2021.3.16 原子力システム研究開発事業 成果報告会

160201

安全性・経済性向上を目指したMA核変換用窒化物燃料サイクルに関する研究開発（平成28、29、30、令和元年度）研究代表者：
高野 公秀 （原子力機構）
再委託先責任者： 村上 毅 （電力中央研究所）
再委託先責任者： 有馬 立身 （九州大学）*複製・転載はご遠慮ください11. 研究内容・目標2
   3124

放射性廃棄物の減容・有害度低減
MA核変換サイクルについて、これまでの「基礎研究」から、次の「準工学研究」段階へ進むための技術的見通しを得る+(#"&(,+!)0!&$!%)+!)05&$

1. 燃料製造技術開発〜実プロセスで枢要な要素技術の実証&$ )0

② 15N同位体濃縮窒素入手実現性、経済的利用

2. 燃料安全性挙動評価〜燃料ふるまいに関する炉外試験データ① 燃料の液相生成温度（レーザー適用、九州大学）%)

 3124① ゾルゲル法経由による窒化物（工程効率化）③ 焼結密度制御（ZrN母材燃料、粉砕・気孔形成材）

 5 &$!)0!-/'&$!)0'"*.'

 67&$!)0' (+RE)

② 被覆管との両立性（T91フェライト鋼）③ α崩壊・蓄積Heの影響（室温膨張、高温でのガススエリング）

3. 燃料処理技術開発〜溶融塩電解の対案として化学溶解法① 化学溶解法（ピン剪断、溶解挙動、難溶性物質対応、再窒化、物質収支・バッチサイズ）② TRUの還元抽出（酸化剤対応、電中研）③ 母材廃棄物からの15N回収、安定化

MA核変換サイクル概念（階層型サイクル）
MA：マイナーアクチノイド（Np, Am, Cm）
TRU：超ウラン元素（MA+Pu）
RE：希土類元素%)

2. 燃料概念（補足説明）

3n 2種類の燃料ペレット概念
Ø ZrN母材：(MA,Pu,Zr)N 単相固溶体型• 現状の主概念（第１候補）(MA,Pu,Zr)N
単相固溶体燃料

MA抽出分離（発電用サイクルから）MA硝酸溶液(MA,Pu)N/TiN
粒子分散型燃料

ゾルゲル・プロセス（炭素添加）

ゾルゲル・プロセス（炭素添加）

MA+C ゲル粒子(MA+Pu)+C ゲル粒子

• 既存技術の延長線上• 微粉砕工程あり（ゾルゲル法の利点を完全には活かしきれない）

煆焼煆焼

MA酸化物+C 粒子
15

Ø TiN母材：(MA,Pu)N/TiN 粒子分散型• 先進型概念（第2候補）• 粒子分散技術は工学的にチャレンジング• TRU粉末取り扱い工程なし（ゾルゲル法の利点をフルに活かせる合理的プロセス）

N2 →

炭素熱還元

ZrN粉末
15
N2 →(MA,Pu)N粉末
混合・粉砕
成型・加熱

(MA,Pu,Zr)N固溶体
N2 →破砕・粉砕
成型・焼結(MA,Pu,Zr)Nペレット* Puは燃焼中の反応度低下を抑制するため添加

酸溶解

MA窒化物粒子

15* ZrN、TiNともに超高融点で高温安定性に優れ、熱伝導率が非常に高い

MA+Pu硝酸溶液

15N2 →

Cd-MA-Pu合金(MA+Pu)酸化物+C 粒子
炭素熱還元 ← 15N2(MA+Pu)窒化物粒子
TiN粉末
混合（分散）
成型・焼結 ← 15N2

（乾式処理）（核変換）(MA,Pu)N/TiN ペレット

想定している燃料製造の実プロセス

3. 乾式処理概念（補足説明）4
Ø 溶融塩中への化学溶解Ø 溶融塩中での電解• 電解法の対案として本事業で技術開発• 酸化剤（塩化剤）を用いて窒化物を溶融塩中に溶解• (Pu,Zr)Nで基礎試験実績あり• シンプルで経済性に優れる可能性あり• 大量に使用する酸化剤の後段への影響、対応が必要• これまで主概念として研究開発• データの蓄積あり• 液体Cd陰極にTRUを回収

プロセス速度TRU回収率
廃棄物量・性状コスト？

酸化剤CdCl2, ZrCl4
Cd2+

Zr4+

FPn+

TRU3+
溶融 LiCl-KCl

Li

液体Cd中にTRUを還元抽出（還元剤：Li）
以下共通

TRU(+RE)-Cd合金
Cd蒸留回収・TRU窒化TRU(+RE)窒化物
燃料製造へ

Zr4+

TRU3+ FPm+

液体CdTRU

溶融塩電解法（窒化物は電気伝導性）

Cd2+

Li+

15N ガス2

Cd-Li

溶融塩中に燃料を化学溶解
TRU抽出高性能化概念
Zn-Cd
Ga-Cd

4. 成果概要 (1)① ゾルゲル法経由による燃料製造技術開発
Ø 必要性・着眼点

5• 実燃料製造はセル内遠隔操作となるため、放射性ダスト低減と工程削減の観点からゾルゲル法適用が必須• 良好な球形状の窒化物粒子が安定して得られれば、TiN母材の粒子分散型燃料に適用可（合理的なプロセス）Ø 成果のハイライト〜希土類のDyを用いたコールド試験
外部ゲル化法の諸パラメータ最適化• ゲル化試験は原子燃料工業への外注で実施• 亀裂のほとんどない良好な球形状の粒子を、直径の再現性良く作製可能にした

真球度 (長径/短径)1.08

粒子分散型ペレット試作• 炭素熱還元による窒化を行い、粉末混合法と不純物酸素・炭素を比較• 少ない余剰炭素量で高純度な窒化物（ゾルゲル法の利点実証）、ZrN母材燃料には十分• 単純な乾式混合と、ヘプタンを分散媒とした超音波加振混合を試験• 今後の技術開発課題を明らかにした

ゲル粒子

1.06
1.04

酸化物+炭素混合粒子窒化

Dy2O3+Cの窒化試験結果

煆焼粒子
煆焼粒子外観

1.02
10.3

0.40.5
粒子直径 (mm)

粒子直径と真球度の分布

0.6

窒化後のDyN粒子

窒化原料

C/Dy
モル比O(wt%)C(wt%)

粉末混合成形体

2.10(+40%)

0.29

<0.01

外部
ゲル化法

1.76(+17%)

0.14<0.01(DyN粒子直径〜270 µm)
Dy2O3 + 3C + N2 → 2DyN + 3CO

焼結後ペレット外観と断面観察像試作したペレットの相対密度
今回結果

将来目標

DyN粒子〜51 %TD≥60 %TD

TiN母材〜84 %TD〜90 %TD(DyN/TiN = 30/70 mol%)Ø 新規性• 外部ゲル化で得た窒化物粒子をTiN母材に分散させたペレット焼結Ø 研究効果• TRUを用いた小規模ホット実証試験を目指す段階に進むことができた。

Ø 今後の課題 • 自前で試験するためフード設置型ゲル化装置の詳細仕様と、ホット実証に向けてGB設置型装置の概念• 粒子分散型ペレットについては粒子均質分散性とTiN母材密度向上のため混合方法改良

高野，岩佐他，日本原子力学会2019年秋の大会，2020年秋の大会.

4. 成果概要 (1)② 窒素15濃縮・循環精製技術開発
Ø 必要性・着眼点

6• 実燃料製造に必要な数百kg〜トン/年の15N2ガス入手性（プラント実現性）に目処をつけることがこれまでの大きな課題• 15N2ガスを経済的に循環精製利用する技術の実証

Ø 成果のハイライト
窒素循環精製システム試作機の性能評価

N2低温蒸留プラント規模・コスト評価• 安全性の観点からN2低温蒸留法が大規模プラント化に適する• 濃縮シミュレーションによりプラント規模、基本仕様を決定（蒸留塔カスケード13段、高さ70m、起動時間195日）• これに基づきコストを評価（大陽日酸の協力）

15

N濃縮度 (at%)

15

N2年産量 (kg)

200

1000

プラント設備費 (億円)

47.4

84.0

所要電力 (MW)

1.36

5.41

年間運転コスト (億円)

12.3

27.6

製品単価 (円/g)

6150

2760

COモニタA

濃縮プラントのコスト評価結果• 性能要件を定め、CO除去ユニットと窒素循環・自動供給ユニットを試作• ワンススルー系と循環精製系でDyN中の不純物酸素濃度を比較• CO除去ユニット出口での窒素中CO濃度は常にゼロppm（非常に高性能）

99

水分・酸素除去カラム

DyN中の不純物軽元素濃度←N2, N2+H2

窒化用
電気炉

ガス経路

C/Dy

ワンススルー

2.10(+40%)

循環精製
CO除去ユニット

CO除去ユニット

CO除去ユニット

15N濃縮プラント

3D-CAD画像

COモニタB

Ni系化学吸着剤
0.5mol-CO/系統×2

COモニター
A

電気炉

O
(wt%)

C
(wt%)

0.52

0.37

0.48

3.05

← 電気炉

窒素循環・自動供給

窒素循環・自動供給ユニット

冷却水循環装置（電気炉用）

試料出入用
グローブボックス（Ar雰囲気）COモニター
B

Ar循環
精製装置

電気炉制御盤Ø 新規性• 18O濃縮プラントの既存技術を基に、N2低温蒸留による大規模濃縮プラントの基本仕様とコストを詳細に評価• COを除去する窒素循環精製システムはこれまで製品化されておらず、独創的なアイデアにより初めて試作

Ø 研究効果• 15N2大規模プラントの技術的・経済的実現性と、その経済的利用技術に目処を付けられた意義は非常に大きく、今回の事業でこの分野の課題解決を格段に進めることができたØ 今後の課題• 窒素循環精製システムについては、炭素除去加熱に対応するため水素自動添加機能と、CH4/HCN吸着ユニットの付加
高野，JAEA-Review 2020-080.

窒素循環・自動供給ユニット

岩佐，高野，JAEA-Technology 2020-024.

4. 成果概要 (1)③ 焼結密度制御技術開発
Ø 必要性・着眼点

7• ZrN母材燃料について、難焼結性である窒化物に対し90%TD以上の緻密な組織を確保するための微粉砕条件• なおかつ、スエリング対策のため適切な気孔形成材を選定し85%TD程度に制御する技術開発

Ø 成果のハイライト
粉砕条件最適化（模擬燃料）

気孔形成材適用（模擬とホット試験）• 高速回転の遊星ボールミルによる微粉砕• 2種類のボール材質（WC：高比重、Si3N4：低比重）• Si3N4の方が到達密度が高く（歪み蓄積が少ない）、結晶粒径も大きい• A（ステアリン酸系）〜× 成型時にクラック• B（ポリエステル系）〜○ 酸素濃度若干増加• C（ポリエチレン系）〜○ 高融点、熱分解ガスに還元効果、密度低め• (Np,Zr)Nは焼結性が低いことを示唆

Dy0.3Zr0.7N模擬燃料

Dy0.3Zr0.7N

WC

5 µm

Si3N4, 120分粉砕

CBC

50 µm

気孔形成材C(Np,Zr)N試料粉砕

BC

Np0.3Zr0.7N

Si3N4
5 µm

100 µmWC, 90分

粉砕時間と焼結体相対密度の関係

破面組織

100 µm

B 0.6wt%添加

C 0.6wt%添加

Np0.3Zr0.7Nペレット断面組織
添加濃度と焼結体相対密度の関係Ø 新規性• 材質（比重）の異なる粉砕ボールに対して、窒化物の焼結密度への効果を定量的に明らかにした• ポリエチレン気孔形成材の熱分解ガスに炭素熱還元（不純物酸素低減）効果があることを見出した

Ø 研究効果• 焼結密度制御のための気孔形成材を選定、実証 → 今後の照射試験用燃料作製に適用可能とした

Ø 今後の課題• TRU窒化物の組成により焼結性が異なる（Npは焼結性低い）ことが示唆され、今後TRU元素の種類・組成による相違を明らかにし、適切な粉砕条件を定める• 熱伝導率への影響等の観点から、気孔形成材の適切な粒子径を見極める

高木他，NuMat2018,
日本原子力学会2018年秋の大会，2019年秋の大会, 2020年秋の大会.

4. 成果概要 (2)① 模擬窒化物燃料の液相生成温度評価（九州大学）
Ø 必要性・着眼点

8• 燃料の安全性の観点から窒化物燃料の液相生成温度の評価は必要不可欠• 液相生成温度の窒素分圧及び組成依存性評価にレーザー照射による局所溶融の技術を適用

Ø 成果のハイライト
液相生成温度の窒素分圧・組成依存性窒化物への手法適用・改良• 高純度窒素ガス最大10気圧下での測定可能（耐圧セル）• 連続レーザー及びパルスレーザー（熱衝撃緩和）、高速放射温度計・分光器を使用した非接触・高速測定システムの構築• 溶融及び固化温度は窒素分圧の上昇とともに増加• 室温での放射率をTiN > (Er,Zr)N ,> (Dy,Zr)N ≥ ZrNと評価• 放射率補正の精度は改善の余地があるが、組成と窒素分圧への依存性は妥当な傾向が得られている
3500
3000
2500
T (K) 4000
（放射率未補正）

PuN

2342 Klog(pN2/atm)

2450 K

TiN
ZrN
TiNの加熱・冷却曲線

レーザー加熱融点測定装置

NpN

TiN

2P(N2) =0.85 MPa

AmN

0-2

本研究のデータ
本研究のデータ（放射率補正後）

-4-6
2.0

2.5

UN

ZrN

ZrN
Er0.1Zr0.9N
Er0.3Zr0.7N
TiN

実線は
文献データ
3.03.5
10000/T (1/K)

4.0

液相生成温度の窒素分圧・組成依存性

Ø 新規性• Zr系窒化物及びTiNに対して、レーザー照射による局所加熱法を初めて適用するとともにシステム改良• 微小試料（φ3㎜程度、MA試料に好都合）で測定可能、耐圧試料セル、加熱・冷却曲線を1秒未満で取得可能

Ø 研究効果• 更なる精度向上を行った上でMA含有燃料への適用可能な見込み• １Fの炉心溶融進展解析のための、(U,Zr)O2を主成分とした燃料デブリの液相生成温度測定への適用

Ø 今後の課題• MA含有燃料への適用のための評価精度向上及びグローブボックス内設置方法検討• さらに先進的な放射光分析を組み合わせた液相を含む超高温相の物性評価への適用

有馬他，日本原子力学会
2018年秋の大会，2019年秋の大会,2020年秋の大会.

4. 成果概要 (2)② 被覆管候補材との高温化学両立性評価
Ø 必要性・着眼点
Ø 成果のハイライト

9• 被覆管候補材（T91フェライト鋼）と窒化物の両立性に関するデータはほとんどない• 定常運転条件（模擬FP含む）、過渡条件（追加項目）、被覆管溶融温度での(Zr,Dy)N模擬燃料ペレットとの両立性を試験

定常運転条件（500℃）• (Dy,Zr)N模擬燃料/T91直接接触の他、模擬FP化合物（CsI, Sr3N2, Mo-Ru-Rh-Pd合金）を添加した系も試験• 相互拡散や新たな合金相形成の痕跡なし

合金粒子

過渡条件（〜800℃）

被覆管溶融条件• 予期せぬ反応度挿入を想定し、過渡条件での試験も実施• 相互拡散や新たな合金相形成の痕跡なし• 事故時を想定した被覆管溶融時（>1500℃）の反応性を試験• ペレット側からの脱粒があるが、直接的な反応の痕跡なし

20 µm
100 µm

Dy0.3Zr0.7N

T91

Zr

Fe

Zr

DyCs

IMo

PdCsI

50 µm

T91 Dy0.3Zr0.7N

Zr

DyFeCr

二次電子像

二次電子像

二次電子像
元素分布像

CsIを介在した系の例（500℃-60日、He封入）

元素分布像

Mo-Ru-Rh-Pd合金添加ペレット〜白金属のPdがDyPd3を形成

元素分布像(Dy,Zr)N/T91直接接触の例（800℃-4日、He封入）(Dy,Zr)N/T91 集光加熱による溶融（Ar気流）
Zr
DyFe

Ø 新規性

• 模擬窒化物燃料とT91鋼の両立性に関して、広い温度条件での両立性データを取得

Ø 研究効果• 窒化物とT91鋼の化学的両立性が優れることから、今後の照射試験にT91鋼を被覆管に適用可能と判断• 白金属FPのPdに関して、実燃料中でもTRU-Pd系金属間化合物形成を示唆

元素分布像

Ø 今後の課題 • 化学的両立性の課題は概ねクリア、今後は機械的両立性（ペレットのスエリング対策）を主眼に取り組む
高木他，日本原子力学会2018年秋の大会.

4. 成果概要 (2)③ 蓄積He放出・スエリング挙動評価
Ø 必要性・着眼点

10• MA高含有ゆえに室温保管時のフレンケル欠陥・He蓄積が速い → 高温時のHeガススエリングと微細組織変化？
• 244Cmを添加した(Pu,Cm,Zr)Nペレットを作製、室温膨張観察と焼鈍試験により挙動基礎データ取得

Ø 成果のハイライト
焼鈍時の回復挙動

結晶格子とペレットの室温膨張• Heガススエリングが顕著な二酸化物に対し、窒化物
では室温で生成したボイドが消滅しにくいという相違• 窒化物ペレットは、格子膨張に加えてボイドスエリングが大きいことを初めて発見
Pu0.24Cm0.06Zr0.70N

1.2Δa/ao

ΔD/Do

2855 h0.6

ボイド形成

モデル式による膨張曲線（飽和値 0.49%）

0.4（飽和値 0.32%）

Pu0.95Cm0.05O20.2Δa/ao

ΔD/Do01011520 h

20304
崩壊割合 λt ×10

膨張 ΔL/Lo (%)

膨張 ΔL/Lo (%)

1.00.80.01.211092 h

ΔH/Ho

1.019630 h

0.80.640

室温保管中の結晶格子とペレット寸法変化の相関

0.0200800℃

直径・高さ

1000℃
ボイド減少

Pu0.24Cm0.06Zr0.70N
Heガスバブル化・スエリング・放出

格子0.40.217837 h

窒化物

1 µm

• 粒界バブルが見られない• 結晶粒が小さい
二酸化物

直径

格子
Pu0.95Cm0.05O2
400

600

800
1000
焼鈍温度 (K)

1200

1400

1600

焼鈍回復曲線

1 µm• 粒界バブルが顕著• 結晶粒が大きい
焼鈍後の破面組織比較Ø 新規性• MA含有窒化物ペレットの室温膨張（ボイドスエリング）と焼鈍挙動データはこれまで皆無

Ø 研究効果• 現象をモデル化して燃料ふるまい解析コードに反映することで、コードの実用性・精度向上に寄与• 燃料製造から炉心装荷までの保管期間制限、あるいは被覆管ギャップ設定の検討材料

Ø 今後の課題• 室温ボイドスエリング量の核種組成（実効崩壊定数）への依存性• 高温He放出の直接測定（拡散係数導出）
高野他，NuMat 2018, 日本原子力学会2018年秋の大会，2020年秋の大会.

(Pu,Cm)O 2のref. : M. Takano et al.,J. Nucl. Mater. 414 (2011) 174-178.

4. 成果概要 (3)① 化学溶解法による燃料処理技術開発 1/2

11

Ø 必要性・着眼点 • 新規概念である化学溶解法について、要素技術である化学溶解工程及び回収したTRUの再窒化工程に関する技術開発• 廃棄物に関する方策を含めた物質収支評価及びバッチサイズ評価により、技術的及び経済的な観点から成立性見通しを得る

Ø 成果のハイライト

化学溶解技術前処理技術• 燃料ピン模擬体剪断・ペレット粉砕試験を東芝エネルギーシステムズへの外注で実施• 模擬金属燃料ピン剪断用装置に、剪断物飛散防止用カバー等を取り付けて使用• 燃料ピン模擬体の剪断と被覆管/ペレットの分離が可能であることを示した• 剪断幅と剪断回収物サイズの相関を取得

難溶性物質からのTRU回収技術• 溶融塩100g規模の化学溶解試験• 剪断物の溶解速度向上のために、ペレットの粉砕が必要• ZrN母材燃料模擬物質の溶解において、加熱温度と酸化剤濃度を高くすることで溶解速度が向上• TRU酸化物模擬物質であるDy2O3のZrCl4による溶融塩中への溶解を確認• Np-Pd合金試料とCdCl2の固相反応(673K)によるNpCl3の生成を確認→塩浴中への溶解が可能であることを示唆
Dy溶解率：98 %

化学反応式：Dy0.4Zr0.6N+0.6CdCl2=0.4DyCl3+0.6ZrN+0.6Cd+0.2N2↑

Dy

LiCl-KCl (823K)[100 g]
ZrCl4（塩素化剤）
燃料ピン模擬体

Zr剪断後試料

重量分布(%)

100
50 Dy0.4Zr0.6Nペレット/T91管
105

剪断幅 2.5mm
5mm

10.5

LiCl-KCl [125 g]
CdCl2（塩素化剤）

10mm

Dy溶解率：
69 %>42～4

1～20.5～10.15～0.3

0.3～0.5

0.1～0.15

0.045～0.1<0.0450.1

Dy2O3の溶解挙動

粒子サイズ(mm)

剪断回収物サイズと重量分布
佐藤他，日本原子力学会2018年秋の大会.

Dy0.4Zr0.6Nの溶解挙動
佐藤他，日本原子力学会2019年秋の大会.
林他, 2020年秋の大会

NpN(Np-Pd合金の原料)

Np-Pd合金(主成分：NpPd3)

反応生成物(NpCl3+Pd-Cd)

Np-Pd合金とCdCl2の反応試験試料外観林他, 日本原子力学会2021年春の年会.

4. 成果概要 (3)① 化学溶解法による燃料処理技術開発 2/2
プロセス評価再窒化技術• Cd合金を窒素気流中で加熱する窒化反応試験(1073K)において、反応生成物を粉砕して再度窒化加熱を行うことで、不純物である残留Cd濃度を低減できることを示した• Cd-Zn系合金を原料とした場合には、中間化合物としてZnを含む金属間化合物が生成→窒化反応温度が上昇(～1173K)
Gd-Cd合金

窒化後
再加熱後窒化後試料生成物
重量(g)
3.13
2.07

Cd濃度(wt%)
25.6
0.0712• ADS用燃焼計算コードを用いて使用済窒化物燃料の組成を計算• 組成計算結果を用いて乾式再処理(MA回収率99.9％、回収MA中RE濃度5wt%)における物質収支及びバッチサイズ評価を実施、設備規模を推定• 施設規模は充分に小さく、本プロセスの成立性があると評価

再加熱後試料

使用済窒化物燃料
処理量(kg)
還元抽出段数
ゼオライト処理段数
化学溶解槽溶融塩(kg)
塩処理量(kg/日)
吸着用ゼオライト(kg/日)
ガラス結合ソーダライ
ト固化体発生量(kg)

Gd回収率（％）
9098

Gd-Cd合金を用いた窒化反応試験概要
佐藤他，日本原子力学会2018年春の年会, IPRC 2018.

使用済窒化物燃料乾式再処理プロセスのフロー図
津幡他，IPRC 2018.

3955510924.745

物質収支計算結果の例

林他, Global 2019.

Ø 新規性• 窒化物燃料の前処理技術（剪断・破砕）に関する試験• 溶融塩100g規模でのZrN母材模擬燃料の化学溶解試験• 燃焼計算コードにより評価した使用済窒化物燃料の組成を用いて物質収支評価

Ø 研究効果• 化学溶解法に関する結果を溶融塩電解法と比較し、今後の研究開発方針を定めるための重要な情報• 燃料ピン剪断・粉砕、難溶性物質の溶解、TRU還元抽出、再窒化等の技術知見は、溶融塩電解法を主工程とする乾式処理技術においても有効に活用できるØ 今後の課題• 化学溶解工程における溶解速度のさらなる向上に向けた装置や手法の改良• TRUからの発熱を考慮した機器設計• 乾式再処理技術に共通する課題である使用済塩の処理によって発生する二次廃棄物量の削減、及び廃棄体の安定性評価

4. 成果概要 (3)② 溶融塩-液体金属系還元抽出技術開発（電中研）
Ø 必要性・着眼点

13• 化学溶解工程では、使用済窒化物燃料中のTRUを溶解するために過剰量のCdCl2及びZrCl4が必要• 溶融LiCl-KCl中に残留したCdCl2及びZrCl4が、還元抽出工程に与える影響を評価

Ø 成果のハイライト
Zr4+やCd2+の共存

還元抽出における分離性能には影響を与えない

Zr4+やCd2+が共存する系における希土類（TRUの模擬） の分離係数(SFRE)
4+

Zr 共存
Cd2+共存Zr4+及びCd2+なし [ref]SFCe
111SFNd0.71
1.00.92

SFLa
2.1
2.02.67

SFGd
4.2
2.53.65

SFPr
0.89
0.86

Ceを基準としたREの分離係数 SFRE = DFRE / DFCe , DFM = CM in salt / CM in Cd[ref] M. Kurata et al., J. Nucl. Mater., 227 (1995) 110-121.

液体Cd電極によるZr及びCd電気化学的回収工程の追加を提案
使用済窒化物燃料
化学溶解工程Zr及びCdの回収工程

コーティング相Al2O3 坩堝Zr4+が共存かつ還元剤Li濃度が高いとるつぼにコーティング現象(右図)

幅広い溶融LiCl-KCl中CdCl2/ZrCl4濃度比において、Zr及びCdを電流効率約100%で回収可能であることを確認

Cl2
Cd2+ Zr4+

還元剤濃度を低く(0.6 at%-Li以下に)することで、コーティングを防止し安定に還元抽出が進行。ただし、抽出媒体の必要量増加、再窒化工程の負荷増大。

CdCl2、ZrCl4
リサイクル

200µm5mm

Zr4+が共存し還元剤濃度0.8at%-Liの場合に、Cdを装荷したるつぼ外面がCd-Zr合金でコーティングされた様子(左)及び、るつぼ断面SEM像(右)TRU3+FPm+

Cd Zr

還元抽出工程(飽和溶解度までTRUをCdに抽出)

再窒化工程

リサイクル窒化物燃料
TRU還元抽出及び再窒化工程での負担を大幅に低減可能Ø 新規性• Zr及びCd電解回収工程の付加は、CdCl2とZrCl4を過剰に添加する化学溶解法に最適化した新規かつ独創的なアイディア

Ø 研究効果• 付加プロセスは、化学溶解工程で過剰に添加したCdCl2やZrCl4を回収・リサイクルできることや再窒化工程の負荷が低減されることから、当初の基準プロセスよりも大きく優れるØ 今後の課題 • TRU等を高濃度で含む溶融塩から液体金属への還元抽出挙動のホット実証
村上他，日本原子力学会2018年秋の大会，2019年秋の大会，2020年秋の大会.

4. 成果概要 (3)③ 不活性母材廃棄物からの窒素15回収技術開発
Ø 必要性・着眼点

14• サイクル経済性の向上のために、燃料処理で発生する廃棄物である不活性母材窒化物（15Nを含む）中の窒素を再利用するとともに、不活性母材を安定な廃棄体にする手法の候補を選定する

Ø 成果のハイライト
手法の検討

ZrN母材（固溶体型）TiN母材（粒子分散型）• 不活性母材の洗浄・再利用、塩化剤による塩素化反応、または酸への溶解反応を利用する手法が有効であると評価• 塩化剤による塩素化反応、酸への溶解反応に関する小規模試験を実施• 水洗浄による酸化が顕著であることを確認• 洗浄・再利用が困難なため、化学反応による窒素の分離が必要であると評価• 塩素化反応試験により、想定温度(800℃以上)より低温で反応が起こる可能性を示唆• 空気中及び水中において十分な安定性があることを確認• 分散型燃料からのTiNの分離は、比較的容易であり、分離後の母材を洗浄し再利用する方法が有効であると評価

ZrN+2CdCl2=ZrCl4+2Cd+1/2N2↑

TiNの安定性評価試験結果

クリーム色付着物
金属光沢付着物
白色付着物

石英ガラス容器

107℃加熱TiO2沈殿生成

TiNの硝酸溶解試験時の外観

生成物Cd量、未反応ZrN量から、約60%のZrNが反応と推定

アルミナ容器雰囲気温度時間

組成式

Ar

室温

-Ti(N0.995O0.005)0.93

室温

13日間

Ti(N0.995O0.005)0.93

50℃

1日間

Ti(N0.995O0.005)0.91

室温

12日間

Ti(N0.994O0.006)0.93

50℃

1日間

Ti(N0.995O0.005)0.91

50℃

12日間

Ti(N0.995O0.005)0.91

大気水

ZrN/CdCl2反応試験（766℃、5時間）試料の外観Ø 新規性• 不活性母材窒化物の処理に関する技術開発は初の試み

Ø 研究効果• 高価な濃縮窒素15を含む不活性母材であるZrN、及びTiNについて、それぞれ、塩化剤による塩素化反応による窒素分離再利用、及び洗浄・再利用が技術的・経済的観点から可能であることを示した

Ø 今後の課題• 洗浄・再利用では、不純物の混入及び変質に関する品質の管理• 不活性母材からの窒素分離・再利用では、窒素同位体組成の確認及び必要に応じた再濃縮工程の付加

6. 全体としての今後の課題・方向性、その他
n 全体としての今後の課題・方向性• 燃料に関しては、照射試験に向けた取り組みが中心。PIEデータを得て、ふるまい解析コードと燃料設計に反映する。
• 常陽での照射を目指し、セル内機器準備を進めている。一方、海外にある照射済窒化物燃料試料の有効活用も検討中。
• 乾式処理については、化学溶解法の改善（溶解速度向上）を進めつつ、溶融塩電解法との総合的な比較・評価を行い、発生する廃棄物への対応も考慮に入れながら再処理シナリオの策定を進める。
• 原子力科学研究所NUCEFにおいて、軽水炉使用済燃料溶解液からのMA抽出分離、窒化、燃料ペレット焼結、乾式処理、再窒化、燃料への再加工からなる、小規模な一連のサイクル実証試験を予定。

n その他• 本事業で大型予算を獲得したことにより、再委託先（九大、電中研）に加えて産業界（原燃工、大陽日酸、東芝ESS）にも外注の形で参画してもらい、各社の得意な知見、技術、設備を有効に活用でき、当初の自主事業での計画よりも大幅に前倒しして研究開発を進めることができた。各社との協力関係を継続。
• 「基礎研究」から「準工学研究」へ進む技術的見通しをつける、という本事業の目標は十分に達成。
• 若手研究者のMA取り扱い経験を積むことができ、人材育成の観点からも役立った。

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