平成24年9月29日
自然科学研究機構シンポジウム
日本のエネルギーは大丈夫か？
～ Ｅ＝ｍｃ2 は 人類を滅ぼすのか、救うのか・・・ ～長寿命放射性廃棄物の短寿命化技術の現状と展望

日本原子力研究開発機構
原子力基礎工学研究部門・J-PARCセンター
大井川 宏之1

軽水炉内でのウラン燃料の転換

再処理時の廃棄対象

2

使用済燃料中の主な長寿命核種の減衰

3使用済燃料中の主な長寿命核種

U-235

7億年 4.7×10-810kg

U-238 45億年 4.5×10-8930kg

マイナーアクチノイド

超ウラン元素アクチノイド（MA）

半減期

線量換算係数含有量(Sv/Bq)（1トン当たり）

Pu-238 87.7年 2.3×10-70.3kg

Pu-239 2万4千年 2.5×10-76kg

Pu-240 6,564年 2.5×10-73kg

Pu-241 14.3年 4.8×10-91kg

核種半減期

核種

核分裂生成物

半減期

核種（TRU）

線量換算係数 含有量(Sv/Bq)（1トン当たり）核種（FP）

半減期

線量換算係数 含有量(Sv/Bq)（1トン当たり）

Se-79 29万5千年 2.9×10-96g

Sr-90 28.8年 2.8×10-80.6kg

Zr-93 153万年 1.1×10-91kg

Tc-99 21万1千年 6.4×10-101kg

Pd-107 650万年 3.7×10-110.3kg

Sn-126 10万年 4.7×10-930g

1,570万年 1.1×10-70.2kg

Cs-135 230万年 2.0×10-90.5kg

Cs-137 30.1年 1.3×10-8

1.5kg

I-129

線量換算係数含有量(Sv/Bq)（1トン当たり）Np-237 214万年 1.1×10-70.6kg

Am-241 432年 2.0×10-70.4kg

Am-243 7,370年 2.0×10-70.2kg

Cm-244 18.1年 1.2×10-760g4原子力利用に伴う放射性廃棄物の放射能レベルのイメージ
1015

1000年後1014
α放射能濃度 (Bq/t)

1013
1012

HLWガラス固化体
100万年後長半減期低発熱廃棄物（TRU廃棄物）

1011
1010
109
108

余裕深度処分

107
106
105

浅地中ﾋﾟｯﾄ処分
浅地中ﾄﾚﾝﾁ処分
105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016 1017 1018

ｸﾘｱﾗﾝｽ･ﾚﾍﾞﾙ

β・γ放射能濃度 (Bq/t)
処分方法の区分は廃棄物に含まれる放射性核種の性質にも左右されるので、α放射能濃度及びβ・γ放射能濃度のみで一意的には決まらないことの注意。
5米国のヤッカマウンテン処分サイト
ネバダ州→面積28万km2 （日本の国土の0.74倍）→人口168万人
ラスベガスから160km離れた砂漠地帯の「ネバダ試験場」にある
オバマ政権では白紙撤回

トンネル掘削機
http://www.ocrwm.doe.gov/より
6分離変換技術（Partitioning & Transmutation）
分離変換技術高レベル放射性廃棄物に含まれる放射性核種を、その半減期や利用目的に応じて分離する（分離技術）とともに、長寿命核種を短寿命核種あるいは非放射性核種に変換する（変換技術）ための技術
使用済燃料

再処理

目標
・長期リスクの低減：
廃棄物の潜在的有害度の総量を大幅に低減
・処分場の実効処分容量の増大：
発熱の大きい核種を除去してｺﾝﾊﾟｸﾄに処分
・放射性廃棄物の一部資源化：
希少元素の利用（白金族など）

U、Pu

エネルギー資源として有効利用

高レベル放射性廃棄物（ガラス固化体）として地層処分
従来技術
分離変換技術の適用例
MA（Np、Am、Cm）
核変換による短寿命化

FP、MA

群分離
MA：マイナーアクチノイド
FP：核分裂生成物

白金族（Ru、Rh、Pd等）

利用

発熱性元素（Sr、Cs）

焼成体として冷却（又は利用）後に地層処分その他の元素

高含有ガラス固化体として地層処分

7高速炉サイクル型と核変換専用サイクル型（階層型）
高速炉サイクル利用型発電

核変換プロセス
発電用 FBR

階層型

核変換
燃料製造施設
商用発電
サイクル

Pu

発電用原子炉（軽水炉及び高速増殖炉）

使用済燃料

MA含有燃料

分離プロセス（再処理施設）

商用発電
FBRサイクル

燃料製造プロセス

使用済燃料

MA

FP
Pu,MAFP

MA含有燃料
燃料製造
プロセス

分離プロセス（再処理施設）MA：マイナーアクチノイド
TRU：超ウラン元素

・発電炉を用いた分離変換技術
・ひとつの閉サイクル内でPuと共にMAをリサイクル・発電炉（高速炉）内でMAを核変換廃棄物
処分

廃棄物
処分

発電

使用済燃料

燃料処理プロセス

核変換専用システム（ADS等）
核変換
核変換サイクル

・発電用サイクルに核変換サイクルを付設・核変換専用システム（加速器駆動システム: ADS 等）
・コンパクトな核変換サイクルにMAを閉じ込める
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核変換専用サイクル型のMA核変換（加速器駆動未臨界システムを用いた核変換） ADS：Accelerator Driven System
ADSによる核変換の原理

超伝導陽子加速器
加速器へ給電
電力網へ売電
170MW

発電
270MW

100MW

核分裂ｴﾈﾙｷﾞｰ

陽子ビーム
Max.30MW

陽子

未臨界状態での核分裂の連鎖反応を利用

核破砕ﾀｰｹﾞｯﾄ

核分裂中性子

高速中性子

800MW

MA燃料未臨界炉心
核破砕ﾀｰｹﾞｯﾄ

ADSの仕組み：・超伝導加速器で大強度の陽子を高効率で加速。
・陽子はﾋﾞｰﾑﾀﾞｸﾄ・ﾋﾞｰﾑ窓を通って鉛・ﾋﾞｽﾏｽ（Pb-Bi）に入射。
・Pb-Biは核破砕ターゲットと炉心冷却材を兼ねる。
・燃料の主成分はマイナーアクチノイド（MA）。
・陽子はPb-Biとの核破砕反応で大量の中性子を発生。
・その中性子によりMAを核分裂反応で核変換。
・さらに核分裂で発生した中性子も核変換に使用。
→核分裂の連鎖反応で、１個の中性子を20個に増倍。
・核分裂で発生する熱で発電し、加速器に供給。

短寿命の核種

長寿命の核種ADSの特徴：・加速器を止めれば連鎖反応は停止→ 安全性が高い。
・通常の原子炉（臨界炉）でMA燃料を用いると安全上の問題（遅発中性子割合、冷却材ボイド反応度等）が生じるが、ADSでは影響が小さいため使用可能。
→ 1基で軽水炉10基分のMAを核変換。
・Pb-Biは化学的に不活性。
9

使用済燃料の潜在的有害度の減衰と核変換の効果
潜在的有害度： 各放射性核種の人体への影響（線量換算係数）で重みづけした指標
1.E+09

使用済燃料
高レベル廃棄物
分離変換導入天然ウラン9トン

1.E+08

潜在的有害度（Sv）

1.E+07
1.E+06
1.E+05
1.E+04
1.E+03
1.E+02
1.E+01

1.E+02

1.E+03

1.E+04

1.E+05

処理後経過時間（年）1.E+06

1.E+0710

ガラス固化体の発熱の減衰
10000

FPTRUTotal

発熱量（W/本）UO2-LWR(再処理前冷却期間=5年)

1000

100

100100200300400500

再処理後経過年数 （年）• ガラス固化体は初期発熱が大きい（2.3kW/本程度）ので、処分場の閉じ込め性能に影響を及ぼさなくなるまで冷却（約50年、350W/本程度）してから処分• 200年以降もTRU（主にAm-241）の発熱は続く
11

分離変換技術の導入による処分概念の合理化
長期貯蔵との組み合わせ
45GWd/tの使用済み燃料32,000tHMで規格化

従来の地層処分

分離変換導入TRU廃棄物(0.13km2)

HLWガラス固化体：4万本(冷却：50年、面積：1.8km2)

MAの核変換とSr-Csの100～130年後の分別廃棄で、処分場面積を約1/4に
Sr-Cs焼成体：5,100本(冷却：130年、面積：0.23km2)

MA核変換は超長期の潜在的有害度削減と長期発熱核種（Am-241）の除去に有効

さらに長期貯蔵

Sr-Cs焼成体：5,100本(冷却320年、面積：0.005km2)

高含有ガラス固化体：8,300本(冷却：5年、面積：0.18km2)

Sr-Csに300年程度の長期貯蔵を適用すること
で、全てTRU廃棄物相当の廃棄体とでき、処分場面積を約1/100に高含有ガラス固化体：8,300本(冷却：45年、面積：0.01km2)
12

ADSの概略仕様• 陽子ビーム : 1.5GeV• 核破砕ターゲット : Pb-Bi• 冷却材 : Pb-Bi
入り口：300℃、出口：407℃• 最大 keff = 0.97
• 熱出力 : 800MWt• MA初期装荷量 : 2.5t
• 燃料組成 :(MA +Pu)N + ZrN• 核変換効率 :10%MA / 年
• 燃料交換法：600EFPD, 1 バッチ• 主循環ポンプ：2基• 蒸気発生器：4基• 崩壊熱除去計：3系統

陽子ビーム
冷却材ポンプ

蒸気発生器

内筒
ﾋﾞｰﾑﾀﾞｸﾄ
ﾋﾞｰﾑ窓
炉容器
炉心槽
13.5m
ｶﾞｰﾄﾞﾍﾞｯｾﾙ
炉心支持構造11.8m
13ADSの開発に必要な技術•高効率・高信頼性・低コストの大強度陽子加速器•ADS特有の構造に対する成立性評価• 炉容器、ビームダクト、免震構造等の設計研究• 高濃度MA含有燃料の製造法、照射挙動、再処理法等•核変換専用燃料の成立性評価
赤文字：陽子ビームを用いたR&D
J-PARC
TEF-P
TEF-T:Japan Proton Accelerator Research Complex:Transmutation Physics Experimental Facility:ADS Target Test Facility• 超伝導陽子加速器のR&D• J-PARCにおける加速器建設•未臨界炉の核特性・運転制
御性の把握•核変換特性の高精度予測• 現存施設での実験と解析•J-PARCにおけるTEF-Pの建設•Pb-Bi核破砕ターゲットに関する技術開発（材料・熱流動など）•J-PARCにおけるTEF-Tの建設•Pb-Bi技術の修得•ﾋﾞｰﾑ窓の成立性把握・寿命評価•高出力核破砕ﾀｰｹﾞｯﾄ･ｼｽﾃﾑの運転経験蓄積
14鉛ビスマスによるビーム窓模擬体の冷却試験
目的： ビーム窓成立性評価で重要な鉛ビスマスの伝熱流動特性を把握する

ヒータ出力：6kW
流量：100-500 L/min.
入り口温度：330-430ºC

伝熱流動ループ全景（JLBL-3）
LBE流動の実験的評価手法

ビーム窓模擬試験体
エロージョン発生箇所を模擬した
局所流動計測３D流動構造TEF-Tターゲット模擬ループ
内部流動変動TEF-Tターゲット
模擬ループ（JLBL-2）

オーバーフロー部の流況
先端部で温度の不安定挙動が観察されたが、全体的な熱伝達特性は、乱流モデルに低Re数型線形k-εモデルで精度良く予測可能今後、グリッドスペーサを含めた被覆管の伝熱流動試験が必要
予測解析手法の実験的評価のため、超音波によるLBE流動計測手法を開発中（耐熱性に課題）
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大強度陽子加速器プロジェクト J-PARC
Jan. 28, 2008

ハドロン実験施設

物質・生命実験施設

50 GeVシンクロトロン

ニュートリノスーパーカミオカンデへ

3 GeV シンクロトロン

核変換実験施設の建設予定地
LINAC16

J-PARCにおける核変換実験施設計画（第Ⅱ期計画）
核変換物理実験施設：TEF-P

ADSターゲット試験施設：TEF-T

目的： 低出力で未臨界炉心の物理的性質を探るとともに、ADSの運転制御経験を蓄積する
施設区分 ： 原子炉（臨界実験施設）
陽子ビーム： 400MeV-10W
熱出力： 500W以下

目的： 大強度の陽子ビームで核破砕
ターゲットの技術開発と材料の研究開発を行う
施設区分： 放射線発生装置
陽子ビーム ： 400MeV-250kW
ターゲット材料 ： 鉛ビスマス合金

臨界集合体
Pb-Bi ターゲット
陽子ビーム
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核変換技術に関する世界の動向 米国¾ オバマ政権は、ヤッカマウンテン処分場見直しを表明。
¾ ブルー・リボン・パネルを設けて、今後の政策を検討。→中間貯蔵の推進へ¾ レーザー核融合を中性子源としたハイブリッド核変換等の検討も進捗 フランス¾ 2006年の「廃棄物管理研究法」に基づき、ADSとFBRの両方を並行して研究¾ 但し、ADSは下記の欧州の枠組みが中心。
 ベルギー¾ 老朽化した照射炉（BR2）の代替として、50MW程度の出力を持つ照射用ADSであるMYRRHAの2016年着工を目指している¾ 核変換実験、鉛合金高速炉開発、燃料・材料照射、RI製造等が目的。
 欧州¾ 様々な原子力政策の国が集まるが、廃棄物処分の負担軽減のニーズは一致。このため、分離変換技術の研究開発を精力的に展開¾ 欧州枠組みプログラム（FP6、FP7等） においてEUROPART、EUROTRANS、 ベルギー原子力研究セン
ターで建設が計画されていCDT等の多様なプロジェクトを展開し、研究者・技術者の育成にも活用。
る照射用ADS：MYRRHA
 インド： トリウム資源の利用を狙ったADSの研究を実施中
 アジア： 日、中、韓、印、インドネシアの有志研究者によりWGを設立して、ADSロードマップの作成を開始
 OECD/NEA、IAEA： 分離変換技術に関する情報交換会議やベンチマーク活動を主催
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まとめ
ADSは、長寿命核種の核変換を効率よく行うことで、放射性廃棄物の負担軽減に貢献する可能性を秘めている。
我が国は、これまでに大強度加速器技術、高速炉技術、核燃料サイクル技術等を培ってきており、ADSを用いた核変換技術を通して、世界における原子力の安全な利用に貢献するべき。
核変換は、様々な国・分野の研究者・技術者の力を結集して、数十年かけて実現する技術。若い人たちが、この技術の実現を目指した研究開発に積極的に参加してくれることを願う。

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