TMI-2での内部調査、デブリ取り出しの概要

TMI-2でのデブリ取り出しへの取り組み（全体まとめ）

　ここでは、米国スリーマイル原子力発電所２号機（TMI-2）事故での燃料デブリ取り出しへの取り組みについての総括レポート[1,2,3,4など]の概要、および関連する文献の概要を紹介する。事故後の圧力容器内でのデブリ堆積状態や分布については、別項目に簡潔に示したので、初めて本ページを見られる方は、その項目をご参照いただきたい。

参考：TMI-2事故炉の状態まとめ [2]

　図１に、燃料デブリ取り出しの実施計画、内部調査、取り出し作業のおよその時系列を示す（この図は、どの時期に、どのような情報に基づいて、TMI-2炉での内部調査やデブリ取り出しが進められたのかについて、様々な文献にある記述を整理しなおしたものである）。1979年3月に発生した事故の数ヶ月後に、燃料取り出しについて基本ポリシー（PEIS: Programmatic Environmental Impact Statement）が発表された。これは、建屋内立ち入り調査で得られた知見などに基づいて修正され、1981年にNUREG-0683レポートとしてとりまとめられた[5]。また、その技術的な判断根拠となる事故炉の状態予測については、1981年5月にGEND-007レポートにとりまとめられた[6]。この時点（事故後約2年経過）では、炉心は損傷しているものの、炉心中央部以外では、燃料集合体が本来形状をほぼ維持している可能性が高いという認識が主流であった。そこで、本来形状の燃料集合体一体を格納できるサイズで収納缶（キャニスター：外径35cmΦ、全長3.7m）が設計され、原子炉圧力容器内の冷却水中で収納缶内に集合体形状を維持した燃料あるいは破損した燃料を回収し、収納缶を上部に引き上げて輸送容器で遮蔽し、使用済み燃料プール内に建屋内移送して一時保管するという、Pick-and-place方式での燃料取り出しが基本概念として示された。ついで、1981～1982年頃に、この基本概念にもとづいて、複数の工法オプションについて検討が行われた。その結果、作業信頼性の観点が重視され、ロボットによる自動操作ではなく、長尺ツールを用いた遠隔手動による燃料取り出し工法が選定された。

　一方で、原子炉圧力容器の炉心部と上部ヘッドの内部の状態を観測するためQuick Look計画が進められ、1982年7月から、ビデオ、ソナー、放射線計測器、などを利用して、圧力容器上部ヘッド内と炉心上部について内部調査と付着物のサンプリングが行われた。Quick Lookにより、炉心上部では燃料が崩落して空洞が形成されていること、崩落した燃料が瓦礫状や粒子状で堆積していること（ルースデブリベッド）、炉心周辺部では燃料集合体が一部本来形状のまま残留していること、圧力容器上部ヘッドの内側の構造物には若干の付着物が見られるが、当初予想に比べて線量が低いこと、などが明らかにされた。これらのことから、圧力容器上部ヘッドの取り外しと上部構造物の解体撤去は、放射線量をモニターしつつ、空気中でクレーンで吊り上げて実施することが決定された（Dirty Lift工法）。また、圧力容器の上部構造物解体時の遮蔽、および、圧力容器内で燃料デブリを収納缶に格納するための作業スペースを設けるために、圧力容器の上部にIIF（Internals Indexing Fixture）という、高さ約2mの円環形状の遮蔽体を設置し、冷却水の水位を高めることが決定された。これらの方針に基づいて、1982～84年にかけて、圧力容器上部に作業スペースを確保するために、制御棒などを駆動するリードスクリューの取り外し、上部ヘッド吊り下げに用いるポーラークレーンの再起動試験、冷却水圧力の低下、貯蔵プールまでの輸送ルートの整備、などが進められた。並行して、Quick Lookで得られた知見を参照して燃料デブリ取り出し工法の絞り込みが進められた。また、粒子状やスラリー状の燃料デブリを格納するために燃料用の収納缶と同サイズの外形を持つ二種類の収納缶と真空吸引方式による回収システムが追加で設計された。1984年5月に、これらに基づく燃料デブリ取り出しの基本設計がNRCで承認され、同時期に約10億ドル（当時の金額）の予算計画が承認された。

　1984年7月に上部ヘッドの取り外しが行われ、1984年下期から1985年上期にかけて、炉心上部構造物の取り外しと燃料取り出しのための回転式遮蔽作業台（SWP: Shielded Working Platform）の設置が行われた。1985年7月にははじめて下部ヘッド内の調査が行われ、デブリが堆積していることが確認された。1985年10月から、上部ルースデブリの取り出しが始まったが、炉内に投入した各種のデブリ取り出しツールは油圧式であり、用いられていた作業油を介して圧力容器内に微生物が持ち込まれて繁殖し、冷却水の透明度が失われるという初期トラブルが発生した。このため、冷却水の透明度が数10cm以下となり、デブリ取り出し作業は大きく遅延した。このトラブルは、油圧の作業油を交換することと、冷却水の浄化システムを導入することで、1986年5月末までには改善され、デブリ取り出しが再開された。上部ルースデブリは、長尺ツールを用いて粒子状や瓦礫状の燃料デブリをデブリバケツ中にいったん回収し、それを収納缶の上部から投入するという方式で回収された。取り出しが進むと、炉心の周辺部に燃料デブリ同士が凝集固着している円環状の構造があることがわかってきた（燃料集合体一体分程度の幅）。これは馬蹄形リング構造と称された。冷却水の水質改善に伴って、馬蹄形リング構造の全体像が明らかになった。この知見は、事故進展の推定やコアボーリング計画の具体化に利用された。

　内部調査については、1983～84年にかけて、炉心上部空洞のソナー調査、高解像度ビデオ調査、プランジャというスチール製の探針を用いたルースデブリの深さ方向の調査、および、ルースデブリのサンプリングが行われた。これらにより、上部空洞の容積と境界、空洞周辺に残留している燃料集合体は2体を除いてほとんどが部分的に溶融しお互いに固着していること、ルースデブリの下約1mに探針が通過できない硬い層があること、などが明らかにされた。また、ルースデブリサンプルの分析により、この領域の燃料デブリ成分は５群に分類（未溶融or破損した燃料ペレット、酸化/破損したジルカロイ被覆管、溶融凝固した二酸化物：(U,Zr)O₂、金属系構造物が溶融凝固した粒子状の金属デブリ、構造材の酸化物と燃料デブリの反応物）され、それらが非均質に分布していること、一方で、瓦礫状や粒子状といった形状の分布は比較的均質であることが明らかにされた。あわせて、崩落時の燃料最高温度は>2810K（局所的に>3120K）と推定された。これは、(U,Zr)O₂二酸化物の溶融凝固層の検出、および、UO₂ペレットに一部溶融の痕跡が見られたことから推定された。一方で、本来形状を維持したペレットが多く見つかっており、崩落物のかなりの部分では燃料被覆管や制御棒と案内管などの燃料集合体部材だけが溶落し、燃料の二酸化ウランが溶融するような高温には到達していなかったと推定された（あるいは、そのような高温に到達していたとしても、極めて短い時間であったと推定された）。崩落堆積した後のルースデブリにはほとんど再溶融の痕跡が観測されなかった。これらのことから、ルースデブリベッドの崩落・堆積時の温度は平均的には高々2000Kであったと推定された。これらの新たな知見に基づく事故進展解析により、探針で検出された硬い層より下のデブリベッド内部で燃料デブリが崩壊熱で再溶融した可能性、その一部が下部プレナムに移行した可能性、炉心下部に切り株状の燃料集合体が残留している可能性、等が推定された。1985年には、炉心上部構造物撤去時にできた圧力容器槽と遮蔽体（バッフル板）の間の円環状の隙間から小型ビデオが下部プレナムに挿入され、炉心下部の支持構造より下の領域の調査が実施された。その結果、下部プレナムに燃料デブリとみられる堆積物が存在すること、炉心下部の構造物はおおむね本来形状を維持し、その上の燃料や燃料デブリを十分に支持していること、などが明らかにされた。そこで、次の段階での燃料取り出し対象領域となる、炉心下部の状態を調べるために、コアボーリング計画が進められた。

　1986年6月に、上部ルースデブリが回収された後で（この時点では、馬蹄形リング構造や周辺部の燃料集合体は一部残留）、SWP上にコアボーリング装置が設置され、1986年7月にボーリング調査が計10か所で行われた。ボーリング調査は、馬蹄形リング構造の内側について行われた。ボーリングサンプルの分析、および、ボーリング穴の側面に小型ビデオを挿入した観察により、炉心下部に堆積していた硬い層の下では、上部クラスト、溶融凝固層、下部クラスト、切り株燃料集合体という成層化構造が形成されていることが明らかにされた。また、溶融凝固層は多孔質でもろいセラミック相と金属相で形成されており金属相の体積割合が約15%であること、上部クラスト層は溶融凝固層と構成成分が類似するが金属相の体積割合が大きいこと(約25%)、下部クラスト層は上部で溶融崩落した金属成分（制御棒材、燃料集合体部材(SS、インコネル)、燃料被覆管）が、その時点での冷却水水位の直上あたりでいったん燃料棒の隙間に堆積して冷却水流路を閉塞し、さらに燃料被覆管を溶融凝固して形成されたこと、などが推定された。また、デブリサンプルの分析に基づき、上部クラスト層と溶融凝固層の事故時の最高温度は>2810K（局所的には>3120K）と推定された。これに対し、下部クラストの事故時最高温度は約<2200Kと推定された。これらのことから、クラスト層以下の燃料デブリ回収では、コアボーリング装置を改良して掘削することで、燃料デブリを破砕して収納缶に回収するという工法の変更を行った。さらに、切り株燃料集合体や炉心下部の構造物や燃料デブリの回収では、アークプラズマ装置やウォータージェット装置による切断工法を採用することとなった。これらの改良工法により、1986年下期から1988年にかけて、炉心下部の燃料デブリと構造物の取り出しが進められた。一方で、この時点までに、圧力容器内の燃料デブリの状態と事故時のふるまいはほぼ解明されたが、炉心部で形成された溶融デブリの下部プレナムへの移行経路や下部プレナムデブリの深さ方向の堆積状態はまだ未解明であった。

　炉心下部での切り株燃料集合体の取り出しが進行するにつれて、炉心を取り囲んでいるバッフル板の外側にあるコアフォーマ領域に燃料デブリが侵入しており、下部プレナムへのデブリ移行ルートになっていたことが明らかになってきた。このため、1987年10月に、バッフル板の破損開口部からファイバースコープ、小型ビデオ、放射線計測器を挿入し、コアフォーマ領域の調査が行われた。その結果、コアフォーマ領域の広範囲に約4tの燃料デブリが侵入していることが明らかにされた。そこで、炉心下部の燃料デブリと構造物を撤去した後で、同様の作業ツールを使って、コアフォーマ領域の解体と回収を行うこととされた。1990年1月には、圧力容器内での燃料デブリと構造物の回収がほぼ終了し、燃料物質の回収率は約99%と見積もられた。残りの1%は、冷却水処理系のフィルターや各種タンク類への残留、圧力容器壁に強固に付着、などと評価された。また、1987年3月に圧力容器内部の最終状態の推定図が示された。下部ヘッドについては、炉心下部の燃料デブリ取り出しの際に、内側に亀裂が観測されたため、国際協力により下部ヘッドのサンプリングと下部プレナムデブリの分析が行われた。

　TMI-2での燃料と燃料デブリの取り出しでは、内部調査や燃料デブリ取り出しのために、新たに開発した機器・設備について、様々な初期トラブルが発生した。文献[1,2,3など]には、研究開発プロジェクト向けにはまったく整備されていなかった許認可・規制の下で、トラブルに対応した経緯が記載されている。また、重要な判断ポイントで、知見・データの不足やミスリーディングな知見・データでの対応をせまられた経験も記載されている。例えば、事故炉建屋の封じ込め領域の線量は、事故直後には>10mSv/hと予想された。また、圧力容器内部の破損状態は、燃料集合体がほぼ残留しているという推定から、現在知られている最終状態よりはるかにひどい状態まで様々に予想されていた。しかし、内部調査で観測された実際の状況は、しばしばこのような予想と大きく異なっていたと報告されている。1980年の最初の建屋内立ち入り調査で、封じ込め領域の線量は1-2mSv/hであることがわかり、当初予想よりはるかに小さいレベルであることがわかった。初期に実施された除染と遮蔽作業により、それ以降の建屋作業は0.4～0.8mSv/hの環境で実施できるようになった。さらに、燃料デブリ取り出し段階では、0.1mSv/hの環境で作業できるようになった。一方で、1982年の圧力容器内部調査（Quick Look）では、得られた情報は炉心上部に限られていたにもかかわらず、その観測結果に基づいて、圧力容器内の破損状態の推定が大きく修正された。当初計画では、燃料集合体が多く残留していると推定されたため、それを格納できるサイズの収納缶が設計されたが、実際には粒子状やスラリー状のデブリが多く存在していたことから、収納缶の外形サイズを変えずに、内部構造を設計変更した２タイプの収納缶を新たに設計した（Knockout canister、Filter canister）。このように、工程を確定するまでの過程の教訓として、先進的な手法で得られる現場観測データが最も重要であることが指摘されている。一方で、機器・手法開発と現場適用のバランスの重要性、つまり、先進機器・手法による現場データ取得のためには、開発エフォート、コスト、時間、作業員の被ばくなどを消費する必要があり、実際に取得されたデータがどの程度現場の作業計画や工程に反映できるのか、というジレンマが常に存在したことが指摘されている。しかし、その一方で、判断のために本質的に必要な現場観測データというものは必ず存在していたとも記述されている。

　また、十分にわからない現場、多くの技術的課題、予算、情報公開、原子力安全に向けた情報収集ニーズが混在するプロジェクトを計画し完遂するには、最適解が見つからない状況で決断する必要があったと指摘されている。プロジェクトの方向性や運営は、燃料デブリ取り出し工程がマイルストーンに到達し圧力容器内部の理解が深まるたびにしばしば変更された。最初の数か月は、プラントを安定させるために、アドホックな対応がなされた。150の企業の代表者がオンサイトに集まり、GPU社をサポートした。次の数年間は、古典的な方法が、内部調査、除染、デブリ取り出しの計画立案などに用いられた。1985年にデブリ取り出しが開始された後、新たな課題に次々に遭遇した。重要課題の一つが冷却水の透明度不足であり、その解決にほぼ１年を要した。このような工程では、工程運営の自由度が重要であり、燃料デブリ取り出しと搬出に向けたタスクオリエントな運営組織体を再編成したことが示されている。デブリ取り出し過程で得られた知見は、細かくレポート群としてまとめられ、貴重な知財として公開されている。GENDレポートは、GPU社、EPRI、NRC、DOEの専門家が協力して作成した報告書群であり、4社の頭文字がレポート名となっている。

　なお、参考：TMI-2の内部調査とデブリ取り出しの時系列に、TMI-2事故の圧力内部調査とデブリ取り出しの主要イベントの時系列を示す。

図１　TMI-2での内部調査、デブリ取出し作業の時系列

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燃料デブリ取り出しの基本構想

燃料デブリ取り出しの基本設計

　上述した燃料デブリ取り出しの基本構想（Pick-and-place工法）に、後述するQuick Look調査での観測結果を反映して、1984年5月に燃料デブリ取り出しの基本構想が提示された[1,2]。図２に基本構想の模式図を示す[1]。基本構想は、主に以下の項目からなっていた。

① 圧力容器へのアクセスルート：　燃料輸送用に設置されていたCanalの浅瀬部分を区切り、圧力容器へのアクセスルートに使用

② IIF (Internals Indexing Fixture)：　約3.7m長の収納缶に水中でデブリを収納する作業を行うスペースを設けるため、圧力容器上部ヘッドと上部構造物を取り除いた後に、高さ2mの円環状構造物を設置し、水位をかさ上げ

③ SWP (Shielede Work Platform)：　デブリ取り出しの長尺ツールや、デブリ収納缶などを吊り下げる回転式の作業台を、IIFの上部空間に設置

④ 燃料デブリの回収と移送：　燃料デブリは、水中で収納缶に回収、上部空間で遮蔽容器にいったん収納し、貯蔵プールに移送

⑤ 収納缶の貯蔵と構外輸送：　収納缶は、建屋内の貯蔵プール（Canalの一部）にいったん貯蔵、あるいは、構内の貯蔵プール建屋に移送して貯蔵、さらに、輸送キャスクに装荷して、列車でINELに移送

　図３に、燃料デブリ取り出しシステムの概要を示す[2]。収納缶（図中(d)）は、カルーセル式のサポート（図中(c)）に複数本取り付けられている。また、カルーセルは縦方向に数か所位置を可変できるようになっていた。Quick Look調査により。粒子状やスラリー状のデブリが存在することが確認されたため、Knockout typeとFilter typeの収納缶が追加設計され、デブリを吸引するための真空吸引システム（図中(e)）が設置された。このような構成を有するSWPが1985年8月に設置され、運転開始した。図３中の記号は、それぞれ、(a)IIF、(b)SWPの支持台、(c)カルーセル、(d)収納缶、(e)真空吸引システム、(f)ジブクレーン、(g)長尺ツール、を示す。

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  図２　TMI-2炉での燃料デブリ取り出しの基本構想[1]

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  図３　TMI-2炉での燃料取り出しシステムの構成[2]

燃料デブリ回収システム

　燃料デブリ取り出しには、以下のような装置やツールが用いられた。

SWP：　図３参照。IIFの内側にはホウ酸水が注入され、冷却水水位は、本来のCanal水位より約2m上に維持された。SWPの支持構造がモーター駆動で回転することで作業プラットフォームが回転するシステムとなっている。また、キャニスターカルーセル（Canister Carousel）の周囲に３タイプの収納缶を装着し、デブリ回収時にはデブリの近くまで収納缶を下して使用する。デブリ収納後に収納缶を圧力容器外の乾式キャスク内にまで吊り上げる。デブリ取り出し作業のための複数の長尺ツールとカメラがSWPから圧力容器内に吊り下げられている。[1,14]

収納缶：　図15参照（後述）。３タイプの収納缶（Fuel canister, Knockout canister, Filter canister）が設計された。３タイプの外形寸法は同じであり、約35cm径、約3.8m長で、外管の肉厚は0.635cmであった。Fuel canisterは基本タイプであり、燃料集合体がそのまま収納できる内容積を持っている。しかし実際には、破損した燃料集合体や瓦礫状の燃料デブリが相互に固着していたりしたため、この内径では使い勝手が悪かったことが報告されている[1,2]。収納缶の内部に中性子吸収剤と可燃性ガス用の触媒が配置され、収納缶内部は希ガスで封入される構造となっている。収納缶の上部には、デブリ乾燥処理などのための各種接続ポートが取り付けられている。Knockout canisterは、140ミクロンからペレットサイズの粒子状デブリを真空吸引回収するために開発された。最大装荷量は817kgであった。Filter canisterは焼結金属フィルターを真空吸引ラインに取り付けることで、0.5ミクロンまでの微粒子デブリを回収できる設計であった。[1,15]

デブリバケツ：　収納缶に入れる前にデブリバケツ内でデブリの形状を整えることで、収納缶に入れるデブリの物量を最大化するために用いられた。また、粒子状のデブリを収納缶の入り口にまで持ち上げることにも利用された。上からデブリを入れるタイプと横からデブリを入れるタイプのデブリバケツが設計された、デブリバケツのサイズは収納缶の内径にフィットするように設計された。[1,16]

オフガスシステム、DWCS：　作業員の被ばく防止のため、SWPからIIF内に吸気し、フィルターを通して建屋外に排気するオフガスシステムと、放射線量低減と水質浄化のために、冷却水クリーンアップシステム（DWCS: Defueling Water Cleanup System）が設置された。DWCSは、圧力容器内の冷却水、および燃料輸送Canalと使用済み燃料プールの冷却水用の２系統であった。（#圧力容器内の冷却水の水質浄化は大きな課題であり、圧力容器内の冷却水用のDWCSの改良が行われた。）

長尺ツール：　燃料デブリの回収には、引っ張り、つかみ取り、切断、すくい取り、破砕などの作業が必要であり、各種長尺ツールの開発が行われた[10,14]。主なツールとして、以下が、デブリ取り出しの初期から用いられた。[1,14]

• 油圧式カットソー：　構造物やデブリを切り出し、デブリバケツや収納缶に入るような小サイズにするツール
• 油圧式チゼル：　固い物質を破砕するツール、叩く方向は垂直方向から水平方向まで可変可能で、異なるサイズの先端に交換可能
• 油圧式シュレッダー：　燃料棒とスペーサーグリッドの切断に使用するツール、SWPから冷却水中に吊り下げて使用
• マニピュレーター：　上記のツールを動作するために使用
• ウォータージェット切断システム：　水中で硬い物質を切断するために使用（研磨剤は使用する場合としない場合あり）
• ビデオカメラ：　マニピュレーターの遠隔動作のために使用

コアボーリングマシン、プラズマアークトーチ：　内部調査で上部ルースデブリの下に硬い層が存在することが明らかになったため、コアボーリングマシンを改造して、溶融凝固デブリ層を破砕する作業が行われた。このマシンは、炉心下部構造物に穴を開けたり切断するためにも使用された。炉心下部の構造物や下部プレナムデブリ、さらにコアフォーマ領域の解体用には、プラズマアークトーチが使用された。[1]

真空吸引システム：　粒子状（最大でペレットサイズ程度）およびスラリー状のデブリを回収するために、圧力容器内に真空吸引システムが設置され、1985年12月から稼働した。真空吸引システムは、SWPから吊り下げられた。吸引ノズルはフレキシブルホースにより収納缶に接続された。回収された燃料デブリは、まずKnockout canisterを通過させて粒子状の物質が回収され、ついでFilter canisterを通過させて0.5ミクロンより大きいサイズの粉末がすべて回収された。[1]

エアリフト吸引システム：　デブリベッド（炉心部のルースデブリベッド、下部プレナムルースデブリ）から、粒子状やスラリー状のデブリを約5cnほど巻き上げるために、エアリフト吸引システムが設計された。このシステムはコンプレッサー、エアリフトパイプ、Fuel canisterから構成されており、圧搾空気を吹き付けてエアリフトパイプ内に冷却水ごとデブリを吸引する方式であった。巻き上げられた燃料デブリは、エアリフトパイプの上部に接続されたFuel canister中に回収された。このシステムを用いることで、あらかじめとがった形状に切断された燃料デブリや構造物がある程度収納されているFuel canister内の充填率を上げ、燃料デブリ回収を効率化することができた。[1,17]

加圧器からの燃料取り出しステム：　加圧器からデブリ微粒子を回収するために使用された。このシステムは、水中ポンプ、Knockout canister、Filter canister、撹拌ノズルで構成されていた。DWCSにより、撹拌ノズルを通じて加圧器内に水流を注入して用いられた。あらかじめ、潜水艦型のロボットで大きい粒子を回収してから用いられた。[1,17]

OTSG（Once-through steam generatir defueling system）：　熱交換器配管からの燃料デブリ回収に使用された。真空ポンプ、真空キャニスター、HEPAフィルター、などで構成されていた。あらかじめ、長尺ツールで大きい粒子を回収してから用いられた。[1,17]

収納缶の位置決めシステム：　回転式のキャニスターカルーセルからなっており、５本のFuel canisterあるいはKnockout canisterを装着できる構造になっていた。真空吸引システムと接続されていた。燃料デブリに帰化づけるため、収納缶の高さ位置は３段階で切り替えられるようになっていた。

収納缶移送システム：　本来建屋内に取り付けられていた燃料集合体移送システムを改良して、収納缶を運搬するトロリーと遮蔽体が設けられた。移送された収納缶は、Canalの奥の水中に置かれた貯蔵ラック、あるいは、使用済み燃料貯蔵プール内の脱水ステーションに格納された。

収納缶貯蔵ラック：　11体の収納缶を貯蔵できるラックが、原子炉建屋内の輸送Canalの最奥部に設置された。252体の収納缶を貯蔵できるラックが燃料取り扱い建屋内の使用済み燃料プール内に設置された。

燃料移送システム：　本来取り付けられていた燃料集合体移送システムを改良して、いったん輸送Canalに置いた後で、原子炉建屋から燃料取り扱い建屋への収納缶の移送システムが設置された。

収納缶脱水システム：　収納缶内の可燃性ガス対策用の触媒が、収納缶内の封入ガスと効率的に接触するように、湿潤している収納缶から水分をパージするシステムが設置された。乾燥した希ガスを収納缶内に注入することでデブリの脱水が行われた。脱水システムは、圧力容器内と使用済み燃料プール内に設置された。通常の方式では、いったんSWP上に吊り上げられた収納缶内が希ガスパージで部分的に脱水された。回収した水分は圧力容器内に戻された。オフガスはオフガス処理系に送られた。貯蔵プール用の脱水システムも、放射線防護のため、プールの冷却水中に設置された。

燃料移送キャスク、構外輸送キャスク：　使用済み燃料プールから取り出した収納缶を構外輸送キャスクに運び込むために、円筒形の移送キャスクが用いられた。燃料移送キャスクは、クレーンで宙吊して移送された。構外輸送にはModel 125-Bの輸送キャスクが使用された。

燃料デブリ取り出しの進捗

　燃料デブリや構造物の取り出しは、およそ以下のように進捗した[1,2]。(図１参照)

• 1985年10月：　燃料デブリ取り出しの準備開始、収納缶位置決めシステムや長尺ツールなどを取り付け、デブリバケツ投入、回収に向けたデブリの位置調整
• 1985年11月：　初期段階のデブリ取り出し開始、上部ルースデブリを収納缶に回収、収納缶を吊り上げ、貯蔵ラックに移送
• 1986年10月：　炉心部からのデブリ取り出し開始、コアボーリングマシンにより、クラスト層以下を破砕
• 1987年3-9月：　切り株燃料集合体の取り出し
• 1988年1月-1989年3月：　炉心下部構造物と下部プレナムデブリの取り出し。コアボーリングマシン、プラズマアークトーチ、ウォータージェットなどで切断解体（#切断された構造物は、TMI-2炉の最終解体時まで使用済み燃料プールに貯蔵される予定）
• 1989年7-10月：　コアフォーマ領域の解体とデブリ取り出し、炉心上部支持構造の解体。プラズマアークトーチ、トルクレンチタイプとドリルタイプのツールを取り付けたコアボーリングマシン、回転ブラシタイプのツールなどを使用
• 1989年11月：　下部プレナムデブリの取り出し。プラズマアークトーチ、エアリフト、長尺ツール、スライドハンマー、真空吸引システムなどを使用
• 1989年12月：　圧力容器内からすべての燃料デブリ回収終了
• 1990年1月：　圧力容器内のビデオ観察とサンプル分析終了
• 1990年3月：　圧力容器内の洗浄、真空吸引、ダストや粉末状デブリの回収により、冷却水系、配管、穴、装置などの角、などに残留する燃料デブリ量を計算し、核物質の>99%を回収と評価（残留量<900kg）（#残留デブリは回収困難であったが、その再臨界可能性は、超保守的な条件での解析によって排除された。）

事故前の炉心について

　TMI-2炉は、事故発生時に、照射第一サイクルにあり、フルパワーの約97%に到達していた。炉心の平均燃焼度は3258 Mwd/t-Uであった。

　図４(a)に炉心マップを示す[28]。177体の燃料集合体が装荷され、再外周部の燃料集合体を除く139体には、制御棒、可燃性毒物棒、軸方向出力調整棒APSR（Axial Power Shaping Rod）のいずれかが、炉心上部からスパイダーとして挿入できる構造になっていた。これら３タイプのスパイダーは、炉心内に均質に分布していることがわかる。図４(b)にTMI-2で用いられていた燃料集合体の模式図を示す[28]。15x15の燃料バンドルからなり、208本の燃料棒、16本のZry製案内管（スパイダーで吊り下げられる制御棒などが挿入される）、1本の計装案内管（集合体の中央）、軸方向に8個のインコネル製スペーサーグリッド、304L製の上下端栓金具からなっている。

　スパイダーは、中央のハブにより16本の各種ロッドが吊り下げられる形状となっている。再外周の燃料集合体の２体(B12,P4)には、冷却水流量調整用のオリフィス棒を取り付けたスパイダーが挿入できるようになっていた。図４(c)にオリフィスタイプの制御棒スパイダーの模式図を示す[28]。オリフィス棒の全長は約30cmである。また、そのうち2本には、炉心立ち上げ時に使う中性子源棒が取り付けられていた。図４(d)~(f)に、他の３タイプのスパイダーの模式図をそれぞれ示す[28]。

• 可燃性毒物棒スパイダー（図４(d)）：72体の燃料集合体に取り付けられていた。長さ約3mの可燃性毒物棒では、Zry被覆管内に、95%のAl₂O₃と1%のB₄C(残り4%は不純物)からなる可燃性毒物ペレットが装荷されていた。N13集合体にだけは、ホウ化グラファイトが装荷されていた。
• 制御棒スパイダー（図４(e)）：61体の燃料集合体に取り付けられていた。長さ約3.3mの制御棒は、304L被覆管内にAg-In-Cd材が装荷されていた。事故時には炉心に全挿入されていた。
• APSRスパイダー（図４(f)）：8体の燃料集合体に取り付けられていた。長さ約90cmのAPSRは、304L被覆管内にAg-In-Cd材が装荷されていた。事故時には炉心から引き抜かれた状態であった。APSRは制御棒を短尺化したような構造をもっている。

　また、事故前の炉心物質の重量を、表１に示す[28]。

参考：Quick Look計画の概要

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  図４(a)　燃料集合体とスパイダーの組み合わせ [8]

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  図４(b)　燃料集合体模式図 [28]

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  図４(c)　オリフィススパイダー [28]

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  図４(d)　可燃性毒物棒スパイダー [28]

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  図４(e)　制御棒スパイダー [28]

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  図４(f)　軸方向出力調整棒スパイダー [28]

表１　TMI-2炉心物質の組成

炉心物質	重量（kg）	元素・核種	各炉心物質内の濃度（wt%）	燃料集合体１体 あたりの重量（kg） （#制御棒が装荷 される集合体）	炉心物質	重量（kg）	元素・核種	各炉心物質内の濃度（wt%）	燃料集合体１体 あたりの重量（kg） （#制御棒が装荷 される集合体）
燃料ペレット： UO2	94,029	U-235	2.265	531.9	スペーサーグリッド、 スプリングなど： Inconel-718	1,211	Ni	51.900	6.8
		U-238	85.882				Cr	19.000
		O	11.853				Fe	18.000
燃料棒被覆管、 可燃性毒物棒被覆管： Zry-4	23,177	Zr	97.907	125.0			Nb	5.553
		Sn	1.60				Mo	3.000
		Fe	0.225				Ti	0.800
		Cr	0.125				Al	0.600
		O	0.095				Co	0.470
制御棒被覆管、APSR被覆管、 上下端栓金具、など： SS	304L-type：676 type不明：3,960 合計：4,636	Fe	68.635	16.8			Si	0.200
		Cr	19.000				Mn	0.200
		Ni	9.000				N	0.130
		Mn	2.000				Cu	0.100
		Si	1.000		中性子吸収材： Ag-In-Cd	2,749	Ag	80.0	43.6
		N	0.130				In	15.0
		C	0.080				Cd	5.0
		Co	0.080		可燃性毒物： Al2O3-B4C	626	Al	34.33（分析値不正確）	0 可燃性毒物が装荷される 集合体のみに存在
							O	30.53（分析値不正確）
							B	27.50（分析値不正確）
							C	7.64（分析値不正確）
					可燃性毒物： Gd2O3-UO2	131.5	Gd	10.27（分析値不正確）	0 可燃性毒物が装荷される 集合体のみに存在
							U	77.72（分析値不正確）
							O	12.01（分析値不正確）
#O,C,N,Cu以外の元素について、ICPでの分析値を記載。O,C,N,Cuは理論値あるいはカタログ値を記載。可燃性毒物の組成については、ICP分析値が不正確であり、検証が必要。

内部調査、燃料取り出し作業 -Quick Look調査、上部ルースデブリの分析、収納缶の追加設計-

　原子炉圧力容器内部の損傷状況の把握は、燃料（破損燃料集合体や燃料デブリ）や構造物の取り出し方法の選定や、事故シナリオの解明に向けた重要課題であった。以下では、TMI-2事故における、原子炉圧力容器の内部調査と燃料取り出しの経緯をまとめる。また、関連情報を時系列にまとめることで、どの段階でどのような情報が得られ、それがどのようにデブリ取り出し方法の選定や事故シナリオの解明に活用されたのかを整理した。本節では、炉心上部の調査についてまとめた。図１（前述）に示した、内部調査とデブリ取り出しの経緯を参照しつつ読んでいただきたい。

Quick Look：圧力容器内部の最初の調査

　事故翌年（1980年）の6月に、建屋の換気作業が行われた。ついで7月から、建屋内の立ち入り調査と除染作業が開始された。事故から3年後（1982年）の6月には、原子炉圧力容器の内部調査が開始された。

　まず、予備調査として、通常運転時の出力平坦化のために圧力容器の上部から炉心に挿入されていたAPSR（Axiaal Power shaping rod）8本の再挿入試験が行われた[7]。事故発生時には、APSRは全長の約75%が炉心部に挿入されていた。しかし、そのうち7本は駆動できず、1本のみ駆動できたが、実際には炉心上部で燃料が溶融崩落していたため、ほとんど有用な知見を得ることができなかったと報告されている。

　ついで、1982年の7月から8月にかけて、炉心上部ヘッドに取り付けられていたCRDM（Control Rod Drive Mechanism）のリードスクリューの案内管から、炉心中央の制御棒案内管CRGT（Control Rod Guide Tube）内に、約3.2cm径、ケーブル全長約12mの小型カメラ（CCTV）を挿入し、初めての炉心内部調査が、3回に分けて行われた。図５に、事故前の圧力容器内部の模式図と、初回調査での小型カメラ侵入ルートを示す[1]。

　初回調査で、炉心上部中央に空洞があり、その下に瓦礫が堆積していることが観測された（図６(a)）。瓦礫は、主に、酸化した燃料被覆管、破砕した燃料棒やペレット、中性子毒物棒やスパイダーなどの燃料集合体部材の破損物からなっていた。堆積物中にマクロな燃料溶融の痕跡は見られなかった。初回調査では、小型カメラの視野がせまく明度不足で炉心中央部のみの情報しか得られなかったため、第2回調査では、炉心周辺部にカメラを挿入して調査が継続された。その結果、炉心周辺部にも空洞が広がり、その下に堆積物があること、堆積物中には、破損して崩落した燃料棒やほぼ無傷の燃料ペレットが見られること、などが明らかになった（図６(b)）。第3回目の調査では、探査プローブで堆積した瓦礫をつつく作業が行われ、堆積物表面から約30cmほど侵入できることがわかった。このことから、瓦礫状の堆積物はルースデブリを主に含むと推定された[8]。一方で、炉心上部の構造物には顕著なひずみや損傷は検出されなかった[8]。

図５　事故前の圧力容器内部模式図と最初の内部調査のルート[1]

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  図６(a)　最初の内部調査で見つかった炉心中央上部の堆積物[1]

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  図６(b)　同炉心周辺部で見つかった破損した燃料棒[1]

Quick Look：圧力容器上部ヘッド内部の調査

　圧力容器上部ヘッドと炉心上部構造物の取り出し工法を決定するために、1982年下期から83年下期にかけて、上部ヘッド内部の調査が行われた。1982年7月の内部調査（上述）では、上部構造物に若干の付着物があることが観測された。図７に、1982年7月の内部調査の概要について模式図を示す[2]。全面マスクと防護服の作業員による手作業で、制御棒駆動システム（CRDM: Control Rod Drive Mechanism）の案内管を利用して探査プローブをつり下ろした様子が示されている。1982年12月には上部ヘッドの内側から上部プレナム領域にかけて線量分布測定が行われた。その結果、約0.4～6Sv/hという当初の想定より約一桁低い測定値が得られた。1983年下期には、圧力容器内を減圧した後で、Underhead Characterization Studyが実施された。そこでは、上部プレナム内の線量分布の再測定、上部構造物と上部ヘッド内面の付着物のサンプリング、上部構造物のひずみや損傷状態などの目視観察、放射化したリードスクリューの上下移動試験による上部ヘッド内部での線量分布の変化の測定、などが行われた。上部格子以外の上部構造物には大きな損傷がないこと、上部格子には溶融物の付着・垂れ下がりの痕跡があり、線量は約3～7Sv/hであること、などが確認された（図８）。また、回収したサンプル分析の結果、上部格子と燃料集合体上部の接触部にあったインコネルが溶融していたことがわかり、上部格子の事故時ピーク温度が約1700Kであったと評価された。また、回収されたサンプルの一部は、事故直後に、検討課題の一つと考えられていたジルコニウム微粒子の自然発火可能性の確認試験に供試された。試験の結果、自然発火性がないことが確認された[9]。

　これらのことから、圧力容器の上部ヘッドと炉心上部構造物は、水没させずに取り外し、空中を移送して、使用済み燃料プール内に一時保管すると決定された（dry lift工法）。この工法により、1982年11月から圧力容器上部ヘッドの取り外しの準備作業が開始され、1984年7月に上部ヘッドを取り外して圧力容器を開放し、1985年3月までに炉心上部構造物の撤去が終了した。

#ジルコニウム微粒子の自然発火性について（詳細は安全評価の項目で記述）

　ジルコニウム微粉末の自然発火性については、事故直後にPEISレポート[5]で指摘され、空気中で上部ヘッドや上部構造物を取り出せるかどうかにかかわる重要課題とされた。一般的には、U,Pu,Ce,Nd,Zr,Ti等の周期表III,IV族元素の金属微粉は空中で自然発火性を有する。これは、原子力開発の初期より、再処理、燃料貯蔵、処理などの分野での課題とされていた。TMI-2事故では、Zr水素化物、Zr金属、U-Zr合金の微粉末が形成される可能性が指摘され、検討が必要とされた。NRCは、特に水素化物を重視していた[5]。仮にこれらの微粉末が事故過程で形成され、圧力ヘッド取り出しやデブリ取り出し作業中に切断面が空気中に露出されると、自然発火・発熱、さらには金属火災に至る可能性があり、その可能性を排除できるロジックの構築が必要とされた。

　水素化物形成とその酸化に関わる化学反応式は、以下のように書くことができる。

　　　Zr + 2H₂O ⇒ ZrO₂ + 2H₂ + ΔH　（ジルカロイの水蒸気酸化、水素発生、発熱）

　　　Zr + 2H₂ ⇒ ZrH₄ 　　　　　　　 （水素の一部は、中程度の温度域で、ジルカロイ中に侵入し、水素化物形成）

　　　ZrH₄ + H₂O ⇒ ZrO₂ + 3H₂ + ΔH （残留した水素化物は、高温で酸化、水素発生、発熱）

　Quick Look調査で採集された上部構造物の付着物サンプル、上部ルースデブリベッドサンプル、および、冷却水系フィルターの回収物の分析と着火・加熱試験が行われ、水素化物などの自然発火性の物質が検出されないこと、および、若干の発熱はあるが、燃焼反応が継続しないことが確認された。以降は、燃料デブリ中の金属デブリ残留にかかわる課題は、自然発火性ではなく、貯蔵時や収納缶開封時などの水素発生に関わる課題として検討されることとなった。

図７　圧力容器上部ヘッドの調査方法模式図[2]

図８　上部格子の溶融/付着物[1]

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Quick Look：上部ルースデブリのサンプリング、探針調査

　炉心上部に堆積している瓦礫状あるいは粒子状のデブリの特性、および、堆積深さと成分や形状の分布を調べるため、Reactor Core Debris Sampling計画が立案され、1983年9～10月に、6個のデブリサンプルが回収された。さらに、1984年3月に5個のサンプルが追加で採集された。図９にルースデブリサンプリング方法を模式的に示す[10]。Quick Look計画で利用されたCRDMを使ってドリル形状のツールを挿入し、ルースデブリ堆積層に２本の穴があけられ（炉心中央部、炉心中央と周辺の中間部）、ドリルタイプとスクープタイプのデブリサンプラーにより、堆積表面近くと数10cm深さのデブリがサンプリングされた。図10にスクープタイプのサンプラーの写真を示す。デブリサンプルは約33cm³の容積を持つ遮蔽付きのキャスクに収納して回収された。デブリサンプルの線量は、0.03～0.36Sv/hで、デブリ粒子のサイズは<0.6cmだった。回収されたデブリサンプルは、アイダホ国立研究所のホットラボ（INEL）に輸送され、機械的特性、微細組織、主要構成物質やFPの組成、などについて分析された。さらに一部は小分けされて、乾燥特性、FP浸出特性、Zr水素化物の自然発火性、などの確認試験に供された。分析により、デブリ粒子は５つの成分に類型化され、それぞれの特性を整理することで、デブリ取り出し方法の設計の基礎データとして利用された。また、デブリ粒度やかさ密度の分布に関するデータは、粉末・粒子デブリの真空吸引システムの設計に反映された。化学・放射化学分析では、炉心物質やFPの概略分布をU-235やCe-144に対する相対比として評価した。デブリ分析の結果、上部ルースデブリの深さ方向に、揮発性FPの濃度分布が存在し、表層近くでCs-137やI-129が濃化していることが明らかになった。一方で、Fe,Ni,Crなどのステンレス鋼やインコネルの成分、および、Zrは、事故前の炉心平均より存在割合が小さいことが示された。このことは、金属系の炉心物質が、事故時に燃料物質に比べて選択的に炉心下部に移行したことを示唆している。分析結果は文献[11,12]にまとめられている。

　また、プランジャと呼ばれる自重で回転しながら堆積物中に侵入する探針（1.3cm径のSSロッド）を炉心部に挿入し、63か所の探針調査を実施した。その結果、上部ルースデブリの内部約1m下に、プランジャが通過できない硬い層が存在していることが明らかになった。

図９　上部ルースデブリのサンプリング模式図[10]

図10　スクープタイプのデブリサンプラー[1]

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Quick Look：空洞領域のマッピング

　1982年7月の内部調査で用いられた小型カメラでは明度が不足し、炉心上部空洞全体の情報を十分に得ることができなかったため、空洞のサイズ、周辺に残留していた燃料集合体と空洞との境界の状態、燃料集合体の支持状態、上部格子の損傷状態や付着物の様子を確認する目的で、Reactor Core Topography計画が立案され、1983年8～9月に超音波ソナーによる調査が行われた。ソナーにより、約50万点の空間データを取得し、空洞のサイズ、周辺燃料集合体や上部ルースデブリと空洞の境界データ、燃料集合体の上部端栓の残留状態（特に、いくつかの燃料集合体は上部だけが残留し、上部格子からぶら下がった状態になっていること）、バッフル板に若干の歪みがあること（最大70mm）、などが明らかにされた。さらに、1983年12月にTopography modelが作成され（画像データ、アクリル模型）、上部ルースデブリと周辺燃料集合体の残留境界の位置をデータ化し、空洞容積が本来炉心容積の約26%に相当すると評価された（図11）[1,2]。さらに、1984年4月には、上部空洞内に高性能カメラを挿入し、上部ルースデブリ、周辺燃料集合体、上部格子下面の状態確認が行われ、モザイク/パノラマ写真が作成された（図12）[1,2]。

参考：Reactor Core Topography計画 [29]

　これらのデータに基づき、上部空洞とIIFによってかさ上げされた空間を冷却水で満たし、デブリ取り出しの作業スペースに利用することが決定された。また、デブリや残留燃料集合体の堆積状態から、回収の手順や取り出し治具（チゼル、シャーリング、ソー、ハンマー、バール、など）の利用方法が検討された。

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  図11　炉心上部空洞のtopography像[1]

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  図12　炉心上部空洞周辺のモザイク/パノラマ写真[1]

圧力容器内の推定状態の変遷①：炉心上部の内部調査結果を反映

　1982年7月から実施された炉心上部のQuick Look調査前後での、圧力容器内部の推定状態の変遷を、図13に示す。内部調査以前は、解析コードを用いた評価に基づき、炉心中央は損傷しているものの、燃料集合体の形状はほぼ維持されているという推定が主流であった。しかし、Quick Look調査により、炉心上部に空洞があること、そこから崩落した燃料がルースデブリベッドとして堆積していること、ルースデブリの下約60cmから100cmに硬い層があること、炉心周辺部には破損した燃料集合体が残留していること、上部格子に溶融の痕跡があること、などが観測された。それらの結果から、上部空洞の容積、崩落・堆積した上部ルースデブリの重量、炉心周辺に残留している燃料集合体の数と支持状態、硬い層の深さ位置、などが明らかになり、圧力容器内の推定図が書き換えられた。この時点では、上部ルースデブリ下の固い層より下の堆積状態、および、炉心下部の状態については情報が得られていない。

　最初の内部調査の結果に基づいて、上部ルースデブリと周辺に残留する燃料集合体を対象に、破損した燃料集合体や瓦礫状デブリを格納できる標準タイプの収納缶（Fuel Canister）の他に、ペレットサイズからmmサイズまでの粒子状デブリを格納できる収納缶（Knockout Canister）、スラリー状デブリを回収できる収納缶（Filter Canister）が設計された。また、遠隔手動方式による燃料デブリ取り出し工法が具体化された。まず原子炉圧力容器内の上部構造物を解体し、次に圧力容器の上部に、各種の取り出しツールを吊り下げる回転式の作業台を設置する。さらに作業台から吊り下げた長尺ツールで冷却水中で収納缶内に回収したデブリを、原子炉圧力容器外に取り出して移送缶で使用済み燃料プールに建屋内移送し、貯蔵ラックに一時保管した後で、輸送キャニスターに収納しなおし、アイダホ国立研究所に輸送するという工法が採用された[1,2]。

図13　Quick Look調査前後での炉内状況推定図の変化[1,2]

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上部ルースデブリの分析

　上部ルースデブリについては、炉心中央のH8集合体があった部位と炉心中間部でE9集合体があった部位について、深さ方向を変化させて11か所のデブリサンプリングが行われた（図14）[11,12]。

　物理分析の結果、採集した粒子サイズの90%が1～5mmで最大で約20mmであること、かさ密度は堆積物の上層で3.5～3.8g/cm³、下層で5.0～5.5g/cm³であることが示された。また、様々なタイプの粒子がよく混合していることが確認された。上層と下層でかさ密度が異なる原因としては、下層では、粒子サイズの小さい粉末デブリが多く混入しており、充填率が高かったためと推定された。粒子の微細組織分析により、粒子状デブリの成分は、5個のタイプに類型化された。

　　Type-I 　溶融・破砕されたペレット

　　Type-II   酸化・破砕された被覆管

　　Type-III  溶融凝固物: (U,Zr)O₂

　　Type-IV  金属材料の溶融凝固物

　　Type-V   燃料棒成分と構造材成分の酸化物混合物

　化学・放射化学分析では、Zrの>50%、SSやInconel成分の>30%が、上部ルースデブリより下方に選択的に移行していると評価された。また、中性子吸収剤として装荷されていたAgの>90%、In,Cdのほぼ100%は、上部ルースデブリ中から蒸発していたと評価された。揮発性FPのCs-137,I-129は、ルースデブリの上層でやや濃化されており、上層が揮発性FPのトラップになっていた可能性が示唆された。これらの分析結果は、収納缶の設計や、デブリ取り出しツールの設計に反映された。

#デブリサンプルの代表性について

　デブリ全体の平均的な特性を有するデブリ粒子が存在しないことから、TMI-2でも、デブリサンプルの代表性に関する議論があった。上部ルースデブリの取り出しに必要な情報は、3つのカテゴリーに区分された。まず、デブリ取り出し方法を決定するための知見・データとして、マクロな物理的特性（深さ方向/径方向のデブリ粒度分布とかさ密度、粒子の硬さや固着性）が必要とされた。デブリサンプル分析で得られた結果と、画像データを照らし合わせ、取り出しツールや収納缶の設計と運用方法に反映された。次に、デブリ取り出しの安全評価（臨界安全、取り扱い安全、線量評価、計量、など）に関わる知見・データ取得に向けて、デブリ粒子の類型化が行われた。採取されたデブリサンプルから、溶融凝固の特徴的な痕跡を有する粒子を抽出し、断面の微細組織観察が行われた。上部ルースデブリについては、結果として、29個の粒子が分析された（粒子の分析データは、上部ルースデブリの詳細分析データ参照）。これらの粒子は、上述の5個のタイプ、あるいは、複数タイプの混合物として分類され、それぞれのタイプの物理化学的な特性の範囲や、深さ方向/径方向の分布が評価された。さらに、微細組織分析の結果から、事故時のピーク温度が推定され、揮発性FPの分布との関連性が評価された。さらに、実サンプルを用いて、自然発火性や脱彗星などの模擬試験が行われた。3つめのカテゴリーとしては、サンプル分析結果と内部調査の結果に基づいて、事故進展理解と炉内状況推定図の精緻化がすすめられた。これは、次の段階でデブリ取り出し対象となる領域の推定精度の向上や、調査・取り出し方法の具体化に反映された。

図14　状ブルースデブリのサンプリング位置[11,12]

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残留燃料集合体の分析

　上部空洞の周辺部、および、上部格子に一部固着していた残留燃料集合体については、内部調査でその分布と残留状態が確認され、切り出しサンプルや付着物サンプルについて分析が行われた。分析結果については、燃料デブリの分析（特徴、経験温度）の項目に示した。事故時に、径方向/軸方向に大きな温度勾配があったこと、燃料棒や制御棒の切断・破断されている部位より下では、事故時に2000～2200Kの高温を経験していたと推定されること、下の方で残留している燃料棒でも事故時に>2000Kの高温を経験していたと推定されること、などが確認された。

デブリ収納缶の設計、Quick Lookに基づく設計変更

　デブリ取り出し開始以前には、燃料集合体をほぼそのまま収納できるFuel Canisterが設計された（1981年4月に設計終了）。Quick Look調査により、上部ルースデブリ中では、燃料集合体形状がほとんど残っておらず、瓦礫状/粒子状/スラリー状のデブリが大半であることが示された。そこで、収納缶の外形サイズを変更せず、2タイプ（Knockout Canister、Filter Canister）が追加設計された（1984年5月）。図15に、3タイプの収納缶の模式図を示す[1]。これらのうち、Fuel Canisterは、全部で286体使用された。切断した燃料集合体の一部や瓦礫状のデブリをクリッパーツールでつかんだり、デブリバケツですくって挿入した。また、デブリ充填率を高めるため、エアリフトで粒子状デブリを隙間に挿入した。Knockout Canisterは、全部で12体使用された。回収対象は、140ミクロン～ペレットサイズの粒子状デブリであり、エアリフトでデブリを巻き上げて真空吸引することで回収した。微粒子を回収するために、Filter Canisterと連結して使用された。Filter Canisterは、全部で62体使用された。0.5ミクロンメッシュの焼結金属フィルターが取り付けられていた。デブリ回収後の水は、圧力容器内に還流する設計であった。また、冷却水処理系や収納缶内の脱水系に接続できる設計となっていた。

#収納缶の設計変更について

　デブリ取り出し開始以降、収納缶については、さらなる改良案が提案されたが、この3タイプを運用することで対応するという決定がなされた。設計改良と現場適用の間には常にジレンマがあったと報告されている[1,2]。

図15　TMI-2で用いられた燃料デブリ収納缶の模式図[1]

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燃料デブリ取り出し準備

　デブリ取り出しの基本構想とQuick Look調査に基づいて、燃料取り出しに向けた圧力容器上部ヘッドと炉心上部構造物の取り外しと、作業用プラットフォームの設置が、以下の手順で進められた。

• 1982年11-12月：　圧力容器上部ヘッドからリードスクリューを取り外し
• 1983年11月-84年2月：　ポーラークレーンの再起動試験
• 1984年4月：　冷却水堰き止めのために、Canalに遮蔽板を一時設置
• 1984年6月：　圧力容器の冷却水系の減圧、圧力容器内の水位低下

• 1984年7月：　圧力容器ヘッド外側のボルトなどの構造物を取り外し、建屋の貯蔵ラックに移送
• 1984年7月：　リードスクリューを最も上に引き上げた位置でいったん固定
• 1984年7月：　圧力容器上部ヘッドの取り外し、建屋内の遮蔽された貯蔵スペースに移動

• 1984年7月：　圧力容器上部にIIF（Internals Indexing Fixture）を設置し（図16）、冷却水（ホウ酸水）水位を制御棒案内管（CRGT: Control Rod Guide Tube）が水没するまで上昇
• 1985年5月まで：　炉心上部構造物の撤去（図17）、Canalの最奥部に移送して貯蔵。その前に、Canal水位を高めるために堰き止め用のDAMを設置
• 1985年8月：　IIFの上に（SWP: Shielded Working Platform）を、IIFの周囲にSWPの支持構造物を、それぞれ設置

図16　IIFの模式図[1]

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図17　炉心上部構造物の取出し[1]

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内部調査、燃料取り出し作業 -馬蹄形リング構造と下部プレナムの調査、コアボーリング、ボーリングサンプルの分析-

　ここでは、上部ルースデブリの取り出し過程で確認された馬蹄形リング構造と、上部ルースデブリの下に堆積していたクラスト層以下のボーリング調査についてまとめた。あわせて、この段階までに実施された下部プレナム調査の経緯もまとめた。図１（前述）の、内部調査とデブリ取り出しの経緯を参照いただきたい。

下部プレナム調査　-コアボーリング以前-

　1983年までは、事故過程で、下部プレナム領域にデブリが移行したかどうか不明であった。しかし、1983年に、圧力容器槽と遮蔽体の隙間からSSTR（Solid State Track Recorder）が挿入され、下部プレナム周辺部に約1.8tの堆積物が存在すると推定された。しかし、この堆積物が燃料デブリかどうかについては当時結論が出なかった。1985年2月に、炉心上部構造物を撤去した後の隙間から、コアフォーマ領域の外側の遮蔽体と圧力容器槽の間の円環状の領域を通じて小型カメラを吊り下げ、下部プレナムの主に周辺領域の調査が行われた。その結果、下部プレナム底部に燃料デブリとみられる砂利の山のような堆積物があることが発見された。1985年3月には、圧力容器下部のインコアモニター案内管から、ガンマ線検出器を約50cm挿入し、堆積物の線量が測定された。さらに、1985年の7月と12月に、円環状領域の別なルートを通じてカメラ調査が行われた。これらの調査により、炉心支持板より下の構造物はほぼ本来構造を維持しているが、下部プレナム底部に約9～18tと推定される燃料デブリが堆積していることが確認された。また、長尺ツールで、堆積物の外周部から粒子状デブリサンプルが回収され、その一部はINELとANLで分析された。図18にボーリング調査以前の下部プレナム調査の概要を、図19にこの時点で撮影された下部プレナム堆積物の表面状態を示す[2]。

　これらの観測結果は、下部プレナム構造物と燃料デブリの切断・破砕・取り出しツールの改良に反映された。ほぼ無傷の炉心下部構造物の切断には、プラズマアークトーチが利用されることとなった。また、次に予定されていたボーリング調査で形成される穴を使って、下部プレナム堆積物の中央部分の調査を実施することとなった。

図18　上部ルースデブリ取り出し開始時点での炉内状況推定図[1,2]

図19　下部プレナム堆積物の外観[1]

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炉心上部のルースデブリ取り出しの過程で得られた知見 -馬蹄形リング構造-

　1985年11月から、上部ルースデブリと炉心上部周辺の残留燃料集合体の取り出しが進められた。取り出し開始直後から、デブリ取り出しに使用していた長尺ツールの油圧媒体によって微生物が繁殖し、冷却水の透明度が著しく低下するという不具合が発生した。これは、油圧媒体を交換することや、冷却水処理系を改良することで次第に改善され、1986年10月ごろには冷却水の透明度がほぼ回復した。一方で、冷却水の透明度が低い中での作業ではあったが、上部ルースデブリの取り出し作業中に、その外周部に、リング状に比較的硬い領域が存在していることが明らかになった（1986年3月頃）。デブリ回収の進捗に伴って、この凝集物のような構造の全体像が明らかになり、馬蹄形リング構造と称された。1986年3月から1987年2月にかけて、冷却水透明度の改善に並行して、馬蹄形リング構造周辺のビデオ撮影と探針調査が行われ、1986年6月ごろには馬蹄形リング構造の全体像が確認された[22]。図20に、1986年10月時点での炉内状況推定図を示す[12]。この時点では、圧力容器上部ヘッドと上部構造物は取り外し済みであり、炉心上部はIIFで水位がかさ上げされている。上部空洞周辺については、約40体の燃料集合体がまだ残留していた。馬蹄形リング構造は、燃料棒の下端から130～280cm高さ、炉心の方位角として120～70°（炉心全周の約5/6を覆っていたことから、馬蹄形と称された）、内径250cm、高さ約70cm、厚さ約20cmの範囲に存在していた。その下には、ほぼ無傷の燃料集合体が残留していると推定された。馬蹄形リング構造物の上部では、破損した燃料バンドルなどが、岩石に埋もれている化石のような状態で凝集・固着していた。また、馬蹄形リング構造の内表面に石畳のような外観であった。さらに、その下部では、上部クラスト層との界面が形成されていた。　図21に馬蹄形リング構造の内側表面の模式図を、図22に外観写真を示す[22]。

　馬蹄形リング構造に関する観測結果は、その部分の取り出し工法や以降のボーリング調査の計画に反映された。すなわち、ボーリング調査は、馬蹄形リング構造をかわして、その内側（炉心中央～中間部）について行われることとなった。また、事故シナリオ推定の精緻化にも馬蹄形リング構造の形状や外観に関する知見が利用された。すなわち、事故の途中過程で、馬蹄形リング構造の上端あたりでいったん上部クラスト層が形成され、ついでデブリベッドの中央で溶融プールが形成されたこと、さらに溶融プールが下部プレナムに移行する際に上部クラスト層が陥没し、周辺領域が馬蹄形リング状に残留したこと、などが推定された[22]。リング構造が途切れている部位（角度）は、後のデブリ取り出し工程で観測された溶融デブリの流出部位と整合していた。

図20　ボーリング調査直後(1986年10月時点)に改定された炉内状況推定図[12]

図21　馬蹄形リング構造の模式図（炉心上部から見た様子）[22]

図22　馬蹄形リング構造の内側表面の外観写真[22]

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コアボーリング調査

　1985年末頃には、上部クラスト層の下でデブリがいったん溶融し、特徴の異なる複数の層が凝固・成層化している可能性が高いこと、また、その一部が事故進展中に下部プレナムに移行したこと、が明らかになってきた。そこで、堆積物の状態（形態、層構造、ピーク温度、物質の相互作用、FP濃度、その他成分の混入、など）を調査し、デブリ取り出し工法の改良・具体化に資するため、Core Stratification Sample Acquisition計画が進められた[1,2]。1986年6月までに、ほぼ上部ルースデブリの回収が終了した後、SWP上にコアボーリング装置を設置し、1986年7月に最初のコアボーリングが行われた。図23に、コアボーリングの方法を模式的に示す[1]。最初のコアボーリングは、約6cm径、約2.5m長で10本実施された。そのうち炉心中央に近い5本（D8,G8,K9,K9,N5の集合体があった位置）で硬いクラスト層を貫通した。さらにそのうち3本（G8,K9,K6）では、クラスト層が上下層に成層化し、両者の間に多孔質酸化物のもろい層（溶融凝固層）が存在していることが確認された。一方、やや周辺にいとするD8とN5では、上下クラスト層が一体化しており、溶融凝固層は存在していなかった。いずれも下部クラスト層の下には切り株状の燃料集合体が残留していた。図24に、これらの貫通部位と深さ方向の堆積状態を模式的に示す[13]。多孔質領域はボーリング作業中に容易に破砕され、約80%の物質がボーリングサンプル回収物から外に流出した。また、切り株燃料領域では、残留していた燃料被覆管に金属としての延性が十分残されていたため、ボーリング作業中に変形した。ボーリングで開けた穴に小型カメラを挿入し、穴の側面を観測することで、実際の多孔質層が稠密であることや、切り株燃料集合体部分ではほとんど歪みや損傷がないことが確認された。ボーリングサンプルのうち9本と、多孔質領域の破砕サンプルをアイダホ国立研究所（INEL）に輸送し分析が行われた。[11,13]

　図25に、コアボールサンプルのうち、炉心中央で溶融凝固層を貫通したG8,K9サンプル、中間領域で上下クラスト層が一体化した領域を貫通したD8サンプル、炉心外周部で切り株燃料集合体領域のみを貫通したG12サンプルの断面モザイク写真を示す[11,13,21]。これらの分析結果から、上部クラスト、下部クラスト、溶融凝固層、切り株燃料集合体、炉心下部構造物の状態について、以下のように評価された。

• 上部クラスト層：　稠密で硬く、4.5～11.5cmの厚さで、金属相を多く含む(約25%)。平均密度は8.4g/cm³で、重量は約2.45tと推定。
• 溶融凝固層：　多孔質でもろく、ボーリング作業中に約80%が流出。その堆積範囲は、炉心中央部で約3m径、堆積厚さは炉心中央で約1.5m厚、炉心周辺で約0.3～0.6m厚。金属相の割合が少なく(<15%)、平均密度は5.5～8.8g/cm³で、重量約21.5tと推定。
• 下部クラスト層：　稠密で硬く、数cm厚さで、るつぼ形状に下に凸の構造。また、残留ペレットの隙間に溶融凝固物が堆積し、金属相の割合が多かった(約40%)。平均密度は7.3g/cm³で、重量約8.76tと推定。
• 切り株燃料集合体：　下部クラスト層の下に存在する、ほぼ無傷な燃料棒や制御棒。炉心中央で約0.6m長さ、炉心周辺部で約1.2m高さで、重量は約44.5tと推定。
• 炉心下部構造物：　ほぼ損傷がなく、本来形状を維持、数tのデブリが付着。

　さらに、推定した各層の容積や比重から、溶融凝固層とクラスト層の物量が約32.7tであると評価された。上下クラスト層の形成位置から、その内部の溶融凝固層が、炉心中央から約3m径の範囲に広がっていること、炉心中央では堆積深さが約1.5m、炉心中間領域では約0.3-0.6mであると推定された。

　これらのボーリング調査の結果を反映して、上部クラスト層～下部クラスト層にかけての燃料デブリは、ボーリングマシンの先端を改良して破砕してから回収することが決められた。1986年8月には、ボーリング装置の先端治具を交換して48本のボーリングが追加実施され、馬蹄形リング構造の内側のクラスト層以下の破砕が行われた。この段階では、破砕が十分でなかったため、1986年11月にさらに409本のボーリングを追加し、デブリ瓦礫をさらに破砕した。一方で、切り株燃料集合体や炉心下部の構造物は、アークプラズマやウォータージェットで切り出すことが決められた。この時点では、下部プレナムへのデブリ移行経路が特定されていなかったため、炉心下部のデブリ取り出し過程をビデオ撮影し、溶融デブリの下部プレナム移行経路を調査することされた。

　事故進展解析については、この時点で、堆積したデブリの一部が炉心中央で溶融プールを形成し、その一部が下部プレナムに移行したことがほぼ確定した。しかし、下部プレナムへの移行経路は不明であり、真下への移行、周辺燃料集合体を経由した移行、バッフル板を破りコアフォーマ領域を通じての移行、などの可能性が考えられていた。

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  図23　TMI-2で用いられたコアボーリング方法の概略[22]

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  図24　コアボーリング部位とデブリ体積状態[22]

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  図25　コアボーリングサンプルの断面モザイク写真[22]

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圧力容器内の推定状態の変遷②：ボーリング調査の前後

　1983年から85年にかけて実施された、上部ルースデブリの分析と探針調査、下部プレナム内部調査の結果を反映した圧力容器内部の推定状態の変遷を図26に示す。Quick Look調査で採集した上部プレナムの構造物に付着していた物質の分析により、事故時ピーク温度は700～1255Kと評価され、炉心上部の構造物は溶融するような温度を経験しなかったことが確認された。一方で、上部格子には溶融物が滴って凝固した痕跡が観測され、回収したサンプルの分析でインコネル材の溶融の痕跡が見られたことから、上部格子は事故時に1700K近くまで温度上昇していたと評価された。ソナーとビデオを使った画像マップデータに基づき、上部空洞は本来炉心に対し約26%の容積に相当すると評価された。上部ルースデブリの探針調査では、ルースデブリ表面から約1m下に硬い層があることが確認された。また、上部ルースデブリサンプルの分析により、そこに堆積している粒子状や瓦礫状のデブリの成分が5群に類型化され、それらデブリ成分の分布は非均質であるが、形状については、粒子状や瓦礫状のデブリが比較的均質に堆積していることが明らかになった。また、ルースデブリサンプル中に(U,Zr)O₂の溶融凝固相が検出されたことから、燃料崩落時のピーク温度はその融点である2810Kに達していたと推定された。さらに、一部でUO₂ペレットにも溶融の痕跡があり、局所的にはその融点である3120Kまで到達していたと評価された。一方で、上部ルースデブリ中には未溶融のペレットが多く見つかり、いったん堆積するまでの上部ルースデブリの多くの部分では、ピーク温度が2000K以下であったか、あるいは、その温度を超えていたとしても、極めて短い時間であったと推定された。また、上部ルースデブリのかさ密度は深さ方向に変化していたが、デブリ粒子の化学的な特性はあまり変化してないことが確認された。一方、圧力容器の下部については、この時点で初めて行われた下部プレナム調査により、下部ヘッド上にデブリらしき堆積物が存在していることが確認され、堆積物の容積から、その重量は約9～18tと評価された。これは炉心物質の約10～20%に相当した。その上にあった炉心下部の支持構造物にはほとんど損傷は見られなかった。また、上部ルースデブリの取り出し過程で、その外周部に馬蹄形リング構造があることが確認された。これらの知見を反映した、1986年10月時点（ボーリング調査の直後）での炉内状況推定図を図26の右図に示す[1,2,22]。

図26　ボーリング調査前後での炉内状況推定図の精緻化[1,2,22]

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コアボーリングサンプルの分析

　コアボーリングサンプルのそれぞれの領域から、数mmサイズの粒子状サンプル数個ずつを分取し、外観・物理分析、研磨断面の微細組織分析、化学・放射化学分析などが行われた。

上部クラスト、周辺クラストについて

　図27に、典型的な上部クラスト粒子（サンプルID：D8-P3）の断面金相を示す。周辺クラストの特性は上部クラストとほぼ同様であった。

• 　混合・相状態：　多孔質セラミック相と稠密金属相が混合し、相互溶解はほとんど見られない。金属相の体積割合は約25%（溶融凝固層に比べ金属リッチ）。
• 　機械的・物理的特性：　硬い。密度7.8～9.7 g/cm³
• 　主成分：　酸化物相は(U,Zr)O₂、ほぼ二酸化物だが、わずかに亜酸化状態の領域が存在。金属相は、Zr-SS-Inconel-中性子吸収剤(Ag-In-Cd)-可燃性毒物材(Al₂O₃-B₄C)由来の物質の合金。わずかに金属Uが存在。
• 　成分分布：　酸化物相はほぼ均質、金属相は様々な合金が混在し、非均質。
• 　推定されるピーク温度：　>2810K（二酸化物相に溶融の痕跡）、局所的に>3120K（UO₂に溶融の痕跡）
• 　推定される形成過程：　主要な炉心構成物質が、いったん均質な溶融状態を形成してから、凝固する過程で上部/周辺クラストを形成。クラスト形成後に、炉心上部が再加熱され、金属メルトが再溶落して流入。溶融プールの流出時に陥没。

下部クラストについて

　図28に、典型的な上部クラスト粒子（サンプルID：K9-P1）の断面金相を示す。

• 　混合・相状態：　ほぼ未溶融の燃料ペレットスタックの隙間に金属メルトが侵入し凝固。ZrのUに対する相対濃度が炉心平均より大きい。
• 　機械的・物理的特性：　稠密で硬い。密度7.0～7.6 g/cm³
• 　主成分：　残留UO₂ペレット。金属メルト(Zr-O-SS-インコネル、U金属をわずかに含む)の凝固物。中性子吸収剤(Ag-In-Cd)-可燃性毒物材(Al₂O₃-B₄C)由来の物質。
• 　成分分布：　酸化物相はほぼ均質（照射中の状態を保持）、金属相は様々な合金が混在し、非均質。
• 　推定されるピーク温度：　1300～1500K、金属メルトの溶融時に約2200K
• 　推定される形成過程：　炉心上部で溶融したZr-SS-O(-U)メルトが、冷却水水位の直上まで溶落し。燃料棒の隙間に堆積、被覆管を溶融後に凝固。可燃性毒物棒成分や制御棒被覆管とZryの相互作用による低融点金属相の形成が、金属メルト形成のきっかけとなったと推定。

溶融凝固層について

　溶融凝固層中には、主に酸化物からなる領域、主に金属からなる領域、両者が混合して存在する領域が見られた。図29に、それぞれの領域の断面金相写真を示す。

• 　混合・相状態：　多孔質セラミックからなる酸化物相領域、稠密金属相領域、混合領域が混在。このうち、多孔質領域は、ボーリング中に約80%が流出。金属相の堆積割合は、平均で約15%（比較的、溶融凝固層の周辺部に多く存在）。
• 　機械的・物理的特性：　酸化物相の密度6.9～8.8 g/cm³、金属相の密度5.5～8.8 g/cm³、混合領域の密度7.6～9.1 g/cm³、酸化物相中にはボイド、空孔が多く存在（溶融の痕跡）
• 　主成分（酸化物相）：　多孔質な(U,Zr)O₂の溶融凝固バルク相。SS-Al系酸化物の第二相。
• 　主成分（金属相）：　SS-インコネル-中性子吸収剤(Ag-In-Cd)、Zryに由来するSnなどの合金相。
• 　成分分布：　酸化物相は比較的均質。金属相は非均質。
• 　推定されるピーク温度：　>2810K、局所的に>3120K（# 溶融凝固した酸化物相中に、特有の四角い形状のUO₂粒子が析出）
• 　推定される形成過程：　主要な炉心抗生物質が、ルースデブリベッドとしていったん堆積した後に溶融し、ほぼ均質な溶融プールを形成。その一部が、下部プレナムに移行。残留したメルトは徐冷されて凝固。これらの移行・凝固過程で、デブリ体積の収縮が発生。

切り株燃料集合体について

　切り株燃料については、燃料棒3本（採集位置：D4,G8,K9）、制御棒4本（採集位置：D4,K9,N12,O7）、計装案内管1本（採集位置：G8）をサンプリングして分析を行った。図30に、切り株燃料集合体部部から回収したサンプル中の、Zry被覆管と計装案内管の断面金相をそれぞれ示す。

• 　状態：　クラスト層の下に、切り株燃料集合体が残留。炉心外周部で残留長が長く（約1.2m）、炉心中央で短かった（約0.6m）。
• 　機械的・物理的特性：　事故前の特性や形状をほぼ維持。
• 　成分分布、残留状態：　残留UO₂ペレット（被覆管との相互作用の痕跡なし）。残留燃料被覆管（被覆管外周の酸化の痕跡なし。昇温による再結晶化の痕跡なし）。残留制御棒（上端で、Ag-In-Cdがわずかに溶融した痕跡）。計装案内管（被覆管内部に金属デブリが溶落した痕跡）。
• 　推定されるピーク温度：　上端を除いて<920K、上端で>1073K。
• 　推定される形成過程：　事故時に冷却水の水位以下にあり、ほぼ無傷な状態を維持。

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  図27　上部クラストサンプルの断面金相[13]

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  図28　下部クラストサンプルの断面金相[13]

図29　溶融凝固層サンプルの断面金相[13]

図30　切り株燃料集合体中の燃料被覆管と計装管の断面金相[13]

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ボーリングサンプルの化学・放射化学分析の方法について

　ボーリングサンプルの化学・放射化学分析は、それぞれの領域（上部クラスト、溶融凝固層、など）から採集した数100mg～数10g程度の粒子状のデブリサンプルから、注目する箇所をさらに数10mg～200mg程度分取して実施した（例えば、上部クラスト層の上層、中間層、下層を分取）。デブリは硝酸に難溶性のため、Pyrosulfate fusion technique（硫酸塩を用いた溶融法）を用いて、デブリ成分をいったん硫酸基に変化させてから、酸溶融して実施した。また、燃料デブリサンプル中には、濃度範囲が大きく異なった元素（数桁以上の濃度差）が混在していると考えられるため、主要な炉心構成物質15元素について事故前の炉心平均組成をとりまとめ、分析結果はこれらの元素比の変化として整理された。表２に、主要15元素について、事故前のTMI-2炉心の平均組成を示す。核燃料であるU、燃料被覆管主成分のZr、制御棒や燃料集合体部材に用いられているFe,Cr,Ni、中性子吸収剤成分のAg,In,Cd、ジルカロイ被覆管やSSにマイナー成分として含有されるSn,Mn,Nb、可燃性毒物棒の成分であるAl,B,Gd、については、炉心平均での組成が0.01wt%を超えており、これらを主要元素として、分析データが整理された。酸素は主要元素であるが、事故進展中に金属成分が酸化するために次第に存在量が増加する。そこで、表１では、事故時の酸化度上昇分を除いた値（すなわり、UとAlの酸化物の理論重量からの寄与分）として記載している。

　化学分析には、ICPが用いられた（#ICP-MSではない）。測定したサンプルごとに、分析で得られた各元素の濃度について、U/Zr比、U/Fe比、Fe/Ni/Cr比、Zr/Sn比、Ag/In/Cd比、U/Gd比などで整理された。

• U/Zr比：燃料と被覆管の相互溶解度の指標
• U/Fe比：燃料と制御棒などの構造材との相互溶解度の指標
• Fe/Ni/Cr比：SSやインコネルの酸化度の指標。これら元素とUやZrとの親和性の違いの指標
• Zr/Sn比：燃料被覆管の酸化度の指標
• Ag/In/Cd比：中性子吸収剤の蒸発度の指標
• U/Gd比：燃料デブリの溶解度の均質性や広がりの指標

　放射化学分析では、主にFPを対象として、主にガンマ線計測が用いられた。多種多様なFPをすべて定量測定することは効率的でないため、参考文献[23]で提示された揮発性の区分に基づいて、FPを高揮発性、中揮発性、低揮発性の3群に分類し、それぞれから代表的な7核種を選定して、定量評価を行った。表３に、揮発性の分類とTMI-2サンプル分析で選定された分析対象核種を示す。FP分析でも、核種ごとに数桁以上異なる分析結果が得られると考えられるため、U-235あるいは、Ce-144に対する比として、分析結果が整理されている。また、事故直後の炉心平均組成として、ORIGEN-IIの計算結果を補正して用いている。これは、内部調査により、炉心最外周の燃料集合体は、あまり溶解していないことが明らかになったため、そこからの寄与分を除いた評価としたためである。なお、I-129とCs-137は高揮発性の重要核種として（特にCs-137は重要線源として）、Sr-90は中揮発性の重要核種および線源として選定された。Sb-125とRu-106は中揮発性であり、デブリの酸化度に応じて蒸発傾向が変わると推定されたことから選定された。Eu-154はUに帯同し、燃料度評価の指標に利用できる低揮発性FPとして検討されたが、分析結果により、ある程度蒸発していることが明らかになった。Ce-144は低揮発性物質としてUに帯同していると推定された。 .

表２　事故前のTMI-2炉心の主要構成元素の組成（wt%）

元素	由来	平均組成（wt%）	元素	由来	平均組成（wt%）
U	核燃料	65.8	Ag	中性子吸収剤	1.8
Zr	ジルカロイ被覆管	18.0	In		0.3
Sn		0.3	Cd		0.1
Fe	SS部材、インコネル部材	3.0	Al	可燃性毒物	0.2
Cr		1.0	B		0.1
Ni		0.9	Gd		0.01
O	UO2, Al2O3として評価	8.5	Mn	金属部材のマイナー成分	0.08
			Nb		0.04

表３　揮発性の分類と選定した分析対象核種

揮発性の区分	元素群	分析対象核種
高揮発性	希ガス、ハロゲン、Se,Te	I-129、Cs-137
中揮発性	沸点がUO2の融点(<3120K)以下の物質 アルカリ土類、希土類/遷移金属の一部 Am,Cm #ただし、Ru,Moは酸化度により揮発性が大きく変化	Sr-90、Sb-125、Ru-106、Eu-154
低揮発性	U,Np,Pu、希土類の一部、貴金属	Ce-144

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内部調査、燃料取り出し作業 -下部プレナムデブリの分析、炉心部と下部プレナムからのデブリ取り出し、炉心下部構造物とコアフォーマ領域の解体、下部ヘッド破損状態の調査-

　ここでは、下部プレナムに堆積していたデブリ（ルースデブリ、ハードデブリ）の分析、炉心下部と下部プレナムからの燃料デブリ取り出しによって明らかになったデブリ移行経路と圧力容器底部の破損状態、さらに、炉心下部構造物とコアフォーマ領域の調査と解体において得られた知見を整理した。図１（前述）の、内部調査とデブリ取り出しの経緯を参照いただきたい。

下部プレナムルースデブリのサンプリング

　1985年7月と12月に実施された下部プレナム調査（上述）では、炉心外周の熱遮蔽板の外側の幅約25cmの円環状の領域に、炉心上部から長尺ツールを挿入して、下部プレナム堆積物（主に外周部）の画像撮影とサンプリングを行った。サンプリングは下部プレナム外周部に堆積していた粒子状デブリの上層部分について行われ、16個の粒子を採集した。そのうち8個を、INELとANLに輸送して分析を行った。8個の粒子は、輸送中に11個に分離していた。図31に、採集したルースデブリ粒子の外観写真を示す[24]。それぞれ1～6mmのサイズであり、重量は数g～最大500gであった。サンプルIDとして、7-1,7-6,7-7,11-1,11-2,11-4,11-5,11-6,11-7,11-10,11-11と名付けられた。7と11は長尺ツールを挿入したポートの番号である。これらのサンプルを切断、小分けして、微細組織分析、化学・放射化学分析、圧縮模擬試験などが行われた。下部プレナム堆積デブリのうち、表層側の粒子状の物質が多い部分を、下部プレナム"ルース"デブリ、あるいは、下部ヘッド"ルース"デブリと称している。

図31　下部プレナムルースデブリの外観と分割[24]

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下部プレナムルースデブリの分析

　下部プレナム"ルース"デブリの分析結果をまとめる[24,25]。図32に、ルースデブリ粒子の断面金相と拡大BSIを示す。

• 外観：　多孔質で空孔が多い。金属系のデブリはわずかにしか存在していない。
• 比重：　6.6～8.3（平均7.1）g/cm³
• 空孔率：　8～30（平均25）%
• 成分：　溶融凝固した(U,Zr)O₂相（バルク相）、SS-Alの酸化物相（第二相を形成、あるいはバルク相の結晶粒界に析出）。バルク相の空孔内に、わずかに金属析出物（Ag,Ni,Sn,Ru）。#炉心部の溶融凝固層と異なり、Zr,Fe,Cr,Al成分がほぼすべて酸化し、金属相にはNiなどがわずかに存在していた。
• 組成・分布：　比較的均質な組成で、平均62～72U-11～16Zr（wt%）、残りはSS成分と酸素。#事故前の炉心平均に比べZrやSS濃度が小さい。
• 事故時のピーク温度：　>2810K、局所的に3120K近くに到達。#(U,Zr)O₂は溶融の痕跡、一部UO₂が融点直下の痕跡あり。
• FP分布：　サンプル平均の分析値として、初期の炉心平均組成に対し、Cs-137の13%、I-129の3%が、主に空孔内に残留。Sb-125の2.5%、Ru-106の6%が、金属デブリ中に選択的に残留していた。
• 同位体比：　U-235の富化度は、炉心最外周の集合体を除いたORIGEN-IIの計算結果に近い。#下部プレナムルースデブリは、燃料集合体が均質に溶融してから形成されたと推定される。
• 切断、圧縮試験：　ダイアモンドソーで切断可能なことを確認。圧縮横領111MPaと測定。
• 事故時のふるまいの推定：　炉心部で形成された溶融プールが、下部プレナムに短時間で移行し、凝固。炉心部での溶融プール形成過程で、金属溶融物やSb,Ruがクラスト層に選択的に移行。溶融プールの下部プレナムへの移行過程で、デブリの酸化度が上昇、デブリ凝固過程で低融点の酸化物第２相が液相中に濃化し、凝固したバルク相と共に広い温度範囲で固液混合状態を形成。これが、デブリと圧力容器壁との接触性が低下し、伝熱に影響した可能性が示唆。一方で、揮発性FPが空孔内にかなり保持され、当初推定より、揮発性FPの保持率が高い。

図32　下部プレナム"ルース"デブリ粒子の断面金相と拡大BSI[25]

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圧力容器内の推定状態の変遷③：デブリ移行経路の推定

　コアボーリング調査前には、図33左図のように、上部クラスト層の下の堆積・成層化状態が確定しておらず、また、溶融プールの下部プレナムへの移行について、いくつかのルートが推定され、不確かさが大きかった。ボーリング調査と下部プレナム調査、採集したデブリサンプルの分析により、炉内状況推定図が図33右図のようにアップデートされた。この時点での炉内状況推定図は、後で示す最終形態にかなり近いが、まだ、下部プレナムへのデブリ移行経路と下部プレナムでのデブリ分布についての不確かさが残されていた。下部プレナムへの移行経路としては、炉心中央部のコアボーリングサンプルで下部クラスト層に大きな破損の痕跡が見られなかったことから、炉心周辺部の燃料集合体の隙間を通じて移行した可能性が高いと考えられた。この時点では、露出していたバッフル板に大きな歪みや破損が見られなかったことから、コアフォーマ領域へのデブリ侵入の可能性は低いと推定されていた。デブリ移行経路については、切り株燃料集合体の取り出し作業をビデオ録画することで、移行箇所を特定することとされた。また、下部プレナムに堆積したデブリは、表層のルースデブリの下に固着したハードデブリが存在していることが明らかになったが、この時点ではｔ、ハードデブリの特性とハードデブリによる圧力容器内壁や計装管の損傷程度は未解明であった。

図33　ボーリング調査前後での溶融凝固層からのデブリ移行経路の推定の違い[1,2]

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炉心部からの燃料デブリ取り出し

　本節では、炉心部からの燃料デブリ取り出しの経緯をまとめる。1985年10月に、SWPから、収納缶位置決めシステム（Canister Positioning System: CPS）などのデブリ取り出しツールを吊り下げ、回転式カルーセルに最初のデブリ収納缶を取り付け、位置決めを行った。1985年11月から、上部ルースデブリと炉心上部周辺領域の破損燃料集合体の取り出しが開始された。デブリの解体・小分けには各種のツールが用いられた。上部ルースデブリは、いったんデブリバケツに収納した後に、デブリバケツを引き上げてデブリ収納缶内に装荷した。収納缶は、圧力容器の上部の遮蔽付き輸送装置内に引き上げ、彫像プール内の貯蔵ラックに移送し、格納した。

　上部ルースデブリの取り出し進捗に並行して、作業過程ののビデオ撮影（1986年3月～1987年2月）と探針調査が行われた。その結果、上部ルースデブリの堆積厚さが約1mでその下に硬い層が存在すること、上部ルースデブリの周辺に馬蹄形リング構造が存在すること、などが明らかになった。馬蹄形リング構造の全体像は、水質の改善とともに1986年6月に確認された。水質の悪化は、長尺ツールの油圧媒体による微生物繁殖が主な原因であり、油圧媒体の変更と、過酸化水素水を投入して、微細物を絶滅させる対策がとられた。また、フィルター側にも粉末凝固剤とプレコートフィードでの対策が施された。

　1986年7月に、最初のコアボーリング調査が10本実施された。また、馬蹄形リング構造の内側の固い層については、ボーリング装置を利用してデブリの破砕作業が2回に分けて行われた。1回目は、1986年8月に48本のボーリングで実施され、2回目は1986年11月に409本のボーリングで実施された。これらの作業により、クラスト層以下の硬いデブリ層が、収納缶内に回収できるようなサイズになった。並行して、1986年11月ごろまでに、馬蹄形リング構造の破砕・解体と回収が進められた。粒子化された炉心中央～下部の燃料デブリの取り出しは、1986年12月～1987年2月にかけて行われた。デブリ破砕と回収作業にともない、一部のデブリが下部プレナムまで崩落した。

　1987年3月～9月にかけて、破砕した燃料デブリの回収後に、切り株燃料集合体の回収が行われた。その過程で、溶融デブリによるバッフル板の破損が明らかになった。その後、1987年10月にコアフォーマ領域の調査が行われた。1988年0月までに、炉心部からの燃料デブリ回収が完了した。図34に、炉心部からの燃料デブリ回収後に上部から撮影した様子を示す。炉心下部の支持格子、その隙間に下部プレナムデブリ、また、炉心周辺のバッフル板が確認できる[3]。

図34　炉心部からのデブリ取り出し後の様子(1987.9月撮影) [3]

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コアフォーマ領域の調査と解体

　1987年2月までの内部調査では、炉心を取り囲むバッフル板の露出された部分には若干の歪みはあるものの大きな破損は見られなかったため、その外側に円環状に設置され炉心を支持していたコアフォーマ領域へのデブリ侵入はほとんどないと推定されていた。図35に、事故前のコアフォーマ領域の見取り図を示す[2]。バッフル板と炉心支持板を撤去した見取り図になっている。ところが、1987年3月から切り株燃料集合体の取り出しが進むと、R7燃料集合体が設置されていた付近でバッフル板に破損穴があり、その内部にデブリが侵入していることが発見された。そこで、コアフォーマ領域について、1987年2月に線量計を用いた調査が、1987年10月にファイバースコープ、小型ビデオカメラ、線量計を挿入した調査が行われた。画像調査によりコアフォーマ領域内に堆積物を発見したが、冷却水の濁りが多く堆積物分布を詳細に確認することはできなかった。そこで、線量マップとビデオ画像を組み合わせて堆積物の分布マップを作成した（図36）[4]。コアフォーマ領域の全周に対して約3/4の範囲に溶融凝固物が侵入していることや、溶融凝固物はコアフォーマ領域やその手前にあるR7燃料集合体の冷却剤流路を通じて下部プレナムに移行したことが明らかにされた。また、コアフォーマ領域の堆積物重量は約4tと評価された。

　これらの知見に基づき、バッフル板とコアフォーマ領域については、まず、プラズマトーチを用いてバッフル板を縦に8分割し、次に2枚ずつ宙吊りして約90度回転させ、アークプラズマやブラシツールでデブリを回収する方式が採用された[2]。圧力容器槽とバッフル板との接続ボルト(864本)は、ボーリングマシンで切断、付着していたルースデブリは回転ブラシ治具で除去、ハードデブリはウォータージェットやソーを使って除去した。この作業は、1987年の7月から10月に行われた。

図35　コアフォーマ領域の見取り図（バッフル板と下部支持構造を除く）[2]

図36　コアフォーマ領域の堆積物分布[4]

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炉心下部構造物の解体と下部プレナムデブリの取り出し

　1988年1月から1989年3月にかけて、炉心下部の支持構造物（Core Support Assembly: CSA）の解体と取り出しが行われた。図37(a)に、CSAの模式図を示す[1]。それまでの内部調査で、本来の5層構造がほとんど維持されており、溶融デブリの下部プレナムへの移行経路周辺にデブリが固着していることが明らかになっていた。そこで、縦方向に入っている案内管などの切断・解体にはコアボーリング装置を使用、プレート状の構造物にはプラズマアークトーチを使用、付着している燃料デブリの剥ぎ取りにはウォータージェットや機械式のツールを使用することとされた。

　図37(b)に、CSA解体・取り出し後の下部プレナムの断面模式図を示す。この時点では、まだ、コアフォーマ領域が残存していることが確認できる。下部プレナムデブリの取り出しでは、まず、堆積物から突き出ているインコアモニター案内管と、デブリの上部に残されていた楕円形の流量分配ヘッドを機械的に取り除いた。次に、プラズマアークトーチ、ボーリングマシン、エアリフト、真空吸引システムなどを用いて、下部プレナム"ルース"デブリを回収した。図38(a)に、1989年2月に作成されたルースデブリの堆積状態の見取り図を示す。ルースデブリは、約7～15cm厚で堆積していた。さらに、136kgの重さを持つスライドハンマーを約6.1mの高さから落として下部プレナム"ハード"デブリを破砕して回収した。破砕したデブリの一部は、下部プレナムハードデブリサンプルとして、OECD/NEAでの国際協力（VIP計画：Vessel Inspection Project [26]）で分析された。図38(b)に、1989年6月に作成された、ルースデブリ取り出し後のハードデブリの堆積高さマップを示す。領域を四分割し、それぞれの領域から分析用のサンプルを採集した。ハードデブリは約5～45cm厚さで堆積していた。下部プレナムデブリの取り出しは、1989年3月から12月にかけて行われた。

図37　(a) 炉心株構造物の模式図　(b) 炉心株構造物取り出し後の模式図　[1]

図38　(a) 下部プレナムルースデブリの分布見取り図　(b) 下部プレナムハードデブリの分布見取り図　[27]

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クリーンアップ作業

　1989年12月にデブリ取り出し作業が終了したと報告されている[1,2]。その後、圧力容器内部の画像調査、内壁や配管・フィルターへの残留付着物のサンプリングなどにより、燃料デブリの残留量を同定した（1990年1月）。さらに、圧力容器内をフラッシングしてルースデブリを吸引し、残留デブリの回収を行った（1990年3月）。これらにより、未回収デブリは900kg以下と判定された。これは初期の炉心物質重量に対し<1%であった。

下部ヘッドハードデブリの分析

　下部プレナム"ハード"デブリの分析結果をまとめる[26]。図39に、ハードデブリの断面拡大BSIを示す。

• 外観：　多孔質で空孔が多い。金属系のデブリはわずかにしか存在していない。
• 比重：　7.45～9.4（平均8.4）g/cm³ ＃ルースデブリは平均7.1 g/cm³
• 空孔率：　5.7～37（平均18）% # ルースデブリは平均25%
• 成分：　溶融凝固した(U,Zr)O₂相（バルク相）中にわずかに(Zr,U)O₂相が相分離して存在。SS-Alの酸化物相（第二相を形成、あるいはバルク相の結晶粒界に析出）。バルク相の空孔内に、わずかに金属析出物（Ag,In）。#ルースデブリに比べ、徐冷された痕跡
• 組成・分布：　比較的均質で、炉心平均に比べSSやZr濃度が低い。#ルースデブリに比べ、ややU濃度が高く(約70wt%)、SS酸化物濃度が低い。ルースデブリはU濃度約65wt%
• 事故時のピーク温度：　>2810K、局所的に3120K近くに到達。#(U,Zr)O₂は溶融の痕跡、一部UO₂が融点直下の痕跡あり。　#ルースデブリと同様
• FP分布：　ルースデブリと同様
• 同位体比：　ルースデブリと同様
• 事故時のふるまいの推定：　ルースデブリと同時期に形成。ルースデブリよりやや徐冷されて凝固。バルク酸化物相が凝固した後に、第二相酸化物の液相がかなり低い温度域まで残留した可能性。このため、固液混合状態が形成され、圧力容器への伝熱が阻害された可能性。

図39　下部プレナム"ハード"デブリの断面BSI [27]

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下部ヘッドの調査

　1989年3月から6月にかけて、下部プレナムに堆積していた燃料デブリの取り出しが進められた。燃料デブリや案内管などの構造物の切断/解体には、コアボーリング装置とアークプラズマ装置が利用され、取り出し作業はテレビカメラで撮影された。1989年7月には、燃料デブリ取り出し後の下部ヘッドのビデオ撮影が行われた。その結果、一部のインコアモニター案内管のノズル近傍に、案内管の破断と圧力容器内面のクラック形成が観察された（図40）。同年8月には、クラック近傍に高解像度カラービデオと探査プローブが挿入され、クラックは最大15cm長、0.6cm幅、0.5cm深さであり、圧力容器の損傷は表面にとどまっていたと判定された[1]。

　圧力容器の損傷モードを解明し、TMI-2事故では圧力容器破損条件に対してどこまでの状態に至っていたのか（損傷までのマージン）を調査する国際プロジェクトが実施された。1990年2月頃に、燃料デブリ取り出し工程を約2か月中断し、下部ヘッドからのサンプル切り出しが行われた（図41）。15個の圧力容器内壁サンプルと、14個のインコアモニターノズルサンプル、2本の案内管サンプル、が回収され、熱的な損傷、化学反応、残留強度、などが調査された。この調査と分析は、TMI-2 Vessel Invertigation Project (VIP計画)として、OECD/NEAでの国際協力で行われた[1,26]。

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  図40　圧力容器下部ヘッドの破損部位[1]

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  図41　下部ヘッドのサンプリング部位[1]

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圧力容器内の状態推定の変遷④：最終形態

　図42に、ボーリング調査の直後の推定図と、炉心下部の調査やサンプル分析で明らかになった最終形態とを比較して示す[1,2,4など]。切り株燃料集合体取り出しにともなう炉心下部の画像調査とコアフォーマ領域の調査により、下部プレナムへのデブリ移行経路とコアフォーマ領域内のデブリ堆積量が解明された。また、下部プレナムデブリの回収と分析により、下部プレナムデブリの深さ方向の堆積状態と圧力容器との接触状態が解明された。図43に、圧力容器内部の最終形態を再掲する。これは、多方面で広く知られている図である。表3に、領域ごとの概要（デブリや構造物の状態、調査の方法、推定結果、デブリ取り出し方法）をまとめる。

図42　下部プレナム調査後の状態推定の変化 [1,2]

図43　圧力容器内部の状態推定（最終形態）[1,2など]

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表３　TMI-2炉での圧力容器内の状態、調査方法と観測結果、デブリ取り出し方法

領域	概要	調査方法	主な観測結果と推定	解体/回収の方法
炉心上部構造物	・上部格子以外はほぼ健全、上部格子の一部に溶融/付着の痕跡と変色	ビデオカメラ 放射線計測 付着物サンプリング Overhead Chracterization Study	・上部プレナム内構造物の事故時ピーク温度は、700-1255Kと推定 ・インコネル溶融の痕跡から、上部格子の事故時ピーク温度1700Kと推定（参考：燃料デブリの分析（特徴、経験温度）） ・上部格子の変色状態から、事故時に水蒸気酸化（上部ルースデブリが再冠水した際に発生）が発生したと推定（参考：TMI-2での事故進展に伴うデブリ移行挙動） ・上部格子への付着物の分析から、残留した燃料集合体でも下の方で溶融していたこと、制御棒成分が溶融して付着していたと推定	Dirty Lift工法 #大気中で上部ヘッドを取り外し、上部構造物を切断解体
上部空洞 燃料集合体の一部が残留	・本来炉心に対して約26%の容積（約9.3m3）、約1.5m深さの空洞 ・炉心周辺に42個の燃料集合体が一部残留（うち、2体のみほぼ本来形状を維持） ・上部格子の一部に、燃料集合体の上端の一部が固着	ビデオカメラ ソナー 放射線計測 サンプリング	・画像データから、空洞容積と境界、残留していた燃料集合体の保持状態を推定 ・サンプル分析で、残留燃料集合体内に大きな温度勾配があったことを推定、また、外観が維持されている燃料集合体であっても、燃料棒/制御棒の内部で溶融進展したと推定 ・スクラム後174分での冷却水投入タイミングで高温酸化し脆化した燃料棒が崩落して形成と推定 （参考：TMI-2での事故進展に伴うデブリ移行挙動）	長尺ツールにより、破砕/切断、瓦礫状、粒子状、スラリー状に分類し、収納缶に回収 #収納缶への充填率向上が課題
上部ルースデブリ	・重量約26t、堆積厚さ約0.6-1m、瓦礫状/粒子状の物質が堆積 ・1～5mmサイズの粒子状成分が約80%を占める ・深さ方向に、かさ密度が増加 ・粒子状のデブリがほぼ均質に分布	ビデオカメラ ソナー 放射線計測 サンプリング 探針	・探針調査により、堆積厚さが約1mであると評価、さらに炉心周辺部に馬蹄形リング構造を同定 ・画像調査、探針調査により、堆積範囲と重量を推定 ・画像調査、探針調査、サンプル分析により、瓦礫状/粒子状の燃料デブリが比較的均質に堆積していると推定、構成成分が５群に類型化できると評価 ・サンプル分析により、溶融崩落時のピーク温度が>2800K、局所的には>3100Kであったと推定、一方で、平均的には高々2000K（あるいは、高温に曝されていたとしても極めて短時間）であったと推定 （参考：燃料デブリの分析（特徴、経験温度）、参考：TMI-2での事故進展に伴うデブリ移行挙動）	同上 デブリバケツを利用 #収納缶への充填率向上が課題
馬蹄形リング構造	・上部ルースデブリの外周部で、瓦礫状などのデブリが凝集していた領域 ・化石のように、破損燃料棒などが、馬蹄形リング構造物に固着 ・内面は石畳のような状態	ビデオカメラ 探針	・上部ルースデブリ取り出しの過程で存在を確認 #この時点では、冷却水の水質が悪く、状態把握に時間を要した	同上
溶融凝固層 上下クラスト層	・重量約33t、炉心中央から約3m径、炉心中央で約3m深さ、炉心中間領域で約0.25cm深さ ・炉心物質由来の溶融凝固した酸化物相と金属相の混合物が非均質に分布 ・金属相の体積割合は、溶融凝固層で約15%、上部クラストで約25%（溶融凝固層内でも、クラスト層に近い部分で金属相が多い） ・下部クラスト層は、縦に積層化した燃料ペレットが残留し、その周囲を溶融凝固した（一部酸化した）金属相が充填している形態	ボーリング ビデオカメラ 放射線計測 サンプリング	・上下クラスト層、溶融凝固層、切り株燃料集合体の成層化構造を検出し、物量と分布を推定 ・サンプル分析により、上部クラスト層と溶融凝固層の構成成分、金属相と酸化物相の体積割合を推定、さらに事故時ピーク温度が>2800K（局所的に>3100K）と推定、また、溶融凝固層が多孔質でもろいことを推定 ・サンプル分析により、下部クラストの構成成分と堆積状態を推定、さらに事故時ピーク温度が高々2200Kであったと推定 ・これらから、いったん堆積したルースデブリベッド内で溶融プールが形成されたこと、その際に上部クラストが溶融プールとルースデブリの界面に形成あれたこと、下部クラストは初期に崩落した成分が健全な燃料棒の隙間に堆積して形成されたこと（スクラム後174-224分頃）、などを推定 （参考：燃料デブリの分析（特徴、経験温度）、参考：TMI-2での事故進展に伴うデブリ移行挙動）	同上 #コアボーリング装置を利用して、クラスト層や溶融凝固層を破砕
切り株燃料集合体	・重量約45t、炉心中央で残留高さ約0.2m、炉心周辺で約1.5m、溶融凝固物の一部侵入により互いに固着	ボーリング ビデオカメラ 放射線計測 サンプリング	・下部クラスト層と切り株燃料集合体の接合状態を観測、事故後には、切り株燃料集合体と下部クラストおよび炉心周辺の燃料集合体で、上部ルースデブリと溶融凝固層を支える構造だったと推定 ・画像解析により、下部クラストから部分的に溶融物が集合体の隙間に侵入していた痕跡を検出 ・サンプル分析（健全燃料棒の断面組織観察）から、事故時のピーク温度は高々1100Kと推定 ・画像解析とサンプル分析により、切り株燃料集合体領域は、事故時に常時水没していたと推定 （参考：燃料デブリの分析（特徴、経験温度）、参考：TMI-2での事故進展に伴うデブリ移行挙動）	アークプラズマ装置を利用して、切断・解体 長尺ツールにより、主にFuel用の収納缶に回収
炉心下部の支持構造物	・本来の５層構造形状を維持 ・主に２か所で、溶融した燃料デブリの移行パスを形成 ・移行パス周辺でデブリが付着	ビデオカメラ 放射線計測	・ほぼ本来形状を維持を観測 ・主に２か所で、溶融した燃料デブリの移行パス形成を観測	同上 #付着デブリは、ブラシ状のツールで剥ぎ取り
下部プレナム領域	・重量約12tのルースデブリと約7tのハードデブリが堆積、堆積範囲は約4m径で約0.75～1m深さ ・比較的表面側のルースデブリ中では、堆積物サイズは微粒子から約0.2mまで、比較的底部側のハードデブリは、0.5～0.7m深さの溶融凝固層	ビデオカメラ 放射線計測 サンプリング 探針	・画像解析と探針調査により、堆積物重量と分布、概略形状を推定 ・サンプル分析により、酸化物、金属、混合物の３領域に大別されること、酸化物相には燃料棒由来成分だけでなく構造材由来の酸化物も含まれること、その凝固時に酸化物相が固液分離したこと、などを推定 ・画像解析とサンプル分析により、粒子サイズの分布、ハードデブリの堆積厚さなどを推定 ・さらに、事故時のピーク温度や溶融デブリと圧力容器の接触状態を推定 （参考：燃料デブリの分析（特徴、経験温度）、参考：TMI-2での事故進展に伴うデブリ移行挙動、参考：RPV下部ヘッドで採取された燃料デブリ試料の分析結果（微細構造）とデブリ移行メカニズムの推定）	長尺ツールにより、破砕/切断、瓦礫状、粒子状、スラリー状に分類し、収納缶に回収 コアボーリング装置、アークプラズマ装置、スライドハンマーなどを使用
下部ヘッド	・ホットスポット周辺で、クラックや溶融の痕跡	ビデオカメラ 放射線計測 サンプリング	・クラックは最大15cm長、0.6cm幅、0.5cm深さであり、圧力容器の損傷は表面にとどまっていたと判定 #国際協力による分析と評価（VIP計画）	長尺ツールでサンプリング
コアフォーマ領域 （バッフル板の外側）	・全周の約3/4に約4tの燃料デブリが侵入 ・溶融デブリが下部プレナムに移行した破損穴	ビデオカメラ 放射線計測 ファイバースコープ 探針	・画像データと線量データの組み合わせで、全周の約3/4に約4tの燃料デブリが侵入と推定 ・溶融デブリの下部プレナム移行経路を推定 （参考：TMI-2での事故進展に伴うデブリ移行挙動）	アークプラズマ装置でバッフル板を8枚に縦切り、吊り上げて90度回転させ、長尺ツールでデブリを除去
圧力容器外の燃料デブリ	・約228kgが圧力容器外に移行/分布、冷却水系フィルターやタンクなど	ビデオカメラ 放射線計測	・画像および線量データから、物量を概略推定 #事故前の核燃料物質の<900kg（<1%）が残留と評価	領域ごとに追加回収

圧力容器外からの燃料デブリ回収

　事故進展中に燃料物質の一部が圧力容器外に漏洩したと評価された。また、燃料デブリ取り出し作業中に、一部の燃料デブリが主に冷却水系に移行したと評価された。このような燃料デブリは、TMI-2炉の最終的な廃炉の際に回収することにされた。様々な計測器で燃料デブリ残留量が評価され、その再臨界可能性は、超保守的な条件での解析によって排除された。

• 冷却水系（RCS: Reactor coolant system）からのデブリ回収：　約228kgの燃料デブリが、事故進展中にRCS系統に移行した。さらに、燃料デブリ取り出し作業中に、約170kgの燃料デブリがRCS系統に移行したと評価された。RCS系統からの燃料デブリ回収作業により、加圧器と配管類からは約90%のデブリが、蒸気発生器配管からは約70%のデブリが回収された。
• 原子炉建屋からのデブリ回収：　事故進展中に、加圧器の圧力逃し弁から、微量の燃料デブリが原子炉建屋内に放出された。建屋地階床のはつりと汚泥取り除き作業により、約4kgの核物質を含む約4900kgの泥状物質を回収した。汚泥取り除き作業では、地階の床面積の約40%から、汚泥の90%以上を回収した。約75kgの燃料物質が、まだ、建屋内に残留していると推定されている。その多くが、切り出した圧力容器内の構造物への付着と考えられている。

補助建屋、燃料取り扱い建屋からの燃料デブリ回収

　少量の燃料デブリが、事故進展時および燃料デブリ取り出し時に、冷却水系を通じて、補助建屋に移行したと推定されている。約3kgの燃料物質が冷却水浄化系から回収された。約370gの燃料物質がイオン交換系のオリフィスから回収された。補助建屋内の燃料デブリ残留量は<17kgと推定されている。

燃料デブリの構外輸送

　アイダホ国立研究所（INEL）への燃料デブリ輸送は、1986年7月に開始され、合計で342個の収納缶を混載した49個のキャスクが輸送された。輸送は1990年4月に終了した。

燃料デブリ取り出しの安全評価

　燃料デブリ取り出しにかかわる以下の項目について、許認可に向けた安全性評価が行われた。臨界性、ホウ素の希釈、崩壊熱除去、火災対策、水素発生、工学的安全性、装置・器具の干渉、１号機への影響、重量物の落下、作業員の被ばく（内部被ばく、外部被ばく）、自然発火性、放射線防護（ALARAの原則による）、放射性物質の放出、圧力容器の強度、耐震性、遮蔽、重要機器の防護、など。ここでは、そのうちのいくつかの項目について概要をまとめる。

ジルコニウム水素化物の自然発火性に関する検討

　PEISレポート[5]において、TMI-2事故では乾燥水蒸気と燃料被覆管のジルカロイが反応してジルコニウム水素化物（zirconium hydride）を形成した可能性があり、水素化物は高温で水蒸気と反応すると水素を発生しつつジルコニウム酸化物に変化する特性を有することから、ジルコニウム水素化物が微粉化すると水中で自然発火する可能性について検討された。模擬試験などに基づく結論として、水中での自然発火は起こらないと結論づけられた。一方で、炉心上部構造物の撤去作業では、リードスクリュー案内管、CRGT、上部プレナム保護板、などが空気にさらされるため（将来的には燃料デブリも空気にさらされるため）、ジルコニウム水素化物微粒子の空中での自然発火性は許認可の必要項目に位置付けられた。

　NRCは安全評価項目として、

1. TMI-2事故の条件では、自然発火が発生するのに十分な量のジルコニウム水素化物が形成されなかったこと
2. 仮に自然発火に至る物量のジルコニウム水素化物が発生していたとしても、事故進展中のガスフローでは上部プレナムに移行しなかったこと
3. 自然発火性の微粉末が酸化物デブリ中に分散、あるいは混入していたとしても、自然発火条件には至らないこと

を指摘した。

　Underhead Characterization Study（上述）では、炉心上部のリードスクリュー付着物の分析（自然発火性物質の探索、粒子サイズの分析）と付着物サンプルの空中での熱分析試験が行われ、炉心上部構造物が空気にさらされても自然発火が発生する可能性は極めて低いと評価された[18,19]。さらに、上部ルースデブリサンプルの一部を使った着火試験（湿潤条件、乾燥条件）が実施され、上部ルースデブリの取り出し作業においては自然発火が起こる可能性は極めて低いと結論された[12,19,21]。しかし、この時点では、溶融凝固デブリや切り株燃料集合体中に、U-Zr合金が形成されている可能性が考えられており、その切断/取り出しに向けた追加の検討が必要であると指摘された。

　さらに、取り出したデブリの特性や形状に基づく自然発火可能性の評価が行われた[20]。その結果、200-300ミクロンより大きいサイズの微粒子は発火性が極めて低いこと、一方で、微粒子はすでに表面が酸化しており発火性が低いことが確認された。一方で、金属ジルコニウムの微粉末が水中に存在する場合には、ゆるやかな金属火災が継続することが模擬試験で示された[20]。したがって、金属ジルコニウムを多く含む物質を貯蔵する際には、乾燥させること、酸化性ガスを混入させないこと、微粒子を発生させないこと、などが指摘された。燃料デブリについては、自然発火性ではなく、貯蔵時や開封時の水素発生が重要課題であるとされた。

#備考：１F燃料デブリについて・・・ TMI-2事故と1F事故では事故進展条件が異なり、1Fでは燃料デブリの酸化度が低く、ジルコニウムやウランの金属が残留している可能性がある。TMI-2の燃料デブリ取り出しで結論づけられた、粒子サイズが200-300ミクロン以上の場合には自然発火の可能性が極めて低いこと、微粒子の場合には表面酸化しており自然発火可能性が極めて低いこと、事故進展における高温溶融過程を経ると金属系の微粒子が形成されにくいこと、などを基礎知見として抑えつつ、実デブリサンプルの分析結果に基づく検証が望まれる。1F燃料デブリの場合にも、自然発火性よりは、貯蔵や処分における、水素発生が課題になると考えられる。

以下、執筆中（重量物、再臨界、圧力容器健全性、など）

参考文献

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