高速増殖炉の燃料安全性に関する研究 (06-01-02-10)

＜本文＞
１．高速増殖炉燃料の特徴と安全確保の重点
　高速増殖炉の炉心燃料はその特徴である高速中性子を効率良く利用するために図１に示すような稠密構造にて使用される。また、伝熱性能の高いナトリウムを冷却材に使用することから、軽水炉に比べて炉心燃料の発熱密度がより高い条件で使用される。このため、何らかの原因で過出力状態に至った場合、あるいは定格出力運転中に燃料集合体内に流路閉塞を形成して局所的な除熱が低下する場合を想定し、このような状況を確実に検知して異常の拡大を防止できる設計とすることが重要である。流路閉塞は、炉心燃料の一部において被覆管が破損し、破損燃料の変形などによって冷却材流路が閉塞する場合と、炉心外部などから異物が侵入して燃料集合体内に閉塞を形成する場合の２つが考えられる。何れの場合にも閉塞範囲が拡大して多数の燃料ピンの被覆管が破損したり、燃料が溶融したりする状況を確実に防止することが重要である。
２．過出力事象における異常拡大の防止
　過出力状態における異常拡大防止のためには、燃料ピンの被覆管が破損を生じる出力と過出力状態が検知される出力の関係を調べ、過出力の検知時点での状態が被覆管破損に対して十分な裕度を有していることを確認することが有効である。そこで、実験用の原子炉内に１本から数本の燃料ピンを設置し、実機において誤って制御棒が引き抜かれる事象を模擬した試験（以下スローTOP（Transient OverPower）試験と呼ぶ）を仏国のCABRI炉（参考文献１）、米国のTREAT炉（参考文献２）やEBR−II炉（参考文献３）を用いて実施した。
　表１に代表的なスローTOP炉内試験の例を示す。CABRI炉およびTREAT炉では、定格出力の３倍程度に相当する高い過出力条件を実現できる特長があり、多くの破損データが得られている。一方、EBR−II炉では定格出力の２倍程度までの過出力が実現できるが、多くの照射済燃料ピンは非破損の結果となっており、高スミア密度燃料の一部においてのみ破損が生じている。図２はこれらの試験結果のうち、燃料条件に応じた破損限界把握の観点から重要なデータについて、燃料燃焼度と概略燃料溶融割合の関係に着目して整理したものである。理論密度比85％程度以下の中低スミア密度燃料の破損限界は極めて高く、70％を越える高い燃料断面溶融割合まで非破損の結果となっている。一方、理論密度比90％程度の高スミア密度燃料の代表的な破損限界は20〜30％の断面溶融割合となっている。
　一方、高速増殖原型炉「もんじゅ」の場合、燃料溶融が生じる前に中性子束検出器などによって過出力状態が検知され、原子炉の自動停止に至ることが確認されている。このことから、高速炉燃料の破損限界は高く、適切な設計によって燃料は十分な健全性裕度を保つことができ、異常拡大が防止できる。
３．流路閉塞事象における異常拡大の防止
3.1 燃料ピン破損からの流路閉塞
　原子炉内の多数の燃料ピン個々の特性のばらつきを考慮すると、定格出力運転条件下において少数ピンが破損する状況を考慮する必要がある。このような燃料ピン破損を起因とした燃料応答を調べるために、人工欠陥を設けるなど意図的に被覆管破損を生じさせ、継続運転条件下での挙動を調べるRBCB（Run Beyond Cladding Breach）試験が米国のEBR−II炉（参考文献４）やベルギーのMOL炉（参考文献５）を用いて実施された。これらの試験から破損燃料ピンから隣接ピンへの破損伝播が生じ難いこと、異常の拡大には数日以上の時間を要し、異常拡大の早期段階で燃料から冷却材流中に移行する物質が発する中性子（遅発中性子）を炉心外でモニターすることで異常拡大の兆候を検知し、安全に炉停止することが可能であることが示された。
3.2 燃料集合体内への異物の侵入による流路閉塞
　従来、流路閉塞の研究は結果の厳しさの観点から平板状の閉塞物を想定し、そのような極端な場合においても短時間の異常拡大に至らないことを示す研究が行われ、異常の検知と炉停止によって影響が炉心全体に及ばないことが確認された。
　一方、フランスや日本などで行なわれた閉塞形成試験から、ワイヤースペーサ型燃料集合体体系においては、平板閉塞のような状況は極めて起こり難く、ポーラス状の閉塞がより代表性の高い想定であることが明らかにされた。このポーラス状閉塞は、製作時の切り粉などの混入物、あるいはポンプで粉砕されたルースパーツや離脱したワイヤースペーサなどによって生じると想定される。異物を大量に混入させた閉塞形成試験では、まずワイヤースペーサに沿って異物が蓄積し（従って集合体水平断面内では連続して流路が閉塞されるのではなく千鳥格子状となる）、その部分を中心に異物が流れ方向に厚みを持って集積することが観測された。
　このようなワイヤースペーサ型燃料集合体におけるポーラス状閉塞を対象として、閉塞物内外の熱流動特性を明らかにするため、閉塞物を構成する粒子スケールの試験から燃料ピンバンドル体系の試験までスケールを変えた実験研究（CCTL−LF）がなされた。また、各種実験から得られた知見をもとにポーラス状閉塞モデルなどを作成し、燃料集合体熱流動解析コードASFREに組み込むことにより解析手法を構築した。これらの実験ならびに解析で得られた知見に基づくと、ポーラス状閉塞では短時間にピン破損に至るような厳しい温度上昇となる可能性は低く、多数の燃料ピンが同時的に破損することはない。また、長期的には燃料ピン破損が生じ得るが、その場合は上記３．のRBCBに代表される緩慢な事象推移となり、異常の検知によって安全に炉停止に至る。

＜図／表＞

＜参考文献＞
（１）佐藤一憲：CABRI試験計画からの主要な知見、原子力学会誌
（２）WRIGHT，A.，et al.：Proc. Int. Fast Reactor Safety Meeting，Snowbird，Vol.II，233（1990）
（３）TSAI，H.，et al.：J. Nucl. Mater. Vol.204，217（1993）
（４）LAMBERT，J.D.B.，et. Al.：Failed Fuel Monitoring and Surveillance Technique for Liquid Metal Cooled Fast Reactors，Proc. BNES Conference − Fuel Management and Fuel Handiling，Edingburgh，UKm March 20−22，1995
（５）WEIMAR，P.，ERNST，W.：MOL−7B − An 18−Pin Bundle Operating 200Days Beyond Breach，Nucl. Technol. Vol.57，p.81−89（1982）
（６）ナトリウム教育委員会：ナトリウム技術読本、核燃料サイクル開発機構レポート、JNC TN9410 2005−011 （2005）
（７）（独）日本原子力研究開発機構：次世代原子力システム研究開発部門資料集