核変換工学技術開発グループでは、 原子力発電所から排出される高レベル放射性廃棄物(HLW)に含まれる、 マイナーアクチノイド(MA)および核分裂生成物(LLFP)の 核変換処理に関する研究を行っています。

HLW処分の最も大きな問題は、 その放射性毒性が天然ウランのレベルまで低下するのに 数万年オーダーの時間を要する点が挙げられます。 また、現在、HLWは地下300mより深い安定な地層に 処分する方針となっていますが、 処分する廃棄物の量をできるだけ少なくし、 効率的に処分施設を使用することが必要です。

これらの要求に対し、当グループでは、 加速器駆動未臨界システム（ADS）を中心とした 核変換処理技術による対処方法を検討しています。

• 核変換処理
• 加速器駆動未臨界システム(ADS)
• 研究課題
  • 未臨界炉
  • 冷却材技術
  • 分離変換技術導入の効果

核変換処理

HLWには、MA, LLFPとともに、発熱の高いストロンチウムやセシウム、 白金属等の有用な元素も含まれています。 これらをその性質に応じて分離し(Partitioning)、 MA、LLFPを対象に中性子を照射し、 核分裂反応もしくは中性子捕獲反応により、 放射性毒性の弱い核種もしくは短寿命核種に変換する方法を 核変換処理(Transmutation)といいます（Fig.1）。

MA核種の核変換の場合、熱中性子（低エネルギーの中性子）より、高速中性子（高エネルギーの中性子）を利用する方が効率的です。
そこで、MAを核変換処理を行う方法としては、大きく分けて (1)高速炉(FR)による方法と (2)加速器駆動未臨界システム(ADS)による方法に分けられます。 当グループでは、大量のMAを効率的に核変換できる (2)のADSによる方法を中心に検討しています。

Fig.1 核変換処理を導入した階層型処分の概念

加速器駆動未臨界システム(ADS)

ADS (Accelerator Driven System)は、 MA燃料で構成された未臨界炉を、 強力な加速器中性子源により運転するシステムです。 ADSの特徴として、

• 反応度係数に対する制限が厳しくないので、設計上の自由度が大きい
• 臨界に保つ必要がないため、 臨界状態の高速炉に比べてMA,LLFPの装荷量を多くすることが可能
• 陽子ビームの遮断により核分裂連鎖反応が即座に停止するため、 安全設計の負担が臨界炉に比べて少ない

等が挙げられます。

現在、当グループで検討しているADS (未臨界炉心の熱出力800MW)は、 1年で約250kgのMAを核変換することが可能です。 この量は電気出力1000MW級の軽水炉約10基から1年間に排出されるMA量に相当します。

Fig.2: ADSの概念図

研究課題

ADSは未臨界炉と加速器を結合させた新しいシステムのため、 その実現には多岐にわたる研究開発が必要とされています。 研究課題は、ADSの構成要素ごとに大まかに分類すると

• 陽子加速器
• 未臨界炉
• ターゲットおよび冷却材技術

に分けられます。
当グループでは、このうち「未臨界炉」と 「ターゲットおよび冷却材技術」に関する研究を中心に行っています。

未臨界炉

未臨界炉に関する研究は、主に核設計からのアプローチを行っています。 主な内容は、以下のようなものです。

• 効率的な核変換処理を行うための炉心設計
• 出力分布の平坦化
• シビアアクシデント時の安全性評価
• 核設計に関わる核データの精度評価

冷却材技術

当グループで検討しているADSでは、 冷却材として液体鉛・ビスマス共晶合金（LBE）を想定しています。 LBEは冷却材として使用する一方で、 核破砕中性子源のためのターゲットとしても使用することを想定しています。 一方で、LBEは鋼材に対する腐食性が比較的強いため、 腐食に耐える材料の開発、 使用環境条件（温度、含有酸素濃度など）の影響に関する研究などを行っています。

分離変換技術導入の効果

上述のADSそのものに関する検討と並行して、 分離技術およびADSによる核変換が実際に核燃料サイクルに導入された場合の、 コストや廃棄物処分施設の合理化の可能性について調査を実施しています。