2023年12月14日 東京大学武田先端知ビル武田ホール
第３回事故耐性燃料開発に関するワークショップ

国内のATF研究開発概要

日本原子力研究開発機構
原子力基礎工学研究センター
山下 真一郎本日ご紹介する内容
1. はじめに✓ 事故耐性燃料（ATF）開発の経緯

2. 国内におけるATF研究開発の全体像✓ エネ庁事業で開発中のATFとその開発推進体制✓ ATFの実用化までの流れ・開発ステップ✓ ATF研究開発の加速化に向けたJAEAの基本的考え方✓ ATF研究開発における課題へのJAEAの取り組み•

連携協力体制の構築•

米国試験炉での照射試験の実現•

基礎基盤研究の推進

3. ATF早期導入に向けた取組みと基礎基盤研究の役割
4. 各ATF候補材開発の取組みの現状

2

本日ご紹介する内容
1. はじめに✓ 事故耐性燃料（ATF）開発の経緯

2. 国内におけるATF研究開発の全体像✓ エネ庁事業で開発中のATFとその開発推進体制✓ ATFの実用化までの流れ・開発ステップ✓ ATF研究開発の加速化に向けたJAEAの基本的考え方✓ ATF研究開発における課題へのJAEAの取り組み•連携協力体制の構築•

米国試験炉での照射試験の実現•

基礎基盤研究の推進

3. ATF早期導入に向けた取組みと基礎基盤研究の役割
4. 各ATF候補材開発の取組みの現状

3

事故耐性燃料(ATF)開発の経緯

4• 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、改良ステンレス鋼等の新材料被覆管
図：酸化反応が進行した時の燃料温度の上昇と– 新材料被覆管に対応した燃料（ペレット）
時間の関係を示した模式図• 現行商用軽水炉への出来るだけ早期実装を
https://rdreview.jaea.go.jp/review_jp/
2016/j2016_4_10.html
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求

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

本日ご紹介する内容
1. はじめに✓ 事故耐性燃料（ATF）開発の経緯

2. 国内におけるATF研究開発の全体像✓ エネ庁事業で開発中のATFとその開発推進体制✓ ATFの実用化までの流れ・開発ステップ✓ ATF研究開発の加速化に向けたJAEAの基本的考え方✓ ATF研究開発における課題へのJAEAの取り組み•連携協力体制の構築•

米国試験炉での照射試験の実現•

基礎基盤研究の推進

3. ATF早期導入に向けた取組みと基礎基盤研究の役割
4. 各ATF候補材開発の取組みの現状

5

エネ庁事業で開発中のATFとその開発推進体制

6

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まれる事故耐性燃料（ATF）の開発が以下の体制で進められている。
Controlrod

FuelpinNozzleGrid~4.2ｍ

FuelpinNozzlePWR 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)

Fuelpin

Fuelpin
Channelbox~4.5ｍ

Tieplate【 Cr 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、等実施主体：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

ATFの実用化までの流れ・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

TRL

原理実証段階１２12））

3）

工学実証段階

３４５

③
小数体の国
内商
用炉先行
照射（ＬＵＡ

規制
当局による
安全性
確
認・審査等

*

開発段階

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

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
新型
燃設料
計部
パ材
ラのメー
タの確
立

7

実用化
（実プラ
ン
ト
への導入）

１）LTR：Lead Test Rod
２）LTA：Lead Test Assembly
３）LUA：Lead Use Assembly

実用開発段階

６７８９ATF研究開発の加速化に向けたJAEAの基本的考え方• 既存軽水炉を含めた革新的原子炉の照射下燃料・材料ふるまい評価技術（通常運転時～過渡時までを含む）を開発して事故耐性燃料（ATF）のふるまいを解き明かし、• 許認可アカウンタビリティ向上、人材育成等に貢献しながら、ATF早期実用化を万全のものとする。
• 開発した技術を改良・拡張し、後続のATFや新型被覆管へ適用することにより、ATFの実用化加速を後押しする8

ATF研究開発における課題へのJAEAの取り組み【国内のATF研究開発初期の状況、直面していた課題】➢ 民間事業者は個々のATF概念を個別提案、電気事業者は再稼働が第一優先
でATF等新型燃料開発への関心度は低く、関わりは情報収集・情報交換程度➢ JMTRやハルデン炉等利用可能な照射試験炉の相次ぐ廃炉、照射場・照射機会の著しい減少、照射インフラのニーズ拡大・競争激化➢ 海外での先行事例や工学的判断等に基づく、必要最小限の条件範囲での試験データ取得【課題解決に向けたJAEAの取り組み】① 連携協力体制の構築：
関係性が乏しかった、電気事業者との間に信頼関係を醸成、国内の中立的な原子力研究機関② 米国試験炉での照射試験の実現：
国立研究機関としての信頼に基づく協力チャンネルの提供、利用機会の拡大③ 基礎基盤研究の推進：
JAEAの専門性、知識・経験に 基づき整備した、試験技術や解析コード等によるATF実用化の加速

9

①連携協力体制の構築（1/2）

10➢ 電気事業者ーATF開発メーカーJAEAが有機的に連携協力する枠組みとして連携協議体を2019年度（＊1）に構築。
➢ 年度計画、中間進捗状況、計画達成状況等の情報を共有し、エンドユーザである電気事業者からのコメントや意見を計画等にフィードバック。
➢ JAEAは、連携協議体をファシリテートし技術成熟度（TRL）や開発ロードマップ等を纏めるとともに、TRLの技術評価において第3者的立場から妥当性を評価。
➢ ATENA（＊2）内に設けられた事故耐性燃料に関するワーキンググループ（ATF-WG）に参画し技術検討等を実施➢ 原子力規制委員会や経済産業省資源エネルギー庁等のステイクホルダとの対話➡事業者から、早期に少数体先行照射を国内で行い、速やかにATFの本格導入の検討を進めたい旨意思表明あり
図 CNO意見交換会におけるATENA説明資料からの抜粋（＊1）コストシェアの考えに基づき、国プロが各ATF開発メーカとJAEAで別事業化

https://www.nra.go.jp/data/000413504.pdf（＊2）ATENA（原子力エネルギー協議会）：原子力産業界の自律的かつ継続的な取り組み定着を目指して2018年に設立

①連携協力体制の構築（2/2）

11

現在では、多くのステイクホルダーが有機的に連携・協力を図りながらオールジャパン体制でATFの研究開発が進められている。
外部専門機関：解析コード、試験技術等の共通基盤
技術開発委託、ATCR委託

OECD/NEAFIDES-II:NSRR照射機会提供

大学：

ＪＡＥＡ：
米国・国立研究機関（DOE/INL）

協力協定

照射試験炉等のインフラ提供

CNWG
日米協力

国内・海外との調整、基礎基盤研究、人材育成、技術評価等における客観評価、各種委員会等における技術アドバイス

基礎基盤研究、人材育成
参加

連携学協会：
参加

規格基準の整備等
オブザーバ参加③ ④協力協定

連携規制委員会

意見③技術評価における客観評価依頼 交換④ ATENA-WG員として導入に向けた技術アドバイス

安全性確認、審査等

参加

国（経済産業省委託事業

資源エネルギー庁）
補助事業、委託事業にて支援① ②

電気事業者：

製品提供

参加

補助金事業

三菱重工業：
Cr-Zry開発
連携協議体

日立コンソ：
FeCrAl-ODS/SiC開発

東芝コンソ：
SiC開発①国内・海外との調整依頼（海外との交渉委託、規制庁との窓口、国内関係者の研究開発調整等）、基礎基盤研究ニーズ提示②国内開発推進（共通技術指標を用いた進捗レビューと管理）、照射試験実施推進、基礎基盤研究による開発加速・支援

②米国試験炉での照射試験の実現（1/2）

12

CNWG：Civil Nuclear Energy Research and Development Working Group➢ 日米政府（文科省&経産省－米国エネルギー省）間の民生用原子力研究開発ワーキンググループ（CNWG）を活用し、JAEAと米国・国立研究所等（＊）との協力チャンネルを民間事業者に提供。

➢ JAEAはORNLやINLと交渉し、照射インフラとして世界的にニーズが高かったHFIRやATRを用いた照射試験の実現に貢献。
✓ オークリッジ国立研究所（ORNL）の高中性子束炉（HFIR）を用いたFeCrAl-ODSの材料照射試験（2017.2～2018.7）✓ アイダホ国立研究所（INL）の先進試験炉（ATR）を用いたCr-coated Zry燃料棒の照射試験を実施中（2023.4～）✓ INLのATRを用いてFeCrAl-ODS燃料棒の照射試験を実施予定（2024.10～）（＊）米国・マサチューセッツ工科大学の多目的炉（MITR）を活用したSiCの照射試験も実施予定（2024.1～）

図1. 日米CNWGのもとで進められている各研究開発協力分野
出典：https://nsec.jaea.go.jp/ATFWS/pdf/2022w/atfws_material_1.pdf
ATFワークショップにおける経済産業省発表資料「事故耐性燃料導入への期待」からの引用

図2. ATRを用いたCr coated Zry燃料棒の照射試験スケジュール
出典：https://www.nra.go.jp/data/000413504.pdf CNO意見交換会における原子力エネルギー協議会（ATENA）発表資料「事故耐性燃料（ATF）導入に向けた対応」からの引用

②米国試験炉での照射試験の実現（2/2）
ATFの早期実装化を見据えた研究開発においては、米国との良好な関係を維持・発展させつつ、一定程度の照射試験炉インフラの活用は今後も必要不可欠。
外部専門機関：解析コード、試験技術等の共通基盤
技術開発委託、ATCR委託

OECD/NEAFIDES-II:NSRR照射機会提供

大学：

ＪＡＥＡ：
米国・国立研究機関（DOE/INL）

協力協定

照射試験炉等のインフラ提供

CNWG
日米協力

国内・海外との調整、基礎基盤研究、人材育成、技術評価等における客観評価、各種委員会等における技術アドバイス

基礎基盤研究、人材育成
参加

連携学協会：
参加

規格基準の整備等
オブザーバ参加③ ④

協力協定

連携規制委員会

意見③技術評価における客観評価依頼 交換④ ATENA-WG員として導入に向けた技術アドバイス

安全性確認、審査等

参加

国（経済産業省委託事業資源エネルギー庁）
補助事業、委託事業にて支援① ②

電気事業者：

製品提供

参加

補助金事業

三菱重工業：
Cr-Zry開発
連携協議体

日立コンソ：
FeCrAl-ODS/SiC開発

東芝コンソ：
SiC開発①国内・海外との調整依頼（海外との交渉委託、規制庁との窓口、国内関係者の研究開発調整等）、基礎基盤研究ニーズ提示②国内開発推進（共通技術指標を用いた進捗レビューと管理）、照射試験実施推進、基礎基盤研究による開発加速・支援

13

③基礎基盤研究の推進（1/3）

14【基礎基盤研究の役割、実用化への寄与】•••

2030年代初頭の導入において、 「事故時影響」「長期照射時の影響」の知見拡充により、予見性向上に寄与することが重要「Crコーティング層の剥がれ、われ等(健全性喪失)」に係り、メカニズムまで立ち戻って現象・挙動を解明してモデル化するため、米国PIRT等を調査して基礎基盤研究計画を立案し、研究を進めている。
研究成果は燃料ふるまい解析技術（コード、科学的知見）として集約・継続的にアップデートし、ATF装荷炉の解析レファレンスとして予見性向上に役立てる。
↓コーティング最適化、後続のATF（FeCrAl-ODS,SiC）や新型被覆管等の設計に活用

Cr腐食（酸化）通常時

Crコーティング層の剥がれ、われ等（健全性喪失）•Cr-Zr界面での拡散やキャビティ等生成
Cr高温酸化LOCA時
バルーニング・ラプチャー

B-DBA, SA時

ソースタームRIA時

モデル化
解析コードに組み込み（FEMAXI, SAMPSON等）
Crコーティング被覆管燃料ふるまい解明に向けた基礎基盤研究

③基礎基盤研究の推進（2/3） -事故時影響-

15

設計基準事故（DBA）～過酷事故（SA）までをカバーする、集合体レベルの燃料ふるまい解析コードを整備し、国際プロジェクト試験で検証して、事業者に参照解として提供【実施内容】• 冷却材喪失事故（LOCA）時におけるATF被覆管の変形挙動の詳細評価モデル構築を目的に試験装置の開発• 構築したモデルの各種コード（FEMAXI、RANNS、SAMPSON）への組み込み• LOCA試験やOECD/NEAの国際プロジェクト
LOCA試験（QUENCH-ATF）での模擬バンドル試験結果との比較、検証【期待される成果】• DBA～SAの条件範囲をカバーする
解析コードの連成化• 燃料ふるまい解析手法の適用範囲拡充（ピン単位～集合体レベル）

解析コードのATF-LOCA条件までの拡張、改良、解析集合体でのLOCA試験

被覆管、ペレットの破損挙動評価, etc,

【成果の反映】LOCA時におけるピン単位から集合体レベルまでの変形挙動に関する理解の深化、変形挙動の詳細評価モデル構築

国際プロジェクト（QUENCHATF）で実施中

③基礎基盤研究の推進（3/3） -長期照射時の影響-

16

原子炉燃料・材料開発における原子炉照射への依存度低減（＊）を目指した先進照射試験技術として、高燃焼度時の最重要課題である腐食挙動を含めた材料挙動の世界初の予測評価技術を開発し、ATFの実用化加速に貢献するとともに、新材料の開発に役立てる（＊）燃料・材料開発における原子炉照射への依存度：
これまで ：試験炉照射 ⇒ 商用炉照射（LTRとLTA）⇒ 国内炉照射（LUA）⇒ 実装
合理化案：試験炉照射＋スマート技術による評価（条件外挿）⇒ 国内炉（LTA）⇒ 実装【実施内容】

通常運転時の燃料棒の周辺環境

被覆管外表面での事象• 高温高圧水環境下での加速照射実験が可能なイオン照射用試験装置を開発• 照射下での被覆管表面組織の安定性に及ぼす照射と環境の重畳影響等を評価• 重畳環境下での腐食挙動のモデル化【期待される成果】
その場電気化学測定による照射下高温高圧
水中腐食挙動の評価【成果の反映】試験炉照射結果との比較による、燃料ふるまい 東北大学サイクロトロン
ラジオアイソトープセンター（CYRIC）
挙動の予測精度の向上

圧力容器

高温水循環系

本日ご紹介する内容
1. はじめに✓ 事故耐性燃料（ATF）開発の経緯

2. 国内におけるATF研究開発の全体像✓ エネ庁事業で開発中のATFとその開発推進体制✓ ATFの実用化までの流れ・開発ステップ✓ ATF研究開発の加速化に向けたJAEAの基本的考え方✓ ATF研究開発における課題へのJAEAの取り組み•

連携協力体制の構築•

米国試験炉での照射試験の実現•基礎基盤研究の推進

3. ATF早期導入に向けた取組みと基礎基盤研究の役割
4. 各ATF候補材開発の取組みの現状

17

ATF早期導入に向けた取組みと基礎基盤研究の役割

18

基礎基盤研究の役割：非常に限られた離散的なデータ（点）に科学的根拠を付加したデータ（線・面）に！ ➡ ATF実用化開発を加速

本日ご紹介する内容
1. はじめに✓ 事故耐性燃料（ATF）開発の経緯

2. 国内におけるATF研究開発の全体像✓ エネ庁事業で開発中のATFとその開発推進体制✓ ATFの実用化までの流れ・開発ステップ✓ ATF研究開発の加速化に向けたJAEAの基本的考え方✓ ATF研究開発における課題へのJAEAの取り組み•連携協力体制の構築•

米国試験炉での照射試験の実現•基礎基盤研究の推進

3. ATF早期導入に向けた取組みと基礎基盤研究の役割
4. 各ATF候補材開発の取組みの現状

19

各ATF候補材開発の取組みの現状

各ATF候補材開発の取り組みの現状は、この後の「ポスターセッション」、及び「技術講演」において詳細報告がなされる予定

20