ロシア型軽水炉（VVER）燃料 (04-06-03-08)

＜本文＞
１．歴史的変遷
　ロシアの原子力発電炉の開発は1955年代に始まり、非放射性飽和蒸気の中圧タービンを持つＶＥＳ−２（Water Electron Station−2）が最初の動力炉として選定された。この改良型がＶＶＥＲの原型炉でＶＶＥＲ−1と呼ばれている。
　ＶＶＥＲの商業用発電は、1964年9月にノボボロネジ発電所１号機により開始された。ＶＶＥＲの第１世代は、ノボボロネジ１号機、２号機のＶＶＥＲ−210、ＶＶＥＲ−365および旧東独のラインズベルグ発電所のＶＶＥＲ−70でいずれも廃炉になっている。
　第２世代は、電気出力44万kWのＶＶＥＲ−440が27基で、第３世代は100万kWのＶＶＥＲ−1000が20基であり、合計47基のＶＶＥＲが旧ソ連圏およびフィンランドなどで稼動中である。なお、ＶＶＥＲはAtomic Power Station with Water−Cooled and Water−Moderated Reactorのロシア語の略称である。
２．ＶＶＥＲ原子炉と炉心
　ＶＶＥＲ原子炉は、原子炉容器を鉄道輸送できる様に、外径を最大4.5mとし、炉心はその中にコンパクトに設計されている。
　ＶＶＥＲ−440の一次系圧力は、12.5MPa、一次冷却材の炉心入口温度は268℃、出口温度は289℃で日本のＰＷＲに比べて低圧低温であり、炉心熱効率は余り優れたものとは言えない。一方ＶＶＥＲ−1000は、日本や欧米のＰＷＲ炉心条件に近く、一次系圧力が16.0MPa、一次冷却材の炉心入口温度および出口温度を夫々289℃、320℃に設定して、発電効率を大幅に向上させている。
　ＶＶＥＲの燃料バンドルは、燃料棒を三角格子配置として六角柱状に支持格子で束ねたもので、高速炉用燃料集合体の束を緩くした様な形状である。ＶＶＥＲ−440の燃料集合体にはBWR 燃料の様にチャンネル套（チャンネルボックス）が取付けられている。また、ＶＶＥＲ−1000の燃料集合体はＶＶＥＲ−440と同様、六角柱状であるが、チャンネル套はなく炉心内はオープンチャンネルで、クラスター状の制御棒が燃料集合体内に挿入できる構造でＰＷＲ燃料集合体に近い。
　ＶＶＥＲの炉心の出力制御は、ＰＷＲと同様に制御棒と一次冷却水にホウ酸を添加するケミカルシム方式であるが、ＰＷＲの炉水管理が水素添加とリチウムによっているのに対して、ＶＶＥＲはアンモニアとカリウムで行われている。
　ＶＶＥＲ−440およびＶＶＥＲ−1000の原子炉の構造を図１に、ＶＶＥＲ−1000プラントの炉心および蒸気発生器を収納した原子炉格納容器内配置図を図２に示す。ＶＶＥＲ−1000の炉心の主要諸元をＰＷＲの4ループ（1，200MWe級ＰＷＲ）と対比させたものを表１に、ＶＶＥＲ−1000炉心の燃料集合体と制御棒の配置図を図３に示す。
３．燃料の構造
　ＶＶＥＲの燃料棒は、燃料材に低濃縮UO2のチャンファー付き中空ペレットを、ペレット押さえばねにはステンレス鋼のクリップスプリングを、また被覆管および端栓にはZr−１％Nb（呼称E−110）合金を使用してＨｅ加圧して組立てたものである。
　燃料棒外径は、ＶＶＥＲ−440およびＶＶＥＲ−1000何れも9.1mmであり、被覆管肉厚は0.7mmである。これを日本の17×17型ＰＷＲ燃料の燃料棒と比較すると、燃料棒直径を細めにしてまた中空ペレットを採用することで炉心当たりの平均線出力と中心温度を下げ、被覆管肉厚を厚めにすることにより強度上の余裕を持たせた設計となっている。
　ＶＶＥＲ−440の燃料集合体は、126本の燃料棒、10個の支持格子、中央部シンブル管、上下ノズルからなる燃料バンドルに、チャンネル套を取付けたものである。一方ＶＶＥＲ−1000の燃料集合体は、312本の燃料棒、15個の支持格子、18本の制御棒案内シンブルと中央部案内シンブルおよび上下ノズルで構成されたものである。いずれも支持格子、制御棒案内シンブルおよび中央部シンブルはステンレス鋼が使用されている。
　ＶＶＥＲ−1000の燃料棒の構造と燃料集合体の構造をそれぞれ図４、図５に、また比較のために、ＶＶＥＲ−440、ＶＶＥＲ−1000燃料とＰＷＲ17×17燃料の主要仕様を表２に示す。
４．燃料被覆管と燃料特性
　ＶＶＥＲ燃料被覆管には、初期の時代からZr−１％Nb合金のE−110が使用されている。この被覆管の高燃焼度領域での水側腐食は、ＰＷＲ燃料の数分の１以下と少なく、また緻密な酸化膜で水素化物の生成もそれに比例して少ない。これは、ＶＶＥＲの被覆管材がZr‐Nb合金でＰＷＲの被覆管材のZr−4との違いによるものか、炉水条件の差によるものか、或いはその相乗効果によるものかは明らかにされていない。
　現在ＶＶＥＲ−1000の燃料集合体は43〜45GWd/tUの燃焼度で、運転サイクルは３〜４年である。今後、燃料燃焼度を55〜60GWd/tＵまで引上げて５〜６年の運転サイクルにする開発計画が推進されている。今後の燃料高燃焼度化に対応して行くため、世界的に新組成の被覆管材料の開発が盛んであり、ロシアではZr−１％Nb合金にSn、Feを加えた新合金のE−635（Zr−１％Nb1.2％Sn‐0.4％Fe）が開発され実用化の検討が進められている。この材料はＶＶＥＲの被覆管および支持格子材等に、またＲＢＭＫ（黒鉛減速沸騰軽水冷却チャンネル型大型炉）の燃料被覆管にも使用する検討が進められている。
　ロシアでは、ＶＶＥＲ燃料被覆管の耐食性が優れていること（図６参照）、並びに燃料棒の燃焼に伴う出力ランプ試験等のデータ（図７参照）からも、ＶＶＥＲ燃料はＰＷＲ燃料よりも燃焼度の延長が容易であると主張している。
５．燃料製造
　低濃縮UF6からUO2粉末への再転換には、UF6を加水分解しADUにして焙焼還元する湿式法と、UF6を酸素・水素火炎中でのUO2粉末へ直接転換する火炎乾式法の二つの方式が各々別の工場で採用されている。UO2ペレットの加工は、一般的な粉末冶金法によって、チャンファー付き中空ペレットを金型でプレス成型後、焼結、研削仕上げしている。ペレットの形状を中空にすることによって中心部領域の温度上昇を避けることができる。
　燃料棒は、燃料被覆管にUO2ペレットを挿入し押さえばねを入れた後、端栓をHe雰囲気中で溶接して組立られる。この燃料棒を洗浄した後、アルカリ電解溶液中に入れ、電解法で燃料棒の被覆管表面に薄い酸化膜で保護膜を形成させている。
　ＶＶＥＲ−440燃料集合体の組立てには、燃料棒を支持格子に挿入する際に支持格子ばねによる燃料棒表面に瑕が発生するのを防止するため、まず燃料棒をポリビニールアルコールの中にドブ漬けにした後、空気中で乾燥させて、燃料棒の表面に皮膜をつける。組立て冶工具により、10個の支持格子を中央部の１本の計装用シンブルで位置決め固定し、その中に126本の燃料棒を挿入する。これに上下ノズルを取付けた燃料棒バンドルは、燃料棒表面のポリビニールアルコールを除去するため洗浄乾燥される。これにチャンネル套を取付けてＶＶＥＲ−440の燃料集合体が完成する。
　ＶＶＥＲ−1000の燃料集合体の製造工程は、基本的にＶＶＥＲ−440に類似し、主な違いは燃料集合体の大きさと形状の違いから来るものと考えられる。ＶＶＥＲ−1000燃料集合体は、15個の支持格子と16本の制御棒案内シンブルと１本の中央部の計装用案内シンブルで構成される支持骨格を組立て、これに燃料棒挿入用の冶工具で312本の燃料棒を挿入して組立て、これに上下ノズルを取付けて完成される。
　なお、燃料被覆管はグラゾフのチェペッキ機械工場で製造されている。ＶＶＥＲ−440燃料の製造は、エレクトロスタリの機械建設工場で濃縮UF6の再転換から全工程の燃料集合体完成までを、ＶＶＥＲ−1000燃料の製造は、カザフスタン、ウスチカメノゴルスクのウルビンスク冶金工場で再転換からUO2ペレット製造を、シベリア、ノボシビルスクの化学コンチェルン工場で燃料棒、燃料集合体組立て完成まで行っている。図８にノボシビルスクの化学コンチェルン工場で完成したＶＶＥＲ−1000の燃料集合体をクレーンで移動している様子を紹介する。

＜図／表＞

＜関連タイトル＞
発電炉用ウラン燃料 (04-06-01-05)

＜参考文献＞
（１）近藤吉明：ロシア型軽水炉ＶＶＥＲの燃料、日本原子力学会誌、Vol.41， No.7， p.766?772（1999年）
（２）（社）日本原子力産業会議：「ロシアにおける軽水炉燃料に関する調査報告書」（1996年3月）
（３）（社）日本原子力産業会議：「日ロ軽水炉燃料専門家会議報告」（1997年3月）
（４）藤井晴雄・森島淳好（編）：原子力発電プラントデータブック 1994、日本原子力情報センター（1994.8）