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日本原子力学会2022年秋の大会
核燃料部会企画セッション
令和4年9月8日

炉心燃料の安全高度化に向けた原子力学会
での体系的活動について(4)事故耐性燃料（ATF）の実用化に向けたワーキンググループ活動〇山下 真一郎1 阿部弘亨2 佐藤大樹3 大脇理夫4 坂本寛5
草ヶ谷和幸6 土屋暁之7
1JAEA 2東京大学 3MNF 4NFI 5NFD 6GNF-J 7日立GE

事故耐性燃料検討WG立ち上げの経緯・目的2➢ 2011年3月の東京電力福島第一原発事故での教訓を踏まえて、冷却材喪失等の過酷な条件においても損傷しにくく、高い信頼性を有する事故耐性燃料（ATF＊）の開発が世界的に進められてきている。

*ATF：Accident Tolerant Fuel

➢ 国内においても、早期の実機導入を目指して、現在以下に示すATF候補材の開発が民間主導で進められている。
⚫ コーティングZr被覆管⚫ FeCrAl被覆管⚫ SiC被覆管／SiCチャンネルボックス➢ ATF導入に関する安全要件について整理・検討を進めるために、2017年に炉心燃料分科会にATF検討WGが立ち上げられた。構成メンバーは以下の通りである。
⚫ 学識経験者（東京大学 阿部先生）⚫ 研究機関（JAEA、NFD）⚫ 電気事業者、原子炉・原子燃料メーカー（三菱、日立、東芝等）

ATF検討WGにおける基本的検討方針

3➢ 燃料の安全性を向上させるためには、新技術や新知見の導入を促す必要がある。一方、新技術や新知見の導入に際しては、それらの安全性を確認する考え方を整理することが重要となる。

➢ ATFに対する燃料安全の考え方の整理・検討においては、軽水炉燃料の安全設計の考え方が階層的・網羅的に整理されている、日本原子力学会標準委員会 技術レポート（右図）を基礎とする。
➢ ATF検討WGでは、ジルカロイを基本に整理された考え方をもとに、新設計（改良）燃料を導入する際に考慮すべき燃料の破損モードと、各破損モードについて影響を考慮すべき燃料の特性及び挙動を整理している。
➢ 先行する海外での公開文献があるATF（例えば、Crコーティ
ングZr被覆管の破損メカニズムに関するレポート等）については、そこでの検討内容を参考に、破損メカニズム毎の重要度を追加した重要度分類表（PIRT）等を作成している。

【概要】
炉心及び燃料の安全設計全体の枠組みが示されている。主として熱機械設計の観点から損傷モードの抽出及び安全機能を維持するための要求が展開され、かつ評価対象とすべき事
象も選定されている。
https://www.aesj.net/publish-1504

（参考）階層的安全要求の展開4➢ 原子炉の安全確保における階層的な要求（レベル2～4）に応じて、燃料へ求められる事項が展開されている（展開表1～3）＊➢ 展開表1～3のそれぞれについて、ATF適用影響の検討要否を整理

・軽水炉燃料には共通（展開表1でのATF適用影響の検討は不要）
・材料種変更の影響あり（展開表2でのATF適用影響の検討要）・性能が異なることの影響あり（展開表3でのATF適用影響の検討要）*日本原子力学会標準委員会技術レポート「発電用軽水型原子炉の炉心及び燃料の安全設計に関する報告書：2015
第一分冊：炉心及び燃料の安全設計」（2015.10.21）

（参考）階層的安全要求の展開5➢ 原子炉の安全確保における階層的な要求（レベル2～4）に応じて、燃料へ求められる事項が展開されている（展開表1～3）＊➢ 展開表1～3のそれぞれについて、ATF適用影響の検討要否を整理

・軽水炉燃料には共通（展開表1でのATF適用影響の検討は不要）
・材料種変更の影響あり（展開表2でのATF適用影響の検討要）・性能が異なることの影響あり（展開表3でのATF適用影響の検討要）*日本原子力学会標準委員会技術レポート「発電用軽水型原子炉の炉心及び燃料の安全設計に関する報告書：2015第一分冊：炉心及び燃料の安全設計」（2015.10.21）

運転状態と対応付けたレベル2からレベル3への展開：
展開表2（燃料棒／冷却）

6*日本原子力学会標準委員会技術レポート「発電用軽水型原子炉の炉心及び燃料の安全設計に関する報告書 第１分冊：炉心及び燃料の安全設計（AESJ-SC-TR009-1：2021）」（2022.3.30）

ATF安全設計の評価項目抽出の考え方

7➢ 技術レポートの展開表2について、軽水炉燃料に一般的な記載内容か確認した。
具体的には従来材であるZr合金被覆管とは異なるATF（FeCrAl被覆管、SiC被覆管）にも適用可能か確認した。燃料の機能要求（閉じ込める、冷やす、止める）のうち、✓ “閉じ込める”は金属ではないSiC被覆管について追加が必要な項目がある。
（例：水素透過性）✓ “冷やす”、“止める”はほぼ一般的な記載となっている。
➢ 新設計燃料に考慮すべき材料特性や照射挙動についての記載を追記し、展開表2との繋がりについて確認し、適切な記載内容を検討している。
➢ ATF安全設計に必要な評価項目を抜け漏れなく抽出できるようにする。

止める
冷やす*日本原子力学会標準委員会技術レポート「発電用軽水型原子炉の炉心及び燃料の安全設計に関する報告書：2015第一分冊：炉心及び燃料の安全設計」（2015.10.21）（転載の上、加筆）

閉じ込める

展開表２*に基づくATF安全設計の評価項目抽出の検討

（参考）階層的安全要求の展開

8➢ 原子炉の安全確保における階層的な要求（レベル2～4）に応じて、燃料へ求められる事項が展開されている（展開表1～3）＊➢ 展開表1～3のそれぞれについて、ATF適用影響の検討要否を整理

・軽水炉燃料には共通（展開表1でのATF適用影響の検討は不要）
・材料種変更の影響あり（展開表2でのATF適用影響の検討要）・性能が異なることの影響あり（展開表3でのATF適用影響の検討要）*日本原子力学会標準委員会技術レポート「発電用軽水型原子炉の炉心及び燃料の安全設計に関する報告書：2015
第一分冊：炉心及び燃料の安全設計」（2015.10.21）

重要度分類表（PIRT）作成の考え方

9➢ 技術レポートの展開表3に基づいて、コーティング被覆管のPIRTを作成：✓ 技術レポートの展開表3の評価項目について、考慮すべき事象の特定のため「燃料被覆管外面のCrコーティングが燃料挙動に影響する可能性」を追記✓ 各基準値・評価値への「影響レベル」、当該項目に関する「知識レベル」（データ、知見の確認状況）を3段階で評価し、重要度を分類✓ 米国PIRTなどの海外知見を追記し、差分項目を確認➢ 重要度高（影響レベル高＆知識レベル低）の評価項目について、個票作成：✓ 知識レベル拡充のための方法（解析、試験、設定条件、方針）を整理➢ 次の観点などから、PIRT及び個票について分科会メンバーがレビュー：✓ 重要度（H/M/L）を分類する考え方に不明な点はないか✓ 知識レベルに関連し、考慮すべき知見に漏れはないか✓ 多角的な視点（学術界、産業界、規制の視点）から新たな考慮事項はないか✓ 追加すべき評価項目（新たな破損モード）はないか
 ATF安全設計の評価項目の重要度を分類できる。
（関連する課題について優先順位を付けることができる。）
 新知見を反映することにより研究開発課題を更新できる。
 ATF安全設計に必要な評価項目に抜け漏れがないことを確認できる。
PIRT：Phenomena Identification and Ranking Tableコーティング被覆管のPIRT（一部抜粋）

10コーティング被覆管の個票（一部抜粋）

PIRTにより重要度高に分類した評価項目の個票（コーティング被覆管の個票検討例）

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まとめ
➢ 原子力学会 炉心燃料分科会においては、2017年7月にATF検討WGを立ち上げ、ATF開発で先行する米国などの海外知見を取り込みながら、ATF導入に係る安全要件について検討を進めてきた。
➢ 原子力学会の技術レポート「発電用軽水型原子炉の炉心及び燃料の安全設計に関する報告書 第１分冊：炉心及び燃料の安全設計」を基礎として、

ATF安全設計に必要な評価項目を抜け漏れなく抽出するための考え方、及びATF安全設計の評価項目の重要度を分類するための考え方を整理した。
➢ ここで整理した考え方は、現在国内で進められているATFの研究開発にも役立てられるものであり、今後、レポートにまとめる予定としている。
➢ ATF検討WGの活動は、ATF開発の観点からLUA検討WGとも相互に関連しており、今後も相互の論点を共有して活動内容にフィードバックしていく。

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補足説明

ATF検討WGの活動内容
時期

これまでのATF検討WGの活動内容

2017～⚫ 事前検討、本WGの立ち上げ。

～2019⚫ 技術レポート（AESJ-SC-TR009）に基づいて、PWR／BWRにATF被覆管を適用した場合の影響を整理。
⚫ 米国におけるATF開発（PIRT作成を含む）状況をフォロー。

～現在⚫ コーティング被覆管を先行例として、技術レポート（AESJ-SC-TR-009）の展開表3に基づきPIRTを作成し、重要な評価項目について個票を作成。
⚫ メールにて分科会レビューを実施。

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燃料の安全機能の評価方法の現状整理（PWR、燃料棒）

15*日本原子力学会標準委員会技術レポート「発電用軽水型原子炉の炉心及び燃料の安全設計に関する報告書 第１分冊：炉心及び燃料の安全設計（AESJ-SC-TR009-1：2021）」（2022.3.30）

レベル2機能要求としての燃料への展開（展開表1）

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基本的な要求事項(FSF＊1)

止める機能
冷やす機能
（制御棒挿入経路の確保） （炉心冷却可能な形状の確保）
・冷却材の流路面積の大幅な減少に至るような燃料棒の過大な変形が生じないこと

燃料棒・冷却材の流路面積の大幅な減少に至るようなペレットの放出を伴う燃料棒の損傷が生じないこと

閉込め機能
・燃料被覆管に貫通性の損傷が生じないこと・被覆管と端栓の溶接部に貫通性の損傷が生じないこと

・燃料棒の損傷に伴う衝撃力によって冷却材の流路を構成する燃料以外の機器に損傷が生じな
いこと*2

燃料に関わる機能要求

燃料集合体・制御棒の挿入経路が失われ ・燃料集合体による燃料棒の保持るような損傷や変形が生じなが著しく失われ，燃料棒間の冷いこと却材の流路面積の大幅な減少が生じないこと
・制御棒の挿入を妨げるような過大な抗力が生じないこと
・燃料集合体の構成部材内の冷却材の流路面積の大幅な減少が生じないこと*１FSF：Fundamental Safety Function*2反応度投入事象時の燃料被覆管の貫通性損傷などによって、原子炉容器や炉心支持構造物に過大な変形又は貫通性の損傷の発生の防止を意味している。