長寿命廃棄物核変換システムに対する日立の取り組み

⑪
ＨＩＴＡＣＨＩ
１Ｙ１ｓｐｉＴｅｔｈｅＮｅｄ
国際シンポジウム放射性廃棄物低減に向けた現状と将来の展望
～ゼロリリースを目指して～
長寿命廃棄物核変換システムに対する
日立の取り組み
株式会社日立製作所日立研究所
日野哲士
◎Hitachi,Ltd2014Allrightsreserved
HIT】AＣＨＩ
ｌｎｓｐｉＴｅｔｈｅＮｅＸ１
Contents
１
■■■■■
『□Ⅱ」（，〃』（”「）ご列」ⅡＦ』■）
日立の取り組み方針
Na冷却ＭＡ燃焼炉
BWRによるTRU燃焼
柔軟な燃料サイクル
まとめ
oHitachLLtd､2014.Allrightsreserved
Ｆ-－
■
I-1mACHI
Z･日立の取り組み方針
imspiTetheNEx｛
Na冷却高速炉/燃料サイクルの国家プロジェクトに貢献するとともに
ＢＷＲメーカとしての経験を活かしたオプションを検討
吾一
Ｒ
Ｎ
Ｎａ冷i却MA燃；焼炉
蔦
面,ＷＲ,|－」鳥獺'ﾘ'職'瀞
ＢＷＲＩ－よるTRU燃焼
lvlA燃焼炉の高性能化を
lv1A燃焼炉の高性能化を
ＢＷＲ⑪特徴を活かした
BWRの特徴を活かした
Na冷却炉オプシヨン⑪検討
Na冷却炉オプションの検討
文科省公募で実施中
齢」
i蕊
二綣誼#鯉浄耀叡騨…鷺；！
轤柔鰄艤辮蝋鐵州
ｈ=Ｎ
様々な燃料サイクルと
デブリ管理に適用できる技術を
デブリ管理に適閑できる技術を
文科省公募で開発
'－１RLlHimchiRescarchLaboral(》rｙ
oHitachiPLtd,２０１４.All｢ightsreserved.
1-lＩＴＡＣＨＩ
３．ＭA燃焼炉開発(文科省公募）
ｍｓｐｉＴｅｔｈｅＮｅｘ１
MA核変換効率の向上と安全性向上の両立を目指した
開発を実施中
帆｢もんじゆ｣データを活用したマイナーアクチニド核変換の研究"＊
＊本発表は文科省からの受託事業として福井大が実施したZ013年度研究成果を含む
洞鐵韓
全体とりまと鋤
鑓蓉弓膣/欝鍋鵬一為
]奥鼠溌
高精度解析手法開発
MA機変換関連データの
整備と評価
]AEA/日立GＥ
炉心設計高度化
HRLlHi1achiRcscarchLal'oraIory
’
日立ＧＥ
過渡･事故時挙動への
影響評価
cHitachijLtd､２０１４.Allrightsreserved.
[｣
凸
HIT】ＡＣＨＩ
4．均質ＭＡ炉心の高度化
１ｎｓｐｉＴｅｔｈｅＮｅｘｆ
炉心上部に設置したNaプレナムによりボイド反応度を低減＊
B4C遮蔽体
SUS遮蔽体（78）
*KoKawashima,KFUjimura,ｅｔａｌ,､､StudyoftheAdvancedDesignfbr
AxiallyHeterogeneousLMFBRCores/'ProcoofFR91
ブランケット
1０１
Naﾌﾟﾚﾅﾑ１０ｔ
内側炉心（上部）
内部ブランケット蕊
I」LI
Ｊ､
ベコ
9０
誉９０
マム
虹、
下部ブランケット
下部ブランケット露
露
已.■
２１１
制御棒（９）
(＃体数）
炉心径方向構成
、フ
制御棒（18）
－ｌ
ベ
（
炉心中心
炉心軸方向構成（1/Z炉心）
HRLlHimchiRcscarchLab()ralory
◎Hitachi,Ｌｔｄ２０１４.AlIrightsrese｢ved
ＨＩＴ】ACHl
5．炉心仕様および特性
項目
lllspiTetheNexf
値
単位l １鱸値戦～
蝉迫色些
出力 (電気/熱）
lvlWe/ＭＷｔ
750/1,765
運転サイクル
ヶ月
1８．６
バッチ数（炉心/径方向ブランケット）
6/６
炉心高さ（内側/外側）
ｃｍ
60/9０
内部ブランケット高さ
ｃｍ
２０
Ｎａプレナム高さ（内側/外側）
ｃｍ
40/3０
Pu富化度,ＭＡ含有率（内側/外側)＊
Ｗｔｑ６
27.4/24.8,6.8/6.1
燃焼反応度
ｑ/6Ａk/kk’
０６３
増殖比
1．１４
浬坤色些
最大線出力密度
Ｗ/ｃｍ
3９６
取出燃焼度（炉心/全体）
ＧＷｄ/ｔ
149.3/7８．９
MA核変換量
ｋｇ/GWe/y
103
lvlA核変換率
Wdischarge
3６
ポイド反応度（EOEC）
＄
3.6
ドップラー係数（EOEC）
Tdk/dＴ
EOECEndofequilibriumcycle
HRI-lHi【acI1iRcscnrchLabomM)ｒｙ
：
１」
Z8７
Ｚ８７
止系
」’酉〆
内側炉心（下部）
」詠い八ｍや疸枳蝉
一訊心八ｍ示巨快蝉
Ｎａプレナム
色一匹三章
内側炉心
（244）
４３２２３
外側炉心
（108）
０５０５０
(７２）
’
-5,×１０－３
＊軽水炉使用済燃料のTRU組成を仮定
○Hitachi,Ｌｔｄ2014,All｢ightsrese｢ved
HmACI-iI
6．実効ボイド率を用いた安全解析
imspiTetheNext
過渡状態ではボイド反応度が負となり事象進展が緩'屋となる可能性
6.0
6．０．
lQQ2UF
Naプレナムのボイド率＝
Naプレナムのボイド率＝100％
上部遮蔽体
内部ブランケット
1
下部ブランケット
(Ｉ
印
－２－１０＋１＋Ｚ
－０＋
Ｎａ密度係数
Na密度変化
(9'6Ａk/kk7Ap）
（Ap）
Na密度係数とNa密度変化の
軸方向分布
ヒム
－
５０％
■－．－．
一一||＿二二・二」
ヤｏｏｏ
ｒＥ
００
下部炉心
ツムーー．
実際のボイド率範囲
』檮纏iim:驍團
－
遡
Ｚ lＨ
僅Ｚｏｏ
凹
０２
、！
４ロ
ご４.ｏ‐
Naプレナム
上部炉心
（ご遡憧ｕ」や渠
１つ
／「
仮定した炉心部ボイド率
グー、
-２．０
■■■-
－
('14詳細評価中）
]2L二三F‐
韮
0．－｡￣●￣■
グー－口＝－－－■■■-－…
準一一一Vと弘一一一一mＡ
｣￣－－
３０％
￣可
２４６８１０１２
111
MA含有率（wtq/6）
ボイド反応度の
炉心部ボイド率依存性
－今後､ＭＡ核変換量の増大と安全性向上の両立を目指す
HRLlHilachiRcscarchLalx'ral()rｙ
、Hitachi,Ltd､2014-ＡⅡrights｢eserved．
Ｈ「ｍＡＣＨＩ
7．日立の取り組み方針
ＩｍｓｐｉＴｅｔｈｅＮｅｘ｛
Na冷却高速炉/燃料サイクルの国家プロジェクトに貢献するとともに
ＢＷＲメーカとしての経験を活かしたオプションを検討
胸'ａ"へ却wiA憐､１１野Ｉ
Na冷却lv1A燃焼炉
BWRによるTRU燃焼
ivlA燃焼炉の高性能化を
MA燃焼炉の高性能化を
文科省公募で実施中
BWRの特徴を活かした
ＢＷＲの特徴を活かした
Na冷却炉オプションの検討
』？
柔軟な燃料サイクレ
－－￣こ■
様々な燃料サイクルと
デブリ管理に適用できる技術を
文科省公募で開発
HRl-lIlilachiRcscarchLab`'ralory
oHitachijLtd2014･Allrightsreserved
■
分
HlT7ACHI
8．ＢＷＲ特徴のTRU燃焼炉への活用
句
lHnspiTetheNex｛
BWRが中性子減速効果を幅広く制御できることを活用し
核分裂性核種だけでなく親核種も燃焼
中性子
減速効果小
▼
核分裂性核種
燃焼
▼
親核種燃焼
Ｐｕf生成
～ＨｚＯ－
(冷却水）
<冷却水流三＞
多ﾎﾟｲﾄﾞ率少
高’１河低
'988888888§
○○○○○○○○○○
冷却水対燃料
ｉｉｉ譲鑿十体積二＞
大小
○○○○○○○○○○
○○○○`○○○○○○
ｐＯｏｏｏｏｏｏｏｇｿ
：
Ｚ
（粟謹一畳扇矩）鵠丑鰹竺編冊
灘
鵜;ilii;ii1ii襄鬘露
零驍韓
減速効果大
１
⑳
０
TRU増殖炉
０１Ｚ
３
体積比(冷却水/燃料）
＊冷却水ポイド率を考慮した比
HRLlHilachiRc国carchLab〔'ral(〕rｙ
◎Hitachi,Ｌｔｄ２０１４.AII｢ightsreserved．
Ｈ１~mACHl
9．ＲＢＷＲコンセプト
lnspiTetheNex｛
炉心の中性子減速効果を減らしTRU燃焼用に最適化
安全システム.ＢＯＰ系などは現行BWRとほぼ同じ
現行BWR燃料
▲
１５５ｍｍ
４ｍ
原
■■l
■÷
●
／、
１
燃料棒冷却水
一一
厨雌
､I／
lRBWR燃料
Ｉ
イ
２４ｍ
－＞
RBWRResource-renewableBWR
HRLlHilaChiRcscarchLal)('ra【ｏｒｙ
↓
１９４ｍｍへ，
◎Hitachi,Ltd２０１４.Allrights「ese｢ved
ＨｍＡＣＨＩ
10.炉心構成
ｉｍｓｐｉＴｅｔｈｅＮｅｘｉ
Y字型制御棒を燃料集合体の間に挿入
LIiiiij鶴＃
、〆
〆
、
、
〆～
フオロア
フォロア
が
領域
_心、
､￣
〆
（
、Ｐ
TlⅡ蕾
~「
中性子
吸収材
領域
111
｣、〆
､へく
日一
、／､－，－
体数
‐燃料集合体:７２０
圧力容器
圧力容器一制御棒:２２３
‐制御棒:２２３
HRLlHimchiRcscar〔hLaboral('rｙ
Y字型制御棒
◎Hitachi,Ｌｔｄ2014.Allrightsreserved
11．TRU燃焼炉のタイプ
HlTACHI
lTuspiTetheNeX｛
PWRlBWR排出TRUを燃焼
ＴＲＵを燃やしつくし
劣化ウラン
劣化ウラン
Charge
■
T’
burn
RBＷＲ
蝋TRU籍
取出し
再処理
PWR/BＷＲ
運転
■
持
ＴＲＵ
一炉心を残して
璽麺団
貝
HRLlHiIachiRcscarcl1Lab('raL()rｙ
診縁>E1７
｡Hitachi,Ｌ1..2014.Allrightsreserved.
笠
｢
l苧
HIT]ACHI
１２.減速材害１１合の選定
lmspiTetheNext
用途にあったTRU多重リサイクルを達成するため
冷却水(減速材)/燃料比で核分裂性核種の増殖比を調整
（盤に蝿一世△羽岳）
遇浬叫騨軽釦一一融頓樫
TRU増殖炉TRU燃焼炉
－－－－⑥－－－－－－－－－－－－－
１
0.5
○ 現行BＷＲ
ワンススルー
in
ロ
１
Ｚ
３
体積比（冷却水/燃料）
HRI-lHimchiRcsca,てhLab()『｡【Cry
ＯHitachi,Ltd､２０１４.Allrightsrese｢ved．
HrmACHI
13．固有安全性のための燃料構成
lnspiretheNex1
上下に中性子吸収材を配置した軸方向Z領域炉心で
ボイド反応度係数を負に維持
隻一チャンネルボックス（非表示）
制御棒
(フオロア領域）
１
i_ﾌﾞけﾑ領域:FPｶﾞｽ醤保持
U2
IIXノ
_Ⅱ＝
」
甘
宜
『】
〕
制御棒ＮＩ
(中性子吸収材領域
ＨＲＬｌＨｉ【achiRcscarcl1Lalj('rdlory
。旨■１
閉
】
￣
ⅢⅣ
刎而
１１
墓:三川
,■■
１１W
L｣
劣化ウラュ
口
oHitachi1Ltd､２０１４"Allrightsreserved
２
ＨＩＴＡＣＨｌ
14.TRU燃焼炉特性
ｌｎｓｐｉＴｅｔｈｅＮｅＸ（
現行BWRが生成するZ倍以上の速度で、
核分裂性核種だけでなく親核種のTRUも燃焼
0.4
MOX燃料
現行ＢＷＲ
0.2
ウラン燃料
現行ＢＷＲ
○
。区ト騨騨照
ロ
｡
￣￣￣－－－－－－－－－－－-－－－－－－－－－－-------￣￣－－－－－－－－－－－－－￣－－－－－－￣－－－－－－－－－－－Ｆ－－－－－－－－－－－－戸－－－－－－－－－－－￣笘－－－－－－
PWR/BWR排出TRUを
0.2
燃やすRＢＷＲ○
0４
fi1WilJ1il1i:Illl1T:A室ｉｉｈ。
0.6
０．８
0.8
－０４
０
0４
核分裂|生核種TRU
TRU生成(燃焼)量（ton/年）
I-IRl-lHilachiRcscarchLall('ralory
oHitachijLtd､2014,AllrighIsrese｢ved．
HImACHI
15．炉心仕様と特性
Item
ltem
電気出力（ＭＷｅ）
炉心高さ（ｍ、）
燃料集合体体数
燃料棒本数
燃料棒外径（ｍ、）
燃料棒間間隙（ｍ、）
冷却水流量（kt/h）
炉心出ロクオリティ（％）
炉心出ロクオリティ（船）
炉心平均ポイド率（％）
炉心平均ポイド率（船）
圧損（MPa)＊
重金属装荷量（t）
TRU領域Puf/ＨＭ比（w/o）
TRU領域Puf/ＨＭ比（W/o）
平均取出燃焼度（GWd/t）
MLHGR（kＷ/ft）
MLHGR(kＷ/f上）
ＭＣＰＲ
ﾎﾟｲﾄﾞ係数（､k/k/9/6void）
ポイド係数（Dk/k/q/6void）
TRU生成率（％)＊＊
TRU生成率（q/6)＊＊
1nspiTetheNeXf
ＲＢＷＲＴＲＵ燃焼炉
RBWRTRU燃焼炉
RBWRさTRU燃焼 PWR/BWR自TRU燃焼
RBWR写TRU燃焼|PWR/BWRTRU燃焼
AＢＷＲ
1３５６
1356
1３５６
１３５６
1３５６
993
1０２５
１０２５
3７１０
３７１０
7２０
720
720
７ZＯ
872
８７２
3９７
397
3９７
３９７
7４
７４
7.4
７画２
7２
1１．２
１１oｚ
Z,０
2.0
２２
2.2
3.2
３．２
3８
３８
２４
Z４
5８
５８
Z１
２１
3６
３６
1３
１３
４２
4２
5６
５６
３６
3６
０．２０
0．０６
０．０６
０．２１
7７
７７
7６
７６
1５０
１５０
1３．９
１３鬮９
２５
5５
５５
６５
6５
4５
４５
1４４
１４．４
1４．４
１４．４
1３．４
１３．４
1.3
１．３
1２８
1.28
1.3
１．３
-2×１０－４
－２×１０－４
－４×１０－４
-4×10-4
-12×１０－４
－１２×10-4
－５１
-５１
-４５
‐4５
＋2２
＋ＺＺ
ＨＲｉｒ蝋』轍鮒r研鮖時鱸増加劉核分裂した全ｱｸﾁﾅｲﾄﾞ量）
oHitachijLtd,２０１４.Allrights「eserved
、
｢」
己
HmACHl
16．日立の取り組み方針
lnspiTetheNexf
Na冷却高速炉/燃料サイクルの国家プロジェクトに貢献するとともに
ＢＷＲメーカとしての経験を活かしたオプションを検討
Ri子挙圭U1wvh汎’－１－
Na冷却ＭＡ燃焼炉
ロＷご日穏Ｔ則撚１１鰯
MA燃焼炉の高性能化を
lviA燃焼炉の高性能化を
文科省公募で実施中
ＢＷＲの特徴を活かした
Na冷却炉オプションの検討
鍵欝
Ｌ』
い
柔軟な燃'料サイクルし
柔
様々な燃料サイクルと
ﾃﾞﾌﾞﾘ管理に適用できる技術を
文科省公募で開発
I~IRLlHilachiRc5carchLal】oralory
oHitachilLtd､2014.Allrightsrese｢ved
HlTACHl
l7dFFCIコンセプト
lT1spiTetheNexf
ウランのみを回収し､TRUはリサイクル原料としてFPと一緒に貯蔵
FBRサイクルほか､様々なサイクルに柔軟に対応可
白幻
唾
…。
鰯
FFCI：FlexibleFuelCyclelnitiative
、
ノ
(Pu,MA,U）
～
ソ
=
HRLlHilachiRcsearchLal)oralory
◎Hitachi,Ltd､2014.Allrightsreserved.
HmACHI
l8FLUOREXコンセプト
1nspiretheNex｛
フシ化によるウラン回収と溶媒抽出のハイブリッド処理により
施設のコンパクト化と柔軟性を実現
脱被覆
＊FLUOREX：HybridProcessofFluo[ideVolatilityandSolvent昼traction
Ｃムワ
（
、『Ⅱ扮宇Ｂ】剤０
’二【機
l■■■Ｆ】－－ｉ■■■
’
HRLlHilachiRcscarcl1Lal〕(,ral()rｙ
【~■Ｅ~][~~｡Ｅ-コＩ■■■[￣。ｌ■■■ｌ■■■[ヨｌ■■■－－－］■■■ｌ■■■
LWRfBR/RBWRサイクルへ適用可
◎Hitachi,Ltd､2014.Allrights「eserved
l－ＩｍＡＣＨＩ
19．FLUOREX開発状況
ｌｎｓｐｉＴｅｔｈｅＮｅｄ
ﾛ
フッ化物揮発法の適用性を模擬および実使用済燃料で確認
ノズル部観察窓
UO2ﾌﾂ化状況
揮発性ﾌッ化物
一密塞
(UF6,PuF6など）
Ⅱ．．
！‐
－－＿￣
ＵＯｚ(固)＋3FZ(気）
→UF6(気)＋０２(気）
部
フレーム炉(-5009/h）
マ
用済燃料！
ﾌｯ素
ﾎｯﾄセル内の試験装置管状炉
（-109/batch）
済燃料による試！
i-IRLllHilachiRoscarchLaI)('rdlory
◎Hitachi,Ltd,２０１４･Allrights「eserved．
刃
’
５
ＨｌＴＡＣＨＩ
２０.福島燃料デブリへの適用
１ｍｓｐｉｒｅｔｈｅＮｅＸ（
燃料デブリをコンパクトな設備で処理可能
処分､貯蔵.再処理に柔軟に対応可
■￣－－－－￣－－－－－－－－－－－
ス
’ス
スケ｜
H_＿__＿_-------,______
、ｌトー’１‐トー
------公-------
’蔵ケ
ケ貯理
分期処
１１処ｉｉ長‐‐Ｉ再…‐
最終処分
（廃棄体）
－－－－－－－口
---△----△-1
＊計量管理が容易
ﾌｼ化
料デブリ処理
_副RLlHiuachiRcscarChLabora【()rｙ
ZＬＳｕｍｍａｒｙ
◎Hitachi,Ltd､2014.AIIrightsreserved
HlTACHI
lmspiTetheNexf
麹放射性廃棄物低減のため日立は以下のように取り組んで
行きます。
一Ｎａ冷却ＭＡ燃焼炉の高性能化を通して国家プロジェクトに
寄与
一ＢＷＲメーカの経験を活かし、Ｎａ冷却高速炉のオプション
としてＢＷＲTRU燃焼炉の実現性を検討
一国家プロジェクトでフッ化物揮発法を用いた使用済燃料
再処理技術と燃料デブリ処理技術を開発
HRLlHilachiRcscarchLab('raI()rｙ
OHItachi‘Ltd2014.A[Irlghts「eserved
凸
艶
Ｈ'
ＨＩ
hspiTetheNeX1t
Ｚ，'Ｚ'ｸ'Ｚ'Ｚ（ZＩﾝ‘〃ｼｸｳﾞZ〃〃
’
Ｚ
ＨｌＴＡＣＨＩ
Naplenum concept
２３．
塗i蕊織ミ
蕊議蕊懲埜
￣フ￣ﾌコ
;'ｸ'ｸﾗ'ｸ'′'ｳﾞ'ｸク
１ｎｓｐｉＴｅｔｈｅＮｅｘｆ
Zｌ
区’
’
Naplenum
ZZZZZZZz 生
Core
、
□ｃｏｒｅ図B1anket図Ｎａｐ
Cole
（c）ＡＨＣ-Ⅱ
Fig.９CoreconfiguTationsn］
unit：、）
（Verﾓicaisection，ｕｎｉ
LAB
0.20.6１．０ロ
２１０－１－２
Ｆ剛stP1uxGelalwc）SodimWoidwmh(鮒ladWuniI）［2］
同……MibuI…卿､腱］
uponvojdin8Fig8Axi81sodiumvoidwomhdisIibutionofAHOn
[1］Ｋ・KawashimaKFujimura,ｅｔａｌ,：StudyoftheAdvancedDesignforAxiallyHeter0geneousLMFBRCores，
Proc,ｏｆＦＲ９１,Vol」
[2］K Kawashima,KFujimuraetal.,：ConceptualCoreDesigntoEnhanceSafetyCharacteristicsinMOX
Fueled LargeLMFBRs（１），－Neutr0nicsandTransientSafetyPerformanceCharacteristics-，ProcofANP-92，
Vol.Ⅱ
HRLlHilachiRcscarchLaI)｡ralory
◎Hitachi,Ltd､2014.AIIrightsreserved

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