革新的実用原子力技術開発費補助事業

平成１８年度成果報告書概要版

Innovative and Viable Nuclear Energy Technology (IVNET)

Development Project

長寿命ガラス固化溶融炉に関する技術開発

平成１９年３月

独立行政法人 日本原子力研究開発機構

石川島播磨重工業株式会社

埼玉大学

本報告書は，独）日本原子力研究開発機構，石川島播磨重工業株式会社，埼玉大学が連携

して経済産業省からの補助金を受けて実施した技術開発の成果報告書であり，その著作権は

上記連携機関に属します。本報告書の一部または全部について仕様・転載する場合には，事

前に許可を受けることが必要です。

i

長寿命ガラス固化溶融炉に関する技術開発（平成 18年度）

Development on a long-life vitrification melter

独）日本原子力研究開発機構：青嶋 厚，塩月 正雄，山下 照雄，正木 敏夫

捧 賢一，中島 正義，守川 洋，三浦 昭彦，

加藤 淳也，宮内 厚志，大枝 幹拓

石川島播磨重工業株式会社 ：大野 勇，伊藤 俊行，山崎 晶登，酒井 幹夫

埼玉大学 ：松本 史朗

長寿命ガラス固化溶融炉の技術開発を平成 17年度より開始した。本報告では平成 18年度に得

た成果について報告する。

キーワード：

高レベル廃液，ガラス固化，溶融炉，長寿命，スカル層，可換電極，炉底構造

1. 目 的

本技術開発は，高レベル放射性廃液の処理処分コスト低減等に資するため，ガラス固化溶融炉

の設計寿命を現行溶融炉の 5年から，再処理施設内装機器並の 20年に長寿命化を実現するための

溶融炉の高度化を図ることを目的としている。

このため溶融炉の寿命を決定している耐火材侵食及び電極消耗への対策を講じるとともに，長

期間の運転に伴う粒子性物質の炉底への堆積抑制を図った新たな溶融炉概念を検討し，実現の見

通しを明らかにする。技術開発においては，個別の課題に関する基礎試験や解析評価に加えて，

溶融炉内の複合的な物理現象を解析するためのシミュレーション技術の開発を行うとともに，各

技術の検証のための小型試験装置の設計及び製作，コールド試験を進め，次世代ガラス固化溶融

炉としての技術的成立性の検証を進める計画である。

2. 技術開発成果

2.1 長寿命ガラス固化溶融炉の基本性能の検討

平成 17 年度までに具体化した候補炉形式について，解析コード等を用いて基本性能を比較

評価した結果，長寿命炉の基本炉形式として「円柱円筒型電極，円錐型炉底，勾配 60°」を

選定した。

2.2 高レベル固化ガラスの特性把握

今後の処理対象物として想定される「東海再処理工場廃液（現設計値，高燃焼度，ATR-MOX）」，

「商用再処理施設廃液（現設計値，高燃焼度，Puサーマル-MOX）」，「FBR 再処理（MOX, 金属）」

の計 8ケースについて固化ガラスの組成変動範囲を整理するとともに，「粘性」，「比抵抗」，

「熱伝導率」，「比熱」，「密度」等の基礎物性値を取得し，温度や組成との関係式に整理した。

2.3 長寿命炉壁に関する技術開発

平成 17 年度までに選定した候補耐火物について，溶融ガラス中での 5ヶ月間までの静的侵

食試験を行った結果，候補耐火物として挙げた K-3 及び CS-5 等について，スカル層想定温度

ii

(800～1000℃)にて目標設計寿命 20 年を達成する条件が得られる見通しが示された。スカル

層形成に伴う温度勾配や熱履歴の負荷を考慮し，耐火物に対する耐熱衝撃性試験を行うとと

もに，熱衝撃等により耐火物炉壁に割れなどが発生する場合を考慮して金属炉壁の適用につ

いても検討した。

また，選定した開発候補炉形式について，熱流動解析コードを使用した電位・熱流動解析

等により炉壁冷却システムと成立条件範囲について評価を行った。

2.4 電極に関する技術開発

平成 17 年度までに選定した電極・金属炉壁材料について，溶融ガラス中での静的通電侵食

試験を行った結果，既存材料の NCF690 よりも RS311 が高い耐食性を示した。また，金属炉壁

を想定したスカル層想定温度においては，侵食速度 8μm/d 以下を満足し，目標設計寿命 20

年を達成する見通しが得られた。

また，選定した開発候補炉形式について，電位・熱流動解析等により候補となる電極構造

と成立条件範囲を明らかにした。

2.5 炉底構造・流下機構に関する技術開発

溶融ガラス中で沈降堆積する傾向を有する粒子状物質について，それらの形態と粒度分布

を把握するとともに，抜出し性に関するルツボ規模の試験により粒子状物質濃度や炉底形状

並びに温度分布との関係を評価し，安定なガラス流下が可能となる炉底構造の設計条件を検

討した。合わせて，候補となる炉底構造とその期待される性能について，解析コードによる

評価を実施した。

2.6 シミュレーション技術の開発

JAEA が開発してきた既存のガラス固化溶融炉解析コードに，粒子挙動解析機能や粒子状物

質濃度とズリ速度をパラメータとした溶融ガラス粘性関数など機能追加及び改良を行った。

また，小型試験炉の設計仕様を基に同炉の解析モデルを構築した。

2.7 小型試験炉の設計検討

小型試験炉にて実施すべき試験項目等を検討するとともに，同炉の基本設計を行った。

3. まとめ

平成 18 年度は，計画に基づく各技術開発項目を実施するとともに，開発成果の公表を行った

1,2,3,4,5,。引き続き計画に基づき技術開発を継続し，平成 20 年度末までに長寿命ガラス固化溶融

炉の技術的成立性を検証していく。

[1] 加藤淳也ほか：長寿命ガラス固化溶融炉の設計研究，日本原子力学会北関東支部若手研究者発表会(2006 年)

[2] 宮内厚志ほか：長寿命ガラス固化溶融炉の設計研究，日本原子力学会再処理リサイクル部会発表会(2006 年)

[3] 山下照雄ほか：長寿命ガラス固化溶融炉の成立性に関する予備的評価，日本原子力学会2006年秋の大会,A06,

北海道大学(2006 年)

[4] 三浦昭彦ほか：長寿命ガラス固化溶融炉の開発（2） 耐火物材料における侵食速度の温度依存性評価，日

本原子力学会 2007 年春の年会,名古屋大学(2006 年)

[5] 大枝幹拓ほか：長寿命ガラス固化溶融炉の開発（3） ガラス溶融炉内における粒子挙動解析，日本原子力

学会 2007 年春の年会,名古屋大学(2006 年)

iii

Development on a long-life vitrification melter (2006 fiscal year) JAEA Atsushi Aoshima, Masao Shiotsuki, Teruo Yamashita, Toshio Masaki,

Kenichi Sasage, Masayoshi Nakajima, Yo Morikawa, Akihiko Miura, Junya Kato, Atsushi Miyauchi, Mikihiro Oheda

IHI Isamu Ohno, Toshiyuki Ito, Akito Yamasaki, Mikio Sakai Saitama Univ. Shiro Matsumoto

The development of a long-life vitrification melter was started since 2005 fiscal year. This report describes the result obtained during the fiscal year 2006. Keywords: high level radioactive waste, vitrification melter, long-life, Scull layer, commutative electrode, melter bottom and drain structure

1. Objectives The objective of this development is to extend vitrification melter life-time from 5years of

the current design base to 20 years for reducing economical burden of the high level radioactive waste management by applying advanced technologies. For this purpose, development of the new long-life vitrification melter is focused on establishing measures on prevention against corrosions of its refractory and electrode, and accumulation of noble metal particles at the bottom of the melter. In order to evaluate stable conditions in the long operation of the melter, an advanced simulation tool is also developed and applied. Finally, the development is planned to demonstrate the proposed technologies by conducting design, manufacture and test of the small scale test melter.

2. Technical results

2.1 Evaluation of fundamental performances of the melter Fundamental performances of the melter were compared and evaluated by using

analytical tools about the structure of melters that became candidates last year. As a result, "Column-cylindrical electrode, 60° cone shape bottom" was selected.

2.2 Characteristic of high level vitrification glasses Principle compositions of high level waste generated from future fuel cycle systems such

as high burn up, MOX, FBR, etc was evaluated. The basic physical properties of the glass planned to be treated were obtained and arranged to relationship with temperature and the composition.

2.3 Development on the long-life melter wall Corrosion experiments in the melted glass and thermal shock test of candidate

refractories were carried out. A Perspective on extension of life time was obtained by

iv

applying the scull technology with assumed temperature range (800-1000 degree C). The wall cooling system and its condition were also evaluated by using an analytical tool.

2.4 Development on the electrode Corrosion resistance of candidate electrodes and metal walls materials were evaluated.

The highest resistance was shown in RS311. The INCONEL690 were also indicated potential of high resistance (under 8 micron/day) for the metal wall option under a condition of the suggested scull temperature. The structure of electrode system and its condition were also evaluated by using an

analytical tool.

2.5 Development on the melter bottom and drain structure Forms and size of particles which was not dissolve in the melted glass were evaluated.

The melter bottom and drain structure and its condition were also evaluated by considering results of crucible tests and analytical tools.

2.6 Development on the simulation technology Modification of a developed code based on a FINAS/CFD was conducted such as adding

functions of particle behavior, glass viscosity change, etc. An analytical mesh was also created using design of a small scale test melter.

2.7 Design study of the small scale test melter A fundamental design of the small scale test melter and evaluation of experimental items

by using the test melter were conducted.

3. Conclusion Each research and development items had been performed and completed in this fiscal

year according to the planned schedule. This R&D is continued until 2008 fiscal year to demonstrate feasibility on the long-life vitrification melter technology.

v

目 次

1. はじめに・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 1

1.1 事業実施の背景・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 1

1.2 事業実施の目的・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 1

1.3 技術開発目標・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 1

2. 技術開発計画・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 2

2.1 全体技術開発計画・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 2

2.2 技術開発実施体制・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 3

2.3 平成18年度の実施計画・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 3

3. 成果の概要・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 5

3.1 長寿命ガラス固化溶融炉の基本性能の検討・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 5

3.2 高レベル固化ガラスの特性把握・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・10

3.2.1 HLW組成調査・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 10

3.2.2 溶融ガラス物性評価 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 11

3.3 長寿命炉壁に関する技術開発・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 12

3.3.1 スカル層による侵食抑制機能評価・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 12

3.3.2 スカル層形成制御技術の検討・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 16

3.4 電極に関する技術開発・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 18

3.4.1 電極材料の侵食緩和方策の評価・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 18

3.4.2 電極構造・配置の検討・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 21

3.5 炉底構造・流下機構に関する技術開発・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 23

3.5.1 粒子状物質の挙動評価・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 23

3.5.2 炉底構造・流下機構の検討・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 27

3.6 シミュレーション技術の開発・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 29

3.7 小型試験炉の設計検討・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 31

4. まとめ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 34

4.1 全体のまとめ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 34

4.2 自己評価・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 34

4.3 今後の計画・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 35

5. 参考文献・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 37

1

1. はじめに

1.1 事業実施の背景

再処理施設から発生する高レベル放射性廃液（以下，「HLW」という）の効率的かつ合理的なガラ

ス固化技術は，核燃料サイクルの確立にあたっての枢要技術と位置づけられる。わが国においては，

日本原子力研究開発機構（以下，「原子力機構」という）核燃料サイクル工学研究所ガラス固化技術

開発施設（以下，「TVF」という）において，2006年 12月末までに1号及び2号溶融炉を用いた開発

運転にて，各々実ガラス固化体130本及び100本の製造実績を有している。わが国のHLWの固化プロ

セスに採用されている液体供給式直接通電ジュール加熱型セラミックス溶融炉（以下，「LFCM」とい

う）は，フランスやイギリスで採用されている金属製炉材を用いた誘導加熱ガラス溶融炉（以下，「AVM」

という）に比べて，仮焼等の前処理が不要であること及び大型化への適用性を有することに加え，耐

火物の高い耐食性により長い設計寿命が設定できるなどの利点が挙げられる。しかしながら現在のわ

が国のLFCM法による溶融炉の設計寿命は5年であり，定期的な溶融炉の更新に伴う溶融炉製作，設

置に係わるコスト負担，大量に発生することが予測される解体廃棄物（TVF では約 20 トン）処理処

分への負担はもとより，更新時の設備の稼働停止が重要な課題であった。

わが国の核燃料サイクルの確立における枢要技術であるガラス固化技術については，安易に海外

から技術導入を図ることは技術セキュリティ確保の観点から適切ではなく，開発してきた技術開発の

成果を基盤として，改善・高度化を図り，国産技術として蓄積していくことが極めて重要である。

1.2 事業実施の目的

本技術開発は，高レベル放射性廃液の処理処分コスト低減等に資するため，ガラス固化溶融炉の

設計寿命を現行溶融炉の5年から，再処理施設内装機器並の20年に長寿命化を実現するための溶融

炉の高度化を図ることを目的としている。

このため溶融炉の寿命を決定している耐火材侵食及び電極消耗への対策を講じるとともに，長期

間の運転に伴う粒子性物質の炉底への堆積抑制を図った新たな溶融炉概念を検討し，実現の見通しを

明らかにする。耐火物侵食対策としては，溶融炉壁の冷却により耐火材表面に低温高粘性流体層（以

下，「スカル層」という）を形成させ，侵食抑制を図る「長寿命炉壁構造」の開発を行う。電極消耗

対策については，電極を容易に交換できるようにする「可換式電極構造」の開発を行う。粒子性物質

の炉底への堆積抑制については,ガラス内の懸濁粒子物質を含有するガラス粘性等の変化を考慮し，

流下促進のための「炉底構造・流下機構」について検討を行う。技術開発においては，個別の課題に

関する基礎試験や解析評価に加えて，溶融炉内の複合的な物理現象を解析するためのシミュレーショ

ン技術の開発を行うとともに，各技術の検証のための小型試験装置の設計及び製作，コールド試験を

進め，次世代ガラス固化溶融炉としての技術的成立性の検証を進める計画である。

1.3 研究開発目標

長寿命炉の寿命は，軽水炉再処理プラントの内装設備機器並みの20年を目標とする。

2

2. 技術開発計画

2.1 全体技術開発計画

技術開発目標を達成するための技術開発課題を図 2.1-1 に，技術開発全体フローを図 2.1-2

に，技術開発全体工程表を表 2.1-2 に示す。

提案した長寿命ガラス固化溶融炉の概念を具体化するにあたり，求められる機能要件と炉形

式を整理し，これらを実現化するための解決すべき技術課題に対して体系的に取り組む。各技

術課題として，将来の MOX や FBR サイクルからの高レベル廃液やそれらの高減容化（固化ガラ

ス中の廃棄物含有率の増加）についても考慮した。高レベル固化ガラスの特性把握，長寿命炉

の主たる技術要素である長寿命炉壁及び電極に関する技術開発，炉底構造及び流下機構に関す

る技術開発に関する基礎試験と設計検討，加えて長寿命炉の設計条件や運転条件を解析的に評

価するためのシミュレーションコードの開発整備を進め，溶融炉構造の検討等並びに技術的成

立性を評価していく。

2007 年度（平成 19 年度）に，小型試験溶融炉を製作し，2008 年度（平成 20年度）に運転試

験を行い，これらの結果と各基礎試験結果，シミュレーション解析結果を統合し，長寿命炉の

適用性評価を行うとともに，実用炉の仕様を設定する計画である。

冷却ジャケット

流下ノズル底部加熱装置

間接ヒータ

円筒外部電極

円柱電極

廃

ガラスカートリッジ原料

交換可能な電極

構造等の開発

スカル層形成

等による長寿

命炉壁の開発

HLW の組成調査，高

レベル固化ガラス

の特性把握

設計条件･運転特性

等のシミュレーシ

ョン技術開発

炉底・流下機構

の技術開発

図 2.1-1 長寿命炉の概念（一例）と技術開発課題

・HLWの組成調査

・高レベル固化ガラスの特性把握

(粘度、電気的特性等)

・長寿命炉壁構造技術開発

・電極に関する技術開発

・溶融炉構造の検討及び試験

設備の設計・製作

・長寿命炉の適用性評価と実

用炉仕様設定

・検証試験と効果の評価・シミュレーション技術開

発

・炉底流下機構技術開発

・長寿命炉への要件整理と炉

形式検討

図 2.1-2 技術開発全体フロー

3

2.2 技術開発実施体制

本開発は，原子力機構，石川島播磨重工業株式会社（以下「IHI」という），埼玉大学（以下

「埼玉大」という）の実施体制で行う。

原子力機構と IHI は，わが国におけ

るHLWの固化プロセスであるLFCM法の

開発を共同で進めた実績があり，本開

発に必要な知見,人材,経験を十分に有

するとともに，長寿命構造，耐火物の

侵食対策，電極侵食対策等について特

許を共同で出願している。

加えて原子力機構では，LFCM 法によ

るガラス溶融炉を採用した TVF におい

て，東海再処理工場(以下，「TRP」とい

う)から発生するHLWを処理しガラス固

化体を製造する実績を有しており，本

開発において必要な技術開発能力をし

ている。IHI は，原子力機構の TVF と日

本原燃株式会社のガラス固化処理施設

（以下「K 施設」という）の設計･製作

並びにこれらの溶融炉に関するモック

アップ試験等の実績を有している。

埼玉大はガラス固化関連技術に精通

しており，本技術開発の技術的レビュ

ーを担当する。

2.3 平成 18 年度の実施計画

2.3.1 長寿命ガラス溶融炉の基本性能の検討

① 候補炉形式の基本性能の比較評価【IHI】

平成 17 年度までに具体化した，「炉壁冷却+電極可換型」を基本に候補炉形式（電極構造 3候

補）について，基本性能について解析コード等を用いて比較評価を行う。

2.3.2 高レベル固化ガラスの特性把握

① 処理対象 HLW 組成調査【原子力機構】

高燃焼度使用済燃料等の廃液や高減容ガラス固化など，長寿命ガラス溶融炉の処理対象廃棄

物として想定される固化ガラス組成とその変動範囲を整理する。

② 高レベル固化ガラスの特性把握【原子力機構】

処理対象廃棄物として想定される固化ガラスの組成変動範囲について，ガラス溶融炉の運転

の観点から重要なパラメータである粘性，比抵抗等の基礎物性値を取得し，体系化する。

また,スカル層（固体ガラス層もしくは低温高粘性流体層）近傍を想定した低温条件でのガラ

表 2.1-2 技術開発全体工程表（予定と実績）

年度項 目

平成 17 年度 平成 18 年度 平成 19 年度 平成 20 年度

（1）高レベル固化ガラス

特性把握

① HLW 組成調査

② 高レベル固化ガラ

スの特性把握

（2）長寿命炉壁に関する

技術開発

① スカル層による侵

食抑制機能評価

② スカル層形成制御

技術の検討

（3）電極に関する技術開

発

① 電極材料の侵食緩

和方策の評価

② 電極構造と配置の

検討及び評価

（4）炉底構造・流下機構

に関する技術開発

（5）シミュレーション技

術の開発整備

（6）溶融炉構造の検討及

び試験設備の設計･

製作

（7）適用性評価及び検証

試験

① 長寿命炉の適用性

評価と実用炉仕様

設定

② 検証試験と効果の

評価

：予定

：実績

4

ス層の結晶化度を評価する。

2.3.3 長寿命炉壁に関する技術開発

① スカル層による侵食抑制機能評価【原子力機構】

スカル層（固体ガラス層もしくは低温高粘性流体層）による侵食抑制効果確認のため，炉壁

耐火物／溶融ガラス温度及び時間をパラメータとして侵食試験を行い，侵食速度や侵食メカニ

ズムについて評価する。

② スカル層形成制御技術の検討【IHI】

長寿命炉の基本構造を基に，スカル層を安定的に形成するための条件の整理及びスカル層形

成システムの設計検討を行う。また，スカル層形成制御条件（冷却条件，温度条件，熱流動・

電場の解析，処理能力への影響等）の妥当性，適用範囲を評価する。

2.3.4 電極に関する技術開発

① 電極材料の侵食緩和方策の評価【原子力機構】

候補となる電極構造と配置検討から想定される表面電流密度および温度分布をパラメータに，

他電極候補材料も含めた通電侵食試験を行い，電極構造・仕様検討に必要な電極表面温度や電

流密度と侵食速度との関係を把握する。

② 電極構造・配置の検討【IHI】

通電状態，発熱分布及び温度分布等を解析し，電極構造の最適化検討を行う。

2.3.5 炉底構造・流下機構に関する技術開発

① 粒子状物質の挙動評価【原子力機構】

溶融ガラス流下機構及び流下条件に関係する粒子状物質挙動基礎データを取得する。

② 炉底構造・流下機構の検討【IHI】

溶融ガラスの流下機構及び炉底構造について解析評価及び構造検討を行う。

2.3.6 シミュレーション技術の開発

長寿命ガラス溶融炉の高度化機能及び各特性（温度分布，電位・電流密度分布，ガラス流動

等）を解析するコードを検討・構築する。

2.3.7 小型試験炉の設計検討

小型炉の試験計画の検討及び小型炉試験装置の仕様を設定する。

2.3.8 適用性評価及び検証試験

2007 年度（平成 19年度）から実施

2.3.9 技術レビュー

全体的な技術レビュー・助言を行う。【担当：埼玉大／原子力機構】

5

3. 成果の概要

3.1 長寿命ガラス固化溶融炉の基本性能の検討

本年度研究では，平成 17 年度の検討で成立性が高い長寿命化技術とされた「炉壁冷却」及び

「可換式電極」構造に加え，長寿命化に伴い強化が求められる，流下性向上のための炉底部構造

（傾斜角度の増加等）や処理能力向上のための溶融面積拡大等を考慮した候補炉形式の基本仕様

ならびに構造を検討し，比較評価のリファレンスとなる現行 TVF2 号炉と候補炉形式の 3次元熱

流動解析を行い，候補炉形式の基本性能の比較評価を実施した。

(1) 得られた成果

① 候補炉形式の基本仕様及び構造の設定結果

基本性能の比較評価に用いた候補炉形式の基本仕様及び構造を表 3.1-1 に示す。

② 候補炉形式の熱流動解析結果

3 次元熱流動解析で得られた，現行 TVF2 号炉及び候補炉形式の温度分布及び電極表面電流密

度分布を表 3.1-2 に示す。

熱流動解析においては，基本特性の比較評価のため，ガラス最高温度（主電極レベル）を約

1150～1200℃，炉底部の補助電極高さ位置のガラス温度が炉底低温運転を維持するために 850℃

程度となるよう，電力投入量，主電極及び炉壁冷却の条件を調整し，基本となる温度分布及び電

極表面電流密度等の比較検討を行った。

③ 候補炉形式の基本性能の比較評価結果

比較評価のリファレンスとなる現行 TVF2 号炉と候補炉形式の 3 次元熱流動解析を行い，候補

炉形式の基本性能の相対比較を実施した。

基本性能の評価項目としては，処理能力，炉壁及び電極侵食，粒子状物質対策，解体廃棄物量

低減，実機適用性，コスト評価を挙げた。表 3.1-3 に示す基本性能の比較評価結果より，「円柱

円筒電極，円錐型炉底，勾配 60°」を基本炉形式として選定した。

(2) 実施計画の見直しの要否と今後の予定

・計画通り進んでいる。

・次年度は選定した基本炉形式について実用炉の概念設計，仕様設定に反映させる。

6

表 3.1-1 候補炉形式の基本仕様及び構造

電極上部挿入リファレンス

（現行 TVF2 号） 平板 丸棒 円柱円筒

概念図

特徴

溶融槽は四角錐，傾斜角度 45°。電極は

横挿入の水平対向型である。炉壁冷却機

構は存在しない。

溶融槽は粒子状物質抜き出し性向上を狙

って円筒，傾斜角度 60°としている。平

板型の電極を上部から挿入する構造だ

が，リファレンスと同じく水平対向型で

ある。耐火物内部に冷却機構を付加して

いる。

溶融槽は粒子状物質抜き出し性向上を狙

って円筒，傾斜角度 60°としている。丸

型の電極４本を上部から挿入する構造

で，リファレンスからは通電経路を大幅

に変更している。耐火物内部に冷却機構

を付加している。

溶融槽は粒子状物質抜き出し性向上を狙

って円筒，傾斜角度 60°としている。中

心に円柱型，溶融槽側に円筒型の電極を

上部から挿入する構造で，リファレンス

からは通電経路を大幅に変更している。

耐火物内部に冷却機構を付加している。

電極構造 側面＿平板 上部挿入＿平板 上部挿入＿丸棒 4本 上部挿入＿円柱円筒

溶融槽形状 四角柱 円筒 円筒 円筒

炉底形状 四角錐 円錐 円錐 円錐

炉底傾斜角度 45°／53.45° 60° 60° 60°

接液部炉壁材質･寸法 K-3／150mm 比較評価のため K-3／150mm で統一 比較評価のため K-3／150mm で統一 比較評価のため K-3／150mm で統一

炉壁冷却機構 なし 有り 有り 有り

補助電極位置底部電極 88.5mm 上 φ99.5mm 比較評価のためリファレンスと同じ。

底部電極 88.5mm 上 φ99.5mm

比較評価のためリファレンスと同じ。

底部電極 88.5mm 上 φ99.5mm

比較評価のためリファレンスと同じ。

底部電極 88.5mm 上 φ99.5mm

流下方式 直接通電 ボトムフロー 直接通電 ボトムフロー 直接通電 ボトムフロー 直接通電 ボトムフロー

流下前加熱方式 補助間通電+主ノズル間通電 補助間通電+主ノズル間通電 補助間通電+主ノズル間通電 補助間通電+主ノズル間通電

基本仕様・構造

溶融面積830mm×800mm⇒0.664ｍ2 比較評価のためリファレンスと同じ。

0.664m2（電極挿入部面積含まず）

比較評価のためリファレンスと同じ。

0.664m2（電極挿入部面積含まず）

比較評価のためリファレンスと同じ。

0.664m2（電極挿入部面積含まず）

7

表 3.1-2 候補炉形式の解析結果（温度分布／電極表面電流密度）

電極上部挿入リファレンス

（現行 TVF2 号） 平板 丸棒 円柱円筒

温度分布

★3★1

★2

温度(℃)

★3

★1

★2

★3

★1

★2

★3

★1

★2

ガラス温度（主電極レベル） 約 1160℃ 約 1150℃ 約 1180℃ 約 1160℃

炉底部ガラス温度★1 約 960℃ 約 870℃ 約 930℃ 約 790℃

プレナム部温度★2 約 480℃（平均 470℃） 約 620℃（平均 600℃） 約 630℃（平均 600℃） 約 670℃（平均 660℃）

温度

耐火物表面（傾斜面）★3 約 940℃ 約 980℃ 約 980℃ 約 860℃

電極表面電流密度分布

電極表面積（通電有効面積） 0.24m2/本

（電極上端の水平部分含む）

0.28m2/本 0.21m2/本 円柱：0.21m2/本

円筒：0.84m2/本

電極表面電流密度

※解析上のｶﾞﾗｽ温度の違いによる比抵抗

の差を補正しリファレンスに合わせ

た。

（平均）：2250 A/m2

（最大）：6700A/m2

（平均）：1980A/m2

（最大）：3750A/m2

（平均）：3800 A/m2

（最大）：5190 A/m2

（平均）：4880A/m2（円柱）

：1250 A/m2（円筒）

（最大）：5900A/m2（円柱）

：3600 A/m2（円筒）

電極表面温度

※ ガラス温度補正をした。

（ ）内は解析生値

最高温度 約 1130℃ 最高温度 約 1130℃（約 1120℃） 最高温度 約 1160℃（約 1180℃） 円柱最高温度 約 1140℃

円筒最高温度 約 1080℃

最大電流密度最大電流密度 最大電流密度最大電流密度

最大電流密度最大電流密度

最大電流密度

最大電流密度

最大電流密度

最大電流密度

8

表 3.1-3 候補炉形式の基本性能の比較評価まとめ表（1／2）（概略版）

電極上部挿入項 目

平板 丸棒 円柱円筒

溶融槽／炉底構造／炉底勾配 円柱／円錐／60° 円柱／円錐／60° 円柱／円錐／60°

処理能力 ○

2

リファレンスの 15％増 ○

3

リファレンスの 12％増 ◎

1

リファレンスの 20％増

○

2

炉壁冷却・炉底構造によりリファレンスより耐火物

温度は低下する傾向にある。詳細な評価は基礎試験

データと選定炉に対する詳細解析で実施する。

○

2

炉壁冷却・炉底構造によりリファレンスより耐火物

温度は低下する傾向にある。詳細な評価は基礎試験

データと選定炉に対する詳細解析で実施する。

◎

1

炉壁冷却・炉底構造によりリファレンスより耐火物

温度は低下する傾向にあり 3 ｹｰｽ中で最も顕著であ

る。詳細な評価は基礎試験データと選定炉に対する

詳細解析で実施する。

炉壁侵食対策

全ケース共通

―

炉壁の冷却効率を向上させる観点から金属壁を採用することが考えられるが，炉底傾斜部を金属壁にする場合は，流下前加熱時/流下時において従来の

直接通電方式が採用できないことから，外部加熱方式を導入することが考えられる。しかしながら外部加熱方式は実績がほとんどないことから成立性

を含め全面的な技術開発が必要となる。

電極侵食対策／解体廃棄物量 ○

2

電極表面温度，電流密度がリファレンスと同程度で

あり交換頻度が 5年と評価できる。

○

3

電極表面温度，電流密度がリファレンスと同程度で

あり交換頻度が 5年と評価できる。

○

1

円柱電極については電極表面温度，電流密度がリフ

ァレンスと同程度であり交換頻度が 5 年と評価で

きる。円筒電極については電極表面温度が低い傾向

であり，基礎試験ﾃﾞｰﾀにより評価できる交換頻度が

1回/20 年とすることができれば◎

沈降抑制 ○

2

リファレンスよりも炉底温度が低下し易く粒子状

物質沈降抑制のための炉底低温運転がし易い。

○

3

リファレンスよりも炉底温度が低下し易く粒子状

物質沈降抑制のための炉底低温運転がし易い。

◎

1

リファレンスよりも炉底温度が低下し易く粒子状

物質沈降抑制のための炉底低温運転がし易い。3 ｹｰ

ｽ中で最も炉底温度が低下しやすい。

― 炉底温度の過冷却を防止するため補助電極通電に

よる保持運転が従来炉以上に必要となる。粒子状物

質の抜き出し性については基礎試験及び詳細な解

析による確認が必要である。

― 炉底温度の過冷却を防止するため補助電極通電に

よる保持運転が従来炉以上に必要となる。粒子状物

質の抜き出し性については基礎試験及び詳細な解

析による確認が必要である。

― 炉底温度の過冷却を防止するため補助電極通電に

よる保持運転が従来炉以上に必要となるに加え，流

下のための入熱が最も必要となる。粒子状物質の抜

き出し性については基礎試験及び詳細な解析によ

る確認が必要である。

粒子状物質対策

抜き出し

全ケース共通

―

炉壁の冷却効率を向上させる観点から金属壁を採用することが考えられるが，炉底傾斜部を金属壁にする場合は，流下前加熱時/流下時において従来の

直接通電方式が採用できないことから，外部加熱方式を導入することが考えられる。その場合，成立性を含め技術開発が必要となる。

◎：リファレンスより優れており，他のケースよりも優れている。 ○：リファレンスと同程度かそれ以上，または課題解決によりリファレンスと同程度かそれ以上の性能を達成できる見通しがある。

△：リファレンスよりも劣る。または課題が多い。 ×：成立する見込みがかなり小さい。 ―：成立性が不明。

機能として優劣を順位で記載した。1：最も優れている～3：最も劣っている。差がないと考えられるものは同順とした。

9

表 3.1-3 候補炉形式の基本性能の比較評価まとめ表（2／2）（概略版）

電極上部挿入項 目

平板 丸棒 円柱円筒

△

1

既存プラント内に溶融炉を設置することを考慮す

ると遠隔による改造工事範囲が多く技術開発要素

が多いことに加え，寸法制限や機器取り合い等によ

る制約が多く仕様（処理能力など）を限定される可

能性が高い。また上部挿入方式電極の耐震性の確保

など技術的な課題がある。

×

3

既存プラント内に溶融炉を設置することを考慮す

ると遠隔による改造工事範囲が多く技術開発要素

が多いことに加え，寸法制限や機器取り合い等によ

る制約が多く仕様（処理能力など）を限定される可

能性が高い。

また上部挿入方式電極の耐震性の確保など技術的

な課題がある。

本ケースでは新規にブスバーラインを敷設する

必要があるが，実機プラントには新規ブスバーライ

ンを敷設するためのセル壁予備貫通プラグや使用

中でも改造するための適切な貫通プラグがないた

め，実質的には現行プラントへの適用性はない。

（セル壁の貫通工事を実施し，新規貫通プラグを設

置する案が考えられるが，現実的に不可能）

△

2

既存プラント内に溶融炉を設置することを考慮す

ると遠隔による改造工事範囲が多く技術開発要素

が多いことに加え，寸法制限や機器取り合い等によ

る制約が多く仕様（処理能力など）を限定される可

能性が高い。

また上部挿入方式電極の耐震性の確保など技術的

な課題があり，原料供給ラインの改造，炉天板上の

機器配置変更幅も多く課題は多い。

実機適用性

全ケース共通

－

炉壁の冷却効率を向上させる観点から金属壁を採用することが考えられるが，炉底傾斜部を金属壁にする場合は，流下前加熱時/流下時において従来の

直接通電方式が採用できないことから，外部加熱方式を導入することが考えられる。その場合，成立性（流下性，構造成立性）を含め技術開発が必要

となる。

コスト ○

1

20 年間の運転でリファレンスよりも 96～120 億円

のコスト削減が期待できる。

○

1

20 年間の運転でリファレンスよりも 94～118 億円

のコスト削減が期待できる。

○

2

20 年間の運転でリファレンスよりも 80～190 億円

のコスト削減が期待できる。

類似炉の実績 ○

1

平板水平対向通電方式という観点ではリファレン

スと同じであり，多くのデータが流用できる可能性

がある。

△

3

4 本電極対向通電方式の類似炉はない。 △

2

JAEA殿の研究設備で JCEMという円柱円筒炉があり

過去に一時期，開発されていたことがある。

◎：リファレンスより優れており，他のケースよりも優れている。 ○：リファレンスと同程度かそれ以上，または課題解決によりリファレンスと同程度かそれ以上の性能を達成できる見通しがある。

△：リファレンスよりも劣る。または課題が多い。 ×：成立する見込みがかなり小さい。 ―：成立性が不明。

機能として優劣を順位で記載した。1：最も優れている～3：最も劣っている。差がないと考えられるものは同順とした。

10

3.2 高レベル固化ガラスの特性把握

3.2.1 HLW組成調査

本年度は，前年度に引き続き，長寿命ガラス溶融炉の処理対象廃棄物として想定される高燃焼度

使用済燃料等の廃液などについて固化ガラス組成とその変動範囲を整理した。

(1) 得られた成果

① 処理対象HLWの設定結果

処理対象 HLW 組成の調査・検討の対象と

した範囲は，東海再処理施設（TRP）の廃液

（PWR 燃料（現設計値），高燃焼度燃料，

ATR-MOX燃料），六ヶ所再処理工場（RRP）の

廃液（PWR燃料（現設計値），高燃焼度燃料，

プルサーマル-MOX燃料），FBR再処理施設の

廃液（FBR 燃料）の計8ケースとした。HLW

組成は，再処理施設の設計仕様に基づく条

件と燃焼崩壊計算コードORIGEN-2の計算結

果から設定した。表 3.2.1-1 に計算条件を

示す。

② 想定固化ガラス組成の範囲の設定結果

前項で調査・検討した8

ケースの HLW 組成を基に

発熱量による制限（ガラ

ス固化時 1.4kW／キャニ

スタ，又は2.3kW／キャニ

スタ）を考慮した場合で

の想定固化ガラス組成の

範囲について評価した。

表 3.2.1-2 に得られた固

化ガラス中の廃棄物含有

率，核分裂生成物含有率，

白金族元素含有率の結果

を示す。

表3.2.1-1 ORIGEN-2計算条件

再処理施設 処理対象燃料 炉型燃焼度

（MWD/t）比出力（MW/t）

燃料形態U-235の濃縮度

設計基準燃料 PWR 28000 35 UO2 4.0%

高燃焼度燃料PWR,BWR

5500010,60

UO23.0%,4.2%

3000016, 17,18, 21

0.97%

3500020,22

0.71%

4000021,25

1.06%

設計基準燃料 PWR 45000 38 UO2 4.5%

高燃焼度燃料 PWR55000,70000

10,60

UO2 4.5%

ﾌﾟﾙｻｰﾏﾙＭＯＸ燃料 PWR45000,55000,70000

10,60

MOX 0.3wt%

ＦＢＲ－MOX燃料 FBR 150000 47.53 MOX 0.3%

ＦＢＲ－金属燃料 FBR 153000 57.95U-TRU-Zr合金

0.01%

ATR MOX

ＴＲＰ

ＲＲＰ

ＦＢＲ再処理

ＡＴＲ－ＭＯＸ燃料

表3.2.1-2 固化ガラスの組成範囲

wt%

設計基準燃料

高燃焼度燃料

ＡＴＲ－ＭＯＸ燃料

設計基準燃料

高燃焼度燃料

プルサーマルＭＯＸ燃料

ＦＢＲ燃料（MOX燃料）

ＦＢＲ燃料（金属燃料）

wt%

設計基準燃料

高燃焼度燃料

ＡＴＲ－ＭＯＸ燃料

設計基準燃料

高燃焼度燃料

プルサーマルＭＯＸ燃料

ＦＢＲ燃料（MOX燃料）

ＦＢＲ燃料（金属燃料）

wt%

設計基準燃料

高燃焼度燃料

ＡＴＲ－ＭＯＸ燃料

設計基準燃料

高燃焼度燃料

プルサーマルＭＯＸ燃料

ＦＢＲ燃料（MOX燃料）

ＦＢＲ燃料（金属燃料）

全廃棄物含有率

２０ ２５ ３０

ＴＲＰ

ＴＲＰ

１０ １５

ＲＲＰ

ＦＢＲ

ＲＲＰ

ＦＢＲ

核分裂生成物の含有率

５

１ ２ ３

白金族元素含有率

ＴＲＰ

ＲＲＰ

ＦＢＲ

11

3.2.2 溶融ガラス物性評価

前項で調査・検討した再処理施設毎（TRP，商業再処理施設，FBR 燃料再処理施設）に抽出し，そ

の「粘性」，「比抵抗」等の基礎物性値を取得して温度との関係式に整理した。

(1) 得られた成果

① 粘性測定結果

処理対象固化ガラスの粘性測定結果を図

3.2.2-1に示す。TRPと商業再処理施設の固化

ガラス組成では，発熱量の制限により廃棄物

含有率が低い組成では粘性が高い傾向が認め

られた。FBR燃料再処理施設の固化ガラス組成

では，廃棄物含有率の変動幅が比較的小さい

ため，白金族元素含有率が高い組成のガラス

の方が粘性は高かった。

② 比抵抗測定結果

比抵抗測定結果を図3.2.2-2に示す。

各固化ガラスを比較すると，白金族元素含

有率が高い組成のガラスの方が比抵抗は低く

なる。

③ 固化ガラス特性データの反映

上記の「粘性」及び「比抵抗」の測定結果

については，熱流動解析コードに入力するデ

ータとして，また溶融炉各部構造を検討する

際の条件範囲として反映した。

(2) 実施計画の見直しの要否と今後の予定

・計画通り進んでいる。

・次年度は，「粘性」「比抵抗」の変動について，「粒子状物質の濃度，形状，粒度分布との関係」「結晶

化影響」などの要因の影響を調査しデータを整備する。

TRP の標準的な固化ガラス組成の粘性

図3.2.2-1 処理対象固化ガラスの粘性の温度依存性

図3.2.2-2 処理対象固化ガラスの比抵抗の温度依存性

TRPの標準的な固化ガラス組成の比抵抗

12

3.3 長寿命炉壁に関する技術開発

スカル層による侵食抑制機能の評価とスカル層を形成する最適な温度条件の検討を実施し，長寿

命化の見通しを得る。

3.3.1 スカル層による侵食抑制機能評価

設計寿命を達成する炉壁温度の条件設定と候補耐火物の選定に資するため，スカル層（低温高粘

性ガラス層）による侵食抑制効果について，炉壁耐火物／溶融ガラス温度及び時間をパラメータと

して侵食試験を行うとともに，スカル層形成に伴う冷却を想定した耐熱衝撃性試験を行った。

(1) 得られた成果

① 耐火物の物性データ整備と候補耐火物の選定結果

一般産業界におけるガラス溶融炉では，耐侵食性が比較的高くかつ溶融ガラスに対して基本的に

不活性なジルコニウム系(アルミナ―ジルコニア系を含む)の耐火物が多く使用されている

[1],[2],[3],[4],[5]。スラグなどを扱う溶融炉では，スラグによる腐食を防止する観点からクロム含有耐火

物が多く使用されてきた[5]。長寿命炉用の耐火物として，実現性を見通すことができる候補材料と

して，これら実績を有するものの中から，以下の耐火物を選定した。これらの組成，物性を表3.3.1-1

に示す。

・クロミア－アルミナ系耐火物 Monofrax K-3(以下，K-3)

・ジルコニア－アルミナ－シリカ(AZS)系耐火物 サンゴバンTM社 SCIMOS CS-5(以下，CS-5)

・ジルコニア系耐火物 サンゴバンTM社 SCIMOS Z (以下，Z)

・ジルコニア系耐火物 サンゴバンTM社 SCIMOS CZ (以下，CZ)

② 候補耐火物の静的侵食速度の評価試験結果

現行炉の接液耐火物として採用してきたK-3，CS-5及び上記で選定したZおよびCZの4種類の耐

火物について，スカル層形成温度として想定される700～1000℃の範囲での侵食試験を実施し，温度

表3.3.1-1 候補耐火物材料の組成，電気抵抗・機械強度

K-3 CS-5 Z CZ名 称

ｸﾛﾐｱ-ｱﾙﾐﾅ AZS ジルコニア ジルコニア

Al2O3 58 45.40 0.60 0.60

SiO2 2 13.0 4.10 4.10

CaO 0.01 0.10

MgO 6 0.01 0.10

Cr2O3 28

ZrO2 40.0 93.8 93.8

Fe2O3 6 (FeO) 0.04 0.20 0.03

Na2O 1.50 0.30

TiO2 0.04 0.40 0.05

B3O3 0.50 0.60

化学

組成

[wt%]

その他 ＜ 1

電気抵抗(900℃) [Ω･cm] 1000以上 約300 約8000 10000以上

圧縮強さ[kg/cm2] 28000 49000 45000 45000

13

依存性，時間依存性について評価した。図 3.3.1-1 並びに図 3.3.1-2 に試験状況を，表 3.3.1-2 に

試験条件を示す。

本概要版報告書での評価データ

a：「a) 侵食速度の温度依存性」，b：「b) 侵食量の時間依存性」c：「c) 材料による侵食速度の比較」，

○：他の実施条件

a) 侵食速度の温度依存性

K-3 及び CS-5 の 700～1000℃における 2週間の浸漬試験の結果，いずれの耐火物にも顕著な侵食

が認められなかった。しかし，耐火物の表面にはそれぞれ変色を呈する層（以下「変色層」という）

が現れ，この部分を分析した結果，耐火物成分であるAl2O3などの溶融ガラスへの溶脱が認められた。

変色層厚さと温度の逆数との関係を図 3.3.1-3 に示す。図より，変色層の厚さはいずれの耐火物と

も温度に対しアレニウス型の傾向を示し，保守的に変色層から侵食量を評価すると，K-3は CS-5 よ

りも高い耐食性を有していると考えられる。

図 3.3.1-4 に示す K-3 における変色層の

SEM/EDX による元素分析の結果からは，Cr

の骨格が維持されているが，耐火物からの

Al2O3 の溶脱とガラス成分からの Si の浸入

が認められた。一方，図3.3.1-5に示すCS-5

の元素分析の結果，ZrO2 の骨格が維持され

ているが，K-3の場合と同様に耐火物からの

Al2O3 の溶脱とガラス成分からの Si の浸入

が認められた。

1200℃ a, c c c c

1000℃ a a ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○

900℃ a a ○ ○ b b ○ ○ b b

800℃ a a ○ ○ ○ ○ ○ ○

700℃ a a ○ ○ ○ ○

耐火物 K-3 CS-5 Z CZ K-3 CS-5 Z CZ K-3 CS-5 K-3 CS-5

時 間2週間

(336時間)

1ヶ月

(672時間)

3ヶ月

(2016時間)

5ヶ月

(3360時間)

試験片(耐火物)

アルミナるつぼ(700～900℃)白金るつぼ(1000℃)

ガラス融液

20mm

18mm

30mm

5

図3.3.1-1 耐火物試験片の浸漬状況 図3.3.1-2 電気炉内の設置状況

表3.3.1-2 耐火物侵食試験条件(試験a～c)変色層厚さ[μm]

温 度 [10-4X(1/T)]

1

10

100

6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 10.5

K-3CS-5

10001200 900 800 700温度[℃]

変色層厚さ[μm]

温 度 [10-4X(1/T)]

1

10

100

6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 10.5

K-3CS-5

10001200 900 800 700温度[℃]

1

10

100

6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 9.5 10.0 10.5

K-3CS-5

10001200 900 800 700温度[℃]

図3.3.1-3 変色層の生成速度の温度依存性

(2週間試験データ)

14

b) 侵食量の時間依存性

図 3.3.1-6 に 700～1000℃における K-3

及びCS-5の変色層厚さの時間依存性をまと

めた。各条件とも，変色層厚さが時間の平

方根に対して概ね直線関係を示した。例え

ば年間 300 日の溶融炉の運転を行うとし，

長寿命炉の目標とする寿命である 20 年間

( 400=t ，t=24×300×20)の侵食量を図よ

り外挿すると，900℃の条件にて，K-3 で約

4mm，CS-5で約6mmと見積もることができる。

しかしながら，実際の溶融炉には溶融ガラ

スの熱流動や昇温・降温の繰り返しがある

ことから，今後これらの条件による侵食速度についても評価を行う必要がある。

c) 材料による侵食速度の比較

800～1200℃，2週間におけるK-3，

CS-5，Z及び CZの侵食試験を行っ

た。1200℃では，K-3を除き顕著な

侵食が認められたが， 1000℃以下

ではいずれの耐火物でも侵食が認

められなかった。1200℃における

各耐火物の侵食量及び侵食速度を

図3.3.1-7に示す。この結果，K-3

には侵食は認められなかったが，CS-5は0.1mm/日，Z，CZは0.05mm/日程度の侵食速度を示した。

二次電子像 Al

Si Cr

二次電子像 Al

Si Zr

ガラス

耐火物

ガラス

耐火物

図3.3.1-4 元素分析の結果(×100)

K-3，1000℃，336時間，336時間(2週間)

図3.3.1-5 元素分析の結果(×100)

CS-5，1000℃，336時間(2週間)

図 3.3.1-7 耐火物材料による侵食速度の比較

0

0.25

0.50

0.75

1.00

1.25

1.50

K-3 CS-5 Z CZ

耐火物種類

侵食量[mm]

0

0.05

0.10

0.15

侵食量

侵食速度 侵食速度[mm/日]

侵食が認められない

0

0.25

0.50

0.75

1.00

1.25

1.50

K-3 CS-5 Z CZ

耐火物種類

侵食量[mm]

0

0.05

0.10

0.15

侵食量

侵食速度

侵食量

侵食速度 侵食速度[mm/日]

侵食が認められない

図 3.3.1-6 900℃における変色層の厚さの時間依

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0 10 20 30 40 50 60 70時 間[t1/2]

変色層厚さ[mm]

K-3、900℃CS-5、900℃

2週間 1ヶ月 5ヶ月

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0 10 20 30 40 50 60 70時 間[t1/2]

変色層厚さ[mm]

K-3、900℃CS-5、900℃K-3、900℃CS-5、900℃

2週間 1ヶ月 5ヶ月

図3.3.1-6 900℃における変色層の厚さの時間依存性

図3.3.1-7 耐火物材料による侵食速度の比較

15

③ 候補耐火物の耐熱衝撃性評価試験結果

候補材料である K-3，CS-5，CZ について，長寿命溶融炉の想

定温度範囲での耐熱衝撃性について，「JIS 2657 耐火れんが及

び耐火断熱れんがのスポーリング試験方法」を参考とした耐熱

衝撃試験を実施した。試験条件を以下に示す。また，試験の状

況を図3.3.1-8に示す。

表3.3.1-3に結果を示す。条件1では，K-3は3回目の熱サイ

クルで破断し，CS-5は，7回目の熱サイクルで破断した。CZに

ついては亀裂が発生し，その後の熱サイクルに伴い亀裂深さの

進展が認められたが，10 回目の熱サイクル後でも破断は生じな

かった。これより，耐熱衝撃性について，CZ＞CS-5＞K-3 の順

に高い傾向が示された。また，条件2では，10回の熱サイクル

後において，全ての材料について，破断はもとより，亀裂も生

じなかった。本結果より，長寿命ガラス溶融炉で想定される温

度，熱サイクル条件ではいずれの耐火物でも適用の見通しを有すると考えられる。

表3.3.1-3 耐火物の耐熱衝撃試験

耐火物 温度条件 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

K-3 △ △ ×

CS-5 △ △ △ △ △ △ ×

CZ

条件１

1100℃×15min

炉外冷却×15min △ △ △ △ △ △ △ △ △ △

K-3 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○

CS-5 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○

CZ

条件2

1100℃×15min

800℃×15min ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○

評価： ○：亀裂等の外観上変化なし，△：亀裂が見られる，×：脱落等により試験終了

④ 候補耐火物の評価結果のまとめ

侵食試験，耐熱衝撃試験の結果，候補耐火物全てについて炉壁温度 1000℃程度以下において侵食

を抑制できる見込みがあり，変色層厚にて保守的に評価を行った場合，900℃程度以下の条件にて20

年間における侵食量を 1cm 以内にできる見通しが得られた。現在，1000℃における長期侵食試験試

料を評価中であり，これらの結果から高温領域における20年間の耐久性の見通しを明らかにしてい

く。高ジルコニア耐火物のZ，CZはK-3に次いで耐食性に優れ，耐熱衝撃性はK-3などよりも高く，

有力な候補耐火物であることが確認された。

(3) 実施計画の見直しの要否と今後の予定

・計画通り進んでいる。

・次年度は耐火物の設計寿命を評価するため，引き続き，スカル層形成温度における「長期静的侵

食試験（時間・ガラス組成・材料）」や「動的侵食試験（気液界面・エロージョン・熱サイクル

負荷）」を行い，侵食速度データを整備する。同時に，「実使用条件による耐熱衝撃性試験（温度

勾配・熱サイクル・昇降温速度）」等の試験を行い，設計寿命を評価する。

図3.3.1-8 耐熱衝撃試験の状況

(上：外観，下：電気炉内部の様子)

16

3.3.2 スカル層形成制御技術の検討

開発候補炉形式に対して，目標とする炉壁表面温度を達成するスカル層形成条件および炉壁冷

却システムについて，熱流動解析コード（FLUENT）を用いた電位・熱流動解析により検討した。

(1) 得られた成果

① 開発候補炉形式に対する成立条件の整理結果

図 3.3.2-1 に検討中の炉底傾斜部

の構造（例）を示す。

目標とする炉壁表面温度を達成す

るスカル層形成条件について検討を

行う条件の範囲を表 3.3.2-1 にまと

めた。

熱流動解析にあたっては，比較的

高温条件において侵食抑制が期待で

きる K-3 を耐火物炉壁の対象として，

バックアップとして金属炉壁を対象

として検討した。冷却方式について

は，冷媒の漏洩時の安全性確保に考

慮して空冷方式を基本として検討を

進めた。

表 3.3.2-1 スカル層形成条件の検討範囲

設定項目 耐火物炉壁の場合 金属炉壁の場合

炉壁表面温度（目標） 800～900℃ 800～900℃

炉壁材質 K-3 NCF-690

炉壁厚さ 75mm～275mm 20mm～50mm

腐食代 20mm～200mm 10mm～30mm

バックアップ層材質 CS-5 MRT-70K

バックアップ層厚さ 50mm 20mm

炉壁構造

炉壁冷却構造 上下2段 上下2段

冷却空気量 最大60N/m2 最大60N/m2

冷却空気流速 最大20m/s 最大20m/s

入口温度 40℃ 40℃

冷却条件

出口温度 400℃以下 400℃以下

② スカル層形成条件の検討結果

a) 目標炉壁温度に対する成立条件範囲

表 3.3.2-2 に示す解析結果より，炉底傾斜部上部の主電極近傍の表面温度分布は約 1000～

1100℃であり，電極など高温部から熱の回り込みがあるため，炉壁上部の冷却を強化しても炉壁

全体を 1,000℃以下まで冷却することは困難であるとの見通しである。さらなる過剰な冷却は，

溶融炉のガラス温度の低下や処理能力の低下を生じる可能性が高いため，控えることが望ましい

と考える。このため，炉壁温度条件は全体的に 1000℃以下とするが，一部，炉底傾斜部上部温

円柱電極

スカル層

※スカル層：高粘性流体

⇒保護膜の役割

電極冷却構造

円筒電極

下部炉壁冷却構造

上部炉壁冷却構造

図 3.3.2-1 炉底傾斜部の冷却構造（例）図 3.3.2-1 炉底傾斜部の冷却構造（例）

17

度を約 1100℃であることを評価した場合，侵食による消耗量を想定して設計侵食代を厚くする

などの対策を講じる必要がある。

表 3.3.2-2 熱流動解析結果（炉底傾斜部の温度分布）

炉底傾斜部全体 炉底傾斜部上部（拡大）

温度分布

b) 炉壁厚さに対する成立条件範囲

炉壁厚さが、耐火物炉壁は「75mm」と「150mm」、金属炉壁は「30mm」と「50mm」の場合につい

て、スカル層形成条件の検討を実施した。

c) 炉壁材質に対する成立条件範囲

炉壁材質が、耐火物（K-3)と金属（NCF690)の場合について，スカル層形成条件の検討を実施

した。金属炉壁では耐火物炉壁よりも冷却量が必要であり，炉底ガラス温度が高めになる傾向が

確認された。

d) 処理対象物変動に対する成立条件範囲

処理対象となる廃棄物が、現行燃料と将来燃料の場合について、スカル層形成条件の検討を実

施した。

③ 炉壁冷却システムのまとめ

解析の結果，炉底傾斜部上部の主電極近傍の表面温度分布は約 1000～1100℃であり，これら

一部の領域は 1000℃程度以下まで冷却することは難しい。よって，炉壁温度は一部約 1000～

1100℃の条件で設計することとし，侵食による消耗量を想定して，侵食代を厚くするなどの対策

を講じる必要がある。

(2) 実施計画の見直しの要否と今後の予定

・計画通り進んでいる。

・今後の課題としては，別途実施している耐火物の炉壁材質の侵食試験結果を反映し，適切な

炉壁厚さなど炉壁構造の詳細な最適化検討を実施する必要がある。

18

3.4 電極に関する技術開発

3.4.1 電極材料の侵食緩和方策の評価

本章では，候補電極材料の絞り込みを行うため，溶融ガラスに対する通電侵食試験を行い実現性

の評価を行った。また，耐火物炉壁のバックアップ用として検討した金属製炉壁を想定した場合の

スカル層による侵食抑制効果を確認するため，無通電での侵食試験を行った。

(1) 得られた成果

① 電極材料の高温物性データ整備と候補電極材料の選定結果[1],[2],[3],[4],[5]

現行のガラス固化溶融炉の最高使用温度は 1200℃であるため，長寿命炉における電極材料の融点

はこれよりも十分に高いことが望ましい。また，クロム濃度を30wt%程度まで含有した合金では，溶

融ガラスに対し非常に高い耐食性を示すことが知られている。日本及び海外でも使用実績のある

NCF690，これに近い組成で機械的強度等の改善が計られているINCONEL693，RS311，高温材料として

開発されたMA754を候補金属材料として選定した。表3.4-1に候補材料の化学組成を示す。

・INCONEL600系ニッケル合金 ： NCF690（JIS）

・INCONEL600系ニッケル合金 ： INCONEL 693TM

・ガラス溶融炉用Ni-Cr-Co系合金 ： RS311（JAEA開発材料）

・酸化物分散強化型合金(ODS) ： MA754TM

NCF690 INCONEL693 RS311 MA754

INCONEL600系ニッ

ケル合金

INCONEL600系ニッ

ケル合金

ガラス溶融炉用

Ni-Cr-Co系合金

酸化物分散強化

型合金(ODS)

Ni 58.0 min Remainder Remainder 78

Cr 27.0-31.0 27.0-31.0 31.94 20

Fe 7.0-11.0 2.5-6.0 0.05 1.0

Co － － 31.20 －

Al － 2.5-4.0 － 0.3

C 0.05 max. 0.15 max. 0.01 0.05

Si 0.50 max. 0.5 max. 0.02 max. －

Mg 0.50 max. 1.0 max. － －

S 0.015 max. 0.01 max. － －

Nb － 0.5-2.5 － －

Ti － 1.0 max. － 0.5

Cu 0.50 max. 0.5 max. － －

Mn － － 0.01 max. －

Y － － 0.07 －

組成

[wt%]

Y2O3 － － － 0.6

表3.4-1 候補電極材料の化学組成

19

② 候補電極材料通電侵食速度の評価試験結果

電極材料における寿命評価は，設計腐食代の決定

及び交換時期の決定に対して最重要項目となる。

選定したNCF690，INCONEL693，RS311に対し，1200℃

にて電流密度をパラメータとした通電侵食試験（0～

5A/cm2）を実施し，耐侵食性の比較を行った。また，

NCF690 に対しては，侵食速度の温度依存性を確認

するため，無通電による侵食挙動の比較を行った。

試験試料を図3.4-1に示す。

a) 候補電極材料侵食速度の電流密度依存性

図 3.4-2 に通電侵食試験の結果を示す。現行の

ガラス溶融炉の通常運転範囲としている 0～

1.0A/cm2 以下の低電流密度領域においては，各材

料とも同程度の侵食量となった。しかし，高電流

密度領域である3.0～5.0A/cm2において，RS311の侵

食量が最も低く，耐食性に優れていた。

無通電条件（電流密度：0A/cm2）での反射電子像（BSE

写真）を図 3.4-3 に示す。ガラスとの界面は，全面

的に侵食していた。また，試料と溶融ガラスとの界

面近傍（図中に赤線にて示した範囲）に酸化クロム

層が生成しているのが確認された。侵食量は，

INCONEL693 が最も大きく，RS311，NCF690 の順に少

ない結果を示した。

b) 侵食速度の溶融ガラス温度依存性

図3.4-5にNCF690を対象として溶融ガラス温

度をパラメータとした浸漬試験結果を示す。900

～1000℃にかけて顕著な侵食速度の差が認めら

れる。しかしながら，溶融ガラス温度が 1000℃

以下であれば，腐食代として50mmを設定した場

合の設計寿命20年に相当する設計侵食速度8μ

ｍ/日を達成する見通しが得られた。

図3.4-1 試験試料の外観

図3.4-3 各試験材料BSE写真（浸漬試験）

INCONEL693

ガラス

電極材

NCF690 RS311

電極材

ガラス

電極材

図3.4-5 NCF690における溶融

ガラス温度に対する侵食速度

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

700 800 900 1000

溶融ガラス温度（℃）

侵食速度（μm/日）

図3.4-2 電流密度に対する侵食速度

0

100

200

300

400

500

600

0 1 2 3 4 5電流密度（A/cm2）

侵食速度（μm/日）

NCF690

INCONEL693

RS311

20

③ 候補電極材料・金属炉壁材料の比較評価結果

低電流密度領域ではNCF690，高電流密度領域ではRS311 が最も耐食性に優れており，これら２つ

の材料を候補材料として選定した。

長寿命炉通常条件として考えられる0.5～1.0A/cm2程度の通電条件において，上記選定した2材料

においても侵食速度が数～10μm/日以下を満足することは困難であり，長寿命炉の侵食対策として

考慮している可換構造の採用は不可欠であると考えられる。

(2) 実施計画の見直しの要否と今後の予定

・計画通り進んでいる。

・本年度は溶融炉壁冷却時の静的な侵食挙動(浸漬状態，通電状態)に関する検討を中心に実施して

きた。次年度は，候補電極材料および金属炉壁材料に対して，「長期静的通電侵食試験」，「動的

侵食試験（気液界面・エロージョン・熱サイクル負荷）」，「実使用条件による耐熱衝撃性試験（温

度勾配・熱サイクル・昇降温速度）」，「高温クリープ強度評価試験」等の試験により候補電極材

料の最終選定及び設計寿命の評価を行う。

21

3.4.2 電極構造・配置の検討

開発候補炉形式である「円柱円筒型電極」に対して，電極構造及び仕様について FLUENT を使用

した熱流動・電位連成解析により検討するとと

もに，電極表面電流密度低減，発生廃棄物量低

減，コスト低減などの観点から有効な電極仕様

の最適化を行った。

(1) 得られた成果

① 電極構造に関する最適化検討範囲の整理

結果

開発候補炉形式である「円柱円筒型電極」の

概念に対して，電極構造の構造案の検討にあた

って，表3.4.2-1のとおり検討範囲を整理した。

同炉の構造例を図 3.4.2-1 に示す。

表 3.4.2-1 電極構造の検討範囲

設定項目 中央円柱電極 外部円筒電極

電極表面温度（目標） 800～1100℃ 800～1100℃

電極材質 NCF-690 NCF-690

外径 φ140 mm ～200mm φ1130mm～1160mm

接液部肉厚 40ｍｍ～75mm 30mm～60mm

接液部腐食代 30mm～50mm 20mm～50mm

気相部肉厚 20mm～50mm 20mm～50mm

気相部腐食代 25mm 10mm

接液部長さ 417mm～600 mm 417ｍｍ～600 mm

電極間距離 250 mm～420 mm 250 mm～420 mm

電極構造

冷却ジャケット厚さ φ50 mm 100 mm

冷却空気量 最大60N/m2 最大60N/m2

冷却空気流速 最大20m/s 最大20m/s

入口温度 40℃ 40℃

冷却条件

出口温度 400℃以下 400℃以下

② 電極構造・条件の検討評価結果

汎用熱流動解析コードを使用した電位・熱流動解析により成立条件を確認した。主な解析結果

を表 3.4.2-2 に示す。

a) 目標電極温度に対する成立条件範囲

円筒円柱電極方式では，現行炉と同等のガラス発熱分布を得ることが可能であることが確認で

きた。また，主電極間通電に加え，主電極－流下ノズル電極間通電を考慮しても炉内の発熱密度

分布は大きく変わらないことが電位分布解析より示された。

電極冷却

構造

円筒電極

円柱電極可換

図 3.4.2-1 円柱電極および外部円筒電極の構造（例）図 3.4.2-1 円柱電極および

外部円筒電極の構造（例）

22

表 3.4.2-2 電極構造に関する熱流動・電位連成解析の結果

外部円筒電極 円柱電極

表面電流密度分布

電極表面積（通電有効面積） 0.84 m2 0.21 m2

電極表面電流密度 平均：0.13 A/cm2

最大：0.36 A/cm2

平均：0.49 A/cm2

最大：0.59 A/cm2

電極表面温度 最高温度 約 1080℃ 最高温度 約 1140℃

b) 電極厚さに対する成立条件範囲

外部円筒電極の厚さが，「30mm」と「60mm」の場合について，電極構造・配置の成立条件の検討

を実施した。

c) 接液部長さ・電極間距離に対する成立条件範囲

円柱電極の接液部長さが，「416mm」と「516mm」の場合について，電極構造・配置の成立条件の

検討を実施した。電極の浸漬深さによる表面電流密度の緩和と底部温度上昇の傾向が確認できた。

d) 処理対象物組成変動に対する成立条件範囲

処理対象となる廃棄物が，現行燃料と将来燃料の場合について，電極構造・配置の成立条件の

検討を実施した。

③ 構造強度解析

前項に示した熱流動解析結果より得られた外部円筒電極表面の温度分布を基に，外部円筒電極

の熱応力解析を行った。解析結果より，外部円筒電極の縦方向に最大約 20mm の伸びが発生し，

上部フランジ部に高温時の伸びによる応力集中が認められた。今後実施する詳細な電極構造の設

計検討にあたっては，外部電極の熱による伸びを考慮してベローズ構造等の採用が考えられる

④ 電極構造・配置の検討のまとめ

「円柱円筒型電極」に対して，熱流動・電位連成解析により「溶融ガラス最高温度：1200℃（目

標）」，「表面電流密度：最大 1.75A/cm2 以下，平均 0.5A/cm2以下」を達成できる見通しを得た。 円柱電極の表面温度は最高約 1140℃となるため，消耗部を交換可能とする可換構造とすること

が長寿命化には必要であること，応力集中緩和の観点からの構造の検討が必要であることが確認

された。

(2) 実施計画の見直しの要否と今後の予定

・計画通り進んでいる。

・今後の課題として，電極材料の侵食試験結果を反映した電極および冷却構造の詳細な検討の実

施が必要である。

最大電流密度発生位置

23

3.5 炉底構造・流下機構に関する技術開発

これまでの LFCM 溶融炉におけるコールド試験及び実廃液の処理運転からは，ガラスへの溶解

度の低い核分裂性物質中の白金族元素が溶融ガラス中に懸濁し，高い比重により炉底に沈降，

堆積する状況が確認されている。白金族元素は電気伝導率が溶融ガラスより高いことから，堆

積の進展により新たな電流のパスを形成することにより溶融炉の加熱効率を低下する。長寿命

炉の処理対象は，白金族元素を比較的多く含む高燃焼度燃料や将来の MOX，FBR サイクルの再処

理廃液も想定しており，より長期間の安定的な運転を実現するためには，白金族元素の沈降，

堆積による炉内への残留を抑制し，流下を促進するための対策が重要な技術開発課題となる。

3.5.1 粒子状物質の挙動評価

本年度は，長寿命溶融炉における炉内ガラス状況の評価及び白金族元素の堆積抑制を図った

炉底構造の検討に資するため，過去の試験における白金族元素に関する調査検討及び炉底構造

とガラスの抜き出しに関する基礎試験を実施した。

(1) 得られた成果

① 廃液・仮焼層・溶融ガラスにおける粒子状物質変遷モデル把握結果

a） 過去の試験試料中の粒子形状及び粒度分布の整理結果

ガラス固化技術開発のためのコールド溶融炉試験より採取したガラス試料中の粒子状物質に

ついて，粒子形状及び粒度分布の調査，評価を行った。

図 3.5.1-1 に，生成粒子を走査型電子顕微鏡

にて観察した一例を示す。白金族元素は，Rh2O3

を含む針状，棒状及び粒状の RuO2粒子と，Rh 金

属を含む球状の Pd 金属粒子を主体としており，

最大数 10μm に達している。

キャニスタに流下したガラスと炉底に残留し

たガラス中の RuO2粒度分布を比較した結果，図

3.5.1-2 に示すように粒度分布が異なる結果が

示された。5μm を超える比較的大きな粒子は炉

底部に残留する傾向を示していることから，溶

融炉の運転条件等により，予め粒子サイズを小

さくするような制御が可能であれば，炉底部への残留を抑制できる見通しがある。

RuO2粒子は，HLW においては Ru 硝酸塩として存在し，溶融炉内にて加熱される過程において，

HLW の脱水や脱硝過程を経た後に約 370℃で析出すると考えられるが，詳細な析出過程は究明さ

れていない。ガラス中の Ru の溶解度が実際の含有率である 1～2wt%よりも極めて低い 0.01wt%

オーダーであり，析出した粒子に供給される Ru が溶融ガラス中に少ないこと，RuO2 の融点が

1200℃以上であることから，溶融過程における粒子の成長は限られている。一方，炉内での滞

留中における凝集等の可能性も考えられる。

図 3.5.1-1 モックアップ試験時の生成粒子

針状

棒状

粒状

球状

WD14.5mm 10μm

24

② 粒子状物質挙動評価るつぼ試験結果

a) 溶融炉内での粒子状物質濃度の推定

図 3.5.1-3 の現行の溶融炉内の温度分布並びに図 3.5.1-4 に示す流下時の白金族元素濃度プ

ロファイルの例から，流下初期に標準ガラス中の平均 RuO2 濃度よりも高い 2～3wt%程度の白金

族元素濃度のガラスが流下し，流下ガラスの 1/3 に相当する 100kg 以降は標準濃度よりも低い

RuO2濃度ガラスとなることが確認できる。

白金族元素粒子の沈降モデルをストークス則に従うと仮定すると，温度の低下に伴う粘度の

上昇により沈降速度も急激に低下することから，溶融炉内では炉底部に 2～3wt%程度 RuO2 が沈

降し濃縮され，流下初期に抜き出されていることが考えられる。

一方，数 10 バッチの処理を行った後に炉内の残留ガラスを抜き出すドレンアウト後に，炉底

部に残留したガラス中の白金族元素濃度としては，RuO2換算で最大 10wt%程度に達しているもの

も観察されており，沈降に加えて，炉内の対流や流下時のガラス流動の繰り返し等により炉底

図 3.5.1-4 流下ガラス白金族元素濃度分布図 3.5.1-3 溶融炉内温度分布

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

0 100 200 300 400

流下ガラス重量（kg)

RuO2濃度(wt%)

6ﾊﾞｯﾁ

16ﾊﾞｯﾁ

20ﾊﾞｯﾁ

26ﾊﾞｯﾁ

30ﾊﾞｯﾁ

標準ガラス濃度：0.74wt%

図 3.5.1-2 モックアップ試験時の RuO2粒子の粒度分布

残留ガラス

流下ガラス

0%

20%

40%

60%

80%

100%

d＜2 2≦d＜5 5≦d＜10 10≦d

粒子径d [μm]個数割合

流下ガラス

残留ガラス

25

及び炉壁部に徐々に白金族元素が堆積することが考えられる。

b) るつぼ試験によるガラス抜出し性の評価試験結果

前項に示したこれまでの現行炉における白金族元素の沈降堆積状況を考慮して，長期安定運

転を開発目標としている長寿命炉の白金族元素の抜き出し性に対する目標として，暫定的に

「100 バッチ処理中に白金族元素 99%以上抜き出し，最大白金族元素濃度 5wt%以下を維持」を設

定した。

本目標を達成するための条件の把握を目的として，候補炉形式の検討にて候補としている「円

錐型炉底 勾配 60° 粘性逆転流下モード」の効果について，現行炉の炉底形状である「四角

錐 45°」に加えて「円錐 45°」の 3 種類の形状について，温度（800℃～1000℃）及びガラス

中の白金族元素濃度（1.23wt%～10.45wt%）をパラメータとしたるつぼ規模の流下性試験を行っ

た。評価は，白金族元素の抜き出し率，堆積ガラス厚さ及び流下速度により行った。

各形状での抜き出し率（投入量/抜き出し量）を比較すると，四角錐 45°に比べて円錐型の抜

き出し率が高く，白金族元素濃度 3.48wt%ガラスであれば流下温度 900℃によりほぼ全量の白金

族元素の流下が可能であることが確認された。流下状況及び流下後の写真を図 3.5.1-5～6 に示

す。

流下開始時 流下中

図 3.5.1-7 に各形状の抜き出し後の炉壁堆積ガラス厚さと粘度の関係を示す。本結果からも

円錐 60°勾配炉が抜き出し性に優れていることが明らかである。

長寿命炉の候補である円錐 60°の炉底形状において，抜き出し率及び流下速度，堆積厚さ等

の結果より，流下に適した粘度は約 200Pa･s 以下であり，200Pa･ｓ～500 Pa･ｓの範囲では流動

性が低下し堆積する可能性が高く，約 500 Pa･s 以上では流下に適さないことが確認された。

四角錐 45°勾配炉 円錐 45°勾配炉 円錐 60°勾配炉

図 3.5.1-5 抜き出し性試験状況

図 3.5.1-6 白金族元素濃度 3.48wt%ガラスの 900℃抜き出し性試験後残留状況

26

図3.5.1-8に円錐60°勾配炉の抜き出し性

の結果を示す。白金族元素濃度 1～8wt%の範

囲での粘度と温度の関係を現行溶融炉の炉底

部近傍の温度域である 850℃以下では，白金

族元素濃度 5wt%近くまでは若干流動性を示

すものの，完全に流下することは困難な領域

であり，高濃度の白金族元素含有ガラスが存

在した場合は，円錐 60°勾配であっても炉壁

部の溶融ガラスの流動性は低く，堆積を抑制

することは困難との見通しである。

しかし，白金族元素濃度

5wt%であっても炉壁を 1000℃

程度まで加熱することにより，

粘性が低下し流下適正範囲と

なる見通しである。

従って，候補概念である粘

性逆転流下モードを用いて，

炉壁堆積ガラスを 1000℃まで

加熱し，流下適正範囲の粘度

域まで低下させると共に，中

心部の標準ガラスを 850℃近

傍にすることで粘度を上昇さ

せ，炉壁部の白金族元素 5wt%

相当ガラスの流下を促進でき

る見通しが得られた。

今後，「100 バッチ処理中最

大白金族元素濃度 5wt%以下を

維持」の達成可能性を評価し

ていく予定である。

(2) 実施計画の見直しの要否と今後の予定

・計画通り進んでいる。

・本年度得られた基礎試験の結果を踏まえ，長寿命炉の運転条件の変動や長期に渡るバッチの

繰り返しを考慮した粒子状物質の抜出し性の最適化条件の検討を行うとともに，白金族元素

の沈降や対流による炉底への堆積メカニズムの究明，粘性逆転流下モードの最適運転条件を

基礎試験及びシミュレーションにより明らかにしていく。

図 3.5.1-7 炉底堆積厚さと粘度の関係

0

200

400

600

800

1000

0 0.5 1 1.5 2

炉壁堆積ガラス厚さ（mm）

粘度（Pa･s）

四角錐45°

円錐45°

円錐60°

10

100

1000

800 850 900 950 1000 1050 1100

温度（℃）

粘度(Pa･s)

炉

底

部

温

度

域

流下適正範囲

流下不可範囲

炉壁堆積ガラス（5wt%相当）

標準ガラス

図 3.5.1-8 円錐型 60°勾配炉の抜き出し性

白金族元素濃度１～８ｗｔ％

[判断基準]流下適正： ガラス抜き出し率 95％以上，流下時間 20min 以下

流下不可： ガラス抜き出し率 90％以下，流下時間 60min 以上

図 3.5.1-7 炉底堆積厚さと粘度の関係

図 3.5.1-8 円錐型 60°勾配炉の抜き出し性

27

3.5.2 炉底構造・流下機構の検討

粒子状物質の抜出し性に関する最適化を図るため，CFD コードに粒子挙動解析機能を付加した

熱流動解析により，炉底形状や温度条件の違いによる粒子状物質の沈降・堆積・抜出し性につい

て，相対比較による評価を実施した。

(1) 得られた成果

① 炉底形状と粒子状物質の沈降・堆積・抜出し性の解析結果

表 3.5.2-1 に解析結果を示す。比較評価のリファレンスとなる現行炉の「四角錐」形状と，候

補炉形式として検討している「円錐」形状について，炉内に 1.3 wt%の白金族元素濃度のガラス

が一様に分布している状態から，流下した場合の炉底に残留する白金族元素の堆積状況と抜き出

し率を比較評価した。

比較評価の結果，白金族元素の抜き出し率は円錐形状が高かった。しかしながら炉底に堆積し

ている白金族元素の全ては抜き出せず堆積が残存したが，「四角錘」は谷部に集中して堆積する傾

向が見られるのに対して，「円錐」は傾斜部の途中のあるレベルに一様に堆積が見られた。

表 3.5.2-1 炉底形状と粒子状物質の沈降・堆積・抜出し性の解析結果

炉底形状 四角錘 円錐

炉壁面濃度分布

② 炉底勾配と粒子状物質の沈降・堆積・抜出し性の解析結果

炉底傾斜部の勾配が「45度」と「60 度」の場合について，流下後の炉底残留する粒子状物質の

堆積状況と抜き出し率の比較評価を実施した。その結果、今回の 1バッチ分の解析結果では「45

度」より「60度」の抜出し率が若干高い傾向が見られたが，連続運転時における抜出し性が有効

かどうかは今後更なる検討が必要である。

③ 炉底温度分布と粒子状物質の沈降・堆積・抜出し性の解析結果

従来の直接通電を加熱手段として得られる温度分布に対して、炉底傾斜部の炉壁材質を従来の

耐火物に変えて金属材料とし、外部加熱により炉壁温度をおよそ 1000℃まで加熱した場合に得ら

れる温度分布（粘性逆転流下モード）を解析的に実現し、両ケースの粒子状物質の炉底残留状況

および抜き出し性について比較評価した。流下後の残留粒子状物質濃度は金属炉壁のほうが比較

的低いが、抜き出し率は従来の耐火物炉壁が比較的良好であった。どちらが良いかについては連

続流下を模擬した評価により比較する必要がある。

④ 炉底構造・流下機構のまとめ

比較評価の結果、白金族元素の抜き出し性という観点からは、炉底形状は「円錐」が有効であ

る見通しを得ることができた。

単位[－]

28

(2) 実施計画の見直しの要否と今後の予定

・ 計画通りに進んでいる。

・ 今後の課題としては，実際の運転条件のもとで白金族元素の安定的な抜き出しが長期間連続

的に可能か否かについて実験的に確認することが必要である。

29

3.6 シミュレーション技術の開発整備

長寿命溶融炉の設計検討に資するため，候補炉型の加熱性能等の基本性能の把握に加えて

様々な想定ガラス組成を対象とした運転特性，長期的な運転に伴う白金族元素の流下性能等の

解析評価を行うことを可能とするシミュレーション技術について，JAEA が開発してきた既存の

ガラス固化溶融炉解析コードシステムを基に長寿命溶融炉を対象とした機能付加等の改良を行

うとともに，この解析コードを用いて試解析を進めている。

(1) 得られた成果

既存の解析コードシステムは，定常運転状態を主な対象として，炉内の物理現象である電場，

熱・流動，粒子挙動並びに炉内の状態に応じた溶融ガラス等の物性変化を連成させ，溶融炉内

の挙動を解析する機能を有している，長寿命溶融炉開発への適用にあたり，粒子挙動解析に係

わる溶融ガラス粘度の非ニュートン性の取り入れ，粒子の初期位置設定機能の付加及び粒子移

動処理の改良，並びに炉内ガラスの全量排出解析のための新たな計算手法の導入を行った。

さらに次年度に製作する小型試験炉の運転特性解析への反映のため，同試験炉の解析モデル

を製作した。コードの構成及び改良箇所を図 3.6.1-1 に示す。

① 既存解析コードの改良

a) 粒子挙動解析に係る改良結果

1) 白金族元素濃度及びずり速度を考慮した溶融ガラス粘性式の組み込み

溶融ガラスの粘性は非ニュートン性を呈し，①温度及び②含有する白金族元素酸化物の粒子

濃度に加えて③流れ場でのずり速度によっても変化し，炉内の流動状況に影響を及ぼす。既存

の解析コードでは，ずり速度による粘性変化は考慮しておらず，簡易的な補正としてコード内

部で取り扱う粘度を一桁程度増加させるなどの調整をしていた。しかしながら粒子挙動解析に

おいては，溶融ガラスの粘性変化が炉底付近の粒子の濃度分布形成に影響する大きな要因のひ

とつであると考えられるため，可能な限り実際の粘性の変化特性をコード内で再現することが

求められる。このために，3.2.2 章に示す溶融ガラスの粘性データ等を用いて，これら①～③を

パラメータとする近似関数を作成し，解析コードに組み込んだ。この機能付加により白金族粒

子の濃度分布の偏在状況を本コードで表現することが可能となった。

溶融ガラス粘性の改良

粒子移動処理の改良

粒子初期位置設定機能追加

新たな液面取扱い手法(VOF法)の導入［粒子濃度］ガラス粘性

電場解析

流動解析

熱解析

粒子挙動解析

［電位］ジュール発熱

［温度］ガラス電導度 ［

温度］

ガラス密度

［流動］

［流動］

［粒子濃度］

ガラス電導度

［温度］

ガラス粘性

［温度］

ガラス粘性

改良項目 改良機能

図 3.6.1-1 ガラス固化溶融炉解析コードの機能構成及び改良箇所概要

30

2) 粒子濃度分布設定機能の追加結果

様々な炉型を対象として，任意の白金族元素の残留状況か

ら，これら元素の抜き出し性能を解析的に評価できるよう，

複数の任意領域に任意の濃度，タイミングで粒子を分布させ

る設定機能を付加した。図 3.6.1-4 に設定例を示す。

3) 粒子移動処理の改良結果

溶融ガラス中の粒子挙動解析の精度を計算の効率性を落と

さずに高めるため，計算時間間隔の設定および粒子位置での

流動状態の取得について以下の改良を行った。

・ 粒子挙動計算に用いる粒子周囲の流体の速度について，

既存コードでは粒子が存在するセルの単位で算出していたものを，更にセルを４分割して，

より小さな領域を基準に速度を算出するようにしたことで，より詳細に流体の速度分布を

反映できるようにした。

・ 粒子の速度と粒子が存在するセルの大きさに応じて解析における時間刻みを，計算精度を

維持しつつ適切な間隔に自動調整できるようにした。

b) 炉内ガラス全量排出の解析のための計算手法の取り入れ結果

従来の解析コードでは液面近傍の解析セルを高さ方向に歪ませることで液面の移動に対応さ

せており，定期的（例えば 100 バッチ毎）な炉内ガラスの全量抜き出し（ドレンアウト）に伴

う大きな液面変化による大きなひずみには対応できない。しかしながら粒子抜き出し性能及び

炉内でのガラス残留状況の評価にあたっては，液面位置の大きな変化やドレンアウト時に形成

される液面形状を再現する機能の付加が求められる。本機能付加にあたり採用した手法は VOF

法（The volume of fluid method）と呼ばれ，各セル毎に溶融ガラスの充てん率を計算するこ

とにより液面位置を決定するもので，自由な表面状況（位置や形状）の表現が可能となった。

② 小型試験炉解析モデルの製作

小型試験炉の設計仕様を基に，小型試験炉の解析モデルを構築した。

(2) 実施計画の見直しの要否と今後の予定

・計画通り進んでいる。

・上述の VOF 法導入に関する機能付加に加えて，挙動解析をより現実の溶融炉に近づけるため，

プレナム部の各面間の輻射伝熱，プレナム部雰囲気の熱流動，仮焼層の構造及び熱収支を，

より現実に近いモデルに変更するなどコードの改良を継続する。

・溶融炉のスケールモデルを用いた流動観察実験によりコードの検証を行う。

図 3.6.1-4 粒子分布設定例

31

3.7 小型試験炉の設計検討

(1) 得られた成果

① 試験評価項目及び方法の整理結果

長寿命ガラス固化溶融炉として具体化すべき要件を以下にまとめることができる。

要件 0：溶融炉形式

0.1 炉の特性，トータル性能の確認

0.2 原料溶融性の確認

要件 1：白金族元素抜き出し

1.1 加熱・冷却方法の実現性評価

1.2 粘性逆転流下モードの効果確認

1.3 連続処理抜き出し性効果確認

要件 2：白金族元素沈降堆積防止

2.1 連続処理時炉底低温運転効果確認

要件 3-1：長寿命化（耐火物）

3.1.1 加熱・冷却方法の実現性評価

3.1.2 侵食速度の評価

要件 3-2：長寿命化（電極・金属炉壁）

3.2.1 加熱・冷却方法の実現性評価

3.2.2 侵食速度の評価

要件 4：処理能力向上

4.1 溶融炉温度分布と処理能力確認

4.2 連続処理時処理能力安定性

上記要件を踏まえ，小型炉試験装置で評価すべき項目及び小型炉試験装置の概念を表 3.7-1

のとおり整理した。

② 必要な計測項目，計測点の検討結果

小型炉試験装置としては，ガラス固化溶融炉としての成立性確認を含め，長寿命ガラス固化溶

融炉の観点から，耐火物および電極の腐食速度等を評価する必要がある。このため必要な計測項

目，計測点を検討し，表 3.7-1 に合わせて記載した。

③ 小型炉試験装置の基本仕様設定

小型試験炉の評価項目を基に，小型試験炉の基本仕様を設定した。

a) 基本炉形式設定

「円柱円筒型電極」「円錐型炉底」「勾配 60°」を基本形状とした。

32

b) 処理能力設定

原料供給は「カートリッジのバッチ投入式」と「ビーズ連続供給式」の双方に対応できるよう

にすることとした。溶融表面積は既存設備（電力盤，オフガス設備，ユーティリティ等）の能力

を考慮して「0.05ｍ2」とした。

c) 電極仕様設定

電極材料は「RS311」と「NCF690」の２種類を準備することとした。また大型炉とは異なり，

小型炉試験装置では電極表面電流密度が上昇し，腐食速度が上昇することが想定されるため，円

柱電極については予備品を必要数用意することとした。

d) 炉壁構造仕様設定

炉壁は「冷却ジャケット式：空冷」とし，圧空により冷却空気を送風できる構造とした。

e) 炉底構造仕様設定

炉底部材料としては現行炉を参考に耐火物とした。なお，炉底部には加熱源として抵抗式ヒー

タ等の外部加熱方式を考慮した。

f) 設置場所

小型炉試験装置は，JAEA 内モックアップ試験棟内に設置することを考慮し，既存設備を可能

な限り利用することにより合理化を図ることとする。

33

開発課題と評価パラメータ 評価データ

要件0 溶融炉形式 0.1 炉の特性、トータル成立性の確認 炉内温度分布（溶融ガラス，炉底部ガラス） 【炉内温度分布】 各箇所の熱電対

各運転条件特性 【各運転条件】電流、電圧、電力などの測定システム

0.2 原料溶融性の確認 炉内雰囲気温度 【原料溶融性】炉内雰囲気温度計、のぞき窓

処理能力（原料溶融状態）

要件1 白金族元素抜き出し 1.1 加熱・冷却方法の実現性評価 加熱・冷却時間

①5ｗｔ％濃度-100％抜き出し ①設定炉壁温度 ：850℃→加熱→1000℃ 炉内温度分布（溶融ガラス，炉壁）

②設定中央部ガラス温度 ：850℃ 熱量バランス（加熱電力，冷却空気量，各部温度）

1.2 粘性逆転流下モードの効果確認 炉内温度分布（溶融ガラス，炉壁）

①白金族元素濃度 ：1.7～10ｗｔ％ （炉内白金族元素濃度分布）

②炉壁温度 ：～1000℃ 白金族元素抜き出し率

ドレンアウト残留ガラス量と白金族元素濃度

1.3 連続処理抜き出し性効果確認 100バッチ連続処理時抜き出し率

①白金族元素 ：5ｗｔ％ ドレンアウト残留ガラス量と白金族元素濃度

②連続処理バッチ数 ：100バッチ

要件2 白金族元素沈降堆積防止 2.1 連続処理時炉底低温運転効果確認 高温/低温運転時の炉内温度分布

①堆積部濃度5ｗｔ％以下 ①連続処理バッチ数 ：100バッチ （炉内白金族元素濃度分布の変動）

要件3-1 長寿命化（耐火物） 3.1.1 加熱・冷却方法の実現性評価 炉壁温度分布

①侵食速度0.008mm/d以下 ①設定炉壁温度 ：800，900，1000℃ 熱量バランス（加熱電力，冷却空気量，各部温度）

②炉本体設計寿命20年以上

3.1.2 侵食速度の評価 耐火物侵食量の測定

①設定炉壁温度 ：800，900，1000℃ 耐火物温度分布

耐火物の熱衝撃損傷（有無）

要件3-2 長寿命化（電極・金属炉壁） 3.2.1 加熱・冷却方法の実現性評価 電極及び炉壁温度分布

①廃棄物量1/4以下 ①設定電極・炉壁温度 ：800，900,1000℃ 熱量バランス（加熱電力，冷却空気量，各部温度）

3.2.2 侵食速度の評価 電極及び炉壁侵食量の測定

①設定電極温度 ：800，900，1000℃ 電極及び炉壁の残留ひずみ量、損傷（有無）

②電流密度 ：Max.～3A/cm2

要件4 処理能力向上 4.1 溶融炉温度分布と処理能力確認 溶融ガラス温度

①ガラス製造速度8.8ｋｇ/ｈ以上 ①廃液酸化物濃度 ：Min.75→Ave.140ｇ/ℓ プレナム部温度

②ガラス原料 ：カートリッジ，ビーズ 仮焼層厚さ

4.2 連続処理時処理能力安定性 溶融ガラス温度推移

①連続処理バッチ数 ：100バッチ プレナム部温度推移

仮焼層厚さ推移

要件と達成目標（判断基準）

評価項目必要な装置仕様・測定ポイント等

【データ取得システム】・温度、電力、電流、電圧等の各種運転データ取得システム（DARWiNなど）【熱電対】（ガラス温度）・常設_}溶融ガラス温度熱電対（主電極レベル）/仮設_炉内ガラス温度測定用熱電対（炉底部まで挿入するタイプ、測温点複数）（耐火物温度）・常設_耐火物表面温度熱電対（測温点数点）/仮設_耐火物表面温度測定用熱電対（炉上部から挿入するタイプ）/常設_耐火物内温度熱電対（熱量バランス評価）・ケーシング表面温度熱電対（測温点複数）オフガス出口温度熱電対／オフガス管表面温度熱電対・電極冷却空気出口温度熱電対/炉壁冷却空気出口温度熱電対【流量計】・電極冷却空気流量計/炉壁冷却空気流量計

【熱電対】・仮設_炉内ガラス温度測定用熱電対（炉底部まで挿入するタイプ、測温点複数）/炉底部_底部電極周辺の熱電対（仮設又は常設）【白金族収支】・ガラスサンプリングるつぼ類/XRF分析装置【加熱機構】・炉底部 外部加熱装置（高周波加熱装置もしくは抵抗式加熱装置等）

【熱電対】・仮設_炉内ガラス温度測定用熱電対（炉底部まで挿入するタイプ、測温点複数）

【炉壁冷却】炉壁冷却システム【熱電対】（耐火物）・常設_耐火物表面温度熱電対（測温点数点）/仮設_耐火物表面温度測定用熱電対（炉上部から挿入するタイプ）/常設_耐火物内温度熱電対（熱量バランス評価）・ケーシング表面温度熱電対（測温点複数）/オフガス出口温度熱電対／オフガス管表面温度熱電対・電極冷却空気出口温度熱電対/炉壁冷却空気出口温度熱電対【流量計】・電極冷却空気流量計/炉壁冷却空気流量計【耐火物侵食量、熱衝撃有無】・（試験前の測定および試験後の寸法測定）/試験前耐火物観察と試験後の観察【熱電対】（電極）・常設_電極表面温度熱電対（測温点数点）/常設_電極内温度熱電対（熱量バランス評価）・ケーシング表面温度熱電対（測温点複数）/オフガス出口温度熱電対／オフガス管表面温度熱電対・電極冷却空気出口温度熱電対/炉壁冷却空気出口温度熱電対【流量計】・電極冷却空気流量計/炉壁冷却空気流量計【電極損傷有無】・寸法測定、観察の試験前後の比較

【熱電対】・常設_溶融ガラス温度熱電対・常設_プレナム温度熱電対・常設_仮焼層温度熱電対（測温点複数）【その他】・のぞき窓の設置

表 3.7-1 小型試験炉で評価すべき項目及び小型炉試験装置の概念

34

4. まとめ

4.1 全体のまとめ

平成18年度は，候補炉形式相互の基本性能の比較評価により主要候補炉の絞り込みを行った。

また，主要対策技術であるスカル層形成機能，可換式電極構造，炉底・流下機能について，基

礎試験および設計検討により成立性の評価を行い，それらを小型試験装置の仕様に反映させた。

本年度の技術開発により，開発目標である炉寿命 20 年間を達成できる溶融炉形式と各対策技

術が成立する見通しが得られた。これらの成果を基に平成 19 年度以降，各要素技術評価試験，

小型炉試験，シミュレーション解析評価を実施し，2008 年度（平成 20年）までに長寿命炉の基

本仕様を具体化し，実用化の見通しを得る予定である。

4.2 自己評価

以下，今年度の実施成果に関して各評価項目に沿った自己評価を示す。

4.2.1 研究テーマの妥当性・意義に関して

本研究により，わが国の HLW のガラス固化処理プロセスに採用されているガラス固化溶融炉

の設計寿命 5年を 20 年以上に長寿命化する見通しが得られつつあり，本研究の成果を将来のガ

ラス固化溶融炉に反映することにより，高レベル廃棄物処理コストの大幅な低減が期待できる。

TVF をベースにした本年度のコスト試算からは，20 年の運転期間にて百億円以上の処理コスト

低減が見込まれる結果が得られており，商用規模のガラス固化施設へ適用した場合は，更なる

大幅なコスト低減効果が期待できる。

長寿命溶融炉の処理対象として，高燃焼度使用済燃料など将来の核燃料サイクルからの高レ

ベル廃液も考慮した研究に着手しており，次世代の高レベル廃棄物処理の枢要技術として本研

究は重要なテーマと位置づけられる。

4.2.2 研究開発目標及び実施計画に関して

設計寿命 20 年以上とする開発目標は，仏国，英国，米国などのガラス溶融炉も実現していな

い高いレベルの技術開発である。その目標へのアプローチとして，スカル層形成や可換式電極

構造など炉構造も含めた高度化技術の組み合わせを検討し，さらに将来の燃料サイクルからの

高レベル廃液中の白金族元素含有率の増加を考慮し，その対応も強化した炉底構造を検討する

ことにより，長寿命溶融炉の実現の見通しが得られた成果は大きい。

また，実施項目を「組成調査とガラス特性把握」，「溶融炉構造検討」，「耐火物と電極材料の

侵食データ取得試験」，「スカル層構造と電極構造の設計検討」，「設計条件及び運転条件のシミ

ュレーション解析」，「小型炉検証試験」に整理し，短期間で成立性や実現性の見通しを得るた

め，相互を体系的に連携させた合理的な計画が展開されていると評価できる。

4.2.3 研究開発実施者の事業体制，運用に関して

本研究では，わが国の高レベルガラス固化技術の開発･実用化を進めてきた原子力機構及び

IHI と，関連する基盤的な学術的研究を実施している埼玉大との連携体制で進めており，最適な

事業体制といえる。また多くの若手研究者が各テーマを担当しており，将来の実用化を目指し

た本技術開発に係る人材育成，技術継承の点でも有意義である。

35

4.2.4 計画と比較した達成度，成果の意義に関して

要求機能の整理と技術調査に基づき長寿命化を実現する炉構造の概念が具体化できた。また，

スカル層を想定した低温領域での耐火物侵食試験データ，スカル層形成条件の解析評価，複数

の候補電極材料に対する電流密度と電極侵食速度の関係の詳細な試験と可換型電極構造とその

基本性能の解析評価等により長寿命炉の成立性が確認でき，当初の計画に基づき提案した技術

開発が実用化へ向けて着実に進展していると評価できる。

4.2.5 成果の実用化・事業化の可能性に関して

TVF 等への次世代溶融炉として，プラント要件や制約条件についても考慮し，長寿命炉の具体

的な適用を明確にしている。実用化・事業化の見通しは最終年度に判断すべきものであるが，

現時点でも，実用化までの期間，コスト，経済効果等の課題は十分に克服可能と予測できる。

4.3 今後の計画

平成 19 年度及び平成 20年度の各技術開発計画を示す。

4.3.1 高レベル固化ガラスの特性把握

これまでに整理した処理対象固化ガラス組成変動範囲と特性データのうち，特に「粘性」「比

抵抗」の変動幅に対して，「粒子状物質の濃度，形状，粒度分布との関係」，「結晶化影響」など

の要因の影響を調査し，特性データ変動範囲をシミュレーション解析コードや溶融炉設計に反

映させる。

4.3.2 長寿命炉壁に関する技術開発

(1) スカル層による侵食抑制機能評価

候補耐火物材料に対して，整理した設計寿命の評価スキームに基づき「長期静的通電侵食試

験」，「動的侵食試験（気液界面・エロージョン・熱サイクル負荷）」，「実使用条件による耐熱衝

撃性試験（温度勾配・熱サイクル・昇降温速度）」等の試験により設計寿命を明確化する。

(2) スカル層形成制御技術の確立

スカル層形成制御条件について，基本性能はもとより，溶融炉全体の熱バランス，安全対策

等を考慮した最適化検討を行う。

4.3.3 電極に関する技術開発

(1) 電極材料の侵食緩和方策の評価

候補電極材料および金属炉壁材料に対して，整理した設計寿命の評価スキームに基づき「長

期静的通電侵食試験」，「動的侵食試験（気液界面・エロージョン・熱サイクル負荷）」，「実使用

条件による耐熱衝撃性試験（温度勾配・熱サイクル・昇降温速度）」，「高温クリープ強度評価試

験」等の試験により設計寿命を明確化する。

(2) 電極構造・配置の検討評価

電極の加熱・冷却条件，上部駆動機構，炉内流動等を考慮した最適化検討を行う。

4.3.4 炉底構造・流下機構に関する技術開発

(1) 粒子状物質の挙動評価

36

炉底構造及び運転条件をパラメータにした長期間にわたる繰り返し運転時を想定した粒子状

物質の抜出し性の評価を行う。

（2 炉底・流下機構の検討

前項で得られた知見を基に，炉底・流下機構及び条件について最適化のための検討を行う。

4.3.5 シミュレーション技術の開発整備

溶融炉運転の制御パラメータや，長期にわたる運転の変動傾向を解析評価し，長期的に安定

な運転条件を把握する。

4.3.6 溶融炉構造の検討及び試験設備の設計・製作

上記に挙げた高レベル固化ガラスの特性，炉壁，電極，シミュレーション解析に関する技術

開発と連携し，小型炉試験設備の設計及び製作を行う。電源等ユーティリティ，オフガス設備

等の付帯設備については，原子力機構がこれまでにガラス固化技術の研究開発において活用し

てきた試験設備の転用，改造等を図ることとし，効率的かつ合理的に実施することを基本とす

る。

設計においては，特に以下の項目に考慮する。

・スカル層形成など長寿命化のための炉壁構造

・上部挿入電極方式など長寿命化のための電極構造

・運転特性評価に基づく溶融槽形状の最適化

さらに，炉壁及び電極以外の溶融炉構造物についても，必要に応じ，20 年の炉寿命を見込ん

だ耐久性向上又は消耗部位の交換機構等の対策等を検討する。

4.3.7 適用性評価及び検証試験

(1) 長寿命炉の適用性評価と実用炉仕様設定

長寿命炉の概念に対して，各技術開発により得られた各データを基に，実現性や各効果を評

価する。またそれらを集大成し実用炉の基本仕様を検討，具体化する。

(2) 検証試験と効果の評価

製作した試験設備を用いて模擬廃液等を用いた処理運転試験を行い，スカル層形成，上部挿

入方式電極など長寿命化に向けた各高度化技術の検証を行うとともに，実機レベルにスケール

アップした場合の効果等について評価する。

37

5. 参考文献

【3.3.1 スカル層による侵食抑制機能評価関係】

[1] 山根正之編，「ガラス工学ハンドブック」，朝倉書店

[2] 社団法人日本セラミックス協会編，「セラミックス工学ハンドブック」，技報堂出版，1989

年

[3] 宗宮重行編，「ジルコニアセラミックス 1～14」，内田老鶴圃，1983～1998 年

[4] 吉木文平，「耐火物工学」，技報堂書店，1962 年

[5] 山口明良編，「クロム系材料―現状と今後―」，岡山セラミックス協会

【3.4.1 電極材料の侵食緩和方策の評価関係】

[1] George. Y. Lai, “High-Temperature Corrosion of Engineering Alloys”,

ASM(American Society for Metals) International (USA), 1990

[2] ASM(American Society for Metals), “ASM Metals Reference Book, A handbook of data

about metals and metalworking”, ASM (USA), 1998

[3] James R. Varner ed., “Advances in Fusion and Processing of Glass III”, American

Ceramic Society Ceramic Transactions vol. 141, 2003

[4] George. A. Pecorano ed., “Corrosion of Materials by Molten Glass”, American

Ceramic Society Ceramic Transactions vol. 78, 1996

[5] University of Missouri-Rolla 「REACTION OF INCONEL690 AND 693 IN IRON PHOSPHATE

MELTS:ALTERNATIVE GLASSES FOR WASTE VITRIFICATION」