第12回原子力委員会
資料第1号

1

2023年4月4日
原子力委員会殿ご説明資料

日本における事故耐性燃料研究の現状及び今後の見通し

日本原子力研究開発機構

本日ご紹介する内容
1. はじめに✓ 政策的位置付け、目的、開発ステップ等

2. ATF共通基盤技術開発の現状✓ 国内におけるATF開発体制、スケジュール✓ これまでに得られている成果の例（国内ワークショップ開催、海外試験炉照射試験、基盤インフラ整備の進捗等）

3. ATF要素技術開発の現状✓ Crコーティング被覆管（三菱コンソ殿ご提供資料）✓ FeCrAl-ODS被覆管、SiC被覆管（日立コンソ殿ご提供資料）✓ SiC被覆管、SiCチャンネルボックス（東芝コンソ殿ご提供資料）

4. 海外におけるATFの開発状況✓ 米国／仏国の開発状況

5. まとめ2

プロジェクトの政策的位置付けと目的

3

政策的位置付け• 第6次エネルギー基本計画（令和3年10月閣議決定）では、いかなる事情よりも安全性を全てに優先させる等、安全性向上への一層の取組の必要性が示されている。
• また、原子力事業者を含む産業界には、自主的に不断に安全を追求するという安全文化の醸成に取り組む必要があるとされる中、東京電力福島第一原子力発電所事故の経験を踏まえて、万が一の事故のリスクを下げるための過酷事故対策を含めた軽水炉の一層の安全性・信頼性・効率性向上に資する技術を開発し、安全性の高度化に貢献する技術開発
を、海外市場の動向を見据えつつ国際協力の下で推進することが重要とされている。
• 令和元年度以降、複数の事業者によりそれぞれの技術の差別化が図られながら、新型燃料の早期実用化を目指した開発が行われている一方、国大としては新型燃料開発を効果的に進めるため、共通する課題に対しては共同で取り組む枠組みが必要であり、国際協力を活用しながら有機的な連携協力による成果の創出を目指すべきである。

目的• 我が国の新型燃料開発を、戦略的かつ効果的に進めて工学実証段階へ引き上げるため、
国内事業者等との連携・協力体制を継続的に強化し、海外機関等との連携による照射試
験の推進や燃料挙動評価を行う。もって、開発に必要な技術基盤を継続的に整備する。
拡張性：今般の事故耐性燃料開発は既存軽水炉への導入を前提に進めているが、並行して進められている
革新型軽水炉等への適用も可能であると考える（JAEA私見）事故耐性燃料(ATF)開発の経緯、概要• 福島第一原発事故：ジルコニウム合金（ジルカロイ：
Zry）被覆管酸化による温度急昇と水素発生・爆発• 酸化抑制による温度急昇と水素発生の抑制・緩和⇒事故への対処時間延伸• 「燃料・材料」からの対応：– Crコーティング、ステンレス鋼、SiC等の新材料被覆管– 新材料被覆管に対応した燃料（ペレット）• 現行商用軽水炉への出来るだけ早期装荷を目指した開発• 現行燃料（UO2ペレット、Zry被覆管燃料と同等以上の性能も追及）

4

図：酸化反応が進行した時の燃料温度の上昇と時間の関係を示した模式図
https://rdreview.jaea.go.jp/review_jp/
2016/j2016_4_10.html

写真：SiC/SiC複合材料で製作された
BWR用チャンネルボックス

三菱重工技報 Vol.57 No.4 (2020)
https://www.mhi.co.jp/technology/review/pdf/574/574110.pdf

東芝レビュー Vol. 75 No. 2 （ 2020 年 3 月）
https://www.global.toshiba/content/dam/toshiba/migration/cor
p/techReviewAssets/tech/review/2020/02/75_02pdf/3-2.pdf

5

プロジェクトでの実施内容－実用化までの開発ステップ－
・開発状況調査⑴事業の効率的・・技術成熟度整理
効果的実施に向けた体系的準備 ・研究計画策定
・燃料設計のための基礎データ取得及び詳細解析⑵プロトタイプ燃料 ・照射試験準備（リグ設計等）
設計のための試験 ・試験炉を用いた材料照射
データ整備
・照射後試験

・照射試験準備（リグ設計等）
・試験炉燃料棒照射・照射後試験

2）
工学実証段階

）

３

４

５

６

③
小
数
体
の
国
内
商
用
炉
先
行
照
射
（
Ｌ
Ｕ
Ａ

規
制
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局
に
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全
性
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審
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等

*

２

1

*

原理実証段階

１

②
商
用
プ集
ロ合
ト体
商タの
用イフ
炉プル
先集ス
行合ケ
照体ー
射のル
（ 製
Ｌ 造
Ｔ と
Ａ

*

⑶導入に起因する・製造や品質管理のため
要素技術、規格、の技術開発
規制基準整備・規格・基準の検討

開発段階
TRL

①
プ
ロ
ト
タ
イ
プ
新
商型
用燃
炉料
照部
射材
（製
Ｌ造
Ｔと
Ｒ

プ
ロ
ト
タ
イ
プ
新
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計部
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確
立

実
用
化
（
実
プ
ラ
ン
ト
へ
の
導
入
）

１）LTR：Lead Test Rod
3２）LTA：Lead Test Assembly
３）LUA：Lead Use Assembly）
実用開発段階７８９（注）：事故耐性燃料
候補材については、開発
初期（2015年）の段階で再処理可能の見込みであることを確認している。今後、TRLの進捗に応じて再処理性に係る具体的な研究開発を進める予定

6

ATF共通基盤技術開発の現状①国内におけるATF開発体制、スケジュール②これまでに得られている成果の例③海外試験炉照射試験、及び国内基盤インフラ等の整備の進捗

7

事故耐性燃料の候補材と研究推進体制
既存のジルカロイ（Zry）被覆管燃料に比べて、安全性の大幅な向上が見込める
事故耐性燃料（ATF）開発をオールジャパン体制で進めている
Control
rod

Fuel
pin

Nozzle

Grid

~4.2ｍ

Fuel
pin

NozzlePWR 燃料集合体
注） 国内では、事故耐性制御棒（ATCR)の開発も進められている

ATF候補材料と開発体制【 SiC/SiC複合材の開発 】●開発対象：BWR及びPWR用燃料被覆管
BWR用チャンネルボックス
開発主体：東芝ESS

Spring●開発対象：BWR用燃料被覆管
開発主体：日立GE/GNF-J

Spacer【 FeCrAl-ODS(改良ステンレス鋼) の開発】
●開発対象：BWR用燃料被覆管
開発主体：日立GE/GNF-J(+NFD)

Fuel
pin

Fuel
pin
Channel
box

~4.5ｍ

Tie
plate

【 Coated-Zryの開発】●開発対象：PWR用燃料被覆管
開発主体：MHI/MNF【 ATF共通基盤技術開発、事業者間の連携推進 】●検討事項：代替照射技術開発、長期ふるまい
予測手法開発、事故時挙動評価
手法開発、海外炉照射試験、等取り纏め：JAEA
青字：資源エネルギー庁補助事業を活用

BWR燃料集合体

赤字：資源エネルギ庁委託事業として実施

8

研究開発スケジュール
実施項目(1) 国内における新型燃料の開発推進(2) 新型燃料の共通技術基盤の整備と継続的高度化

R1年度 R2年度 R3年度
(2019) (2020) (2021)

R4年度(2022)

R5年度 R6年度 R7年度
(2023) (2024) (2025)①国内連携協力推進と開発状況総括②研究開発動向や規制基準等に係る情報収集①海外試験炉における各炉固有の照射試験技術に係る情報の調査・整理①海外試験炉における照射試験／照射後試験の計画の具体化と照射試験の準備①海外試験炉における照射試験②新型燃料等の試験技術・解析コード等の共通基盤技術の高度化に係る検討①専門家グループの継続的強化(3)海外との連携
協力体制の強化

民間事業者による要素技術開発②OECD/NEA QUENCH-ATFプロジェクトへの参加③照射済み試験片の米国からの輸送及び国内機関への輸送③国内機関での照射後試験
設計・製造のためのデータ取得
照射試験、照射データの整備
規格基準の策定

R8年度以降～(2026～)⚫ 海外試験炉照射の継続⚫ 照射後試験の実施⚫ ふるまい解析
コードの検証⚫ 事故時挙動評価⚫ 商用炉照射の検討（＊）⚫ その他（＊）：国内商用炉
での先行照射に係り、2023.12.12に開催されたCNO意見交換会
において、事業者より以下の説明あり。
• 少数体先行照射を実施したいこと• 少数体先行照射に関する安全性の示
し方について、実務者で意見交換させていただきたいこと意見交換会の開催については規制委員会も受諾。

これまでに得られている成果の例（1/4）（1）国内における新型燃料の開発推進①国内連携協力推進と開発状況総括
・技術成熟度（TRL）整理表を統合・整備し、ロードマップ（RM）を更新（各部材のTRL表及び開発RMは補足
資料①参照）
・国内のステイクホルダーが一堂に介する「事故耐性燃料開発に関するワークショップ（右図参照）」を開催し、新型燃料に関する最新の開発状況を共有。
東大・阿部教授（原子力システム研究開発事業のATF関連課題の代表）とも連携協力し、人材育成にも寄与②研究開発や規制基準等に係る情報収集・規制庁との意見交換（2022年12月のCNO意見交換会含む）、IAEA主催の専門家会合や関連国際会議での情報収集を行い情報を整理

9これまでに得られている成果の例（2/4）10（2）新型燃料の共通技術基盤の整備と継続的高度化①海外試験炉における新型燃料の照射試験の継続、及び新規照射試験／照射
後試験の計画の具体化と試験準備
・DOE-JAEA間で協力協定を締結した日米民生用原子力研究開発ワーキンググループ（CNWG：2013年～）の枠組みを活用し、照射試験に係る個別協定を締結- Cr-coated Zry（2021.6～）- FeCrAl-ODS （2023.3～）

未公開情報に付き配布
資料からは削除

ATF-2

これまでに得られている成果の例（3/4）11（2）新型燃料の共通技術基盤の整備と継続的高度化②新型燃料等の試験技術・解析コード等の共通基盤技術の高度化に係る検討
・ATF基礎基盤研究（下表：研究課題案の整理結果）

赤：エネ庁殿委託事業からサポート頂いた成果も活用
青：運営費交付金、その他外部資金

これまでに得られている成果の例（4/4）12（2）新型燃料の共通技術基盤の整備と継続的高度化②新型燃料等の試験技術・解析コード等の共通基盤技術の高度化に係る検討
・代替照射技術開発（Hイオン照射）による腐食挙動予測手法の検討

試験片ホルダと高温高圧水容器接続部の詳細
東北大学のサイクロトロン
加速器に設置イオン照射したCr coated Zry被覆管のCr/Zry界面組織の健全性評価

未公開情報に付き配布資料からは削除

13

ATF要素技術開発の現状①Crコーティング被覆管（三菱コンソ殿ご提供資料）②FeCrAl-ODS被覆管、SiC被覆管（日立コンソ殿ご提供資料）③SiC被覆管、SiCチャンネルボックス（東芝コンソ殿ご提供資料）

Crコーティング被覆管/導入効果

14＊） 三菱重工殿発表資料から抜粋

 Crの酸化抑制効果を踏まえた導入期待効果が整理されている被覆管性能向上により「安全性向上」と「プラント運用効率化」への寄与が見込まれる

村上ら「早期実用化に向けたPWR向け事故耐性燃料被覆管（コーティング被覆管の開発(1) 2D02 2022年日本原子力学会秋の大会

Crコーティング被覆管/高温酸化試験結果

15＊） 三菱原子燃料殿発表資料から抜粋

 事故時を想定した高温酸化試験実施
 Cr被膜による表面酸化抑制効果を確認

岡田ら「早期実用化に向けたPWR向け事故耐性燃料被覆管（コーティング被覆管の開発(2) 2D03

2022年日本原子力学会秋の大会

FeCrAl-ODS鋼／PCI-SCC試験➢ 概要• FeCrAl-ODS鋼被覆管の応力腐食割れ（SCC）
感受性に対するセシウム（Cs）分圧依存性を炉外SCC試験により評価• SCC感受性を示すしきいCs分圧が0.2～24 Paの範囲にあり、実機条件でのCs分圧（1×10-8 Pa程度） と比較して十分に高い こ とから 、FeCrAlODS鋼の耐Cs-SCC性を確認

Ref) K. Sakamoto et al., “Practical Development of Accident Tolerant FeCrAl-ODS Fuel
Claddings for BWRs in Japan”, Proc. Top Fuel 2022, Raleigh, NC, USA, October 9-13, 2022.

16

FeCrAl-ODS鋼／LOCA模擬試験➢ 概要• FeCrAl-ODS 鋼 被 覆 管 の LOCA 模 擬 試 験 を
CNWG日米協力の下、米国ORNLにおいて実施• 最高1300℃のLOCA模擬試験において、クエンチ後も被覆管脆化は見られず、かつジルカロイ被覆管よりも高い耐バースト性能を確認

Ref) K. Sakamoto et al., “Practical Development of Accident Tolerant FeCrAl-ODS Fuel
Claddings for BWRs in Japan”, Proc. Top Fuel 2022, Raleigh, NC, USA, October 9-13, 2022.

17

SiC被覆管・ﾁｬﾝﾈﾙﾎﾞｯｸｽ／製造ﾌﾟﾛｾｽ開発（1） 18➢ 概要• SiC被覆管及びSiCチャンネルボックスの製造プロセスとして、良好な耐食性と気密性を有す
るCVI/CVD成膜工程を確立した。

CMC:Ceramic Matrix Composites

Ref1) F. Inoue, “Development of Accident Tolerant SiC/SiC Cladding and Channel Box in Toshiba”, The 29th International Conferenceon Nuclear Engineering, Shenzhen, China, August 8-12, 2022.
Ref2) T. Nishimura, “Development of CMC for nuclear fuel components”, Ceramic Matrix Composites II, Santa Fe, New Mexico,
November 13-18, 2022.

NNO-2022-000048 Rev.0 / PSNN-2022-0846© 2022 Toshiba Energy Systems and Solution Corporation

SiC被覆管・ﾁｬﾝﾈﾙﾎﾞｯｸｽ／製造ﾌﾟﾛｾｽ開発（2） 19➢ 概要• 実機スケールのSiC被覆管、チャンネルボックスを製造可能とする製造プロセス条件の策定を目的に、安全性に優れるCVI技術の開発試験および量産性を考慮した長尺織物製織試験を実施し、CVI成膜試験の結果および1.5m級のSiC被覆管前駆体での適用可能性確認結果を得て、実機スケールの試作に向けて有効な製造プロセスを構築した。また、高い密封性・耐食性を有する端栓接合技術を開発した。

End plug sealing structure

SiC Cladding tube Preform
SiC Channel Box PreformRef) T. Nishimura, “Development of CMC for nuclear fuel components”, Ceramic Matrix Composites II, Santa Fe, New Mexico,
November 13-18, 2022

NNO-2022-000048 Rev.0 / PSNN-2022-0846© 2022 Toshiba Energy Systems and Solution Corporation

20

海外におけるATFの開発状況①米国の開発状況②仏国の開発状況

21

世界各国で行われているATF開発の現状（2021年11月時点）
青色：燃料被覆管材
薄紅色：燃料ペレット
SWE：Doped UO2③BEL：Cr
coated Zry②FRA：Cr coatedZry, Doped UO2③RUS：Cr coatedZry, Cr-Ni alloy③KOR：Cr
coated Zry,

CHE：Cr coatedZry, SiC/SiC①USA：Cr coated Zry,
FeCrAl steel, SiC/SiC,
Doped UO2, U3Si2

JPN：Cr coatedZry, FeCrAlODS, SiC/SiC

CHN：Cr coatedZry,

Simone Massara, Technical Meeting on the Licensing of Advanced Nuclear Fuels for Water Cooled Reactors,
October 2021

22

①米国におけるATFの開発状況➢ 開発体制
政府業務及びコミュニケー
ションに係る諮問委員会

原子力の戦略的課題に係る諮問委員会

ATF作業グループ（ATFWG）
ミッション：ATFに関する産業界の方針や活動の先導・エクセロン ジェネレーション カンパニー
・ウェスティングハウス エレクトリックカンパニー
・デューク エナジー コーポレーション
・ライトブリッジ コーポレーション
・サザンニュークリア オペレーティング カンパニー ・ジェネラル アトミックス・ドミニオン ジェネレーション
・アメリカン エレクトリック パワー
・アリゾナ パブリック サービス カンパニー・エックス エナジー
・PSEG ニュークリア
・ NAC インターナショナル・エクセル エネジー
・オラノ
・GE 日立 ニュークリア エナジー・ジェンセン ヒューズ・フラマトム・エクセル サービス・ウレンコ
・電力研究所（EPRI）
・MPR アソシエイツ
・原子力エネルギー協会（NEI）

ATF対外関係タスクフォース
資金調達とコミュニケーション

電力研究所 ATF研究協力
ミッション：研究協力の促進（単独機関、複数機関で構成されるチーム）
国立研究機関
大学
国際機関

規制当局
燃料メーカー
電力事業者

ATF 燃料ライセンシングとセフティベネフィットタスクフォース
配備までの燃料認定、及び規制上のベネフィット＆高富化の実現

https://www.nrc.gov/docs/ML1725/ML17255A004.pdf

①米国におけるATFの開発状況

23① ジルコニウム合金燃料ピンの外表面をクロム等でコーティングした被覆管② 鉄系（FeCrAl合金）燃料ピン被覆管
ニアタームのATF概念③ セラミックス系（SiC/SiC複合材）燃料ピン被覆管④ 改良UO2燃料ペレット
ロングタームのATF概念⑤ 高密度（例えば、U3Si2やUNなど）燃料ペレット
・ フラマトム（Framatome）

・ ジェネラルエレクトリック（General Electric）

・ ウェスティングハウス（Westinghouse）－ CrコーティングZr被覆管－ 改良UO2燃料ペレット－ SiC/SiC複合材被覆管－ コーティングZr被覆管－ 現行のUO2燃料ペレット－ FeCrAl被覆管－ CrコーティングZr被覆管－ SiC/SiC複合材被覆管－ 高密度燃料ペレット

https://www.nrc.gov/reading-rm/doc-collections/commission/slides/2018/20180412/mccaughey-04122018-atf.pdf

24①米国におけるATFの開発状況➢ 商用炉を用いた照射試験の実施状況
SNC ハッチ炉（GE/GNF）

水色：Crコーティング被覆管
橙色：FeCrAl被覆管

Cr-coated_被覆管
FeCrAl_被覆管
改良UO2_燃料
高密度燃料_燃料
高燃料度LUA_集合体＋ 装荷± 装荷＆取り出しSNC ボーグル炉（フラマトム）エクセロン バイロン炉（ウェスティング）エクセロン クリントン炉（GE/GNF）

エンタージー ANO-1炉（フラマトム）エクセロン カルバート・クリフス炉（フラマトム）エクセロン リメリック炉（GE/GNF）
エクセル モンテチェロ炉（フラマトム）Proceedings of the 10th Annual EPRI/DOE/INL Joint Accident Tolerant Fuel Workshop (2021),
EPRI 2021 TECHNICAL REPORT, Virtual Workshop, March 30–April 1, 2021

①米国におけるATFの開発状況

25➢ 規制当局側（アメリカ合衆国原子力規制委員会：NRC）の活動状況•

NRCは現行の規制の枠組みのもとで、ATF使用の許可を与えるまでの機関プロセスを、より効率的・効果的に行うために、幾つかのステップを踏むこととしている。

•

NRCは、燃料製造、新規燃料輸送、炉内要件、及び使用済燃料の貯蔵と輸送を含む燃料サイクル全般に対処する、ニアタームとロング
タームの両方のATF設計のためのプロジェクトプランを策定した。

•

計画策定を通じて、スタッフは燃料ベンダー、産業界グループ、非政
府機関、NRCの国際連携機関などの被許諾者を含む、機関ステイ
クホルダーと広範に連動してきている。

•

本計画では、燃料の使用許可への新しい規制アプローチの概要を記している。この計画の中では、NRCがATFを適用しようとする事業者と、研究開発段階のかなり早くから連動し、データ共有や緊密な連携によって、より後段のライセンス取得プロセスの効率を高めることが期待される。

•

NRCはまた、規制のためのルールやガイダンスを産業界が実施している研究開発と並行して洗練させていく予定で、各ステイクホルダーと密接にコミュニケーションを図りながら透明性を担保しつつ取り組んでいる。
https://www.nrc.gov/reactors/atf.html

②仏国におけるATFの開発状況➢ 実施主体• 燃料設計／評価（燃料ベンダー）：
フラマトム（Framatome）
ウェスティングハウス（Westinghouse）• 原子炉安全解析（電気事業者）：
フランス電力株式会社（EDF）➢ 開発中のATF• 被覆管：Cr coated Zr alloy（ニアタームのATF概念）（ジルコニウム合金燃料ピンの外表面をクロム等でコーティングした被覆管）• 燃料：Doped UO2 pellet（ニアタームのATF概念）（改良UO2燃料ペレット）（＊）欧州では、気候変動対策と経済成長の両立を目指す仕組みとして構築されたEUタクソノミーへの適合条件としてATFの採用が加えられている

26

②仏国におけるATFの開発状況➢ 照射試験（LTR）計画• 2023年からEDFプラントで照射を開始予定。
• 所定燃焼度まで6~10年程度① フラマトム（Framatome）：-４集合体照射（集合体のうち複数本の燃料棒にCrコーティングを導入）-９００MWクラス（17×17型燃料３ループ・プラント）-最大５サイクル運転（12ヵ月×５サイクル）② ウェスティングハウス（Westinghouse）：-４集合体照射（集合体のうち複数本の燃料棒にCrコーティングを導入）-1300MWクラス（17×17型燃料４ループ・プラント）-最大４サイクル運転（18ヵ月×4サイクル）

Marc Ton-That, ATF development and licensing in France, Technical Meeting on The Licensing ofAdvanced Nuclear Fuels for Water Cooled Reactors, October 2021

27

②仏国におけるATFの開発状況➢ 規制当局（フランス安全当局）• 原子力安全局（ASN）：原子力安全および放射線防護に係る規制を担当している独立行政機関 の一つで2006年に設立• フランス放射線防護原子力安全研究所（IRSN）：2002年に設立された
原子力および放射線リスクに関する国の公共機関であり、ASNの主要なTSO(Technical Support Organization)• ASNを強化するとともに意思決定プロセスを円滑化するために、IRSNを組織再編(ASN等への移管)する方針が2月に政府でだされ、その実現のための法案が現在国会で審議中。組織再編までは1～1.5年かかる見込み。

• 原子炉を運用する事業者として、フランス電力株式会社(EDF)は、ATFの実用化に際し実機原子炉での安全性確認がフランスの安全当局より求められている。
• EDFは、フラマトムやウェスティングハウスからライセンシングプロセスにおける支援を受ける予定。
Marc Ton-That, ATF development and licensing in France, Technical Meeting on The Licensing ofAdvanced Nuclear Fuels for Water Cooled Reactors, October 2021

28

まとめ

29

➢ 2015年から本格的に開始された国内の事故耐性燃料（ATF）開発では、先行する欧米に早期にキャッチアップすべく、戦略的かつ効果的に開発を進めてきている。
➢ 今後も引き続き、国内事業者等との連携体制を継続的に強化しつつ、海外機関等との連携による照射試験の推進や燃料挙動評価を行う予定である。
➢ 以下に現在までに得られている成果・結果をまとめて記す。

(1) 国内における新型燃料開発推進①②

国内連携協力推進と開発状況総括：事業者／メーカー／研究機関／大学との連携推進、 TRLとRMの継続的更新
研究開発動向や規制基準等に係る情報収集：国内外関連情報収集と共有(2) 新型燃料の共通技術基盤の整備と継続的高度化①②

照射試験の円滑かつ継続的な推進：Crコーティング＠ATR
基礎基盤研究の推進：燃料ふるまい解析手法の高度化、共通基盤インフラ整備を含む試験技術開発による各コンソーシアムの開発支援(3) 海外との連携協力体制の強化①②

国際連携の継続的推進：米国等（二国間）
ATF研究開発に係る国際動向の把握・情報収集：関連国際会議等

30

参考資料

参考資料_事故耐性燃料の実装に向けた国内外の動き

出典：事故耐性燃料開発に関するワークショップ（2022.12.21）
https://nsec.jaea.go.jp/ATFWS/pdf/2022w/atfws_material_2.pdf#PAGE=1131

参考資料_初期に提案されたATF候補概念と提案事業者

32➢ 事業開始時に、民間事業者、大学、燃料ベンダー、研究機関から提案されたATF
候補概念は下に4つの概念であった。
Control
rod

Fuel
pin

Spring［提案者：三菱重工、MNF、東芝、日立GE］

NozzleGrid①SiC (炭化ケイ素)- PWR及びBWR用燃料被覆管- BWR用チャンネルボックス

~4.2ｍ

Fuel
pin

Nozzle②TRISO*1型被覆燃料粒子- 事故時における核分裂生成物放出抑制を目指した新型燃料［提案者：NFI］

Fuel
pin

Fuel
pin

SpacerChannelbox③FeCrAl-ODS *2鋼- PWR及びBWR用燃料被覆管

~4.5ｍ

Tie
plate

［提案者：NFD、GNF-J、北大、京大、日立GE］④ATCR*3- BWR及びPWR用制御棒［提案者：電中研、東芝］
PWR 燃料集合体*1 TRi-structural ISOtropic particle fuel, 三重等方性被覆燃料粒子*2 FeCrAl-Oxide Dispersion Strengthened, 酸化物分散強化型FeCrAl*3 Accident Tolerant Control Rod, 事故耐性制御棒

BWR燃料集合体

33

参考資料_事業初年度の実施概要（調査項目の構成とその関係）（1）新型燃料部材を既存軽水炉に装荷した場合の影響評価
・開発状況の調査
成果を・技術成熟度の整理と開発課題の明確化
反映

成果を
反映

成果を
反映

- 新型燃料部材の技術成熟度を整理- 炉心・プラント特性解析による炉心装荷時の影響を評価
事故進展解析による安全性評価手法への影響を評価
設計コード等により、燃料ふるまい解析や燃料設計への影響を評価
燃料製造の品質管理や規格に対する影響や輸送・貯蔵方法への影響を評価
必要な材料物性データ等を取得- 照射試験、燃料設計・ふるまい解析、工学規模での製造性検討、その他の実用化に必要な課題を整理・抽出
軽水炉体系で必要となる開発課題マップを整備（2）優先的に開発すべき新型燃料部材の選定、及びその設計・製造に向けた研究計画
の策定

成果を
反映

（3）研究計画に基づく各種試験データの整備、新規取得データに基づく各種解析・評価の高精度化、及び実用化阻害因子の抽出（有無の確認）

安全性向上に資する新型燃料を既存軽水炉に装荷可能な形で設計・製造するために必要となる技術基盤を整備

参考資料_候補概念のスクリーニングによる絞り込み34➢ 「安全性向上の利点」、「リスクや技術開発課題」、「技術成熟度」、 「諸外国における開発動向」等を踏まえて、総合的な視点で技術評価を行い優先順位付け
SiC (炭化ケイ素)- PWR及びBWR用燃料被覆管- BWR用チャンネルボックス［三菱重工、MNF、東芝、日立GEと協力］
実用化できた場合に安全性向上効果の期待が大きい優先度の高い候補概念。残されている課題は多いものの、製造技術開発の進展も著しい

TRISO型被覆燃料粒子- 事故時における核分裂生成物放出抑制を目指した新型燃料［NFIと協力］
軽水炉燃料としての具体的な技術開発はこれまでに行われておらず、他に比べて優先度が低い候補概念

FeCrAl-ODS鋼- PWR及びBWR用燃料被覆管［NFD、GNF-J、北大、京大、日立GEと協力］
比較的短期間での既存軽水炉への導入が見込まれる優先度の高い候補概念事故耐性制御棒(ATCR)- BWR及びPWR用制御棒［電中研、東芝と協力］
制御棒の開発は日本独自の技術であるが、技術成熟度はまだ低く、他に比べて優先度が低い候補概念•

開発継続の候補材料と実施体制（2016年度～）
新型燃料部材の候補材料
1. FeCrAl-ODSステンレス鋼- BWR用燃料被覆管
2. SiC（炭化ケイ素）/SiC複合材- PWR及びBWR用燃料被覆管- BWR用チャンネルボックス
実用化研究開発の体制
FeCrAl-ODS鋼Gr
・日本核燃料開発
・ｸﾞﾛｰﾊﾞﾙ・ﾆｭｰｸﾘｱ・ﾌｭｴﾙ・ｼﾞｬﾊﾟﾝ
・北海道大学・京都大学
・早稲田大学・日立GE
・原子力機構SiC/SiC複合材Gr
・三菱重工業（PWR向け）
・三菱原子燃料（PWR向け）
・東芝ｴﾈﾙｷﾞｰｼｽﾃﾑｽﾞ（BWR向け）
・日立GEﾆｭｰｸﾘｱ・ｴﾅｼﾞｰ（BWR向け）
・量研機構
・原子力機構35

参考資料_研究開発スケジュール（Phase 1）
実施項目

2015年度

2016年度

2017年度

2018年度

2019年度

2020年度

2021年度燃料設計のための基礎データ取得試験と詳細解析
燃料設計のための基礎データ取得試験と詳細解析（炉心、事故、燃料挙動等）

BWR用
改良ステンレス鋼
燃料に係る技術基盤整備

開発
状況
調査
技術

BWR用
成熟度
SiC燃料等に係る(TRL)
技術基盤整備整理

PWR用
SiC燃料に係る技術基盤整備研究計画
策定

照射リグ設計・材料照射試験・米国からの試験片輸送・国内での照射後試験
照射リグ設計・材料照射試験・米国からの試験片輸送・国内での照射後試験(HFIR)
適宜データ
を反映

適宜データ
を反映

HP

一部データ
を反映

適宜データ
を反映

HP

適宜データ
を反映

適宜データ

① を反映
2018年6月12日付け原子力委員会決定「技術開発・
照射リグ設計・燃料棒照射試験・照射後試験(HBWR)
研究開発に対する考え方」を
品質管理のための技術開発／規格・基準の検討
品質管理のための技術開発／規格・基準の検討
受けて、個別要素技術開発
燃料設計のための基礎データ取得試験と詳細解析
燃料設計のための基礎データ取得試験と詳細解析（炉心、事故、燃料挙動等）
については、民間主導で実施（コストシェアの考えを導入）。
適宜データ
を反映

適宜データ
を反映

② 米国との連携・協力で進めてきた部分については、所期の目標達成に向けて継続。
品質管理のための技術開発／規格・基準の検討

照射リグ設計・試験研究炉照射試験・照射後試験 (HBWR)
B/P共通試験技術開発(ラウンドロビン試験等)③ ノルウェー・ハルデン炉の廃炉決定（2018.6.27発表）を
適宜データ
適宜データ
適宜データ
適宜データ
HP
踏まえて、開発中の個別要素
を反映
を反映
を反映
を反映
技術の照射特性評価の進め
照射リグ設計・試験研究炉照射試験・照射後試験 (HBWR)
方について、ステークホルダーとB/P共通試験技術開発(ラウンドロビン試験等)
品質管理のための技術開発／規格・基準の検討の間で議論を開始。
燃料設計のための基礎データ取得試験と詳細解析
燃料設計のための基礎データ取得試験と詳細解析（炉心、事故、燃料挙動等）

参考資料_国内ATF開発草創期のまとめ（小括）36➢ 第1フェーズでは、冷却材喪失等の過酷な条件においても損傷しにくく、高い信頼性を有する新型燃料部材について、既存軽水炉に装荷可能な形で設計・製造するために必要となる技術基盤を整備することを目的に、総合的な視点での技術評価に基づく候補概念のスクリーニングを事業初年度（2015年度）に実施。
➢ 開発継続となったATF候補概念（改良SS及びSiC）に対して策定した、技術成
熟度（TRL）整理表、研究計画、技術課題マップに基づき、• 各候補材料の物性値、機械及び熱特性、照射挙動等の基礎データの取得、及び海外の試験研究炉を用いた中性子照射試験計画の検討• 各候補材料の軽水炉導入による、製造性、炉心特性、燃料設計やふるまい、
事故進展、安全評価、使用済燃料の取り扱い等への影響の評価• 照射試験等残された課題を整理（次頁参照）➢ また、適宜ユーザー（電力事業者等）のニーズや外部有識者の意見などを研究開発計画に反映し、各新型燃料候補材料の開発の進め方の適正化を図るとともに、規制基準等の最新知見を取り入れる形でTRLやAGを更新。
➢ 事業を進めるにあたっては、軽水炉燃料の特異性を考慮しつつ、大学や産業界に蓄積された知識、技術、経験、人材等を活用。また、技術の伝承や人材育成にも留意。

参考資料_ATF開発に係るベネフィット定量評価のための整理表 37

参考資料_EUタクソノミーにおける原子力と天然ガスの位置付け

38

https://www.meti.go.jp/shingikai/enecho/denryoku_gas/genshiryoku/pdf/024_03_00.pdf

これまでに得られている成果の例

39⚫ 海外との連携協力体制の強化①専門家グループの継続的強化
・DOE／EPRI／INLと調整し、日米の新型燃料等に係る開発事業者が一堂に介し協議する場を設けて、日米連携協力の継続的強化を図る予定（4月4日開催予定）。
②OECD／NEA QUENCH-ATFプロジェクトへの継続参加
・2022年6月に実施された一回目の試験（米国Westinghouseから提供されたCrコーティング被覆管24本を用いて構成した模擬集合体に対して、過去の試験条件と同条件で試験）について、各種試験後評価（金相試験、中性子ラジオグラフィ―、機械試験等）結果を入手。
・本プロジェクトへの国内機関（エネルギー総合研究所）の参画に必要な手続きを進め、SAMPSONを用いたベンチマーク解析への参加を実現。

Crコーティング被覆管/通常運転時挙動

40＊） 三菱重工殿発表資料から抜粋

 PWR冷却水模擬環境（未照射）での表面酸化抑制効果を確認
 特異な腐食等は見られていない

村上ら「早期実用化に向けたPWR向け事故耐性燃料被覆管（コーティング被覆管の開発(1) 2D02 2022年日本原子力学会秋の大会

SiC／Ti被覆材の高温水蒸気酸化試験➢ 概要• JAEA保有のレーザ加熱装置（LAHF）を用いて、鉄の融点を超える1600℃まで
水蒸気中での酸化および水素ガス発生挙動を評価。
• Ti被覆はSiC基材と顕著な反応を生じず、Ti被覆がSiC被覆管の破損に繋がらないことを確認。
• Ti被覆の有無にかかわらず、水蒸気流量増加に伴い水素ガス発生が増加するという知見が得られた。

Ref) R. Ishibashi et al., “Estimation of Hydrogen Generation from Silicon-Carbide Fuel Cladding withTitanium Coating during Severe Accident”, Proc. Top Fuel 2022, Raleigh, NC, USA, October 9-13, 2022.

41

SiC／Ti被覆材の過酷事故解析➢ 概要• 高温水蒸気酸化試験で得られた水素ガス発生速度に基づき、高温水蒸気酸化のTi被覆SiC被覆管モデルを作成し、過酷事故解析を実施。
• Ti被覆SiC被覆管からの水素ガス発生量は、被覆なしのSiC被覆管と比べ、わずかに増加するが、Zry被覆管と比べると94％減少する解析結果が得られた。
• SiC被覆管の反応熱による温度上昇はZry被覆管と比べて小さく、事故時の水素ガス発生量の低減に寄与することが解析により確認された。

Ref) R. Ishibashi et al., “Estimation of Hydrogen Generation from Silicon-Carbide Fuel Cladding withTitanium Coating during Severe Accident”, Proc. Top Fuel 2022, Raleigh, NC, USA, October 9-13, 2022.

42

SiC被覆管／過渡・事故解析手法の開発

43

➢ 概要
• SiC被覆管を適用した場合の過渡・事故時燃料棒挙動を評価するため、プラント過渡解析
コードTRACTTMと燃料棒挙動解析コードFEMAXIの連携解析手法を開発した。

Ref) F. Inoue, “Development of Accident Tolerant SiC/SiC Cladding and Channel Box in Toshiba”, The 29th International Conferenceon Nuclear Engineering, Shenzhen, China, August 8-12, 2022.

NNO-2022-000048 Rev.0 / PSNN-2022-0846© 2022 Toshiba Energy Systems and Solution Corporation

③その他の国におけるATFの開発状況

44

➢ 露国
✓ 実施主体：TVEL（ ТВЭЛ）／ロスアトム（ROSATOM）• 被覆管 ：Cr coated Zr alloy（E110+Cr）／Cr-Ni alloy（42CrNiMo）• 燃料：大粒径燃料ペレット✓ 照射試験：MIR研究炉（実施済み）：Rostov-2 原子力発電所（試験燃料集合体：2021.8～）➢ 韓国✓ 実施主体：韓国電力公社（KEPCO）• 被覆管 ：Cr coated Zr alloy（HANA-6）• 燃料：改良UO2燃料ペレット（シリコン酸化物添加UO2）✓ 照射試験：BR2炉（2020.9～2020.12）：商用炉照射（2022.12～実施予定）➢ ベルギー✓ 実施主体：エンジー社（ENGIE）／ウラン公社（ENUSA）• 被覆管 ：Cr coated Zr alloy（EnCore）• 燃料：UO2燃料ペレット✓ 照射試験：Doel-4炉（2020.6～）

ウェスティングハウスにおけるATF開発の状況

45➢ CrコーティングZIRLOTM燃料棒の照射試験を欧米の商用炉で実施中
2019

研究炉照射
材料照射

2020

2021

2022

2023

2024

2025

2026

2027

2028

ATR (試験研究炉) (ATF-2プログラム)？

バイロン発電所 (PWR) (LTR照射)

Lead Test Rod

ドール(PWR) (LTR 照射)
EDFプラント (1300MW級PWR) (LTR 照射)

Lead Test
Assembly

不明

標準UO2、またはADOPTペレットを用いた16本のCrコーティングZIRLO™燃料棒と、ウランシリサイド（U3Si2）ペレットを用いた4本のセグメント燃料棒を含むATF先行試験燃料棒（LTRs：Lead TestRods）を、米国エクセロン バイロン発電所2号機に装荷し2019年春より照射開始。1サイクルの照射が完了し、LTRの一部はPIEに供され、残りは引き続き2サイクル目の照射のため原子炉に再装荷。また、ベルギーのDoel（ドール）発電所4号機においてもCrコーティングLTRの照射が進行中（スライド13の
ベルギーの所にも記載）。ドール4号機での照射は、2021年秋に第1サイクルの照射が終了。フランスの
EDFプラント（1300MWクラス）でも最大4サイクル（18ヶ月／サイクル）のLTR照射を2023年から実施する計画。
J. L. WALTERS et al., POOLSIDE INSPECTION OF ENCORE FUEL LEAD TEST RODS AT EXELON BYRON UNIT 2, topfuel2021
Marc Ton-That, ATF development and licensing in France, Technical Meeting on The Licensing of Advanced Nuclear Fuels for Water
Cooled Reactors, October 2021

46

フラマトムにおけるATFの開発状況➢ フラマトム社製CrコーティングM5燃料棒のLTR／LTA照射試験の実績と予定
2019

研究炉照射
材料照射

2020

2021

2022

2023

2024

2025

2026

2027

2028

ATR／TREAT (試験研究炉) (ATF-2/ATF-3 Program)

ゴスゲン (PWR) (IMAGOプログラム)
ゴスゲン (PWR) (LTR照射) (GOCHROM
Program)
ATR/TREAT ?
ボーグル (PWR) (LTR照射)

Lead Test Rod

アーカンソー・ニュークリア・ワン(PWR) (LTR 照射)
EDFプラント (900MW級PWR) (LTR 照射)
モンテチェロ (BWR) (LTR 照射?)Lead Test
Assembly

カルバート・クリフス(PWR) (LTA 照射)

上記の照射試験工程に先立ち、フラマトム社は、フランスCEAの試験研究炉であるOSIRIS（2015年）、スイスのGösgen（ゴスゲン）発電所（2016年）、及びHalden炉（2017年）でATF試料のクーポン照射試験を実施。
ゴスゲン発電所でのクーポン照射（IMAGOプログラム）については、現在も進行中。また、2018年の米国INLの試験研究炉であるATRにおけるPWR条件でのCrコーティングM5燃料棒の照射試験を経て、2019年にはATF先行試験燃料棒（LTRs：Lead Test Rods）を3基の商用PWR（ゴスゲン発電所（GOCHROMプロジェクト）、Vogtle（ボーグル）発電所、ANO発電所）に装荷し、2024年まで照射予定。さらに、カルバート・クリフス発電所において、ATF先行試験燃料集合体（LTA：Lead Test Assembly）1体の第1サイクル照射を2021年3月より開始。フランスのEDFプ
ラント（900MWクラス）でも最大5サイクル（12ヶ月／サイクル）のLTR照射を2023年から実施する計画。
V. REBEYROLLE et al., PROtect: The Leading E-ATF Solution Delivered by Framatome , topfuel2019
L. DUQESNE et al., Framatome’s evolutionary ATF solution: Feedback from the irradiation programs on PROtes¥ct’s Cr-coated M5 cladding, topfuel2021
Marc Ton-That, ATF development and licensing in France, Technical Meeting on The Licensing of Advanced Nuclear Fuels for Water Cooled Reactors,
October 2021

47

世界各国で行われているATF開発の現状（2021年11月時点）
サプライヤーA：ウェスティングハウス社
SWE：Doped UO2③BEL：Cr
coated Zry②FRA：Cr coatedZry, Doped UO2③RUS：Cr coatedZry, Cr-Ni alloy③KOR：Cr
coated Zry,

CHE：Cr coatedZry, SiC/SiC①USA：Cr coated Zry,
FeCrAl steel, SiC/SiC,
Doped UO2, U3Si2

JPN：Cr coatedZry, FeCrAlODS, SiC/SiC

CHN：Cr coatedZry,

サプライヤーB：フラマトム社

Simone Massara, Technical Meeting on the Licensing of Advanced Nuclear Fuels for Water Cooled Reactors,
October 2021