ＰＷＲ燃料の高燃焼度化（ステップ２）
ＰＷＲ燃料の高燃焼度化（ステップ２）
及び燃料の高燃焼度化に係る安全研究
及び燃料の高燃焼度化に係る安全研究の現状と課題についての現状と課題について

平成１４年３月１９日
原子力安全・保安院

１

高燃焼度化燃料とはnn

nn

nn

燃料のウラン濃縮度を高めることなど燃料のウラン濃縮度を高めることなど
により燃料の燃焼量（炉内での使用時により燃料の燃焼量（炉内での使用時間）を増加させること間）を増加させることこれにより、炉心の運用の効率化が図
これにより、炉心の運用の効率化が図れ、結果として使用済燃料発生量の低れ、結果として使用済燃料発生量の低減が可能
減が可能
我が国の沸騰水型原子炉(BWR)及び加圧
我が国の沸騰水型原子炉(BWR)及び加圧水型原子炉(PWR)において段階的に導入
水型原子炉(PWR)において段階的に導入

２

高燃焼度化燃料の現状(BWR)
nnnnnn

平成３年度より燃料集合体最高燃焼度
平成３年度より燃料集合体最高燃焼度
50,000MWd/tの高燃焼度８×８燃料を採用
50,000MWd/tの高燃焼度８×８燃料を採用
平成８年度より燃料集合体最高燃焼度
平成８年度より燃料集合体最高燃焼度
55,000MWd/tの９×９燃料の少数体先行照射55,000MWd/tの９×９燃料の少数体先行照射（東京電力㈱福島第二１、２号機）（東京電力㈱福島第二１、２号機）
平成11年度より９×９燃料を各BWRプラント
平成11年度より９×９燃料を各BWRプラントに順次本格導入（全BWRプラントで安全審査に順次本格導入（全BWRプラントで安全審査終了）終了）（注）MWd/t(ﾒｶﾞﾜｯﾄ・日／ﾄﾝ)：燃焼度の単位で、単位重量(1ｔ)当たりの（注）MWd/t(ﾒｶﾞﾜｯﾄ・日／ﾄﾝ)：燃焼度の単位で、単位重量(1ｔ)当たりの出力の積算値（燃焼量）を示す
出力の積算値（燃焼量）を示す

３

高燃焼度化燃料の現状(PWR)
nnnnnn

平成元年度より燃料集合体最高燃焼度
平成元年度より燃料集合体最高燃焼度
48,000MWd/tの燃料（ステップ１燃料）
48,000MWd/tの燃料（ステップ１燃料）を採用。
を採用。
平成８年度より燃料集合体最高燃焼度
平成８年度より燃料集合体最高燃焼度
55,000MWd/tの高燃焼度燃料（ステップ55,000MWd/tの高燃焼度燃料（ステップ２燃料）の少数体先行照射（関西電力
２燃料）の少数体先行照射（関西電力㈱大飯４号機）、平成14年３月で照射㈱大飯４号機）、平成14年３月で照射
終了
終了
今後、ステップ２燃料を本格導入する
今後、ステップ２燃料を本格導入する
ことを各PWR電気事業者において計画中ことを各PWR電気事業者において計画中

４「高燃焼度化検討会」での検討結果
nnnn

ステップ２燃料の少数体先行照射に先ステップ２燃料の少数体先行照射に先立ち、平成４年度より、旧通商産業省
立ち、平成４年度より、旧通商産業省
原子力発電技術顧問会に「高燃焼度化
原子力発電技術顧問会に「高燃焼度化検討会」を設置し、燃料の高燃焼度化検討会」を設置し、燃料の高燃焼度化に係る技術的検討を実施に係る技術的検討を実施
炉外試験データ等をもとに、ステップ炉外試験データ等をもとに、ステップ２先行照射燃料を使用することに基本２先行照射燃料を使用することに基本的に問題ないことを確認（平成５年４的に問題ないことを確認（平成５年４月に報告書とりまとめ）月に報告書とりまとめ）５

原子炉安全小委員会での検討内容
平成13年４月に原子炉安全小委員会に
平成13年４月に原子炉安全小委員会に燃料ＷＧを設置
燃料ＷＧを設置nn ステップ２燃料の本格利用に際して、ステップ２燃料の本格利用に際して、「高燃焼度化検討会」以降、海外の原「高燃焼度化検討会」以降、海外の原子炉での照射試験により得られた高燃子炉での照射試験により得られた高燃焼度領域のデータ等をもとに、ステッ焼度領域のデータ等をもとに、ステップ２燃料の設計に関する評価・検討
プ２燃料の設計に関する評価・検討
nn 燃料の高燃焼度化に係る安全研究の現燃料の高燃焼度化に係る安全研究の現状と課題についても検討
状と課題についても検討
nn 平成13年12月に報告書をとりまとめ
平成13年12月に報告書をとりまとめnnステップ２燃料の主な特徴（ステップ１燃料との相違）
nnnn

nnnn

燃料集合体の基本的な構造に変更なし
燃料集合体の基本的な構造に変更なし
燃料の濃縮度を約4.1wt％から約4.8wt％
燃料の濃縮度を約4.1wt％から約4.8wt％に増加に増加
燃料被覆管の耐食性向上のため、改良被燃料被覆管の耐食性向上のため、改良被覆管の採用
覆管の採用
炉心運用性向上のため、高濃度ガドリニ
炉心運用性向上のため、高濃度ガドリニア入り燃料の採用（ガドリニア濃度を約ア入り燃料の採用（ガドリニア濃度を約６wt％から約10wt％に増加）
６wt％から約10wt％に増加）

６

改良被覆管の概要

７

耐食性向上のため、従来のジルカロイ−４の耐食性向上のため、従来のジルカロイ−４の合金成分と比較して、Ｓｎ(ｽｽﾞ)含有量を低下
合金成分と比較して、Ｓｎ(ｽｽﾞ)含有量を低下させ、Ｎｂ(ﾆｵﾌﾞ)を添加させたＺｒ(ｼﾞﾙｺﾆｳﾑ)
させ、Ｎｂ(ﾆｵﾌﾞ)を添加させたＺｒ(ｼﾞﾙｺﾆｳﾑ)
基合金を被覆管材料として採用
基合金を被覆管材料として採用○ＭＤＡ（三菱重工業㈱が開発）○ＭＤＡ（三菱重工業㈱が開発）
ジルカロイー４をベースに、耐食性向上のためＳｎジルカロイー４をベースに、耐食性向上のためＳｎ含有量低下、Ｎｂ添加
含有量低下、Ｎｂ添加○ＮＤＡ（原子燃料工業㈱が開発）○ＮＤＡ（原子燃料工業㈱が開発）
ジルカロイー４をベースに、耐食性向上のためＳｎジルカロイー４をベースに、耐食性向上のためＳｎ含有量低下、Ｎｂ及びＮｉ(ﾆｯｹﾙ)添加。機械的強度含有量低下、Ｎｂ及びＮｉ(ﾆｯｹﾙ)添加。機械的強度を維持するためＦｅ(鉄)及びＣｒ(ｸﾛﾑ)含有量を若干を維持するためＦｅ(鉄)及びＣｒ(ｸﾛﾑ)含有量を若干増加
増加○ＺＩＲＬＯ（米国ｳｴｽﾃｨﾝｸﾞﾊｳｽ社が開発）○ＺＩＲＬＯ（米国ｳｴｽﾃｨﾝｸﾞﾊｳｽ社が開発）
耐食性の優れたＺｒｰＮｉ二元合金をベースに、機械耐食性の優れたＺｒｰＮｉ二元合金をベースに、機械的強度の向上のためＳｎ、Ｆｅ添加的強度の向上のためＳｎ、Ｆｅ添加

８

改良被覆管の照射試験
酸化膜厚さ及び水素吸収量
酸化膜厚さ及び水素吸収量nn 材料物性（溶融点、密度及び熱伝導率）
材料物性（溶融点、密度及び熱伝導率）
nn 機械的性質（機械的強度、延性、疲労強度）
機械的性質（機械的強度、延性、疲労強度）
nn 照射に伴う寸法変化
照射に伴う寸法変化（炉内クリープ及び照射成長）（炉内クリープ及び照射成長）
nn 耐ＰＣＩ性
耐ＰＣＩ性nn（注）ＰＣＩ（ペレット−被覆管相互作用）（注）ＰＣＩ（ペレット−被覆管相互作用）
被覆管は、腐食性の核分裂生成ガス雰囲気下において、出力被覆管は、腐食性の核分裂生成ガス雰囲気下において、出力急昇によりペレットが熱膨張して被覆管との機械的相互作用を急昇によりペレットが熱膨張して被覆管との機械的相互作用を生じ、被覆管に過大な応力が作用した場合に発生する、応力腐生じ、被覆管に過大な応力が作用した場合に発生する、応力腐食割れによる破損をＰＣＩ破損という食割れによる破損をＰＣＩ破損という改良被覆管の照射データ（酸化膜厚さ）
従来Snｼﾞﾙｶﾛｲ‑4
従来Snｼﾞﾙｶﾛｲ‑4 (North Anna 1)
従来Snｼﾞﾙｶﾛｲ‑4 (BR2)
従来Snｼﾞﾙｶﾛｲ‑4 (BR3)
従来Snｼﾞﾙｶﾛｲ‑4 (Vandellos 2)
低Snｼﾞﾙｶﾛｲ‑4
低Snｼﾞﾙｶﾛｲ‑4 (North Anna 1)
低Snｼﾞﾙｶﾛｲ‑4 (Vandellos 2)
低Snｼﾞﾙｶﾛｲ‑4‑RT (Vandellos 2)
MDA (North Anna 1)
MDA (BR2)
MDA (Vandellos 2)
MDA‑RT (Vandellos 2)
ZIRLO (North Anna 1)
ZIRLO (North Anna 1)
ZIRLO (BR3)ZIRLO (Vandellos 2)
ZIRLO‑RT (Vandellos 2)

燃料棒最大酸化膜厚さ（μm）

160
140
120
1008060９

肉厚10%相当の酸化膜厚さ(17×17型)

4020

燃料棒61000MWd/t（集合体55000MWd/t相当）

00

10000

20000

30000
40000
50000
燃料棒平均燃焼度 （ MWd/t ）改良被覆管の炉内酸化膜厚さ （三菱）

60000

70000

改良被覆管の照射データ（酸化膜厚さ）

10160
従来Snジルカロイ−４

燃料棒61000MWd/t（集合体55000MWd/t相当）

従来Snジルカロイ−４（BR2）140

低Snジルカロイ−４

燃料棒最大酸化膜厚さ（μm）

低Snジルカロイ−４（Halden）
低Snジルカロイ−４‑RT（McGuire1）

120

低Snジルカロイ−４‑RT（McGuire1→R2）

肉厚１０％相当の酸化膜厚さ（17×17型）

低Snジルカロイ−４‑RT（BR2）100

低Snジルカロイ−４‑RT（BR2→Osiris）
低Snジルカロイ−４‑RT （Halden）

80

ＮＤＡ（Halden）
ＮＤＡ‑RT（McGuire1）
ＮＤＡ‑RT（McGuire1→R2）

60

ＮＤＡ‑RT（BR2）
ＮＤＡ‑RT（BR2→Osiris）

40

ＮＤＡ‑RT（Halden）

2000

10000

20000

30000

40000

50000

燃料棒平均燃焼度 (MWd/t)

改良被覆管の炉内酸化膜厚さ （原燃工）

60000

70000

11

改良被覆管の照射データ（まとめ）
nnnnnn

耐食性については、ジルカロイー４に耐食性については、ジルカロイー４に比べて向上していることを確認
比べて向上していることを確認
水素吸収率、材料物性、機械的性質等
水素吸収率、材料物性、機械的性質等については、設計評価上、ジルカロイ
については、設計評価上、ジルカロイ−４と同等に取り扱えるものと評価−４と同等に取り扱えるものと評価
その他、問題となるような照射挙動は
その他、問題となるような照射挙動は認められない
認められない12

高濃度ガドリニア入り燃料の照射データ（まとめ）nnnn

溶融点及び熱伝導率ついては、ガドリ
溶融点及び熱伝導率ついては、ガドリ
ニア濃度の増加とともに低下すること
ニア濃度の増加とともに低下することが確認されていることから、設計におが確認されていることから、設計において適切に評価することが必要
いて適切に評価することが必要
その他、ＦＰ（核分裂生成物）ガス放その他、ＦＰ（核分裂生成物）ガス放
出率等について、問題となるような照出率等について、問題となるような照射挙動は認められない
射挙動は認められない13

ステップ２燃料のまとめ
nnnn

高燃焼度領域での炉内照射試験データ
高燃焼度領域での炉内照射試験データ等を評価した結果、ステップ２燃料を等を評価した結果、ステップ２燃料を本格採用することについて基本的に問本格採用することについて基本的に問題はないと考えられる
題はないと考えられる
原子力安全・保安院としては、ステッ
原子力安全・保安院としては、ステップ２燃料を原子炉に装荷した際の安全プ２燃料を原子炉に装荷した際の安全性については、今後、個別の原子炉の性については、今後、個別の原子炉の安全審査において確認
安全審査において確認

燃料の高燃焼度化に係る安全研究の現状と今後の課題
電気事業者においては、現状より更に燃料
電気事業者においては、現状より更に燃料の高燃焼度化を進めていく計画の高燃焼度化を進めていく計画
nn このため、電気事業者、（財）原子力発電
このため、電気事業者、（財）原子力発電技術機構、日本原子力研究所及び（財）電技術機構、日本原子力研究所及び（財）電力中央研究所おいては、更なる高燃焼度化
力中央研究所おいては、更なる高燃焼度化に係る安全研究を実施に係る安全研究を実施
nnnn

今後はこれら機関が効果的に燃料研究を進
今後はこれら機関が効果的に燃料研究を進められるよう研究テーマの重点化や各機関められるよう研究テーマの重点化や各機関の役割分担の明確化、国内における照射の役割分担の明確化、国内における照射データの取得方法などについて更に検討をデータの取得方法などについて更に検討を進めていくことが望ましい
進めていくことが望ましい

14