プロジェクト課題

リサイクル燃料の輸送・貯蔵
背景・目的
わが国では、原子力発電後の使用済燃料は再処理し、リサイクルすることが基本方針とされており、原子力委員会の新大綱策定会議でも中間貯蔵の重要性が指摘されている。
本課題では、原子力発電所の安定運転および柔軟な原子燃料サイクル路線を支援するため、経済的で信頼性の高い長期・大容量貯蔵技術として有望なキャニスタを用いたコンクリートキャスク方式の貯蔵施設の実用化を促進する。また、実績のある輸送・貯蔵兼用金属キャスクについては、将来の貯蔵後輸送に備え、金属ガスケットの密封機能の経年変化評価手法を確立する。

主な成果
1．キャニスタの塩化物応力腐食割れ評価法の開発
自然換気を利用したコンクリートキャスク貯蔵施設では、使用されるキャニスタ表面の塩化物応力腐食割れ（SCC）による密封機能の喪失がない設計や検査技術の実証が残された課題である。SUS 3 0 4 L 等の従来材を使用したキャニスタについて、SCC発生防止基準およびき裂進展管理基準による密封機能評価シナリオを構築し、設計貯蔵期間（6 0 年）に対してキャニスタが成立する環境条件（図 1）や溶接残留応力低減による SCC 抑制技術について見通しを得た［N 1 0 0 3 5］。また、非接触かつ遠隔での計測が可能なレーザー誘起ブレイクダウン分光法（LIBS）により、SCC 発生限界塩分濃度を定量的に検出できること（図 2）を世界に先駆けて示し、定期監視への応用技術として有望であることを示した。本成果は学会標準・規格に反映させる予定である。
2．貯蔵施設への塩分流入低減技術の開発
自然換気を利用した貯蔵施設では、コンクリートキャスク内部に入る海塩粒子を低減することによる SCC 対策も有効な選択肢である。そこで、貯蔵施設の除熱性能に影響を与えない低圧力損失で高い塩分捕獲率を有する塩分流入低減装置を開発し、実環境下での長期にわたる性能評価データを取得し、その有効性を確認した［N 1 0 0 2 4］。
3．金属キャスクの内部雰囲気ガス分析評価による長期間貯蔵燃料の健全性評価
米国アイダホ国立研究所（INL）で約 2 5 年間実貯蔵中の金属キャスクの内部雰囲気ガス分析の情報収集を行い、8 5 Kr の測定による使用済燃料の健全性評価（図 3）、および長期間貯蔵した場合の破損燃料の検出方法の妥当性を確認した［L 1 0 0 1 7］。
4．金属キャスクの密封機能の経年変化評価
金属キャスクの密封機能は金属ガスケットにより保持される。金属ガスケットの残留反発力と漏えい限界反発力との比較による密封寿命の定量的な評価手法を確立し、貯蔵中の金属キャスクの温度管理記録に基づく貯蔵後の金属ガスケットの劣化状態を明らかにした（図 4）。また、実物大金属キャスク蓋部モデルを用いて、蓋の締め付け手順が密封性能に及ぼす影響を明らかにし、作業手順等の重要性を明らかにした。
（本成果の一部は、経済産業省原子力安全・保安院からの受託研究として実施した。）
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原子力技術

原子力技術
原子力技術

2 2

気中塩分濃度μg/m33
気中塩分濃度μg/m
20502050100
250100250
500
500

0.80.80.60.6120120

SUS304LのSCC
SUS304LのSCC
発生限界塩分濃発生限界塩分濃100
1008080

キャニスタ温度
キャニスタ温度

LIBS
LIBS
0.40.460600.20.240400.00.0001010202030403040
貯蔵年数
貯蔵年数

50506060

キャニスタ温度(℃）
キャニスタ温度(℃）

付着塩分量(g/m
付着塩分量(g/masasCl)Cl)

1.0
1.02020

LIBSによるダブルパルス計測におけるによるダブルパルス計測における Cl
図図22Cl濃度濃図2 LIBS
LIBS によるダブルパルス計測における Cl
濃度に対する
Cl 発光強度依存性度に対するCl 発光強度依存性に対する
Cl 発光強度依存性
元素の励起効率が高くなるダブルパルス計測を元素の励起効率が高くなるダブルパルス計測をClCl
元素の励起効率が高くなるダブルパルス計測を Cl
濃度の異なる
0 4L 試験片に対して行い、計濃度の異なるSUS3SUS304L試験片に対して行い、計測濃度の異なる SUS304L 試験片に対して行い、計測2）において Cl の発光強測した範囲（0.1 ～ 1.0g/mした範囲（0.1～1.0g/m22）において Cl の発光強度が）においての発光強度がした範囲（0.1～1.0g/m
度が Cl 濃度に比例することおよび ClClを十分に励起Cl 濃度に比例することおよび Cl を十分に励起させCl 濃度に比例することおよび Cl を十分に励起させさせることにより定量計測できることが分かった。
ることにより定量計測できることが分かった。
ることにより定量計測できることが分かった。

1 貯蔵年数とキャニスタ表面に付着する
図1 図
図貯1蔵年数とキャニスタ表面に付着する塩分量
貯蔵年数とキャニスタ表面に付着する塩分量との関係との関係
塩分量との関係
2 as
2 as
SUS3
0 4L材の材のSCC
SCC発生限界塩分濃度は発生限界塩分濃度は0.8g/m
ClSUS304L
0.8g/m
SUS304L 材の SCC 発生限界塩分濃度は 0.8g/m2 as Cl
3Clであり、気中塩分濃度が0.5mg/mを下回る環境3であり、気中塩分濃度が 0.5mg/m3 を下回る環境であであり、気中塩分濃度が 0.5mg/m を下回る環境であであれば、SUS3 0 4L 製キャニスタを用いたコンク
れば、SUS304L 製キャニスタを用いたコンクリート
れば、SUS304L 製キャニスタを用いたコンクリート
リートキャスク貯蔵（6 0 年）の成立性が期待できる。
キャスク貯蔵（60 年）の成立性が期待できる。
キャスク貯蔵（60 年）の成立性が期待できる。

140
140
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分析対象とした金属キャスク CASTOR-V/21
分析対象とした金属キャスク CASTOR-V/21

LIBS
LIBS

PWR
PWR
PWR
15×15（21体）
1 5 × 1 5（2体）
1 体）
15×15（2130～36 GWd/tHM
330～360 ～ 3 6GWd/tHM
GWd/tHM2.2～3.8 年
2.2～3.8
年年
2.2 ～ 3.8
2.9～3.1 wt%
2.9～3.1
2.9 ～ 3.1wt%
wt%
28.4 kW28.4
2 8.4 kWkW

図 3 INL で内部雰囲気ガス分析を行っている
図 3図 3INLINL
で内部 雰 囲 気 ガス 分 析を行っている
で内部雰囲気ガス分析を行っている
CASTOR-V/21型金属キャスクとその燃料仕様
CASTOR-V/21型金属キャスクとその燃料仕様
CASTOR-V/21 型金属キャスクとその燃料仕様
INL で実貯蔵中の乾式キャスクのうち、PWR
で実貯蔵中の乾式キャスクのうち、PWR使用使用
INL で実貯蔵中の乾式キャスクのうち、PWR 使用済燃料を収納したCASTOR-V/21
CASTOR-V/2を対象とした。
1 を対象とした。
済燃料を収納した済燃料を収納した CASTOR-V/21 を対象とした。
1 9 8 5年から年から2010
2 0 1 0年までの貯蔵期間を通して実施し年までの貯蔵期間を通して実施
1985
1985
年から 2010 年までの貯蔵期間を通して実施しした CASTOR-V/2
1 の内部雰囲気ガスに含まれるKrたCASTOR-V/21 の内部雰囲気ガスに含まれる 85
85たKr
CASTOR-V/21の内部雰囲気ガスに含まれる 85Kr
濃度の測定値は、燃料破損時の濃度に比べ極濃度の測定値は、燃料破損時の濃度に比べ極めて低濃度の測定値は、燃料破損時の濃度に比べ極めて低めて低く、1 9 9 9 年に実施した使用済燃料の目視検
く、1999 年に実施した使用済燃料の目視検査でも異査でも異常はなく、現在まで燃料の健全性は維持
く、
1999 年に実施した使用済燃料の目視検査でも異常はなく、現在まで燃料の健全性は維持されている。
されている。
常はなく、現在まで燃料の健全性は維持されている。

残留反発力[N/mm]
残留反発力[N/mm]

燃料タイプ
燃料タイプ
燃料タイプ
集合体タイプ集合体タイプ集合体タイプ
燃焼度
燃焼度
燃焼度
冷却時間
冷却時間
冷却時間
濃縮度
濃縮度
濃縮度
平均発熱量
平均発熱量
平均発熱量

二次蓋(To=139℃, 変動無）二次蓋(To=139℃, 変動無）二次蓋(To=139℃, 変動有）二次蓋(To=139℃, 変動有）二次蓋(To=120℃, 変動無）二次蓋(To=120℃, 変動無）120120
120
100
100
100
80
8080

金属ガスケットの応力分布図
金属ガスケットの応力分布図

606060404040202020000

漏えい限界反発力
漏えい限界反発力
000

202040604060
貯蔵期間（年）
貯蔵期間（年）

80
80

100
100100

図 4 実物大金属キャスクを対象としたアルミ製金
図44 実物大金属キャスクを対象としたアルミ製金実物大金属キャスクを対象としたアルミ製金図
属ガスケットの応力緩和解析
属ガスケットの応力緩和解析
属ガスケットの応力緩和解析
ガスケット用アルミニウム A1050-O 材の高温圧縮クガスケット用アルミニウム
A1 0 5 0-O
材の高温圧縮ガスケット用アルミニウム
A1050-O材の高温圧縮クリープ試験よりクリープ構成式を構築し、実貯蔵で想クリープ試験よりクリープ構成式を構築し、実貯蔵リープ試験よりクリープ構成式を構築し、実貯蔵で想定される温度履歴を考慮した応力緩和解析を実施しで想定される温度履歴を考慮した応力緩和解析を定される温度履歴を考慮した応力緩和解析を実施し実施した。初期温度
1 3 9℃、60 年経過時点で、残た。初期温度
139℃、60年経過時点で、残留反発力た。初期温度 139℃、60 年経過時点で、残留反発力
留反発力は漏えい限界反発力
2 2N/mm を上回っては漏えい限界反発力
22N/mm を上回っており、金属は漏えい限界反発力
22N/mmを上回っており、金属
おり、金属ガスケットの長期密封性能の信頼性が確
ガスケットの長期密封性能の信頼性が確認された。
ガスケットの長期密封性能の信頼性が確認された。
認された。

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