令和3年度開始 廃炉・汚染水対策事業費補助金

安全システムの開発（ダスト飛散率データ取得）
2022年度最終報告

一般財団法人電力中央研究所
2023年10月

目次
3
1. 事業の全体計画
11
2. 各実施項目の成果
12【1】燃料デブリ取り出しに必要とされるダスト飛散率の調査・検討
24【2】ダスト飛散率測定試験
32【2-1】ダスト飛散率パラメータ試験
82【2-2】ダスト飛散率詳細データ測定試験
102【3】ダスト飛散挙動評価試験
103【3-1】コールド模擬材による挙動評価試験
119【3-2】ウラン模擬デブリによる飛散挙動評価試験【3-3】kg規模ウラン含有模擬デブリによるダスト飛散挙動測定試験 127
141【4】ダスト飛散挙動の解析
143【4-1】ダスト飛散挙動解析技術の検討
149【4-2】実験体系の解析評価
157
3. 全体のまとめ
2

１．事業の全体計画

3

本事業の目的●安全評価の技術根拠として乾式切削条件のダスト飛散データを体系的に整備する。
●切削方法や燃料デブリ性状等の影響ﾊﾟﾗﾒｰﾀと関連付けてダスト飛散率データを取得する。
 燃料デブリ切削ダストによる公衆／従業員の被ばく線量評価に必要なデータ：
SourceTerm※ = MAR(放射能)×DR （影響率)×ARF(飛散率)×RF(吸引率)×LPF(移行率)
排気２次バウンダリー
（建屋）

⑧
漏洩率
実測

HEPA

⑦

HEPA
解析

１次バウンダリー
（PCV)

移行率
LPF

⑥
⑤

集塵率
実験
②

③

④

沈着率
実験&解析

①
解析

切削欠損量 飛散率 粒性状･粒径分布(いずれも実験で)本事業で取得する飛散率データ
 切削欠損量（→DR）
 飛散率ARF
 粒性状・粒径分布（→RF)⇐ ダスト放出経路例（燃料デブリ切削作業[平常時])と評価に必要なパラメータとその導出方法（実施案）①

切削ﾀﾞｽﾄの気相部への移行（本ﾌｪｰｽﾞ～）②

切削ﾀﾞｽﾄの液相部への移行（次ﾌｪｰｽﾞ～）③

局所集塵システムでの回収（他事業）④

ﾍﾟﾃﾞｽﾀﾙからPCVへ移行（次々ﾌｪｰｽﾞ～）⑤

PCV/排気系内の沈降・沈着（次々ﾌｪｰｽﾞ～）⑥

PCV内を移行（次々ﾌｪｰｽﾞ～）⑦

PCV排気系への移行⑧

PCVから建屋への漏洩※US Department of Energy, “DOE Handbook Airborne Release Fractions / Rates and Respirable Fractions for Non Reactor
Nuclear Facilities Volume I – Analysis of Experimental Data”, DOE-HDBK-3010-94, Dec. 1994.

4本事業で対象とする切削工法
 燃料デブリの切削工法としてIRIDは下記５工法を想定 ※。
 実機仕様が未確定なため、回転数等の運転条件だけでなく、切削刃の種類や寸法等も含めた幅広いパラメータスタディが必要。
 実運用は湿式（冠水／注水）条件だが、本事業では、ダスト飛散挙動把握の基
礎および保守側条件として、乾式切削の①～④を対象とする。

①ディスクカッター②コアボーリング③チゼル
本事業の対象

高圧水
砥粒

④レーザー

⑤アブレーシブ・ウオータージェット※IRID, 平成30年度補正予算「廃炉・汚染水対策事業費補助金」「燃料デブリ・炉内構成物の取り出し規模の更なる拡大に向けた技術の開発（燃料デブリのダスト集塵システムの技術開発）」2019年度実施分成果報告、2020年8月、p.23.

5

本事業の実施項目【1】燃料デブリ取り出しに必要とされる
ダスト飛散率の調査・検討【2】ダスト飛散率測定試験【3】ダスト飛散挙動評価試験【4】ダスト飛散
挙動の解析

【1-1】

【2-1】

【3-1】

【4-1】

通常時／事故時の安全評価に関わるダス
ト飛散率の調査･検討

ダスト飛散率パラメータ試験

コールド模擬材による挙動評価試験

ダスト飛散挙動解析
技術の検討

【1-2】

【2-2】

【3-2】

【4-2】

既存飛散率データの調査

ダスト飛散率
詳細データ測定試験

ウラン含有模擬デブ
リによる飛散挙動評
価試験

実験体系の解析評価【3-3】※
kg規模ウラン含有模擬デブリによるダス
ト飛散挙動測定試験（※）実燃料デブリに近い非均質なウラン含有模擬燃料デブリによる検証データ取得の必要性から、計画変更により2022年3月に追加。

6

本事業の実施体制
一般財団法人電力中央研究所（電中研）

東京電力ﾎｰﾙﾃﾞｨﾝｸﾞｽ株式会社（東電HD)■研究実施機関■プロジェクト管理【1】燃料デブリ取り出しに必要とされるダスト飛散率の調査・検討【2】ダスト飛散率測定試験【3】ダスト飛散挙動評価試験【4】ダスト飛散挙動の解析

打合せを通じた綿密な協力・研究計画／実施方法
・結果の解釈、等

日立GEニュークリア・エナジー株式会社（日立GE）
・通常時／事故時の安全評価に関わるダスト飛散率の調査・検討
・デブリ切削ダスト飛散率データ整備（チゼル）三菱重工業株式会社（三菱重工）
・デブリ切削ダスト飛散率データ整備（ディスクカッター）

株式会社IHI （IHI）
・デブリ切削ダスト飛散率データ整備（コアボーリング、レーザー）東芝ｴﾈﾙｷﾞｰｼｽﾃﾑｽﾞ株式会社（東芝ESS）／日本核燃料開発株式会社（NFD）
・デブリ切削ダスト飛散率データ整備（ウラン試験）

ONET／Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives(CEA)／L'Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire (IRSN)
・kg規模ウラン含有模擬燃料デブリのダスト飛散率挙動測定試験

アドバンスソフト株式会社（アドバンスソフト）
・微粒子飛散挙動解析計算

株式会社電力テクノシステムズ（電力テクノ）・ダスト飛散率測定試験業務（電力中央研究所 横須賀地区）
・燃料デブリ切削挙動測定試験業務（電力中央研究所 狛江地区）

7

他事業との関連 廃炉・汚染水対策事業のデータをできるだけ集約し、事業に反映する。
【技術研究組合国際廃炉研究開発機構（IRID）】
燃料デブリ・炉内構造物の取り出し規模の更なる拡大に向けた技術の開発（燃料デブリのダスト集塵システムの技術開発）
燃料デブリの性状把握のための分
析・推定技術の開発
燃料デブリの段階的に規模を拡大した取り出し技術の開発
安全システムの開発（液体系・気体系
システム、臨界管理技術）
燃料デブリの性状把握のための分
析・推定技術の開発（燃料デブリの経年変化特性の推定技術の開発）【東芝ＥＳＳ】

燃料デブリ・炉内構造物の取り出し規模の更なる拡大に向けた技術の開発（燃料デブリのダスト集塵システムの技術開発）【ＯＮＥＴ】③④

本ＰＪへのインプット情報①適用が見込まれる切削工法①② ②環境や設計から制約（切削工具、切削時③④間、切削条件など）③測定済のダスト生成・飛散データ④模擬燃料デブリ性状③④

本ＰＪの成果目標
主要加工工法（チゼル、ディスクカッター、
コアボーリング、レーザー）のダスト飛散率（乾式切削条件）
8実施スケジュール（計画と実績）(1/2)
本工程表は研究の進捗状況や、Input、Outputが適切に研究内でなされていることを確認することを目的として、工程目標を見える化したものであり、当初計画を薄い青■、実績を濃い青■、計画修正部分を薄い緑■、遅延部分を濃い緑■で示す。また、公募要領書記載項目を青字太字で示す。

9

実施スケジュール（計画と実績） (2/2)
本工程表は研究の進捗状況や、Input、Outputが適切に研究内でなされていることを確認することを目的として、工程目標を見える化したものであり、当初計画を薄い青■、実績を濃い青■、計画修正部分を薄い緑■、遅延部分を濃い緑■で示す。また、公募要領書記載項目を青字太字
で示す。
内容

関係外注先

6

7

8

2021
9

10

11

12

1

2

3

4

5

6

2022

7

8

9

10

11

12

1

2023
2

3

進捗率

備考
（経過状況等）10

２．各実施項目の成果

11【1】燃料デブリ取り出しに必要とされるダスト
飛散率の調査・検討

12

【1】燃料ﾃﾞﾌﾞﾘ取り出しに必要とされるﾀﾞｽﾄ飛散率の調査・検討
目 的
福島第一原子力発電所において燃料デブリ取り出しを実施するために、どのようなダスト飛散率データを測定・評価することが必要で、そのダスト飛散率データは安全評価や設計にどう活用するかを、廃炉ハンドブック※やこれまでの廃炉・汚染水対策事業の設計検討などを参考に机上検討する。

実施内容
1.

燃料デブリ取り出し作業における安全評価の考え方の検討2.

平常時、事故時、対象とする核種

燃料デブリ取り出し作業における放射性物質放出量の評価


平常時、事故時

3.

既存飛散率データの調査

4.

課題の摘出


線量評価パラメータの分類・整理、被ばく線量の検討※）電力中央研究所、「廃止措置工事環境影響評価ハンドブック（第3次版）」、2007年3月. 13

【1-1】燃料デブリ取り出し作業における安全評価の考え方の検討(平常時)
 IRIDによる燃料デブリ取り出し作業フローに基づき、ダスト放出可能性のある燃料デブリ取り出し作業（赤枠）とダスト放出経路を検討
原子炉建屋
格納容器

燃料デブリの切削・破砕

増設建屋

原子炉建屋換気設備

排気増設建屋内セル排気設備

排気増設建屋換気設備

排気ユニット缶の輸送
ユニット缶の乾燥収納缶への収納増設建屋内セル

排気測定（形状寸法、濃度、臨界等）と仕分け
ユニット缶への装荷

アクセストンネル

格納容器排気設備

収納缶の乾燥
収納缶の移送容器への収納
移送容器の保管建屋への輸送

保管容器建屋

収納缶の開缶
収納物の確認

保管容器建屋内セル排気設備

排気

保管容器建屋換気設備

排気

収納缶の乾燥
保管建屋内セル

保管容器への収納保管容器の移送
保管容器の保管14【1-1】燃料デブリ取り出し作業における安全評価の考え方の検討（事故時）
 1F燃料デブリ取り出しに関して想定すべき事象は確定していないため、本事業では日本原子力学会廃炉等検討委員会の廃炉リスク評価分科会の報告書等を参考に
以下の事故事象を事例として検討した。
落下、転倒、衝突

冷却喪失

水素燃焼

フィルタ落下（フィルタへの衝撃含む）

火災（可燃物引火など）

フィルタ火災

Zr火災

閉じ込め喪失（負圧喪失など動的要因）

漏洩（液体など）

臨界 格納容器内、払い出しセル内、フィルタトレイン内などで発生しうるダスト放出可能性のある想定事象の案。
 全体で42ケースの想定シナリオを整理し、発生場所、放出経路の類似性によるパターン分類を検討。
15

【1-1】燃料デブリ取り出し作業における安全評価の考え方の検討（対象とする核種）
 炉内構造物の放射化核種の選定については、廃炉ハンドブックにおける評価を参照。
 燃料起因の放射性核種については、報告されている1Fの1号機燃料の燃焼計
算結果※をもとに、1F被ばく評価において被ばくへの寄与が大きくなる核種を抽出（黄色）。

※）西原健司、他、「福島第一原子力発電所の燃料組成評価」、JAEA-Data/Code2012-018、2012.

16

【1-2】燃料デブリ取り出し作業における放射性物質放出量の評価（平常時・事故時）
 作業毎（平常時）、事象分類毎（事故時・特定のパターンについて）に放射性物質移行フロー、移行評
価式を五因子法に基づき具体化。
 吸入摂取による寄与が大きいと見込まれるPu-238を対象。
 燃料デブリ切削作業時のﾌﾛｰと評価式(例)STi※ ＝MARi・DR・ARFi・RF・[r1／DF1＋（1－r1）]・（1－r2）・[（1－r3）／DF2＋r3・｛（1－r4）／DF3＋r4｝]
STi ：放射性物質iの環境への放出量(Bq)
MARi：対象燃料デブリの放射性物質iのインベントリ(Bq)DR ：切削により影響を及ぼす対象物の範囲(-)
ARFi：切削による放射性物質iの粒子の飛散率(-)
RF ：放射性物質の放出に寄与する粒径範囲の粒子の割合(-)
DF1 ：局所集塵装置フィルタによるDF(-)
DF2 ：格納容器排気設備フィルタのDF(-)
DF3 ：建屋換気設備フィルタのDF(-)
r1 ：局所集塵装置による回収効率(-)
r2 ：格納容器内の沈着割合
r3 ：格納容器からの漏洩割合(-)
r4 ：建屋からの漏洩割合(-)

燃料デブリ切削時の放射性物質移行経路模式図

燃料デブリ切削時の放射性物質放出フロー※）五因子法（p.4）を核種iについて立式したもので、本評価の場合、STiはPu-238のソースターム、MARiはPu-238の放射能、ARFiはPu-238の飛散率を表す。.

17

【1-2】燃料デブリ取り出し作業における放射性物質放出量の評価
放射性物質放出量の試算例（燃料デブリ切削作業時）
 パラメータの説明、概数、参 放射性物質の存
考文献、並びに放射性物質 在量：MARiの放出量を整理・試計算（暫定値として評価）


飛散率は廃炉ハンドブック※

事故の影響を受ける割合：DR

に掲載の、水を被らない乾式でのディスクカッター切削の値を用いた、保守的な評
飛散率：ARFi
価となっており、今後の見直しが必要。
 評価値が設定できないもの
は放出量を評価せず。

呼吸吸引の粒径範囲の粒子割合：
RF
r1
放出経路で
の低減率： r2
LPF…

4.72E+14 燃焼計算による1F-1燃料の10年(Bq/core) 減衰Pu-238放射能。
4.94E-6(1/h)

IRID 設計条件「10 年間、200 日／
年、加工時間10時間／日で全イン
ベントリ切削」と切り出し形状を
40×28×9cm、カーフ幅3.1mm とした場合の欠損率10%より導出）。

0.025(-)

廃炉ハンドブック（放射化金属のディスクカッターによる乾式切削での飛散率0.02％～2.5％）より設定。

1

保守的に1と仮定。

0

局所吸塵装置を設置しないと想定。

0

保守的に沈着を期待しない。

…

…

放出量STi評価値 5.83E+3 (Bq/h)※）電力中央研究所、「廃止措置工事環境影響評価ハンドブック（第3次版）」、2007年3月.

18

【1-2】燃料デブリ取り出し作業における放射性物質放出量の評価
 通常作業時および事故時の放射性物質放出量を以下の事例について試算した。
 通常作業時の放出量については、燃料デブリ切断・切削時の放出量が他の作業と比べて大きくなった。（このことから、燃料デブリ切断時の防護設備を十分に施すことと、飛散率試験においては燃料デブリ切断・切削に着目した数値の精緻化が合理的と考えられた。）
 事故時の放出量については、フィルタや格納容器（PCV）換気系の破損を伴う事象の影響が大きい傾向が見られた。
No.

平常時（通常作業時）

No.

事故時

1

燃料デブリを入れたユニット缶の落下

2

燃料デブリから発生した水素の燃焼

34

汚染した可燃性雑固体の発火
Zry燃料被覆管の破砕片の発火

ユニット缶の運搬

5

排気ﾀﾞｸﾄ配管の破損による排気ｶﾞｽの漏洩

5ユニット缶の燃料デブリの乾燥

7

フィルタ交換時の床へのフィルタの落下

6

収納缶の燃料デブリの乾燥

87

保管容器の収納（ベント）9換気系フィルタ付着物の燃焼
格納容器換気系の停止による格納容器から漏洩

1

燃料デブリ切削2

燃料デブリと廃棄物の測定・仕分け

3ユニット缶への燃料デブリの装荷419【1-3】既存飛散率データの調査
 DOEハンドブック
 アクチニド酸化物粉末の再飛散挙動
 UO2ペレットへの衝撃による飛散
 …

 廃炉ハンドブック ※ 気中切断 燃料デブリに含まれる放射性物質の量 1～3号機炉心の燃焼計算
 汚染水への移行による核種の分配※ • 事故を経ない一般炉の廃炉を対象とするため、使用済燃料をソースタームとす••る評価モデルや評価パラメータは扱っていないことを注記。
使用済燃料は対象としないものの、燃料デブリ取り出しに参考になる情報として、金属、コンクリートの解体工法の評価モデル及びパラメータが提示。
安全防護設備についても試験と調査でモデル化が行われており、参考となると考えられる。
20

【1-4】課題の摘出
放射性物質放出量試計算に基づくパラメータ調査・検討を踏まえ、線量評価のためにどのような定量化が必要かを分類・整理し、課題を摘出。
 事故時（事例）の評価における課題：
事象

燃料デブリを入れ 燃料デブリから発 汚染した可燃性雑 Zry燃料被覆管の 排気ダクトの破損 注水等の除熱機能 フィルタ交換時の 換気系フィルタ付 格納容器換気系の 燃料デブリ取出したユニット缶の落 生した水素の燃焼 固体の発火
破砕片の発火による排気ガスの の停止による燃料 床へのフィルタの 着物の燃焼停止による格納容 作業時の燃料デブ
下デブリの温度上昇 落下
漏えい
器からの漏えいリの臨界落下するユニット
水素濃度制御能力 火災検知能力
缶の本数
落下時の衝撃（落 汚染物への輻射温
火災消化能力下高さ、緩衝材） 度

想定シナリオ

MAR ※

DR ※

ARF ※

落下するフィルタ
換気設備異常検知
火災検知能力臨界検知能力の数
能力
落下時の衝撃（落臨界停止能力火災消化能力
配管破断検知能力 配管破断検知能力
火災消化能力下高さ、緩衝材）
建屋換気設備の作 燃料デブリの過熱
圧力波の発生
燃焼温度
燃焼温度
燃焼温度
温度
動状況
汚染物への輻射温 汚染物への輻射温
換気系フィルタの事故時の排気ファ
排気系気体温度度
健全性／破損程度
度
ンの作動
換気系フィルタの 事故条件下での建事故時の排気ファ
排気系気体温度
健全性／破損程度 屋換気設備の作動
ンの作動
換気系フィルタの事故条件下での排健全性／破損程度
気ファンの作動
事故時の排気ファンの作動
エリア内の汚染物 可燃物中の汚染付 ジルカロイ粉末にフィルタの粉じん フィルタの粉じん 格納容器内の浮遊 臨界による発生核質
着量
含まれる汚染物質
付着量
粉じん量
分裂数
付着量
排気フィルタへの エリア内の汚染物 エリア内の汚染物
ー
ー
ー
質
質量
付着
排気フィルタへの付着量
エリア内の汚染物
漏えい停止（系統 過熱する燃料デブ
排気フィルタ付着 漏えい停止（系統
可燃物が燃焼する ジルカロイが燃焼のうち事故の影響
量のうち事故の影 隔離）までの時間隔離）までの時間 リの割合
割合する割合
を受ける割合響を受ける割合ーーー
排気フィルタ付着 エリア内の汚染物 エリア内の汚染物
量のうち事故の影 のうち事故の影響 のうち事故の影響を受ける割合を受ける割合響を受ける割合
落下時の衝撃によ エリア内の汚染物
加熱燃料デブリか フィルタ落下時の フィルタの加熱損 気体の漏えい流量 格納容器からの漏
可燃物の燃焼によ ジルカロイの燃焼の過温、圧力流にる飛散率
らの飛散率
傷に伴う飛散率
飛散率
えい率
る飛散率
による飛散率
よる飛散率
エリア内付着物の エリア内の汚染物 エリア内の汚染物
ー
うち過温で再浮遊 の過温、圧力流に の過温、圧力流に
よる飛散率
する飛散率
よる飛散率
フィルタの過圧破フィルタの過熱損
損に伴う飛散率
傷に伴う飛散率
火災検知能力配管からの漏えい
適温検知能力割合（破断口径）

燃料デブリ取り出し計画および設備設計により決定される仕様にもとづくパラメータ想定される事故での状況、環境条件として調査、評価、試験等にもとづき設定すべき物理パラメータ想定される環境条件での設備の機能を確認する必要があるパラメータ
被ばく評価パラメータとして調査、評価、試験等にもとづき設定すべき物理パラメータ※）ST（ソースターム）＝MAR (放射能)×DR (影響率)×ARF(飛散率)×RF(吸引率) ×LPF(移行率) ×線量換算係数 21【1-4】課題の摘出(被ばく線量の検討）
 ダスト飛散に関わる線量評価パラメータの分析（線量評価との連携・高度化）→未確定な情報のうち線量評価に影響が大きいパラメータの精緻化を絞り込む。
→実際の切削工法や環境条件に基づく試験条件、試験仕様、飛散率データ充足へのフィードバック。
→線量評価（内部被ばく）における粒径の扱いも検討が必要。

 ソースタームの詳細評価（外部被ばく）→気相移行ダストのふるまい（飛散、沈着、滞留）の評価。
→計画、設備設計の具体化（実機とのギャップ低減）として、局所吸塵の有無がソースタームに影響。

22

【1】燃料デブリ取り出しに必要とされるダスト飛散率の調査・検討

まとめ 作業毎（平常時）、事象分類毎（事故時・特定のパターンについて）に放射性物質移行フロー、移行評価式を五因子法に基づいて具体化し、吸入摂取による寄与が大きいと見込まれるPu-238を対象に放出量を試計算した。
 放射性物質放出量試計算に基づくパラメータ調査・検討を踏まえ、線量評価のためにどのパラメータの定量化が必要かを分類整理した。
 今後は、ダスト飛散に関わる線量評価パラメータをさらに分析し、線量評価に影響が大きいパラメータの絞り込み及び精緻化、実機で想定される切削工法や環境条件（湿潤環境）に基づく試験条件、試験仕様の適用と、飛散率データの適用性検討、本事業で導出するダスト飛散率データを用いた放出量の再評価、データ充足へのフィードバックが課題と考えられる。

23

【2】ダスト飛散率測定試験

24

【2】ダスト飛散率測定試験

目的と実施内容
 コールド材を４つの工法（ﾃﾞｨｽｸｶｯﾀｰ､ﾁｾﾞﾙ､ｺｱﾎﾞｰﾘﾝｸﾞ､ﾚｰｻﾞｰ）切削し、同じ気流条件で統一的な飛散率データを取得して、パラメータ依存性を取得する。
 繰り返しも含めると、膨大な試験数が必要となるため、【2-1】パラメータ試験として各委託先で工法を分担して試験を実施する。さらに、その結果を基に代表性の高いパラメータを選定し、電中研で【2-2】詳細データ測定試験を行い、再現性を確認するとともに、飛散ダストの空気動力学粒径や非飛散ダストの定量、性状把握等を行い、飛散率データを拡充する。
光散乱径

飛
散
率

【2-1】
パラメータ試験
工法毎
＠メーカー各社

ﾊﾟﾗﾒｰﾀ

パラメータ
の絞り込み

光散乱径
空気動力学径
粒子形状
粒子組成
etc.

飛
散
率

【2-2】
詳細データ測定試験
＠電中研

ﾊﾟﾗﾒｰﾀ 再現性確認
 包絡線
 詳細データセット

本実施項目でのデータ取得のイメージ
25

【2】ダスト飛散率測定試験

ダスト飛散率の測定方法
 本事業では、統一的な手法で、ユニバーサルな飛散率（ARFとARFRP※）の取得を目指す。
【3-1】項で確立した切削ダスト飛散率測定手法に基づき、共通設計の試験設備を整備。
 燃料デブリ取り出し時のPCV中の最大風速として保守的に0.1m/sを設定。
 生成するダスト性状に適用可能な粒子計測技術を検討。
 試験装置（ケーシング、インライン／アウトラインの計測器）を設計し、試作の上、共通設計を決定→電中研、国内メーカー、仏CEAで試験を実施。

飛散率

飛散ダスト量供試体欠損量※飛散率 ARFRP 呼吸摂取される空気動力学径≦10μmの飛散ダスト量から計算

ダスト飛散率測定試験設備の共通設計（ディスクカッターの例）※）呼吸摂取可能な空気動力学径≦10μmの飛散ダストだけで評価した飛散率を、ARFRPと略称する（RP=respirable）。
26
なお、この略称ARF はARFと区別するために本資料でのみで定義したもので、一般的なものではないことを注記する。

【2】ダスト飛散率測定試験

ダスト飛散率測定装置の整備
 ダスト飛散率測定装置（1号機、2号機）を試作・試験して共通設計を決定し※、【2-1】パラメータ試験と【2-2】詳細データ試験用の設備をそれぞれ整備した。
1号機（基礎検討用）

2号機（パラメータ試験設計用）

3号機（詳細データ取得試験用）

工法毎のパラメータ試験に展開
ディスクカッター

＠MHI

チゼル※※

＠日立GE

コアボーリング※※

＠IHI

レーザー

＠IHI

※【3-1】で実施。 ※※ﾁｾﾞﾙ、ｺｱﾎﾞｰﾘﾝｸﾞは発生ﾀﾞｽﾄ量が少なく、計測精度を確保するため小型容器で試験を実施した。27

【2】ダスト飛散率測定試験

 ディスクカッター
 コアボーリング チゼル

コールド供試体の選定（機械的切削工法）
密度(g/cm3)

硬さ(MPa)弾性率(MPa)

破壊靭性(MPa m0.5)

飛散挙動への影響（推定）

浮遊率、搬送量

粉体サイズ

粉体サイズ

粉体サイズ

供試体の候補材〇考え方• 燃料デブリ成分の影
響因子(物性)を概ね包絡する。
• 燃料デブリの主な種類（酸化物、金属、ガラス）を概ね代表する。
• 均質体 （単 相） と非 均質体（多相）を考慮する。
• 過度にならない程度で保守的評価とする。

燃料デブリの成分

影響因子（物性）

UO2UO2c-(U,Zr)O2c-(U,Zr)O2t-(Zr,U)O2t-(Zr,U)O2α-Zr(O)α Zr(O)
Fe3O4
Fe3O4
Fe2Zr
Fe2Zr
（U,Zr)SiO4(U,Zr)SiO4
ZrO2
ZrO2
Al2O3
Al2O3
Zry-2
SS400
SS400
SUS304
Mo
モルタル
モルタル
SiO2
SiO2
ZrSiO4
ZrSiO
4
B4C
B4C
0

均質体

UO2
c-(U,Zr)O2t-(Zr,U)O2α-Zr(O)
Fe3O4
Fe2Zr（U,Zr)SiO4
ZrO2
Al2O3
Zry-2
SS400
SUS304
Mo
モルタル
SiO2
ZrSiO4B4C

UO2c-(U,Zr)O2t-(Zr,U)O2α-Zr(O)
Fe3O4
Fe2Zr（U,Zr)SiO4
ZrO2
Al2O3
Zry-2
SS400
SUS304
Mo
モルタル
SiO2
ZrSiO4
B4C

10

10

酸化物
密度
（g/cm
金属3）

廃炉ハンドブック等の既報
データの活用も検討

非均質体

20 0

20

30 0

UO2
c-(U,Zr)O2t-(Zr,U)O2α-Zr(O)
Fe3O4
Fe2Zr（U,Zr)SiO4
ZrO2
Al2O3
Zry-2
SS400
SUS304
Mo
モルタル
SiO2
ZrSiO4
B4C
250

500 0

弾性率
Al2O3 （緻密質、多孔質）
ビッカース硬度
（MPa）
（MPa）

SS400、SUS304

ガラス

モルタル

酸化物／ガラスジルコン（ZrSiO4）酸化物／金属ー

燃料ﾃﾞﾌﾞﾘ
物性範囲

5

10

15

破壊靭性
物性測定

 密度
（MPa
m0.5）
 硬度
 弾性率
 破壊靭性 結晶粒径 結晶構造28

【2】ダスト飛散率測定試験

コールド供試体の選定（熱的切削工法）
密度(g/cm3)

熱伝導率(W/m K)

比熱(J/g K)

融点(℃)

飛散挙動への影響（推定）

浮遊率、搬送量

浮遊率、搬送量

加熱部温度

浮遊率、搬送量
粉体サイズ

燃料デブリの成分

影響因子（物性）

供試体の候補材〇考え方• 燃料デブリ成分の影
響因子(物性)を概ね包絡する。
• 燃料デブリの主な種
類（酸化物、金属、ガラス）を概ね代表する。
• 均質体（単相）と非均質体（多相）を考慮する。
• 過度にならない程度
で保守的評価とする。

UO2
UO2c-(U,Zr)O
c-(U,Zr)O22
t-(Zr,U)O2t-(Zr,U)O2
α Zr(O)
α-Zr(O)
Fe3O4
Fe3O4
Fe2Zr
Fe2Zr
(U,Zr)SiO（U,Zr)SiO44
ZrO2
ZrO
2
Al2O3
Al2O3
Zry-2
SS400
SS400
SUS304
SUS304
Mo
モルタル
モルタル
SiO2
SiO2
ZrSiO
ZrSiO44
B4C
B
4C

均質体

UO2
c-(U,Zr)O2t-(Zr,U)O2α-Zr(O)
Fe3O4
Fe2Zr

UO2
c-(U,Zr)O2t-(Zr,U)O2α-Zr(O)
Fe3O4
Fe2Zr

20

0

密度

酸化物

（g/cm3）

金属

非均質体

50

熱伝導度

100

モルタル
SiO2
ZrSiO4
B4C

0

1

比熱

ZrO2 （緻密質、多孔質）（W/m K）

燃料ﾃﾞﾌﾞﾘ
物性範囲（U,Zr)SiO4
ZrO2
Al2O3
Zry-2
SS400
SUS304
Mo

モルタル
SiO2
ZrSiO4
B4C

モルタル
SiO2
ZrSiO4B4C

10UO2c-(U,Zr)O2t-(Zr,U)O2α-Zr(O)
Fe3O4
Fe2Zr

（U,Zr)SiO4
ZrO2
Al2O3
Zry-2
SS400
SUS304
Mo（U,Zr)SiO4
ZrO2
Al2O3
Zry-2
SS400
SUS304Mo

0

廃炉ハンドブック等の既報
データの活用も検討 レーザー（J/g K）

SS400、SUS304

ガラス

モルタル

酸化物／ガラスジルコン（ZrSiO4）酸化物／金属ー

2 1000

2000
融点

3000

物性測定
（℃）

 密度
 硬度
 弾性率
 破壊靭性 結晶粒径 結晶構造29

【2】ダスト飛散率測定試験

試験に用いたコールド供試体
種類
金属

供試体
SUS304SS400

酸化物

緻密質アルミナ

緻密質ジルコニア
多孔質ジルコニア
多孔質アルミナ
混合物

緻密質60 mol% Al2O340 mol% ZrO2
ジルコン*1（ZrSiO4）
モルタル仕様・型式・製法等

寸法
110mm×30mm×t10mm□110mm×t30mm□110mm×t50mm
熱間圧延鋼
110mm×30mm×t10mm□110mm×t30mm□110mm×t50mm
A995、粉末焼結法
110mm×30mm×10mm□110mm×t30mm□110mm×t50mm
Φ10×10mm□110mm×t30mm
ZrO2、粉末焼結法
110mm×30mm×t10mm
F-SG、粉末焼結法
110mm×30mm×t10mm
HA-21B、粉末焼結法□110mm×t30mm□110mm×t50mm
110mm×30mm×10mm
110mm×110mm×30mm
N-300、粉末焼結法
110mm×30mm×t10mm□110mm×t30mm□110mm×t50mm
 配合：JIS R5201およびJIS A6201附属書Cに準拠
110mm×30mm×t10mm
 作製：JIS R5201およびJIS A 6201附属書Cに準拠□110mm×t30mm
 型枠に打設したモルタルの表面を成形後、20℃、湿度□110mm×t50mm
90%以上の恒温槽で養生し翌日脱型。その後、材齢28日 □110mm×t100mm
まで20℃の恒温室の水槽内で水中養生□110mm×t200mm-※1 製品ジルコン（ 型式N-300 ） の成分は、ZrO :SiO :Al O ;MgO;K O;Fe O =
2
2
2 3
2
2 3

30.25:45.92:15.28:7.04:1.50:0.01(mol%)である。介在物のジルコン（Zｒ
SiO4）と、余剰SiO2-Al2O3-MgO-K2O-Fe2O3 からなるガラス（Al4Si5O18）マトリクスから構成される非均質材と考えられる。1400℃以下では、熱的に安定な非均質材であるが、約1500℃以上でガラス（ Al4Si5O18 ）が不可逆的反応して試料の形状を喪失する特性を持つ。

30

【2】ダスト飛散率測定試験

コールド供試体の物性測定結果
密度

項目

3

(g/cm )

硬度

破壊靭性

(GPa)

1/2

(MPa・m )

ポアソン比

剛性率

結晶粒径

空隙率

(GPa)

(-)

(GPa)

(µm)

(%)

金 ステンレス鋼 SUS304
属
炭素鋼 SS400

7.90
7.93

緻密質ジルコニア ZrO2

6.04

多孔質ジルコニア ZrO2

5.33 測定不可

0.2 測定不可

3.83

11.82

3.5

0.24

0.5 測定不可

酸 緻密質アルミナ Al 2O3化 多孔質アルミナ Al 2O3
物

MCCI生成物

緻密質Al 2O3-40mol%ZrO2

1.56

ヤング率

114

201

0.29

77.7

26.7

1.21

78

214

0.286

83.2

20.7

1.3 Ni-Cr-Fe

13.13

7.0

216

0.312

82.2

0.3

1.1 Y2O3安定化ジルコニア

0.4

16.8 CaO安定化ジルコニア

2.2

1.5 コランダム

0.6

20.9 コランダム

3.63
4.62

主要な結晶相（結晶構造）

15.51

測定不可
349

4.9

測定不可
304

測定不可

0.229

141.9
測定不可

0.259

ジルコン ZrSiO4

2.81

4.91

1.4

108

モルタル（材齢28日上部）
モルタル（材齢28日下部）
モルタル（材齢91日）

2.30
2.30
－

0.78
－
－

0.5

35.4 測定不可
－
36.6

120.9

0.248
測定不可

（MPa）

（MPa）

1.9 オーステナイト

cubic ZrO1.87+単斜晶

Al2O3: 0.87

baddeleyite ZrO2+コラン

1.53

ZrO2: 0.50

43.1

曲げ強度 圧縮強度

0.4

3.6

ダムAl 2O3ジルコン（ZｒSiO4）+ガラス（Al 4Si 5O18）
11.4 Quartz+Portladite
10.2 Quartz+Portladite

測定不可

8.6
8.9
9.3

62.7
72.0
71.7

58.1
69.4
68.1

物性測定サンプルの形状

10mm×10mm 10mm×10mm 厚さ3.0mm×幅
×30mm
×30mm
4.0mm

110mm×110mm×50mm

10mm×10mm 4mm角×10個 10mm×10mm×30mm、
×30mm
粉末

40×40×160mm

測定法

アルキメデス ビッカース硬 SEVNB法（酸化度法法物）
ASTM E1820-20bに準拠（金属）

超音波パルスエコー法※JIS A1149に準拠（モルタルのみ）

走査型二次 水銀圧入法 X線回折法
電子顕微鏡
法

JIS R5201 JIS
JISに準拠 R5201に A1149に
準拠
準拠

試験装置

メトラートレッ ビッカース試 インストロン万能試験 ・PULSER/RECEIVER（（MODEL 5800）（パナメ SEI像・BEI像： 水銀圧入式 （株）リガク製 RINT TTR3ド製電子天 験機：松沢精 機5582型（ロードセル トリクス））
ポロシメータ
FE-SEM
500N）
機㈱製
秤（Micromeriti
・オシロスコープ（（HDO6104）（テレダイン・（S4300）
メジャースコープ（ML304T/00） DVK-2
cs社製
レクロイ））（S4800）MM-40（×30）＋液浸密度 レーザー顕 マイクロメーター（酸 ・5MHz縦波探触子（GE）、2.25MHz横波探 粒径計測： AutoPore IV）
キット、溶媒： 微鏡（圧痕長 化物）触子（パナメトリクス）
WinROOF、水
さ計測）・100 kN サーボパル ・波形収録ソフト（LabVIEW）
Photoshop
サー※コンクリート全自動圧縮試験機（島津製・荷重線変位
クリップゲージ（金属） 作所製CONCRETO 2000X）（モルタルのみ）

校正方法、使用した標準物質など

電子天秤内 硬さ基準片
HV300
蔵分銅

ループ型力計なし

なし

なし

40×40× φ100×160mm 200mm

コンクリート全自動圧縮試
験機（島津製作所製
CONCRETO 2000X）

装置内蔵の回折角度の なし
校正

なし

なし

31

【2-1】ダスト飛散率パラメータ試験

ディスクカッター
 予備試験により、ディスクカッターによる切削では、回転数や押付力等の運用法に加え、カバー有無、刃の直径、刃の種類、砥粒径が主なパラメータと考えられた。
 硬度の高いセラミックスと金属の切削が可能で、できるだけ寿命が長いものとして、メ
タルボンドと溶着の2タイプで、入手の比較的容易なものを選定した。
カバー

カバーの有無：飛散範囲、飛散量、飛散速度が変化すると予想

カバー

砥粒

砥粒の違い：
粉塵サイズ、飛散量が変化すると予想

直径

直径の違い：
飛散方向、飛散速度が変化すると予想

ディスクカッターの刃

メタルボンドタイプ

溶着タイプ
32

【2-1】ダスト飛散率パラメータ試験

ディスクカッター
 ディスクカッタｰで供試体を切削し、ケーシング（風洞部）下流側に飛散したダスト（粒子）を回収。
 ケーシング内（乾式）は水平方向流速 平均0.1m/s、温湿度は外気による。
 サンプリング管（A/B系統）では、飛散ダストの粒径分布計測を実施。
 サンプリング管（A/B系統）＋HEPAのフィルタ重量増加の合計値を飛散ダスト重量とし、飛散率の算出に使用。

吸気2m

サンプリング管
A系統

1.4m

中性能
フィルタ

飛散ダストの粒径
分布計測

ケーシング内平均
流速 0.1 m/s

試験装置の概要
項目
ケーシング
内の流れ

横流れ
平均流速0.1 m/s

試験
パラメータ

回転数
押付力
切削刃
カバー角度

制御
パラメータ

ACモータ回転数
供試体押付力

粒径分布
計測

A系統：
Promo2000 ※(ﾌﾟﾛﾓ2000)
B系統：
マイクロトラック

B系統
B：ブロワ
P：圧力計
T：温度計
TH：温湿度計
V：風速計
Po：ポンプ
Qo：オリフィス
Qm：ﾏｽﾌﾛｰﾒｰﾀ
ΔP：ｵﾘﾌｨｽ差圧計
飛散ダスト回収 F：フィルタ

排気:流れの方向

HEPA
フィルタ

試験装置の概略図

内容

床上ダスト(非飛散ダスト)：マイクロトラック
その他の
主な計測
項目

切削量
ダスト回収量
モータートルク
風量
飛散ダスト写真など※）Palas社の光散乱計測機Welas2000は最近生産を終了し、ほぼ同性能の後継機種
Promo2000が発売されたため、本事業では両方の機種を利用していることを注記する。

33

33

【2-1】ダスト飛散率パラメータ試験

ディスクカッター：試験装置
ケーシング部

切削部

サンプリング系統部

吸気部
HEPAフィルタ

排気系統
34

34

【2-1】ダスト飛散率パラメータ試験

ディスクカッター：試験条件
 燃料デブリが金属やセラミックスの溶融再凝固材料であることから、材料物性値を考慮したダスト飛散特性を検討するために、特性の異なる様々な材料（金属、ｾﾗﾐｯｸｽ、ﾓﾙﾀﾙなど）を試験対象とする。
 試験パラメータを広く設定（ディスクカッターのサイズ・砥粒、運転パラメータ）し、ダスト飛散の傾向を把握するため、合計192ケースの試験を実施。ケースごとに3回繰り返し試験（合計576回）を実施。
試験
パラメータ

試験条件

被切削材料

緻密質／多孔質アルミナ, SUS304,モルタル,
ジルコン,ジルコニア, SS400,非均質材

ディスクカッ
ターの種類

小径刃(直径: 125 mm, 刃厚: 2.0 mm, 粒度: #35~60)
中径刃(直径: 180 mm,刃厚: 2.2 mm,粒度: #40~45)
大径刃(直径: 305 mm,刃厚: 2.8 mm,粒度: #50~60)
砥粒変更刃(直径: 300 mm,刃厚: 2.2 mm,粒度:#80~100)

砥粒の材質

ダイヤモンド(すべてのディスクカッターで共通)

カバー角度0°（カバー無し）, 90°, 120°, 135°

回転数
(周速度)

1200～6000 rpm(7.9～57.5 m/s)

押付力

セラミックス：20～80 N
金属：40～80N
モルタル：5～10N
多孔質アルミナ：1～5N

小径刃(グローバルソー: AG-125)

ディスクカッターのカバー

ディスクカッターの種類
砥粒の材質
カバー角度

周速度
(回転数)

※カバー角度増でカバーする範囲が切削位
置に近づく

押付力
被切削材料

試験パラメータ 概略図3535

【2-1】ダスト飛散率パラメータ試験

ディスクカッター：試験結果
 特性の異なる材料に対し幅広いパラメータ範囲のダスト飛散データを取得した。
 ディスクカッターによるダスト飛散の傾向を検討した。
 飛散率、飛散粒径分布は被切削材料により大きく変化
 共通の傾向として、飛散率は切削刃の周速度、押付力に伴い変化
 飛散率はディスクカッターの砥粒サイズ、材料の空隙率でも変化
被切削材料の物性値
密度(g/㎝3)

空隙率(%)

臨界押し込み深さ (μm)

緻密質アルミナ

3.83

1.5

0.698

SUS304

7.90

1.9

9760

ジルコン

2.81

3.6

0.871

モルタル

2.30

11.4(上部)2.06

材料

被切削材料による飛散率の違い

SUS304
緻密質
モルタル
ジルコン
押付力:80N 押付力:80N 押付力:10N
アルミナ
押付力:80N

臨界押し込み深さは、脆性遷移を起こす加工深さであり、物性値で定まる材
料固有の値である。臨界押し込み深さ
以下で延性モード加工できる指標（割れを回避）。

大径刃、3600 rpmの飛散率比較

飛散率 % =
切削前後のフィルタ重量※の増加量（ｇ）
×100
切削前後の被切削物重量の減少量（ｇ）※A系、B系、HEPAフィルタの合計

各種セラミックスの圧子圧入

臨界押し込み深さ
時の亀裂の発生状況=補正定数×破壊靭性^2／（硬さ×ヤング率）※補正定数は文献値から推定

3636

【2-1】ダスト飛散率パラメータ試験

ディスクカッター：試験結果（周速度、押付力）
 周速度が増加すると飛散率は上昇する傾向
 押付圧が増加すると飛散率は低下する傾向
以下は、緻密質アルミナとSUS304の周速度・押付圧と飛散率の関係の例

緻密質アルミナ

周速度

ディスクカッターの粒度
カバー角度

相関方向：+

相関方向：－
周速度(回転数)

相関方向：+SUS304

押付圧（押付力/刃厚）

相関方向：－

押付圧
(押付力)

被切削材料

試験パラメータ 概略図

37※）上記は水を被らない乾燥切削、かつ、流速0.1m/sの流動条件下での値であることを注記する。 37

【2-1】ダスト飛散率パラメータ試験

ディスクカッター：試験結果（砥粒粒度とカバー角度）
 ディスクカッターの粒度が増加すると飛散率は上昇する傾向
 カバー角度が増加すると飛散率は低下する傾向
以下は、緻密質アルミナとSUS304の粒度・カバー角度と飛散率の関係の例

緻密質アルミナ

ディスクカッター（砥粒）の粒度※カバー角度増でカバーする範囲が切削位置に近づく
ディスクカッターの粒度
カバー角度

相関方向：+

相関方向：－
周速度(回転数)

相関方向：+SUS304カバー角度

相関方向：－

押付圧
(押付力)

被切削材料

試験パラメータ 概略図

38※）上記は水を被らない乾燥切削、かつ、流速0.1m/sの流動条件下での値であることを注記する。 38

【2-1】ダスト飛散率パラメータ試験

ディスクカッター：試験結果（空隙率と臨界押し込み深さ）
 被切削材料の空隙率により飛散率が大きく変化－緻密質アルミナと多孔質アルミナの飛散率の比較

飛散率（%）

100

被切削材料の物性値

80
60
40
20
0

0

20

40
周速度（m/s）

60

80

材料

密度
(g/㎝3)

空隙率(%)

臨界押し込み深さ (μm)

緻密質アルミナ

3.83

1.5

0.698

多孔質アルミナ

3.63

20.9

1.40

ディスクカッターの粒度
カバー角度

飛散率（%）

100
80

周速度
(回転数)

60

押付圧
(押付力)

40
20
0

0

10

20
30
押付圧（N/mm）

40

50

被切削材料
・空隙率
・密度
・臨界押し込み深さ試験パラメータ 概略図
39※）上記は水を被らない乾燥切削、かつ、流速0.1m/sの流動条件下での値であることを注記する。 39

【2-1】ダスト飛散率パラメータ試験

ディスクカッター：試験結果（飛散粒子の粒径分布と性状）

体積頻度 (-)

体積頻度 (-)

 飛散粒子の粒径分布は、被切削材料により大きく変化した。ピークの粒径の大小関
係は、飛散粒子の空気動力学径（密度の1/2乗に反比例）の関係に概ね一致する。
 緻密質アルミナ、ジルコン、モルタルの飛散粒子形状は粉砕した粒状のようであるのに対し、SUSはフレーク状である。材料特性の違いによると考えられる。

10 μm

光散乱径 (μm)

10 μm

光散乱径 (μm)

ジルコン

体積頻度 (-)

体積頻度 (-)

緻密質アルミナ

100 μm

光散乱径 (μm)

SUS30410 μm

光散乱径 (μm)

モルタル

ディスクカッター（大径刃、3600 rpm）切削時の飛散粒子の光散乱粒径分布（同一条件での3回の繰り返し試験の結果を赤、青、緑で記載）

40※）上記は水を被らない乾燥切削、かつ、流速0.1m/sの流動条件下での値であることを注記する。 40

【2-1】ダスト飛散率パラメータ試験

ディスクカッター：試験結果（飛散粒子の粒径分布と性状）
周速度・押付圧・粒度と飛散粒子径（D50）の関係
 飛散粒子径は周速度に依存性を有するが、緻密質アルミナ、モルタルは周速度増加でD50は減少し、SUS304、SS400、多孔質アルミナは周速度増加でD50は増加する傾向。
 切削刃の押付圧の変化に対してD50は明確な相関がみられず、飛散粒子径の押付圧に対する依存性は小さいと考える。
周速度

押付圧

SUS304

緻密質アルミナ

相関方向：－

相関方向：+
41※）上記は水を被らない乾燥切削、かつ、流速0.1m/sの流動条件下での値であることを注記する。 41

【2-1】ダスト飛散率パラメータ試験

ディスクカッター：試験結果（重回帰分析）
試験パラメータの感度評価、および被切削材料・切削条件を変更した際の飛散率予測のため、切削試験にて取得したデータを基に、飛散率を目的変数として重回帰分析を実施した。
【重回帰分析とは】
1つの目的変数に対して複数の説明変数の関係を分析して関係式を作り出す手法であり、以下のような検討に用いられる。
・目的変数の予測
・説明変数が目的変数に及ぼす影響度の評価
Y＝ b0 + b1x1+ b2x2+ b3x3+ b4x4+ …
↑

目的変数：飛散率

↑

↑

↑

↑

説明変数：試験パラメータ（材料物性値、切削条件など)
ディスクカッターの粒度

相関の正負：係数bの正負寄与率：係数bを標準化した標準回帰係数から算出（xの単位がそれぞれ異なるため、重回帰式の係数bが各説明関数の寄与度を表すわけではない）

各説明関数(𝑥𝑥)の分散
標準回帰係数 [-]＝b×飛散率(Y)の分散寄与率 [%]＝標準回帰係数×100

カバー角度
周速度
(回転数)
被切削材料
・空隙率
・密度
・臨界押し込み深さ

押付圧
(押付力)

※カバー角度増でカバーする範囲が切削位置に近づく※押付圧＝押付力／刃厚

試験パラメータ 概略図4242

【2-1】ダスト飛散率パラメータ試験

ディスクカッター：試験結果（重回帰分析）
 重回帰分析に用いる説明変数は、試験結果から飛散率に対して感度があると予想されるパラメータとした。
 緻密質アルミナ、多孔質アルミナ、SUS304、モルタルの4材料の試験データを基に、飛散率予測式を構築した。
 回帰統計値の重相関や決定係数は十分に高く、重回帰分析の精度は高いと考える。
飛散率予測式
飛散率 = b0+b1（周速度）+b2（押付圧）
運転パラメータ+b3（空隙率）+b4（密度）+b5 ln（臨界押し込み深さ）
被切削材料の物性値+b6（粒度）+b7（カバー角度）
ディスクカッターに関するパラメータ重回帰式の係数

項目
b0
b1
b2
b3
b4
b5
b6
b7

係数
82.03
0.364
-0.391-2.952-5.208-3.7170.237-0.054

回帰統計値

重相関 R
重決定 R2
補正 R2
標準誤差
観測数

0.96
0.91
0.91
8.10
357

ディスクカッターの粒度

カバー角度
周速度
(回転数)
被切削材料
・空隙率
・密度
・臨界押し込み深さ※カバー角度増でカバーする範囲が切削位
置に近づく

押付圧
(押付力)
※押付圧＝押付力／刃厚

試験パラメータ 概略図4343

【2-1】ダスト飛散率パラメータ試験

ディスクカッター：試験結果（重回帰分析）
 飛散率予測式の構築に用いた4材料の飛散率の実験値と予測値を比較したところ、どの材料についても、同程度のバラつきで飛散率の予測ができている。
 重回帰分析を用いて評価した各説明変数の寄与率は、材料物性値の寄与率が大きく、切削パラメータなどの寄与率は相対的に小さい。
パラメータの寄与率

項目
周速度
押付圧
空隙率
密度
臨界押し込み深さ
粒度
カバー角度

相関方向
＋
－
－
－
－
＋
－

寄与率 [%]
8.9
6.6
32.1
17.3
22.7
9.2
3.3

ディスクカッターの粒度

カバー角度
周速度
(回転数)

重回帰式による飛散率の予測値と実験値

被切削材料
・空隙率
・密度
・臨界押し込み深さ※カバー角度増でカバーする範囲が切削位置
に近づく

押付圧
(押付力)
※押付圧＝押付力／刃厚

試験パラメータ 概略図

44※）上記は水を被らない乾燥切削、かつ、流速0.1m/sの流動条件下での値であることを注記する。 44

【2-1】ダスト飛散率パラメータ試験

ディスクカッター：試験結果（重回帰分析）
緻密質アルミナ、多孔質アルミナ、SUS304、モルタルの4材料の試験データを基に構築した飛散率予測式を用いて、その他の被切削材料の飛散率を予測し、実験値との比較を行った。
 重回帰式の構築に用いた4材料と同程度のバラつきの範囲で、その他の被切削材料の飛散率を予測できることを確認。
 材料物性値が単一でない非均質材についても飛散率を予測することができ、構築した予測式が適用可能であると考える。
 ジルコンについては他の被切削材料と比べて大きくずれた位置に分布しているため、他の被切削材料と傾向が異なっている可能性があるため、重回帰分析対象から外した（今後の課題）。

飛散率予測式構築に使用した材料

その他の被切削材料

重回帰式による飛散率の予測値と実験値

45※）上記は水を被らない乾燥切削、かつ、流速0.1m/sの流動条件下での値であることを注記する。 45

【2-1】ダスト飛散率パラメータ試験

ディスクカッター：試験結果（重回帰分析）
被ばく評価の観点で微細粒子の飛散率を評価することは重要である。全飛散粒子に対して、
空気動力学径10μm以下の粒子が含まれる割合を粒径分布計測結果から算出し、空気動
力学径10μm以下の飛散率を評価した。
 全飛散粒子に対する予測式と同様に、緻密質アルミナ、多孔質アルミナ、SUS304、モルタルの4材料の試験データを基に、飛散率予測式を構築した。
 飛散率（10μm以下）に対する各パラメータの寄与率は材料物性値が寄与率の大半を占めており、他の説明変数の寄与率は相対的に小さい結果であり、飛散率（全粒径）の傾向と類似している。
パラメータの寄与率

項目
周速度
押付圧
空隙率
密度
臨界押し込み深さ
粒度
カバー角度

相関方向
＋
－
－
－
－
＋
＋

寄与率 [%]
4.2
4.9
32.2
1.6
40.9
11.0
5.1

回帰統計値

重相関 R
重決定 R2
補正 R2
標準誤差
観測数

0.87
0.75
0.75
12.21
357

重回帰式による飛散率(10μm以下)の予測値と実験値
46※）上記は水を被らない乾燥切削、かつ、流速0.1m/sの流動条件下での値であることを注記する。 46

【2-1】ダスト飛散率パラメータ試験チゼル
 チゼルでは切削の進展に伴い現象が変化することから、下記のように4つのモードに分けて試験、評価を行うこととした。
窪みができる＜モード1＞(打撃回数依存)

打撃開始

割れる＜モード2＞(打撃力依存)打撃継続＜モード4＞(累積打撃力依存)

打撃終了

再飛散（累積打撃力依存）＜モード3＞

モード3：再飛散

モード1：窪みができる
チゼル

チゼル

表面付着物が再飛散する
供試体

モード2：割れる

モード4：打撃継続(破砕後)

チゼル
チゼル

供試体

小片同士が
擦れて飛散する47

【2-1】ダスト飛散率パラメータ試験

チゼル：試験方法
 チゼルでは発生ダスト量が少なく、共通の試験体系ではダスト飛散量の回収・秤量ができなかった。
 このため容器を小型化し、発生したダストの全量回収を行った。
○試験条件
・刃の形状：ポイント/平タガネ
・打撃速度：500/650/800/950bpm
・追加静荷重：0/98/196N (重り0/10/20kg)
・供試体：モルタル/ジルコン/（アルミナ）○Welas2000 ※・ダスト飛散量測定
・粒径評価範囲：0.6～40μｍ

相互比較

○フィルタ
・TX40HI20-WW ろ紙（ガラス繊維系）
・φ47mm※）Palas社の光散乱計測機Welas2000。本機種は最近生産を終了し、ほぼ同性能の後継機種
Promo2000が発売されたため、本事業では両方の機種を利用していることを注記する。

48

【2-1】ダスト飛散率パラメータ試験

チゼル：試験装置＜試験体系（横から見た図）＞＜試験体系（上から見た図）＞49

【2-1】ダスト飛散率パラメータ試験

チゼル：試験方法（チゼル刃、供試体）○チゼルの形状○供試体の物性表

使用する供試体の形状は、110mm×110mm×50mmで統一○チゼルの特徴•••

面積の広い燃料デブリを10cm四方などの寸法に加工する際には，加工速度が早く，
比較的ダスト飛散量も少ない。
金属および刃先の材質（焼き入れ鋼）より硬い材料は破砕できない。
割れ方が不規則になる。
50

【2】ダスト飛散率測定試験

チゼル試験（ポイントチゼルと平タガネチゼル）
 チゼルは、代表的なポイントチゼルと平タガネチゼルの2種を用いて試験した。
 いずれのチゼルでも破砕のき裂の方向はバラバラで、制御は困難であった。
平タガネチゼルポイントチゼル＜打撃速度＞＜打撃速度＞

650ｂｐｍ650ｂｐｍ800ｂｐｍ800ｂｐｍ950ｂｐｍ950ｂｐｍ
いずれも供試体はジルコン、追加静荷重20kgf
51

【2】ダスト飛散率測定試験

チゼル：試験結果（粒子形状）
 モード2（割れる）でフィルタ上に採取した飛散ダストの形状は様々だが、極端に歪な形状は見当たらなかった。
 粒径も様々だが、最大で30μm程度であった。

50μm

10μm

モルタル（モード2、800 bpm、ポイントチゼル）52

1【2-1】ダスト飛散率パラメータ試験

チゼル：試験結果（飛散率の導出）
 多くの破片ができるため、破砕後に切削部周辺や床に沈着した破片や粒子を回収し、ふるいで分級し、500μmメッシュを通過した沈着ダストを非飛散ダストと見なした。
 小型容器内で切削・計測した影響は、解析結果※に基づき、共通設計ケーシング内のチゼル切削では回収されない50μmを超える粒子を飛散ダストから除外した。

非飛散ダスト

破砕後の供試体（モルタル・ポイントチゼル・800bpm・追加の静荷重：20kgf）

破片

沈着粒子の分級結果（ジルコン、ポイントチゼル）※）【4-2】項の解析計算（p153）参照

53【2-1】ダスト飛散率パラメータ試験

チゼル：試験結果（ﾓﾙﾀﾙ･ﾎﾟｲﾝﾄ）モード2飛散率
 ポイントチゼルによるモルタル破砕では、静荷重および打撃速度にも依存性がな
く、投入打撃力が大きいほど、飛散率が大きくなる傾向を示した。
飛散率[-](全粒径)8.E-03650bpm

6.E-03800bpm

4.E-03950bpm

2.E-030.E+00

50

60

70

80

90

3.0E-03

飛散率[-](10μｍ以下)

打撃速度に対しては相関性が見えない

1.E-02100

打撃速度に対しては相関性が見えない

2.5E-032.0E-03

650bpm

1.5E-03

800bpm

1.0E-03

950bpm

5.0E-04
0.0E+00

50

60

y = 0.0004x - 0.0228

4.E-03

投入打撃力が大きくなると飛散率も大きくなる傾向

0.E+00

50

60

70

80

90

100

投入打撃力[kN]

飛散率（モルタル・ポイント・20kg）＜全粒径＞

飛散率[-](10μｍ以下)

飛散率[-](全粒径)

1.E-02

2.E-0390

100

飛散率（モルタル・ポイント・20kg）＜10μｍ以下＞

飛散率（モルタル・ポイント・20kg）＜全粒径＞

6.E-0380

投入打撃力[kN]

投入打撃力[kN]

8.E-0370

3.0E-03
2.5E-03y = 0.0001x - 0.0092

2.0E-03
1.5E-03
1.0E-03

投入打撃力が大きくなると飛散率も大きくなる傾向

5.0E-04
0.0E+00

50

60

70

80

90

100

投入打撃力[kN]

飛散率（モルタル・ポイント・20kg）＜10μｍ以下＞

モルタルでの投入打撃力と飛散率の関係（左：全粒径、右：≦10μm）※）上記は水を被らない乾燥切削、かつ、流速0.1m/sの流動条件下での値であることを注記する。 54

【2-1】ダスト飛散率パラメータ試験

チゼル：試験結果（ﾓﾙﾀﾙ・平ﾀｶﾞﾈ）モード2飛散率
 平タガネによるモルタル破砕の場合も打撃速度にも依存性がなく、バラツキが大き
いが、投入打撃力が大きいほど飛散率も大きい傾向が見られた。

モルタルでの投入打撃力と飛散率の関係（左：全粒径、右：≦10μm）※）上記は水を被らない乾燥切削、かつ、流速0.1m/sの流動条件下での値であることを注記する。 55

【2-1】ダスト飛散率パラメータ試験

チゼル：試験結果（ｼﾞﾙｺﾝ・ﾎﾟｲﾝﾄ/平ﾀｶﾞﾈ）モード2飛散率
 ジルコンの場合，バラツキが非常に大きいが，概ね投入打撃力が大きいほど，飛散率も大きい傾向があり、飛散率の絶対値は，モルタルと比べると少し大きめであった。
最大値：2.3E-02

最大値：7E-03(参考)
y＝2E-03 -0.0115(参考)
y＝5E-03 -0.0321

最大値：1.3E-02(参考) y＝4E-03 -0.0252

最大値：4.2E-03(参考) y＝1E-03 -0.0062

ジルコンでの投入打撃力と飛散率の関係（左：全粒径、右：≦10μm）※）上記は水を被らない乾燥切削、かつ、流速0.1m/sの流動条件下での値であることを注記する。 56

【2-1】ダスト飛散率パラメータ試験

チゼル：試験結果（供試体物性依存性）モード2飛散率
ダスト飛散率(全粒径)[-/100kN]

1.9E-02
1.8E-02
1.7E-02y = 0.0008x + 0.0168

1.6E-02
1.5E-02
1.4E-02y = 0.0022x + 0.0117

1.3E-02

ブルポイントポイント

1.2E-02
1.1E-02
1.0E-02

平たがね
平タガネ

0

0.5

1

1.5

2

ダスト飛散率(10μm以下)[-/100kN]

 硬く，破壊靭性値の大きい供試体ほど，ダスト飛散率が大きくなる傾向を示した。
9.E-03
8.E-03
6.E-03
5.E-03
3.E-03
2.E-03y = 0.0002x + 0.0171

1.6E-02
1.5E-02
1.4E-02y = 0.0005x + 0.0124
ブルポイントポイント

1.1E-02
1.0E-02

平たがね
平タガネ
0

2

4
硬さ[GPa]6

ダスト飛散率(10μm以下)[-/100kN]

ダスト飛散率(全粒径)[-/100kN]

1.8E-02

1.2E-02ポイント
ブルポイント1.E-030.E+00

平タガネ
平たがね
0

0.5

1

1.5

2

破壊靭性[MPa・m1/2]

1.9E-02

1.3E-02y = 0.0009x + 0.0026

4.E-03破壊靭性[MPa・m1/2]

1.7E-02y = 0.0086x - 0.0035

7.E-03

9.E-03
8.E-03
7.E-03
6.E-03
5.E-03
4.E-03
3.E-03
2.E-03
1.E-030.E+00y = 0.0019x - 0.0007

y = 0.0002x + 0.0028
ポイント
ブルポイント
平タガネ
平たがね
0

2

4

6

硬さ[GPa]

単位打撃力あたりの飛散率と供試体物性値の関係※）上記は水を被らない乾燥切削、かつ、流速0.1m/sの流動条件下での値であることを注記する。 57

【2-1】ダスト飛散率パラメータ試験

チゼル：試験結果（供試体物性依存性）モード2飛散率
 粒径分布は、供試体材料および刃の形状（ポイント・平タガネ）の違いで明確な変化はなく、空気動力学的径に換算した中央値は8～20μｍの範囲であった。
○モルタル・平タガネ○モルタル・ポイント
650bpm0.60

800bpm950bpm

0.40
0.20
0.00

0.80

0

20

10

30

ダスト量[mg]

ダスト量[mg]

0.80

0

10

20

30

○ジルコン・平タガネ

0.80

1.20
800bpm950bpm

0.40
0.20

10

20

30

空気動力学的粒径(換算値)[μｍ]40650bpm1.00
ダスト量[mg]

650bpm

0.60

0

40

空気動力学的粒径(換算値)[μｍ]○ジルコン・ポイント
ダスト量[mg]

950bpm0.20

空気動力学的粒径(換算値)[μｍ]0.00800bpm

0.40

0.00

40

650bpm0.60

800bpm0.80

950bpm

0.60
0.40
0.20
0.00

0

10

20

30

40

空気動力学的粒径(換算値)[μｍ]※）上記は水を被らない乾燥切削、かつ、流速0.1m/sの流動条件下での値であることを注記する。 58

【2-1】ダスト飛散率パラメータ試験

チゼル：試験結果（各モードのダスト発生量の比較）
 モード2以外でも試験を行い、それぞれ相関関係のあるパラメータとダスト飛散量（全粒径）の関係を以下のとおり得た。
 モード3および4は欠損重量の概念が存在しないため、飛散率として表記できない。

飛散ダスト量評価式

平タガネ

平タガネ
※：今回試験は、打撃により影響する面積として121[cm2]、粉体量を19.5[g]で試験した。予測式の適用においては、以下の補正を行う必要がある。
補正係数＝密度[mg/cm2]×打撃により影響する面積[cm2]／(19500[mg])※）上記は水を被らない乾燥切削、かつ、流速0.1m/sの流動条件下での値であることを注記する。 59

【2-1】ダスト飛散率パラメータ試験

チゼル：試験結果（各モードの飛散ダスト量の比較）
 モード2以外でも試験を行い、それぞれ相関関係のあるパラメータと飛散ダスト（≦10μm）量の関係を以下のとおり得た。
 モード3および4は欠損重量の概念が存在しないため、飛散率として表記できない。

飛散ダスト量評価式

平タガネ

平タガネ
※：今回試験は、打撃により影響する面積として121[cm2]、粉体量を19.5[g]で試験した。予測式の適用においては、以下の補正を行う必要ある。
補正係数＝密度[mg/cm2]×打撃により影響する面積[cm2]／(19500[mg])※）上記は水を被らない乾燥切削、かつ、流速0.1m/sの流動条件下での値であることを注記する。 60

【2-1】ダスト飛散率パラメータ試験

コアボーリング：試験装置
 共通試験体系では飛散ダスト量が少なかったため、チゼルと同様に小型ケーシン
グ内で切削しダストサンプリングを行った。

※

受けパン

※）Palas社の光散乱径計測機Welas2000は最近生産を終了し、Promo2000はほぼ同性能の後継機種として発売されたもの。本事業では両方の機種を利用しておりWelasの名前で代表させていることを注記する。

61

【2-1】ダスト飛散率パラメータ試験

コアボーリング：試験方法と試験条件

供試体の材質62【2-1】ダスト飛散率パラメータ試験

コアボーリング：コアビット
 コアビットは、これまでの補助事業成果を参考に旭ダイヤモンド工業社製の
K12とC4を使用。
K12

C4

メーカー

旭ダイヤモンド工業

旭ダイヤモンド工業

型式N-76-60-WK12

N-76-60-WC4

サイズ

外径76mm、内径60mm

外径76mm、内径60mm

ビット形状

インプリビット

インプリビット

ツールス

アイジイ

アイジイ

規格

JIS

JIS

K12ビットC4ビット
63

【2-1】ダスト飛散率パラメータ試験

コアボーリング：試験結果（材料と粒径分布）
 モルタル・多孔質アルミナでは、粒径分布の傾向は似通っており、10μm以上にピークが見られた。
 SS400では、10μm以上のピークの他、1μm付近にピークが見られた。また、ビットの欠損が顕著であった。
供試体64

【2】ダスト飛散率測定試験

コアボーリング：試験結果（材料と飛散率）
 供試体毎のダスト飛散率（ARF）は下図の通りであり、概ね0.1（10%）以下であるが、緻密質アルミナとモルタルで高い傾向が得られた。

供試体毎のARF※）上記は水を被らない乾燥切削、かつ、流速0.1m/sの流動条件下での値であることを注記する。 65

【2-1】ダスト飛散率パラメータ試験

コアボーリング：試験結果（回転数・押付力と飛散率）
 回転数の増加により、飛散率は増加する傾向が見られた。
 多孔質アルミナでは、モルタルに比べ回転数が飛散率に与える影響は小さい。
 押付力の増加により、多孔質アルミナ、緻密質アルミナ、SUS304は飛散率が低下する傾向が見られた。一方、ジルコンは異なる傾向が見られたが、切削時に破砕して振動が起きていたことが原因の可能性がある。

※）上記は水を被らない乾燥切削、かつ、流速0.1m/sの流動条件下での値であることを注記する。 66

【2-1】ダスト飛散率パラメータ試験

コアボーリング：供試体物性と飛散率
 密度、破壊靭性に対しては山なりの分布をしており、飛散率との相関は小さい。
 硬度とヤング率に対しては右肩上がりの傾向があり、相関が高いと考えられる。

※）上記は水を被らない乾燥切削、かつ、流速0.1m/sの流動条件下での値であることを注記する。 67

【2-1】ダスト飛散率パラメータ試験

コアボーリング：パラメータ依存性68

【2-1】ダスト飛散率パラメータ試験

レーザー（ガウジングと切断）
 燃料デブリ取り出しに想定されるレーザー切削工法として、以下に示すように、レー
ザーガウジングとレーザー切断の2法がある。
 本事業ではこれら2種のレーザー切削工法により、乾式環境でのコールド供試体を切削した場合の、ダスト飛散率とダスト粒径分布などの飛散率データを取得する。

69

【2-1】ダスト飛散率パラメータ試験

レーザー：パラメータ設定の考え方
 事前検討により、ダスト飛散率への影響が想定されるレーザー加工のパラメータ候補を選定した（下表①）。
 実環境の想定や予備試験により、パラメータ候補のうち、ダスト飛散率が高くなると推定されるパラメータを抽出した（下表②）。

70

【2-1】ダスト飛散率パラメータ試験

レーザー（ガウジングと切断のパラメータ）
 レーザーガウジングは合計25ケース、各3RUNの繰り返し試験を実施した。
 レーザー切断では合計26ケース、各3RUNの繰り返し試験を実施した。

（60mol%Al2O3-40mol%ZrO2）71

【2-1】ダスト飛散率パラメータ試験

レーザー：試験装置
 試験設備の各部仕様は以下のとおりである。
Max 10kW

372

【2】ダスト飛散率測定試験

レーザー：ガウジング試験設備と切削後の供試体
 ガウジングモード（傾斜、アシストガス）の試験設備と切削後の供試体を以下に示す。

SUS304

多孔質ジルコニア

ガウジングモードのレーザートーチとアシストガス配管
73

【2】ダスト飛散率測定試験

レーザー：切断試験設備と切削後の供試体
 レーザー切断モード（垂直、貫通）の試験設備と切削の供試体を以下に示す。

切削モードのレーザートーチ
74

【2-1】ダスト飛散率パラメータ試験

レーザー：試験方法（飛散率の算出方法）
 レーザー切断、レーザーガウジングともに、各供試体について、Welasによるダストの計測が可能で、HEPAフィルタの重量増より飛散ダスト量が導出できた。
 一方、供試体の欠損量については、切削後に表面に付着・残留する溶融物が残る場
合があり、重量変化で導出できないため、切削溝体積を幾何学的に算出した。

75

【2-1】ダスト飛散率パラメータ試験

レーザー：試験結果（パラメータ依存性の検討）
 HEPAへの回収量に基づく飛散率ARFやWelasによる飛散粒子粒径分布は、以下のようなグラフによる可視化と重回帰分析によりパラメータ依存性を検討した。

※）上記は水を被らない乾燥切削、かつ、流速0.1m/sの流動条件下での値であることを注記する。 76

【2-1】ダスト飛散率パラメータ試験

レーザー：ガウジング試験結果（パラメータ依存性）
 モルタルでは、飛散率は出力とアシストガス流量に依存する傾向が見られた。
 供試体の物性では、密度や容積比熱に対して明確な依存性が見られた。

図

ARFと容積比熱の関係※）上記は水を被らない乾燥切削、かつ、流速0.1m/sの流動条件下での値であることを注記する。 77

【2-1】ダスト飛散率パラメータ試験

レーザー：切断試験結果（パラメータ依存性）
 モルタルでは、ガウジングと異なり、速度による相関が見られた。
 供試体物性に対しては、容積比熱が大きいとARFが低下する傾向が見られた。

図

ARFと容積比熱の関係※）上記は水を被らない乾燥切削、かつ、流速0.1m/sの流動条件下での値であることを注記する。 78

【2-1】ダスト飛散率パラメータ試験

レーザー：試験結果（重回帰分析）
 切削パラメータと供試体の物性値が飛散率に与える影響を検討した。
 パラメータより物性値への寄与率が高いことから、レーザーによる切削では材質の影響が大きいことが分かった。

※）上記は水を被らない乾燥切削、かつ、流速0.1m/sの流動条件下での値であることを注記する。 79

【2-1】ダスト飛散率パラメータ試験

レーザー：試験結果（飛散ダストの顕微鏡観察） フィルタで回収した飛散ダストは、以下のSEM像に見られるように直径0.2～1μm程度の球状の粒子が多く観察された。

80

【2-1】ダスト飛散率パラメータ試験

レーザー：試験結果（空気動力学径とD50）
 Welasによる光散乱径から、[3-1]項に示す手法で空気動力学径を導出し、粒径中央
値（D50）と飛散率ARFとの関係を整理した。飛散ダスト粒径（D50）が大きいほど、飛散率ARFが低下する傾向が認められた。
 ガウジング、切断ともに、セラミックスやモルタルは金属系に比べて比較的高いARFを示しており、特にジルコンは大きなARFとなった。
 ガウジングではセラミックスやモルタルで1μm以下の微細なダストが確認され、一方、切断では金属およびジルコンで1μm以下の微細ダストが確認された。

セラミックスモルタル※）上記は水を被らない乾燥切削、かつ、流速0.1m/sの流動条件下での値であることを注記する。 81【2-2】ダスト飛散率詳細データ測定試験
 【2-1】のダスト飛散率パラメータ試験では、4つの切削工法による切削試験を個別の試験装置で並行して実施し、乾燥条件での飛散率データ（欠損量、飛散ダスト量、
光散乱計測による飛散ダストの粒径分布）を取得した。
 そこで、これらのパラメータ試験結果を踏まえて、より詳細な分析機器を備えた試験装置（詳細データ測定装置）を用いて、代表性の高い切削条件等でのダスト飛散率
データを乾燥条件で取得し、パラメータ試験との比較検証やデータの拡充を行う。
 本装置では光散乱計測（Welas2000・Promo2000※）と電子式カスケードインパクター（ELPI+）の併用、ダスト形状の顕微観察等により、幅広い粒径範囲で空気動力学粒
径分布データを導出する。
 また、4つの工法について、切削速度や対象物の切削性などの観点に基づく比較を行う。

Palas社のWelas2000(左)とPromo2000（右）※（光散乱径測定、粒径範囲は0.2～40µm）

ELPI+（空気動力学径測定、
粒径範囲は0.01～10µm）※）Palas社の光散乱径計測機Welas2000は最近生産を終了し、ほぼ同性能の後継機種
Promo2000が発売されたため、本事業では両方の機種を利用していることを注記する。

82

【2-2】ダスト飛散率詳細データ測定試験

詳細データ測定装置のケーシング
詳細試験用ケーシングの特徴
 静電気によるダストの壁面付着防止のため内面はステンレス製、可視観測窓も静電性の素材を使用。
 アルミフレーム＋パネルで構成し、機器取り付けや改造などの自由度が高い。
 パラメータ試験用のケーシングから下記のように変更。
ケーシングNo.

2号機

3号機

用途

パラメータ試験（メーカー各社）

詳細データ測定試験（電中研）

幅

800 mm

1,300 mm

高さ

1,400 mm1,300 mm

長さ2,000 mm2,500 mm

断面積1.12 m2

1.69 m2

6.72 m3/min

10.1 m3/min

風量＠0.1m/s• 各切削装置を受け入れるため、幅に余裕をもたせると共に、高さを最適化。
• 全体を代表するサンプル採取のため、サンプリング地点を変えられるように50cm長くした。

83

【2-2】ダスト飛散率詳細データ測定試験

ディスクカッター詳細試験のパラメータ、評価法
 同一条件の繰り返しを含めて245回の試験を実施（パラメータ試験は576回）。
 欠損量は供試体重量変化（あるいは切削溝体積の重量）、飛散量は後段のHEPAフィルタ等で採取したダスト量とする。
パラメータ

詳細試験

パラメータ試験

回転刃

小(φ125 mm)、中(φ180 mm)、大(φ305 mm)、砥粒変更(φ300 mm, 180 mm)

回転数

1200～6000rpm（刃によって最高回転数は異なる）

刃のカバー

カバー有りは実施せず

小径刃のみで5通り

押付力

セラミックス：20 or 80 N、金属：40 or 80 N、
モルタル：5 or 10 N、
多孔質アルミナ：1～5 N

セラミックス：20～80 N、金属は40～80 N、
モルタル：5～10 N、
多孔質アルミナ：1～5 N

供試体

緻密アルミナ、多孔質アルミナ、ジルコン、モルタル、SUS304、SS400、
非均質材（60mol%Al2O3-40mol%ZrO2）

吸気部

供試体固定
・駆動部

切削部

ケーシング部

サンプリング部

排気部

ダスト飛散率詳細データ測定装置
・Welas吸引量：5L/min
・ELPI吸引量：10L/min
・サイクロンフィルタ：150あるいは290L/min※）Palas社の光散乱径計測機 Welas2000は最近生産を終了し、ほぼ同性能の後継機種としてPromo2000が発売され、本事業では両方の機種を利用しているが、ここでは光散乱径計測機をWelasで代表していることを注記する。

84

【2-2】ダスト飛散率詳細データ測定試験

チゼル詳細試験のパラメータ、評価法
 パラメータ試験同様に小型容器内で70回の試験を実施（パラメータ試験は89回）。
 飛散量は切削部近傍の気中からのサンプリング量（Welas※とサイクロン）で同定。
 破砕後に切削部周辺に沈着した破片や粒子をふるいで分級し、500μmメッシュを通過したものを粒子（非飛散ダスト）とみなして質量欠損に算入。
パラメータ

詳細試験

パラメータ試験

切削刃

チスタガネ（ブルポイント）、平タガネ（コールドチゼル）

打撃速度

モード1（割れない）：500 bpm、モード2（割れる）：650, 800, 950 bpm

小型容器（モード3、4は実施せず）

モード3、モード4：650, 800,
950 bpm

静荷重（重り）

196 N (20 kg)

0, 98, 196 N (0, 10, 20 kg)

供試体（金属は破砕不可）

ジルコン、モルタル、

ジルコン、モルタル（緻密アルミナ）

パラメータ試験（Welas：5L/min のみ）に比べて大流量で吸引。

サンプリング・容器寸法：210×210×300(H) mm
・材質：ポリカーボネート
・Welas吸引量：5L/min
・ELPI吸引量：10L/min
・サイクロンフィルタ：290L/min※）Palas社の光散乱径計測機 Welas2000は最近生産を終了し、ほぼ同性能の後継機種としてPromo2000が発売され、本事業では両方の機種を利用しているが、ここでは光散乱径計測機をWelasで代表していることを注記する。

85

【2-2】ダスト飛散率詳細データ測定試験

コアボーリング詳細試験のパラメータ、評価法
 パラメータ試験同様に小型容器内で44回の試験を実施（パラメータ試験は35回）。
 飛散量は切削部近傍の気中からのサンプリング量（Welas※とサイクロン）で同定。
 小型容器内で切削・計測した影響ついては、【4-2】項の解析計算の結果に基づき、共通設計ケーシング内のコアボーリング切削であれば回収されない、70μmを超える粒子は、飛散ダストから除外した。
パラメータ

詳細試験

パラメータ試験

切削刃

C4（硬）：モルタル、多孔質アルミナ
K12（軟）：ジルコン、緻密質アルミナ、金属

回転数

60，120，300rpm

60，120，300，600rpm

押付力

1，2 kN

1，2，3，6 kN

加工深さ

最大2mm×3回 または 最大5mm

加工時間

最長5分

供試体

モルタル、多孔質 モルタル、多孔質アル
アルミナ、ジルコ ミナ、ジルコン、緻密ア
ン、緻密アルミナ ルミナ、SS400、SUS304
パラメータ試験（Welas：5L/min +サイクロンフィルタ：200～290L/min）と同程度の流量で吸引。

サンプリング（Welas）

サンプリング（ELPI）

供試体

サンプリング（サイクロンフィルタ）・容器寸法：300×300×300(H) mm
・材質：ポリカーボネート、ポリプロピレン
・Welas吸引量：5L/min
・ELPI吸引量：10L/min
・サイクロンフィルタ：290L/min※）Palas社の光散乱径計測機 Welas2000は最近生産を終了し、ほぼ同性能の後継機種としてPromo2000が発売され、本事業では両方の機種を利用しているが、ここでは光散乱径計測機をWelasで代表していることを注記する。

86

【2-2】ダスト飛散率詳細データ測定試験
試験結果：機械的切削（ﾃﾞｨｽｸｶｯﾀｰ、ﾁｾﾞﾙ、ｺｱﾎﾞｰﾘﾝｸﾞ）-1
 ディスクカッター、チゼル、コアボーリングのいずれについても、ダスト飛散率やそのパラメータ依存性はパラメータ試験と同等で、異なる試験装置でも再現可能なデータを取得したことを確認した。

100

100

90

90

80

80

70

70

60

60

ARFRP（%）

ARFRP（%）

 但し、チゼルのダスト飛散率についてはパラメータ試験に比べてやや大きな値が得られており、小型容器内でのサンプリング吸引流量が60倍程度と大きいことが要因と考えられた。

50
40

詳細試験、ポイント

パラメータ試験、平タガネ
詳細試験、平タガネ

50
40
30

30
20

20

パラメータ試験

100

パラメータ試験、ポイント

10

詳細試験
0

10

20

30

40

回転刃周速度（m/s）

5060

ディスクカッターによる緻密質アルミナ切削時の10µm以下粒子の飛散率（ARFRP）の周速度依存性

0

600

650

700

750

800

850

900

950

1000

打撃速度（bpm）

チゼルによるジルコン切削時の10µm以下粒子の飛散率（ARFRP）の打撃速度依存性※）上記は水を被らない乾燥切削、かつ、流速0.1m/sの流動条件下での値であることを注記する。

87

【2-2】ダスト飛散率詳細データ測定試験
試験結果：機械的切削（ﾃﾞｨｽｸｶｯﾀｰ、ﾁｾﾞﾙ、ｺｱﾎﾞｰﾘﾝｸﾞ）-2
 ELPI+とWelasによる粒径分布測定結果は、機器の測定範囲内では概ね一致しており、光散乱計測結果の空気動力学径への換算の妥当性が確認された。
 ディスクカッター・チゼルでの飛散ダストのピーク粒径は10µｍ前後、コアボーリングは10～30µm程度であり、ナノレベルの微細粒子はほぼ無視できることが分かった。
10 µm↓

ディスクカッターによる緻密質アルミナ切削時の飛散ダスト重量濃度の粒径分布（空気動力学径換算）

10 µm
↓

コアボーリングによるモルタル切削時の飛散ダスト重量濃度の粒径分布（空気動力学径換算）※）上記は水を被らない乾燥切削、かつ、流速0.1m/sの流動条件下での値であることを注記する。

88

【2-2】ダスト飛散率詳細データ測定試験

レーザー(ガウジング)詳細試験のパラメータ、評価法
 同一条件の繰り返しを含めて45回の試験を実施（パラメータ試験は87回）。
 欠損量は供試体重量変化（あるいは切削溝体積の重量）、飛散量は後段のHEPAフィ
ルタ等で採取したダスト量とする。
パラメータ

詳細試験

出力

5, 10 kW

送り速度0.1, 0.3, 0.6, 0.9 m/min

パラメータ試験0.3，0.6，0.9 m/min(SS400のみ0.1 m/min実施)

アシストガス
流量30, 90, 150 L/min

供試体

SS400、モルタル、ジルコン、 SS400、モルタル、ジルコン、
SUS304、緻密質ジルコニア、 SUS304、緻密質ジルコニア、
多孔質ジルコニア、緻密質 多孔質ジルコニア、緻密質
アルミナ、多孔質アルミナ
アルミナ、非均質材

レーザーヘッド

パージガスノズル

供試体設置場所（60mol%Al2O3-40mol%ZrO2）

レーザー使用に伴いケーシング窓等を遮光・Welas吸引量：5L/min
・ELPI吸引量：10L/min
・サイクロンフィルタ：150
あるいは290L/min※）Palas社の光散乱径計測機 Welas2000は最近生産を終了し、ほぼ同性能の後継機種としてPromo2000が発売され、本事業では両方の機種を利用しているが、ここでは光散乱径計測機としてWelasで代表していることを注記する。

89

【2-2】ダスト飛散率詳細データ測定試験

レーザー(切断)詳細試験のパラメータ、評価法
 同一条件の繰り返しを含めて50回の試験を実施（パラメータ試験は79回）。
 欠損量は供試体重量変化（あるいは切削溝体積の重量）、飛散量は後段のHEPAフィルタ等で採取したダスト量とする。
パラメータ

詳細試験

パラメータ試験

出力5, 10 kW

送り速度0.3, 0.6, 1.2 m/min 0.6, 1.2 m/min

焦点はずし距離0，-5，+5 mm

パージガス
スタンドオフ

3 mm

供試体

レーザーヘッド

1，3，5 mm

SS400、モルタル、ジルコン、SUS304、
緻密質ジルコニア、多孔質ジルコニア

供試体・Welas吸引量：5L/min.
・ELPI吸引量：10L/min
・サイクロンフィルタ：150
あるいは290L/min※）上記は水を被らない乾燥切削、かつ、流速0.1m/sの流動条件下での値であることを注記する。

90

【2-2】ダスト飛散率詳細データ測定試験

レーザー：試験結果
 レーザーについてもダスト飛散率のパラメータ依存性などはパラメータ試験と同様の結果を示し、異なる試験装置でも再現可能なデータを取得したことを確認した。
 ELPI+捕集板に付着した粒子のSEM観察により、真球に近い形状であることを確認した。
レーザー照射により蒸発した供試体成分が凝集して生じたものと思われる。

ジルコン切削時の飛散率（ARF）の欠損重量当たり照射エネルギー依存性

SS400のレーザー切断で得られた飛散粒子（中央付近の ・ など）※）上記は水を被らない乾燥切削、かつ、流速0.1m/sの流動条件下での値であることを注記する。

91

【2-2】ダスト飛散率詳細データ測定試験

レーザー：試験結果（粒径分布） ELPI+による計測結果（下図）より、Welas※で測定できない100nm前後に粒径分布のピークを持つ微細粒子が多量に存在することが分かった。
 一方、ELPI+ で計測した粒子重量濃度により導出した飛散量が、HEPAやインパク
ター各段の秤量値より過大となる現象が見られたことから、ELPI+では大量の微細粒子の一部を大粒径粒子と誤認する場合があることが推察された。
 レーザー切削の正確な粒径分布導出についてはさらに検討を続ける予定である。

100 nm↓

SS400ガウジング時のELPI+で検出した飛散ダストの粒径分布※）Palas社の光散乱径計測機 Welas2000は最近生産を終了し、ほぼ同性能の後継機種としてPromo2000が発売され、本事業では両方の機種を利用しているが、ここでは光散乱径計測機としてWelasで代表していることを注記する。

92

【2-2】ダスト飛散率詳細データ測定試験

ダスト飛散率データの比較
 各工法・供試体の組み合わせについての飛散率ARFと、呼吸摂取される空気動力学
径10μm以下の微粒子のみの飛散率ARFRPの最大値[%]は以下の通りとなった。
ディスクカッター

コアボーリング

ARF

ARFRP

ARF

ARFRP

緻密質アルミナ

98

96

31

10

多孔質アルミナ

52

34

1.9

0.11

緻密質ジルコニア（試験無し）

多孔質ジルコニア

供試体

レーザー

チゼル
ARF

ガウジング

ARFRP

切断

ARF

ARFRP

11

6.0

－**

0.83

4.8

4.8

－**

（試験無し）（試験無し）

4.2

4.2

1.2

1.2

（試験無し）（試験無し）（試験無し）

3.8

3.1

1.5

1.5

緻密質
60mol%Al2O340mol%ZrO2（試験無し）（試験無し）（試験無し）

6.5

6.5（試験無し）

ジルコン（ZrSiO4）

82

50

9.6

2.7

32

21

25

24

30

30

モルタル

88

61

10

2.0

7.5

2.4

46

36

42

34

SS400

71

43

6.0

0.56

（切削困難）

2.4

2.4

10

10

SUS304

58

48

1.8

－***

（切削困難）

0.34

0.20

4.7

4.7

－*
2.8

ARF

ARFRP

*：ほとんどの場合で切削できず**：レーザーヘッド損傷の恐れがあるため実施せず***：有意なデータを取得できず※）上記は水を被らない乾燥切削、かつ、流速0.1m/sの流動条件下での値であることを注記する。

93

【2-2】ダスト飛散率詳細データ測定試験

飛散特性値を用いた工法間比較
 工法によって切れ方や割れ方（下記の切削痕を参照）が異なるため、飛散率（ARF）
だけでは工法間の飛散挙動の違いを定量的に比較するのは適切でない。
 被ばく線量評価の観点で、時間当たりの飛散量(mg/s)で工法間の比較を行う。
 深さ方向の切削速度に対して飛散量は、バラツキはあるものの、直線上に分布することが分かったため、その比例定数を「飛散特性値（C）」と定義する。

飛散量(mg/s)＝C×切削速度(mm/s)
飛散特性値
ディスクカッター切削痕（緻密質アルミナ）

チゼル切削痕（モルタル）

ARF×[カーフ幅]×[代表長さ]×[密度] に相当
条件により変化する

コアボーリング切削痕（多孔質アルミナ）

工法・供試体で一定

レーザー切断切削痕（左：SS400、右：モルタル）94

【2-2】ダスト飛散率詳細データ測定試験

切削速度と飛散量（モルタル）
 飛散量(mg/s)＝切削速度(mm/s)×Cとして、実験値より中央値Cを導出すると共に、実験結果の包絡線C+1.96σを取得した。
 図のように良い直線関係が得られ、切削速度に対する飛散量は、レーザーガウジン
グ＞レーザー切断≒ディスクカッター＞コアボーリング＞チゼル という傾向。
 切削速度とダスト飛散量という点では、チゼルが5工法の中で最もC値が小さい。
切削対象 モルタル

破線は±1.96σ（95％信頼範囲）を示す

凡例

工法

C (g/m)1.96σ〇

ﾃﾞｨｽｸｶｯﾀｰ

238.2

153.1

〇

ﾁｾﾞﾙ

1.5

1.0

〇

ｺｱﾎﾞｰﾘﾝｸﾞ

2.8

2.7

〇

ﾚｰｻﾞｰｶﾞｳｼﾞﾝｸﾞ

739.6

262.8

〇

ﾚｰｻﾞｰ切断

230.7

101.0

※）上記は水を被らない乾燥切削、かつ、流速0.1m/sの流動条件下での値であることを注記する。

95

【2-2】ダスト飛散率詳細データ測定試験

切削速度と飛散量（ジルコン）
 切削速度に対する飛散量は、以下の傾向となった。
レーザーガウジング＞レーザー切断≒ディスクカッター＞コアボーリング＞チゼル
 切削速度とダスト飛散量では、チゼルが全工法の中で最もC値が小さい。
 ディスクカッターは切削速度を遅くすると飛散量を抑えることができる。

切削対象 ジルコン

破線は±1.96σ（95％信頼範囲）を示す

凡例

工法

C (g/m)1.96σ〇

ﾃﾞｨｽｸｶｯﾀｰ

168.7

84.1

〇

ﾁｾﾞﾙ

2.3

1.8

〇

ｺｱﾎﾞｰﾘﾝｸﾞ

41.5

40.2

〇

ﾚｰｻﾞｰｶﾞｳｼﾞﾝｸﾞ

774.5

262.8

〇

ﾚｰｻﾞｰ切断

155.6

77.6

※）上記は水を被らない乾燥切削、かつ、流速0.1m/sの流動条件下での値であることを注記する。

96

【2-2】ダスト飛散率詳細データ測定試験

切削速度と飛散量（緻密質アルミナ）
 切削速度に対する飛散量は、
ディスクカッター＞コアボーリング＞レーザーガウジングという傾向。但し、コアボーリングとレーザーガウジングは切削数が少ないため参考値。
 ディスクカッターでのC値は、緻密質アルミナを切削した場合に最大となった。
切削対象 緻密質アルミナ

破線は±1.96σ（95％信頼範囲）を示す

凡例

工法

C (g/m)1.96σ〇

ﾃﾞｨｽｸｶｯﾀｰ

478.6

238.7

〇

ﾁｾﾞﾙ

－

－

〇

ｺｱﾎﾞｰﾘﾝｸﾞ

61.2

0

〇

ﾚｰｻﾞｰｶﾞｳｼﾞﾝｸﾞ

10

0

〇

ﾚｰｻﾞｰ切断

－－※）上記は水を被らない乾燥切削、かつ、流速0.1m/sの流動条件下での値であることを注記する。

97

【2-2】ダスト飛散率詳細データ測定試験

切削速度と飛散量（多孔質アルミナ）
 多孔質アルミナでは全体的に飛散量は小さくなり、切削速度に対する飛散量は、レーザーガウジング≒ディスクカッター＞コアボーリング＞チゼル という傾向。
 レーザーガウジングのC値は、ジルコン･モルタルではディスクカッターに比べて3～5倍程度大きかったが、多孔質アルミナでは大きな差はなかった。
 多孔質アルミナではコアボーリング･チゼルによる切削は良好で、飛散量も小さい。
切削対象 多孔質アルミナ

破線は±1.96σ（95％信頼範囲）を示す

凡例

工法

C (g/m)1.96σ〇

ﾃﾞｨｽｸｶｯﾀｰ

93.2

34

〇

ﾁｾﾞﾙ

0.2

0.1

〇

ｺｱﾎﾞｰﾘﾝｸﾞ

0.8

0.7

〇

ﾚｰｻﾞｰｶﾞｳｼﾞﾝｸﾞ

103.8

38.3

〇

ﾚｰｻﾞｰ切断

－－※）上記は水を被らない乾燥切削、かつ、流速0.1m/sの流動条件下での値であることを注記する。

98

【2-2】ダスト飛散率詳細データ測定試験

切削速度と飛散量（SUS304）
 切削速度に対する飛散量は、ディスクカッター＞レーザーガウジング＝レーザー切断という傾向。SUS304では、Ｃ値はディスクカッターが最大。
 ディスクカッターは切削速度を遅くすると飛散量を抑えることができる。

切削対象 SUS304

凡例

工法

C (g/m)1.96σ〇

ﾃﾞｨｽｸｶｯﾀｰ

69.8

61

〇

ﾁｾﾞﾙ

－

－

〇

ｺｱﾎﾞｰﾘﾝｸﾞ－－〇ﾚｰｻﾞｰｶﾞｳｼﾞﾝｸﾞ

32.9

8.2

〇

ﾚｰｻﾞｰ切断

31.6

15.8

破線は±1.96σ（95％信頼範囲）を示す※）上記は水を被らない乾燥切削、かつ、流速0.1m/sの流動条件下での値であることを注記する。

99

【2-2】ダスト飛散率詳細データ測定試験

工法間の比較：飛散特性値と特徴のまとめ
飛散特性値※：C±1.96σ (g/m)
多孔質
ｱﾙﾐﾅ

SUS304

ｼﾞﾙｺﾝ

ﾓﾙﾀﾙ

ﾃﾞｨｽｸ
ｶｯﾀｰ

93.2±3469.8±61

169±84238±153

ﾁｾﾞﾙ

0.2±0.1－

2.3±1.8

1.5±1.0

ｺｱﾎﾞｰﾘﾝｸﾞ

0.8±0.7－41.5±40.2

2.8±2.7

ﾚｰｻﾞｰ
ｶﾞｳｼﾞﾝｸﾞ

104±3832.9±8.2

775±263740±263

ﾚｰｻﾞｰ
切断

－

31.6±15.8

156±78231±101

特徴
ARFは大きいが切削性が良く、飛散量はレーザーと同程度以下。粒径は条件によって異なる。刃の選択肢が広く、セラミックスも金属も切削可能。
ARFが大きいときもあるが、質量欠損が少なく、切削速度当たりの飛散量は少ない。金属系や硬い物質（緻密アルミナなど）には使用できない。
欠損量が大きく粉体が多く生成するが、ARFが4工法で最も小さく、飛散量は小さい。ビットの損耗が激しく、大きな押付力を要することが短所。
ナノレベルの非常に小さな粒子が発生し、飛散量は大きい。緻密アルミナなど、一部のセラミックス
では切削ができないケースがある（レーザー光が吸収されないため）。
ナノレベルの非常に小さな粒子が発生し、飛散量は大きい。レーザー光を吸収しない物質への使用には注意が必要（反射光によるレーザーヘッドの損傷可能性）。レーザーの終端処理が必要。

※飛散量(mg/s)＝C×切削速度(mm/s)
100100
上記は水を被らない乾燥切削、かつ、流速0.1m/sの流動条件下での値であることを注記する。

【2】ダスト飛散率測定試験

まとめ 気流条件や微粒子計測法を統一した試験体系を構築し、４工法（ディスクカッター、チゼル、コアボーリング、レーザー）について様々な条件で乾式切削し、飛散挙動に影響を与えるパラメータを調べて、想定される使用範囲での飛散率データを導出した。
 各工法での最大飛散率ARFは、概ね、ディスクカッター＞レーザー切断≒レーザーガ
ウジング＞チゼル＞コアボーリング という傾向になった。
 さらに、安全評価の観点から、工法特有のカーフ幅や刃渡りを含んだ飛散量が重要であることから、飛散量(g/s)と深さ方向の切削速度(m/s)の比例係数を飛散特性値C（g/m）として整理した。同じ材料でCが大きな工法ほど、ダストが飛散することになる。
 各工法で切削速度に対するダスト飛散量を比較すると、概ね、レーザーガウジング＞
レーザー切断≒ディスクカッター＞コアボーリング＞チゼル、という傾向となった。
 飛散粒子の粒径分布に関しては、機械的切削（ディスクカッター･チゼル･コアボーリ
ング）ではピーク粒径は概ね10～30μm程度であり、ナノレベルの微細粒子は無視できる。一方、熱的切削（レーザー）では100nm前後のものが多いが、より詳細な検討が必要である。
 なお、切削工法の選定には飛散量や飛散率だけではなく、材料に対する切削性なども重要なため、切削試験で得られた各工法の特徴を併せて整理した。
101

【3】ダスト飛散挙動評価試験102【3-1】コールド模擬材による挙動評価試験

目的と実施内容 本項では、ユニバーサルなダスト飛散率を導出する考え方と実験装置設計を構築し、【2】のダスト飛散率測定試験や【3-2】ウラン含有模擬デブリによる飛散挙動評価試験、【3-3】kg規模ウラン含有模擬デブリによるダスト飛散挙動測定試験に反映する。
 ダスト飛散量の導出には、飛散ダストを定量／粒径分布計測する必要があり、切削部で発生した飛散ダストを制御された気流中で浮遊させ、計測部で回収・計測する。
 気流の流速は、燃料デブリ取り出し時のPCV最大換気量から、保守的に0.1m/sと設定した。

飛散ダスト量

飛散率※

飛散率 ARFRP =供試体欠損量
飛散ダスト量 （呼吸摂取される空気動力学径≦10μm飛散ダストのみ）
供試体欠損量

ダスト飛散率測定試験設備の共通設計（ディスクカッターの例）※）呼吸摂取可能な空気動力学径≦10μmの飛散ダストだけで評価した飛散率を、ARFRPと略称する（RP=respirable）。
103
なお、この略称ARF はARFと区別するために本資料でのみで定義したもので、一般的なものではないことを注記する。

【3-1】コールド模擬材による挙動評価試験（粒子計測手法の構築）

飛散ダストの粒径計測に適した装置と手法の検討
 信頼性の高い微粒子計測として知られる、Welas（Palas社Welas2000又はPromo2000）※、
ELPI+、Microtrac MT3000は、計測可能な粒径と粒径範囲が異なる（下表）。
• Welas：光散乱径（𝐷𝐷𝑂𝑂𝑂𝑂 ） 計測。計測範囲は0.2～10μm、0.3～17μm、0.6～40μm。

• ELPI+：空気動力学径（𝐷𝐷𝑎𝑎𝑒𝑒 ） 計測。計測範囲は0.006 ～ 10 μm。

• Microtrac MT3000：動的光散乱径計測。計測範囲: 0.02～ 2,000 μm。

 予備試験で切削時に発生する飛散ダストの粒径を計測したところ、Welasが最も計測の再現性に優れ、信頼できることが分かった。一方、飛散ダストにはWelasの計測範囲を超える粒径のものが発生する場合があること、非球形の飛散ダストで計測された光散乱径を空気動力学径に変換する必要があることが分かった。
 そこで、これら複数の計測装置を組み合わせることにより、飛散ダストの空気動力学径分布を高い精度で取得する手法の構築を行った。
Device

ELPI+

Welas

Microtrac MT3000 series

計測する粒子径

空気動力学径

光散乱径

レーザー回折・動的光散乱径

計測範囲0.006-10 μm

0.2-10 μm

IN SITU / OFF-line

IN SITU

IN SITU

測定原理

粒子をインパクタに衝突させることで、 散乱光の強度から粒径を取得する。
粒子を捕集する。ELPI+では、衝突した際の電気信号から粒子をカウントする。

0.3-17 μm

0.6-40 μm

0.02μm-2,000μm
OFF-line
回折パターン・強度から粒径分布を取得する。

※）Palas社の光散乱径計測機 Welas2000は最近生産を終了し、ほぼ同性能の後継機種としてPromo2000が発売され、本事業では両方の機種を利用しているが、ここでは光散乱径計測機としてWelasで代表していることを注記する。

104

【3-1】コールド模擬材による挙動評価試験（粒子計測手法の構築）（参考）空気動力学径、幾何学径、光散乱径➀ 幾何学径（𝑫𝑫𝒈𝒈𝒈𝒈𝒈𝒈 ）形状から粒子径を定義するものである。幾何学径としては、長軸径、短軸径、厚み、平均径、定方向径、相当径がある。

② 光散乱径（𝑫𝑫𝑶𝑶𝑶𝑶 ）粒子に光を照射した際の散乱光の強度から得た粒子径。光散乱強度は粒径と相関がある。
散乱光は、全方向に散乱するが、Welasでは、側方に散乱される散乱光強度から粒径を得る。

③ 空気動力学径（𝑫𝑫𝒂𝒂𝒂𝒂 ）不規則な形をした粒子の直径を測ることは一般には難しいため、その粒子と終末沈降速度が等しい密度 1 g/cm3 の球の直径を空気動力学径と呼ぶ。つまり、空気動力学径とは対象とする粒子と空気中で同じ挙動を示す仮想的な水滴の直径である。インパクターで粒子径を測定したとき、粒子密度が不明でも空気力学的粒子径は求まることになる。
真球の場合、空気動力学径 𝐷𝐷𝑎𝑎𝑎𝑎 と幾何学径（𝐷𝐷𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔 ）の関係は以下の式で表すことができる。

𝐷𝐷𝑎𝑎𝑎𝑎 =𝜌𝜌𝑝𝑝 𝐷𝐷𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔

105

【3-1】コールド模擬材による挙動評価試験（粒子計測手法の構築）

光散乱径から空気動力学径の導出
本事業では、解析で扱えるように『空気動力学径』で粒径を評価するが、計測法により『幾何学径』、『光散乱径』も混在するので、互いの変換方法を以下のように確立した。
【粒子が真球の場合】
光散乱径（𝐷𝐷𝑂𝑂𝑂𝑂 ）と幾何学径（𝐷𝐷𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔 ）は等しい。
𝐷𝐷𝑜𝑜𝑜𝑜 = 𝐷𝐷𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔
一方、光散乱径と空気動力学径は、粒子密度をρp、水の密度をρ0とすると、以下の関係がある。
𝜌𝜌0 𝐷𝐷𝑎𝑎𝑎𝑎 = 𝜌𝜌𝑝𝑝 𝐷𝐷𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔 = 𝜌𝜌𝑝𝑝 𝐷𝐷𝑜𝑜𝑝𝑝

光散乱径に比重の平方根を掛けると空気動力学径となる。
真球粒子の光散乱径と空気動力学径【粒子が非球形の場合】
光散乱径に対し形状補正項(𝛼𝛼 −1 ）を掛けることで、幾何学
径（真球相当）を得る。
𝐷𝐷𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔 = 𝐷𝐷𝑂𝑂𝑂𝑂 × 𝛼𝛼 −1𝜌𝜌0 𝐷𝐷𝑎𝑎𝑎𝑎 = 𝜌𝜌𝑝𝑝 𝐷𝐷𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔 = 𝜌𝜌𝑝𝑝 𝐷𝐷𝑜𝑜𝑝𝑝 × 𝛼𝛼 −1

そこで、切削ダストのαを、測定した空気動力学径と幾何学径から実験的に導出した。

非球形粒子（切削ダスト）の光散乱径と空気動力学径106【3-1】コールド模擬材による挙動評価試験（粒子計測手法の構築）

計測法の組み合わせによる飛散ダストの粒径分布の導出
 様々な切削実験での飛散ダストの粒径分布測定結果から検討した。
 下図の場合、個数分布ではELPI+で全体を計測できているように見える。重量分布で見ると、ELPI+では全体を計測できておらず、Welas※で、全体を計測できていることが分かる。
 一方、Welasの測定範囲を超える（>40μm）のダストが飛散するケースもあり、オフラインとなるがMicrotracにより更に広い範囲の確認が必要であることも分かった。

ELPI+

Welas

緻密質アルミナ
3000rpm
80N

緻密質アルミナ
3000rpm
80N

Welas

ELPI+

※）Palas社の光散乱径計測機 Welas2000は最近生産を終了し、ほぼ同性能の後継機種としてPromo2000が発売され、本事業では両方の機種を利用しているが、ここでは光散乱径計測機としてWelasで代表していることを注記する。

107

【3-1】コールド模擬材による挙動評価試験（粒子計測手法の構築）

計測法の組み合わせによる飛散ダストの粒径分布の導出
 様々な切削実験での粒径分布の測定結果から、飛散ダストの確からしい空気動力
学径分布を導出する手法（フロー）を構築した。
 得られた空気動力学径分布を用いることにより、飛散率ARF（全粒径）から、被ばく
線量評価で重要な飛散率ARFRP（≦10μm）を得ることができる。
粒径分布データ
Welasが粒径全体をカバーできているか？

Welasで粒径分布を判断できるか？
No

No
Yes

粒径分布の補正

空気動力学径への変換

Microtracで粒径分布を計測可能か？

Yes

Welasは全体何％を計測できているか推定NoYes

縦軸を％からmg/m3等の定量値へ変換
顕微観察

ELPIの結果と合わせる
空気動力学径分布

D50※※
縦軸定量値粒径分布※ ※ ） D50：積算分布50％の粒径（メディアン径）

飛散率ARFRP
飛散率ARF

本事業で開発した切削ダストの空気動力学径分布とARFRPを得るためのフロー※）呼吸摂取可能な空気動力学径≦10μmの飛散ダストだけで評価した飛散率を、ARFRPと略称する（RP=respirable）。
なお、この略称ARF はARFと区別するために本資料でのみで定義したもので、一般的なものではないことを注記する。 108

【3-1】コールド模擬材による挙動評価試験

実験システム試作機（1号機）
 気密の筐体（断面800 mm×800 mm×長さ1,500 mm）内に切削機を設置。
 筐体内壁は平滑なアルミおよび導電フィルムを貼布したポリカーボネートを使用。
 本試作機で、具体的に以下の検討を実施した。
 インバータ制御による、切削装置の回転数、ブロワ風量の制御システム
 供試体押付圧力の制御システム
 ダストサンプリングシステムおよび計測システム
 安全システム
切削装置部
吸気部
1500 mm

筐体
排気装置

800 mm

筐体を反対から撮影

2021

109

109

【3-1】コールド模擬材による挙動評価試験

試作機（1号機）の試験結果：床と壁への沈着量の分布
 ケーシング内部のダスト沈着量の分布を、各部位（床・壁・天井）に置いたガラス板のクーポンへの付着量から評価した。
 床にはほぼ均質に分布する一方、壁と天井への付着は無視できる量であった。
壁B 0.1mg以下
1.38 mg0.70 mg

ﾃﾞｨｽｸｯｶｯﾀｰ

ﾃﾞｨｽｸﾌﾞﾚｰﾄﾞ
0.47 mg

900 mm2.75 mg7.53 mg

13.82 mg5.80 mg

9.57 mg13.62 mg6.68 mg

10.83 mg

14.84 mg

4.91 mg

9.31 mg11.41 mg

4.67 mg

7.31 mg8.85 mg

天井 0.1mg以下

3.34 mg

供試体
0.49 mg

壁A 0.1mg以下110【3-1】コールド模擬材による挙動評価試験

試作機1号機で得られた課題と2号機への反映
 1号機で明らかとなった課題を抽出し、改良ケーシング（２号機）を製作した。
 2号機は性能を確認してパラメータ試験のケーシングの基本設計とした。
改善すべき点改善方法#1

筐体内での切削装置の調整が難しい。

スライド機構により、切削装置を容易に筐体の外に取り出せる構造とする。

#2

切削装置を、スライド機構により出し入れするため、筐体の天井高を高くする。

天井高さを+200～400mm（1,000mm～1,200mm）#3

扉の間口が小さく、装置の取り出しが難しい。 ラプコン機構ソフトダウンステー扉もしくはスライドド
扉部凹み部に粒子が堆積する。扉の構造を ア構造により、間口を最大限確保するとともに、扉部の構造をフラット化する。
可能な限りフラット化する必要がある。

#4

配線は筐体下から取り出す。

電源ケーブル、信号線が十分収まる管を設置する。
気密のためのシールが必要。

#5

安全装置

光カーテン、ドアスイッチ、異常振動検知といったセンサーを追加する。別系統の安全PLCを追加する。

#6

ブロワの制御切削装置PLCに接続し、ブロワ制御（風量制御）する。

#7

カメラ

試験部観測用カメラ×2か所の設置、PLCに接続。

#8

計測装置

温度・湿度・圧力（筐体内圧力、フィルタ差圧）#9

床

床は可能な限りフラットな構造とする。
2020

111

【3-1】コールド模擬材による挙動評価試験

実験システム試作機（2号機）：ケーシングの設計
 水平方向流れで使用する場合の配置

ケーシング寸法：H1,400xW800xL2,000 垂直方向流れで使用する場合の配置

112

112

【3-1】コールド模擬材による挙動評価試験

実験システム試作機（2号機）：ケーシングの設計
B

A

Welas

ディスクカッター
Inlet

Welas + filter
Cyclone filter

HEPA

B

A

サンプリング管

ディスクカッター

ケーシング給気側

ケーシング排気側※）Palas社の光散乱径計測機 Welas2000は最近生産を終了し、ほぼ同性能の後継機種としてPromo2000が発売され、本事業では両方の機種を利用しているが、ここでは光散乱径計測機としてWelasで代表していることを注記する。

113

【3-1】コールド模擬材による挙動評価試験

実験システム試作機：ケーシング内風向の検討
 廃炉ハンドブック※では等方的なケーシングの上部に排気・サンプリング系を設けて上向
きの流動下でのダスト飛散率を取得した。
 一方、本事業で対象とする、ディスクカッターやレーザーではダスト飛散に指向性があり、狭いケーシングでは壁への沈着で非保守的な評価となる可能性があった。
 そこで、飛散方向に長いケーシングを採用する場合に、流れ方向の影響やサンプリング
位置の最適化などの検討を実施した。

ディスクカッター

Welas

3

2020

※）電力中央研究所、「廃止措置工事環境影響評価ハンドブック（第3次版）」、2007年3月.

114

【3-1】コールド模擬材による挙動評価試験

実験システム試作機：縦方向流れで計測した粒径分布
 ケーシング：縦方向流れ、片側吸気、Welasはケーシング内に設置（サンプリング
管最短）
 ケーシング（2,000 mm x 1,400 mm）では流れ方向の影響は小さいことが分かった。

ディスクカッター

2020

115

【3-1】コールド模擬材による挙動評価試験

実験システム試作機：横方向流れで計測した粒径分布
 ケーシング：横方向流れ ケーシング（2,000 mm x 1,400 mm）では流れ方向の影響は小さいことが分かった。

2020

116

【3-1】コールド模擬材による挙動評価試験

実験システム試作機：サンプリング系統の最適化
 サンプリング管が長い＋曲がり部が多い場合、サンプリング管内での粒沈着が大きくなり、違った粒径分布が得られた。

2020

117

【3-1】コールド模擬材による挙動評価試験（測定装置の開発）

実験システム共通設計の構築と展開
ケーシング１号機で得た情報を基にケーシング２号機、
東芝ESS/NFD ケーシング、ONETケーシングを製作した。
① 各部必要寸法② サンプリング方法③ 計測方法
④ 切削装置の制御方法

ケーシング１号機（試作機）
1,500mm×800mm×800mm
流速 0.1 m/s

ケーシング２号機（パラメータ試験）
電中研、日立GE、三菱重工、IHIに設置
2,000mm×1,400mm×800mm
流速 0.1 m/s

小型ケーシング
チゼル、コアボーリ
ングでは、ダスト飛散量が少なく（ディスクカッター100分の1以下）、小型
ケーシングに変更

東芝ESS/NFD ケーシング
長さ600mm、高さ300mm、幅200mm

ONETケーシング
長さ1,350 mm、高さ
1,000mm、幅890mm

1,400 mm
ケーシング３号機（詳細データ測定試験）
2,500mm×1,300mm×1,300mm 流速0.1 m/s
既存管理区域の空間的制約等により、若干小さなケーシングとなったが、設計や計測位置の工夫によりほぼ同じデータ取得が可能であることを、同じコールド供試体（緻密質アルミナ）で確認した。
118

118

【3-2】ウラン含有模擬デブリによる飛散挙動評価試験【3-3】 kg規模ウラン含有模擬デブリによるダスト飛散挙動測定試験

ウラン含有模擬デブリ試験全体の目的と実施内容
 目的
 コールド試験でパラメータ依存性を調べた飛散率の絶対値として、燃料デブリ成分相（ウラン酸化物燃料デブリ）の飛散率を測定し、燃料デブリの飛散率を推定する。
 様々な相（酸化物、金属、ホウ化物等）が非均質に共存する実際の燃料デブリに近い溶融過程を経たウラン含有模擬燃料デブリの飛散率を測定し、上記の推定値と比較する。

 実施内容【3-2】 ウ ラ ン 含 有 模  均質なU-Zr-O混合酸化物の製造および性状分析
単相 少元素 均質
未溶融 10g規模
擬デブリによる飛散
 管理区域に試験環境を構築
挙動評価試験
 切削時のダスト飛散率測定試験および評価（東芝ESS-NFD）【3-3】kg規模ウラン含有模擬デブリによるダスト飛散挙動測定試験（ONET-CEA-IRSN）

 kg規模の非均質なRPV模擬燃料デブリの製造および性状分析
多相 多元素 非均質 溶融

Kg規模

 管理区域に試験環境を構築
 切削時のダスト飛散率測定試験および評価119【3-2】ウラン含有模擬デブリによる飛散挙動評価試験【3-3】 kg規模ウラン含有模擬デブリによるダスト飛散挙動測定試験

切削試験の条件
実施場所

供試体（熱処理温度）

ペレット数/試験 試験回数

Al2O3 ペレット、ブロック

5

10

3

各1

切削刃
AG180
BT180A

回転数[rpm]
1200,500
010，20，
80

3000

20

荷重[N]

立方晶 UO2ペレット (1700℃)
東芝ESS
-NFD

ONET
-CEA
-IRSN

立方晶 (U,Zr)O2 (1700℃)
正方晶 (Zr,U)O2 (1700℃)
立方晶 (U,Zr)O2 ＋正方晶 (Zr,U)O2(1700℃)
立方晶 (U,Zr)O2 ＋正方晶 (Zr,U)O2(2400℃)
Al2O3 ペレット
立方晶 UO2 ペレット (1700℃)
A面
FD #1 ※
B面
VF-U2-E
FD #2 ※
VF-U2-A

BT180A
5
－
－
－
－

6
6
4
2
1
2

1200,30
00
3000

60-70
20, 100
50
100
50※）kg規模ウラン含有模擬燃料デブリ試料のFD#1とFD#2の詳細はp.127参照

 国内調達のAl2O3とUO2およびディスクブレード（BT180A）をフランスでも使用し条件を揃えた。
 運転方法もできるだけ条件を統一し、可能な範囲で同条件を繰り返して再現性を確認した。
120

【3-2】ウラン含有模擬デブリによる飛散挙動評価試験

均質ウラン含有模擬燃料デブリの製造
 事故進展に応じて異なる到達温度とUO2:ZrO2比が、燃料デブリの性状（微細組織、熱・機械的特性）およびダスト飛散挙動に及ぼす影響の把握を目的に、製造条件を決定した。

U：Zr
100：0 90：10

40：60

15：85

液相

 U-Zr酸化物： 4組成
2400℃

 熱処理温度： 2種類

立方晶(U,Zr)O2
立方晶

正方晶
正方晶
(Zr,U)O2(Zr,U)O

2

1700℃
主要な相

原料粉末
比率(at%)(U,Zr)O2 + (Zr,U)O2

熱処理条件(最高温度での熱処理条件)

UO2

ZrO2

最高
温度

保持
時間

雰囲気

立方晶(U,Zr)O29010

正方晶(Zr,U)O2

1585

立方晶(U,Zr)O2+正方晶(Zr,U)O2

4060

立方晶 UO2

100

0

1700℃
2400℃
1700℃
2400℃
1700℃
2400℃
1700℃
2400℃

4h
10 min4h
10 min4h
10 min4h
10 minwet Ar+1%H2
Ar
wet Ar+1%H2
Ar
wet Ar+1%H2
Ar
wet H2Ar

立方晶
UO2(U,Zr)O2 + (Zr,U)O2
TMI-2炉心平均

単斜晶
単斜晶(Zr,U)O2

ZrO2

1F1-3炉心平均

UO2-ZrO2擬二元系状態図選定した製造条件121

【3-2】ウラン含有模擬デブリによる飛散挙動評価試験

均質ウラン含有模擬燃料デブリの性状分析
分析項目

分析方法

分析結果

密度

アルキメデス法

ZrO2濃度の増加とともに密度が低下する傾向。熱処理温度による相違は小さい

ヤング率

超音波パルス法UO2に対して、1700℃では15:85試料を除き同程度。2400℃では、90：10試料は同程度、他試料
は低下

破壊靭性

Indentation Fracture法

UO2に対して、90：10試料と40：60試料はZrO2比の増加とともに上昇し、15：85試料は低下

硬度

ビッカース硬度法

15：85試料を除き、ZrO2比の増加とともに硬さが上昇傾向。1700℃に比べ、2400℃で硬さが微増

結晶粒径

SEM像を用いた計算

1700℃では、15：85試料と40：60試料は6~9µm程度。2400℃では、粗大化しU/Zr比の差が低下

O/U比

熱重量法

UO2の存在比が大きいほどO/U比は2.00に近づく傾向がある

微細組織
および
結晶構造

(U,Zr)O2(U,Zr)O2+(Zr,U)O2(Zr,U)O2

熱処理温度
1700℃
2400℃

UO2

母相が立方晶(U,Zr)O2

母相が正方晶(Zr,U)O2

122【3-2】ウラン含有模擬デブリによる飛散挙動評価試験

試験環境の整備
 小規模ウラン含有模擬燃料デブリを対象に、ディスクカッターによる乾式切削時に発生するダスト飛散率データを取得するため、NFD管理区域に試験設備を整備した。
 管理区域の寸法や耐震設計の制限を考慮した試験装置を設計し、原子力規制庁より核燃料使用許可変更申請（ダスト試験装置の新設）が認可された。
 コールド材を対象とするパラメータ試験および詳細データ測定試験と同一条件でウ
ラン試料の切削試験を実施するため、ダストの輸送効率や切断刃の回転数・押し付
け荷重等を可変可能な試験装置をNFDの管理区域に設置した。

ダスト検出

飛散

0.1m/s飛散
切断

切断

ダスト飛散率測定装置（NFD管理区域に設置）
123【3-2】ウラン含有模擬デブリによる飛散挙動評価試験

切削前後の外観と飛散ダスト
供試体の種類

切削前後のU-Zr-O混合酸化物の外観
試験前

飛散ダストの二次電子像

試験後(Zr,U)O2
熱処理温度
1700℃

(U,Zr)O2+(Zr,U)O2
熱処理温度
1700℃

124

【3-2】ウラン含有模擬デブリによる飛散挙動評価試験

試験結果（ダスト飛散率）
 ダスト飛散率は、参照用の緻密質アルミナより小さい値であった。
 最高熱処理温度差による結晶粒径の違いへの依存性は小さかった。
 なお、ペレット状の供試体形状の影響については、アルミナにおいてブロック状の供試体と同等の飛散率、飛散粒子径D50を確認した。
ディスクカッター
Lobtex BT180A

正方晶(Zr,U)O2
立方晶(U,Zr)O2立方晶(U,Zr)O2+正方晶(Zr,U)O2(2400℃)
立方晶(U,Zr)O2+正方晶(Zr,U)O2(1700℃)

立方晶UO2※）上記は水を被らない乾燥切削、かつ、流速0.1m/sの流動条件下での値であることを注記する。 125【3-2】ウラン含有模擬デブリによる飛散挙動評価試験

試験結果（飛散ダストの性状）
 飛散ダストには2相の微細相が含まれており、U含有率の変化は小さい。
→粒界で割れていない。ARFが燃料デブリの結晶粒径に依存しない。
→飛散ダストのU含有率は、元の燃料デブリから変化しない傾向にある。

切削試験前試料断面SEM-EDS

切削試験で飛散したダストの断面SEM-EDS

ダストの断面のSEM/EDS分析結果（立方晶(U,Zr)O2+正方晶(Zr,U)O2,1700℃)
126【3-3】kg規模ウラン含有模擬デブリによるダスト飛散挙動測定試験

kg規模ウラン含有模擬燃料デブリの調達
 シビアアクシデント解析コードにより、1F2号機下部ヘッドに堆積していると評価されたRPV燃料デブリの化学組成*1を対象に、溶融過程を経る2種類の製造法を用いて、kg規模の非均質なRPV模擬燃料デブリをそれぞれ調製した。

FD#1（テルミット反応法）
 熱力学計算により、原料組成を決定
U3O8+Zr+CrO3→UO2+Zr/ZrO2+Cr2O3+ΔH
 原料10㎏のうち溶融凝固した塊を6.4㎏回収（N2パージ）。破砕したインゴット4個のうち、ダスト飛散率試験と分析用に各1個使用。
 RPV燃料デブリに存在しないと推測される高硬度の窒素含有相がダスト飛散挙動に及ぼす影響は未知であるため、これを排除するアルゴン下での製造を試みたが不成功。

FD#2（誘導加熱法）
 VF-U2試験*2で、原料18㎏のうち溶融凝固した塊を11㎏回収（N2パージ）。破砕したインゴット4個のうちダスト飛散率試験に1個、小片5個のうち分析用に2個使用
 溶融凝固した塊に高硬度の窒素含有相の形成を確認*2*1 M. Pellegrini, Proc. NURETH-16, Chicago, IL (2015)*2 C. Journeau, et al., ERMSAR2022, Karlsruhe, Germany, May 16-19, 2022.

製造した模擬燃料デブリの化学組成（wt%）
化合物
UO2
Zr
ZrO2
Cr
Fe
CeO2
SnO2
B4C
RuO2
Nd2O3
MoO2
CsOH.H2O
BaO
La2O3
PdO
Pr2O3
Sm2O3
SrO
Y2O3
TeO2

FD#1
（計算値）
32.7
34.5
21.8
1.68
6.72
0.2
0.9
1
0.06
0.11
0.09
0.06
0.04
0.03
0.03*
0.03
0.01
0.02
0.01
0.03

FD#2
（原料組成）
35.7
34.5
18.8
8.4*3
0.2
0.9
1
0.06
0.11
0.09
0.06
0.04
0.03
0.03
0.03
0.01
0.02
0.01
0.03

127

【3-3】kg規模ウラン含有模擬デブリによるダスト飛散挙動測定試験

kg規模ウラン含有模擬燃料デブリの特性
項目

分析方法

FD#1（テルミット反応法）

FD#2（誘導加熱法）

微細
組織

SEM-EDX

 金属と酸化物が非均質に混在。場所により、組成や微細組織に変動あり
 マトリクス：主に、正方晶 (Zr,U)O2(N) 、一部に立方晶(U,Zr)O2(N) 析出物： 主に、ZrON、Fe-Cr-Sn、ZrB2、Zr-B-N-O、(Fe,Cr)B、Zr-Sn-O
閉気孔が多い（空隙率50-70%）

閉気孔が少ない
5.5-7.1 g/cｍ3

密度

アルキメデス法3.9-4.2 g/cｍ3

硬度

マイクロビッ
カース硬度法







結晶
構造

X線回折法

正方晶と単斜晶ZrO2, U0.5Zr0.5O2, ZrN0.4B0.6 , Fe-Cr, ZrB2, UO2.2, ZrN等

化学
組成

ICP-AES/MS

完全溶解
初期原料に近い組成を確認

Fe-Cr-Sn
300-600 HV(Zr,U)O2(N) 1000-2000 HV(Fe,Cr)B
2000 HV
ZrON
1300-2900 HV
3300-4000 HV
ZrB2






Zr(Fe,Cr)2(O) 1000-1400 HV(Zr,U)O2
1500-1800 HV
2500-4000 HV
ZrB2
ZrON
3000-5500 HV

完全溶解せず残渣発生（主にU,Zr）

 FD#1とFD#2にマクロな性状変化は見られないが、空隙率の差に基づく密度差あり
 原料組成と化学分析値が概ね一致したことから、少なくとも数100㎎レベルでは均質混合（FD#1）
 事故時のRPV環境と異なる窒素雰囲気で溶融したことに由来し、ともに微小領域で高硬度な窒素含
有相を形成
128

【3-3】kg規模ウラン含有模擬デブリによる飛散挙動評価試験

試験環境の構築
 CEAカダラッシュのPLINIUS施設に設置した試験装置（排気系やダスト計測系の設
置前）。

129

【3-3】kg規模ウラン含有模擬デブリによるダスト飛散挙動測定試験

切削後の外観と飛散ダスト
 国内試験と同じ刃（LOBTEX BT180A）できれいにかつ繰り返して切削できた。
 飛散ダストの形状は、アルミナ等のセラミックス切削時と大きく変わらない。
FD#1

FD#2

切削試験後の供試体

飛散ダスト(FD#1, TEM grid)130【3-3】kg規模ウラン含有模擬デブリによるダスト飛散挙動測定試験

飛散ダストの粒子径分布評価
 飛散ダストの粒子径の最頻値および中央値はFD#1が4.5 μmと7.4 μm、FD#2 が7.0 μmと10 μmであった。
 粒子径の最頻値および中央値ともにFD#1 < FD#2であった。
FD#1

FD#2

飛散ダストの粒子径分布
いずれも、切削刃の回転速度3000 rpm、押付力50 Nの場合131

【3-3】kg規模ウラン含有模擬デブリによるダスト飛散挙動測定試験

空気動力学径10μm以下の飛散率（ARFRP）の評価
 粒子径10 μm以下のダスト飛散率は10 ～13% (FD#1)、23 ～ 30% (FD#2)、
25 ～27% (UO2ペレット)であった。
 空気動力学径10μm以下のARFRPはFD#1＜ FD#2 ≒ UO2ペレットであった。
⇒ 供試体の空隙率の差および UO2/(UO2+ZrO2)の違いが要因の可能性
ディスクカッター
Lobtex BT180A※ ）上記は水を被らない乾燥切削、かつ、流速0.1m/sの流動条件下での値であることを注記する。 132

【3-3】kg規模ウラン含有模擬デブリによるダスト飛散挙動測定試験

飛散量（mg/s）評価
 多孔質アルミナと緻密アルミナを比較すると、空隙率の高い方(多孔質アルミナ)が飛散量は低下する傾向を確認した。
 FD#1, FD#2ならびにUO2ペレットについても、空隙率の高い順(FD#1 > FD#2 > UO2ペレット)に飛散量は低下する傾向 (FD#1 < FD#2 < UO2ペレット)を確認した。
⇒供試体の空隙率の差が飛散量の差になった可能性。
飛散量(mg/s)= C×切削速度 (mm/s)(C = ARF×[カーフ幅]×[代表長さ]×[密度] に相当)
条件により変化 工法・供試体で一定

供試体

空隙率 (%)

多孔質アルミナ

20.9

緻密アルミナ

1.5

FD#1

50-70

FD#2

未測定※※

※※SEM観察の結果、FD#1と比較して空隙が少ないことを確認

ディスクカッター
Lobtex BT180A
乾燥切削

供試体ごとの切削速度と飛散量の関係
FD#1,FD#2,UO2ペレット以外は国内コールド試験データ（p.95-99参照）※）上記は水を被らない乾燥切削、かつ、流速0.1m/sの流動条件下での値であることを注記する。 133

【3】ダスト飛散挙動評価試験

実燃料デブリ飛散率の推定（燃料デブリの相構成）
 １Fの燃料デブリは存在場所や履歴により大きく組成が異なると考えられる。
 一方で、燃料デブリを構成するアクチニド含有相の種類は限定的である。
【RPV燃料デブリ（In-vessel）】
Oxide Phase：cubic (U,Zr,Fe,Cr)O2、
tetragonal (Zr,U,Fe,Cr)O2、etc.
Metal Phase：Fe-Cr-Ni-(U,Zr)、α-Zr(O) 、etc.
【PCV燃料デブリ（Ex-vessel）】
Oxide & Metal Phase : RPV-debrisと同じ
MCCI Phase： SiO2-CaO glass phase containing U
アクチニド含有相は４種類に集約できる

 燃料デブリの飛散率をこれらの相の足し合わせで考える。
 推定値をウラン含有模擬燃料デブリの実測値と比較する。

Assumed Fuel Debris
Distribution（1F-2）** IRID/IAE, The summary results of IRID and IAE on subsidy program (the First solicitation) for the” Project of Decommissioning and134
Contaminated Water Management (Upgrading Level of Grasping State inside Reactor(FY2017))” in the FY2014/15 Supplementary Budget.

【3】ダスト飛散挙動評価試験

実燃料デブリ飛散率の推定（濃度加算則の検討）
 酸化物相と金属相の混相の飛散率を濃度加算則により推定する。
 評価した濃度加算値の妥当性をkg規模
模擬燃料デブリの切削で確認する。

ARF
その他の相の存在

相内に組成
ばらつき

切削部の存在割合に応じた加算則を仮定

A相

A-B混相

相間の相互作用空隙
実燃料デブリの非均質性

B相切削刃に対して十分な大きさの模擬燃料
デブリを用いた試験を実施して比較。

B相(U-Zr酸化物）にA相（Fe基金属）が混合
135

【3】ダスト飛散挙動評価試験

実燃料デブリ飛散率の推定（推定式の導出）
 国内で測定した、U-Zr酸化物飛散率データとFe基金属飛散率データの濃度加算
により、任意組成の燃料デブリの飛散率の包絡値を導出。
 これに、ウランを含有する模擬燃料デブリの実験値をプロットして比較する。
燃料デブリの飛散率包絡値

U-Zr酸化物の飛散率包絡値

Fe基金属の飛散率包絡値

ARF

𝑨𝑨𝑨𝑨𝑨𝑨 𝑼𝑼𝒙𝒙𝒁𝒁𝒁𝒁𝟏𝟏 ー− 𝒙𝒙𝑶𝑶𝟐𝟐 𝒚𝒚𝑴𝑴𝟏𝟏 − 𝒚𝒚 = 𝒚𝒚𝑨𝑨𝑨𝑨𝑨𝑨 𝑼𝑼𝒙𝒙𝒁𝒁𝒁𝒁𝟏𝟏 −ー 𝒙𝒙𝑶𝑶𝟐𝟐 + (𝟏𝟏 − 𝒚𝒚)𝑨𝑨𝑨𝑨𝑨𝑨[𝒎𝒎𝒎𝒎𝒎𝒎𝒎𝒎𝒎𝒎]𝑥𝑥 =𝑈𝑈, 𝑍𝑍𝑍𝑍 𝑂𝑂2𝑈𝑈, 𝑍𝑍𝑍𝑍 𝑂𝑂2 + 𝑍𝑍𝑍𝑍, 𝑈𝑈 𝑂𝑂2𝑦𝑦 =𝑂𝑂𝑂𝑂𝑂𝑂𝑂𝑂𝑂𝑂𝑂𝑂𝑂𝑂𝑂𝑂𝑂𝑂𝑂𝑂 + 𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀𝑀

Fe基金属

ARFの包絡面1-y加算則での燃料デブリのARF推定値

yUO2(U,Zr)O2x

U-Zr酸化物

Metal

加算則による推定値
Kg規模ウラン含有模擬燃料デブリの実測値

1-x

二相共存

ZrO2
(Zr,U)O2

実燃料デブリのARF推定値と包絡値(イメージ）
136

【3】ダスト飛散挙動評価試験
実燃料デブリ飛散率の推定：U-Zr酸化物の飛散率包絡線の導出
 国内ウラン試験（酸化物：UO2, (U,Zr)O2, (U,Zr)O2-(Zr,U)O2, (Zr,U)O2 ）で得られた
ARFRPは、コールド試験で得られた重回帰式※1に、U-Zr酸化物試料の物性値と切削条件を代入することで、概ね実験値を予測できることがわかった。
 そこで、重回帰式+3σにより、U-Zr酸化物のARFRPの包絡線を得ることとした。

σ=12.2

ARFRP（10μm以下）

飛散率（ARFRP） 【%】

飛散率 ARF<10µm

ディスクカッター乾燥切削

100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0

ディスクカッター乾燥切削

包絡線

3σ

重回帰線

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
UO2/(UO2+ZrO2)

飛散率の実験値と重回帰式による推定値の比較※2 飛散率の実験値、推定値（重回帰線）と包絡線※2※1） p.46のディスクカッターによる10μm以下の飛散粒子の飛散率の重回帰分析結果※2） 水を被らない乾燥切削、かつ、流速0.1m/sの流動条件下での値であることを注記する。

137

【3】ダスト飛散挙動評価試験
実燃料デブリ飛散率の推定： SUS304の飛散率の包絡線の導出
 Fe基金属相として、SUS304で測定した切削飛散率ARFRPを用いる。
 但し、本事業【2-1】のディスクカッター試験では、延性の高いSUS304は、ダイヤモ
ンド砥粒のディスクカッターだけでなく、砥石カッター（CBN砥粒）による切削を行っており、両者のARFRPに差が大きい。
 ウラン試験はダイヤモンド砥粒のディスクカッターを用いたため、SUS304飛散率の包絡線は砥石カッターのデータを除いた飛散率ARFRPから導出した。
ディスクカッター乾燥切削

φ125mm
ｳﾗﾝ試験条件（3000ｒｐｍ）

包絡線

φ180mm
φ300mm

SUS304のディスクカッター切削による飛散率ARFRP※）上記は水を被らない乾燥切削、かつ、流速0.1m/sの流動条件下での値であることを注記する。 138

【3】ダスト飛散挙動評価試験

実燃料デブリ飛散率の推定：推定結果と実験値
 非均質混相燃料デブリを均質な酸化物と金属の加算則で推定する。
𝑨𝑨𝑨𝑨𝑨𝑨 𝑼𝑼𝒙𝒙𝒁𝒁𝒁𝒁𝟏𝟏 −ー 𝒙𝒙𝑶𝑶𝟐𝟐 𝒚𝒚𝑴𝑴𝟏𝟏 − 𝒚𝒚 = 𝒚𝒚𝑨𝑨𝑨𝑨𝑨𝑨 𝑼𝑼𝒙𝒙𝒁𝒁𝒁𝒁𝟏𝟏 −ー 𝒙𝒙𝑶𝑶𝟐𝟐 + (𝟏𝟏 − 𝒚𝒚)𝑨𝑨𝑨𝑨𝑨𝑨[𝒎𝒎𝒎𝒎𝒎𝒎𝒎𝒎𝒎𝒎]
 模擬燃料デブリの組成での燃料デブリの飛散率ARFRP包絡値から、
FD#1≦46％、FD#2≦46％と推定した。
 模擬燃料デブリのARFRP実測値
はFD#1が10～13％、FD#2が23～30％となり、いずれも推定した包絡値内に収まった。
 以上により、均質な燃料デブリ構
成相の飛散率ARFRP包絡式を用いて、酸化物と金属の混合割合に応じた加算則により、非均質な燃料デブリの飛散率ARFRP包絡値を概算できる可能性を得た。

ディスクカッター乾燥切削

ARFRP（≦10μm）=yx=

実燃料ﾃﾞﾌﾞﾘのﾃﾞｨｽｸｶｯﾀｰ切削による飛散率ARFRPの推定※）上記は水を被らない乾燥切削、かつ、流速0.1m/sの流動条件下での値であることを注記する。 139

【3】ダスト飛散挙動評価試験

まとめ 実用的で再現性のある飛散率データを取得するための、実験手法（ケーシング、粒子計測等）を構築し、共通設計として全試験に展開した。
 燃料デブリの主要なウラン含有相であるU-Zr酸化物相を製造し、物性測定を行うとともに、ディスクカッターで切削して飛散率データを取得した。
 実燃料デブリを模擬する、溶融過程を経たkg規模のウラン含有模擬燃料デブリを作成し、ディスクカッターで乾式切削して空気動力学径10μm以下のダスト飛散率ARFRP （FD#1（ﾃﾙﾐｯﾄ法）＝10～13％、FD#2（誘導加熱法）＝23～30％）を取得した。
 本事業のU-Zr酸化物とSUS304の飛散率ARFRPから、任意組成の実燃料デブリのディスクカッター乾式切削による飛散率ARFRP包絡値を濃度加算で推定し、kg規模ウラン含有模擬燃料デブリの結果と矛盾しない結果となった。
 今後は、実燃料デブリの飛散率包絡線推定方法について精度向上を計るとともに、ディスクカッター以外の機械的切削法、およびレーザーによる熱的切削法についての、実燃料デブリの飛散率包絡値の推定法も検討する。
※）呼吸摂取可能な空気動力学径≦10μmの飛散ダストだけで評価した飛散率を、ARFRPと略称する（RP=respirable）。
なお、この略称ARF はARFと区別するために本資料でのみで定義したもので、一般的なものではないことを注記する。

140

【4】ダスト飛散挙動の解析

141

【4】ダスト飛散挙動の解析

目的と実施項目 PCVや換気系配管等の１Fの複雑な環境下でのダスト挙動の予測手法の構築に向け、本事業では切削により生じたダストが、与えられた気流条件下で飛散・沈降する挙動の解析法を検討する。
【4-1】ダスト飛散挙動解析技術の検討① 様々な切削ダストの特性(形状、サイズ、密度）を考慮したダスト飛散挙動
解析手法の適用性と必要性を検討する。
【4-2】実験体系の解析評価② 本研究の試験体系を解析し、飛散率の環境依存性などの試験結果で妥当性を検証する。
③ 異なる試験体系で得られた飛散率データを同じ手法で解析し、統一的な飛散率データに整理することを試みる。
ダスト飛散挙動解析手法

本事業のダスト飛散試験

既往の飛散率測定試験データ142【4-1】ダスト飛散挙動解析技術の検討

手法の概要（気流解析）
 ケーシング内部をメッシュでモデル化し、数値流体解析（CFD)により空気の流速分布を評価• 市販のCFD解析コードAdvance/FrontFlow/redを使用• 定常解• バルク流および切削機器が生成する気流を評価
解析のイメージ
切削機器による気流
バルク流

支配方程式

質量保存式
運動量保存式（Navier-stokes)
乱流エネルギkの保存式

乱流エネルギkと粘性消散率εの保存式𝜕𝜕ρ+ ∇ ⋅ ρ𝒖𝒖 = 0
𝜕𝜕𝑡𝑡
𝜕𝜕ρu
+ ∇ ⋅ ρ𝒖𝒖𝒖𝒖 = −∇𝑝𝑝 + ∇ ⋅ σ + ρ𝑔𝑔 + 𝐾𝐾
𝜕𝜕𝜕

𝜕𝜕ρk
μt
+ ∇ ⋅ ρku = ∇ ⋅ μ +∇k + Gk − ρε
𝜕𝜕𝜕
σk

𝜕𝜕ρϵ
μt
ϵ
ρϵ2
−R
+ ∇ ⋅ ρϵu = ∇ ⋅ μ +∇ϵ + C1τ Gk − C2τ
𝜕𝜕𝜕
σk
k
k

143

【4-1】ダスト飛散挙動解析技術の検討

手法の概要（ダスト飛散挙動（球形）） 粒子追跡法によりダスト（球形）の飛散挙動を評価• 電中研のインハウスの粒子法コードPHALSERを使用• Lagrange法（粒子追跡法）• 切削機器ごとにダストの生成位置と初速度を仮定して、気流に乗って飛散する挙動を評価
解析のイメージ

支配方程式

粒子の運動量保存式
重力
空気抵抗

𝑚𝑚𝑑𝑑

𝐯𝐯d
= 𝑭𝑭𝑔𝑔 + 𝑭𝑭𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎
dt

𝐅𝐅𝑔𝑔 = 𝑚𝑚𝑑𝑑 𝒈𝒈

1
𝐷𝐷𝑑𝑑 2
𝑭𝑭𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 = 𝐶𝐶𝐷𝐷 𝒗𝒗𝑟𝑟 𝒗𝒗𝑟𝑟 𝜌𝜌𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 𝜋𝜋
2
2

144

【4-1】ダスト飛散挙動解析技術の検討

手法の概要（ダスト飛散挙動（非球形））
 非球形モデルを用いてダストの形状が飛散挙動に与える影響を評価• 複数の粒子を結合して非球形状を再現（剛体モデル）
非球形モデルのイメージ

支配方程式

剛体の運動量保存式
剛体の角運動量保存式

𝑑𝑑𝑷𝑷𝚷𝚷
= � 𝑭𝑭𝑖𝑖
𝑑𝑑𝑑𝑑𝑖𝑖∈Π𝑑𝑑𝑳𝑳𝚷𝚷
= � 𝒓𝒓𝑖𝑖𝑖𝑖 × 𝑭𝑭𝑖𝑖
𝑑𝑑𝑑𝑑
𝑖𝑖∈Π

剛体の重心

𝒓𝒓𝑔𝑔,Π = � 𝒙𝒙𝑖𝑖 �𝑁𝑁Π𝑖𝑖∈Π

粒子iの重心からの相対位置 𝒓𝒓𝑖𝑖𝑔𝑔 = 𝒓𝒓𝒊𝒊 − 𝒓𝒓𝑔𝑔,Π

145

【4-1】ダスト飛散挙動解析技術の検討

手法の確認とダスト形状が飛散挙動に及ぼす影響評価

拡大スナップショット

 試験で直接観察が難しいダストの飛散挙動の詳細を解析で再現しうることを確認した。
 重量が等しく形状が異なるダストの飛散挙動を比較したところ、平たいダストほど前方投影面積が大きくなり、気流に乗りやすい傾向が見られた。
 形状と密度が異なるが空気動力学径が等しい粒子は同様の飛散挙動を示すことから、形状に応じた空気動力学径に補正できれば、非球形ダストの飛散挙動を球形粒子で評価できることになる。そこで非球形モデルを用いて、空気動力学径の形状補正係数を導出する。（次ページ）
ρ=10
ρ=1
実形状
空気動力学径

ρ=1

ρ=1

ρ=1

ρ=1

＊密度ρの単位はg/cm3146

【4-1】ダスト飛散挙動解析技術の検討

非球形モデルを用いた空気動力学径予測
 ダストの特性を効率よく整理するため、「光学粒径（実粒径）」「密度」「形状」の組み合わせから非球形モデルを用いて空気動力学径を予測する手法を開発した。
 非球形モデルで作成したダストを静止空気中で鉛直下向きに射出 速度が一定となったところの値が終端速度vt
 空気抵抗と重力のバランス（次式）から空気動力学径Daeを評価
1
𝐷𝐷𝑎𝑎𝑎𝑎 2 4 𝐷𝐷𝑎𝑎𝑎𝑎 3= 𝜋𝜋
𝜌𝜌0 𝑔𝑔
𝐶𝐶𝐷𝐷 𝑣𝑣𝑡𝑡2 𝜌𝜌𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 𝜋𝜋2232

空気動力学径の推定手法

非球形モデルで求めた空気動力学径Daeと光学粒径Doptの関係

 密度が大きいほど空気動力学径が大きい
 形状が平たいほど空気動力学径が小さい
 空気動力学径と（光学粒径、形状、密度）の関係は右式
で定式化が可能1
𝐷𝐷𝑎𝑎𝑎𝑎 = 𝐷𝐷𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜 𝜌𝜌𝑑𝑑 ⁄𝜌𝜌0𝛼𝛼
ρd：粒子の密度
ρ0：水の密度147

【4-1】ダスト飛散挙動解析技術の検討

非球形モデルを用いた空気動力学径予測 様々な形状を非球形モデルで作成して空気動力学径を導出し、それぞれの形状補正係数(1/α）を評価した。
 αはおおよそ当該形状と等体積球それぞれの前面投影面積の比に近いが、細長い形状についてはそこから逸脱する傾向が確認された。
 形状補正係数1/αを形状特性パラメータ
S =

𝑎𝑎𝑎𝑎
𝑎𝑎
×
𝑐𝑐
𝑏𝑏

の関数として定式化に成功

 これにより、ダストの形状情報から空気動力学
径を推定可能 逆に、空気動力学径（ELPI)と光学粒径（Welas)の関係からダスト形状を推定可能

非球形モデルで再現した様々なダスト形状148

【4-2】実験体系の解析評価

試験の再現解析 解析対象 パラメータ試験、（詳細試験）、ウラン試験、(ONET試験)、廃炉ハンドブック試験
 共通条件 空気の流動は定常状態を仮定
 ダストの運動が空気流動に与える影響は考慮しない
 密度が1g/cm3の球形モデルを使用（粒径＝空気動力学径）• 非球形モデルによる形状補正係数を参照することで任意の形状、密度に読み替え可能 1000個の同一径の粒子を生成し、一定時間後に排気口に到達した粒子数の割合を「回収率」として評価
 粒径ごとの回収率を評価
 個別条件 ダストの初期条件を切削機器ごとに設定• 生成位置• 初速度
 初期条件に対して一定のばらつきを付加
149

【4-2】実験体系の解析評価

パラメータ試験（ディスクカッタ－(3600rpm)）

 100µmより小さいダストはそのほとんどが回収されるという解析結果は、本事業のパラメータ試験(ディスクカッタ)で得られた高い飛散率とよく整合した。他方、SUS等を用いた試験では飛散率が低くなっており、生成されるダストの粒径分布が異なる可能性が示唆された。

ダスト初期条件
解析条件
気流条件

粒子条件

境界条件
解析条件

項目
ディスクカッタの回転数
粒子数
速度方向
初速度
射出角度のばらつき
発生位置
発生位置座標粒径
粒子密度
流出
壁面衝突時の反応
定常・非定常解析時間

粒径ごとの回収率

10µm粒子の解析結果

設定
3600rpm
1000
X軸の正方向33.9 m/s
X軸方向周りに20度
ディスクカッタと供試体の接触点
X=0.0, Y=0.0, Z=0.0
10～1000 μm
1000 kg/m3
回収
完全非弾性衝突
非定常解析
20 s






10 µmの粒子は切削部から排気口につながる流線にのって全量回収空気動力学径が500 µm以上のケースでは粒子が初期状態で持っている慣性項が散逸する前に排気口に到達することにより回収率が高くなる
ディスクカッタの回転による気流が支配的本事業の試験結果(アルミナ）
飛散した最大粒径(Dae)～100µm

全粒径飛散率70～90%※ ）上記は水を被らない乾燥切削、かつ、流速0.1m/sの流動条件下での値であることを注記する。 150

【4-2】実験体系の解析評価

ウラン試験（ディスクカッタ－(3600rpm)）
 試験で飛散した最大粒径に比べ、解析結果はより大きな粒子が回収される結果となった。飛散率が20％と低いことから、回収されない大きなダストの形成や、壁面における粒子固着発生の可能性などが示唆された。

ダスト初期条件
解析条件
気流条件

粒子条件

境界条件
解析条件

項目
ディスクカッタの回転数
粒子数
速度方向
初速度
射出角度のばらつき
発生位置
発生位置座標粒径
粒子密度
流出
壁面衝突時の反応
定常・非定常解析時間

粒径ごとの回収率

10µm粒子の解析結果

設定
3600rpm
1000
X軸の負方向33.9 m/s
X軸方向周りに20度
ディスクカッターと供試体の接触点
X=0.0, Y=0.0, Z=0.0
1～1000 μm
1000 kg/m3
回収
完全非弾性衝突
非定常解析
20 s




10 µmの粒子は切削部から排気口につながる流線にのってほとんど全量が回収
500 µm以上の大きな粒子は進行方向の壁面に衝突して床に落下するため回収されない
本事業の試験結果(UO2)
飛散した最大粒径（Dae）～50µm

全粒径飛散率～20%（ ※ ）上記は水を被らない乾燥切削、かつ、流速0.1m/sの流動条件下での値であることを注記する。 151

【4-2】実験体系の解析評価

パラメータ試験（レーザーガウジング） 本事業の試験結果はstick条件の解析結果とよく整合した。飛散したダストの一部は壁と接触して固着することで最終的に回収されなかった可能性が示唆された。

slip
stick
ダスト初期条件
解析条件
気流条件

粒子条件

境界条件
解析条件

項目
アシストガス速度
粒子数
速度方向
初速度
発生位置
発生位置座標粒径
粒子密度
流出
壁面衝突時の反応
定常・非定常解析時間

10µm粒子の解析結果(slip)

設定
636.6 m/s（ノズル角度0度）
1000－
0.0 m/s
レーザと供試体の接触点を中心とする
半径0.1 mの円周上
X=0.1*cos(θ), Y=0.1*sin(θ), Z=0.0
5～1000 μm
1000 kg/m3
回収
Slip(完全非弾性衝突)
Stick(固着)
非定常解析
20 s





粒径ごとの回収率

Slip条件の場合、10 µmの粒子は回収率はおよ
そ70%
Stick条件とすると100µm以下の粒子が20%程度
回収
アシストガスによる気流が支配的本事業の試験結果飛散した最大粒径（Dae）～100µm

全粒径飛散率～15%※ ）上記は水を被らない乾燥切削、かつ、流速0.1m/sの流動条件下での値であることを注記する。 152

【4-2】実験体系の解析評価

パラメータ試験（チゼル） 本事業の試験では解析より大きな飛散ダストが観察された。これは、ケーシングの形状が異なり、小さいケーシングを用いた試験でより大きなダストが回収されたと考えられる。

ダスト初期条件
解析条件
気流条件

粒子条件

境界条件
解析条件

項目
チゼルに起因する気流
粒子数
速度方向
初速度
発生位置
発生位置座標粒径
粒子密度
流出
壁面衝突時の反応
定常・非定常解析時間

10µm粒子の解析結果

設定
なし
1000
Z軸の正方向
1.0 m/s
チゼルと供試体の接触点を中心とする半径0.05 mの円周上
X=0.05*cos(θ), Y=0.05*sin(θ), Z=0.0
1～1000 μm
1000 kg/m3
回収
完全非弾性衝突
非定常解析
100 s






粒径ごとの回収率

実際の試験では小さなケーシングが用いられたが、解析では元の大きなケーシング形状を仮定
10 µmの粒子の回収率は90%程度
50 µm以上の大きさの粒子の回収率が0となった
バルク流による影響が支配的本事業の試験結果飛散した最大粒径（Dae）～100µm

全粒径飛散率0～100%※ ）上記は水を被らない乾燥切削、かつ、流速0.1m/sの流動条件下での値であることを注記する。 153

【4-2】実験体系の解析評価

パラメータ試験（コアボーリング600rpm）
 最大粒径と飛散率は解析と試験の結果でよく整合した。他方、供試体により大きな飛散率が測定された場合があり、生成ダストの粒径分布の違いなどが異なる可能性が示唆された。

ダスト初期条件
解析条件
気流条件

粒子条件

境界条件
解析条件

項目
コアボーリング回転数
粒子数
速度方向
初速度
発生位置

10µm粒子の解析結果

設定
600 rpm1000
コアビット接線方向
2.4 m/s
コアビット先端の中央を中心とする半径0.05 mの円周上発生位置座標

X=0.05*cos(θ), Y=0.05*sin(θ),
Z=0.0

粒径
粒子密度
流出
壁面衝突時の反応
定常・非定常解析時間5～1000 μm
1000 kg/m3
回収
完全非弾性衝突
非定常解析
40 s





粒径ごとの回収率

実際の試験では小さなケーシングが用いられたが、解析では元の大きなケーシング形状を仮定
10 µmの粒子の回収率は3%程度
粒子の発生位置をよりコアビットに近い位置にしたことにより、コアビット周囲の渦から小さな粒子が脱出できず回収率は低い値となった
本事業の試験結果（多孔質アルミナ）
飛散した最大粒径（Dae）～10µm

全粒径飛散率0～3%※ ）上記は水を被らない乾燥切削、かつ、流速0.1m/sの流動条件下での値であることを注記する。 154

【4-2】実験体系の解析評価

廃炉ﾊﾝﾄﾞﾌﾞｯｸﾃﾞｰﾀ（ﾃﾞｨｽｸｶｯﾀｰ(砥石)）を共通条件に補正
 廃炉ハンドブック試験の飛散率は本事業の試験より低い値を示したが、バルク流速を変えた解析結果を参照し、再評価した飛散率は近い値となった。

0.1m/s: 本事業の試験のバルク流速
実機での燃料デブリ切削時の環境を想定

0.1m/s
0.005m/s
ダスト初期条件
解析条件
気流条件

粒子条件

境界条件
解析条件

項目
ディスクカッタの回転数
バルク流速※
粒子数
速度方向
初速度
射出角度のばらつき
発生位置
発生位置座標粒径
粒子密度
流出
壁面衝突時の反応
定常・非定常解析時間

10µm粒子の解析結果(バルク流速0.005m/s)
0.005m/s

設定
3000 rpm

0.1 m/s

0.005m/s: 廃炉ハンドブック試験のバルク流速10µm以下の粒子を回収できる最低流速を想定



1000
Y軸の正方向28.3 m/s
Y軸方向周りに20度
ディスクカッタ－と供試体の接触点
X=-0.02, Y=0.23, Z=0.9
1～1000 μm
1000 kg/m3
回収
完全非弾性衝突
非定常解析
400 s
20 s

※0.005m/sは10μm粒子の終端速度、0.1m/sは1FのPCV内最大流速

粒径ごとの回収率

バルク流速が0.005m/sの場合、10µm以下の粒子の回収率はおよそ10%。バルク流速を0.1m/sとすると、10µm以下の粒子の回収率がほぼ100%となった。
廃炉ﾊﾝﾄﾞﾌﾞｯｸの試験結果(砥石ｶｯﾀｰ,ﾊﾞﾙｸ流速0.005m/s)
粒子≦10μmの飛散率（SUS304）

2.5%

廃炉ハンドブック試験の飛散率の再評価

2.5%×100/10=25%➡本事業で得られたARFRP＝1～47％と整合する※ ）上記は水を被らない乾燥切削、かつ、流速0.1m/sの流動条件下での値であることを注記する。 155

【4】ダスト飛散挙動の解析

まとめ① 様々な切削ダストの特性(形状、サイズ、密度）を考慮したダスト飛散挙動解析手法を開発し、適用性と必要性を検討する。
 CFDと球形モデルまたは非球形モデルを組み合わせたダスト飛散挙動解析手法を構築し、ダスト飛散時の詳細な挙動が予測可能であることを確認した。
 非球形モデルを用いて様々な密度、形状のダストの空気動力学径を算出した
ことにより、ダストの性情(密度、サイズ、形状）を空気動力学径という1つのパラメータで整理することを可能とした。
② 本研究の試験体系を解析し、飛散率の環境依存性などの試験結果で妥当性を検証する。
 各試験の再現解析を実施し、回収される最大粒径等の比較から、多くの体系について解析結果が試験結果と整合していることを確認した。解析結果と試験結果に差異がある体系については、原因を考察した。
③ 異なる試験体系で得られた飛散率データを同じ手法で解析し、統一的な飛散率
データに整理することを試みる。
 廃炉ハンドブック試験の再現解析結果およびバルク流速を本事業に合わせた解析結果を参照して飛散率を再評価した結果、本事業の試験と整合する値が
得られた。
156

３．全体のまとめ

157

まとめ（1/2）
 燃料デブリ取り出しに必要とされるダスト飛散率の調査・検討では、五因子法
による、平常時・事故時の放射性物質放出量の評価方法を検討した。さらに、必要なパラメータを文献調査を基に推定し、放出量を試算すると供に、不足するパラメータなどの課題を摘出した。
 コールド模擬材を用いたダスト飛散率測定は、４工法（ディスクカッター、チゼル、コアボーリング、レーザー）の乾式切削について飛散挙動に影響を与えるパラメータを明らかにし、想定される使用範囲での飛散率データを導出した。
さらに、安全評価の観点から、工法特有のカーフ幅や刃渡りを含んだ飛散量（g/s）に着目し、飛散量を切削速度(m/s)の関数として整理するなど、実用性を考慮した工法間の比較を行った。
 国内（NFD）ウラン試験の酸化物燃料デブリペレットのディスクカッター切削は、コールド試験と整合する飛散挙動を示し、重回帰分析によりコールド試験のパラメータ依存性を反映できた。さらに、酸化物燃料デブリとSUSの飛散率を濃度加算し、任意組成の燃料デブリの飛散率を推定する方法を提案した。

158

まとめ（2/2）
 国外（CEA)ウラン試験のkg規模ウラン含有模擬燃料デブリのディスクカッ
ターによる乾式切削では、国内試験と同一条件での飛散率データを取得した。飛散率はARF(≦10μm)＝10～30%となり、概ね国内試験に基づく推定
ARF(≦10μm)≦46%と整合した。推定の精度向上や他工法への展開については、今後の課題である。
 工法により飛散粒子形状に大きな差が見られることから、非球形ダストの解析手法を開発し、実験結果が良く説明できることを示した。さらに、一般の流動解析コードで非球形粒子を評価する必要性から、粒子形状に応じて空気動力学径を補正する手法を考案、形状補正因子を導出・整備した。また、ダスト飛散率を測定する試験体系を解析し、試験データ処理に反映するとともに、廃炉ハンドブックのデータを本事業体系に補正してデータとして整備した。
以上の成果により、本補助事業「廃炉・汚染水対策事業費補助金（安全システ
ムの開発（ダスト飛散率データ取得）」では、安全評価上の基礎となる乾燥条件
下における燃料デブリ切削加工時のダスト飛散関連データを試験により取得し、ダストの発生・飛散挙動の理解を深めるとともに、通常時及び事故時における安全評価に必要な検討・整理を行うという所期の目標を達成した。
159

160