「もんじゅ」における実用化像実証炉心の設計検討

Design Study on a Demonstration Core for a Practical LMFBR in Monju

前田 誠一郎 ; 富樫 信仁*; 樋口 真史*; 高野 光弘*; 安部 智之

Maeda, Seiichiro; Togashi, Nobuhito*; Higuchi, Masashi*; Takano, Mitsuhiro*; Abe, Tomoyuki

高速炉の実用化段階で想定される取出平均燃焼度150GWd/tの炉心・燃料を既存の原型炉である「もんじゅ」に装荷して先行的に実証することを想定した場合の炉心・燃料像を明確にした。この炉心・燃料像において太径中空燃料を炉心規模で適用することで、実効燃料体積率の増加による内部転換比の向上、耐スエリング性に優れたODS鋼製被覆管の採用等により、取出平均燃焼度150GWd/tまでの高燃焼度化、1年を超える長期運転が「もんじゅ」において達成できる見通しであることが示された。この太径中空燃料を用いた高燃焼度化によって、燃料加工、再処理等の燃料サイクルへの負荷が大幅に軽減された炉心像を実証することが可能となる。本設計検討においては、まず、既存プラントに係る制約条件(形状寸法、冷却系等)および実用化像実証に係る条件(高燃焼度化、長期運転等)を考慮し、集合体当たりの燃料ピンバンドル本数等をパラメータとした炉心・燃料仕様サーベイを実施し、127本バンドルと91本バンドルの2つの炉心案を炉心オプションとして選定した。ついで、これらの炉心案の炉心特性を具体的に把握すると共に核設計、熱流力・燃料設計について検討し、成立性する見通しであることを確認した。高い経済性を有する実用化像を「もんじゅ」に適用することは、「もんじゅ」自体の経済性向上にも寄与し、稼働率向上による年間発電量の増加と共に年間取替燃料体数の大幅な削減(1/2および1/3)により、実効的な運転経費の大幅な削減が可能となる。また、熱的な余裕を確保することで、低除染燃料の集合体規模の実証試験、燃料・材料開発のための照射場としての利用が可能となる。今後の「もんじゅ」中長期利用計画を検討するに際して、本検討結果が技術的裏付けを持った指針となるものと考える。

The Monju advanced core concept to demonstrate a practical LMFBR core with 150GWd/t (average discharged burnup) was embodied in this design study. A high performance fuel with annular pellets of a large diameter filled in ODS (oxide dispersion strengthen ferritic steel) claddings was applied in the advanced core. This enables improvement of an internal conversion ratio in combination with increase of effective fuel volume fraction, achievement of high burnup up to 150GWd/t and a long operation period beyond 1 year in Monju. The core in which the practical high burnup lessens a burden for a fuel cycle system including fuel fabrication and reprocessing can be demonstrated. In the first step, constraints in the existing plant and requirements to demonstrate the practical LMFBR were clarified. The core and fuel specifications were surveyed with parameters of a number of fuel pins in an assembly and so on. Two types of cores with 127-pin-bundle and 91-pin-bundle were selected as candidates. In the second step, performances of these core options were specified in this design study. It was shown that major parameters in neutronic design, hydraulic design and fuel design would meet criteria. The application of the high performance fuel significantly contributes the enhancement of economical efficiency of Monju itself. The net operation cost will be greatly reduced by increase of the annual electricity generated caused by a boost of the plant operating rates and by saving of the annual discharged fuel assemblies up to 1/2 or 1/3. The deliberate margin for thermal limits ensures the irradiation field to develop new type fuels and core materials and to demonstrate a low decontaminated fuel with miner actinides as a candidate of advanced fuel cycle. The results in this study may become a technically credible guideline to make the future management plan of Monju.