フェーズ�T［2000年度まで］

［実施概要］
　幅広く技術的選択肢の評価を行い、実用化戦略を明確にする上で必要となる判断資料を整備する。このフェーズの成果として、有望な実用化候補概念を抽出することしている。 ［フェーズ�T終了時のチェックアンドレビューのポイント］
　研究開発を継続することによって、上記候補概念が後述の開発目標に適合するものに成長し得るか否かの評価を受けた後、次の段階へ進むこととなる。

［実施概要］
　工学試験等を踏まえ、FBRサイクル全体としての最適化及び評価を行い、実用化候補概念（複数）を絞り込んで必須の研究開発テーマを特定する。
　このフェーズで必要となる研究開発項目はフェーズ�Tの成果により変わるが、研究開発項目の候補例を以下に示す。

炉心燃料：例えば、燃料材料の照射試験［高燃焼度燃料、低除染燃料、超ウラン元素（TRU）燃料、金属燃料、窒化物燃料等］等が必要と考えられる。
FBRプラントシステム：例えば、ナトリウム炉であれば抽出された概念に応じた経済性向上のための要素技術試験（合体機器モデル試験等）が、重金属炉、ガス炉であれば小型試験ループによる冷却系特性試験（伝熱流動、材料腐食等）が必要になると考えられる。
燃料サイクルシステム：システム構築の上で必須の技術、経済性向上等に著しい効果のある技術、及び、複数の候補概念に共通する技術を洗い出し、最も適切な規模による試験を実施する。例えば、乾式再処理では回収率向上方策、処理速度向上方策、廃棄物対策、保障措置等に係わる技術等、湿式再処理では遠心抽出器等の新型機器の試験、燃料製造では振動充填燃料の照射挙動評価等が必要になると考えられる。

［フェーズ�U終了時のチェックアンドレビューのポイント］
　絞り込んだ実用化候補概念（複数）について、工学的な成立見通しの評価を受けた後、次の段階へ進むこととなる。

　また、FBRの実用化を推進する上で、要素技術を統合し発電プラントとしての技術的知見と経験を蓄積することは重要である。このため、「もんじゅ」の運転で得られる発電システムとしての知見・経験は、どのような炉型のFBRに対しても重要なものである。更に、実用化に向けたプラント新技術の検証と確認等で実用化研究の一翼を担っている。したがって、早期に運転が再開されることが望まれる。

• 酸化物燃料については、経済性向上として、運転サイクルの長期化、燃焼度の向上、低除染燃料（FP等が不純物として多く混入された燃料）の適用性等について検討している。 資源の有効利用では、最大の増殖比と最短の倍増時間の評価、マイナーアクチニド核種（MA核種）を含めたTRUの燃焼能力評価を行っている。
  環境負荷低減については、長半減期のFP核種を炉心外周部等に配置して、炉内の中性子を利用して核変換し、短寿命核種に変換する方策の具体化やTRU燃焼によるMA核種の低減効果の評価等を行っている。（図3-3）
  
• 窒化物、金属燃料については、これまでに原研（日本原子力研究所）及び電中研（電力中央研究所）で進められてきた研究成果も加え、両機関と協力して、酸化物燃料と同様な検討を実施すると共に、それぞれの燃料に固有の特徴と課題を考慮した検討を実施している。
  　今後は、それぞれの燃料形態毎に炉心性能の向上と安全性との整合を図りつつ検討し、将来のFBRサイクルとして有望な燃料形態を絞り込んでいく予定である。

(a)ナトリウム冷却炉（図3-4〜3-7、表3-2）

　ナトリウム冷却炉については、沸点が高く、低圧システムであり、自然循環能力が大きい等のナトリウムの利点と、不透明で化学的に活性なナトリウムの欠点を十分認識した上で、安全性の確保を前提に検討を進めている。
　ナトリウム冷却大型炉については、「もんじゅ」をはじめとする既存プラントの経験はもとより実証炉の設計研究成果、モジュール炉の合理化方策、欧州EFR（European Fast Reactor）でのコストダウン方策等も参考にしながら、将来の軽水炉と同等の建設費（20万円/kWe）を達成しうる有望な方策を検討した。これまでに、炉心の低圧損化によるループ数の削減、免震による地震荷重低減を図り機器・配管等の簡素化、新材料の適用によるシステムのコンパクト化及び高性能炉心による長期運転サイクル化等のコストダウン方策を摘出した。さらに、2次系を削除して更なるコストダウンを可能とする革新的な蒸気発生器概念を摘出した。現在、これらの概念の成立性等を中心に検討を進めている。
中型モジュール炉では、中小型炉の特徴を生かした安全系の簡素化や、プラントの低温化（炉心出口で510℃程度）による安価な材料の適用等により、経済性を追及している。また、反射体制御方式を採用した長期運転サイクル炉心と、１次及び２次系のポンプと熱交換器の機器合体等により経済性向上を目指した概念についても検討している。
更に、将来的な技術選択肢として、高温・高電気伝導度のナトリウム冷却材の特長を生かした直接発電システム［MHD（Magnetohydrodynamics:電磁流体力学）発電及び熱電子発電システム］は、これが可能となればシステムの大幅な簡素化によるコストダウンが期待される。また、この技術は、併せて検討しているナトリウム冷却の小型炉への適用も考えられる。なお、小型炉については、他の冷却材の概念も含め後述する。

　重金属冷却炉では、冷却材として鉛又は鉛ビスマス合金を対象として検討を進めている。
　鉛は、沸点が1750℃と高く、また、水及び空気との反応性が低いことから、ナトリウム冷却で採用されている２次系が不要な簡素なシステムとできると共に、ナトリウム火災対策等を不要とできる利点を有している。また、中性子スペクトルが硬いことから、増殖比等の炉心性能は、ナトリウム冷却炉よりもやや改善できる可能性がある。
　一方、鉛の伝熱特性がナトリウムに比べて劣ることから稠密でコンパクトな炉心にできないこと、比重が大きいことから大きなポンプ駆動力が必要となること、高温鉛の構造材料等に対する防蝕技術が必要であり構造材料の耐久性が課題となること、融点が327℃と高く予熱設備による所内負荷率が増加すること、ナトリウム以上に高温かつ不透明環境下での供用期間中検査技術が必要なこと等、多くの解決すべき技術課題がある。
　鉛ビスマスについては、基本的には鉛と同じ特性で融点が124℃と低い有利性はあるが、放射性ポロニウムの生成及びビスマス資源量が限られている点が課題である。
このため、これらの解決すべき技術課題の見通しを得ると共に、日本の立地条件に適合しうるシステム概念を追求するべく、スケールメリットを生かした大型炉とモジュール効果を活用した中小型モジュール炉並びに小型炉の3種類の概念について検討を進めている。併せて、原子力潜水艦での運転実績があり鉛及び鉛ビスマス冷却炉の設計研究が進められているロシアの使用実績及び設計例等についても調査し、検討に反映することとしている。

　ガス冷却炉では、炭酸ガス冷却炉及びヘリウムガス冷却炉を対象として検討を進めている。
　ガス冷却炉の利点は、ガスが不活性で透明な冷却材であることから、２次系を削除した簡素なシステムとなり経済性を向上できる可能性があると共に、プラントの保守・補修、供用期間中検査が容易にできることである。炭酸ガス冷却炉については、英国の商用炉である改良型ガス冷却炉（AGR）の設計・運転経験と、ナトリウム冷却FBRの研究開発で得られた被覆管材料を活用できることから、高温化の限界があるものの開発課題は比較的少ない。一方、ヘリウム冷却炉については、熱輸送能力が炭酸ガスより劣ることから、燃料ピン形態では熱伝導性の良い窒化物燃料を用いる必要がある。また、再処理に課題はあるものの高温に耐える被覆粒子燃料を用いて、ガスタービン発電システムにより簡素で高温・高効率を達成する概念が考えられる。
　ガスは上記のような利点がある一方で、液体金属よりも熱輸送能力に劣るため、炉心、機器、熱交換器の大型化による物量増加の可能性があること、並びに大型PCRV（プレストレスト・コンクリート原子炉容器）の成立性等の課題がある。また、高圧システム（炭酸ガスで40気圧、ヘリウムガスで100気圧以上）となることから、増殖比を確保するため稠密化した炉心燃料の事故時冷却能力について検討する必要がある。更に、仮想的な炉心損傷時における大きな機械的エネルギー放出の回避と冷却等の影響緩和方策についても検討する必要がある。
　そのため、事故時冷却能力及び、仮想的な炉心損傷時の影響緩和方策を検討すると共に欧州の技術等をもとに大型炉、モジュール炉、小型炉の3種類のプラントシステム概念を追求している。

　水冷却炉は、沸騰水型軽水炉（72気圧、287℃）の炉心を稠密な構成にするか、あるいは、加圧水型炉（157気圧、320℃）に重水を用いることにより増殖炉となる可能性がある。また超臨界圧水（250気圧、530℃）を用いたシステムでは、直接サイクル（超臨界圧蒸気タービン）を利用でき、簡素なシステム構成の増殖炉となる可能性がある。しかしながら、水冷却炉もガス冷却炉と同様に高圧システムとなるので、事故時（配管破損時）の炉心冷却性、並びにプルトニウム含有率の高い燃料を利用するため、炉心損傷時の大きな機械的エネルギー放出の回避と冷却性等の影響緩和方策について検討する必要がある。 　そのため、これらの課題を中心に炉心性能と安全性にかかわる特性評価を開始している。超臨界圧水のシステムでは、他の水冷却炉と同様の検討に加えて、炉心燃料及び構造材料の腐食等について検討している。

　液体燃料を用いたFBR概念については、既存の研究が基礎的な段階であることから、ウラン・プルトニウムサイクルに適合する塩化物燃料を用いた溶融塩炉を中心に検討している。

　小型炉については、多目的分散電源として今後注目していく必要があると考えられる。国内向けのニーズとしては、送電ロス、送電コスト低減の観点から島嶼部への立地及び電力需要都市への近接立地等が挙げられる。さらに、投資リスクの縮小の観点も考えられる。また、国外向けのニーズ（輸出）としては、投資リスクの縮小の観点のほか、海水淡水化及び寒冷地の熱供給等が考えられる。
　これらを考慮すると、図3-12に示すような要求条件が摘出され、現在燃料交換頻度の少ない長期運転サイクル炉心、受動的安全性、核不拡散性に優れるシステム概念を中心に検討を進めている。

　酸化物燃料の湿式再処理法として「先進湿式法」を考案し、その具体化を図っている。これは従来のPUREX法を大幅に見直したもので、次の主要工程からなるものである（図3-14）。

• 抽出溶媒にTBPを用いるが、プルトニウムはウラン及びネプツニウムと分離せず、低除染係数で共回収する「簡素化PUREX法」。
• TBP以外の溶媒を用いた高レベル廃液からの「TRU回収法」
• ウラン／プルトニウムの溶解度の差を利用して溶解液中に多量に存在するウランを溶媒抽出の前段で温度を下げて固体で析出させる「晶析法」

　これによりプルトニウムは単独では回収はされず、また晶析法の併用により溶媒抽出プロセスでの処理量が削減されることから廃液発生量の低減が可能となる。上記の方法について、プロセスフロー及び物質収支の評価を行うと共に、遠心抽出器の採用等によりシステムの一層の小型化をねらった設備機器仕様の検討を進めている。
　このほか、ウラン／TRU元素回収に高性能イオン交換樹脂を用いた「イオン交換法」、新たなウラン／プルトニウム回収方法としてアミン抽出剤を用いた「アミン抽出法」及び超臨界炭酸ガスにTBP-硝酸錯体を添加した処理媒体を用いた「超臨界流体抽出法」、中和処理等によりFPを順次沈殿物として除去していく「沈殿法」等についてのシステム検討等を行っている。
　また、湿式法すなわち連続処理という従来の発想を転換し、バッチ処理システムを追求することによりプロセスの簡素化をねらった「パイプレスプラント」の概念についても検討を実施している。
　窒化物燃料に対しては、主プロセスに上述の酸化物燃料を対象とした技術が適用できる。固有の課題としては、燃料製造に用いるN-15の濃縮技術と再処理におけるその回収技術、ボンド材（ナトリウム等）の除去等の前処理技術あるいは製品の窒化物への転換技術等があり、それらに対する検討を進めている。

　�A乾式再処理

　酸化物燃料の乾式再処理として、「酸化物電解法」、「金属電解法」及び「フッ化物揮発法」の検討を行い、オリジナルのプロセスに対し、以下に示すような改良を加えたプロセスフローを考案し、より詳細な技術成立性の検討を進めている。

• 酸化物電解法では、オリジナルのRIAR法に対し、前処理に機械式脱被覆法を採用、同時電解による処理速度の向上・運転温度の低温化・塩素使用量の低減、炉特性に悪影響を及ぼす白金族FPの分離工程の追加、二酸化プルトニウムの単独沈殿をウラン・プルトニウム混合酸化物（MOX）電解共析に変更、絞り電解によるMA回収、等の改良プロセスを構築した。
• 金属電解法では、オリジナルのANL法（ウラン、プルトニウムをMAと共に回収）に対し、前処理に熱脱被覆法を採用、酸化物の塩素化溶解法の採用による塩廃棄物の削減、白金族FP分離プロセスの追加等の改良プロセスを構築した。
• フッ化物揮発法では、既往のプロセスに対し、低除染MOXとしてのプルトニウムの回収、MAの回収等の改良プロセスを構築した。

　以上のプロセスの改良点を、図3-15〜図3-17にフローと共に示す。
上記の各方式について、それぞれ物質収支の評価を行うと共に機器・配置設計等の概略検討を進めている。
　なお、窒化物燃料の乾式再処理に関しては、湿式再処理の項で述べたものと同様の固有の課題があり、原研の協力を得てシステムの検討に着手したところである。

(b)燃料製造システムの検討状況
　�@ペレット法

　PUREX法から得られる高除染の燃料原料粉をベースとした酸化物ペレット燃料製造法について、経済性向上に向けた工程簡素化の検討を進めている。具体的には、硝酸溶液混合時に燃料仕様に合わせたプルトニウム富化度調整を行い、マイクロ波加熱脱硝時にペレット成型・焼結のための粉末特性調整を行うことで、混合から造粒までの酸化物燃料粉末を取扱うプロセスを撤廃し合理化を図った「簡素化ペレット法」の開発、及びそれに基づくシステム設計を実施している。（図3-18）
　さらに、先進湿式再処理から得られる低除染の放射能強度が高い燃料を使用した酸化物ペレット燃料製造技術を確立するために、上記の簡素化ペレット法をベースに、ホットセルによる遠隔製造プラントの概念検討を進めている。（図3-18） 　窒化物ペレット燃料製造は、酸化物燃料粉末を窒化処理しペレットに成型加工するプロセスをとるので、基本的には酸化物燃料の製造プロセスに炭素熱還元/窒化プロセスを付加したものとなる。このため、この付加工程を中心に検討を行っている。

　�A振動充填法

　振動充填法で用いる燃料粒子は再処理の方法に応じてその性状が異なるため、粒子仕様に合致した振動充填条件の最適化を図る必要がある。このような特徴を踏まえて被覆管に均質に燃料を充填できるシステムの検討を行っている。（図3-19）
　先進湿式再処理法で得られる酸化物燃料粒子を振動充填する方法は、スイスのポールシェラー研究所（PSI）との共同研究等により、添加剤を加えたウラン及びプルトニウムの硝酸溶液をノズルから液滴状に落下させアンモニアと反応させて球状のゲル球を形成させ、それを洗浄乾燥の後、焙焼、還元焼結して燃料粒子を得る湿式ゲル化法の基本プロセス及び振動充填条件を開発してきた。これをベースに、サイクル施設間の燃料輸送の削減やユーティリティの共有化等による経済性向上を目指した先進湿式再処理施設と燃料製造施設を一体化したプラントシステムについて、機器・配置設計等の検討を実施している。
　乾式法で得られる酸化物燃料粒子を振動充填する方法については、各乾式再処理方式と整合をとり、以下のような点に留意しつつ、プロセスフロー、物質収支、設備機器仕様の検討を行っている。また、乾式再処理と燃料製造の一体化プラントシステムの概念検討を行っている。

• 酸化物電解法では、陰極に析出させた酸化物燃料の結晶を粉砕することによりに高密度の燃料顆粒が得られるため、それを直接振動充填燃料として使用することが可能であるが、顆粒形状が不定形であるため、その充填特性を把握する必要がある。
• 金属電解法で得られる酸化物は、充填性能の向上のために粒子形状を揃える工夫が必要であり、薬品製造の分野で実績のある転動造粒法などが候補技術となる。
• フッ化物揮発法では、流動床により直接燃料粒子を得られる特長を活かした振動充填プロセスの合理化を図っていく。

　窒化物の振動充填燃料用粒子製造の基本プロセスは、酸化物燃料プロセスに炭素熱還元/窒化プロセスを付加したものであるため、この付加工程を中心に検討を行っている。

�@	大学、研究機関、メーカー、シンクタンクその他、外部の有識者を中心とした社内技術検討会を設けることにより、多面的なコメントを受けながら調査研究を進めている。
�A	関係機関のコンセンサスを得ながら調査研究を進めるため、電気事業連合会との意見交換や、関係機関の連絡協議会（サイクル機構、電気事業者、電中研、原研）での協議を適宜行っている。
�B	成果については、国内外の学会等の場に報告する等して、透明性を確保しながら進めることとしている。
�C	また、計画や成果については、第３者の外部評価（サイクル機構の研究開発課題評価委員会）を受けることとしている。