TRU専焼炉及び発電用高速炉の比較検討

Comparison between TRU burning reactors and commercial fast reactor

藤村 幸治*; 三田 敏男*; 小川 隆*

Fujimura, Koji*; Sanda, Toshio*; Ogawa, Takashi*

環境負荷低減の観点から原子炉の使用済み燃料中に含まれる放射性廃棄物、特に長寿命のTRU核種を高速炉で照射・核変換し、安定化、短寿命化をはかる研究開発が行われている。高速炉へのTRU装荷方法としては、全ての発電用高速炉燃料にTRUを薄く添加する方法と、TRU変換に特化した少数の専焼炉のみにTRUを多量に装荷する方法が考えられている。本研究では、実用化高速炉の炉心候補概念の明確化に資するため、TRU専焼炉に関する既存情報の調査、TRU専焼炉の核変換性能及び炉心核特性について標準的な発電用高速炉を用いた核変換方法との比較検討を行い、その得失について整理した。本研究の主要結果を以下に示す。1.TRU専焼炉に関する既存情報の整理公開文献に基づき、TRU専焼炉炉心概念及び高速炉を中心とした発電用原子炉を用いる核変換処理システムを調査し、核変換性能、炉心核特性、及び研究開発課題を整理した。・発電用高速炉の炉心燃料に5wt%程度のマイナーアクチニド(MA)を均質装荷する場合、炉心の核特性に大幅な影響を及ぼさず同出力規模の高速炉5基分程度から発生するMAを核変換できる見通しが得られている。・日本原子力研究所(原研)から提案されているMA専焼高速炉概念(He冷却)は、MA富化度を60wt%以上とした被覆粒子型窒化物燃料を用いてほぼMAのみで臨界を達成するもので100万kWe級軽水炉10数基分から発生するMAを核変換できる。・MAの可燃性吸収材燃料親核種としての核的な特長を活用して30年程度以上燃料無交換運転を達成する超長寿命炉心の概念が提案されている。・課題として、MA装荷に起因する反応度係数の正側への移行及びMA装荷燃料の中性子発生数・発熱量増大への設計、設備対策が挙げられる。2.TRU専焼炉の設定実用化戦略調査研究で検討されている発電用高速炉(ナトリウム冷却窒化物燃料大型炉心、3800MWt)の仕様に基づき、MA窒化物燃料を用いるナトリウム冷却TRU専焼炉大型炉心の仕様を設定し、核変換特性及び炉心核特性を評価した。MA組成は軽水炉使用済み燃料に含まれるものを想定した。MAの核変換量を最大化する観点よりMA富化度は原研の設計例で示されている60wt%とした。MAの大量装荷に起因する反応度係数の正側への移行を改善し、発電用高速炉にMAを5wt%富化した炉心と同程度のドップラー係数を確保

Research and development for stabilizing or shortening the radioactive wastes included in spent nuclear fuel are widely conducted in view point of reducing the environmental impact. Especially it is effective way to irradiate and transmute long-lived TRU by fast reactors. Two types of loading way were previously proposed. The former is loading relatively small amount of TRU in all commercial fast reactors and the latter is loading large amount of TRU in a few TRU burning reactors. This study has been intended to contribute to the feasibility studies on commercialized fast reactor cycle system. The transmutation and nuclear characteristics of TRU burning reactors were evaluated and compared with those of conventional transmutation system using commercial type fast reactor based upon the investigation of technical information about TRU burning reactors. Major results are summarized as follows. (1) Investigation of technical information about TRU burning reactors. Based on published reports and papers, technical information about TRU burning reactor concepts and transmutation system using conventional commercial type fast reactors were investigated. Transmutation and nuclear characteristics or R&D issue were investigated based on these results. (a) Homogeneously loading of about 5wt% MAs on core fuels in the conventional commercial type fast reactor may not cause significant impact on the nuclear core characteristics. Transmutation of MAs being produced in about five fast reactors generating the same output is feasible. (b) The helium cooled MA burning fast reactor core concept propose by JAERI attains criticality using particle type nitride fuels which contain more than 60 wt% MA. This reactor could transmute MAs being produced in more than ten 1000 MWe-LWRs. (c)Ultra-long life core concepts attaining more than 30 years operation without refueling by utilizing MA's nuclear characteristics as burnable absorber and fertile nuclides were proposed. (d)Those ...