原子力システム研究開発事業及び原子力基礎基盤戦略研究イニシアティブ　成果報告会資料集

水素化物中性子吸収材を用いた革新的高速炉炉心の実用化研究開発

１．研究開発の背景とねらい

　我が国はエネルギー小資源国であり、エネルギーの長期的安定供給に向けて資源を節約し、かつ、エネルギー生産にともなう環境負荷が小さい技術の開発が不可欠である。この観点から、プルトニウムを有効に利用し、マイナーアクチノイドを燃焼させるための原子炉として高速炉の開発が進められている。本研究開発では、酸化物燃料を用いたナトリウム冷却高速炉の経済性向上のため、高速中性子に対して高い制御能力を持つ水素化物中性子吸収材を用いた新しい高速炉の炉心制御技術の確立を目指す。

　水素化物を用いるメリットは、材料に高速中性子の減速性能を持たせる事が出来る点である。水素化物中の水素原子密度は、水中の水素原子数密度とほぼ同じであり、減速材である水と同程度の中性子減速性能が期待できる。この性質を利用すれば、高速中性子領域では小さな中性子吸収断面積しか持たない核種でも、高速中性子を水素化物材料内で減速し、大きな中性子吸収断面積を持った核種としての特性を有するようになる。本研究開発ではこの性質を利用して新たな高速炉用制御棒（ハフニウム水素化物制御棒）を開発する [1-4] 。

　ハフニウム水素化物制御棒は、現在高速炉で通常利用されているB4C制御棒に比べて、①ヘリウムガススエリングが起こらないことおよび②核的に長寿命で有ることの２つの優位性を持っている。この特徴を生かして平成18年度−平成20年度には、文部科学省　原子力システム研究開発事業の基盤研究開発分野のテーマとして「水素化物中性子吸収材を用いた革新的高速炉炉心に関する研究開発」を実施した。この研究において、課題申請当時の「FBRサイクルの実用化戦略調査研究（FS）」で検討が進められていた熱出力3570MWt（電気出力1500MWe）のNa冷却酸化物燃料大型炉心に適用した場合の炉心の成立性を検討し、大幅なコスト削減の効果を確認した。

　また、水素化物ペレット及び内面に水素透過抑制コーティングを施した被覆管の要素開発技術を確立した（図１）。この要素技術を用いて実用化につながる水素化物ピン製作技術開発を十分に達成できる可能性が示された。図２は、高温時にハフニウム水素化物から解離する水素が被覆管内面水素透過抑制コーティングによってハフニウム水素化物ピンに閉じこめられる様子を示している。

図１　被覆管内面コーティングと水素化物ペレット

図２　ハフニウム水素化物ピンの断面

　この成果を受けて、本研究課題では、平成21年度−平成23年度の３年間に、水素化物中性子吸収材を用いた新しい高速炉の炉心制御技術を実用化するために「高速増殖炉サイクル実用化研究開発（FaCT）」で検討を進めている大型実用炉MOX 燃料炉心（以下 FaCT 炉心という）での成立性を確認するとともに制御棒の設計に必要な核特性試験データおよび照射試験データを取得する。また、水素化物ピンの製作技術を確立することを目的として研究を進めている。

２．研究開発成果

　本事業で実施した項目は、設計研究と要素技術開発の２つである。以下にそれぞれの研究開発成果を示す。

２−１．設計研究

１）FaCT 炉心へのハフニウム水素化物制御棒の適用性検討
　ハフニウム水素化物制御棒をFaCT 炉心へ適用した場合について検討した。その結果、FaCT 炉心とほぼ同等の燃焼特性、出力分布特性、反応度特性等の核特性が得られることを確認した。
２）水素化物バーナブルポイズンを用いた革新的炉心設計
　制御棒以外の水素化物の応用として、ガドリニウム含有ジルコニウム水素化物をバーナブルポイズンとして高速炉に適用した場合の燃焼反応度の低減効果について研究した。その結果、制御棒本数を削減した2.2 年炉心の成立の見通しを得た。
３）安全性評価
　FaCT炉心へのハフニウム水素化物制御棒を適用した場合の水素化物制御棒の温度挙動を評価することにより、通常運転時の健全性及び過渡事象へ与える影響を確認するために、その準備作業として安全性評価対象代表事象の選定及び安全性評価用炉心核熱特性データを収集・整理を実施した 。
４）高速炉臨界実験装置（FCA）を用いた実験
　高速炉臨界実験装置（FCA）を用いてハフニウム水素化物制御棒の制御能力に係わる核的性能の実証データを取得するための準備作業が、予定通り終了した。

２−２．要素技術開発

　ハフニウム水素化物制御棒の実用化をめざし「ペレット量産化技術開発」、「ペレット燃焼試験」、「内面コーティング被覆管量産化試験」、「ナトリウム充填試験」を実施した。

１）ペレット量産化技術開発
　ペレット量産化技術開発については、管状水素還元炉の均熱部を広くするとともに、水素を均一に供給出来る構造とすることにより水素濃度のばらつきの少ない水素化物ペレットを作成できる見通しを得た。図３はハフニウム水素化物ペレット64個を一度に水素化するための試料トレーである。写真に示されている透明のペレットは性能試験に使用した石英のダミーペレットである。

図３　ハフニウム水素化物ペレット作成用試料トレー

２）ペレット燃焼試験
　ペレット製造工程での安全性を確保するため空気中でのハフニウム水素化物ペレット燃焼挙動を把握する必要がある。空気中でのハフニウム水素化物ペレットの燃焼試験計画を策定した。
３）内面コーティング被覆管量産化試験
　水素化物ピンからの水素透過を防止するため、被覆管内面コーティングを実施し、寸法、膜厚の均一なコーティング膜が得られる見通しを得た。
４）ナトリウム充填試験
　ペレット−被覆管のギャップに熱伝導度の良いナトリウムを充填するための試験を実施した。Ｘ線液面撮影によりその充填状態を確認した。

２−３．水素化物基礎特性試験

　ハフニウム水素化物の原子炉内での挙動を把握するため次の試験を実施した。
１）水素化物の高温相状態・安定性評価試験
　ハフニウム水素化物の基礎特性試験を実施し、高温域における相状態と安定性をX 線回折試験と電子顕微鏡観察により評価した。その結果、真空中873 Kにおいては、δ相ハフニウム水素化物は高い相安定性を有することが確認できた。また、ハフニウム水素化物を作成する原材料に含まれているジルコニウム不純物のハフニウム水素化物物性値に与える影響について評価した。
２）両立性試験
　水素化物ピン内の各構成材料（内面コーティング済み被覆管、ハフニウム水素化物、ナトリウム）の高温両立性を、表面研磨した平面試料による全面密着により評価した。試験後試料の断面観察により、接触面における元素の相互移動はごく表面に限られ、両立性を有することを確認した。

２−４．水素化物照射試験

　ハフニウム水素化物ペレットのスエリング等の照射挙動を調べることを目的として、ロシア連邦国立科学センター 原子炉科学研究所（RIAR）の高速炉BOR-60 で照射試験を実施するための準備を行った。ハフニウム水素化物ペレットを、内面コーティング被覆管に装填しヘリウムガスを充填した水素化物ピン（図４）およびナトリウムを充填した水素化物ピンを国内で製作した。これをRIARへ輸送し、それを装荷した照射集合体を製作した。
　照射は計装付き照射孔において照射し、照射温度が所定の温度であることを確認した後に照射集合体を計装付き照射孔から通常の照射孔へ移動し照射を継続する予定である。
　水素化物照射試験データを解析するため照射挙動解析コードを開発した。照射キャプセルに合わせた計算モデルを作成した。内面コーティング膜の有無、及びナトリウム充填とヘリウムガス充填の２方式をオプションとして選ぶことが出来るようにした。

図４　高速炉BOR-60 で照射試験用水素化物ピン（ヘリウムボンド）

３．今後の展望

　ハフニウム水素化物制御棒の持っている、現在高速炉で通常利用されているB4C制御棒に対する優位性、①ヘリウムガススエリングが起こらないことおよび②核的に長寿命で有ることの２つを生かして「高速増殖炉サイクル実用化研究開発（FaCT）」で検討を進めているナトリウム冷却FBR炉心を対象とし、経済性に優れた制御棒の開発を目指す。
　図５に示すように、全体の研究開発を３つのフェーズに分けて計画している。フェーズ１では水素化物ペレットと内面コーティング済み被覆管の要素技術を開発した。本研究はフェーズ２に位置づけることが出来る。フェーズ２では水素化物ピンの要素技術を開発し、フェーズ３の集合体技術開発につなげる計画である。

図５　ハフニウム水素化物制御棒開発ロードマップ

４．参考文献

[1] K. Konashi and M. Yamawaki,　Utilization of Hydride Materials in Nuclear Reactors,　Advances in Science and Technology, 73(2010)51-58.

[2] Y. Tahara, T. Iwasaki and K. Konashi, ‘Development of Hydride Absorber for Fast Reactor -Evaluation of Design Method for Hydride Absorber Rod-’, J. Nucl. Sci. Technol., 47, 4(2010) 421-429.

[3] K. Konashi1, et al, ‘Study on an innovative Fast Reactor utilizing Hydride Neutron Absorber - Final Report of Phase I Study -’ , Proc. of ICAPP '10, June, May 13-17, 2010, San Diego, California, USA.

[4]日刊工業新聞2010年1月28日号 「制御棒を長寿命化−材料に金属水素化物−」