東北大学における原子炉廃止措置基盤研究と人材育成への取り組み状況
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1.はじめに 平成 23 年に発生した東京電力株式会社福島第一原子 力発電所の事故から約 6 年が経過した現在、今後 30 年 以上の長期に亘ることが予想されている同発電所 1 ~ 4 号機の廃止措置は、国家の威信を賭けた大事業として政 府を筆頭とするオールジャパン体制で中長期ロードマッ プ [1] に基づき、懸命な努力がなされている。この世界 にも前例の無い大きな課題(技術的挑戦)を解決し、廃 止措置を安全かつ着実に進めていくには、我が国の関連 組織の総力を挙げた取組みが必要となっている。 このような中、東北大学は「研究第一」「門戸開放」 及び「実学尊重」の伝統的理念の下、「東日本大震災か らの復興・新生の先導」を全学ビジョン(里見ビジョン [2])に掲げ、その実現のために「福島第一原子力発電 所の廃止措置への貢献」を最重要課題の一つとして平成 26 年度より廃止措置基盤研究 ・ 人材育成事業 [3] に取り 組んでいる。本事業では、事故炉廃止措置に資する基盤 研究並びに今後の原子炉廃止措置を担う若い技術者や研 究者の育成に当たってきたが、平成 28 年 12 月 1 日、こ れまでの活動をさらに発展させ、我が国の基礎 ・ 基盤研 究をリードするため、全学を横断した災害復興新生研究 機構の構成組織として「原子炉廃止措置基盤研究セン ター」を設置し、学内の広範囲な学術と技術の結集によ る全学的な取り組みの推進を図ることで着実かつ安全な 廃炉措置等に継続的に貢献する体制を整備した。 本稿では前述の廃止措置基盤研究 ・ 人材育成事業及び 原子炉廃止措置基盤研究センターの概要を述べる。 2.廃止措置基盤研究 ・ 人材育成事業の概要 本事業では、東北大学の伝統的な強みである材料分野 のポテンシャルを活用すべく、工学系を中心とした広範 な分野が連携した全学横断組織を形成し、さらに福島大 学及び福島高専の専門家の協力を得て、最優先すべき研 究課題の中でも下記2つの課題に取り組んでいる(図 1)。 (1) 格納容器・建屋等の健全性・信頼性確保のための基礎・ 基盤研究 (2) 燃料デブリの処理と放射性廃棄物の処分に関する基 礎・基盤研究 また、その基盤研究プラットフォームの上に大学院教育 プログラムを構築して、長期にわたる安全な廃止措置を リードできる中核人材の育成を図っている。 2.1 基盤研究の内容 東北大学では以下に示す内容の基盤研究及び人材育成 に取り組んでいる。 (1) 格納容器 ・ 建屋等の健全性 ・ 信頼性確保のための基 礎 ・ 基盤研究 1格納容器 ・ 注水配管など鋼構造物の防食と長期寿命予 測技術(図 2) a) 放射線下での劣化塗膜下の腐食速度と形態を推定で きる数理モデルの開発(格納容器の腐食減肉 ) b) 複合影響下での局部腐食発生 ・ 進展による強度低下 推定モデルの開発(炭素鋼配管の腐食減肉) c) 強度評価 ・ 検査 ・ 補修と連携した長期健全性維持方法 の検討 2コンクリート構造物の長期性能評価技術(図 3) 地震、爆発、海水、放射線等によるダメージを受けた福 島第一原子力発電所の廃炉が完了するまでのコンクリー ト構造物の要求機能を維持できる構造性能健全性評価の ための手法開発 a) 将来の健全性予測も含めた精確な評価手法 ? コンクリート・鉄筋などの材料 ? 柱・梁・壁など構造部材 ? 建物全体 b) 必要に応じた補修/補強の要否判定手法 解説記事「東北大学における原子炉廃止措置基盤研究と人材育成への取り組み状況」 図 1 原子炉廃止措置基盤研究・人材育成事業とその実施体制 3遠隔操作に対応可能な非破壊検査技術(図 4) 格納容器や建屋等の重要部位に適用できる非破壊 検査 ・ モニタリング技術の基礎的開発 a) 渦電流探傷 (ECT) を用いた探傷の予備的評価 b) 電磁超音波 (EMAT) を用いた肉厚モニタリングの検 討 c) 構造材料を対象としたサブテラヘルツイメージン グのための基礎的特性評価 d) 遠隔操作に対応するための課題の検討 4遠隔操作に対応可能な構造物補修技術(図 5) 格納容器等の損傷部位の補修 ・ 補強、局所的な穴あき 図 2 腐食防食タスクグループの研究課題 部の封止、防食被膜などの施工技術の開発 a) コールドスプレー条件低エネルギー化技術の確立 b) 鋼の水中摩擦攪拌接合 (FSW) 基本技術の開発 c) 遠隔操作に対応するための課題の検討 5廃止措置時のリスクに関する調査 a) 廃止措置時における安全性と経済性の考え方整理 b) 廃止措置時におけるリスク源の調査 (2) 燃料デブリの処理と放射性廃棄物の処分に関する基 礎・基盤研究 1 燃料デブリ-コンクリート系の相関係と放射性核種 溶出挙動把握(図 6) 図3 コンクリート構造物評価タスクグループの研究課題 保全学 Vol.16-1 (2017) 2 冠水環境におけるセメント系材料とウランとの相互 作用の解明、閉じ込め性向上を目指した処分システ ムの提示(図 7) 3市民との対話に基づく社会的受容性醸成の実践 a) 廃炉に関する市民の認識に関する基本調査 b) 廃炉に関する市民との対話の実施 2.2 人材育成 (1) 原子炉廃止措置工学プログラムの構築 福島第一原子力発電所の原子炉廃止措置は、長期を要 するプロジェクトであること、今後を長期的に展望する と、他の原子力発電所の原子炉廃止措置も継続的に実施 されることになると予測されることから、原子炉廃止措 置工学の教育を本学の恒常的な大学院教育プログラムと して位置づけるための検討・準備を初年度(平成26年度) 基盤研究への学生の主体的な参画を促し、下記能力を持 つ中核人材を育成することを念頭にプログラム設計した (図 8)。 ? 原理・原則に立ち戻って課題解決を図る能力 ? 課題の本質(幹と枝葉)を的確に見分ける能力 ? 異分野専門家との高度コミュニケーション・協働能 力 上記の検討結果を踏まえ、平成 27 年度から「原子炉 廃止措置工学プログラム」を学生便覧に位置付け、正式 に本プログラムを開設し、人材育成に当たっている。 「原子炉廃止措置工学プログラム」は、研究課題の基礎 を成す広範な分野の科目を系統的に配置したカリキュラ ムとなっている。博士課程前期(修士)は、座学 20 科 目と廃止措置に向けた技術開発を行っている機関への国 に行った。 福島第一原子力発電所の原子炉廃止措置は、現場調査 等が進むにしたがって状況が常に変化し、それに伴って 現場工事工程も常に変化することが予測されるため、原 子炉廃止措置に取り組む人材にはこのような変化に対し 的確かつ重層的に対応できる能力が要求される。このた 図 5 補修技術開発タスクグループの研究課題 め、原子炉廃止措置工学プログラムの構築に当たっては、 図 4 検査技術開発タスクグループの研究課題 図 6 デブリ性状把握・処理技術タスクグループの研究課題 図 7 放射性廃棄物処分タスクグループの研究課題 内外インターンシップ等を組み合わせた専門家養成カリ キュラムを、博士課程後期は、より高度な専門科目に加 えてリーダー論等の指導的人材育成のための科目を配置 している。 本事業で研究補助を行うリサーチアシスタント ( 博 士 ) または産学官連携研究員(修士)として雇用された 大学院生は、研究への主体的参画と研究遂行能力の育成 を図るとともに、原子炉廃止措置工学プログラムを履修 することにより、各自の工学分野での専門性を高めなが ら原子炉廃止措置遂行のための技術的課題全般について の認識を深めることができる。また、別途行う本事業の 専門家会議において各自のテーマの進捗、問題点、解決 方策を報告し、国内外の専門家並びに原子炉廃止措置技 術開発を行っている企業等の技術者等との議論を定期的 に経験できる。これらの座学・研修を通じて、(i) 常に 原理・原則に立ち戻って課題解決を図り、(ii) 課題の本 図 8 育成する人材の人間像 平成 27 年度は、セミナーシリーズ「大規模複雑シス テムのリスクを考える」と題して 5 回のシリーズで産学 連携セミナーを企画し、実施した。 第 1 回セミナー「改めて原子力安全を考える」 ? 講演「Dealing with Accidents in Commercial Nuclear Power Plants - Fukushima Daiichi D&D Project Experience」 ? 講師:米国 MPR 社上級顧問 Dr. Douglas M. Chapin(米 国工学アカデミー会員) ? 東京電力(株)福島第一廃止措置プロジェクトの International Expert Group 議長としての Dr. Chapin の経 験を踏まえ、福島第一の廃止措置はどのように対応す べきか、日本の原子力界はどうあるべきかなどについ て話を聞くとともに、同氏との質疑応答を通じて学ん だ。 第 2 回セミナー「福島第一原子力発電所の炉心で何が起 こったか」 ? 講演「福島第一原子力発電所の炉心では何が起こった 解説記事「東北大学における原子炉廃止措置基盤研究と人材育成への取り組み状況」 表 1 「原子炉廃止措置工学概論」集中講義スケジュール ( 平成 28 年度 ) 質(幹と枝葉)を的確に見極め、そして (iii) 課題解決に 向けて異分野の専門家と高度にコミュニケーションを図 ることができる能力を涵養するプログラムとしている。 原子炉廃止措置工学プログラムにおける平成 28 年度 「 原子炉廃止措置工学概論」集中講義のスケジュールを 表 1 に示す。 (2) 産学連携セミナーの実施 保全学 Vol.16-1 (2017) か」 究者や学生が一定数存在する。そこで、「原子力発電所 ? 講師:元北海道大学教授 石川迪夫(元日本原子力技 術協会 理事長) ? 福島第一1~3号機の事故時における炉内の現象に関 する解説を聞くとともに、原子炉廃止措置研究で注意 すべきことは何かなどについて同氏との質疑応答を通 じて学んだ。 第 3 回セミナー「原子力産業と他産業のリスク管理の違 いを考える」 ? 講演「化学プラントにおけるリスク管理の考え方 ~ リスク管理のポイントは何か?~」 ? 講師:旭化成ケミカルズ(株) 中原 正大 ? 化学プラントの経年劣化を考慮したリスク管理の方法 等についての話を聞くとともに、原子力発電所と化学 プラントのリスク管理の考え方の違いについて、同氏 との質疑応答を通じて学んだ。 第 4 回セミナー「原子炉廃止措置研究は如何にあるべき か」 ? 講 演「Materials research concerning decommissioning of nuclear plants」 ? 講師:仏 CEA(仏原子力庁) Dr. Damien Feron ? フランス原子力・代替エネルギー庁(CEA)の研究部 門のディレクターである Dr. Feron に CEA の第 2、第 3 及び第 4 世代の原子炉に関する研究、放射性廃棄物 保管に関する研究及び廃止措置に関する研究について 話を聞き、同氏との質疑応答を通じて原子炉廃止措置 研究に如何に取り組めばよいかなどについて学んだ。 第 5 回セミナー「放射性廃棄物処分のために求められる 研究とは」 ? 講演「Examples of ongoing chemistry research applied to a nuclear waste repository」 ? 講師:米国ロスアラモス国立研究所 Dr. Jean-Francois Lucchini ? 放射能毒性の高いアクチノイドを含む廃棄物を処分す るために求められる研究とはどのようなものか?米国 で現在進められている、核兵器開発により生じた廃 棄物の地層処分プロジェクトのメンバーである、Dr. Lucchini との質疑応答を通して学んだ。 (3) 原子炉施設の現地調査 本事業には、原子力を専攻する量子エネルギー工学専 攻を中心に、材料、機械、建築、土木、技術社会システム、 情報科学などの幅広い専門分野の専攻の人材が参画して いる。このため、原子力関係の知識を十分に持っていな い、あるいは原子炉施設等を訪問したことのない若手研 は巨大システムであり、発電所建屋や主要機器などがど のようなものか」を体感できる機会を提供するため、平 成 27 年度は原子炉建屋の中心部深く立ち入りが可能な 日本原子力発電(株)東海第二発電所を、また隣接する原子 炉廃止措置中の東海発電所を調査した。この機会に合わ せて、隣接する日本原子力研究開発機構の原子力科学研 究所を調査した。本研究所には米国 TMI 原子力発電所 の事故後、炉心から取り出された燃料デブリが保管され ていることから燃料デブリを直接観察するとともに、事 故時の炉心損傷シミュレーション解析の結果や燃料デブ リの分析 ・ 試験方法等について学んだ。一方、平成 26 年度に原子力発電所を訪問した経験のある学生について は、福島第一原子力発電所が現在どのような状況にある かをつぶさに確認し、所員や作業員が働く様子を見る機 会を提供するため、同発電所を調査した。また、上記と は別に平成 27 年度は原子力災害への対応力強化を目的 に設立された日本原子力発電 ( 株 ) の「原子力緊急事態 支援センター」を調査した。 (4) 人材育成における産学連携と機関間連携 「原子炉廃止措置工学概論」を始めとして「原子炉廃 止措置工学プログラム」への講師派遣、学生による原子 力発電所等の原子炉施設の現地調査、廃止措置関連の研 究開発現場および福島第一原子力発電所などでのイン ターンシップ、専門家会議での討議などに対して産業界 ならびに行政機関からの多大なご支援とご協力を頂いて いる。さらに、平成 27 年度には、本学の提案をきっか けに、人材育成を目的とした学生研究発表会である「次 世代イニシアティブ廃炉技術カンファレンス」が開催さ れ、廃止措置に関する工学を学ぶ全国の学生及び産業界 の専門家との交流も促進された。この会議は毎年持ち回 りで開催されることとなった [4]。 3.原子炉廃止措置基盤研究センターの概要 前述のように、東北大学では全学横断組織として「原 子炉廃止措置基盤研究センター」を設置した。以下に本 センターの概要を述べる。 3.1 センターの設置目的と実施体制 本センターは、東京電力株式会社福島第一原子力発電 所における原子炉の安全かつ着実な廃止措置に資する基 盤技術の研究開発及び原子炉の廃止措置等に関する基盤 研究を行うことにより、東日本大震災からの復興及び我 が国の原子力分野における国際競争力の強化に寄与する ことをその設置目的としている(図 9)。今後は廃止措 置リスク管理技術研究部門ならびに放射性廃棄物処理・ 処分技術研究部門の二部門制(図 10)により、福島第 一原子力発電所の安全な廃炉に資する基礎研究と基盤技 術開発を主たるテーマとしながら、研究成果を通常炉廃 止措置技術へ展開することにも取り組んでいく予定であ る。 の進捗とともに想定外の事象が処々に発現する可能性が ある。 このような困難な状況の中で廃止措置活動を積極的に 進めていくには、廃止措置全体を俯瞰し、戦略的な方針 の下に効率的効果的な方法で活動を進めていく必要があ る。また、このようなプロジェクトを成功裏に完結する 解説記事「東北大学における原子炉廃止措置基盤研究と人材育成への取り組み状況」 図 9 原子炉廃止措置基盤研究センターの設置目的 図 10 原子炉廃止措置基盤研究センターの実施体制 3.2 今後センターが取り組む基盤研究 福島第一原子力発電所 1 ~ 3 号機のような過酷事故炉 を組み合わせた戦略的検討が必要である ( 表 2)。並行し いくことが求められる。 む予定である。 では事故によって炉心溶融が発生 し、溶融した燃料は原子炉圧力容器 を貫通して格納容器内に落下してい ること、事故時の高温高圧で格納容 器が、水素爆発で原子炉建屋が損傷 していることを想定する必要があ る。過酷事故炉の廃炉は、あらゆる 面で通常炉の廃炉と条件が異なる ( 表 2)。このような状態では原子炉 建屋内は高放射線量率と事故で発生 した瓦礫で接近することが容易でな く、原子炉圧力容器や格納容器、原 子炉建屋の内部状況は不明な点が多 いまま、慎重に現場作業を進め、そ 表 2 事故炉廃止措置の特異性:通常炉との条件比較 には、その成否を決定するパフォーマンス指標である「安 全性」と「経済性」の観点からリスクを分析評価し優先 順位を明確にするなど、多角的かつ本質的な検討と一貫 したアプローチが求められる。 まず、廃止措置の前提になるのが、主要設備・構造物 の健全性の維持である。長期の廃止措置期間全体に亘っ て主要設備・構造物の健全性を維持するめには、クリティ カル部位・機能の抽出、長期健全性予測、検査、補修 て、燃料デブリ取出しを達成可能な限り迅速確実に実施 するためには、戦略的アプローチとともに、一歩一歩進 める廃止措置活動の各ステップにおいて必要不可欠な情 報は何かを徹底して追求する手法を取る必要がある(図 11)。 事故炉の廃止措置は、リスクの合理的段階的低減事業 であり、現在の高リスク状態を、まずは安全に管理され た状態へ、そして最終的には管理しなくても安全な状態 を目指した工学的なチャレンジである。過酷事故炉の廃 炉は、大変厳しい条件の下で危険源を取り除いていく成 功シナリオを見つけ、そのために必要な技術を開発して 以上を念頭に本センターでは下記の基盤研究に取り組 保全学 Vol.16-1 (2017) (1) 文部科学省「廃止措置基盤研究・人材育成等強化プ ログラム」採択事業(現在実施中)ならびに廃炉に 関連する他の政府系事業 (2) 廃止措置に関する国内外機関からの受託研究、共同 研究 (3) その他、廃止措置に関する研究 4.結言 本報告は、東北大学が有する研究ポテンシャルと人材 育成実績を活用して、被災地域に立地する総合大学とし ての使命を果たすべく開始した廃止措置等基盤研究 ・ 人 材育成プログラムと平成 28 年 12 月 1 日に東北大学内に 設置された原子炉廃止措置基盤研究センターの概要を紹 介したものである。 今後も福島第一原子力発電所の廃止措置に貢献すべ く、基盤研究及び人材育成に積極的に取り組んでいく予 定である。 謝辞 本報告の一部は、「文部科学省英知を結集した原子力 科学技術・人材育成推進事業」により実施された「廃止 措置のための格納容器・建屋等信頼性維持と廃棄物処理・ 処分に関する基盤研究及び中核人材育成プログラム」の 成果に基づいたものである。 参考文献 [1] 東京電力 ( 株 ) 福島第一原子力発電所 1 ~ 4 号機の 廃止措 . 置等に向けた中長期ロードマップ (http://www.meti.go.jp/earthquake/nuclear/pdf/20160317. pdf) (平成 29 年 1 月 16 日) 著 者 紹 介 著者 : 青木 孝行 所属 : 東北大学大学院工学研究科 著者 : 渡邉 豊 所属 : 東北大学大学院工学研究科 量子エネルギー工学専攻 専門分野 : 保全工学、 環境強度学 著者 : 新堀 雄一 所属 : 東北大学大学院工学研究科 量子エネルギー工学専攻 専門分野 : バックエンド工学、 著者 : 原 信義 所属 : 東北大学大学院工学研究科 量子エネルギー工学専攻 専門分野 : 腐食防食学、 表面処理工学 [2] 里見ビジョン(http://www.tohoku.ac.jp/japanese/profile/ vision/01/vision02/) [3] 文部科学省「英知を結集した原子力科学技術 ・ 人材 育成推進事業 廃止措置研究 ・ 人材育成等強化プログ ラム」の採択事業として「廃止措置のための格納容器・ 建屋等信頼性維持と廃棄物処理・処分に関する基盤 研究および中核人材育成プログラム」実施中(http:// dec.tohoku.ac.jp/) [4] 東北大学「原子炉廃止措置基盤研究 ・ 人材育成事 業」ホームページ http://dec.tohoku.ac.jp/news/news. html?news_id=32 図 11 事故炉廃止措置の検討プロセス 量子エネルギー工学専攻 専門分野 : 保全学、 保全工学 原子力地質工学 東北大学における原子炉廃止措置基盤研究と人材育成への取り組み状況 青木 孝行,Takayuki AOKI,渡邉 豊,Yutaka WATANABE新堀 雄一,Yuichi NIIBORI,原 信義,Nobuyoshi HARA 東北大学における原子炉廃止措置基盤研究と人材育成への取り組み状況 青木 孝行,Takayuki AOKI,渡邉 豊,Yutaka WATANABE新堀 雄一,Yuichi NIIBORI,原 信義,Nobuyoshi HARA