スウェーデンにおける原子力エネルギーのルネッサンスとSUNRISEプログラム

原子力エネルギーは、地球規模で持続可能なエネルギー システムにとって重要な要素です。 KTH 王立工科大学には、原子力エネルギー技術の研究、革新、開発の長い伝統があります。 KTH は、スウェーデンで現在実施されている唯一の原子力エネルギー工学修士プログラムを持っています。このプログラムは、InnoEnergy EMINE フレームワークの国際修士号としても共同で授与されており、KTH 物理学科の原子力工学部門によって運営されています。 現在、加速する原子力ルネッサンスによって、スウェーデンにおけるこのプログラムと原子力工学の教育と研究活動の両方の成長が期待されています。

ロシアのウクライナ侵攻によってヨーロッパのエネルギー危機が急速に悪化し、エネルギー安全保障とエネルギーの独立性が政治的および社会的課題の重要な課題となっている。 すでに発電においてカーボンニュートラルに近い状態にあるスウェーデンでは、産業と交通を変革するスウェーデン国家電化戦略の中核となる大規模かつ野心的なインフラプロジェクトには、化石燃料を使用しないだけでなく、大量の電力エネルギーが必要となる。熱と水素を処理します。 スウェーデン新政府は最近、今後3年間で原子力研究に追加で2,500万ユーロを支出すると発表した。 彼らは、原子力発電所の数と設置場所を制限する古い政治的動機に基づく法律を廃止することを提案しており、将来に向けて持続可能なエネルギーシステムを開発するためのロードマップを策定している。 この産業発展による注目は、能力の向上、高度な教育、最先端の研究プログラムの開発と推進に対する需要の高まりにつながっています。

近年、KTH の研究と革新は小型モジュール型原子炉 (SMR) に向けられていますが、一般的には幅広いトピックがカバーされています。 対象となる研究には、放射線物質の相互作用、原子炉の物理学、新型炉の設計と安全性解析、先端鋼の開発、核材料科学と放射線損傷、核燃料の開発、モデリング、曝露と特性評価、材料の試験とモデリング、および材料の試験とモデリングが含まれます。高温重液体金属中の成分、高度なモンテカルロ法の開発と最適化、および超臨界状態に至るまでの水中での熱伝達。

原子力エネルギー研究には、進歩するために必要な実験インフラストラクチャに対する特有の需要があります。 多くの場合、インフラストラクチャは他の科学分野と併用して最適な相乗効果を得ることができます。 KTH では、核エネルギー研究者がいくつかの材料合成および特性評価研究室を利用しており、そこでは電子顕微鏡、スパーク プラズマ焼結、X 線回折およびその他のツールが最も大きな負荷を担っています。 原子炉技術の研究、流体力学、熱伝達、力学の研究にも、中央実験インフラの恩恵を受けることができます。 核物質、特にアクチニドを含む物質、または照射されたサンプルの場合、これらの物質の特殊性に対処できる特殊なインフラストラクチャが切実に必要とされています。 ウランを含むサンプルの場合、多くの場合、汚染の危険に対処した後、標準的な装置を使用できますが、環境を活性化する可能性があるサンプルや放射線学的懸念があるサンプルの場合は、放射線が遮蔽された専用の実験施設を使用する必要があります。

KTH はスウェーデンにある 2 つの大学研究室のうちの 1 つを拠点としており、核燃料の製造、暴露、特性評価、分析には取り組んでいますが、未照射ウランよりも活性の高い物質の研究は行っていません。 KTH はまた、個別の影響研究と、例えばコリウム模擬物質を用いた統合試験の両方に使用される、重大事故専用の研究室を主催しています。 チャルマーズには、活物質を取り扱うことができる専用の燃料研究所があります。 ウプサラ大学には、注入、放射線損傷の研究、材料の特性評価に使用される国立イオン ビーム施設が設置されています。 ルレオ工科大学は、幅広い最先端のトライボロジー施設を備えたトライボラボを主催しています。 スウェーデンは全国的に原子力技術の進歩に有利な立場にあるが、原子力分野の重要なインフラへの支援を含む明確な国家研究戦略はまだ存在しない。

現在、スウェーデンには 2 つの主要な原子力研究センターがあり、主要な工科大学が協力しており、原子力および材料科学産業が積極的な利害関係者となっています。

2022年に開設され、ウプサラ大学が主催するANItAセンターは、技術分野と非技術分野の両方で学術的および産業的な原子力技術の能力を収集することを目的とした能力センターである。 このセンターは当初、KTH、ウプサラ大学、チャルマーズ工科大学などのスウェーデンの学界、スウェーデンの原子力産業、スウェーデンのエネルギー庁から資金提供を受けています。

ANItA の目標は、研究開発を通じて、スウェーデンにおける新しい原子力技術の迅速かつ安全な導入を目的とした知識ベースの意思決定サポートを生成することです。 これはスウェーデンが完全に化石のない国になることを可能にするためです。 追加の重点分野としては、既存および将来の原子力発電施設の安全な運転を確保するための新たな国家原子力技術専門知識の創出、原子力技術分野における事実に基づく知識の共有、政治、当局および社会全体に対する技術支援組織への発展が挙げられる。スウェーデンの産業と社会生活が良好なエネルギー供給から恩恵を受けるための良好な条件を作り出し、スウェーデンの産業が国際的な原子炉供給業者の重要なパートナーとなることを可能にします。 ANItA センターは主に水冷小型モジュール炉技術に取り組んでいます。

ストックホルムの KTH にある SUNRISE センターは、主にスウェーデン戦略研究財団の資金提供を受けて、KTH、ルレオ工科大学、ウプサラ大学の研究者を網羅する集中的なコラボレーション プラットフォームとして 2021 年に設立されました。 このセンターはまた、国際的な大学パートナーと、原子力エネルギー、材料科学、開発に関連するスウェーデン産業の大部分を結び付けます。

SUNRISE の主な目標は、鉛高速炉技術を開発し、その導入を可能にすることです。 これらの原子炉システムは、安全でクリーンで柔軟なエネルギーを提供しながら、第 IV 世代の閉鎖核燃料サイクルの中心部分として機能し、高レベル廃棄物と長寿命廃棄物を大幅に削減します。 SUNRISE センター内の研究は、スウェーデンでの鉛冷却研究および実証炉の確立に向けて、原子炉の物理学と設計、材料科学とプロセス技術、および実験とモデリングの組み合わせプログラムに焦点を当てています。 SUNRISEは、提携3大学と幅広い連携パートナーを結びます。 最も強く示唆されているのは、LeadCold Reactors、Westinghouse Electric スウェーデン、および Alleima EMEA です。 しかし、SUNRISEには、産業利害関係者であるUniper、Jernkontoret、Promation、Outokumpu、Safetech、Vattenfall、Vysus Group、開発をフォローしているオスカーシャムス市とスウェーデンの放射線安全局、そして米国のMIT、バンゴー大学の関与も確認されている。英国とオーストラリアのUNSWは国際的な学術パートナーです。

SUNRISEの作品は5つの作品パッケージで構成されています。 1 つ目は、鉛冷却研究炉の設計と安全性解析に焦点を当てています。 目標は、外部組織の支援を受けて、原子炉の予備安全分析報告書 (PSAR) を完成させることであり、スウェーデン放射線安全局 (SSM) から資金提供を受けている場合、このような原子炉の建設申請の一部として、この原子炉の予備安全分析報告書を提出することができます。他の情報源が得られます。

先進鋼の開発とモデリングに関する 2 番目の作業パッケージでは、熱力学モデリングのサポートを受けて、アルミナ成形鋼とポンプ インペラの材料が開発および最適化されます。 テストサンプルとコンポーネントのプロトタイプは、機械試験、侵食試験、照射試験のために製造されます。 照射性能、脆化、鉛と酸化アルミニウム間の相互作用のモデリングは、非経験法とマルチスケール アプローチを使用して実行されます。

3 番目の作業パッケージでは、新しい材料、コーティング、製造技術の開発とテストを行っています。 主なタスクは、鉛にさらされたコンポーネントを確実に保護するために、材料とプロセスを認定することです。 アルミナ成形鋼のフレッチング試験は、ルレオにあるトライボラボの高温液体鉛環境で行われます。 金属結合添加剤を最小限に抑えたタングステンベースの超硬合金のスパークプラズマ焼結が開発され、固体は過酷な条件にさらされ、テスト、分析されます。 最先端の原子力グレードのオーステナイト被覆管上にさまざまなアルミナ形成鋼オーバーレイをレーザー溶接する作業が進行中です。

燃料開発は 4 番目の作業パッケージの焦点であり、模擬核分裂生成物を組み込んだ窒化ウラン燃料ペレットが放電プラズマ焼結技術を使用して製造されます。 気泡形成の効果を模倣するために、さまざまな気孔率が生成されます。 模擬核分裂生成物は、第 3 作業パッケージで開発されたものを含む、さまざまな方法を使用して導入されます。 燃焼に伴う燃料性能の低下は、製造された模擬燃料サンプルの熱容量、熱拡散率、熱伝導率、熱膨張を測定することによって評価されます。 核分裂生成物の影響を判定するために燃料被覆管および燃料冷却材の相互拡散実験が実施され、事故条件下での性能を評価するために棒漏れ試験が実施される。 さらに、燃料被覆管冷却材システムの一連の熱力学評価が行われ、OECD/NEA が組織する先進燃料の熱力学 - 国際データベース (TAF-ID) の開発に反映されます。

最終的な作業パッケージでは、鉛高速炉環境でのコンポーネントと材料の実験的試験施設を開発します。 この作業パッケージでは、いくつかの実験用テストリグが設計、構築され、研究炉のコンポーネントのテストと認定に使用されます。 侵食リグは、最大 750°C の温度でのプロトタイプの鉛流領域でのポンプ インペラ、燃料被覆管および蒸気発生器管の認定に使用されます。 別途効果試験は小規模施設で実施する。 透明液体を用いたモックアップは、液体鉛を使用する施設における乱流特性を予測するモデルの検証に使用されます。

SUNRISE による最近の進歩は、鉛高速炉で使用するための脆化のない耐腐食性および耐浸食性のアルミナ成形鋼の開発、第一原理原子論から直接高線量照射シミュレーションを実行するために使用できる高度なモデリング フレームワークの開発、および高度な核燃料構造、ここでは窒化ウランおよび不活性核分裂生成物の模擬物質を含む模擬燃焼燃料の新しい機械的および熱機械的試験。 材料の暴露とテストのための専用インフラストラクチャは、SUNRISE の枠内で KTH で委託および構築されています。 流動加速腐食/浸食は、鉛高速炉における安全上重要な現象であり、SUNRISEの研究者は、0～20m/sの線速度と最大100万のレイノルズ数を使用した個別の効果研究から柔軟に切り替えることができる施設を建設中です。重要なコンポーネントの長期テストまで。

オーストラリアのニューサウスウェールズ大学と協力し、SUNRISE は ANSTO の中性子ビーム時間申請における重要なパートナーとなっており、最近 ANSTO は 3 年間のプログラムへのアクセス権を獲得しました。 これにより、中性子散乱を利用して、幅広い条件における新規燃料や構造材料の熱的、弾性的、機械的特性の詳細な特性評価が可能になります。

SUNRISE が開始した研究開発プログラムの第 2 ステップは、Solstice と呼ばれ、材料、コンポーネント、メンテナンスプロトコルのテスト、および計画およびテストに使用される電気加熱式の大規模実験施設の設計、建設、運営です。 LFR で発生する可能性のある事故過渡現象。 KTHは、LeadColdおよびUniperと協力し、スウェーデン・エネルギー庁からオスカースハムンのOKG原子力発電所敷地内に施設を建設するSolsticeプロジェクトへの資金提供を獲得した。 この施設は、SUNRISEで設計された研究実証炉の安全性と性能の研究を最終的に完了する予定です。 Solstice プロジェクトの産業界パートナーは、鉛高速炉技術の将来の商業化の根拠を確実にすることを目指しています。 戦略的目標は、計画可能で柔軟なベース電力のための持続可能で安全なソリューションとして SMR を確立し、循環型社会の一部にすることです。 財務的に実行可能で拡張性があるため、世界市場は電力、高品質の熱、水素、バイオ燃料、電気燃料、付帯サービスなどの製品やサービスで対応できます。

先進的で持続可能な原子炉は、受動的安全性を備え、自動生産で製造され、従来の原子炉の利点をすべて提供するだけでなく、大幅に多用途性と柔軟性を備えています。 先進的な SMR は、大規模なクライメートニュートラルな発電の導入を可能にするソリューションとなり、同時に持続可能な社会にさらなる利益を提供することができます。

なお、この記事は季刊誌第13号にも掲載される予定です。

このパートナーのプロフィール ページにアクセスして、パートナーの詳細を確認してください

次回コメントするときのために、このブラウザに名前、メールアドレス、ウェブサイトを保存してください。

D