原子力学会 2018年春の年会 新型炉部会セッション(1) 第4世代原子炉の開発目標と展望

平成30年3月26日
日本原子力研究開発機構
小野 清
0本日の報告内容
1. 原子炉システムの「世代」
2. 第４世代原子力システム国際フォーラム（GIF）の概要
3. 開発目標と設計仕様
4. GIFの6システム概念
5. 技術ロードマップと開発の現状
6. GIFの成果普及活動
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1. 原子炉システムの「世代」
稼働中の発電用原子炉は、概ね第2～第3世代原子炉
今後の次世代原子炉として、第3+世代炉（EPR、ESBWR等）や第4世代炉がある。
第3+世代炉は、第3世代炉に対してより先進的な安全方策を導入
第4世代炉は、2030年頃の実用化を目標として、第4世代原子力システム国際フォーラム（GIF：Generation IV International Forum）の場等で開発が進められている。

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2. GIFの概要①

これまでの経緯：
2001年
GIF憲章の署名
米、仏、日等9か国が署名
この後、2002年にスイス、2003年にEuratom、2006年に中国とロシア、2016年に豪州が署名

2002年
2005年

6つの革新的原子力システム選定
GIF技術ロードマップの完成 ＜①＞②

枠組み協定（FA）の署名 ＜②＞2006～2010年 6つのGIFシステム全てについて、「取決め」或いは「覚書」を署名【歴代のGIF議長】

2003年～ 初代議長
米国 マグウッド氏
元DOE原子力局長、NRC委員
OECD/NEA事務局長

2006年～ 第2代議長
仏国 故ブシャール氏
元仏原子力開発局長

2010年～ 第3代議長
日本 佐賀山氏
元JAEA次世代部門長
GIF名誉議長

2013年～ 第4代議長
米国 ケリー氏
元DOE原子力局次官補代理
ANS次期会長

2016年～ 第5代議長
仏国 ゴーシェ氏
仏原子力開発局長

32. GIFの概要(GIFメンバー: 13ヶ国と1機関)

カナダ

中国

仏国

ロシア

南アフリカ

スイス

米国EU

日本

韓国

△△ △△△△ △ △豪州

英国ブラジルアルゼ
ンチン

Na冷却高速炉 SFR
超高温ガス炉 VHTR
ガス冷却
高速炉 GFR
超臨界水冷
却炉 SCWR
鉛冷却高速炉 LFR
溶融塩炉MSR△
システム取決めの締結国・国際機関△ 覚書（システム取り決め準備段階）の締結国
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3. 開発目標と設計仕様
開発目標

設計仕様の例

安全・高信頼な運転 ・通常運転時における高い安全性・信頼性
安全・信頼性

経済性

炉心損傷の防止・事故頻度の最小化、事故時でも炉心損傷を発生させない設計

施設外の緊急時対応 ・放射性物質放出の可能性・量を最小化するようにシビアアクシデ
ントの制御、緩和が出来る安全系が不要
ライフサイクル・コ
・革新技術・材料によるコンパクトなプラントの追求
ストの低減
・高燃焼度、高稼働率
財政リスクの低減
放射性廃棄物最小化 ・マイナーアクチニド（MA）燃焼、長寿命FP蓄積防止

持続可能性

核拡散
抵抗性

高い燃料利用効率

・MA燃焼によるウラン資源有効利用（軽水炉から高速炉サイクルへ）

核不拡散

・核物質拡散や制度悪用に対する制度的・技術的対策

核物質防護

・IAEA指針・法規、サイクル概念に適した防護システムの採用

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3. 開発目標と設計仕様（その1：安全・信頼性）
開発目標

設計仕様の例

安全・高信頼な運転 ・通常運転時における高い安全性・信頼性
安全・信頼性

炉心損傷の防止・事故頻度の最小化、事故時でも炉心損傷を発生させない設計

施設外の緊急時対応 ・放射性物質放出の可能性・量を最小化するようにシビアアクシデ
ントの制御、緩和が出来る安全系が不要＜SDC/SDG構築への取り組み＞

基本的安全原則（例：深層防護、ALARAの原則等）

構築済
構築中

SDC

一般的安全設計クライテリア

SDG

SDCを設計に展開するためのガイド
特定系統・機器設計の推奨事項

国際的な共通化・調和の推進を目指す

各国毎の規格・基準（ASME、JSME、 民間規格等）

SDC：安全設計クライテリア、SDG：安全設計ガイドライン
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3. 開発目標と設計仕様（その2：経済性）
開発目標
経済性

設計仕様の例

ライフサイクル・コ
・革新技術・材料によるコンパクトなプラントの追求
ストの低減
・高燃焼度、高稼働率
財政リスクの低減

経済性向上方策（JSFRの例）:
燃料の高燃焼度化（15万ＭＷｄ/ｔ)と長期運転サイクル（18～26ヶ月）による燃料費及び運転費の低減
２ループ構成で大出力化(150万kWe級)、高クロム鋼による配管短縮、ポンプ組込型中間熱交換器等の採用によるプラント物量削減による建設費の低減
統合経済性評価モデル（G4-ECONS）の構成
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3. 開発目標と設計仕様（その3：持続可能性）
開発目標

設計仕様の例

放射性廃棄物最小化 ・マイナーアクチニド（MA）燃焼、長寿命FP蓄積防止
持続可能性
高い燃料利用効率廃棄物発生量の低減

・MA燃焼によるウラン資源有効利用（軽水炉から高速炉サイクルへ）

ウラン資源の有効利用
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3. 開発目標と設計仕様（その4：核拡散抵抗性）
開発目標
核拡散抵抗性設計仕様の例

核不拡散

・核物質拡散や制度悪用に対する制度的・技術的対策

核物質防護

・IAEA指針・法規、サイクル概念に適した防護システムの採用

 提案された原子力システム（NES)設計に対して、一連のチャレンジを定義し、これらのチャレンジに対するシステム応答を解析して結果を評価する。
 NESに対するチャレンジは、潜在的な拡散者 (拡散を意図する国家または非国家主体の敵対者) によって引き起こされる脅威 (Threats) である。
 GEN-IV システムが有する特性は、技術的特性及び制度的特性の両方において、システムの応答を評価し、その拡散脅威に対する抵抗性と、妨害破壊行為及びテロの脅威に対する抵抗性を決定するために用いられる。
 このシステム応答の結果は、核不拡散(PR)に対しては６個の指標 (Measures)、核物質防護(PP)に対しては３個の指標によって表現される。
GIF PRPP Gr報告書「GEN IV 原子力システムの核拡散抵抗性及び核物質防護評価手法 Rev.5」(2006年11月）より

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4. GIFの6システム概念
蒸気発生器

中間熱交換器

タービン

制御棒

発電機

電力

凝縮器

高温プレナム１次系高温ナトリウムポンプ

ヒートシンク

炉心
１次系低温ナトリウムポンプ

2次系
ナトリウム

低温プレナムナトリウム冷却高速炉（SFR)

超高温ガス炉（VHTR）

ガス冷却高速炉（GFR）

技術的に最も成熟。革新技術の導入による安全性・経済性等の向上

高温ガス（900～1000℃）の産業利用

化学的に活性なﾅﾄﾘｳﾑの代わりにヘリウムガスを採用

超臨界水冷却炉（SCWR）
超臨界水（374℃、22.1MPa以上）を用いた装置のコンパクト化と熱効率向上

鉛冷却高速炉（LFR）
化学的に活性なﾅﾄﾘｳﾑの代わりに鉛を採用

溶融塩炉（MSR）
図は、液体燃料を使用した熱中性子炉の概念。現在は、高速炉概念を10中心に検討中4. GIFの6システム概念
システム

中性子
スペクトル

冷却材

出口温度
（℃）

燃料サイクル

出力(万kWe)

ナトリウム冷却
高速炉
(SFR)

高速中性子

ナトリウム

500-550

クローズド

5-150

超高温ガス炉(VHTR)

熱中性子

ヘリウム

900-1000

オープン

25-30

ガス冷却高速炉
高速中性子
(GFR)

ヘリウム

850

クローズド120超臨界水冷却炉(SCWR)

熱中性子/
高速中性子

水510-625

オープン/
クローズド

30-150鉛冷却高速炉
(LFR)

高速中性子

鉛480-570

クローズド2-120

溶融塩炉
(MSR)

熱中性子/
高速中性子

フッ化物塩

700-800

クローズド100

VHTRやLFR等では、発電以外の用途として水素製造、産業への熱利用、海水の淡水化の可能性についても検討している。
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5. 技術ロードマップと開発の現状<第4世代炉実用化までの開発３段階>① 成立性確認段階（Viability Phase）
基本概念の試験実施及び基本的技術課題の解決② 性能確認段階（Performance Phase）
工学規模のプロセス・現象・材料の確認と原型規模での実証③ 実証段階（Demonstration Phase）
実用化に繋がるシステムの詳細設計・許認可・建設・運転（注）これまでのGIF協力は、①・②が主な対象。
（第4世代炉の実用化目標時期は「2030年以降」）
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5. 技術ロードマップと開発の現状
各炉型の開発スケジュール見通し（技術ロードマップ）
 第4世代炉の開発は、候補概念ｼｽﾃﾑや関連枢要技術の成立性を確認する「成立性確認段階」、その次に工学的規模での実証等を含めた「性能確認段階」を経て、原子炉システムとしての実証段階に至ると想定している。
 GIFでは実証段階に至る前までを対象に研究協力を実施中
 2014年1月に、GIF技術ロードマップを改定
超高温ガス炉 VHTR
ナトリウム冷却高速炉 SFR
超臨界水冷却炉 SCWR
溶融塩炉 MSR
鉛冷却高速炉 LFR
ガス冷却高速炉 GFR
2000

2005

2010

成立性確認段階

2015

2020

性能確認段階

2025

2030

実証段階

出典：Technology Roadmap Update for Generation IV Nuclear Energy Systems, OECD/NEA, Jan. 201413

5. 技術ロードマップと開発の現状
2002年と2013年のロードマップ

成立性確認段階

性能確認段階

実証段階

出典： A Technology Roadmap for Generation IV Nuclear Energy Systems, US DOE & GIF, Dec.. 2002
Technology Roadmap Update for Generation IV Nuclear Energy Systems, OECD/NEA for GIF, Jan. 201414

5. 技術ロードマップと開発の現状
各炉型の開発概況

SFR：露BN-800（上、2016年運開）約400炉・年（約20炉）の運転実績

ガス高速炉：欧州におけるAllegro炉(75MWth)計画

高温ガス炉：上記発電炉と共に、多くの試験炉（HTTR日本、HTR-10中国）の運転実績

SCWR：加、中、欧、日（上図）での設計

溶融塩炉：FHR設計 （粒状燃料、フッ化物冷却材）の進展

鉛冷却炉：
露BREST-300炉建設計画

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GIFの成果普及活動
1）GIFシンポジウム（3年毎に開催）

日 時場

所

第1回

2009年 9月

仏、パリ

第2回

2012年11月

米、サンディエゴ

第3回

2015年 5月

日、幕張

第4回

2018年10月

仏、パリ

共通セッション及び技術セッション（下記の11Tracks）

Abstract 400Words
締切 3月末に延長

Track 1 & 2: Progress on Gen IV systems
Track 3: Human capital development
Track 4: Research infrastructures
Track 5: Safety and security
Track 6: Fuels and materials
Track 7: Advanced components and systems for Gen IV reactors
Track 8: Integration of nuclear reactors in low carbon energy systems
Track 9: Decommissioning & Waste Management
Track 10: Operation, Maintenance, Simulation & Training
Track 11: Construction of nuclear reactors
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GIFの成果普及活動
2）GIFウェッブ技術解説シリーズ（GIF Website内、各1時間程度、2016年9月～継続中）
https://www.gen-4.org/gif/jcms/c_84279/webinars
解説スライドはダウンロード可能
解説のテーマ
第1回

次世代原子力ｼｽﾃﾑ（米Kelly DOE次官補代理）

第2回

核燃料サイクル（韓Youngsan大 Yang教授）

第3回

原子炉設計（仏CEA Renault博士）

第4～10回GIF６炉型

第11回～

各種の技術テーマ（燃料、材料、発電、経済性、安全性、他）

昨年11月

Phenix, Superphenix（仏CEA Guidez博士）

3月21日

MYRRHA炉のR&D (ﾍﾞﾙｷﾞｰSCK•CEN Abderrahim博士）

4月18日

BN 600とBN 800（露 IPPE Ashurko博士）

5月23日

核拡散抵抗性(米ﾌﾞﾙｯｸﾍﾌﾞﾝ国立研 Bari博士）
17ご清聴、ありがとうございます。

18

補足スライド

19次世代炉開発の国際協力枠組み
開始年

IAEA/INPRO（革新的原子炉及び燃料サイクルに関する国際プロ
ジェクト）

IAEA/TWG（各炉型別の技術ワーキンググループ）

OECD/NEA
NI2050（原子力革新2050イニシアティブ）

EURATOM
Horizon2020(革新的開発の促進枠組)

2001
～

1967
～

目的と次世代炉開発への取組
 革新的原子力システムを導入するための評価手法や制度の整備を目的
 高速炉を用いた閉燃料サイクルの評価、世界的原子力ビジョン共同研究等を実施
 各国の専門家により、IAEA原子力技術開発局の活動への支援・アドバイスを提供(TWGFR) 高速炉、ガス冷却炉、先進的軽水炉、先進的重水炉、淡水化の5つのWG

2015～ 低炭素社会実現のため、将来を見据えた原子力の研究開発と革新技術の実証のため、2050年までを見据えたロードマップの策定
 第２世代炉から第４世代炉を対象に、原子炉と関連する核燃料サイクルの技術開発を検討

2013～

 全欧州規模で実施される最大規模の研究及び革新的開発を促進するためのフレームワークプログラム
 2014年より2020年までの7年間にわたり、約800億ユーロの公的資金が提供される。

参加国
41ヵ国＋1機関

18ヵ国＋2機関(TWGFR)

31ヵ国
(NEA)

46の原子
力関連プログラム（2018年1月）

20

GIF 運営組織
政策Gr（PG）

政策グループPG

GIF全体の運営として、参加手続き、規定策定などを行うと共に、他の国際協力活動との相互協力も進める。

専門家Gr（EG）
各システム共通のテーマについて協議する。

システム運営委員会（SSC）
研究開発計画の作成、協力実施を進める。
協力プロジェクト毎の計画作成、協力実施を進める。

評価手法検討Gr（MWG）
核拡散抵抗性・核物質防護、リスク・安全性、経済性に関する評価手法の検討。

上級産業界諮問パネル（SIAP）
投資リスク低減など産業界の視点をGIF活動に取り入れる。

技術事務局（TS）
OECD/NEA
MWG,SSC,PMBの会議事務局。

政策事務局

専門家
グループ
EG

政策部長（PD）
システム運営委員会
SSC

プロジェクト管理委員会（PMB）

評価手法
検討
グループ
MWG

上級産業諮問パネル SIAP

技術部長（TD）

技術事務局
NEA
プロジェクト
管理委員会

報告
事務局準備

PMB

コミュニケーション
調整21

技術的検討に関する各種GIF委員会の構成
プロジェト管理委員会

システム運営委員会
フェーズ２手続き中

システム統合･評価＊

横断的グループ（評価手法）

安全・運転性
先進燃料

ワーキンググループ
経済性モデルナトリウム冷却高速炉 (SFR)
機器・ BOP
GIF協力は終了。
日仏米3カ国協力へ

包括的アクチニドサイク
ル国際実証（GACID)

核拡散抵抗性・核物質防護

水素製造
超高温ガス冷却炉 (VHTR)
超臨界水冷却炉 (SCWR)

リスク・安全性

計算手法検証＊材料
燃料適性＊

燃料・燃料サイクル
鉛冷却高速炉 (LFR)

設計・統合＊
SIA, コンポーネント＊

水化学・材料

ガス冷却高速炉 (GFR)
燃料・炉心材料＊

溶融塩炉 (MSR)

概念設計・安全

熱流動・安全（＊は設置準備中）
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ＰＲ及びＰＰの指標
ＰＲの指標
・ 拡散の技術的困難性 (ＴＤ)
拡散行為に対する固有の困難性で、拡散に対する多重障壁を突破するために要求される技術の高度化および核物質取扱能力の必要性により生じる。

・拡散コスト (ＰＣ)
拡散に対する多重障壁を突破するために必要とされる経済的・人的投資（既存あるいは新設の施設使用を含む）

・ 拡散時間 (ＰＴ)
拡散に対する多重障壁を突破するためにかかる最小の時間 (すなわち、そのプロジェクトのためにホスト国によって計画される全時間)

・ 核分裂性物質のタイプ(ＭＴ)
核爆発装置に利用する際の核物質の有用性に対して、核物質の特性が与える影響の程度に基づく分類

・ 検知確率 (ＤＰ)
拡散のセグメントあるいはパスウェイを検知する累積確率・ 検知リソースの効率 (ＤＥ)
ＮＥＳに国際保障措置を適用するための、人、装置及び資金の利用効率

ＰＰの指標
・ 敵の成功確率
敵対者がパスウェイに記述される行為を成功裏に完了し結果を生み出す確率・ 影響
パスウェイに記述される敵対者の行為が成功裏に完了することによる影響

・ 核物質防護リソース
バックグラウンドスクリーニング（身元審査）、検知、妨害及び無効化のような核物質防護を提供するのに要する、人、能力及びコスト。また、脅威の高度化と能力の変化に対するこれらのリソースの感度23

GIFの成果普及活動
3）GIF年報（GIF Website内からダウンロード可能）
https://www.gen-4.org/gif/jcms/c_9373/publications

目次（2016年版の例、全162頁）

第1章

メンバー国・運営組織・取決め等

第2章

各国における原子力の概況

第3章

GIF６炉型運営委の活動報告

第4章

評価手法3Grの活動報告

第5章

タスクフォースの活動報告

第6章

上級産業界諮問委(SIAP)の活動報告

各国の第4世代炉R&Dが英語で分かりやすく解説されている。

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