべてを達成することに成功した。

Design and actual performance of J-PARC 3 GeV rapid cycling synchrotron for high-intensity operation

山本 風海; 金正 倫計; 林 直樹; Saha, P. K.; 田村 文彦; 山本 昌亘; 谷 教夫; 高柳 智弘; 神谷 潤一郎; 菖蒲田 義博; et al.

Journal of Nuclear Science and Technology, 59(9), p.1174 - 1205, 2022/09

https://doi.org/10.1080/00223131.2022.2038301

J-PARC 3GeVシンクロトロン(RCS)は、最大1MWの大強度ビームを25Hzという早い繰り返しで中性子実験及び下流の主リングシンクロトロンに供給することを目的に設計された。2007年の加速器調整運転開始以降、RCSではビーム試験を通じて加速器の設計性能が満たされているかの確認を進め、必要に応じてより安定に運転するための改善を行ってきた。その結果として、近年RCSは1MWのビーム出力で連続運転を行うことが可能となり、共用運転に向けた最後の課題の抽出と対策の検討が進められている。本論文ではRCSの設計方針と実際の性能、および改善点について議論する。