Deuterium effect on the subcritical limit for fissile-to-hydrogen ratio

核分裂性核種と水素の比に対する未臨界制限値への重水素の影響

奥野 浩  ; 秋山 秀夫*; 望月 弘樹*

Okuno, Hiroshi; Akiyama, Hideo*; Mochizuki, Hiroki*

国際原子力機関(IAEA)の現行の放射性物質安全輸送規則を厳密に適用すると、低レベル廃棄物(LLW)ドラムが核分裂性物質として輸送することが要求される。この問題は、LLWドラム中のコンクリートの水分が重水素(D)を含み、その量が核分裂性物質質量の0.1%を超え、従ってLLW運搬物が核分裂性物質を含む輸送物に関する除外規定要求を満たさないことの帰結である。軽水素(H)とDの中性子吸収断面積の相違に関する検討から、水素減速体系において天然水中のDの存在による中性子増倍率の相対的な増加が0.015%以下であることを示す。U/H質量比5%のU金属と水の混合物において、無限中性子増倍率がD/H原子個数比に比例して増加し、D/H原子個数比0.015%に対して無限中性子増倍率の相対的な増加割合が0.03%未満であることを数値計算により確認する。除外規定にある核分裂性核種と水素の制限質量比5%が、天然水にDを含む水素減速体系にも適用可能であることを結論付ける。

Low-level waste (LLW) drums are required to transport as fissile material if the current IAEA's Regulations for the Safe Transport of Radioactive Material are rigorously applied. This problem is a consequence that water contents of concrete in LLW drums contained deuterium (D) in quantities more than 0.1% of fissile material mass, therefore they are not excepted from packages containing fissile material. Consideration of differences in the absorption cross sections of light hydrogen and D shows that the relative increase in the neutron multiplication factor by a presence of D in natural water for hydrogen (H)-moderated systems is not larger than 0.015%. A numerical calculation confirms that the infinite multiplication factor of a mixture of U-metal and water in a U/H mass ratio of 5% increases proportionally to the D/H atomic ratio, and that its relative increase is less than 0.03% for the D/H atomic ratio of 0.015%. The limiting fissile-to-H mass ratio of 5% in the exception rule is concluded to be applicable to H-moderated systems including D in natural water.