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Pu Vector Sensitivity Study for a Pu Burning Fast Reactor Part II:Rod Worth Assessment and Design Optimization

Pu燃焼型高速炉におけるPu同位体組成比変化の影響評価; 制御棒価値及び最適炉心検討

Hunter

Hunter

本研究の目的は、高速炉におけるPu同位体組成比(Puベクター)変化の炉心特性に与える影響を調べ、そしてそれに対応する方策を検討し、最終的には、同一炉心において色々なPuベクターの燃料を燃焼できる最適炉心を構築することにある。本研究では、PWRでのMOX燃料照射によって得られたPuベクターを持つPu燃料を燃焼するために最適化された600MWeクラス高速炉炉心をベースとした。このレファレンスPuベクターに加えて、2つの極端なPuベクター(高フィッサイルPu:解体核Pu、劣化Pu:多重リサイクルPu)の場合について解析評価した。Puベクターの変化に対して、燃料体積比の調整(幾つかの燃料ピンを希釈ピンで置き換えたり、燃料ピン径を変更する方策)により対応できることが分かった。希釈材として、ZrHを使用した場合、炉心性能が大幅に改善されることが分かった。ただ、劣化Puにたいしては、燃料体積比を大幅に増加させることに加えて、制御棒ワースのマージンを確保するために、制御棒本数の増加が必要となることが分かった。今回の検討により、燃料ピン径の増大や制御棒本数の増加により、ラッパー管サイズを変更せずに、1つの炉心で幅広いPuベクターを持つ燃料を燃焼できる炉心概念を構築することができた。これにより、高速炉のPu燃焼における柔軟性を示すことができた。

This study was based on a 'pancake' type fast reactor core design of 600 MW(e), which had been optimized for Pu burning with a feed Pu vector appropriate to once-through irradiation of MOX fuel in a PWR. The purpose of the study was to investigate the effects of varying the Pu vector, examining various methods of offsetting the effects of such a change, and finally to produce fuel cycles optimized for the different qualities of Pu vector within the same basic design. In addition to the reference (once-through) Pu vector, two extreme Pu vectors were examined: high quality Pu from military stockpiles; low quality Pu corresponding to the equilibrium point of multiple recycling in a Pu burning fast reactor. Variations in Pu quality were overcome by changing the fuel inventory - replacing some of the fuel by diluent material, and altering the fuel pin size. Using absorber material ($$^{10}$$B$$_{4}$$C) as diluent improves the rod worth shutdown margin but degrades the Na void and Doppler safety parameters, a non-absorber diluent has the opposite effects, so a mix of the 2 material types was used to optimize the core characteristics. Of the non-absorber diluent materials examined, ZrH gave significantly better performance than all others; $$^{11}$$B$$_{4}$$C was the second choice for non-absorber diluent, because of its compatibility with $$^{10}$$B$$_{4}$$C absorber. It was not possible to accommodate the lower quality (multi-recycled) Pu vector without a significant increase in the fuel pin volume. It was not generally possible, especially with the increased fuel pin size, to achieve positive rod worth shutdown margins - this was overcome by increasing the number of control rods. For the higher quality Pu vectors to maintain ratings within limits, it was necessary to adopt hollow fuel pellets, or else to use the diluent material as an inert matrix in the fuel pellets. It proved possible to accommodate both extremes of Pu vector within a single basic design, maintaining ...

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