陽子加速器・ハイブリッド高速炉の炉心特性の予備検討

Core characteristics on a hybrid type fast reactor system combined with proton accelerator

小綿 泰樹; 大坪 章

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加速器と未臨界高速炉とを組み合わせたハイブリッド炉(加速器ハイブリッド高速炉)の特徴(出力制御性、硬中性子スペクトル等)を生かし、これまで主として超ウラン元素(TRU)を消滅させる性能に着目して検討を行ってきた。使用する加速器の形式として、単位出力当りの中性子発生数の観点から、加速ビームが電子又は陽子の場合を比較した。その結果、ターゲット(タングステン)原子核とのスポレーション反応を利用する陽子加速器が優れており、当然TRU消滅特性も有利であることが分かった。本来、高速炉は転換比が高いので加速器のような外部中性子源を組み合わせれば、制御棒や高富化プルトニウム燃料を使用しなくても出力密度を高くして長期運転が可能であると考えられる。すなわち、核分裂性プルトニウムを自給できる(燃料自給)特性をもっている。従って、本報告書では、陽子加速器の高い中性子発生能力に基づく原子炉制御への適用性を利用し、陽子加速器ハイブリッド高速炉の炉心特性を2D-BURNコードを用いて概略的に検討した。出力密度300w/ccでターゲット部を無視した円筒炉心を想定し、炉心の寸法と全炉心体積に占める燃料の体積比をパラメータとして行った燃焼計算から燃料自給の可能性を検討した。この結果、炉心高さと半径がそれぞれ100cmの炉心では、初期炉心にのみ中富化度(約10wt%)のウラン又はプルトニウム燃料を装荷すれば、以後の燃焼サイクルには天然ウランのみを供給するだけで長期運転が可能になる見通しが得られた。なお、より詳細な解析は次年度に行う予定である。

In our study on a hyblid fast reactor system, we have investigated it from the view point of transmutation ability of trans-uranium (TRU) nuclide making the most effective use of special features (controllability, hard neutron spectrum) of the system. It is proved that a proton beam is superior in generation of neutrons compared with an electron beam. Therefore a proton accelerator using spallation reaction with a target nucleous has an advantage to transmutation of TRU than an electron one. A fast reactor is expected to primarily have a merit that the reactor can be operated for a long temrm without employment of highly enriched plutonium fuel by using external neutron source such as the proton accelerator. Namely, the system has a desirable characteristic of being possible to self-sustained fissile plutonium. Consequently in the present report, core characteristics of the system were roughly studied by analyses using 2D-BURN code. The possibility of self-sustained fuel was investigated from the burnup and neutronic calculation in a cylindrical core with 300w/cc of power density without considering a target material region for the accelerator. For a reference core of which the height and the radius are both 100cm, there is a fair prospect that a long term reactor operation is possible with subsequent refueling of natural uranium, if the medium enriched (around 10wt%) uranium or plutonium fuels are fully loaded in the initial core. More precise analyses will be planed in a later fiscal year.