国立研究開発法人 日本原子力研究開発機構 新型炉の研究開発

燃料サイクル・材料

再処理・製造プロセスと
概念検討

再処理技術開発

エネルギー基本計画に基づく「MA等分離・変換技術、MAや高次化Puを含むMOX燃料サイクル技術開発」の中で、「Pu、MA分離技術の開発」を進めるとともに、次世代の再処理プラントに適用する技術開発を実施しています。

①分離基盤技術開発
  • 湿式再処理技術
    • 抽出クロマト吸着材の開発
    • 抽出クロマトによるMA分離性能評価
    • SmARTサイクル用MA回収
    • 新規抽出剤の性能評価(TPDN、TDdDGA等)
  • 乾式再処理技術
    • 主工程技術開発
    • 液体Ga電極プロセス
    • 廃棄物処理技術開発
②再処理プロセス・機器開発
  • コプロセッシング法開発
  • 遠心抽出器開発
  • 清澄技術開発
  • 不溶解残渣の特性及び挙動評価
湿式および乾式再処理技術の開発概要図。湿式再処理として、MA-Ln回収・分離用抽出剤(CMPO等)の化学構造式、遠心抽出器システムの実物写真、抽出クロマトグラフィ法によるMAとLnの分離フロー図が示されています。乾式再処理として、溶融塩電解技術に用いるAr雰囲気グローブボックスの写真が掲載されています。

燃料製造技術開発

簡素化法による燃料製造技術開発

現行の燃料製造工程がPu富化度調整のための多くの粉末調整工程を要するに対し、簡素化法では、溶液混合の段階で所定のPu富化度に調整するため、粉末調整工程を大幅に簡略化することができます。

現行の燃料製造プロセスと簡素化ペレット法燃料製造プロセスのフロー比較図。現行法にある粉末段階での多数の工程(粉砕・結合剤混合・造粒など)が、簡素化法では溶液段階でのPu富化度調整と『脱硝・転換・造粒』工程の一体化により削減され、工程が大幅にスリム化されていることが示されています。

燃料製造プロセスのイノベーション

セラミックス、粉体、AI等の分野で開発された新技術の燃料製造工程への適用検討を行っています。また、数値計算による予測等により、燃料製造工程のデジタルツイン構築を目指す等、燃料製造プロセスのイノベーションを進めています。

中央の『ロボット』を中心に連携する新しい製造サイクルの概念図。『先進脱硝』から始まり、『積層造形』『フィールドアシスト焼結(SPS等)』『長尺燃料一括製造』、そして『AI検査』を経て『製品』または『リワーク』へと進む一連のフローが示されています。
新技術の燃料製造プロセスへの適用検討(デスクトップ型製造システムの概念)

燃料製造プロセスのシミュレーション技術開発

燃料ペレット焼結時の変形解析結果。左側は焼結前の円柱状ペレット、中央は焼結後に上下がわずかに膨らんだ『鼓形(つづみがた)』に変形した様子をカラーコンター図で示しており、右側には実際の焼結後ペレットの断面写真が並んでいます。
焼結時の収縮特性評価
O/M調整炉内部のガス流動シミュレーション。ヒーターや断熱材で構成された縦型の炉内において、供給されたガスが上昇し、複雑に渦を巻きながら排気口へ向かう速度ベクトルが、無数の矢印と色分けによって詳細に可視化されています。
O/M調整炉のガス流動解析

MA含有燃料の遠隔燃料製造技術の開発

将来の高速炉ではMA含有燃料が使用される予定です。MA含有燃料からは強い放射線放出されているため、セルや重遮蔽グローブボックス内でマニプレーター等を用いて遠隔で製造する必要があります。遠隔燃料製造設備の設計研究や設備を構成する部品の耐放射線データの収集等を行っています。

遠隔操作による燃料ピン加工・検査設備の3Dレイアウト図。遮蔽壁に囲まれた細長いセル内に、ピン溶接、汚染検査、X線検査、外観・寸法検査など、一連の製造・検査工程を担う各装置が直線状に配置されており、天井クレーンやマニプレーターを介して遠隔操作される構造が示されています。
遠隔燃料製造設備(燃料ピン加工・検査設備)の設計研究

再処理プラント概念検討

今後の原子力のあり方の議論のテーマの⼀つである将来の再処理工場について軽水炉から高速増殖炉への移行期を想定した再処理施設の設計検討や経済性評価を実施しています。

近年の主な業務として経産省受託研究「高速炉等技術開発」(H25~H27)「高速炉国際協力等技術開発」(H28) 内の実施項目のうち、再処理設計に関する部分を担当しています。

再処理プラント前処理建屋の垂直断面概略図。地上数階、地下1階にわたる多層構造になっており、中央の巨大な高レベル廃液濃縮缶や剪断機などの大型設備、およびそれらを取り囲むメンテナンス通路やグローブボックス等の配置が系統的に示されています。
前処理建屋概略図
軽水炉(LWR)と高速炉(FBR)の燃料を共に処理する共用型再処理プラントの敷地配置図。中央の再処理本館を中心に、軽水炉燃料受入れ・貯蔵建屋、高速炉燃料受入れ建屋、ウラン・プルトニウム混合脱硝建屋、高レベル廃液ガラス固化建屋などの主要施設が隣接して配置された広大なプラントの全体像が描かれています。
共用型再処理プラント全体配置概要図

設計検討例:軽水炉使用済燃料・高速炉使用済燃料の共用型再処理プラント

本件は経済産業省受託研究「高速炉等技術開発」の成果です。

【略語について】
LWR:軽水炉、FBR:高速増殖炉、L再:軽水炉使用済燃料再処理、F再:高速炉使用済燃料再処理