燃料デブリの分類について

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  C.M.Allison et al, Proceedings of ICAPP 2020, 15-19 March 2020 – Abu Dhabi (UAE), Paper 20221 (2020).
  TMI-2事故でのRPV内の最終形態

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  東北大学令和5年度『軽水炉安全セミナー（原子炉廃止措置編）』から抜粋

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  須藤彩子, 事故進展を考慮した模擬燃料デブリの凝固挙動評価,平生30年度福島研究開発部門成果報告会, JAEA, 2019年2月から抜粋
  　　　　　　　　　　燃料デブリの概念図

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  　　　　　　　　燃料デブリ中のFP分布の予想の例

燃料デブリ特性の分類（従来の検討）：

平成26年度補正予算「廃炉・汚染水対策事業費補助金（燃料デブリの性状把握）[参考文献1]において、

(i) TMI-2事故の情報（最終形態、デブリ分析データ）、(ii) 1F模擬デブリ試験（BWR部材や海水成分とUO₂反応試験、１F模擬コンクリートMCCI試験）、(iii) 熱力学データベース解析等により、

RPV内とRPV外の燃料デブリ特性を整理した【表：燃料デブリのミクロ性状表、図：燃料デブリ形状の仮定】。

　このうち、燃料デブリのミクロ性状表は、燃料デブリを構成すると考えられる主要成分について、諸物性を文献調査し、リスト化した。

　燃料デブリ形状のうち、原子炉圧力容器（Reactor Pressure vessel: RPV）内の燃料デブリ（in-vessel debris）については、米国スリーマイル原子力発電所2号機（TMI-2）事故【図：TMI-2事故でのRPV内の最終形態[参考文献2]】で発生した燃料デブリの分析データに基づいて推定した。RPV外の燃料デブリ（ex-vessel debris）については、欧米各国で実施された模擬試験の結果、および、福島第一原子力発電所（1F）の模擬コンクリートと模擬デブリ（ウランとジルコニウムの混合二酸化物：(U,Zr)O₂）の反応試験の結果などから推定した。[参考文献1]

　また、燃料デブリの特徴を、様々な専門家間で共有するため、予想される化学反応メカニズムに基づいて、燃料デブリの概念図を例示した【図：燃料デブリの概念図:日本原子力研究開発機構（JAEA）での検討[参考文献3]】。併せて、照射燃料中での核分裂生成物（Fission Products: FP）のふるまいに基づいて、燃料デブリ中のFP分布の傾向を予想し整理した【表：燃料デブリ中のFP分布の予想:JAEAでの検討[参考文献1]】。

　これらの検討結果や、その他の従来知見を参照し、国内大学などで、独自に検討が進められ、様々な燃料デブリの概念図が提案されている【図：燃料デブリの概念図：東北大学での検討[参考文献4]】。

　これらは、1Fの原子炉格納容器（Primary Containment Vessel: PCV）の内部調査があまり進んでいない段階で、燃料デブリ取り出し方針を検討するための基礎知見としてまとめられたものである。したがって、デブリ取り出し工程の検討に向けて、PCV内部調査の結果や1F事故進展解析の結果を反映し、改定していく必要がある。

原子炉格納容器（PCV）内部調査の進展と炉内状況推定図：

　2017年から、1Fの1～3号機のPCV内部調査が開始され、事故炉内部の破損状態や燃料デブリの分布が少しずつあきらかになってきている[参考文献5]。

　平成26/27年度補正予算「廃炉・汚染水対策事業費補助金（総合的な炉内状況把握の高度化）[参考文献6]」において、PCV内部調査の結果、ミューオンを使った原子炉建屋の透視画像、事故時のプラントデータ、事故炉周辺で得られた様々な観測結果、1F事故シナリオ解析、様々なシビアアクシデント模擬試験の結果、等の関連知見を整理して、1Fの1～3号機の炉内状況推定図が取りまとめられた。炉内状況推定図は、東京電力により随時改定され、廃炉工程の検討に利用されている。炉内状況推定図では、廃炉工程でデブリを取り扱うことを想定したマクロな観点で、燃料デブリをいくつかのカテゴリーに分類している（例：切り株燃料集合体、粒子状デブリ、金属リッチデブリ、溶融固化物、等）。

燃料デブリ分類のアップデートについて：

　従来の燃料デブリ概念図は、燃料デブリ取り扱いのようなマクロ視点と、燃料デブリの化学的特性のようなミクロ視点が十分に整理されておらず、概念図の製作者や編集者の専門性に基づく恣意性が見られる。また、PCV内部調査や1F事故進展解析の最新情報が十分に反映されていない。

　燃料デブリの取り出しでは、多くの分野の専門家が情報を共有し、事故炉のどこをどのように調査するか、どのような燃料デブリサンプルを採集してくるか、採集したサンプルをどのように分析して必要な知見を拡充するか、得られた知見をどのように活用して燃料デブリ取り出し工程を設計するか、等の議論を進めていく必要がある。燃料デブリの分類は、このような議論に利用できるデータベースとして、拡充・精緻化していくことが望まれる。

燃料デブリ分類の精緻化の方針：

• 燃料デブリの特性や分布に影響が大きいと考えられる

　① RPV底部での、デブリ堆積～デブリ再溶融～RPV破損

　② ペデスタル内部での、デブリ移行～デブリ堆積・再溶融～コンクリートとの反応

　について、1F事故進展の最確シナリオ（2023.12時点）と、そこから推定される1～3号機での燃料デブリふるまいの特徴を整理する。

• PCV内部調査の結果や、1F事故進展解析と関連づけて、号機・領域ごとのマクロ視点で、燃料デブリをいくつかのカテゴリーに分類し、それぞれの特徴を例示する。

• 燃料デブリの分類ごとに、その形成過程に係る化学反応メカニズム（溶融・凝固・析出・成分分離など）と、そのデブリ特性への影響をまとめる。そこに含有されると推定される燃料デブリ成分と存在形態を例示し、燃料デブリ成分の特性一覧表と関連づける。

• 燃料デブリ成分の特性一覧表を、エビデンスを示しつつ整備する。

さらに、号機・領域ごとに、今後のデブリ回収や内部調査に向けて、どのようなデブリサンプルからどのような知見が得られると期待されるか、どのような知見の拡充が期待されるか、などを、炉内状況把握の精緻化の観点で検討する

従来の燃料デブリ特性リスト

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  燃料デブリ特性リスト –形状の仮定（例：in-vessel debris）- （H28 IRID事業）

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  燃料デブリ特性リスト –形状の仮定（例：ex-vessel debris）- （H28 IRID事業）

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  燃料デブリ特性リスト –ミクロ性状表- （H28 IRID事業）

参考文献：

[1] 平成26年度補正予算「廃炉・汚染水対策事業費補助金（燃料デブリの性状把握）最終報告書、2017年5月

[2] C.M. Allison et al, Proceedings of ICAPP 2020, 15-19 March 2020 – Abu Dhabi (UAE), Paper 20221 (2020).

[3] 須藤彩子, 事故進展を考慮した模擬燃料デブリの凝固挙動評価,平生30年度福島研究開発部門成果報告会, JAEA, 2019年2月

[4] 東北大学令和5年度『軽水炉安全セミナー（原子炉廃止措置編）』

[5] 東京電力　燃料デブリ取り出しの状況

[6] 平成26/27年度補正予算「廃炉・汚染水対策事業費補助金（総合的な炉内状況把握の高度化）最終報告書、2018年6月