プロジェクト課題

金属燃料サイクルの実用性評価
背景・目的
国・電力が進めている高速増殖炉サイクル実用化研究開発 (FaCT) では、酸化物燃料と湿式再処理からなる酸化物燃料サイクルを主概念とし、それを超える性能を有するが実績が乏しいとして金属燃料サイクルを副概念としている。金属燃料サイクルは、ウラン(U)、プルトニウム (Pu)、ジルコニウム (Zr) の合金を燃料とし、冶金的に再処理（乾式再処理）と燃料製造（射出鋳造）を行う革新的な技術である。高熱伝導の燃料物性に由来する高い安全性や燃料利用効率の向上、原理的に Pu 単独分離が困難な乾式再処理の持つ高い核拡散抵抗性とともに、システムとしての経済性や、半減期が長いマイナーアクチニド(MA)＊１を回収・燃焼して廃棄物負担を低減することなどが期待されている。当研究所では、米国をはじめ欧州、国内の諸機関との共同研究を活用してこの技術の開発を進めてきている。また、近年、成長が著しいインド、韓国、中国などのアジア諸国でも金属燃料サイクルの研究開発に取り組み始めており、世界的に注目を集めている。
本課題では、高速炉での金属燃料照射試験、使用済燃料を用いた乾式再処理試験および工学装置開発などを行い、実証的なデータの蓄積を図る。

主な成果
1．国内初の照射試験に向けた金属燃料の製作【日本原子力研究開発機構との共同研究】
実用炉相当の高温条件での健全性確認を目的とした実験炉「常陽」での照射試験に向けて、当研究所開発の射出鋳造装置で製造した U-20wt. %Pu-10wt. %Zr合金棒をフェライト／マルテンサイト鋼被覆管内に封入して 6 本の金属燃料を完成させ、国の検査に合格した（図1）。照射試験は常陽が再起動する 2011年度以降に開始する予定である。
2．工学規模サイクル試験による乾式再処理の実用性の確認＊ ２
U を用いた 5 kg/ 日規模のサイクル試験を連続で行う一連の装置を開発し（図 2）、約 6 kg の UO 2 ペレットを電解還元装置（図 3）で金属 U に還元し、電解精製装置（図 4）で約 2 0 0 g/h で U を精製・回収した。これを原料にして U- 1 0 wt%Zr 合金棒の射出鋳造を行い、射出鋳造装置への装荷量の約 7 0 % を鋳込むことに成功した（残量は再利用可能）。また、向流抽出装置（図 5）では溶融塩・溶融金属の供給系を完成し抽出試験を行った。これらより各装置の機能を確認するとともに、工程ロスを含めた試験データから実用的な回収率と精度良い物質収支管理が可能であることを確認した。
以上の技術開発成果をとりまとめ、FaCT 中間評価に示し、2 0 1 5 年度の評価に向けた研究開発の着実な推進への期待が示された。

＊１：ネプツニウム、アメリシウム、キュリウムなど、ウランより重く、非常に長期間、放射線や熱を発生する元素。
＊２：本研究は、特別会計に関する法律（エネルギー対策特別会計）に基づく文部科学省からの受託事業として実施した平成２２年度「実用化に向けた金属燃料サイクルの工学技術実証に関する研究開発」の成果である。

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原子力技術
原子力技術
原子力技術

図１ 製造した高速実験炉「常陽」照射用の金属燃料（直径 8mm、全長 60cm）
図１8mm、全長6 0cm）
図１製造した高速実験炉「常陽」照射用の金属燃料（直径製造した高速実験炉「常陽」照射用の金属燃料（直径8mm、全長60cm）
高速炉

高速炉
MOX
UO2

燃料製造

射出鋳造
U

使用済金属燃料

射出鋳造

MOX
UO2

燃料製造

U

使用済金属燃料
電解還元
U-Zr

電解還元

U

U-Zr

U

塩蒸留

塩、Cdのリサイクル
塩,Cd

塩、Cdのリサイクル
塩,Cd

電解精製

Cd蒸留
塩蒸留
U+塩

Cd蒸留

U+塩
模擬TRU+Cd

模擬TRU+塩電解精製

模擬TRU+Cd

模擬TRU+塩向流抽出

図 2 金属燃料サイクルの連続試験
向流抽出
図 2 金属燃料サイクルの連続試験
ウランを用いた5kg/日規模の連続試験を (1)電解還元、 図 3 電解還元装置(左)と得られた還元生成物(右)図3 電解還元装置(左)と得られた還元生成物(右)ウランを用いた 5kg/日規模の連続試験を(1)電解還元、(2)電解精製、 電解還元装置では、(2) 電解精製、(3)塩蒸留、(4) 射出鋳造について実施す
最大で 5.7kg の UO2 を中心付近の 4 つのバスケッ。また、アク 図
図(3)塩蒸留、(4)射出鋳造について実施する（青色部分）
2 金属燃料サイクルの連続試験
5.7kg の UO2 を中トに装荷し、UO
3電解還元装置では、最大で電解還元装置(左)と得られた還元生成物(右)2 のペレットを金属 U に還元する。
る（青色部分）。また、アクチニドの模擬物質としてチニドの模擬物質として希土類を用いる試験として向流抽出およびウランを用いた5kg/日規模の連続試験を(1)電解還元、(2)電解精製、 電解還元装置では、最大で 5.7kg の UO2 を中心付近の 4 つのバスケッ
心付近の 4 つのバスケットに装荷し、UO希土類を用いる試験として向流抽出およびCd 蒸留を2 のペCd 蒸留を行う（赤色部分）。
(3)塩蒸留、(4)射出鋳造について実施する（青色部分）。また、アクトに装荷し、UO2 のペレットを金属 U に還元する。
レットを金属 U に還元する。
行う（赤色部分）。
チニドの模擬物質として希土類を用いる試験として向流抽出およびCd 蒸留を行う（赤色部分）
。

約2m
上部供給槽

約2m

上部供給槽

抽出器

抽出器 塩回収槽
Cd回収槽
逆抽出槽

Cd回収槽

塩回収槽

逆抽出槽

図 4 電解精製装置(左)と得られた陰極析出物(右)の金属ウランを装荷し、中心部の固図電解精製装置では、最大で4 電解精製装置 ( 左 )5kgと得られた陰極析出物(右)
図体陰極に析出させ、かき取り刃で受け皿に回収する。右図は、受け4 電解精製装置(左)と得られた陰極析出物(右)電解精製装置では、最大で皿に回収した塩を含んだ精製 U。 5kg の金属ウランを装荷電解精製装置では、最大で 5kg の金属ウランを装荷し、中心部の固し、中心部の固体陰極に析出させ、かき取り刃で受体陰極に析出させ、かき取り刃で受け皿に回収する。右図は、受け皿に回収した塩を含んだ精製 U。
け皿に回収する。右図は、受け皿に回収した塩を含んだ精製 U。

Cd供給槽

塩供給槽

Cd供給槽

塩供給槽

図5 向流抽出装置の全体図
向流抽出装置は、(1)グローブボックス床面より下に設置され

図 5 向流抽出装置の全体図
る塩およびCdの供給槽、(2)それぞれの供給槽に装着されるポ
図5
向流抽出装置の全体図
ンプ、(3)ポンプでくみ上げた塩とCdを一時的に溜める上部供向流抽出装置は、(1)グローブボックス床面より下に向流抽出装置は、(1)グローブボックス床面より下に設置され給槽、(4)6段の向流抽出器、(5)塩およびCdの回収槽、(6)試験る塩およびCdの供給槽、(2)それぞれの供給槽に装着されるポ設置される塩およびCd の供給槽、(2) それぞれの供後の塩とCdを処理する逆抽出槽、ならびにそれらを繋ぐ配管とンプ、(3)ポンプでくみ上げた塩とCdを一時的に溜める上部供給槽に装着されるポンプ、(3)ポンプでくみ上げた塩制御系からなる。配管や槽はヒータで500℃程度に加熱され、給槽、(4)6段の向流抽出器、(5)塩およびCdの回収槽、(6)試験溶融塩と溶融Cdを連続的に取り扱うことができる。と後の塩とCdを処理する逆抽出槽、Cd を一時的に溜める上部供給槽、(4)6 段の向流ならびにそれらを繋ぐ配管と制御系からなる。配管や槽はヒータで500℃程度に加熱され、抽出器、(5)塩および Cd の回収槽、(6) 試験後の塩と溶融塩と溶融Cdを連続的に取り扱うことができる。
Cdを処理する逆抽出槽、ならびにそれらを繋ぐ配管
21と制御系からなる。配管や槽はヒータで 5 0 0℃程度に加熱され、溶融塩と溶融 Cd を連続的に取り扱う
21
ことができる。

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