部会・連絡会セッション 新型炉部会「新型炉の国際協⼒の現状と今後の研究開発課題（イノベーションの創出）」（４）⾼温ガス炉の今後の研究開発課題

⽇本原⼦⼒研究開発機構
⾼速炉・新型炉研究開発部⾨
炉設計部 ⾼温ガス炉設計グループ
⼤橋 弘史

内 容

１．これまでの研究開発の概要
２．実⽤⾼温ガス炉システム
３．原⼦炉技術の研究開発課題
４．熱利⽤技術の研究開発課題
５．実⽤化への道筋
６．まとめ
1

１．⾼温⼯学試験研究炉(HTTR）の開発経緯
実⽤システムの原型提⽰

建設

安全性実証試験（炉⼼基盤技術の確⽴

2010 流量喪失試験等）開始

⾼温連続50⽇運転
2007

被覆燃料粒⼦

連続30⽇運転

2004 原⼦炉出⼝950℃達成

原⼦炉圧⼒容器の搬⼊ 1994年8⽉

2002 安全性実証試験開始

定格出⼒(30MW）、原⼦炉出⼝850℃達成
1998 初 臨 界2001

安全評価技術耐震評価技術
炉物理

詳細設計

等⽅性⿊鉛IG-110

⾼温ガス炉臨界実験装置（VHTRC）

⾼ 温 ⼯ 学 試 験 研 究 炉

⾦属材料

熱流動・⾼温機器

ハステロイXR（中間熱交換器伝熱管）

⼤型構造機器実証試験ループ（HENDEL）〜〜

原⼦炉 1991の建設 1990
〜

1989
1988
1985
〜

1984

着⼯ 1991

炉内ガスループ（OGL-1）

燃料コンパクト

⿊鉛材料

1997

原⼦炉格納容器の設置 1992

燃料〜

1981
1980

建 設

設置許可申請〜取得

基本設計

システム総合設計〜

研究開発と 1974
概念設計 1973 概念設計

研究開発

1969

多⽬的⾼温ガス実験炉2

１．⾼温ガス炉及び⽔素製造技術開発の概要(1) ⾼温ガス炉技術
HTTR(２) 熱利⽤技術（発電、⽔素製造）
 ⽔素製造（天然ガス⽔蒸気 定格出⼒30MW、原⼦炉出⼝温度950℃達成(2004年4⽉)
 950℃、50⽇間⾼温連続運転(2010年3⽉)

 ⾼性能燃料要素開発
 ⾼温ガス炉安全性向上のためのHTTR試験(3) 実⽤⾼温ガス炉設計

改質、ISプロセス）、ガスター
ビン発電の基盤技術を完成

ヘリウム圧縮機

 ISプロセスの運転制御技術
及び機器信頼性の確証

 ガスタービン翼材の開発

連続⽔素製造試験装置(４) HTTR-GT/H2 試験

 実⽤⾼温ガス炉システム

GTHTR300Cの設計研究 プルトニウム燃焼⾼温ガス炉の炉⼼設計
 実⽤⾼温ガス炉安全基準の策定と国際標準化

 ⾼温ガス炉

熱利⽤技術の総合実証 海外輸出⽤⾼温ガス炉の設計
3

2 ．実⽤⾼温ガス炉システム① 蒸気システム（蒸気タービン発電、⾼温蒸気供給）
HTR50S② ガスタービン発電システム

 原⼦炉熱出⼒50MW〜

GTHTR300

200MW級,
原⼦炉出⼝温度750℃

 原⼦炉熱出⼒600MW,
原⼦炉出⼝温度850℃

 発電設備にヘリウムガスタービンを採⽤

 既存技術を活⽤可能

 ⾼い経済性 2030年代実証炉（⽬標）③ ⽔素電⼒併給システム
2次He

950oC

GTHTR300C

⽔素製造原⼦炉出⼝温度950℃

 ⾼温ガス炉ガスタービン発電システムと同じ原⼦炉システム850oC

1次He
中間熱交換器
原⼦炉圧⼒容器
200oC
低温熱利⽤

 原⼦炉熱出⼒600MW,900oC

GT発電

 優れた再エネとの共存性
 ⽔素製造等、エネルギーの多⽬的利⽤が可能

 2040年代実証炉（⽬標）43 (1) 燃料の研究開発

出⼒密度（MW/m3）

HTTRのための研究開発（1970-1999）

6.0

 被覆燃料の製造技術
 燃料の照射試験(33GWd/t)
 燃料特性・FP保持性能研究
 破損機構の研究
 設計基準、検査基準

被覆燃料粒⼦燃料コンパクト

実⽤化に向けた研究開発（2000-） HTTR燃料健全性実証
 ⾼燃焼度化（100 GWd/t）ｶｻﾞﾌｽﾀﾝ*1 での照射試験（ISTC *2プロジェクト 2010〜）

 ⾼出⼒密度化 破損機構の研究*1 カザフスタン核物理研究所（INP）*2 国際科学技術センター

今後

現在

 HTTR燃料照射後試験

HTTR ⾼燃焼度化（160 GWd/t）

2.5カザフスタン
WWR-K 照射炉 (INP)

33

実⽤炉

100

 ⾼出⼒密度化（除熱性能向上燃料要素）
 実⽤炉燃料設計基準

燃焼度（GWd/t）160

53 (2) ⿊鉛の研究開発
HTTRのための研究開発

⾼温ガス炉技術の完成に向けた研究開発

 HTTR⿊鉛構造設計⽅針策定
 HTTR⿊鉛検査基準策定・供⽤期間中検査⼿法開発

HTTR
照射温度（℃）
照射量(×1025n/m2,E>0.1MeV)

照射条件（データベース範囲)
400〜1250(400〜1400)〜1.6 (〜3)

⾼温ガス炉⿊鉛構造物規格原案

製造技術開発現在

 実⽤炉条件下での⿊鉛
特性評価
 HTTRの供⽤期間中検査の実施
実⽤炉
照射温度（℃）
照射量(×1025n/m2,E>0.1MeV)

照射条件（データベース範囲)
400〜1250(400〜1400)〜6 (〜10)

⾼温ガス炉⿊鉛構造規格の⺠間規格化〜H26

3 (3) ⾦属・⾼温機器の研究開発
⾼温ガス炉技術の完成に向けた研究開発

HTTRのための研究開発〜H2

 耐⾷性改良 総合確証試験
 ⾼温強度特性改良
 材料強度基準等を策定

 原⼦炉圧⼒容器⽤
2 1/4Cr-1Mo鋼等のデータベースの確⽴

実⽤炉（VHTR）

研究課題

2 1/4Cr1Mo
鋼

Mn-Mo鋼(冷却あり*)

特になし

炉内鋼構
造物

SUS316,
2 1/4Cr1Mo鋼

SUS316,
アロイ800H他

特になし

中間熱交
換器伝熱管等

ハステロイ
XR

ハステロイ
XR

特になし

機器

HTTR

原⼦炉圧⼒容器、熱交換器外胴等*︓圧縮機からの低温のヘリウムガスを原⼦炉圧⼒容器等の冷却に⽤いること で軽⽔炉⽤材料が使⽤可 中間熱交換器
要素技術試験HTTR試験
50⽇⾼温（950℃）
連続運転

 HTTR中間熱交換器の性能確認

ハス
テロイ
X
Rのサベイ
ランス
試
験

⾼温構造設計⽅針の⺠間規格化

 基本合⾦系の選定

⾼温ガス炉第１種機器の⾼温構造設計⽅針

 ハステロイXRの開発

現在

7

3 (4) 炉⼯学の研究開発
HTTRのための研究開発

⾼温ガス炉技術の完成に向けた研究開発〜H2
核設計計算コード（決定論的⼿法）の改良

 ⾼温ガス炉特有の核的な効果である被覆燃料粒⼦に起因する⼆重⾮均質効果を取り扱うコードを開発

 少数群断⾯積を作成するセル計算
⼿法の改良及びそれに伴う計算コードの改良

 VHTRCの試験結果を⽤いて核設計計算の精度を評価

核データの検証

核設計計算⼿法の⾼度化
 HTTRデータを⽤いた、燃焼を考慮した過剰反応度の計算精度評価
 核データに起因する誤差評価や誤差低減の⼿法整備
 炉⼼⾼性能化設計⼿法の検討

 世界の三⼤核データライブラリ;
JENDL（⽇）、ENDF(⽶）、JEFF（欧）を対象
 HTTRの臨界近接試験結果を⽤いて検証

核設計計算コード（確率論的⼿法）の改良

VHTRC

 燃料コンパクト内における被覆燃料粒⼦の不規則配置を取り扱う幾何形状モデル︔ 確率論的幾何形状モデルを開発し連続エネルギーモンテカルロコー
ドMVPに導⼊

核設計計算の参照解

実⽤⾼温ガス炉の核設計⼿法確⽴

核設計計算コード（決定論的⼿法）の開発

現在

8

3 (5) 使⽤済燃料・⿊鉛廃棄物の研究開発
HTTRのための研究開発

⾼温ガス炉技術の完成に向けた研究開発
現在

前処理試験

 HTTR使⽤済燃料を⽤いた試験

中間貯蔵に関する検討 ⾃然循環空冷の可否の評価

直接処分に関する検討
 SiC被覆層の優れた耐腐⾷性を⽤いた処分⽅法の検討
 不活性⺟材型燃料の利⽤

固定ディスク回転ディスク⿊鉛廃棄物の評価
⿊鉛廃棄物量及び放射能量の評価

回転シャフト

破砕後の被覆燃料粒⼦粉砕⼯程（ディスククラッシュ法）

使⽤済燃料の発⽣量の評価

廃棄物減容に関する検討

 発電量当たりの使⽤済燃料の発⽣量を軽⽔炉と⽐較

有害度低減に関する検討

 処分場専有⾯積低減に関する検討

 ⾼濃縮ウランを⽤いたMAがほとんど発⽣しない炉⼼設計
 多重リサイクルによるMAが発⽣しない炉⼼設計

廃棄物低減技術

粒⼦
被覆燃料粒⼦ 投⼊⼝

直接処分技術 現⾏再処理施設で再処理するために必要な、⾼温ガス炉燃料特有の前処理⼯程（解体⼯程、焙焼⼯程、破砕⼯程）技術の確⽴

使⽤済燃料の処理に関する
検討

再処理技術

〜H29

3 (6) 安全性・安全基準の研究開発

受動的安全性
固有の安全特性HTTRの安全基準策定
軽⽔炉の安全基準
 基礎研究 炉⼼耐震評価
⼿法開発 安全評価⽤データ取得
HTTRの安全基準・安全評価⼿法

HTTRの安全性試験
固有の安全性に関するデータ取得
 制御棒引抜き
 流量喪失 燃料性能確証
実⽤⾼温ガス炉の安全基準検討
⽇本原⼦⼒学会
研究専⾨委員会（H25〜H26、H27〜H28）

現在
動的安全性

HTTR

実⽤炉
（発電、⽔素製造）

今後 実⽤⾼温ガス炉の安全基準案の策定
 国際標準化

実⽤⾼温ガス炉の安全基準検討
 国際標準化検討
IAEA CRP （H26〜H30）

PRA⼿法開発

 基準案確証のためのHTTRデータ取得

 HTTRの安全性試験
 HTTR-GT/H2試験

 安全評価⼿法⾼度化
104 (1) ヘリウムガスタービン発電技術の研究開発
実⽤化
基本設計及び要素技術開発（2001-）

 ⾼効率ヘリウム圧縮機
 再⽣熱交換器⽤コンパクト
熱交換器技術*1

実⽤炉（ガスタービン発電）

要素技術開発 低FP沈着タービン翼材開発
 軸シール技術開発

⼤型化・⾼温化
1/3スケール圧縮機

熱交換器試作体今後*1 三菱重⼯業（株）にて開発

HTTR-GT試験

現在
⾼温ガス炉ガスタービン発電システムの概念設計（1998-2001）

ヘリウムガスタービン
HTTR

11

4 (2) ⽔の熱分解による⽔素製造︓ 熱化学法ISプロセス
 ⽔の熱分解 : 4000℃以上の⾼温熱が必要
 IS プロセス : ヨウ素（I）と硫⻩（S）を利⽤して 約900℃の熱で⽔を熱分解
ヨウ素と硫⻩はプロセス内で循環 ⇒ 有害物質の排出なし
⾼温ガス炉との組み合わせ⇒ 炭酸ガスの排出なし【技術課題】
 運転制御 効率
 耐⾷機器12

4 (2) 熱化学法ISプロセス⽔素製造法の研究開発
実⽤化

⼯学基礎試験
（1999-2004）

ヨウ化⽔素と硫酸の⽣成

今後

実⽤炉（⽔素製造）

HTTR-GT/H2試験

硫酸分解

⽔素製造施設HTTR
ヨウ化⽔素分解

ガラス製試験装置により１週間連続⽔素製造を達成

研究成果の⺠間事業者への移転

現在

⼯業材料機器試験（2010〜）

要素技術開発実験室規模試験
閉サイクル理論を検証（1997）（2005-2009）• 効率向上のための放射線製膜技術• SiC製反応器の製作技術

連続⽔素製造試験装置

2016年 2⽉
8時間（10 L/h）
2016年10⽉ 31時間（20 L/h）
2018年12⽉ 150時間（30 L/h）

 ⼯業材料製反応器の耐⾷・耐熱健全性の確証

 セラミックス構造体
設計⽅針作成 機器⼩型化要素技術開発

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5 ．実⽤化への道筋
2020

2030

2050

国内産業界

 実⽤炉設計・建設【ST】【GT/SR】

2040

 機器実証（GT）
 実証炉設計【IS】

 実証炉建設
 実⽤炉設計

 実⽤炉建設

 機器実証（IS）
 実証炉設計

 実証炉建設
 実⽤炉設計

国際協⼒

蒸気利⽤/ST 実験炉
蒸気利⽤/ST 実証炉

ＪＡＥＡ

HTTR熱利⽤試験（GT）（HTTR-GT試験）

HTTR熱利⽤試験（IS）（HTTR-GT/H2試験）

燃料の⾼性能化、実⽤炉条件での燃料・材料性能確証、使⽤済燃料・⿊鉛廃棄物処理技術
評価⼿法の⾼度化（炉⼯学、安全性）
設計・材料規格基準策定の⽀援

⾼温ガス炉の実現⼿順
HTTR→ 実証炉（商⽤炉１号機）→ 実⽤炉（商⽤炉N号機）

IS基盤技術開発※ ST︓蒸気タービン発電、GT︓ガスタービン発電、 SR︓天然ガス⽔蒸気改質法⽔素製造、IS︓ISﾌﾟﾛｾｽ法⽔素製造

14６ ．まとめ 原⼦⼒機構では、⾼温ガス炉の実⽤化に向けて、HTTRを活⽤した⾼温ガス炉技術、ヘリウムガスタービン発電や熱化学法ISプロセス⽔素製造法などの熱利⽤技術の研究開発を推進している。
 今後、国内産学官の連携や国際協⼒の活⽤により、技術課題の解決を図り、我が国の優れた⾼温ガス炉技術及びその熱利⽤技術の実⽤化を⽬指す。

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